DE102009001695B4

DE102009001695B4 - Method and arrangement for measuring impedance

Info

Publication number: DE102009001695B4
Application number: DE102009001695.3A
Authority: DE
Inventors: Werner Hoch
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2009-03-20
Filing date: 2009-03-20
Publication date: 2020-08-20
Anticipated expiration: 2029-03-21
Also published as: DE102009001695A1

Abstract

Verfahren zur Impedanzmessung an einem passiven Netzwerk mit folgenden Verfahrensschritten: Beaufschlagen des zu untersuchenden Netzwerks mit einem Breitbandsignal, Vergleich des Antwortsignals mit einem Schwellwert und Messung der durch das Netzwerk hervorgerufenen Verzögerungszeit bis zum Erreichen des Schwellwertes, wobei der Verlauf der Sprungantwort schrittweise durch Variation des Schwellwerts abgetastet wird.Process for impedance measurement on a passive network with the following process steps: applying a broadband signal to the network to be examined, comparison of the response signal with a threshold value and measurement of the delay time caused by the network until the threshold value is reached, with the progression of the step response step by step by varying the threshold value is scanned.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Impedanzmessung eines passiven Netzwerks gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine zugehörige Anordnung gemäß Patentanspruch 9.The invention relates to a method for impedance measurement of a passive network according to the features of claim 1 and an associated arrangement according to claim 9.

Passive Netzwerke bestehen aus passiven Bauelementen, d.h. aus Bauelementen, die im Gegensatz zu aktiven Bauelementen wie Transistoren keine Verstärkerwirkung aufweisen, also Widerständen, Spulen und Kondensatoren. Als Passive Netzwerke können beispielsweise die Messelektroden eines kapazitiven Füllstandssensors oder auch eine elektrische Streifenleitung betrachtet werden. Weiterhin kommen auch Ultraschall- oder auch optische Messstrecken in Frage.
Der Quotient aus Spannung und Stromstärke in einem Wechselstromkreis wird in Analogie zum Gleichstromkreis als komplexer Wechselstromwiderstand Z bezeichnet. Dieser setzt sich aus einem Wirkwiderstand R (Realteil) und einem Blindwiderstand X (Imaginärteil) zusammen. Der Wechselstromwiderstande wird auch Impedanz genannt. Im Falle eines rein ohmschen Widerstandes entspricht die Impedanz dem Gleichstromwiderstand R. Da der Blindwiderstand frequenzabhängig ist, lässt sich
bei einem nicht sinusförmigen Verlauf von Spannung oder Strom gerade wegen dieser Frequenzabhängigkeit kein eindeutiger Blindwiderstand X mehr angeben.
Da sich aber jedes periodische Signal als eine Summe von sinusförmigen Signalen unterschiedlicher Frequenzen darstellen lässt, ist eine Überlagerung verschiedener Blindwiderstände, bei der die unterschiedlichen Frequenzanteile mit den zugehörigen Spannungs- bzw. Stromamplituden für sich beachtet werden müssen, möglich.
Ein bekanntes Messprinzip besteht darin, das zu untersuchende variable Netzwerk mit einer breitbandigen Sprungfunktion zu beaufschlagen, und die Sprungantwort des Systems auszuwerten.Passive networks consist of passive components, ie components that, in contrast to active components such as transistors, have no amplifier effect, i.e. resistors, coils and capacitors. For example, the measuring electrodes of a capacitive fill level sensor or an electrical stripline can be regarded as passive networks. Ultrasonic or optical measuring sections are also possible.
The quotient of voltage and current in an alternating current circuit is referred to as the complex alternating current resistance Z in analogy to the direct current circuit. This consists of an effective resistance R (real part) and a reactance X (imaginary part). The alternating current resistance is also called impedance. In the case of a purely ohmic resistance, the impedance corresponds to the direct current resistance R. Since the reactance is frequency-dependent,
In the case of a non-sinusoidal curve of voltage or current, precisely because of this frequency dependency, no longer specify a clear reactance X.
However, since every periodic signal can be represented as a sum of sinusoidal signals of different frequencies, it is possible to superimpose different reactances, in which the different frequency components with the associated voltage or current amplitudes have to be taken into account.
A well-known measuring principle is to apply a broadband step function to the variable network to be examined and to evaluate the step response of the system.

