CAPACITIVE SPACING SENSOR, PARTICULARLY FOR HIGH TEMPERATURES

Abstract: 1. Capacitive distance meter having a capacitance which is proportional or inversely proportional to the distance between two parts (8, 11), characterized by the following features : a) Two electrical conductors (2, 3), which extend in the direction of measurement and which are isolated from each other, form a stationary capacitor. b) An electrically conductive sleeve (6) is arranged, so that it is displaceable in the direction of measurement, at least partially around the electrical conductors (2, 3) without being in electrical contact with them. c) The sleeve (6) is connectable with one part (8) and the stationary capacitor (2, 3) is connectable with the other part (11), the distance between which parts is measured, in such a way that the sleeve (6), according to the distance between the parts (8, 11), completely or partly encircles the stationary capacitor (2, 3).

Description: Kapazitiver Abstandsmesser, insbesondere für hohe Temperaturen Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitlven Abstandsmesser nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs. Abstandsmesser oder Weglängenaufnehmer werden in vielen Bereichen der Technik gebraucht, so z.B. zur Bestimmung der Stellung eines Stellorgans oder zur Aufzeichnung von Relativbewegungen irgendwelcher Strukturen. Ein kapazitiver Dehnungsmesser für sehr kleine Dehnungen oder Relativbewegungen ist aus der EP-A2 0 088 278 bekannt, jedoch kann dieser nicht für die Messung von Abstandsänderungen im Bereich von mehreren Zentimetern eingesetzt werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein kapazitiver Abstandsmesser, welcher mit einer Auflösung im Millimeterbereich Abstände bzw. Weglängen messen kann. Der Messbereich soll dabei je nach Anwendungsfall einige Zentimeter bis zu über einem Meter betragen können. Insbesondere soll der Aufbau des Abstandsmessers bei Verwendung geeigneter Materialien auch für Messungen bei über 10000C geeignet sein, Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein kapazitiver Abstandsmesser nach dem Hauptanspruch vorgeschlagen. Er besteht erfindungsgemäss aus zwei in Messrichtung ausgedehnten, voneinander isolierten elektrischen Leitern, welche einen ortsfesten Kondensator bilden. Eine elektrisch leitfähige Hülse ist in Messrichtung verschiebbar, zumindest teilweise um die elektrischen Leiter angeordnet, ohne jedoch mit ihnen in elektrischem Kontakt zu stehen. Die Hülse ist mit dem einen Teil und der ortsfeste Kondensator mit dem anderen Teil, deren Abstand gemessen werden soll, verbunden, so dass die Hülse je nach dem Abstand der Teile den ortsfesten Kondensator ganz oder teilweise umgibt. Diese erfindungsgemässe Ausbildung hat verschiedene erhebliche Vorteile. Zunächst können die Zuleitungen zu dem Kondensator, da dieser ortsfest ist, aus unflexiblen, hochtemperaturbeständigen Materialien gebildet werden, was z.B. bei zwei gegeneinander verschiebbaren Kondensatorplatten nicht möglich wäre. Der ortsfeste Kondensator wird durch die verschiebbare Hülse in seinem Aussenfeld beeinflusst, was zu einer unterschiedlichen Kapazität je nach Stellung der Hülse führt. Die Beeinflussung des Aussenfeldes ist mechanisch viel einfacher zu bewerkstelligen, als beispielsweise die Verschiebung eines Dielektrikums zwischen zwei Kondensatorplatten. Der erfindunxsgemässe Aufbau eines kapazitixen Abstandsmessers ist mechanisch so einfach, dass eine grosse Zuverlässigkeit in der Funktion erreicht wird. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird in Anspruch 2 vorgeschlagen, dass die in Messrichtung ausgedehnten elektrischen Leiter, die den ortsfesten Kondensator bilden, in einem Keramikrohr eingebettet sind. Geeignete Keramikrohre mit parallel verlaufenden Führungen für elektrische Leiter können als Strang-Press-Material in grossen Längen hergestellt werden und sind sehr stabil. Ein Keramikrohr bildet gleichzeitig eine gute Isolierung der elektrischen Leiter untereinander und gegenüber der Hülse,und es bestehen Einsatzmöglichkeiten auch für sehr hohe Temperaturen. In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird dazu im Anspruch 3 vorgeschlagen, dass das Keramikrohr aus Alu miniumoxid (Al203) bestehen soll. Dieses Material hat sich als genügend temperaturschockbeständig erwiesen, und es lässt sich mit so glatter und fester Oberfläche herstellen, dass auch bei häufiger Verschiebung der Hülse praktisch kein Abrieb entsteht. Im Anspruch 4 wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass die elektrisch leitfähige Hülse ein Metallrohr ist. Dieses Metallrohr gleitet je nach Abstand der auszumessenden Teile mehr oder weniger weit über den ortsfesten Kondensator und verändert dessen Kapazität. Im Anspruch 5 wird alternativ zum Anspruch 4 vorgeschlagen, dass die elektrisch leitfähige Hülse ein aussen mit einem elektrisch leitfähigen Material umgebenes Keramikrohr ist, wobei dieses Keramikrohr vorzugsweise aus dem gleichen Material bestehen soll wie das innere, den ortsfesten Kondensator beinhaltende Keramikrohr. Diese Ausführungsform empfiehlt sich besonders bei der Anwendung unter extremen Umgebungsbedingungen, insbesondere hohen Temperaturen. Versuche mit einer solchen Ausführungsform in über 9006 C heisser Heliumatmosphare haben gezeigt, dass die beiden keramischen Materialien problemlos gegend einander verschiebbar bleiben, ohne dass ein grosser Ab-rieb auftritt. Ein direkt über ein keramisches Rohr geschobenes metallisches Rohr würde unter Umständen einen leichten metallischen Abrieb auf dem Keramikrohr zurücklassen, der bei Langzeitmessungen störend sein könnte. In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 6 vorgeschlagen, dass die elektrisch leitfähige Hülse zwar ein Metallrohr ist, welches aber innen zumindest teilweise mit einem Keramikrohr ausgekleidet ist. Dies hat die gleiche Wirkung wie bei dem in Anspruch 5 beschriebenen Ausführungsbeispiel, da ein direkter Kontakt zwischen Keramik und Metall auf diese Weise verhindert wird. Die jeweilige genaue Ausführung richtet sich nach den zu messenden Längen und den Umgebungsbedingungen. Im Anspruch 7 ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass entweder das den ortsfesten Kondensator beinhaltende Keramikrohr oder die Hülse oder beide mit etwas Spiel an den Teilen, deren Abstand gemessen werden soll befestigt sind. Bei Temperaturschwankungen oder bei nicht ganz exakt in Messrichtung verlaufenden Bewegungen der einzelnen Teile kann es zu einem Verkanten der ineinanderzuschiebenden Teile kommen. Je nach Anwendungsfall ist es daher sinnvoll, Hülse und/ oder Keramikrohr nicht starr mit den Teilen zu verbinden, sondern etwas Spiel senkrecht zur Messrichtung zu ermöglichen. Mit RÜcksicht auf die Zuleitungen kann es sinnvoll sein, vorzugsweise die Hülse mit einem geringen Spiel anzubringen, jedoch ist es selbst bei Verwendung von starren Zuleitungen möglich, wie anhand der Beschreibung näher erläutert, auch den ortsfesten Kondensator mit etwas Bewegungsfreiheit anzuordnen. FUr Präzisionsmssungen wird in Anspruch 8 bwz. 9 vorgeschlagen, dass der kapazitive Abstandsmesser einen Referenzkondensator aufweist, welcher gleichen Betriebsbedingungen wie der Messkondensator unterliegt, jedoch nicht in dem Einflussbereich der Hülse verläuft. Da sich bei unterschiedlichen Temperaturen verschiedene Einflüsse störend bemerkbar machen, ist für sehr genaue Mes sungen eine Kompensation dieser Störungen erforderlich. Da sie theoretisch und messtechnisch nicht immer präzise erfasst werden können, bietet sich die Verwendung eines Referenzkondensators unter gleichen Betriebsbedingungen an. Änderungen der Dielektrizitätskonstanten von Keramikrohr und Umgebung, Ausdehnung der elektrischen Leiter und ähnliche Einflüsse lassen sich auf diese Weise eliminieren, ohne dass sie genau bekannt sein müssen. Im Anspruch 9 wird dazu in spezieller Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass der Messkondensator und der Referenzkondensator zu einer Brückenschaltung verschaltet sind, eine an sich bekannte und gut geeignete Methode zur Kompensation von unerwunschten Einflüssen. Wie im Ausführunosbeispiel noch näher erläutert, kann beispielsweise der Referenzkondensator in weiteren Bohrungen in dem den ortsfesten Kondensator tragenden Keramikrohr untergebracht werden. Dabei dürfen die den Referenzkondensator bildenden elektrischen Leiter nur in dem Teil des Keramikrohres verlaufen, welcher nicht von der Hülse beeinflusst wird. Ist dieser Bereich zu klein, so muss der Referenzkondensator an anderer Stelle angeordnet werden. Er sollte dann einen ähnlichen Aufbau besitzen, wie der ortsfeste Messkondensator. Sind Messkondensator und Referenzkondensator zu einer Brückenschaltung verschaltet, so werden nur drei Zuleitungen benötigt, wodurch der Aufwand an Durchführungen vertretbar bleibt. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und zwar zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemässen kapazitiven Messaufnehmer, Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II durch den kapazitiven Abstandsmesser und Fig. 3 schematisch die Möglichkeit der Anordnung eines Referenzkondensators. Die erfindungswesentlichen Teile des kapazitiven Abstandsmessers sind in Fig. 1 dargestellt. In einem Keramikrohr 1 sind in zwei in Längsrichtung verlaufenden Kanälen zwei elektrische Leiter 2, 3 untergebracht, welche einen ortsfesten Kondensator bilden. Die Zuleitungen 4, 5 des ortsfesten Kondensators 2, 3 sind nach aussen geführt zu einer nicht näher dargestellten Messanordnung zur Bestimmung der Kapazität. Eine elektrisch leitende Hülse 6 ist verschiebbar konzentrisch um das Keramikrohr 1 mit dem ortsfesten Kondensator 2, 3 angeordnet, wobei gegebenenfalls die elektrisch leitende Hülse 6 auf einem ganz oder teilweise in ihrem Inneren verlaufenden Keramikrohr 7 angeordnet sein kann, welches zur präzisen Führung und zur Verringerung der Reibung dient. Der ortsfeste Kondensator 2, 3 ist mit einem Teil 11 verbunden, dessen Abstand von einem anderen Teil 8 gemessen werden soll. Dementsprechend ist die Hülse 6 mit dem Teil 8 verbunden, so dass eine Ande- rung des Abstandes zwischen den Teilen 8, 11 zu einer Verschiebung der elektrisch leitfähigen Hülse auf dem ortsfesten Kondensator und damit zu einer änderung der Kapazität führt. Um ein mögliches Verkanten der ineinander verlaufendren Teile zu vermeiden, ist im Ausführungsbeispiel der ortsfeste Kondensator mit etwas Spiel in eine Bohrung im Teil 71 eingesetzt. Um eine Bewegung in Messrichtung jedoch zu vermeiden, ist der ortsfeste Rondensator mit einer Nut 9 versehen, in welche ein Metall ring 10 eingelegt ist, der von einer Gegenplatte 12 gehalten wird. Diese Halterung ermöglicht ein geringes Spiel, ohne dass jedoch eine Verfälschung des Messwertes entstehen kann. Auch die Zuleitungen 4, 5 werden durch diese kleine Bewegungsmöglichkeit nicht ausserhalb ihrer Elastizitätsgrenzen beeinflusst. Gegebenenfalls kann auch die Hülse 6 mit Spiel in einer ähnlichen Aufhä gung an dem Teil 8 befestigt werden, falls die Bewe gungsmöglichkeiten der Teile dies erforderlich mache:.. Bei einem Einsatz des Abstandsmessers unter sehr hoher Temperaturen müssen natürlich alle Teile aus entspe- chend geeigneten Materialien hergestellt sein, woche in agressiver Umgebung für die elektrischen Leiter beispielsweise auch Platin als Material in Betracht kommt. Entsprechend den hohen Temperaturen muss die Isolierung und dichte Durchführung der Zuleitungen ausgelegt sein, was in der Zeichnung durch Quetschdichtungen 13 und ein nicht näher beschriebenes Kammersystem angedeutet ist. Die Durchführung von elektrischen Leitungen aus einem gegebenenfalls heissen und unter Druck stehenden System ist jedoch Stand der Technik und wird beispielsweise bei Thermoelementen in grossem Umfang angewendet. Fig. 2 veranschaulicht noch einmal die Verhältnisse anhand eines Querschnitts durch Messkondensator und Hülle. Das innere Keramikrohr 1 trägt die elektrischen Leiter 2, 3 in entsprechenden Kanälen, wobei die Kanäle natürlich nach Möglichkeit exakt parallel verlaufen sollen. Die elektrisch leitende Hülse 6 ist verschiebbar um das Keramik rohr 1 angeordnet, wobei die Hülse 6 innen mit einem Keramikrohr 7 ausgekleidet sein kann. Der Zwischenraum 15 zwischen innerem Keramikrohr 1 und Hülse 6 ist übertrieben grob dargestellt, jedoch muss er eine gewisse Grösse zur Vermeidung von Verkantungen aufweisen. Da die elektrisch leitfähige Hülse 6, die das Aussenfeld des ortsfesten Kondensators 2, 3 beeinflusst, keine grossen Ströme aufnehmen muss, kann sie sehr dünn sein, gegebenenfalls auch aus einer auf das Keramikrohr 7 aufgedampften oder sonstwie aufgebrachten elektrisch leitfähigen Be schichtung bestehen. In Fig. 3 wird schematisch eine Möglichkeit zur Unterbringung eines Referenzkondensators angedeutet. Dazu weist das innere Keramikrohr nicht nur Führungskanäle für die elektrischen Leiter 2, 3 sondern noch zwei weitere Führungskanäle 20, 30 für zusätzliche elektrische Leiter auf. Diese zusätzlichen elektrischen Leiter ragen nur ein kleines Stück in das keramische Rohr 1 hinein, nämlich gerade soweit, dass sie von der elektrisch leitfähigen Hülse 6 bei keinem Messzustand beeinflusst werden. Der so entstehende Referenzkondensator ermöglicht eine Kompensation von störenden Einflüssen, wobei ein Leiter des Referenzkondensators mit einem Leiter des Messkondensators verbunden sein kann, so dass nur drei Zuleitungen nach aussen geführt werden müssen. Die vorliegende Erfindung hat sich bisher beispielsweise als Wegaufnehmer in einer Heissgasarmatur eines Heliumversuchskreislaufs bei über 9000 C bewährt.

