DE1993219U

DE1993219U - ARRANGEMENT FOR THE CAPACITIVE MEASUREMENT OF SMALL LENGTH CHANGES.

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Publication number: DE1993219U
Application number: DE1960J0008877
Authority: DE
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1960-07-28
Filing date: 1960-07-28
Publication date: 1968-09-05

Description

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IBM Deutschland IBM Germany Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbHInternationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH

Böblingen, 15. Juli 1968 sa-sehBoeblingen, July 15, 1968 sa-see

Amtl. Aktenzeichen: J 8877/42d Gbm .''-"_ Official File number: J 8877 / 42d Gbm .``- "_

Aktenz. der Anmelder in: Docket 25 302 -File the applicant in: Docket 25 302 -

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Arrangement for capacitive measurement of small changes in length

Die Neuerung betrifft eine Anordnung zur kapazitiven Messung kleiner, insbeson- _■ dere bei longitudinalen Schwingungen eines Stabes auftretender Längenänderungen mittels eines den Messkondensator enthaltenden Schwingkreises und eines, Frequenzänderung en des Schwingkreises anzeigenden Referenzkreises. The innovation concerns an arrangement for capacitive measurement smaller, in particular _ ■ whose length changes occurring with longitudinal vibrations of a rod by means of an oscillating circuit containing the measuring capacitor and a reference circuit indicating frequency changes in the oscillating circuit.

Es ist bekannt, Längenänderungen ohne Berührung des Messobjektes auf elektrischem Wege in der Weise zumesäen, daß die Längenänderung in eine Kapazitätsänderung umgewandelt wird. Die dabei verwendeten Messkondensatören sind im allgemeinen Bestandteile eines elektrischen Schwingkreises> in welchem Änderungen der Kapazität Verschiebungen der Resonanzfrequenz hervorrufen. Die Messkondensatoren sind entweder als Plattenkondensatoren mit veränderlichem Plattenabstand, bei denen mechanische Fühler mit dem Messobjekt in Berührung stehen, ausgebildet oder aber das Messobjekt selbst trägt eine Platte des Kondensators.It is known that length changes without touching the measurement object on electrical Sow paths in such a way that the change in length results in a change in capacitance is converted. The measuring capacitors used are in general components of an electrical oscillating circuit> in which changes in capacitance cause shifts in the resonance frequency. The measuring capacitors are either as plate capacitors with variable plate spacing, in which mechanical sensors are in contact with the measuring object, formed or the test object itself carries a plate of the capacitor.

Die erwähnten Anordnungen sind ungeeignet, wenn mechanische Schwingungsvor-The arrangements mentioned are unsuitable if mechanical vibration control

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gänge hoher Frequenz, z. B. eines magnetostriktiven longitudinalen Stabschwingers untersucht werden sollen, weil die zusätzlich angebrachten Massen eine obere Grenzfrequenz bestimmen, oberhalb derer das System nicht mehr
schwingen kann, und außerdem durch mechanische Rückwirkungen auf den
Schwinger eine Dämpfung und Verschiebung der Resonanzfrequenz hervorrufen. Schwierigkeiten bei Verwendung der bekannten Anordnungen ergeben sich ferner, wenn die durch die Längenänderungen hervorgerufenen Kapazitätsänderungen
klein werden im Ve^rgleich zu der durch den Aufbau der Anordnungen bedingten Größe der Anfangs kapazität, da dann die Empfindlichkeit gering ist, und Instabilitäten der Anordnung, die meist mehrere aufeinander abzustimmende Kreise enthält, ins Gewicht fallen.high frequency gears, e.g. B. a magnetostrictive longitudinal rod oscillator should be investigated, because the additional attached masses determine an upper limit frequency, above which the system no longer
can oscillate, and also through mechanical effects on the
Vibrators cause damping and a shift in the resonance frequency. Difficulties in using the known arrangements also arise when the changes in capacitance caused by the changes in length
small ^r are in Ve equal to the conditioned by the construction of the assemblies size of the initial capacity, since then the sensitivity is low, and contains instabilities of the arrangement usually several dovetailed circles consequence.

