DE3124279A1 - Bandpositionsfuehler und mit diesem ausgestattete messvorrichtung

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Description

Claims

DE3124279A1

Publication number: DE3124279A1
Application number: DE19813124279
Authority: DE
Inventors: Jean 94240 La Haye Les Roses Dupont
Original assignee: CII HONEYWELL BULL
Current assignee: CII HONEYWELL BULL
Priority date: 1980-06-19
Filing date: 1981-06-19
Publication date: 1982-06-16
Also published as: FR2485224B1; IT8122236A0; JPS6249659B2; JPS5727459A; GB2078970A; FR2485224A1; GB2078970B; US4399958A; IT1137084B

Olpl.-lng.	Patentanwälte: * : : Dipl.-Chem.	¹ · a * 4 · ·· · · m Q · DipL-Ing.
E. Prinz	Dr. G. Hauser	G. Leiser
	Ernsbergerstrasse 19
	8 München 60
	Λ-

COMPAGNIE INTERNATIONALE POUR L'INFORMATIQUE 19..Juni 1981 CII-HONEYWELL BULL
9.4 , Avenue Gambetta
75020 Paris /Frankreich

Unser Zeichen: C 3299

Bandpositionsfühler' und mit diesem ausgestattete Meßvorrichtung

Die Erfindung betrifft einen Bandpositionsfühler und eine mit diesem ausgestattete Meßvorrichtung, insbesondere nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw- 5. Ein besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Messung der Position, die von einem Magnetband in den Vakuumkammern eines Magnetband-Abspulmechanismus eingenommen wird.

Bei den üblichen Datenverarbeitungssystemen ist die Verwendung von Magnetband-Wickelmechanismen aufgrund ihrer hohen Speicherkapazität weit verbreitet. Solche Wickel- oder Ab- und Aufspulmechanismen enthalten gewöhnlich nur ein bewegliches Magnetband, das durch ein anderes ersetzt wird, sobald der ihm zugeordnete Lese- oder Schreibvorgang beendet ist.

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Das Band läuft diskontinuierlich in der einen oder anderen Richtung vor der Lese/Schreibkopf-Gruppe zum Auslesen bzw. Einschreiben von Informationen vorbei. Diese Vorbeibewegung beinhaltet eine Aufeinanderfolge von Beschleunigungen der Abspulvorgänge mit konstanter Geschwindigkeit und Abbremsungen kurzer Dauer, wobei die Lese/Schreib-Vorgänge unabhängig von der Vorbeilaufrichtung erfolgen.

Der Aufbau von Bandwickelmechanismen ist wohlbekannt. Wie z.B. aus der FR-PS 1 393 683 (Anmeldetag: .25.3.1 964; Anmelder: · AMPEX CORPORATION) bekannt ist, enthält ein solcher Mechanismus: ' .

- zwei das Band tragende Spulen, die das Band entweder abspulen oder aufspulen können;

- zwei Vakuumkammern zur vorübergehenden Aufnahme des Bandes;

- einen einzigen Bandantrieb, der zwischen den beiden'Kammern angeordnet ist;

- Einrichtungen zur Führung des Bandes entlang seiner Bewegung sbahn.

Die beiden Spulen sind jeweils mit einem direkt an sie angekoppelten Antriebsmotor ausgerüstet.

Die Vakuumkammern haben einen im wesentlichen konstanten Querschnitt und sind mit einer Vakuumquelle in Verbindung. Ihre Hauptabmessung (Länge) ist wesentlich größer als ihre Breite.

In jeder Vakuumkammer bildet das Band eine Schlaufe, die zwischen der einen Spule und dem Bandantrieb liegt, wobei diese beiden Schlaufen symmetrisch in bezug auf den Bandantrieb und auf die beiden Vakuumkammern sind.

Als unterer Teil jeder Kammer wird derjenige Teil derselben bezeichnet, der sich zwischen der Bandschlaufe und ihrem geschlossenen Ende befindet, während als oberer Teil derjenige

• · · a

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Teil der Kammer bezeichnet wird, der sich zwischen der Schlaufe und dem offenen Ende der Kammer befindet, an dem das Band eintritt. Da die Vakuumkammer an ihrem unteren Teil mit der Vakuumquelle in Verbindung ist, ist der Druck P. in ihm niedriger als der Druck P · in ihrem oberen Teil.

Aufgrund der oben kurz erläuterten Maßnahmen liegen die Anlauf- und Anhaltzeiten des Bandes in der Größenordnung von einigen Millisekunden.

Zur Steuerung der Bandbewegung ist es offensichtlich erforderlich, zu jedem Zeitpunkt seine Position im Inneren jeder Vakuumkammer zu kennen, was darauf hinausläuft, daß die Länge des sich darin befindlichen Teiles gemessen wird. Zu diesem Zweck umfaßt jede Vakuumkammer einen darin enthaltenen Bandpositionsfühler. Dieser gibt ein elektrisches Signal ab, dessen Spannung von der Länge des in der Vakuumkammer enthaltenen Bandteiles_r · also von der Position des Bandes, abhängt. Dieses Signal wird einer elektronischen Regelung zur Steuerung des an die Vakuumkammer, welche den Fühler enthält, angrenzenden Spulenmotors zugeführt und bildet einen der Steuerparameter.

