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Die Erfindung betrifft ein kapazitives Messsystem nach dem Dreielektroden-Messprinzip mit einem Generator zur Erzeugung eines Anregungssignals und einer Anzahl von 1 bis N Messsensoren zur Messung jeweils einer in deren Wirkungsbereich auftretenden Kapazitätsänderung, sowie mit einer elektronischen Auswertevorrichtung, die eine Schaltungsstruktur zur Ermittlung der bei einer jeweiligen Messung eines Messsensors auftretenden absoluten Kapazitätsänderung aufweist.
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Das Dreielektroden-Messprinzip beruht im Wesentlichen darauf, dass ein Generator zunächst zwischen zwei unterschiedlichen Bezugspotentialen ein Wechselsignal einspeist. Zusätzlich wird eine Messelektrode daraufhin durch ein zu detektierendes Messobjekt unterschiedlich an das elektrische Feld zwischen den beiden anderen Potentialen angekoppelt und die hierbei hervorgerufenen Kapazitätsänderungen werden absolut erfasst.
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Ein solches Dreielektroden-Messprinzip, welches einem Fachmann auf diesem Gebiet an und für sich bekannt ist und daher nachfolgend im Wesentlichen nicht weiter ausgeführt wird, ermöglicht bekanntermaßen ferner eine weite räumliche Trennung zwischen den rein passiven Sensorstrukturen und der Auswerteelektronik. Damit können die Sensoren bei entsprechender Ausführung in einem großen Temperaturbereich betrieben werden, bei einigen Applikationen z. B. bis 800°C.
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Das Gesamt-Temperaturverhalten eines solchen Messsystems wird letztlich durch das Temperaturverhalten der Einzelkomponenten und deren Zusammenwirken bestimmt. Dabei ist es möglich, die Temperaturabhängigkeit der Elektronik durch entsprechende Schaltungsstrukturen weitestgehend zu eliminieren. Diesbezüglich wird die
DE 100 27 507 C1 in Bezug genommen und inhaltlich auch zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Erfindung mit einbezogen. So ermöglicht es die dort beschriebene Schaltungsanordnung, extrem kleine Kapazitätsänderungen zu erfassen. Die Grenzen der Erfassbarkeit werden bestimmt einerseits u. A. durch das Eigenrauschen der Wechselspannungsverstärker, und in weitaus stärkerem Maße jedoch andererseits durch das Temperaturverhalten der passiven Bauelemente im Sensorbereich. So sind die wenigstens zwei Elektroden eines Sensors üblicherweise zwangsläufig durch Isolationswerkstoffe mechanisch miteinander verbunden und besitzen zumeist noch eine Schutzhülle für den Einsatz unter Industriebedingungen. Bei räumlicher Trennung von passiven Sensoren und den elektronischen Komponenten sind üblicherweise Koaxial- oder Triaxialkabel erforderlich, deren Isolationswerkstoffe ebenfalls temperaturabhängige Kennwerte aufweisen. Selbst das für höchste Ansprüche allgemein in der Elektrotechnik eingesetzte PTFE weist für die hier zu stellenden Anforderungen zu große Temperaturabhängigkeiten auf.
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Somit ist es also nur möglich, mit bestimmten Gestaltungseinschränkungen solche Messsysteme mit extrem hohen Empfindlichkeiten zu realisieren. Bei großen Längen wird der Kabeleinfluss immer größer, bis diese Einflüsse gegenüber den erzielbaren Signalhüben mit Sensoren geforderter Baugrößen dominieren, also Messungen letztendlich nicht mehr möglich sind. Die Grenzen eines kapazitiven Messsystems werden also wesentlich mit dadurch bestimmt, inwieweit durch große Sensorabmessungen, kleine Abstände zu den Messobjekten einerseits große Primärsignale erzeugt werden und durch Begrenzung der Kabellängen bzw. Reduzierung des Temperatureinsatzbereiches die Störeinflüsse in tolerierbaren Grenzen gehalten werden können.
