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Kapazitiver Meßumformer Zusatz zum Patent: 1 248959 Die Erfindung
bezieht sich auf einen kapazitiven Meßumformer mit einer Reihe von feststehenden,
Abstand voneinander besitzenden, wechselspannungsgespeisten Einzelelektroden, in
deren elektrischem Feld eine Abtastelektrode verschiebbar angeordnet und kapazitiv
an diese angekoppelt ist, so daß sie bei einer Verschiebung eine sich gegenüber
einem Bezugspotential ändernde Ausgangsspannung liefert, die ihrer relativen Stellung
entspricht, wobei den elektrisch voneinander isoliert angeordneten Einzelelektroden
aufeinanderfolgend unterschiedliche Spannungen zugeführt sind, nach Patent 1 248
959, und eine Schaltungsanordnung mit einer Anzahl von Anzapfungen zur Auswahl eines
Bezugspotentials vorgesehen ist.
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Dem Patent 1 248 959 liegt die Aufgabe zugrunde, einer bestimmten
Lage der Abtastelektrode ein bestimmtes, zu einer Relativstellung gegenüber der
feststehenden Elektrodenreihe gehörendes Potential abzuleiten, das zweckmäßig mit
einem Bezugspotential verglichen wird. Durch die vorliegende Erfindung ist diese
Aufgabe darauf ausgedehnt, die Ansprechcharakteristik, d. h. die Beziehung zwischen
der Relativstellung und der zwischen Abtastelektrode und Bezugspotential abgeleiteten
Potentialdifferenz wahlweise ändern zu können, um dem kapazitiven Meßumformer eine
möglichst universelle Verwendbarkeit und Anpassungsfähigkeit an verschiedene meßtechnische
Gegebenheiten zu verschaffen.
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In der Technik ist es bekannt, z. B. zum Anzeigen der Zeigerbewegung
empfindlicher Meßinstrumente die Kapazität eines Kondensators oder die Selbstinduktion
einer Spule entsprechend der Zeigerbewegung zu ändern und damit einen elektrischen
Schwingkreis zu beeinflussen.
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Ganz allgemein sind auch Meßwandler zur Messung und Fernanzeige des
Flüssigkeitsstandes von Behältern bekannt, bei denen wie bei der zuvor besprochenen
Einrichtung eine Relativbewegung den kapazitiven Widerstand eines Kondensators ändert.
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Unbekannt war es bisher bei kapazitiven Meßumformern, von einer Reihe
von feststehenden, mit Abstand voneinander angeordneten Einzelelektroden, eine der
Relativstellung einer Abtastelektrode gegenüber der Reihe von Einzelelektroden zugeordnete
Spannung abzuleiten und diese mit einem Bezugspotential zu vergleichen. Die der
Erfindung zugrunde liegenden Probleme sind daher auf dem Gebiet kapazitiver Meßumformer
völlig ungelöst. Allerdings wurden bereits Inter- oder Extrapolationsvorrichtungen
bekannt, mit denen von bestimmten Bezugspotentialen über die Sekundärwicklungen
eines Transformators nach einer quadratischen Funktion interpolierte Zwischenwerte
abgeleitet wurden. Diese Zwischenwerte wurden zur Bildung einer nahezu kontinuierlichen
quadratischen oder höheren Funktion an voneinander unabhängigen Elektroden abgenommen.
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Obwohl durch die Wahl einiger Bauelemente eine gewisse konstruktive
Verbindung zur vorliegenden Erfindung besteht, fehlt doch jede Beziehung zu der
der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe und der von einem kapazitiven Meßumformer
generell zu erfüllenden Funktion.
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Die Aufgabe der Erfindung wird, ausgehend von einem kapazitiven Meßumformer
der eingangs angegebenen Art, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Bezugspotential
von einem Spannungsteiler abgeleitet wird, der über eine Kontakteinrichtung mit
wählbaren Anzapfungen einzelner Sekundärwicklungen eines Transformators verbunden
ist, und daß die Sekundärwicklungen einzeln an Abgriffe eines an der Spannungsquelle
liegenden Spannungsteilers angeschlossen sind.
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Mit dem auf die erfindungsgemäß angegebene Weise ausgestatteten kapazitiven
Meßumformer
können einerseits fertigungsbedingte Unregelmäßigkeiten
der Einzelelektroden oder deren Abstand zueinander ausgeglichen und andererseits
nichtlineare Funktionen willkürlich erzeugt werden; es können ferner Veränderungen
des Meßbereiches und der Empfindlichkeit auf einfache Weise vorgenommen werden.
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Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
daß das Bezugspotential mittels eines Abgriffs am Spannungsteiler eingestellt wird.