Ein solcher Fühler ist z.B. in der FR-PS 1 362 356 (Anmelde-tag:-'9.7 i 1963, Anmelder: NIPPON ELECTRIC COMPANY LIMITED) beschrieben. Er umfaßt:

a) einen in der Wandung der Kammer parallel zu ihrer Hauptrichtung und zur Bandoberfläche angebrachten Schlitz; diese Wandung ist elektrisch an Masse gelegt;

b) ein geschmeidiges, deformierbares und bewegliches Band aus Plastikmaterial wie "Mylar", das von einer dünnen Metallfolie bedeckt und im Inneren der Vakuumkammer angeordnet ist; der aus Plastikmaterial bestehende Teil des beweglichen Bandes liegt dem Schlitz gegenüber und kann mit diesem und mit der ihn enthaltenden Wandung in Be-

ir-

rührung gelangen; die Metallschicht des Bandes kann jedoch mit dem Schlitz nicht in Berührung gelangen;

c) eine Unterdruckkammer, in der der Druck P derart ist,

daß gilt: P. < P < P .

Durch das Vorhandensein des Schlitzes legt der starke Unterdruck, der in dem unteren Teil der Kammer erzeugt wird, das· bewegliche Band gegen diejenigen Teile des Schlitzes und der diesen enthaltenden Kammerwandung an, die sich in dem unteren Teil der Vakuumkammer befinden. Derjenige Teil des Bandes, der gegenüber dem Schlitzteil liegt, welcher sich in dem oberen Kammerbereich befindet, wird hingegen an ihre Wandung nicht angelegt, wobei er zu der Unterdruckkammer hin angezogen wird, denn es gilt P < P„.

Die Kammerwandung bildet also die feststehende Elektrode einer Kapazität, deren andere Elektrode beweglich ist und durch die Metallschicht des Bandes gebildet ist, während das Dielektrikum durch den "Mylar"-Teil des Bandes gebildet ist. Es kann gezeigt werden, daß die elektrostatische Kapazität zwischen diesen Elektroden von der Länge des Magnetbandteiles abhängt, der sich im Inneren der Vakuumkammer befindet.

In der Praxis kann der Schlitz durch eine Aufeinanderfolge von Löchern ersetzt werden, die nebeneinander in derselben Richtung wie der Schlitz angeordnet sind, also parallel zur Hauptfichtung der Kammer. Die Gesamtheit der Löcher (oder der Schlitz) bildet also Mittel, über welche die Vakuumkammer mit der Außenseite in Verbindung ist.

Die Kapaz-itätsänderungen des Fühlers in Abhängigkeit von den Bandbewegungen im Inneren der Kammer werden in Änderungen einer elektrischen Spannung umgesetzt, die von einem dem Fühler zugeordneten elektronischen Verstärker verstärkt werden.

Ein solcher Fühler ist leicht herzustellen. Er weist jedoch folgende Mängel auf: Da die Dicke des Dielektrikums (Mylar) sehr gering ist, verursacht die durch den Schlitz (durch den Teil desselben, der sich in dem oberen Teil der Kammer befindet) eindringende Luft eine Verschmutzung des Schlitzes und der diesen umgebenden Wandung durch Verunreinigungen (Staub usw.)· Dadurch ändert sich die effektive Dicke des Dielektrikums im Verlauf der Zeit, wodurch die Präzision des Fühlers verschlechtert wird.

Da ferner die bewegliche Elektrode dünn und geschmeidig ist, neigt sie aufgrund der Saugwirkung durch den starken Unterdruck in dem unteren Teil der Kammer dazu, sich zu deformieren, wobei ihre Ränder sich nicht vollständig gegen die den Schlitz umgebende Kammerwandung anlegen, und dies ist eine weitere Ursache für mangelnde Präzision des Fühlers.

•Aufgabe der Erfindung ist die Beseitigung dieser Mangel, was · im wesentlichen dadurch erreicht wird, daß der Fühler mit. einem feststehenden und undeformierbaren Dielektrikum sowie mit einer feststehenden, von der Kammerwandung verschiedenen Elektrode versehen wird, wodurch der Fühler vor jeglicher Verschmutzung geschützt wird, wobei gleichzeitig seine hohe Präzision über lange Zeit konstant bleibt.

Ferner ist die bewegliche Elektrode, die aus einem Metallwerkstoff gebildet werden kann, steifer als bei den oben beschriebenen Fühlern, wodurch der erfindungsgemäße Fühler auch weniger der Gefahr unterworfen ist, daß bei seiner Montage Beschädigungen auftreten können.