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Die
DE 25 08 033 A1 beschreibt eine Messanordnung zur allgemeinen Kapazitätsbestimmung von Kondensatoren, bei der Ströme durch den Kondensator und ein Vergleichsnormal mittels Stromwandler in proportionale Spannungen umgewandelt werden. Die
DE 35 18 186 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Erfassung der effektiven Dielektrizitätskonstanten eines Mediums, bei der einer Empfangselektrode felderzeugende erste und zweite Sendeelektroden zugeordnet sind, die über erste und zweite Ansteuerverstärker mit gegenphasigen Wechselspannungen beaufschlagt sind. Die
DE 10 2006 020 301 A1 beschreibt ebenfalls ein Verfahren und eine Schaltung zur allgemeinen Kapazitätsbestimmung von Kondensatoren, wobei eine zu messende Kapazität aufgeladen und über einen Widerstand entladen und die Auf- oder die Entladezeit bis zu einem vorgegebenen Spannungswert gemessen wird, bei dem Auf- und Entladezeiten einer bekannten Referenzkapazität und parasitärer Kapazitäten über einen Widerstand gemessen werden. Die drei vorgenannten Druckschriften beziehen sich jedoch nicht auf kapazitive Messverfahren nach dem Dreielektroden-Messprinzip.
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Die
DE 100 27 507 C1 beschreibt eine Vorrichtung zur Erfassung von Kapazitätsänderungen eines Kondensators nach dem Dreielektroden-Messprinzip bei der in einem ersten Brückenzweig einer mit einer Wechselspannung beaufschlagten Brückenschaltung der Kondensator und in einem elektrisch parallelen zweiten Brückenzweig ein Referenzwiderstand vorgesehen sind, wobei beide Brückenzweige für das Ausgangssignal eines Wechselspannungsgenerators gleiche Übertragungseigenschaften haben, das verstärkte und gleichgerichtete Referenzwiderstands-Ausgangssignal von dem verstärkten und gleichgerichteten Kondensator-Ausgangssignal subtrahiert und das sich aus der Subtraktion ergebende Änderungssignal einer Anzeigeschaltung zugeführt wird.
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Die
US 4 093 915 A beschreibt ein kapazitives Messsystem, zur Ermittlung einer Sensorkapazität über eine Differenzmessung mit einer Referenzkapazität, wobei zwei parallele kapazitive Netzwerke vorgesehen sind. Eine Sensorkapazität ist gegenüber äußeren Einflüssen stabil ausgebildet, sodass sich aufgrund des sich einstellenden Differenzsignals externe Einflüsse bestimmen lassen.
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Eine wesentliche Aufgabe der Erfindung ist, ein kapazitives, das Dreielektroden-Messprinzip anwendendes Messsystem mit einer gegenüber dem dargestellten Stand der Technik nochmals gesteigerten Messempfindlichkeit für den allgemeinen industriellen Einsatz zu realisieren.
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Eine erfindungsgemäße Lösung ist bereits durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gegeben. Vorteilhafte und/oder bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung eines kapazitiven Messsystems nach dem Dreielektroden-Messprinzip mit einem Generator zur Erzeugung eines Anregungssignals und einer Anzahl von 1 bis N Messsensoren zur Messung jeweils einer in deren Wirkungsbereich auftretenden Kapazitätsänderung, sowie mit einer elektronischen Auswertevorrichtung, die eine Schaltungsstruktur zur Ermittlung der bei einer jeweiligen Messung eines Messsensors auftretenden absoluten Kapazitätsänderung aufweist, zeichnet sich somit insbesondere dadurch aus, dass das Messsystem zusätzlich zu der Anzahl von 1 bis N Messsensoren einen Referenzsensor umfasst, der in seinem Wirkungsbereich eine unveränderliche Ankopplung besitzt, wobei alle Sensoren mit jeweils einem Verstärkerkanal verbunden sind, die zueinander im Wesentlichen identisch sind, und wobei die Auswerteeinrichtung eine Schaltungseinrichtung umfasst, die in der Schaltungsstruktur zum Verarbeiten des Ausgangssignals des Referenz-Verstärkerkanals sowie eines festen Sollwerts angeordnet ist und ein Stellsignal generiert, welches dem Anregungsgenerator zur Modulation des Anregungssignals zugeführt wird.