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Eine andere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich
durch zwei parallelgeschaltete, an der Spannungsquelle liegende Spannungsteiler
aus, von denen jeder mehrere Abgriffspunkte unterschiedlichen Potentials, Kontakteinrichtungen
zur wählbaren Herstellung von Kontakten mit den Punkten und Einrichtungen zum Ableiten
des Bezugspotentials von der Potentialdifferenz, die zwischen den durch die Kontakte
verbundenen Punkten besteht, hat.
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Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin,
daß die Potentiale an den feststehenden Elektroden von Abgriffen an einem induktiven
Spannungsteiler abgeleitet sind, die unterschiedliche Abstände voneinander haben.
Diese Ausgestaltung dient insbesondere zur Schaffung einer nichtlinearen Beziehung
zwischen der Stellung des Meßumformers und der Anzeige.
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In weiterer Ausgestaltung kann ferner ein Autotransformator vorgesehen
sein, der an einem veränderlichen Abgriff eines induktiven Spannungsteilers liegt,
wobei das Bezugspotential von einem veränderlichen Abgriff am Autotransformator
abgeleitet wird.
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Im folgenden soll die Erfindung beispielsweise an Hand der Zeichnung
erläutert werden. Die Figuren der Zeichnung stellen vereinfachte Ausführungsformen
der Erfindung dar.
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Fig. 1 zeigt schematisch den Grundaufbau eines kapazitiven Meßumformers,
wie er auch schon in ähnlicher Form im Hauptpatent gezeigt ist. In einem gestrichelten
Rechteck sind die Hauptteile des kapazitiven Meßumformers angedeutet, bestehend
aus einer Reihe von in Abstand voneinander angeordneten Einzelelektroden 21 und
einer relativ zu diesen beweglichen Abtastelektrode 22. Im vorliegenden Fall sind
die Einzelelektroden 21 feststehend angeordnet, und die Elektrode 22 ist beweglich.
Die Einzelelektroden werden von einer Wechselspannungsquelle 23 gespeist, an der
außerdem ein induktiver Spannungsteiler bzw. eine Drosselspule 24 angeschlossen
ist. Die Drosselspule 24 hat eine Reihe von Abgriffen, die einzeln mit jeweils einer
Elektrode 21 verbunden sind. Diese Verbindungen bilden jeweils eine von sechs Sekundärwicklungen
25 eines Transformators 26, dessen Primärwicklung 27 ebenfalls von der Spannungsquelle
23 gespeist wird. -Bei dieser Anordnung werden die relativen Potentiale an den Einzelelektroden
21 durch die Vektorsumme der Spannungen an den Abgriffen der Drosselspule 24 und
der an den einzelnen Sekundärwicklungen 25 auftretenden Spannungen bestimmt.
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Durch geeignete Auswahl der Abgriffe und der Größe der Spannungen
an den Sekundärwicklungen kann die Art des Potentialgradienten über der Reihe der
Einzelelektroden 21 in einem weiten Funktionsbereich ausgewählt oder eingestellt
werden. Der Gradient kann auf diese Weise mehr einem linearen oder einem nichtlinearen
Gesetz folgen, und es
können Korrekturen vorgesehen werden, die Ungenauigkeiten des
Meßumformers 20 oder in der Anordnung der Abgriffe an der Drosselspule 24 berücksichtigen.
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Wenn sich die Abtastelektrode 22 in der oben beschriebenen Art entlang
der Reihe der Einzelelektroden 21 bewegt, so nimmt sie im Verhältnis zu einem Bezugspunkt
ein Potential auf, das ihrer Relativstellung zu den Einzelelektroden des Meßumformers
entspricht.
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Die Anordnung und die Auswahl des Bezugspunktes kann so getroffen
sein, daß, wenn die Elektrode 22 im Verhältnis zu den Einzelelektroden 21 eine vorbestimmte
Stellung erreicht, das Potential der Elektrode 22 das gleiche wie das des Bezugspunktes
ist. Somit kann die Einstellung der beweglichen Elektrode durch die Potentialdifferenz
zwischen der Elektrode und dem Bezugspunkt gesteuert werden, und die Elektrode kann
in ihre vorbestimmte Stellung gebracht werden, indem sie so lange bewegt wird, bis
die Potentialdifferenz Null ist.
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Eine Anordnung zur Schaffung des Bezugspunktes ist in F i g. 1 dargestellt:
Ein zweiter induktiver Spannungsteiler 29 wird von der Wechselspannungsquelle 23
gespeist und hat einen veränderlichen Abgriff 30.
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Die Potentialdifferenz zwischen dem Abgriff 30 und der Elektrode 22
wird über einen Transformator 31 einem Verstärker 32 zugeführt. Der Verstärker 32
steuert einen drehrichtungsumkehrbaren Motor 34, der - wie durch die Linie 35 angedeutet
- die Elektrode 22 in einem korrigierenden, die Potentialdifferenz auf Null abgleichenden
Sinn bewegt, bis sich die Elektrode 22 in ihrer vorbestimmten Stellung befindet.