Aus der DE 100 56 806 A1 ist ein Verfahren zur Impedanzmessung bekannt, bei dem eine in ihrer wesentlichen Charakteristik bekannte nichtlineare Messschaltung mit einem vorzugsweise rechteckigen Eingangssignal beaufschlagt wird. Zur Auswertung der Signalantwort wird eine mit der Messschaltung gekoppelte Auswerteeinheit herangezogen. Die Auswerteeinheit weist sowohl Mittel zur Zeitmessung als auch einen Vergleicher auf. Die Signalantwort wird mit einem Schwellwert verglichen, und die Laufzeit zwischen einem korrespondierenden Zeitpunkt des Eingangssignals und dem Erreichen des Schwellwertes gemessen. Aus der Laufzeit und der im wesentlichen bekannten Charakteristik des Messobjekts wird auf die Messgröße geschlossen. Die Messschaltung ist vorzugsweise eine RC-Schaltung oder eine RL-Schaltung.From the DE 100 56 806 A1 a method for impedance measurement is known in which a non-linear measuring circuit known in its essential characteristics is acted upon by a preferably rectangular input signal. An evaluation unit coupled to the measuring circuit is used to evaluate the signal response. The evaluation unit has both time measurement means and a comparator. The signal response is compared with a threshold value, and the transit time between a corresponding point in time of the input signal and when the threshold value is reached is measured. The measured variable is inferred from the transit time and the essentially known characteristics of the measurement object. The measuring circuit is preferably an RC circuit or an RL circuit.

Als Messgrößen werden Temperatur, Kraft, Druck oder Weg genannt. Nachteilig ist, dass man nur einen einzigen Messwert erhält, der wie bereits oben ausgeführt, letztlich eine gewichtete Summe der im Eingangssignal enthaltenen Frequenzanteile darstellt. Ohne Kenntnis des zu untersuchenden Netzwerks ist das Ergebnis wenig aussagekräftig.The measured variables are temperature, force, pressure or displacement. The disadvantage is that only a single measured value is obtained which, as already stated above, ultimately represents a weighted sum of the frequency components contained in the input signal. Without knowledge of the network to be examined, the result is not very meaningful.

Aus der DE 199 06 055 A1 ist ein weiteres eventuell auch zur Impedanzmessung geeignetes Messverfahren bekannt. Bei einem optischen Sensor werden drei unterschiedliche Schaltzustände, wie sicherer, unsicherer oder fehlenden optischen Kontakt mit Hilfe eines einzigen Komparators anhand der Verweildauer des empfangenen Signals oberhalb der Komparatorschwelle unterschieden. Dazu ist auch hier die genaue Kenntnis der Signalform erforderlich. Das stellt bei einem optischen Reflexlichttaster kein Problem dar, da die Charakteristika der elektronischen und der optoelektronischen Bauelemente sehr genau bekannt sind, und eine Veränderung der Signalform des Lichtsignals in aller Regel nicht stattfindet.
Bei der Untersuchung beliebiger passiver Netzwerke erweist sich auch hier die Notwendigkeit der Kenntnis der Charakteristik des zu untersuchenden Netzwerks und die damit verbundene Gefahr des Verlusts von Messgenauigkeit als Nachteil. Das betrifft insbesondere die für die Messung wesentliche Wahl des Schwellwertes.From the DE 199 06 055 A1 Another measurement method that may also be suitable for impedance measurement is known. In the case of an optical sensor, three different switching states, such as safe, unsafe or missing optical contact, are distinguished with the aid of a single comparator based on the dwell time of the received signal above the comparator threshold. This also requires precise knowledge of the signal shape. This is not a problem with an optical reflex light scanner, since the characteristics of the electronic and optoelectronic components are known very precisely, and there is generally no change in the signal shape of the light signal.
When examining any passive networks, the need to know the characteristics of the network to be examined and the associated risk of loss of measurement accuracy proves to be a disadvantage. This applies in particular to the choice of the threshold value, which is essential for the measurement.

Den vollständigen Verlauf der Sprungantwort erhält man üblicherweise durch eine Punktweise Abtastung und Digitalisierung des Sprungantwortsignals mit Hilfe eines Analog-Digital-Wandlers mit anschließender digitaler Weiterverarbeitung. Bei schnellen Vorgängen ist oftmals eine Transformation in den Niederfrequenzbereich durch Unterabtastung erforderlich. Man erhält auf diese Weise den zeitlichen Verlauf der Messgröße als Wertetabelle in der Form U = f(t), d.h. die Messgröße in Abhängigkeit von der Zeit. Der materielle Aufwand, sowie die Mess- und Rechenzeit ist erheblich.The complete profile of the step response is usually obtained by point-by-point sampling and digitization of the step response signal with the aid of an analog-digital converter with subsequent digital processing. In the case of fast processes, a transformation into the low frequency range by undersampling is often necessary. In this way, the course of the measured variable over time is obtained as a table of values in the form U = f (t), i.e. the measured variable as a function of time. The material effort as well as the measurement and computing time is considerable.