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Hierdurch kann den in Folge von unerwünschten Parameteränderungen aller passiven und aktiven Komponenten bewirkten Signaländerungen, welche wiederum zur Generierung des Stellsignals eingesetzt werden, entgegenwirkt werden.
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Dies führt zu einem insgesamt hochstabilen Messsystem mit höchster Messempfindlichkeit.
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Wird also bisher in der Regel eine Kompensation der Temperatureinflüsse der passiven Sensorelemente einschließlich der Sensorkabel mit einer punktuell ermittelten Größe, z. B. einer Temperaturmessung mit einem Thermoelement, durchgeführt, welche dann keine brauchbaren Ergebnisse liefert, wenn über die Kabellänge Temperaturgradienten auftreten, kann somit durch die Erfindung eine exakte Eliminierung von Störeinflüssen damit erzielt werden, dass eine zu einem bzw. zu mehreren Messsensoren identische Referenzmessung eingesetzt wird.
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Im Unterschied zu den Messsensoren, die von der Lage der zu detektierenden Objekte abhängige Signale liefern, wird der Referenzsensor fest angekoppelt, d. h. mit einem festen Abstand zu einem Metallteil installiert. Der Referenzsensor liefert folglich ein konstantes Signal, das jedoch durch alle störenden Einflüsse moduliert wird.
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Wenn somit die Identität der Referenzmessung zu den Messsensoren gewährleistet ist, wird folglich auch ein Kompensationssignal höchster Güte gewonnen. Das setzt zweckmäßig voraus, dass gleiche Sensortypen mit gleicher Kabellänge verwendet werden und die Kabelführung exakt übereinstimmt. Diese Forderungen lassen sich in der Praxis meist problemlos realisieren. Das vom Referenzsensor erzeugte Signal wird dem Istwerteingang eines Regelverstärkers zugeführt, dem andererseits ein konstanter Sollwert angelegt wird. Das so gewonnene bzw. generierte Stellsignal dient dazu, den Generator zur Erzeugung des Anregungsfeldes zu modulieren. Insbesondere mit der Annahme identischen Aufbaus von Referenzsensor und Messsensoren, ebensolcher Übereinstimmung der elektronischen Komponenten wird durch das modulierte Signal des Anregungsgenerators auf einfache Weise eine völlige Kompensation aller Störgrößen bewirkt.
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Die weiteren elektronischen Komponenten lassen sich so konzipieren, dass die bleibende Regelabweichung vernachlässigbar klein wird. Die außerhalb der kompensierten Schaltungsstrukturen erforderlichen Schaltungsfunktionen, wie z. B. Triggerstufen können in solchen Signalpegelbereichen arbeiten, dass ideales Verhalten angenommen werden kann.
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Die zu kompensierenden Störgrößen haben Änderungsgeschwindigkeiten, die sich um Größenordnungen von den Änderungsgeschwindigkeiten der Messaufgaben unterscheiden. Für die Messkanäle kommt es also zu im Wesentlichen keinerlei Einschränkungen im Zeitverhalten.
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Die Erfindung hat sich insbesondere für Sonden mit einem Temperatureinsatzbereich von ca. –100°C bis ca. +250°C, bei speziellen Ausführungen sogar bis ca. 800°C als besonders vorteilhaft bewiesen, wobei die Messungen im Wesentlichen vollständig unabhängig von Verschmutzungen und Bauform der Sensoren waren. Die Längen für die Verbindungskabel zwischen Sensoren und der zugeordneten Elektronik betrugen bis zu 50 m und darüber hinaus, wobei die Sensorkabel bis auf den Nahbereich der Elektronik im temperaturexponierten Bereich verlaufen können. Die dem Dreielektroden-Messprinzip mögliche Applikationsbreite, wie Mehrkanalmessungen, Differenzmessungen als auch die freien Gestaltungsmöglichkeiten für die Sensoren bleiben erhalten und werden folglich von der Erfindung mit abgedeckt.