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Beim Betrieb wird der Abgriff 30 in eine Stellung gebracht, die der
gewünschten Stellung der beweglichen Elektrode 22 entspricht. Falls sich die Elektrode
nicht in der gewünschten Stellung befindet, tritt zwischen dem Abgriff 30 und der
Elektrode 22 eine Spannung auf, die eine Funktion der Stellungsabweichung ist; diese
Potentialdifferenz kann als Fehlersignal bezeichnet werden. Das Fehlersignal kennzeichnet
durch seine Größe und Phasenlage sowohl das Ausmaß als auch die Richtung des Abstandes
der beweglichen Elektrode von der gewünschten Stellung.
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Falls das Gerät zur Anzeige der Stellung eines beweglichen Bauteils
in bezug auf die Einstellung des Abgriffs 30 verwendet wird, kann ein Anzeigegerät
34 verwendet oder der Motor 33 so abgewandelt werden, daß er die Stellung des Abgriffs
30 an dem induktiven Spannungsteiler 29 ändert, bis das Fehlersignal auf Null gefallen
ist, wie dies durch die Linie 36 angedeutet ist. Die Stellung des Abgriffs 30 kann
an irgendeinem geeigneten Anzeigegerät angezeigt werden.
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In der Schaltung nach F i g. 1 wird eine Korrektur der Ansprechcharakteristik
des Gerätes durch den Transformator 26 bewirkt, der mit dem Meßumformer 20 zusammenwirkt;
diese Korrektur kann aber noch genauer durch einen ähnlichen Transformator bewirkt
werden, der mit dem induktiven Spannungsteiler 29 zusammenwirkt. Eine Anordnung
dieser Art ist in F i g. 2 dargestellt. Wie aus F i g. 2 hervorgeht, sind die Einzelelektroden
21 direkt mit den entsprechenden Abgriffen der Drosselspule24 verbunden, indem diese
Drosselspule mit einer Vielzahl von Abgriffen 37 versehen und jeder dieser Abgriffe
direkt
mit einer Elektrode 21 verbunden ist. Der Spannungsteiler 29 hat ebenfalls Abgriffe
39, und diese sind über Sekundärwicklungen 25 des Transformators 26 mit einer Reihe
von Kontakteinrichtungen 40 verbunden. Ein weiterer Spannungsteiler 41 kann mit
jeweils zwei nebeneinanderliegenden Kontakten 40 verbunden werden. Der Bezugspunkt
bzw. die Bezugsspannung wird durch Auswahl der Kontakte 40, mit denen das Element
41 verbunden wird, und außerdem durch einen einstellbaren Abgriff 42 am Element
41 gewählt. Während das Elemeint 41 eine Grobeinstellung bzw. -steuerung vorsieht,
ergibt der Einstellabgriff 42 eine Feineinstellung.
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F i g. 3 und 4 stellen Anordnungen dar, in denen die Abhängigkeits-
oder Ansprechcharakteristik einer von der Linearität abweichenden Gesetzmäßigkeit
folgt, die einer beliebigen Funktion angenähert sein kann. Die Abgriffe 39 haben
vorbestimmte, ungleichförmige Abstände, die eine Abhängigkeitsfunktion ergeben,
welche aus einem Zug von geraden Linien besteht, die näherungsweise eine Kurve bilden.
Die Anordnung in F i g. 4 zeigt die Verwendung eines Transformators 26 zur Korrektur
der an den Kontakten 40 auftretenden Potentiale. Es kann dazu in den Anordnungen
der Fig. 3 und 4 ein induktiver Spannungsteiler, wie der mit 41 bezeichnete angewendet
werden. F i g. 4 stellt ein Beispiel einer anderen Anordnung dar, durch welche die
Abhängigkeitscharakteristik geändert werden kann. Bei dieser Anordnung wird die
Spannung geändert, die der Primärwicklung 27 des Transformators 26 zugeführt wird.
Diese Spannung kann durch Anschließen der Primärwicklung an einen Zwischenabgriff
des Spannungsteilers 29 geringer als die Spannung der Spannungsquelle 23 sein und
kann nach der Anordnung in F i g. 4 beispielsweise durch verschiedene Einstellungen
des Abgriffs 30 eingestellt werden.
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Gemäß Fig.4 erfolgt dies durch Anschließen der Primärwicklung des
Transformators zwischen einem Punkt des Spannungsteilers 29 und dem Abgriff 30.
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Zusammen mit der Elektrode 22 können Schutzringe oder Elektroden
verwendet werden. F i g. 5 ist ein Beispiel, in dem die Schutzelektroden 44 miteinander
und mit dem Ausgang eines einheitlich verstärkenden Verstärkers 48 verbunden sind.
Der Verstärker 48 kann einen Teil des Verstärkers 32 bilden.