Aufgabe der Erfindung ist es, den zu betreibenden Messaufwand flexibel an die erforderliche Messgenauigkeit anzupassen, insbesondere die Mess- und Rechenzeiten gering zu halten, sowie ein Verfahren zur Impedanzmessung anzugeben, welches die Nachteile des bekannten Standes der Technik zumindest teilweise überwindet, und ein mit geringem Aufwand auskommendes auch für sehr kurze Sprungantworten, vorzugsweise zur Füllstands- bzw. Grenzstandsmessung für leitfähige Flüssigkeiten geeignetes Verfahren, sowie die dazu gehörende Anordnung anzugeben.The object of the invention is to flexibly adapt the measurement effort to be carried out to the required measurement accuracy, in particular to keep the measurement and computing times low, and to specify a method for impedance measurement that at least partially overcomes the disadvantages of the known prior art, and one with low Expenditure required for very short step responses, preferably a method suitable for level or limit level measurement for conductive liquids, as well as the associated arrangement.

Gelöst wird diese Aufgabe entsprechend dem im Anspruch 1 genannten Verfahren und der in Anspruch 9 genannten Anordnung. Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen findet man in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 8. This object is achieved in accordance with the method mentioned in claim 1 and the arrangement mentioned in claim 9. Advantageous further Refinements can be found in the dependent claims 2 to 8th .

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, nicht wie üblich, die Spannung als Funktion der Zeit, sondern die Zeit als Funktion einer vorgegebenen Komparatorspannung zu messen und aufzuzeichnen. Dazu wird ein Messobjekt oder auch eine Messstrecke in bekannter Weise mit einem breitbandigen Signal beaufschlagt, und die Zeitdifferenz bis zum Erreichen eines vorgegebenen Schwellwertes gemessen.
Dadurch kann die aufwändige und vor allem zeitraubende Analog-Digital-Wandlung durch eine vergleichsweise einfache Komparatorschaltung ersetzt werden. Die Zeitmessung kann in einer besonders einfachen Ausgestaltung sogar auf der Grundlage des Systemtakts des in allen modernen Geräten ohnehin vorhandenen Mikrocontrollers erfolgen.
Wenn das nicht möglich ist, wird die Zeitdifferenz zwischen dem Sprunggeneratorsignal und dem Erreichen der Komparatorschwelle entweder durch Mischung demoduliert, oder aber in eine Frequenz umgewandelt. Bei Umwandlung in eine Frequenz kann diese Frequenz mit Hilfe eines Zählers leicht ausgewertet werden.
Die so entstandene Funktion t= g(U) kann für die Weiterverarbeitung auch wieder umgekehrt werden. Durch Vertauschung der Achsen entsteht die für die Verarbeitung benötigte Umkehrfunktion U=f(t). Einzige Voraussetzung ist ein umkehrbar eindeutiger Zusammenhang zwischen den beiden Größen, d.h. eine stetige Sprungantwort des zu untersuchenden Netzwerks. Die Weiterverarbeitung kann beispielsweise mit einer Fourieranalyse durchgeführt werden. Die für eine Fouriertransformation notwendige äquidistante Zeitachse kann durch Interpolation hergestellt werden.The basic idea of the invention is not to measure and record the voltage as a function of time, as is usual, but rather the time as a function of a predetermined comparator voltage. To this end, a broadband signal is applied to a measurement object or a measurement section in a known manner, and the time difference is measured until a predetermined threshold value is reached.
As a result, the complex and, above all, time-consuming analog-digital conversion can be replaced by a comparatively simple comparator circuit. In a particularly simple embodiment, the time measurement can even take place on the basis of the system clock of the microcontroller that is already present in all modern devices.
If this is not possible, the time difference between the step generator signal and the reaching of the comparator threshold is either demodulated by mixing or converted into a frequency. When converting to a frequency, this frequency can easily be evaluated with the aid of a counter.
The resulting function t = g (U) can also be reversed for further processing. By interchanging the axes, the inverse function U = f (t) required for processing is created. The only requirement is a reversible, unambiguous relationship between the two variables, ie a continuous step response of the network to be examined. The further processing can be carried out, for example, with a Fourier analysis. The equidistant time axis required for a Fourier transformation can be produced by interpolation.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht also auf einem variablen Schwellwert, vorzugsweise einer veränderlichen Komparatorspannung. Auf diese Weise kann auch während der Messung eine Anpassung an die aktuelle Messaufgabe erfolgen. Das kann durch eine Intervallschachtelung, aber auch eine Folge von beispielsweise logarithmisch ansteigenden Schwellwerten geschehen. So können nicht nur für die Weiterverarbeitung günstige Abtastzeiten eingestellt, sondern letztlich nur mit einer einzigen fest eingestellten Abtastzeit gearbeitet werden.The method according to the invention is therefore based on a variable threshold value, preferably a variable comparator voltage. In this way, an adaptation to the current measuring task can also take place during the measurement. This can be done by nesting intervals, but also by a sequence of, for example, logarithmically increasing threshold values. In this way, sampling times that are favorable for further processing can not only be set, but ultimately only one fixed sampling time can be used.