Der erfindungsgemäße Bandpositionsfühler, der sich im Inneren einer Vakuumkammer befindet, deren unterer Teil bezüglich ihres oberen Teils unter niedrigerem Druck steht und die an einer ihrer Wandungen entlang einer Richtung parallel zur ·-" Hauptabmessung dieser Vakuumkammer Mittel aufweist, über die

Λ.

sie mit der Außenseite in Verbindung ;ist, umfaßt eine erste und eine zweite Elektrode, von denen die eine feststehend und die andere beweglich ist und zwischen denen ein Dielektrikum angeordnet ist, sowie eine Unterdruckkammer, die derart ausgebildet ist, daß der dort herrschende Druck geringer ist als der Druck in dem oberen Teil der Vakuumkammer, jedoch größer als der Druck in dem unteren Teil dieser selben Kammer; der erfindungsgemäße· Bandpositionsfühler ist dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum feststehend und gegen die feststehende Elektrode angelegt ist, daß die bewegliche Elektrode zwischen der Wandung der Vakuumkammer, welche die Verbindungsmittel aufweist, und der aus dem Dielektrikum und der feststehenden Elektrode gebildeten Einheit angeordnet ist und daß die Seite der beweglichen Elektrode, die dieser Einheit gegenüberliegt, dem Druck ausgesetzt ist, der in der Unterdruckkammer herrscht, während ihre Seite, die der genannten Wandung gegenüberliegt, den verschiedenen Drücken ausgesetzt ist, die in der Vakuumkammer herrschen.

Eine mit diesem Bandpositionsfühler ausgestattete erfindungsgemäße Positionsmeßvorrichtung ist im Patentanspruch 5 angegeben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben' sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Bandwickelmechanismus in Vorderansicht;

Fig. 2, die aus den Fig. 2a und 2b zusammengesetzt ist, einen

λο-

Längsschnitt bzw. Querschnitt eines Bandpositionsfühlers, wie er in der FR-PS 1 36 2 356 beschrieben 'ist;

Fig. 3, die. aus den Fig. 3a und 3b zusammengesetzt ist, einen Längsschnitt bzw. Querschnitt eines erfindungsgemäßen Bandpositionsfühlers;

Fig. 4, die aus den Fig. 4a und 4b zusammengesetzt ist, eine Darstellung der Kräfte, die auf die bewegliche Elektrode des erfindungsgemäßen Fühlers einwirken; und

Fig. 5 ein Schaltbild der wesentlichen Funktionselemente eines dem erfindungsgemäßen Bandpositionsfühler zugeordneten Verstärkers.

Zum besseren Verständnis der Konstruktion und Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Bandposxtxonsfühlers erscheint es zweckmäßig, an die . in den Fig. 1, 2a und 2b' gezeigten Grundlagen· von Bandwickelmechanismen (Fig. 1) bzw. herkömmlichen Bandpositionsfühlern (Fig. 2a und 2b) zu erinnern.

Die verschiedenen wesentlichen Elemente, aus denen ein Bandwickelmechanismus gebildet ist, sind in Fig. 1 auf einer schematisch gezeigten Platte PLAT dargestellt, nämlich: ä) die Spule η BOB., und BOB«, die jeweils direkt mechanisch an einen Elektromotor (zur Vereinfachung der Fig. 1 nicht gezeigt) angekoppelt sind, dessen Rotor eine hohe Massenträgheit aufweist und der durch eine elektronische Rege-.lung gesteuert wird;

b) zwei Vakuumkammerη CV₁, CV2, die einen im wesentlichen konstanten Querschnitt haben und deren Hauptabmessung L wesentlich größer als ihre kleinere Abmessung 1 ist; die Vakuumkammern CV- und CVy enthalten jeweils eine Öffnung ORF- bzw. ORF₂, die mit derselben (zur Vereinfachung der

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Fig. 1 nicht dargestellten) Vakuumquelle verbunden sind;

c) einen Bandantrieb CAB, der von einem nicht dargestellten Elektromotor, der in beiden Drehrichtungen rotieren kann, angetrieben wird;

d) eine Kopf gruppe ETL₁-, zum Lesen/ Schreiben der Informationen auf dem Band B; dieses läuft in der einen oder anderen Richtung zwischen den Spulen BOB-, und BOB₂;

e) Fühler CMP₁, CMP₂, welche die Bandposition messen.

Wenn angenommen wird, daß die Spule BOB., abspult und die Spule BOB₂ aufspult, so läuft das Magnetband B in Richtung der Pfeile F₁ und F₂ entlang folgender Bahn: Spule BOB₁,- Vakuumkammer CV₁, Bandantrieb CAB, Vorbeigang an der Kopfgruppe ETLg Vakuumkammer CV₂, Aufnahmespule BOB₂.

Mit EX₁ ist das geschlossene Ende der Vakuumkammer CV₁ bezeichnet, während mit EX^ ihr offenes Ende bezeichnet ist; mit PIF₁ ist' der untere Teil der Vakuumkammer CV₁ bezeichnet, während ihr oberer Teil mit PSUP₁ bezeichnet ist. In gleicher Weise sind Unterteil PIF₂ und Oberteil PSUP₂ der Vakuumkammer CV₂ bezeichnet, ebenso wie ihr verschlossenes Ende mit EX₂ und ihr offenes Ende mit EX¹ ₂ bezeichnet ist.

Es wird nun Fig. 2 betrachtet, die einen Bandpositionsfühler darstellt, wie er aus der bereits erwähnten FR-PS 1 362 356 bekannt ist. Es wird angenommen, daß ein solcher Fühler CMPA₁ der Vakuumkammer CV₁ zugeordnet ist,"wovon nur ein Teil in den Fig. 2a und 2b dargestellt ist.. Der in dem unteren Teil PIF₁ dieser Vakuumkammer erzeugte Unterdruck ist mit D bezeichnet. Der Schlitz F ist in der Wandung PAR₁ der Vakuumkammer CV₁ angebracht.

