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Die Erfindung bezieht sich auf einen Messwertwandler zur Erzeugung eines gegebenenfalls digitalen Signals, in Abhängigkeit von der zu messenden physikalischen Grösse, der einen Parallelschwingkreis aufweist, indem ein Teil, vorzugsweise die Induktionsspule, in Abhängigkeit von der zu messenden physikalischen Grösse in seinen elektrischen Werten veränderbar ist, welchem Schwingkreis eine Schaltung zur Bestimmung der Periodendauer der Schwingungen desselben nachgeschaltet ist und der mit einer schalt-bzw. triggerbaren Gleichstromquelle verbunden ist, die zum Zeitpunkt der Messung abschaltbar oder vom Schwingkreis trennbar ist.
Ein solcher Messwertwandler wurde z. B. durch die DE-OS 27 03 200 bekannt. Bei dem bekannten Messwertwandler ist der Signalgeber mit einer Einrichtung verbunden, die den Schwingungszustand des Signalgebers, der durch den Parallelschwingkreis gebildet ist, kontrolliert und die Zuführung eines Energieimpulses von der Gleichstromquelle her verursacht. Dabei besteht diese Einrichtung aus einem Verstärker und einem Impulsgenerator, der aufgrund eines Signales an seinem als Triggereingang ausgebildeten Steuereinganges einen Stromimpuls durch die Spule des Schwingkreises erzeugt, dessen Schwingung von der zu messenden physikalischen Grösse abhängt, wobei der Steuereingang des Impulsgenerators mit dem Verstärker über einen Steuerkreis vebunden ist.
Der Nachteil dieser bekannten Lösung besteht darin, dass die Signale des Schwingkreises entsprechend verzerrt sind, wodurch die Genauigkeit, deren Auswertung leidet, oder sehr aufwendige Auswerteschaltungen vorgesehen werden müssen.
Bei einem bekannten derartigen Messwertwandler ist dem Schwingkreis ein niederohmiger GegentaktLeistungsverstärker vorgeschaltet, der über eine Treiberstufe angesteuert wird. Dabei wird die eine Elektrode des Kondensators über den Gegentakt-Leistungsverstärker abwechselnd mit dem positiven und dem negativen Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden. Durch das Umladen des Kondensators wird der Schwingkreis angeregt, wobei die Frequenz dieser Schwingungen durch die in Abhängigkeit von der zu messenden physikalischen Grösse veränderbare Induktionsspule beeinflusst wird. Die Dauer dieser Schwingungen wird im bekannten Falle durch eine Begrenzerverstärkerschaltung erfasst, wobei die Dauer der Schwingungen des Schwingkreises ein Mass für die eine Änderung der Induktivität hervorrufende physikalische Grösse ist.
Ziel der Erfindung ist es, einen Messwertwandler der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, der sich durch einen besonders einfachen Aufbau und ein hohes Mass an Genauigkeit auszeichnet.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Schaltung zur Bestimmung der Periodendauer einen dem Schwingkreis nachgeschalteten Impulsformer, z. B. einen Schwellwertschalter, an dem eine nahezu Null betragende Referenzspannung angelegt ist, umfasst.
Dadurch ergibt sich eine besonders einfache Schaltung, da die eigentliche Schaltung zur Bestimmung der Periodendauer mit normierten Signalen beaufschlagt wird. Als Impulsformer für das vom Schwingkreis während der Messung kommende Signal kann statt eines Schwellwertschalters z. B. auch eine dem Abstand der Maxima der Schwingung erfassende Schaltung vorgesehen sein. So kann eine Differentierschaltung vorgesehen sein, deren Nulldurchgänge ihres Ausgangssignals eine Torschaltung steuern, die ihrerseits z. B. einen mit Impulsen bestimmter Frequenz beaufschlagten Zähler abwechselnd freigibt und blockiert oder eine die Zeitdauer des Torsignals in ein analoges Signal umwandelnde Schaltung steuert. Grundsätzlich kann aus dem Ausgangssignal des Impulsformer wahlweise ein digitales oder ein analoges Signal abgeleitet werden. Im ersteren Fall kann z.