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Nachfolgend wird ein bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figur beschrieben, wobei die
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1 ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Messsystems mit einem Referenzsensor und einer Anzahl von n Messsensoren zeigt, wobei n eine im Wesentlichen beliebige Zahl zwischen 1 und N ist.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 1 erzeugt ein Generator 1 eine Wechselgröße als Anregungssignal für alle dem Messsystem zugeordneten baugleichen Sensoren 4, 5-1 bis 5-n, wobei n eine im Wesentlichen beliebige Zahl zwischen 1 und N sein kann. Dieses Anregungssignal wird zwischen einen internen Bezugspunkt 2 und das Anlagen- bzw. Schutzleiterpotential 3 eingespeist. Damit entsteht vor den Sensoren 4, 5-1, 5-n ein elektrisches Feld. Der Sensor 4 ist ein Referenzsensor, der konstant an das Potential 3 angekoppelt ist. Die Sensoren 5-1 bis 5-n sind Messsensoren, deren Anzahl für technisch vorstellbare Anwendungen beliebig groß sein kann und die idealerweise zum Referenzsensor 4 und untereinander in einem Volumen angeordnet sein müssen, für das gleiche Temperaturbedingungen herrschen. Die Anzahl n definiert erfindungsgemäß gleichzeitig auch die Anzahl n der Messkanäle eines n-kanaligen Messsystems.
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Für die nachfolgende Beschreibung sei der Einfachheit halber zunächst angenommen, das n = 2 ist und also das gemäß 1 dargestellte Messsystem nach der Erfindung ein zweikanaliges Messsystem ist und somit drei Sensoreinheiten, d. h. einen Referenzsensor 4 und zwei Messsensoren 5-1 und 5-n integriert, die identisch aufgebaut sind, bis auf den Unterschied, dass der Referenzsensor 4 eine feste Ankopplung an das Schutzleiterpotential 3 besitzt und sich im Wirkungsbereich der Messsensoren 5-1 und 5-n ein gleichartiges oder auch verschiedenartiges zu detektierendes Messobjekt 6 befindet, welches jeweils eine veränderliche Ankopplung bewirkt. Die für das Anregungssignal grundsätzlich zunächst bedeutungslose Form und Frequenz der Wechselgröße sind zweckmäßig an die jeweiligen praktischen Erfordernisse, wie Störabstrahlung, Verarbeitbarkeit sowie dem dielektrischen Verhalten der Messobjekte 6 angepasst. Die Wechselgröße kann z. B. eine Wechselspannung sein.
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Jedem Messsensor 5-1 bis 5-n ist ein eigener Messkanal zugeordnet.
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Die mit den Sensoren 4, 5-1 und 5-n verbundenen Sensorkabel 16, 16-1 bzw. 16-n sind im Wesentlichen identisch, vorzugsweise Koaxial- oder Triaxialkabel, können z. B. bis 50 m lang oder auch länger sein und sollten so weit wie möglich parallel verlegt werden, um gleichen Temperatureffekten ausgesetzt zu sein.
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Die Ausgangssignale aller Sensoren 4, 5-1, 5-n werden identischen Verstärkerkanälen 7, 8-1 bzw. 8-n zugeführt. Die Verstärkerkanäle umfassen eine Verstärkereinheit oder eine Kette von Verstärkereinheiten, und im vorliegenden Fall wenigstens eine AC-Verstärkerstufe, einen Gleichrichter und eine DC-Verstärkerstufe.