Andererseits kann das zu untersuchende Netzwerk mit Hilfe veränderlicher Schwellwerte, regelrecht „abgetastet“ werden. Die Anzahl und die Höhe der Schwellwerte können flexibel an die jeweilige Messaufgabe angepasst werden. Dadurch lässt sich das gewünschte Verhältnis zwischen Messaufwand und der gewünschten Messgenauigkeit einstellen.On the other hand, the network to be examined can be literally "scanned" with the help of variable threshold values. The number and height of the threshold values can be flexibly adapted to the respective measuring task. This allows you to set the desired ratio between the measurement effort and the desired measurement accuracy.

Hierbei können diese Schwellwerte nach einem bestimmten Schema beispielsweise von einem Pseudo-Zufallsgenerator erzeugt werden.In this case, these threshold values can be generated by a pseudo-random generator, for example, according to a specific scheme.

Falls für die Weiterverarbeitung der Messwerte eine Fouriertransformation vorgesehen ist, lassen sich die Komparatorspannungen auf Grund der über das zu untersuchende Netzwerk bereits vorhandenen Informationen oder auch anhand von Messwerten so gestalten, dass nahezu äquidistante Zeitabstände entstehen. Damit wird die Interpolation bei der Bildung der Umkehrfunktion weitgehend überflüssig.If a Fourier transformation is provided for the further processing of the measured values, the comparator voltages can be designed on the basis of the information already available about the network to be examined or on the basis of measured values in such a way that almost equidistant time intervals arise. This means that interpolation is largely superfluous when forming the inverse function.

Weiterhin kann das zu untersuchende variable Netzwerk in einen Oszillator integriert werden. Somit wird die zu messende Zeit in eine variable Frequenz umgewandelt.Furthermore, the variable network to be examined can be integrated into an oscillator. Thus, the time to be measured is converted into a variable frequency.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, die Abstände zwischen den Rechteckimpulsen variabel zu gestalten. Dadurch wird das System weniger störanfällig, weil nicht nur eine Frequenz, sondern ein Frequenzspektrum zur Auswertung kommt. Außerdem wird die durch die offene Elektrodenanordnung unvermeidliche Emission so auf mehrere Grundwellen verteilt.Another aspect of the invention is to make the intervals between the square pulses variable. This makes the system less susceptible to interference because not just a frequency but a frequency spectrum is evaluated. In addition, the unavoidable emission due to the open electrode arrangement is distributed over several fundamental waves.

Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
1 zeigt eine Prinzipdarstellung des Messaufbaus. Dieser besteht aus einem Generator G zur Erzeugung eines Rechtecksignals, dem zu untersuchenden passiven Netzwerk H, dem Komparator OP1, der gesteuerten Spannungsquelle U1 und dem Mikrocontroller µC. Der Generator wird über den Steuerausgang A1 eingeschaltet. Der Ausgang A2 dient zur Steuerung der Spannungsquelle U1. Der Eingang E1 empfängt das unverzögerte und der Eingang E2 das verzögerte Sprungsignal.
Der Operationsverstärker OP1 arbeitet als Komparator. Im Ruhezustand liegt der invertierende Eingang auf Masse. Die Ausgangsspannung Ua liegt wegen der sehr hohen Verstärkung etwa auf der positiven Betriebsspannung. Wenn das Netzwerk H mit einem Impuls vom Generator G beaufschlagt wird, steigt die Spannung nach einer wesentlich durch das Netzwerk H bestimmten Verzögerungszeit am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP1 an. Ein typischer Signalverlauf für ein im Wesentlichen kapazitiv wirkendes Netzwerk H ist in 2 dargestellt.
Das Netzwerk H wird zum Zeitpunkt ta mit einem Spannungssprung Ue beaufschlagt. Die nichtlinear verlaufende Sprungantwort erreicht den Schwellwert Us im Zeitpunk tm.
Bei Erreichen des Schwellwerts, in diesem Fall ist das die am nichtinvertierenden Eingang von OP1 anliegenden Schellspannung U1=Us, kippt die Ausgangsspannung Ua auf etwa null Volt. Typische Verzögerungszeiten durch die in Frage kommenden Netzwerke liegen zwischen 20ns und 100ns. Es sind aber auch andere Zeiten möglich.The invention is explained in more detail with reference to the exemplary embodiments shown in the figures.
1 shows a basic representation of the measurement setup. This consists of a generator G for generating a square wave signal, the passive network H to be examined, the comparator OP1, the controlled voltage source U1 and the microcontroller μC. The generator is switched on via control output A1. The output A2 is used to control the voltage source U1. The input E1 receives the undelayed jump signal and the input E2 the delayed jump signal.
The operational amplifier OP1 works as a comparator. In the idle state, the inverting input is grounded. Because of the very high amplification, the output voltage Ua is approximately at the positive operating voltage. When a pulse from the generator G is applied to the network H, the voltage increases after a delay time essentially determined by the network H at the non-inverting input of the operational amplifier OP1. A typical signal curve for an essentially capacitive network H is shown in 2 shown.
A voltage jump Ue is applied to network H at time ta. The non-linear step response reaches the threshold value Us at time tm.
When the threshold value is reached, in this case the threshold voltage U1 = Us applied to the non-inverting input of OP1, the output voltage Ua drops to approximately zero volts. Typical delay times due to the ones in question Networks are between 20ns and 100ns. However, other times are also possible.

Wenn die zwischen ta und tm liegende Zeit von einem Mikrocontroller µC nicht direkt gemessen werden kann, wird die Zeitdifferenz entweder demoduliert und als Spannung gemessen, oder in ein Frequenzsignal umgewandelt.If the time between ta and tm cannot be measured directly by a microcontroller µC, the time difference is either demodulated and measured as a voltage or converted into a frequency signal.

Mit einer veränderlichen Komparatorspannung U1 kann der gesamte Verlauf der steigenden oder ggf. auch der fallenden Flanke des verzögerten Rechteckimpulses aufgezeichnet ist. Wenn keine Informationen über den zu erwartenden Kurvenverlauf vorliegen, wird man den Schwellwert; d.h. die Komparatorspannung, linear verändern. Da es sich aber wie in 2 gezeigt, um einen nichtlinearen Kurvenverlauf handelt, ist es vorteilhaft, die Komparatorspannung U1 so zu wählen, dass nahezu äquidistante Verzögerungszeiten entstehen. Das kann mit Hilfe einer im µC hinterlegten, den prinzipiellen Kurvenverlauf charakterisierenden zeigenden Wertetabelle geschehen, die natürlich durch einen Einlernprozess ergänzt bzw. aktualisiert werden kann.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, zunächst eine Grobabtastung durchzuführen, und nur potentiell interessante, d.h. charakteristische Bereich der in 2 gezeigten Kurve in engeren Schritten abzutasten. Bereiche, deren Verlauf aus theoretischen Überlegungen oder aus vorangegangenen Messungen weitgehend bekannt ist, erlauben eine gröbere Abtastung. Die fehlenden Messpunkte werden dann durch Interpolation ergänzt.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Impulslänge oder die Pausen zwischen den Impulsen nach einem beispielsweise von einem Pseudozufallsgenerator erzeugten Schema zu verändern. Dadurch kann sowohl die Störbarkeit, aber auch die Störung von in der Nähe befindlichen Geräten vermindert werden.With a variable comparator voltage U1, the entire course of the rising or, if necessary, the falling edge of the delayed square-wave pulse can be recorded. If there is no information about the curve to be expected, the threshold value is used; ie change the comparator voltage linearly. But since it is like in 2 shown, is a non-linear curve, it is advantageous to select the comparator voltage U1 so that almost equidistant delay times arise. This can be done with the help of a value table that is stored in the µC and characterizes the basic curve progression, which can of course be supplemented or updated by a learning process.
Furthermore, it can be advantageous to first carry out a rough scan, and only potentially interesting, ie characteristic, areas of the in 2 to scan the curve shown in closer steps. Areas, the course of which is largely known from theoretical considerations or from previous measurements, allow a coarser scan. The missing measuring points are then supplemented by interpolation.
In addition, there is the possibility of changing the pulse length or the pauses between the pulses according to a scheme generated, for example, by a pseudo-random generator. This can reduce both the susceptibility to interference and the interference from devices in the vicinity.