Der Fühler CMPA₁ umfaßt: '

- ein geschmeidiges bewegliches Band RA, das gebildet ist aus - einer Metallschicht ELA₁, die eine erste bewegliche Elektrode bildet,

./12.

- einer Schicht aus Plastikmaterial, z.B. "Mylar", die ein bewegliches Dielektrikum DIEL bildet;

- eine Wandung PAR-, die elektrisch mit Masse verbunden ist;

- eine Platte PlA₁, welche die Bewegung der beweglichen Elektrode ELA- begrenzt; und

- eine äußere Platte PLEXTA, die den Positionsfühler CMPA-zur rechten Seite in den Fig. 2a und 2b hin abschließt.

Diese Außenplatte ist mit einer Öffnung ORFA- versehen, über die ein schwacher Unterdruck D , der kleiner als D ist, in dem rechten Teil des Fühlers erzeugt wird, der zwischen der Elektrode ELA₁ und dieser Außenplatte PLEXTA liegt, die eine. Kammer mit dem Unterdruck D bildet.

Da der Unterdruck D stärker als der Unterdruck D ist, wird derjenige- Teil der Elektrode ELA₁ des Dielektrikums DIEL, der sich gegenüber dem unteren Teil PIF₁ (über dem Schlitz) befindet, gegen die Wandung PAR₁ (und auch gegen den Schlitz F) ■angelegt, die sich in diesem selben Teil PIF₁ befindet=(siehe Fig.■2a). Da hingegen der Druck im rechten Teil des Meßfühlers CMPA-, in dem der Unterdruck D^ herrscht, geringer als der Druck in dem oberen Teil PSUP₁ .der Kammer CV₁ ist, wird derjenige Teil des Dielektrikums' DIEL und der Elektrode ELA₁ , der sich gegenüber diesem oberen Teil befindet, gegen die Platte PlA₁ angelegt. Das Band RA weist also eine Biegung INF auf, die dem gekrümmten Teil des Magnetbandes B₁ gegenüberliegt (der auch als unterer Teil des Magnetbandes B bezeichnet werden kann). Wenn sich also dieser untere Teil des Magnetbandes B im Inneren der Kammer bewegt, so bewegt sich auch der Biegungspunkt INF. Die Kapazität des Kondensators, der als feste Elektrode die Platte PAR₁ und als bewegliche Elektrode die Elektrode ELA₁ aufweist und das Dielektrikum DIEL umfaßt, ändert also seine Kapazität in Abhängigkeit von der Stellung, die der untere Teil des Magnetbandes im Inneren der Vakuumkammer CV₁ einnimmt (also in Abhängigkeit von der Position des Magnetbandes selbst).

••»•β οβ *·* c a

* ^β ·· ·· ο» α on

Dieser' Positionsmeßfühler CMPA- nach dem Stand der Technik hat den wesentlichen Nachteil, daß er nicht ausreichend 'prü.-zisc arbeitet, aus den vorstehend bereits erwähnten Gründen.

Der in den Fig. 3a und 3b gezeigte erfindungsgemäße Fühler CMPI behebt diese Mangel.

Es wird angenommen, daß dieser Fühler einer Vakuumkammer CV₂ zugeordnet ist,,deren Unterteil mit PIF₂ und deren Oberteil, mit PSUP₂ bezeichnet sind, während der Unterdruck in dem Teil PIF₂ mit D bezeichnet ist. In Fig. 3a ist'der untere Teil eines Magnetbandes B₂ (gekrümmter Bandteil) dargestellt. In der Wandung PAR2 der Vakuumkammer CV₂ ist eine Mehrzahl Löcher T-, T₂, ^Ti' ^Tn angebracht, die in einer Richtung parallel zur Hauptabmessung der Vakuumkammer CV- ausgerichtet■sind.

Der erfindungsgemäße Positionsfühler CMPI umfaßt: ·

1. eine erste, feststehende Elektrode ELI|;

2. ein feststehendes Dielektrikum DIELI, das gegen diese Elektrode ELI- angelegt ist;

3. eine bewegliche Elektrode ELI₂, welche die Form eines . Metallstreifens hat; bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fühlers ist diese Elektrode elektrisch mit Masse verbunden, während bei einer zweiten, bevorzugten Ausführungsform (die in den Fig. 3a und 3b dargestellte •Ausführungsform) diese Elektrode durch eine Isolierung ISO gegen Masse isoliert ist;

4. vorzugsweise erfaßt der erfindungsgemäße Fühler ferner einen Sicherheitsring ELI₃, der einen Schutz der beweglichen Elektrode ELI- vor allen störenden elektrischen Massen ermöglicht, also vor Massen, die verschieden von der elektrischen Hauptmasse sind, bei der es sich um die Wandung PAR₂ handelt, gemäß einer zweiten, bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fühlers;

5. der Positionsmeßfühler umfaßt ferner eine Außenplatte PLEXTI, die mit einer öffnung ORF₁ versehen ist, über welche ein

geringer Unterdruck D im rechten Teil des Positionsmeßfühlers erzeugt wird, welcher sich vorzugsweise zwischen dem Sicherheitsring ELI₃ und dieser Platte PLEXTI befindet. Dieser Unterdruck D ist so gewählt, daß der Druck in· diesem rechten Teil, der auch als Unterdruckkammer des Positionsfühlers bezeichnet werden kann, geringer ist als der Druck in dem oberen Teil PSUP2 der Vakuumkammer CV₂. Diese Unterdruckkammer wird mit CHDEP bezeichnet.