Gemäß der Neuerung werden diese Schwierigkeiten dadurch vermieden, daß der Schwingkreis und der Referenzkreis durch parallel zueinander angeordnete und unmittelbar aneinandergrenzende Leitungsresonatoren mit wohldefiniertem
Wellenwiderstand gebildet werden, wobei an einem, offenen Ende des Gitter-Anoden-Leitungsresonators die Stirnfläche des stabförmigen Mittelleiters
dieses Resonators als Elektrode des Messkondensators ausgebildet ist.According to the innovation, these difficulties are avoided in that the resonant circuit and the reference circuit are arranged in parallel and directly adjoining line resonators with well-defined
Characteristic impedance are formed, with the end face of the rod-shaped central conductor at one, open end of the grid-anode line resonator
this resonator is designed as an electrode of the measuring capacitor.

Die Neuerung wird anhand, von in den Zeichnungen schematisch dargestellten
Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:The innovation is shown schematically on the basis of in the drawings
Embodiments described. Show it:

Fig. 1 die Messanordnung mit einem auf \/Z abgestimmten Gitter-Fig. 1 shows the measuring arrangement with a grid matched to \ / Z

Anodenkreis,Anode circle,

Fig. 2 die Ankopplung des Messobjekts,Fig. 2 the coupling of the test object,

Fig. 3 die Messanordnung mit einem auf \ /4 abgestimmten Gitter-Fig. 3 shows the measuring arrangement with a grid matched to \ / 4

Anodenkreis, und dieAnode circle, and the

Fig. 4-7 eine graphische Darstellung der Wirkungsweise der Anordnung.Figure 4-7 is a graphical representation of the operation of the arrangement.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung enthält eine als Gitterbasis-Oszillator geschaltete Schwingstufe mit Koaxialkreisen, deren Gitter-Anodenkreis beidseitig offen und auf λ /2 abgestimmt ist. Der Mittelleiter 2 ist-mit der Anode der
Oszillatorröhre 3 verbunden. Gegenüber der Stirnfläche des aus dem Hohlleiter herausragenden Mittelleiters 2 und axial zu diesem ist im statischen Abstand
A (Fig. 2) das Messobjekt 4, z. B. ein longitudinaler Stabschwinger angeordnet.The arrangement shown in FIG. 1 contains an oscillating stage connected as a grid-based oscillator with coaxial circles, the grid-anode circle of which is open on both sides and tuned to λ / 2. The center conductor 2 is -with the anode of the
Oscillator tube 3 connected. Opposite the end face of the central conductor 2 protruding from the waveguide and axially to this is at a static distance
A (Fig. 2) the measurement object 4, z. B. arranged a longitudinal rod oscillator.

Der Stab bildet mit seiner Stirnfläche zusammen mit der Stirnfläche des Mittelleiters eine Abschlußkapazität C des Schwingkreises. Die Anodenspannung wird durch ein Loch 5 im Außenleiter im oder in der Nähe des Spannungsknotens zugefüahrt. Der Gitter-Kathodenkreis 6 ist als einseitig kurzgeschlossener Λ./4-Kreis ausgebildet. Ana offenen Ende dieses Kreises ist der Mittelleiter 7 mit
der Kathode der Oszillator-Röhre verbunden, während die geerdeten Außenleiter dieses Kreises und des Anodenkreises über ein RC-Glied 8 mit dem Gitter derThe end face of the rod and the end face of the central conductor form a terminating capacitance C of the resonant circuit. The anode voltage is supplied through a hole 5 in the outer conductor in or near the voltage node. The grid-cathode circuit 6 is designed as a Λ. / 4-circle short-circuited on one side. Ana open end of this circle is the center conductor 7 with
connected to the cathode of the oscillator tube, while the earthed outer conductor of this circuit and the anode circuit via an RC element 8 with the grid of the

J 8877/42d GbmJ 8877 / 42d Gbm

Röhre 3 verbunden sind. Zwei Drosseln 9 in den Heizleitungen sorgen für die Entkopplung des Heizkreises.Tube 3 are connected. Two chokes 9 in the heating cables take care of that Decoupling of the heating circuit.