B. während eines Schaltzustandes des Impulsformers, der schaltungstechnisch am einfachsten als Schwellwertschalter realisiert werden kann, weshalb im weiteren auf einen solchen Bezug genommen wird, ein von einer (quarz- ) stabilisierten Vergleichsfrequenz beaufschlagter Zähler aktiviert werden, wobei dann der während dieses Schaltzustandes des Schwellwertschalters erreichte Zählerstand ein Mass für die zu messende Grösse ist. Diesem Zähler kann zweckmässigerweise ein Mittelwertbildner nachgeschaltet werden, der aus mehreren während je einer Halbschwingung ermittelten Werten einen Mittelwert bildet.
Für die Erzielung eines von der Schwingfrequenz des Schwingkreises abhängigen Ausgangssignals kann z. B. eine Konstantstromquelle an eine Kondensatorschaltung mit Entladestufe, wie z. B. einem Transistor, während der Dauer jener Ausgangssignale des Schwellwertschalters gelegt werden, die einem über dem Schwellwert liegenden Eingangssignal entsprechen. Die an dem Kondensator anliegende Spannung ist dann ein Mass für die Grösse der zu messenden physikalischen Grösse.
Zweckmässigerweise ist der Schwellwertschalter als Schmitt-Trigger ausgebildet, wodurch sich eine besonders einfache und wirtschaftlich realisierbare Schaltung ergibt.
Besonders günstig ist es, wenn die schalt-bzw. triggerbare Gleichstromquelle eine an sich bekannte Stromquellenschaltung, vorzugsweise eine Konstantstromquellenschaltung, und einen ihr vor- oder nachgeschalteten elektronischen Schalter umfasst. Bei dieser Anordnung ist es von Vorteil, wenn die Stromquellenschaltung über eine Diode an den Schwingkreis angeschlossen ist, da durch diese Massnahmen die Trennung des Schwingkreises von der Gleichstromquelle für beliebige, auch die Betriebsspannung überschreitende Schwingkreisspannungen erfolgt.
Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt Fig. 1 in Blockform das Prinzipschaltbild eines erfindungsgemässen Messwertwandlers, Fig. 2 und Fig. 3 teilweise in Form detailierter Schaltbilder jeweils ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Messwertwandlers, Fig. 4 ein Beispiel für eine Auswerteschaltung, Fig. 5 Diagramme der an verschiedenen Stellen der Auswerteschaltung nach Fig. 4 auftretenden Spannungen, Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel
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einer Auswerteschaltung und Diagramme der an verschiedenen Stellen der Auswerteschaltung nach Fig. 6 auftretenden Spannungen.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemässen Messwertwandlers. Dabei ist eine schalt-bzw. trigger bare Gleichstromquelle (1) mit einem aus einer Induktionsspule (9) und einem dazu parallel geschalteten Kondensator (8) gebildeten Schwingkreis (8,9) verbunden. An diesen Schwingkreis (8,9) ist eine die Dauer der Schwingungen des Schwingkreises (8,9) in ein digitales oder ein analoges Signal umsetzende Signalverarbeitungsschaltung (30) angeschlossen.
Einer der beiden Teile des Schwingkreises (8,9) ist in seinen elektrischen Werten in bekannter Weise in Abhängigkeit von der zu messenden physikalischen Grösse veränderbar. So kann z. B. die Induktionsspule (9) mit einem verschiebbaren Eisenkern versehen sein, der z. B. mit einer Membran einer Druckmessdose verbunden sein kann. Doch kann auch der Kondensator (8) in bekannter Weise in seinen Werten veränderbar sein.
Immer dann, wenn die Gleichstromquelle (1) zufolge ihrer Schaltung bzw. Triggerung an den Schwingkreis durchgeschaltet ist, wird die Induktionsspule mit Strom versorgt, wobei der ohm'sche Anteil der Induktionsspule (9) einen Spannungsabfall bewirkt, der die maximale Ladespannung des Kondensators (8) bestimmt.