3. zeigt den Messkopf eines kapazitiven Füllstands- oder Grenzstandswächters in Verbindung mit der Auswerteschaltung. Die metallische Messelektrode befindet sich hinter einer Kunststoffkappe. Der Schaft des Messfühlers ist geerdet. Das Netzwerk H besteht aus der Messfühlerkapazität Cg, der Medienkapazität Cx, dem Medienwiderstand Rx, dem Generatorwiderstand RG, dem Leitungswiderstand RL, sowie dem Eingangswiderstand RK des Komparators OP1.
Messung und Auswertung erfolgen wie oben beschrieben.
4 zeigt eine Schaltung zur Umwandlung der variablen Zeitverzögerung in eine Frequenz. Das kann bei kurzen Verzögerungszeiten oder auch dann vorteilhaft sein, wenn eine Fouriertransformation beabsichtigt ist. 3 . shows the measuring head of a capacitive level or limit level monitor in connection with the evaluation circuit. The metallic measuring electrode is located behind a plastic cap. The probe shaft is grounded. The network H consists of the measuring sensor capacitance Cg, the media capacitance Cx, the media resistance Rx, the generator resistance RG, the line resistance RL, and the input resistance RK of the comparator OP1.
Measurement and evaluation are carried out as described above.
4th shows a circuit for converting the variable time delay into a frequency. This can be advantageous in the case of short delay times or if a Fourier transformation is intended.