•Vorzugsweise sind das Dielektrikum DIELI, die feststehende Elektrode ELI- und der Sicherheitsring ELI₃ auf derselben gedruckten Schaltung angeordent, in der Löcher T¹., T'₂, T'_n angebracht sind, deren Anzahl gleich der Anzahl von Löchern ist, die in der Wandung PAR2 angebracht sind. Wie aus den Fig. 3a und 3b ersichtlich ist, fluchten die Löcher T^ mit den Löchern T*_if d..h. sie haben dieselbe Symmetrieachse.

Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Bandpositionsfühlers CMPI ist folgende:

Derjenige Teil des Metallstreifens ELIo/ der sich gegenüber den Löchern befindet, welche mit dem unteren Teil PIF₂ der Vakuumkammer CV₂ in Verbindung sind, wird gegen die Wandung PAR₂ angelegt (ebenso wie gegen ihre Löcher, nämlich die Löcher T^, T₂, T₃ in Fig. 3a), weil der Unterdruck D stärker ist als der Unterdruck D in der Unterdruckkammer CHDEP des Fühlers.

Derjenige Teil des Streifens ELI₂, der sich gegenüber den Löchern befindet, die mit dem oberen Teil PSUP₂ der Kammer CV₂ in Verbindung sind (d.h. die Löcher T^ bis T_n), wird hingegen an das Dielektrikum DIELI-| angelegt, weil der Unterdruck

D in der Kammer CHDEP vorhanden ist und der dort herrschende c

Druck niedriger als der Druck ist,, der in dem oberen Teil' PSUP.₂ herrscht (der zumeist gleich dem Atmosphärendruek ist). Daraus ergibt sich, daß der Streifen eine Biegung INFI aufweist (deren

- γ. • 45·

Länge in Fig. 3a willkürlich übertrieben ist), so daß er sich von der Wandung PAR₂ auf der Höhe der Grenze zwischen den Löchern T? und T. abhebt (siehe Fig. 3a) und auf der Höhe der Grenze zwischen den Löchern T'₅ und T'g gegen das Dielektrikum DIELI anlegt. Es ist klar ersichtlich, daß bei Bewegung des Magnetbandes B₂ im Inneren der Kammer CV₂- die Position dieser Biegung INFI gleichzeitig wie die Bandposition variiert. Daraus resultiert eine Änderung der Kapazität des ■Kondensators, der durch die bewegliche Elektrode ELI₂, die feststehende Elektrode ELI₁ und das Dielektrikum DIELI gebildet ist. Diese Kapazitätsänderung in Abhängigkeit von der Länge wird'durch eine elektronische Verstärkeranordnung DAMPI (die in Fig. 5 gezeigt ist) in die Änderung einer elektrischen Spannung umgesetzt.

Wenn die Länge des sich in der Vakuumkammer CV₂ befindenden Magnetbandes B₂ maximal ist, ist die Kapazität des Kondensators maximal und hat den Wert C . wobei der Streifen ELI, die

max ~

Position POS., annimmt. Wenn das Magnetband B₂ eine mittlere Stellung im Inneren der Vakuumkammer CV₂ einnimmt, so nimmt der bewegliche Streifen ELI₂ eine mittlere Stellung POS_m ein (siehe Fig. 3a). Unter diesen Bedingungen ist er gegen die Löcher T'₅ bis T'_n angelegt, wobei in Fig. 3a η = 8; die Kapazität des Kondensators ist dann gleich C _v, mit C= O, 5 C .

' max

Gegenüber dem bekannten Bandpositionsfühler CMPA weist der erfindungsgemäße Fühler CMPI folgende'Vorteile auf:

- Verschmutzungen aufgrund von Staub, die durch die Luftzirkulation zwischen den verschiedenen Löchern T. der Wandung PAR₂ hervorgerufen werden, sind ohne Einfluß auf die Genauigkeit der Kapazitatsmessungen, da die Detektionselemente, nämlich das Dielektrikum DIELI, die feststehende Elektrode ELI- und ein großer Teil des Metallstreifens

sich in einer Zone befinden, in der die Luftzirkulation sehr schwach ist;

- ferner bleibt das die gemessene Kapazität bestimmende Dielektrikum DIELI fest und hat daher eine zeitlich stabile Charakteristik, und dies umso mehr, als es keinerlei Verschmutzung durch Staub ausgesetzt ist; ferner kann offensichtlich durch Steigerung seiner Dicke der relative Einfluß durch Verstaubung minimal gemacht werden;

- der bewegliche Metallstreifen ist wesentlich steifer als der äquivalente Streifen des bekannten Positionsfühlers, was sich bei der Montage des erfindungsgemäßen Fühlers als günstig erweist und eine gute Ebenheit dieser beweglichen Elektrode gewährleistet.