Wird nun die Gleichstromquelle (1) zufolge ihrer Schaltung bzw. Triggerung abgeschaltet oder vom Stromkreis getrennt, so beginnt der Schwingkreis (8,9) mit seiner durch die elektrischen Werte des Kondensators (8) und der Induktionsspule (9), von denen ein Element durch die zu messende physikalische Grösse beeinflusst ist, bestimmten Resonanzfrequenz zu schwingen. Damit ist aber die Resonanzfrequenz des Schwingkreises (8,9) ein Mass für die zu messende physikalische Grösse.
Die Schwingungen des Schwingkreises werden einer Signalverarbeitungsschaltung (30) zugeleitet, von dieser ausgewertet und die zu messende physikalische Grösse zur Anzeige in digitaler oder analoger Form gebracht, wobei die Signalverarbeiungsschaltung (30) durch einen Speicherfrequenzmesser gebildet sein kann.
Die Ausführungsform eines erfindungsgemässen Messwertwandlers gemäss Fig. 2 umfasst eine durch einen Transistor (5) gebildete Gleichstromquelle ; dessen Emitter ist über einen Widerstand (6) an die Versorgungsspannung (U), dessen Kollektor über eine Diode (7) an den Parallelschwingkreis (8,9) gelegt. Die Basis des Transistors (5) liegt an einem aus Widerständen (3,4) gebildeten Spannungsteiler, in welchen ein als Schalter arbeitender Transistor (2) eingefügt ist.
Die Ansteuerung des Transistors (2), dessen Basis an einem Spannungsteiler (11,12) angeschlossen ist, kann über einen nicht dargestellten Rechteck-Oszillator erfolgen, dessen Signale ein ständiges Sperren und Durchschalten des Transistors (2) bewirken, wobei es günstig ist, wenn die Einschaltzeiten des Transistors (2) genügend lang sind, um ein vollständiges Aufladen der Induktionsspule (9) zu gewährleisten, da dann sichergestellt ist, dass bei der nachfolgenden Messung der Schwingkreis (8,9) mit voller Amplitude anschwingt, wodurch die Auswertung erleichtert wird.
Ist der Schalter (2) geschlossen, so erhält der Transistor (5) über den Spannungsteiler (3,4) die nötige Basisvorspannung, sodass der durch den Widerstand (6) bestimmte Kollektorstrom fliessen kann. Dadurch ist der Stromkreis über den Widerstand (6), den Transistor (5) und die Diode (7) zum Schwingkreis (8,9) geschlossen.
Sperrt danach der Transistor (2) und startet damit eine Messung, so verliert der Transistor (5) seine Basisvorspannung und sperrt. Gleichzeitig beginnt auch der Schwingkreis (8,9) mit seiner durch die elektrischen Werte des Kondensators (8) und der Induktionsspule (9), von denen ein Element durch die zu messende physikalische Grösse beeinflusst ist, bestimmten Resonanzfrequenz zu schwingen. Die Diode (7) bewirkt bei obigem Anschwingen des Resonanzkreises einen Schutz des Stromquellentransistors (5), nämlich dann, wenn die Amplitude der Resonanzspannung grösser als die Versorgungsspannung (U) des Transistors (5) ist.
Dies bewirkt aber auch, dass bei einer Messung das Eingangssignal an dem als Eingangsstufe der Signalverarbeitungsschaltung (30) vorgesehene Schwellwertschalter (10) ständig seine Werte ändert und bei einer Halbwelle einer jeden vollen Schwingung die Referenzspannung (URef), die nahezu Null beträgt, übersteigt. Dadurch liefert der Ausgang des Schwellwertschalters (10) einen Impulszug, dessen einem über der Referenzspannung liegenden Eingangssignal entsprechenden Impulse der Dauer einer Halbwelle der Schwingungen des Schwingkreises entsprechen. Diese Impulse sind daher über den Schwingkreis (8,9) bzw. dessen von der zu messenden physikalischen Grösse beeinflussten Teil, vom umzuwandelnden Messwert beeinflusst, so dass die Dauer dieser Impulse ein Mass für die Messgrösse ist.