Claims: Kapazitiver Abstandsmesser, insbesondere für hohe Temperaturen Patentansprüche Kapazitiver Abstandsmesser mit einer dem Abstand von zwei Teilen (8, ii) proportionalen oder umgekehrt proportionalen Kapazität, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Merkmale: a) Zwei in Messrichtung ausgedehnte voneinander isolierte elektrische Leiter (2, 3) bilden einen ortsfesten Kon densator. b) Eine elektrisch leitfähige Hülse (6) ist in Messrich tung verschiebbar zumindest teilweise um die elek trischen Leiter (2, 3) angeordnet, ohne mit ihnen in elektrischem Kontakt zu stehen. c) Die Hülse (6) ist mit dem einen Teil (8) und der orts feste Kondensator (2, 3) mit dem anderen Teil (11), deren Abstand gemessen wird, verbindbar, so dass die Hülse (6) je nach dem Abstand der Teile (8, 11) den ortsfesten Kondensator (2, 3) ganz oder teilweise um gibt. 2. Kapazitiver Abstandsmesser nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgendes Merkmal: Die in Messrichtung ausgedehnten elektrischen Leiter (2, 3) sind in einem Keramikrohr (1) eingebettet. 3. Kapazitiver Abstandsmesser nach Anspruch 2, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgendes Merkmal: Das Keramikrohr (1) besteht aus Al203' 4. Kapazitiver Abstandsmesscr nach Anspruch 1 - 3, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgendes Merkmal: Die elektrisch leitfähige Hülse (6) ist ein Metall rohr. 5. Kapazitiver Abstandsmesser nach Anspruch 1 - 3, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgendes Merkmal: Die elektrisch leitfähige Hülse (6) ist ein aussen mit einem elektrisch leitfähigen Material umgebenes Keramikrohr, vorzugsweise aus dem gleichen Material wie das innere Keramikrohr (1). 6. Kapazitiver Abstandsmesser nach Anspruch 1 - 3, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgendes Merkmal: Die elektrisch leitfähige Hülse (6) ist ein Metall rohr, welches innen zumindest teilweise mit einem Keramikrohr (7) ausgekleidet ist. 7. Kapazitiver Abstandsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgendes Merkmal: Entweder das den ortsfesten Kondensator (2, 3) lein- haltende Keramikrohr (1) oder die Hülse (6) ober beide sind mit etwas Spiel an den Teilen (8, .71) befestigt. 8. Kapazitiver Abstandsmesser nach einem der vorh rgehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgendes Merkmal. Der kapazitive Abstandsmesser weist einen Referenzkon densator (20,30) auf, welcher gleichen Betriebsbedin gungen wie der Messkondensator (2, 3) unterleigt, je doch nicht in dem Einflussbereich der Hülse (6) verläuft. 9, Kapazitiver Abstandsmesser nach Anspruch 8, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgendes Merkmal: Der Referenzkondensator liegt konzentrisch und ausser halb der elektrisch leitfähigen Hülse (6) und weist das gleiche Dielektrikumsmaterial auf wie der Mess kondensator (2, 3). 10. Kapazitiver Abstandsmesser nach Anspruch 8 oder 9, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgendes Merkmal: Der Messkondensator (2, 3) und der Referenzkondensator (20, 30) sind zu einer Brückenschaltung verschaltet.

Inventors: TITTIZER, GABRIEL. DIPL.-ING.
Applicants: INTERATOM GESELLSCHAFT MIT BESCHRANKTER HAFTUNG
Application year: 1984
Main classification: G01D5
IPC codes: G01D5, G01B7