Die Fig. 4a und 4b ermöglichen ein besseres Verständnis der physikalischen Phänomene, die bei der Bewegung des Metallstreifens ELI2 des erfindungsgemäßen Fühlers auftreten:

a) Berechnung des Unterdruckes D_n im Inneren der Kammer des erfindungsgemäßen Fühlers:

Dieser Unterdruck D , der über die Oberfläche der Löcher T¹. vermittelt wird, ermöglicht, daß der Metallstreifen ELI₂ gegen das Dielektrikum DIELI angelegt werden kann (zwischen den Löchern T'_g und T'_g bei Fig. 3a). Daraus ergibt sich, daß dieser Unterdruck D relativ stark sein muß.

Hingegen ist es erforderlich, daß der Streifen ELI₂ alle Löcher vollständig verschließt, die sich in dem unteren Teil PIF2 der. Vakuumkammer CV₂ befinden,, einschließlich des letzten Loches Τ,, wenn der Fall der Fig. 3a betrachtet wird. Diese Bedingung gestattet es, die Position des Metallstreifens ELI₂ in bezug auf das Magnetband B₂ klar zu definieren. Daraus ergibt sich, daß der Maximalwert des Unterdrucks D auf folgende Weise berechnet werden kann:

Der Unterdruck D übt auf den schrägen Teil des Streifens ELI₂, also auf die Biegung INFI, eine Kraft F aus, die senkrecht auf diesem Streifen ist.

Wenn I₀ die Breite des Streifens und h der Abstand zwischen der Wandung PAR₂ und demjenigen Streifenteil ist, der gegen das Dielektrikum DIELI angelegt ist, so ergibt sich dann:

' . F= (h/sina) x 1_R χ D_c·

Die Kraft F kann zerlegt werden in eine Kraft F₂, die bestrebt ist, den Streifen zu verschieben, und eine Kraft F^, die bestrebt ist, den Streifen an dem Loch T₃ von diesem zu entfernen.

Das Loch T₃ bleibt verschlossen, wenn F-j kleiner ist als D χ S, worin D der Unterdruck im unteren Teil PIF₂ der Vakuumkammer CV₂ ist, während S die Oberfläche des Loches T₃ ist. ·

Es gilt aber: F₁ = F cosa = (h/sina) χ 1_R χ D_c χ cosa

= cota x 1_R x h χ D_cj ■

daraus folgt: _{cQta x} χ _{h x D} < _{D x Sf}

κ - t» ρ

oder auch

< D χ S/1™ χ h- χ cota, ρ κ

In der Praxis ist der Winkel α, der von der Steifigkeit des Metallstreifens und von dem Unterdruck D_c abhängt, ungefähr gleich 30°. Unter diesen Bedingungen kann gezeigt werden, daß der Unterdruck D im allgemeinen einige Prozent, etwa 8%, des Druckes D_ beträgt.

b) Berechnung der unteren Grenze von h

In dem Teil des Fühlers (in der Nähe des Dielekrikums DIELI, wo keine Überdeckung durch den Streifen ELI₂ stattfindet) ist eine störende Kapazität vorhanden, die sich zwischen der fest-• stehenden Elektrode ELI₁ und Masse bildet, mit'dem Dielek'trikurn-DIELI. Es kann gezeigt werden, daß diese störende Kapazität bei einem Wert von h in der Größenordnung von 4 mm die Größenordnung von 1% der maximalen Kapazität des Positionsfühlers C hat, was als vernachlässigbar angesehen wird.

c) Die Bewegung des Metallstreifens ELI ₂

Damit sich der Streifen ELI₂ bewegt, muß der Kraft F₂ (siehe Figuren 4a und 4b) eine höhere Kraft F₃ entgegengesetzt werden. Dies wird erreicht, wenn der Mittelwert der Unterdrücke, die auf die schräge Fläche des Streifens ELI₂ einwirken (also auf die Biegung INFI), welche sich auf der Seite des oberen Teils PSUP₂ der Vakuumkammer CV- befindet, größer ist als der Unterdruck D . Es kann dann gezeigt werden, daß die Bewegung umso größer ist, als der Durchmesser der Löcher T^ groß ist, bzw. deren Achsenabstand e und der Winkel α gering sind. Ferner

Ji

kann gezeigt werden, daß ihre Länge ausreichend gering, sein muß (diese Länge ist gleich der Dicke der Wandung PAR₂)♦

Die dem erfindungsgemäßen Bandpositionsfühler CMPI zugeordnete· elektronische Verstärkeranordnung DAMPI ist in Fig. 5 dargestellt. Die verschiedenen Elemente, aus denen sie gebildet ist, sind:

- ein Oszillator OSC;

- ein Verstärker AMPLI;

- ein Integrator INTEG;

- die Kapazität C₁ des Kondensators des erfindungsgemäßen Fühlers CMPI;

- Κ"

• *

- die Kapazitäten C₂ und C₃; ■

- die aus dem Widerstand R- und der Kapazität C^ gebildete Schaltung.

Die elektronische Verstärkeranordnung DAMPI hat die Aufgabe, die Kapazitätsänderungen des Fühlers, die von der Bewegung' · des Magnetbandes im Inneren der Vakuumkammer CV2 abhängen, in eine Analogspannung umzusetzten, die sich zwischen den Spannungswerten - V und + V ändern kann.