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Auf diese Weise kann das Potential der Schutzelektroden im wesentlichen
auf das der Elektrode 22 gebracht werden. Die Schaltung nach F i g. 5 entspricht
im übrigen der in F i g. 1 ohne den Transformator 26.
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Die Schutzelektroden oder Schutzringe können andererseits auch mit
Bezug auf die Abtastelektrode 22 oder die Einzelelektroden 21 eingestellt sein,
um einen gewünschten Effekt zu ergeben. Beispielsweise kann der wirksame Spalt zwischen
den Schutzelektroden und der Aufnahmeelektrode im Verhältnis zu den Spannungen an
diesen Elementen verändert werden.
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Bei der in F i g. 6 gezeigten Anordnung sind ebenfalls Schutzelektroden
44 verwendet. Diese Elektroden sind auf Erdpotential gehalten, und es sind ferner
Mittel vorgesehen, durch die beim Betrieb die Abtastelektrode 22 ebenfalls auf dem
oder etwa auf Erdpotential gehalten wird. Zu diesem Zweck ist die Sekundärwicklung
eines weiteren Transformators 50 in Reihe mit der Primärwicklung des Transformators
31 und Erde geschaltet. Beide in den F i g. 5 und 6
gezeigten Anordnungen haben den
Vorteil guter Empfindlichkeit.
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In der Schaltung in Fig.7 ist eine andere Anordnung zur Einstellung
des Bezugspunktes dargestellt. Zum Spannungsteiler 29 ist ein weiterer induktiver
Spannungsteiler 52 parallel geschaltet, der einen einstellbaren Abgriff 53 aufweist.
Ein als Autotransformator dargestellter Transformator besteht aus einer Induktionsspule
54, an der ein Abgriff 55 angreift. Die Spule54 ist zwischen den Abgriffen 53 und
30 angeschlossen, und am Abgriff 55 wird das Bezugspotential abgenommen.
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Das Potential am Bezugspunkt hängt von der Einstellung der beiden
einstellbaren Abgriffe 53 und 30 ab, aber der relative Einfluß der beiden Einstellungen
hängt vom Abgriffsverhältnis des Autotransformators mit der Spule 54 ab.
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F i g. 8 zeigt eine Anordnung, durch die eine Nullverschiebung erzielt
werden kann. Wie dargestellt ist, ist die Zahl der Einzelelektroden des kapazitiven
Meßumformers größer als die Zahl der Abgriffe an der Drosselspule24, von denen die
Potentiale den Einzelelektroden zugeführt werden. Zwei Kontakteinrichtungen 56 und
57 dienen zur Auswahl derjenigen Einzelelektroden, denen eine Potentialdifferenz
erteilt wird, und des Ausmaßes der Verschiebung. Die äußeren Kontakte an jedem Ende
der Kontakteinrichtung 57 sind miteinander verbunden, so daß so viele getrennte
Kontaktgruppen gebildet werden, wie Abgriffe an der Spule 24 vorhanden sind.
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F i g. 9 zeigt eine Anordnung, in der das den Einzelelektroden 21
des kapazitiven Meßumformers 20 zugeführte Potential über Abgriffe an der Drosselspule
24 zugeführt wird. Die Enden der Spule24 sind mit zwei einstellbaren Abgriffen 58,
59 der Drosselspule 29 verbunden. Somit kann durch Einregeln der relativen Stellung
der Abgriffe die Größe der Spannung über die Drosselspule 24 geändert werden und
damit auch die Größe der entsprechenden Potentiale an den Einzelelektroden des Potentiometers.
Eine verstärkte Wirkung kann dadurch erzielt werden, daß die Anordnung umgekehrt
und der Spannungsteiler 29 mit zwei Abgriffen der Spule 24 verbunden wird.
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Nach der Schaltung in F i g. 10 kann ein ähnlicher Teilungseffekt
durch Verwendung eines zusätzlichen Autotransformators 60 erzielt werden, der über
einen einstellbaren Teil des Spannungsteilers 29 eingeschaltet ist. Der Abgriff
61 am Autotransformator stellt dann die Bezugsspannung dar.
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Es ist klar, daß diese Verfahren der Aufteilung miteinander kombiniert
werden können, und zwar beispielsweise mittels Schaltern, um verschiedene Teilungs-
oder Maßstabsbereiche, Empfindlichkeiten, Verschiebungen od. dgl. je nach Wunsch
herzustellen. Auch die anderen beschriebenen Abwandlungen und Ausführungsformen
können in geeigneter Weise miteinander kombiniert werden. Der Einfachheit halber
ist in einigen Figuren auf den Korrekturtransformator 26 verzichtet worden. Zur
genaueren Korrektur der Bezugs- und Elektrodenpotentiale ist die Verwendung jedoch
in allen Anordnungen zweckmäßig.