Die Auswertung der Ausgangssignale des Schwellwertschalters (10) kann durch eine Auswerteschaltung (25) in beliebiger Weise erfolgen. So kann seine Dauer z. B. mittels eines Schwingquarzes und einem Zähler digital erfasst werden.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die durch den Transistor (5) und die Widerstände (3,4 und 6) gebildete Stromquelle nicht - wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 - direkt, sondern über einen Längstransistor (29) mit dem Schwingkreis verbunden ist. Der Basisspannungsteiler für diesen Längstransistor (29) ist durch den Widerstand (31) und den Transistor (26) gebildet. Über einen Spannungsteiler (27,28) erfolgt die Ansteuerung der Basis des Transistors (26). Durch eine an diesem Spannungsteiler anliegende Impulskette einer der Versorgungsspannung (U) entsprechenden Amplitude wird der Längstransistor (29) abwechselnd in den leitenden bzw. gesperrten Zustand gesteuert.
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Immer dann, wenn die Amplitude der Eingangsimpulse Null beträgt, leitet der Transistor (26) und der Transistor (29) sperrt, die Stromquelle ist vom Schwingkreis weggeschaltet (Messphase) und dann, wenn die Amplitude der Eingangsimpulse gleich der Versorgungsspannung ist, sperrt der Transistor (26) und der Transistor (29) leitet, in welcher Phase der Schwingkreis mit Energie versorgt wird.
Eine mögliche Ausbildung einer Auswerteschaltung (25) zeigt Fig. 4.
Bei dieser werden die Ausgangssignale des als Eingangsstufe vorgesehenen Schwellwertschalters (10) dem Rücksetzeingang eines Zählers (33) und einem monostabilen Multivibrator (34) zugeführt, der z. B. durch die steigende Flanke des Ausgangssignals des Schwellwertschalters (10) triggerbar ist und dessen Ausgang eine dem Zähler (11) nachgeschaltete Schaltung (13) zur Übernahme und Speicherung bzw. Ausgabe eines Zählerstandes steuert. An den Ausgang der Schaltung (13) ist eine Anzeigeschaltung (32) für den Zählerstand angeschlossen.
An dem Schwellwertschalter (10) liegt eine nur wenig von Null verschiedene positive Referenzspannung (URef) an.
Wird nun zufolge durchgeschalteter Stromquelle an den Schwingkreis (8,9) ein positives Potential angelegt, so ergeben sich an den in Fig. 4 mit (A, B und C) bezeichneten Punkten der Schaltung die aus Fig.
5 ersichtlichen Signalzüge.
Sinkt das Eingangssignal (A) des Schwellwertschalter (10) nach dem Trennen des Schwingkreises (8,9) von der Gleichstromquelle erstmal unter den Wert der Referenzspannung ab, so führt dies zu einer abfallenden Flanke des Ausgangssignales (B) des Schwellwertschalters und durch den invertierenden Eingang des UNDGatters (14) wird die Durchschaltung von Zählimpulsen, deren Frequenz wesentlich höher als die Schwingfrequenz des Schwingkreises (8,9) ist, zum Zähleingang des Zählers (33) ermöglicht und der Impulszug (D) gelangt zum Zähler (33).
Wird nach einer halben Schwingung die Referenzspannung des Schwellwertschalters (10) wieder überschritten, so bewirkt die ansteigende Flanke des Ausgangssignales (B) ein Triggern des monostabilen Multivibrators (34), dessen Ausgangssignal (C) die Schaltung (13) aktiviert, die den momentanen Zählerstand des Zählers (33) übernimmt und diesen beibehält (Latch-Schaltung) bzw. an die Anzeigeschaltung (32) abgibt.
