DD119863B1

DD119863B1 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR CAPACITIVE MEASUREMENT DETECTION

Info

Publication number: DD119863B1
Application number: DD18687375A
Authority: DD
Inventors: Hans-Hermann Seidel
Original assignee: Karl Marx Stadt Tech Hochschul
Priority date: 1975-06-25
Filing date: 1975-06-25
Publication date: 1986-04-23
Also published as: DD119863A1

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur kapazitiven Meßwertgewinnung nichtelektrischer Größen, die als Sensorelektronik sowohl in der Prozeßmeßtechnik als auch bei anderen Meßaufgaben auf den verschiedensten Gebieten der Naturwissenschaften angewendet wird.The invention relates to a circuit arrangement for capacitive measurement value extraction of non-electrical quantities, which is used as sensor electronics both in the process measuring and in other measurement tasks in various fields of science.

Characteristic of the known technical solutions

8ekannt sind kapazitive Brückenschaltungen, die mit einer sinusförmigen Wechselspannung gespeist werden und deren ßrückendiagonalspannung einem Trägerfrequenzverstärker mit anschließendem Demodulator zugeführt wird. Es ist bekannt, die Meßkapazität und eine Induktivität zu einem Schwingkreis zusammenzuschalten und durch geeignete Mittet die Resonanzfrequenz dieses Schwingungskreises auszuwerten. Bekannt ist weiterhin, die Meßkapazität als zeitbestimmendes Glied in einen astabilen Multivibrator einzusetzen und die auftretende Potentiaidifferenz der gesiebten Ausgangsspannung zu messen. Die wichtigsten bisher üblichen Schaltungsprinzipien zur kapazitiven Meßwertgewinnung und die dabei auftretenden Probleme sind im Buch von Gutnikow, Lenk, Mende: .,Sensorelektronik" Verlag Technik, Berlin 1984 S. 135 ff. veröffentlicht. Kapazitive Brückenschaltungen haben den Nachteil, daß hinsichtlich ihrer elektrischen Parameter eng tolerierte Anschlußbedingungen an den Oszillator und an den Trägerfrequenzverstärker eingehalten werden müssen, die für jede Meßkapazität einen Brückenabgleich nach Amplitude und Phase sowie das Ausfiltern auftretender Oberwellen erfordert. Bei Verwendung eines Schwingkreises ergibt sich neben dem nichtlinearen Zusammenhang von Meßkapazität und Resonanzfrequenz des Schwingkreises noch der Nachteil, daß wegen des Mit-Zieh-Effektes bei annähernder Frequenzgleichheit keine Differentiaikondensatoranordnungen verwendet werden können und sich dadurch Drifterscheinungen verschiedener Ursachen sowie Linearitätsfehler schwer eliminieren lassen. Wird die Meßkapazität als zeitbestimmendes Glied in einen astabiien Multivibrator geschaltet, besteht zwischen der gesiebten Ausgangsspannung des Multivibrators und der Meßkapazität ein stark nichtlinearer Zusammenhang und der Ausgang dieser Schaltung ist nicht rückwirkungsfrei.8 are capacitive bridge circuits, which are fed with a sinusoidal AC voltage and the ßrückendiagonalspannung a carrier frequency amplifier with subsequent demodulator is supplied. It is known to interconnect the measuring capacitance and an inductance to a resonant circuit and to evaluate the resonant frequency of this oscillating circuit by means of suitable means. It is also known to use the measuring capacitance as a time-determining element in an astable multivibrator and to measure the potential difference of the sieved output voltage. The most important circuit principles used to date for the capacitive measurement value recovery and the problems arising therefrom have been published in the book by Gutnikow, Lenk, Mende: Sensor Electronics "Verlag Technik, Berlin 1984, page 135 et seq .. Capacitive bridge circuits have the disadvantage that with regard to their electrical parameters In the case of a resonant circuit, in addition to the nonlinear relationship between the measuring capacitance and the resonant frequency of the resonant circuit, there is still the disadvantage of using a resonant circuit for the amplification and phase in that, because of the drag-in effect, nearly equal frequency equalities can not be used for differentiation capacitor arrangements, making it difficult to eliminate drift phenomena of various causes and linearity errors. If the measuring capacitance is connected as a time-determining element in an astabiien multivibrator, there is a strong non-linear relationship between the sieved output voltage of the multivibrator and the measuring capacity and the output of this circuit is not reactive.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Die Erfindung hat das Ziel eine Schaltungsanordnung zur kapazitiven Meßwertgewinnung zu schaffen, die bei geringem Aufwand gute meßtechnische Parameter besitzt und eine einfache Meßsignalverarbeitung gestattet.The invention has the goal to provide a circuit arrangement for capacitive data acquisition, which has good metrological parameters with little effort and allows easy Meßsignalverarbeitung.

Essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur kapazitiven Meßwertgewinnung zu entwickeln, welche es als Sensorelektronik ermöglicht, den die zu messende nichtelektrische Größe repräsentierenden Kapazitätswert eines Kondensators bzw. eines Differentiaikondensators mit hoher Genauigkeit in ein analoges oder digitales Signal umzusetzen, wobei die Schaltung ohne Verwendung von Induktivitäten auch integriet herstellbar sein soll. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß unter Verwendung von mindestens einem Sägezahngenerator mit einer Stromquelle und einem Ladekondensator sowie mindestens einer Trennstufe und einer Auswerteschaltung, die entweder die Amplitude der Sägezahnspannung oder die Impulslänge bis zum Erreichen einer Komparatorschwellspannung durch die Sägezahnspannung auswertet, dadurch gelöst, daß der Ladekondensator des Sägezahngenerators als eine die zu messende nichtelektrische Größe repräsentierende Meßkapaziiät ausgebildet ist und so die Form der Sägezahnimpulse beeinflußt. Wird der Ladekondensator durch periodische Impulse konstanter Frequenz entladen, so wird die Sägezahnspannung, die sich zwischen diesen Entiadeimpulsen durch Aufladen des Ladekondensators über die Stromquelle aufbaut, in Abhängigkeit der jeweils wirksamen Meßkapazität unterschiedlich groß.The invention has for its object to develop a circuit arrangement for capacitive Meßwertgewinnung, which makes it possible as a sensor electronics, the value to be measured non-electrical variable capacitance value of a capacitor or a differentiation capacitor with high accuracy to convert into an analog or digital signal, the circuit without Use of inductors also integriet to be produced. This object is achieved by using at least one sawtooth generator with a current source and a charging capacitor and at least one separation stage and an evaluation circuit which evaluates either the amplitude of the sawtooth voltage or the pulse length to reach a comparator threshold voltage through the Sägezahnspannung, characterized in that the charging capacitor of Sawtooth generator is formed as a Meßkapaziiät representing the non-electrical variable to be measured and thus affects the shape of the Sägezahnimpulse. If the charging capacitor discharged by periodic pulses of constant frequency, the sawtooth voltage that builds up between these Entiadeimpulsen by charging the charging capacitor via the power source, depending on the respective effective measuring capacitance varies.

Die maximale Ladespannung bzw. die Amplitude der Sägezahnimpulse ist ein Maß für die zu messende nichtelektrische Größe. Die Spannung kann nach einer Trennstufe, der der Meßkapazität parallelgeschaltet ist, in einer Auswerteschaltung, z. B. einem Voltmeter, ausgewertet werden. Wird der Ladekondensator des Sägezahngenerators über die Stromquelle so lange aufgeladen, bis die Ladespannung die Schwellspannung eines Komparators als Bestandteil des Sägezahngenerators erreicht hat, so ist die Länge des dabei entstehenden Impulses der Meßkapazität direkt proDortional und kann durch eine Auswerteschaltung in Form einer Zeitmeßeinrichtung, z. B. ein Zähler oder Pulsbreitendemodulator, ausgewertet werden. Werden zwei Ladekondensatbren zweier Sägezahngeneratoren als ein Differentialkondensator ausgebildet und die Ausgangsinformationen dieser Anordnung differentiell ausgewertet, ergeben sich bessere meßtechnische Parameter (bzgl. Drift, Linearität).The maximum charging voltage or the amplitude of the sawtooth pulses is a measure of the non-electrical variable to be measured. The voltage can after a separation stage, which is connected in parallel to the measuring capacitance, in an evaluation circuit, for. B. a voltmeter, are evaluated. If the charging capacitor of the sawtooth generator is charged via the power source until the charging voltage has reached the threshold voltage of a comparator as part of the sawtooth generator, the length of the resulting pulse of the measuring capacitance is directly proDortional and can by an evaluation circuit in the form of a time measuring device, for. As a counter or Pulse Width Demodulator are evaluated. If two charge condensate bridges of two sawtooth generators are designed as a differential capacitor and the output information of this arrangement is evaluated differently, better metrological parameters result (with respect to drift, linearity).