Es wird daran erinnert, daß ein elektrisches Analogsignal . . ein Signal ist, dessen Spannung kontinuierlich zwischen zwei Grenzen variieren kann, d. h. zwischen positiven und/oder negativen Grenzen.

Vorzugsweise soll sich diese Spannung linear zwischen + V und

- V in Abhängigkeit von den Änderungen der Länge des Bandes im Inneren der Kammer verändern, wobei die Spannung für die mittlere Position POS_ des Metallstreifens ELI₀ gleich 0 sein soll. · ·

Die· von der Verstärkeranordnung DAMPI abgegebene Ausgangsspannung soll unabhängig von eventuellen Streuungen der Kenndaten des erfindungsgemäßen Bandpositionsfühlers sein.

Der Ausgang SORT, des Oszillators OSC ist zum einen mit dem Anschluß B-. des Kondensators C₂ und zum anderen mit dem Eingang E₀ des Verstärkers AMPLI verbunden.

et

Der Ausgang SORT₂ des Verstärkers ist mit dem Anschluß B^ des Kondensators C₁ verbunden, dessen anderer Anschluß B₂ mit dem Kondensator C₂ verbunden ist. Dieser Anschluß B₂ ist ferner zum einen mit dem negativen Eingang E 'des Integrators INTEG verbunden, dessen positiver Eingang E_p ist, und zum anderen mit einem der Anschlüsse B₄ eines Unterbrechers K verbunden,

dessen anderer Anschluß B₅ mit dem Ausgang SORT., des Integrators INTEG verbunden ist. Der Kondensator C₃ ist parallel zu dem Integrator INTEG zwischen den Anschluß B„ (also den negativen Eingang E„)· und den Ausgang SORT., dieses Integrators geschaltet. Der Ausgang SORT₃ ist ferner mit einem der An- · Schlüsse B, des Widerstandes R₁ verbunden, dessen anderer Anschluß B₇ ferner mit einem der Anschlüsse des Kondensators C₄ verbunden ist, dessen anderer Anschluß Bg mit Masse verbunden .ist.

Der Oszillator OSC gibt ein periodisches Signal in Form von. Rechteckimpulsen der Spannung U, ab. Während jeder Periode ist die Impulsdauer der Spannung U, gleich t- , während die Spannung während der Zeit t~ gleich 0 ist. Die Periode hat also die Dauer t.. + t,,.

Am Ausgang SORT₂ des Verstärkers AMPLI wird ein Signal U- gewonnen, während am Ausgang SORT₃ des Integrators INTEG ein Signal der Spannung S_Q abgenommen wird, das durch die Schaltung mit dem Widerstand R- und dem Kondensator C₄ im wesentlichen in ein Gleichspannungssignal umgesetzt ist.

Der Unterbrecher K setzt den Integrator"in jeder Periode während der Halbwelle des Rechtecksignals, deren Dauer tist, auf 0 zurück. Der Unterbrecher ist dann geschlossen und schließt den Integrator kurz. Während des zweiten Teils der Periode des Rechtecksignals, das von dem Oszillator OSC abgegeben wird, entwickelt sich die Ausgangsspannung S_Q des Integrators derart, daß gilt:

χ C₃ = - (ϋ_Α χ C₂ + U₁ χ C₁) (1)

ür die Position POS des Streifens ELI₂ soll gelten: S_Q = 0, ^{mit C}1 ⁼

-VS--

» ο · · βο . „

Daraus ergibt sich: U_A C₂ =? - U^ C₁ = - U₁ ^c _mOy; es gilt ^{aber C}moy ⁼ °'^{5 C}max ^und

Ü_A C₂ = - 0,5 U₁ χ C_{1max (2)}

SvP —_/fT vP +TI GP^

: - u_a (C, + G χ C₁)

oder S_n = ^ ■— · .· · (3)

C₃-

Das Ausgangssignal, dessen Spannungswert S₀ ist, ist rechteckförmig. Es wird durch die Schaltung mit dem Widerstand R^ und dem Kondensator C. integriert, so daß die Spannung S^ wiebereits erwähnt im wesentlichen eine Gleichspannung ist, deren Wert S₁ = S₀ χ t₂/ (t₁ + t₂) . ' (;4)

Die Gleichung (3) zeigt, daß die Ausgangsspannung S_Q sich nicht ändert, wenn die drei Kapazitäten C₁, C₂ZC₃ sich mit derselben Proportionalität ändern. Daraus ergibt sich, daß bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die drei Kondensatoren C₁, C₂ und C₃ auf demselben Träger angeordnet sind, nämlich auf der bereits erwähnten gedruckten Schaltung, die die feststehende Elektrode ELI₁, den Sicherheitsring ELI₃ und das Dielektrikum DIELI trägt. Diese Lösung ermöglicht es, daß ein analoges Ausgangesignal erhalten wird, das von Herstellungstole- · ranzen verschiedener Träger unabhängig ist.