Der Referenzkreis 10 ist als Topfkreis ausgebildet. Er erhält seine Energie durch ein Koppelloch 11, über das er mit dem Gitter-Anodenkreis 1 in sehr loser Kopplung verbunden ist. Zur Feinabstimmung dieses Kreises ist eine als Ab stimm schraube ausgebildete, veränderliche Kapazität 12 vorgesehen. Die in diesem Kreis induzierte, bei Schwankung der Abschlußkapazität C mit der Schwankungsfrequenz modulierte Wechselspannung wird über einen Richtleiterkreis 13 gleichgerichtet und einem Anzeigeinstrument zugeführt. ' The reference circle 10 is designed as a pot circle. It receives its energy through a coupling hole 11, via which it is connected to the grid anode circuit 1 in a very loose coupling. To fine-tune this circle, a variable capacity 12 designed as a tuning screw is provided. The alternating voltage induced in this circuit and modulated with the fluctuation frequency when the terminating capacitance C fluctuates is rectified via a directional conductor circuit 13 and fed to a display instrument. '

Bei der Anordnung nach Fig. 3 ist der Gitter-Anodenkreis 1 als einseitig geschlossener X/4-Kreis ausgebildet. Dadurch ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Abmessungen und auch der Empfindlichkeit, weil durch Ankopplung der Anode der Oszillatorröhre 3 nahe am Spannungsknoten die Anfangs kapazität verringert wird. Mittel- und Außenleiter sind galvanisch verbunden und liegen auf Erdpotential. Die Anodenspannung ist als negative Spannung an das kalte Ende der Rückkopplungsleitung gelegt.In the arrangement according to FIG. 3, the grid anode circuit 1 is closed on one side X / 4 circle formed. This results in advantages in terms of dimensions and sensitivity, because by coupling the Anode of the oscillator tube 3 close to the voltage node the initial capacitance is decreased. Middle and outer conductors are galvanically connected and are at ground potential. The anode voltage is as negative voltage to the cold The end of the feedback line.

Der Referenzkreis 10 ist durch eine Kopp el schleife 14 mit dem Gitter-Anodenkreis induktiv verbunden.The reference circle 10 is through a coupling el loop 14 with the grid anode circle inductively connected.

Die Wirkungsweise der Messanordnung ist in den Figuren 4 bis 7 zusammen-J 8877/42d GbmThe mode of operation of the measuring arrangement is shown in FIGS. 4 to 7 together 8877 / 42d Gbm

fassend dargestellt. Das Messobjekt, ein magnetos tr iktiver Stabschwinger von der Länge 1, werde: über eine Erregerwicklung W (Fig. 2) zu longitudinalen Schwingungen angeregt (Fig. 4). Die dabei auftretenden Längenänderungen - Δ 1 des Stabschwingers führen zu Änderungen der Kapazität - Δ C (Fig. 5), die seine Stirnfläche mit der im Abstand A befindlichen Stirnfläche des Mittel-shown comprehensively. The measuring object, a magnetostrictive rod transducer of length 1, become: longitudinal via an excitation winding W (Fig. 2) Vibrations excited (Fig. 4). The resulting changes in length - Δ 1 of the rod oscillator lead to changes in the capacitance - Δ C (Fig. 5), which is its end face with the end face of the central

leiters bildet. Dadurch erfährt der Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz vom Abschluß des Koaxialkreises abhängt, eine Frequenzänderung - AcJ (Fig. 6). Über den angekoppelten Referenzkreis, dessen steile Flanke seiner Resonanzkurve auf die Oszillatorfrequenz, und zwar ungefähr auf den 0, 7-fachen Wert der maximalen Amplitude abgestimmt ist, ergibt sich nach Gleichrichtung eine Spannungsänderung -Λ-U, (Fig. 7), die somit ein Maß für Form und Amplitude der mechanischen Schwingung ist.head forms. As a result, the oscillating circuit, the resonance frequency of which depends on the termination of the coaxial circuit, experiences a change in frequency - AcJ (FIG. 6). About the coupled reference circuit, whose steep edge of its resonance curve is tuned to the oscillator frequency, namely approximately to 0.7 times the value of the maximum amplitude, after rectification there is a voltage change -Λ-U, (Fig. 7), which thus is a measure of the shape and amplitude of the mechanical vibration.

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Claims

New right to protection

Arrangement for capacitive measurement smaller, especially with longitudinal Vibrations of a rod occurring changes in length by means of an oscillating circuit containing the measuring capacitor and a frequency change the reference circle indicating the resonant circuit, characterized in that that the resonant circuit and the reference circuit are arranged parallel to one another and directly adjacent line resonators (1, 6, 10) are formed with a well-defined characteristic impedance, with one open End of the grid-anode line resonator (1) the end face of the rod-shaped central conductor (2) of this resonator as the electrode of the measuring capacitor is trained.

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