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Zur Anpassung an unterschiedliche Sensorbaugrößen können diese Verstärkerkanäle mit Beeinflussungsmöglichkeiten für den Verstärkungsfaktor bzw. auf das Ausgangssignal, wie z. B. Offsetverschiebung versehen sein. Die dafür erforderlichen Stellgrößen müssen für alle Verstärkerkanäle gleich sein, was durch Parallelansteuerung mit einer gemeinsamen Stellgröße leicht zu realisieren ist. Gemäß 1 ist eine Parallelansteuerung mittels einer beispielhaften Stellgröße 17 gezeigt. Für den Fachmann ist ersichtlich, dass die Bereitstellung einer solchen Stellgröße auf unterschiedlichste Weise erfolgen kann, so dass hierauf nicht näher eingegangen wird.
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Das Ausgangssignal 10 der Verstärkerkette des Referenzkanals 7 wäre somit bei fester Stellgröße 17 sowie idealen Eigenschaften aller seiner Komponenten konstant, ist in der Praxis jedoch abhängig von der Gesamtwirkung aller einzelnen Driftgrößen.
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Gleiches gilt für das Ausgangssignal 11-1 oder 11-n der Verstärkerkette des Messkanals 8-1 bzw. 8-n, allerdings wird hier zusätzlich die Beeinflussung durch das Messobjekt 6 wirksam.
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Das Ausgangssignal 10 der Verstärkerkette des Referenzkanals 7 wird einem Istwerteingang einer Funktionseinheit 12 zur Generierung eines Stellsignals 9 als Istwert zugeführt, wobei die Einheit 12 zur Stellgrößengenerierung zusätzlich über einen Sollwerteingang mit einem konstanten Sollwert 13 beaufschlagt wird. Es sei darauf hingewiesen, dass bei entsprechender Anpassung der Schaltung grundsätzlich auch das Stellsignal 9 zur Bereitstellung der Stellgröße 17 geeignet sein kann.
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Mittels der am Eingang der Einheit 12 anliegenden Signale 10 und 13 wird das Stellsignal 9 generiert und am Ausgang der Einheit 12 bereitgestellt, von dem aus das Stellsignal 9 wiederum dem Generator 1 zugeführt wird. Selbstverständlich kann die Einheit 12 auch eine weitere Signalverstärkungsfunktionalität besitzen.
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Das dem Generator 1 zugeführte Stellsignal 9 bewirkt in Folge eine Modulation des Generatorausgangssignals, mit welcher wiederum einer Änderung des Ausgangssignals 10 und also des Istwertes für die Einheit 12 entgegenwirkt wird.
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Damit wird ferner erreicht, dass die jeweiligen Ausgangssignale 11-1 bis 11-n der den Messsensoren 5-1 bis 5-n zugeordneten Verstärkerkanäle zumindest bei fehlenden verschiedenartigen Messobjekten 6 untereinander gleich sind und folglich bei fehlenden Messobjekten generell auch dem Ausgangssignal 10 des Referenzkanals entsprechen, welches wiederum bei im Wesentlichen idealer Regelung dem Sollwert 13 entspricht. Mit anderen Worten entsprechen bei idealer Regelung die Ausgangssignale 11-1 bis 11-n dem Sollwert 13, wenn sich keine Messobjekte 6 im Wirkungsbereich der Messsensoren 5-1 bis 5-n befinden.
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Die Gesamtwirkung aller Einzeldriften, z. B. verursacht durch Verschmutzung oder temperaturbasiert, wird somit eliminiert. Im Wesentlichen werden somit alle Drifterscheinungen, also insbesondere sowohl der passiven Bestandteile der Sensoren, der hier nicht explizit dargestellten Kabel- und Steckverbindungen zwischen Sensor und Elektronik, als auch aller Bestandteile der Verstärkerketten ausgeregelt. Die einzig verbleibende Größe, deren Drift nicht ausgeregelt wird, ist der Sollwert 13.
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Durch vorhandene Messobjekte 6 erzeugen die Messsensoren 5-1 bis 5-n jedoch einen höheren Primärsignalpegel als der Referenzsensor 4 und die jeweiligen Ausgangssignale 11-1 bis 11-n werden folglich größer als der Sollwert 13.