Die Ablaufzeit des Multivibrators (12) ist dabei so gewählt, dass sie grösser ist als jene Zeit, während der die Amplituden der Schwingungen des Schwingkreises (8,9) soweit abgeklungen sind, dass die Referenzspannung des Schwellwertschalters (10) nicht mehr überschritten wird bzw. grösser als jene Zeit ist, während der bei einer quasikontinuierlichen Messung gemäss der Ausführungsform nach Fig. 2 der Schalter (2) bzw. bei der Ausführungsform nach Fig. 3 der Schalter (29) geöffnet ist. Damit ist sichergestellt, dass die Anzeigeschaltung (32) während dieser Zeit mit einem gleichbleibenden Signal versorgt wird.
Gleichzeitig bewirken die ansteigenden Flanken des Ausgangssignales (B) nach dem Durchlaufen einer z. B. durch eine gerade Anzahl von Inverter (15) und einer aus einem Kondensator (16) und einem Widerstand (17) gebildeten Diffemtier-und Verzögerungsschaltung einen Resetimpulszug (E), dessen Impulse den Zähler (33) zurückstellen.
Praktisch wird nur die erste vollständige Halbwelle der bei jeder Messung auftretenden Schwingungen des Schwingkreises (8,9) zur Messwertumsetzung verwendet, wobei die vom Zähler (33) ermittelte Anzahl von einem nicht dargestellten Impulsgenerator stammenden Zählimpulse ein Mass für die Grösse der zu erfassenden Messgrösse darstellen.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel einer Auswerteschaltung (30), die ein analoges Signal liefert.
Bei dieser bewirkt die erste abfallende Flanke des Ausgangssignales (F) des Schwellwertschalters (10), das auf die im Zusammenhang mit der Fig. 4 beschriebenen Weise erhalten wird, ein Sperren des Transistors (19), dessen Basis über einen Widerstand (18) und eine Impulsverzögerungsstufe (24) mit dem Ausgang des Schwellwertschalters (10) verbunden ist. Dadurch wird der Entladekreis des Kondensators (20) unterbrochen und dieser wird von der Gleichstromquelle (21) aufgeladen.
Die nächste ansteigende Flanke des Ausgangssignales (F) bewirkt, wie im Zusammenhang mit der Fig. 4 beschrieben, ein Kippen des monostabilen Multivibrators (35), der wie bereits in Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben, ein Signal (H) liefert, wobei dessen Zeitdauer gemäss den bei der Behandlung der Fig. 4 erläuterten Bedingungen entspricht. Die ansteigende Flanke dieses Signals (H) liefert über das durch den Kondensator (16) und den Widerstand (17) gebildete Differentierglied ein Signal (K) in Form eines Nadelimpulses.
Der Sample & Hold-Schaltung (22) wird somit vom Kondensator (20) der Impulszug (G) zugeführt, und diese übernimmt den momentanen Wert der Spannung des Kondensators (20), sobald ein Impuls (K) von der Differentierschaltung (16,17) beim Steuereingang der Sample & Hold-Schaltung (22) einlangt. Dieser Wert wird von der Schaltung (22) gehalten und an das Anzeigegerät (23) abgegeben, bis ein neuerlich eintreffender Impuls (K) die Übernahme des nun anstehenden Spannungswertes bewirkt.
Gleichzeitig wird mit der Entladung des Kondensators (20) durch den Transistor (19) begonnen. Es muss sichergestellt werden, dass dieser Vorgang erst dann beginnt, wenn der Momentanwert von (20) von der Sample & Hold-Schaltung (22) übernommen wurde, z. B. durch eine Impulsverzögerungsstufe (24), wie z. B. ein Mono-Flop, für das Signal (F), das dem Transistor (19) über den Widerstand (18) zugeführt wird.
Da bei jeder Messung nur ein Impuls (K) zur Schaltung (22) gelangt, wird nur die erste vollständige Halbwelle der Schwingungen des Schwingkreises (8,9) ausgenützt.