-2- 186 873-2- 186 873

Ausfunrungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausfuhrungsbeispieles naher erläutert werden, wobei die zugehörigen Figuren zeigenThe invention will be explained in more detail with reference to an exemplary embodiment, the accompanying figures show

^cig 1 Schaltungsanordnung zur kapazitiven Meßwertgewinnung ^c ig 1 circuit arrangement for capacitive measured value recovery

Fig 2 Impuisdiagramm bei konstanter Ladezeit und Impulsspitzenspannung als AusgangssignalFigure 2 Impuisdiagramm at constant charging time and pulse peak voltage as an output signal

Fig 3 impuisdiagramm bei konstanter Ladespannung und Impulslänge als AusgangssignalFigure 3 impuisdiagramm with constant charging voltage and pulse length as an output signal

Fig 4 Schaltung mit als Differentialkondensator ausgebildeten LadeKondensatoren zweier SagezahngeneratorenFIG. 4 shows a circuit with charge capacitors of two sawtooth generators designed as a differential capacitor

Die die nichtelektrische Große repräsentierende Meßkapazitat C_M in Form des Ladekondensators des Sagezahngenerators 6 wird über eine Stromquelle 3 aufgeladen und einen elektronischen Schalter 2 der durch den Impulsgenerator 1 angesteuert wird entladen Die Ladespannung über C_M wird durch eine Trennstufe 4 in Form eines Impedanzwandlers der Auswerteschaltung 5 zugefunrtThe measurement capacitance C _M representing the non-electrical quantity in the form of the charging capacitor of the sawtooth generator 6 is charged via a current source 3 and an electronic switch 2 which is triggered by the pulse generator 1 is discharged. The charging voltage across C _M is produced by a separation stage 4 in the form of an impedance converter of the evaluation circuit 5 zugefunrt

O e Fig 2 zeigt das Impulsdiagramm der Ladespannurg über C_M fur konstante Ladezeiten I₁=^t₂ = t₃ wodurch die maximale Spannung U_Mi» U_M2, U_V3 der Sagezahnimpulse die Meßinformation tragtFig. 2 shows the pulse diagram of the charging voltage across C _M for constant charging times I ₁ = ^ t ₂ = t ₃ whereby the maximum voltage U _M i »U _M2 , U _V 3 of the sawtooth pulses carries the measurement information

Fig 3 zeigt das Impulsdiagramm der Ladespannung über C_M fur Ladevorgange bis zu einer konstanten Komparatorspannung U<, /vodurch fur unterschiedlich große Kapazitatswerte von Cm verschieden lange Sagezahnimpulse entstehen, deren Zeitaauert^,, t_M2, tM3 die Meßinformation tragt, wobei diese Zeiten t_M der Meßkapazitat Cm direkt proportional sind F^cg 4 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der die beiden Ladekondensatoren Cmi und Смг zweier Sagezahngeneratoren, bestehend aus den Elementen 2,3 und 7 wie in Fig 1, ats ein Differentialkondensator C_Mi, C_M2 angeordnet sind und das Verhältnis der Meßzeiten t_M entsprechend Fig 3 der Auswerteschaltung, bestehend aus dem NAND-Gatter 3, dem Flip-Flop 9, den Tiefpässen 10 und dem Voltmeter 11 zugeführt wird Die Kapazitatsdifffrenz (Cmi - Смг) ¹St der Spannung am Voltmeter proportionalFigure 3 shows the timing diagram of the charging voltage across C _M shows for charging precedent to a constant comparator voltage U </ vodurch for different sized Kapazitatswerte of Cm different lengths sawtooth pulses are created whose Zeitaauert ^ ,, t _M2, Tm3 the measurement information it carries, said times t _M of Meßkapazitat Cm are directly proportional to F ^c g 4 shows a circuit arrangement in which the two charging capacitors Cmi and Смг two sawtooth generators, consisting of elements 2,3 and 7 as shown in Figure 1, ats a differential capacitor C _M i, C _M 2 are arranged and the ratio of the measurement times t _M according to Figure 3 of the evaluation, consisting of the NAND gate 3, the flip-flop 9, the low-pass filters 10 and the voltmeter 11 is supplied The capacitance difference (Cmi - Смг) ¹ St of the voltage at Voltmeter proportional

Claims

-1- 186 373

Invention claim:

1. Circuit arrangement for capacitive data acquisition, in particular for the electrical measurement of non-electrical quantities, consisting of at least one sawtooth generator with a current source and a charging capacitor and at least one separation stage and an evaluation circuit, in a conventional manner, either the amplitude of the voltage or the pulse length to reach evaluates a comparator voltage, characterized in that the charging capacitor of the sawtooth generator (6) as a non-electrical quantity to be measured measuring capacitance (Cm) is formed and connected to this measuring capacitance (Cm) in parallel the Eingangsanschiüsse the separation stage (4) are connected to the output a voltage carrying the measurement information is present and the evaluation circuit (5) is connected to the output of the separation stage (4).

2. Circuit arrangement according to item 1, characterized in that two charging capacitors of two sawtooth generators to one, the non-electrical variable to be measured representing differential capacitor (С _ш , С _М г) are arranged.

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