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Durch gleichzeitiges Zuführung des jeweiligen Ausgangssignals 11-1 oder 11-n des Messkanals 8-1 bzw. 8-n sowie des Sollwertes 13 zu einem jeweiligen Differenzverstärker 14-1 bzw. 14-n wird ein Ausgangssignal 15-1 oder 15-n, beim vorliegenden Beispiel ein analoges Ausgangssignal, gebildet, das im Wesentlichen driftfrei ist und nur durch das jeweilige Messobjekt 6 bestimmt wird.
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Mit einem Trigger 19-1, 19-n lässt sich auf einfachste Weise aus dem Analogsignal 15-1, 15-n ein Grenzwertsignal 20-1, 20-n bilden.
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Ferner lässt sich z. B. mit einer bei
1 nicht dargestellten Weiterbildung das Verhalten der erfindungsgemäßen Anordnung noch weiter verbessern. Um die Palette der anschließbaren Sensoren sowie den Wertebereich für den Sollwert
13 sehr groß zu halten, kann zweckmäßig zusätzlich die Möglichkeit eines Symmetrieabgleichs vorgesehen sein, mittels welchem Unsymmetrien aller Kanäle für einen durch die Sensorauswahl erforderlichen Arbeitspunkt minimiert werden kann. Hierzu können, wie z. B. in der
deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2007 028 335.2-35 mit Anmeldetag vom 15.06.2007 derselben Anmelderin beschrieben, alle Ausgangssignale
10,
11-1 bis
11-n einer Symmetrieerfassungsschaltung
16 zugeführt werden und die aktuelle Differenz kann über einen Symmetrieindikator, z. B. in Form eines tolerierbaren Fensters, angezeigt werden. Bei nicht vorhandenen Messobjekten
6 kann dann bereits mit Handabgleich dieser Toleranzbereich eingestellt werden. Es wird angemerkt, dass hauptsächlich wegen der Sensorvariabilität ein großer Einstellbereich für die Arbeitspunkte erforderlich sein kann und der Symmetrieabgleich in der Regel also nur einmalig bei der Inbetriebnahme durchgeführt werden muss. Der Aussteuerbereich durch Messobjekte
6 ist bei hochempfindlichen Messungen vernachlässigbar klein und hat damit keinen nennenswerten Einfluss auf das Symmetrieverhalten mehr.
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Eine vorteilhafte Ergänzung stellt ferner eine Komparatorschaltung 21 dar, welche die Signalgröße des Anregungsgenerators 1 mit einem weiteren Sollwert 18 vergleicht und das Überschreiten eines vorgegebenen Pegels mittels Indikator 22 signalisiert. Der Signalpegel des Generators 1 hat in der Regel einen Maximalwert, der in keiner Betriebssituation überschritten werden darf. Werden die Arbeitspunkte der Messanordnung im Wesentlichen durch Sensorgröße, Verstärkungsfaktoren, Sollwertvorgabe und hier nicht weiter dargestellte weitere Stellmöglichkeiten bestimmt, ist mit diesem Indikator 22 eine zusätzliche Kontrolle der ordnungsgemäßen Funktion der Messanordnung möglich.
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Zur Erzielung maximaler Empfindlichkeit ist das Arbeiten mit dem größtmöglichem Generatorpegel sinnvoll, auch dazu liefert der Indikator bei der Justage des Messsystems eine wertvolle Aussage.
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Liegt eine Ausführung des erfindungsgemäßen Messsystems vor, bei welcher lediglich ein Messsensor zum Einsatz kommt, d. h. n = 1 ist und folglich eine einkanalige anstelle einer mehrkanaligen Messung durchgeführt wird, kann bei einer solchen einkanaligen Messung der Referenzsensor und der Messsensor zweckmäßig auch zu einer kompakten Einheit zusammengefasst werden. Dazu ist die Referenzelektrode von außen unzugänglich anzuordnen und wegen der zwangsläufig anderen Geometrie gegenüber der äußeren Messelektrode insbesondere in ihrem Temperaturverhalten dieser anzupassen.