-2C₉/ C₁
ζ' 1max

erhält man:

0.5 C-
' 1max

. .. ..- ..31J2A279

Patentanwälte .:. "^: ' ^: !:":':": :

Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. ' Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse19

8 München 60

COMPAGNIE INTERNATIONALE POUR L'INFORMATIQUE 19. Juni 1981 CII-HONEYWELL BULL

94, Avenue Gambetta

020 Paris / Frankreich

Unser Zeichen: C 3299

Bandpositionsfühler und mit diesem ausgestattete Meßvorrichtung

• PATENTANSPRÜCHE ·

Positionsfühler zum Ertasten der Position eines im Inneren einer Vakuumkammer befindlichen Bandes, deren unterer Teil bezüglich des oberen Teiles den Unterdruck D aufweist, mit Mitteln, durch welche die Kammer mit der Außenseite in Verbindung ist und die auf einer ihrer Wandungen in einer Richtung parallel zur Hauptabmessung der Vakuumkammer angeordnet sind, wobei dieser Fühler eine erste' und; eine zweite Elektrode, wovon die eine feststehend und die andere beweglich ist und zwischen denen ein Dielektrikum angeordnet ist, und eine derart ausgebildete Unterdruckkammer umfaßt, daß der dort herrschende Druck geringer ist als der Druck in dem oberen Teil der Vakuumkammer und höher ist als der Druck, der in dem unteren Teil der Vakuumkammer herrscht, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum feststehend und gegen die feststehende

Elektrode angelegt ist, daß die bewegliche Elektrode zwischen der Wandung der Vakuumkammer, welche die Verbindungsmittel aufweist, und der aus dem Dielektrikum und der feststehenden Elektrode gebildeten Einheit angeordnet ist und daß die Seite der beweglichen Elektrode, die dieser Einheit gegenüberliegt, dem Druck ausgesetzt ist, der in der Unterdruckkammer herrscht, während ihre Seite, die der genannten Wandung gegenüberliegt, den verschiedenen Drücken ausgesetzt ist, die in der Vakuumkammer herrschen.

2. Positionsfühler nach Anspruch 1, bei welchem die bewegliche Elektrode ein Metallstreifen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum und die feststehende Elektrode auf derselben gedruckten Schaltung angeordnet sind.

3. Pösitiojisfühler nach Anspruch 1 oder. 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsmittel, welche die Kammer mit der Außenseite in Verbindung bringen, durch eine Mehrzahl von Löchern' (T-, ... T^, ... T) gebildet·sind, die in einer .Richtung parallel·- zur Hauptabmessung der Kammer ausgerichtet sind, daß das Dielektrikum und die feststehende Elektrode eine Gruppe von Löchern (T¹-, ... T¹·, ... T'_n) aufweisen, deren Anzahl gleich der Anzahl von Löchern.ist, welche die Verbindungsmittel bilden, welche die Kammer mit der Außenseite in Verbindung bringen, und die in derselben Richtung wie diese ausgerichtet sind, wobei die erstgenannten und die zweitgenannten Löcher (T- bzw. T'^) dieselbe Symmetrieachse haben und die letztgenannten Löcher (T¹-, T¹^r ^T'_n^ den Druck im Inneren der Unterdruckkammer auf die Seite der beweglichen Elektrode weiterleiten, die sich gegenüber dem Dielektrikum und der feststehenden Elektrode befindet, und daß ein Sicherheitsring auf der gedruckten Schaltung angeordnet ist, so daß die feststehende Elektrode sich zwischen der beweglichen Elektrode und diesem Sicherheitsring befindet.

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.4. Positionsfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3 j dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung der Kammer mit der elektrischen Masse verbunden ist und die bewegliche Elektrode von dies.er Wandung durch eine Isolierung getrennt ist, in der die erstgenannten Löcher (T^, ... T^, .... T_n) gebildet sind.

5. Vorrichtung zur Messung der Position eines sich im Inneren einer Vakuumkammer befindenden Bandes, mit einem Bandpösitipnsfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch:

- einen Oszillator OSC, der ein r.echteckförmiges Ausgangs-

signal abgibt;

- einen in Reihe mit dem Kondensator" C- geschalteten Ver-

■■ stärker AMPLI, dessen Eingang mit dem Ausgang des Oszillators OSC verbunden ist;

- einen zweiten Kondensator C₂/ zu dem die aus dem Verstärker AMPLI und dem Kondensator C. gebildete Schaltung parallelgeschaltet ist, wobei der eine Anschluß des Kondensators C₂ mit dem Ausgang des Oszillators OSC verbunden ist;

- einen Integrator INTEG, zu dem ein Unterbrecher K parallelgeschaltet ist, wovon ein Anschluß mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator C₂ und der aus dem Verstärker. AMPLI und dem Kondensator C, gebildeten Schaltung verbunden ist;

- einen Kondensator C₃, der parallel zu dem Integrator INTEG geschaltet ist und wovon ein Anschluß mit dem'Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator C₂ und der aus dem Verstärker AMPLI und dem Kondensator C. gebildeten Schaltung, verbunden ist; und

- eine an den Ausgang des Integrators INTEG angeschlossene Widerstands-Kondensator-Schaltung, wobei die Ausgangsspannung, die an den Anschlüssen des Kondensators dieser Widerstands-Kondensator-Schaltung abgegriffen wird, eine Funktion der Bandposition im Inneren der Vakuumkammer ist.