Kernstück der Schaltung ein vom Verstärker OP2 getriebener Relaxationsoszillator, dessen Frequenz zunächst von R1 und C1 bestimmt wird. Durch Einfügen des aus R6, Rg, R3 und C3 bestehenden Netzwerks H entsteht eine zusätzliche Verzögerung, deren Länge vom Netzwerk H und der Komparatorspannung U1, d.h. dem Schwellwert abhängt. Das OR-Gatter im Signalweg bewirkt, dass nur eine, nämlich die fallende Flanke des erzeugten Signals von der Verzögerungszeit der Messtrecke, d.h. dem Netzwerk H, beeinflusst wird. Die steigende Flanke erscheint sofort am Widerstand R1. Am Ausgang von OP2 entsteht somit ein unsymmetrisches Rechtecksignal, dessen High-Periode sich um die zum Erreichen des jeweiligen Schwellwertes Us =U1 am Ausgang des Netzwerks H vergehende Zeit verlängert.
Die Frequenz des Oszillators ist also eine Funktion der von der jeweiligen Komparatorspannung U1 abhängigen Verzögerungszeit tm des Netzwerks H. Bei
Veränderung der Komparatorspannung U1 ändert sich auch die Oszillatorfrequenz.
Die Zeitverschiebung t durch das Netzwerk H kann durch Messung der Periode in Abhängigkeit von der Komparatorspannung U1 ermittelt werden. Als Referenz dient beispielsweise die Periode bei einer sehr kleinen Steuerspannung, oder die bei Auftrennen der Verbindung zwischen OP1 und dem OR-Gatter entstehende Periode.
Der freiwerdende Gattereingang muss in diesem Fall auf Masse gelegt werden.
Es gilt: t(U1) = tm(U1) - ta
Die Variation der Steuerspannung U1 (Sweep) führt auch zu einem Sweep der Oszillatorfrequenz. Das verbessert die Störsicherheit gegenüber fremden Störquellen und verringert die Emission von Störsignalen.
Die Steuerspannung U1 kann über einen D/A-Wandler direkt vom Mikrocontroller bereitgestellt werden, wobei auch die Reihenfolge der Abtastpunkte beliebig wählbar ist.
Auf diese Weise entsteht ein Frequenz-Hopping-Signal mit den o.g. Vorteilen.
Ein weiterer Vorteil dieser Oszillatorschaltung besteht darin, dass die Auswertung direkt mit dem Zeitgeber (timer) bzw. Zähler (counter) des Mikrocontrollers erfolgen kann.
Die Auswertung kann durch Vergleich der vollständigen Messkurve aber auch anhand von bzw. anhand von signifikanten Bereichen mit einer im Mikrocontroller abgelegten, durch Einlernvorgänge oder als Tabelle vorliegende Sollkurven erfolgen.
Bei einem bestimmten Maß an Abweichung oder auch Übereinstimmung mit einer Sollkurve, wird ein Schaltvorgang ausgelöst.
Eine weitere Möglichkeit der zur Auswertung besteht darin. Eine Messstrecke und eine Referenzstrecke parallel zu betreiben, wobei die Messergebnisse der Referenzstrecke als Sollwerte dienen.The heart of the circuit is a relaxation oscillator driven by amplifier OP2, the frequency of which is initially determined by R1 and C1. By inserting the network H consisting of R6, Rg, R3 and C3, an additional delay is created, the length of which depends on the network H and the comparator voltage U1, ie the threshold value. The OR gate in the signal path has the effect that only one, namely the falling edge of the generated signal is influenced by the delay time of the measurement path, ie network H. The rising edge appears immediately at resistor R1. An asymmetrical square-wave signal is thus produced at the output of OP2, the high period of which is lengthened by the time that elapses to reach the respective threshold value Us = U1 at the output of network H.
The frequency of the oscillator is therefore a function of the delay time tm of the network H, which is dependent on the respective comparator voltage U1
Changing the comparator voltage U1 also changes the oscillator frequency.
The time shift t through the network H can be determined by measuring the period as a function of the comparator voltage U1. The period for a very low control voltage, for example, or the period that occurs when the connection between OP1 and the OR gate is broken, serves as a reference.
In this case, the gate input that is released must be connected to ground.
The following applies: t (U1) = tm (U1) - ta
The variation of the control voltage U1 (sweep) also leads to a sweep of the oscillator frequency. This improves the immunity to interference from external sources of interference and reduces the emission of interference signals.
The control voltage U1 can be provided directly by the microcontroller via a D / A converter, and the sequence of the sampling points can also be selected as desired.
In this way, a frequency hopping signal is created with the advantages mentioned above.
Another advantage of this oscillator circuit is that the evaluation can be carried out directly with the timer or counter of the microcontroller.
The evaluation can be carried out by comparing the complete measurement curve but also on the basis of or on the basis of significant areas with a target curve stored in the microcontroller, available through teach-in processes or as a table.
A switching process is triggered when there is a certain degree of deviation or agreement with a target curve.
Another possibility for the evaluation consists in this. To operate a measuring section and a reference section in parallel, with the measurement results of the reference section serving as target values.

5. zeigt eine fremdgesteuerte Schaltung. Hier wird im Gegensatz zur 4. das Sprungsignal von einem Rechteckgenerator G erzeugt, und sowohl dem passiven Netzwerk H als auch einem Demodulator M, der das Ausgangssignal mit dem Generatorsignal mischt, zugeführt. 5 . shows an externally controlled circuit. In contrast to the 4th . the jump signal generated by a square-wave generator G, and both the passive network H and a demodulator M, which mixes the output signal with the generator signal, fed.

Am Ausgang des Demodulators M, in diesem Fall kann es sich um ein NAND- oder ein NOR-Gatter handeln, entsteht Rechtecksignal, dessen Breite von der Verzögerungszeit des passiven Netzwerks an der durch die Komparatorspannung U1 bestimmten Stelle der Messkurve bestimmt wird. Das Signal wir über das Tiefpassfilter R1/C1 und den Verstärker OP2 einem A/D-Wandlereingang des Mikrocontrollers zugeführt.At the output of the demodulator M, in this case it can be a NAND or a NOR gate, a square-wave signal is produced, the width of which is determined by the delay time of the passive network at the point on the measurement curve determined by the comparator voltage U1. The signal is fed to an A / D converter input of the microcontroller via the low-pass filter R1 / C1 and the amplifier OP2.

Claims

Process for impedance measurement on a passive network with the following process steps: applying a broadband signal to the network to be examined, comparison of the response signal with a threshold value and measurement of the delay time caused by the network until the threshold value is reached, with the progression of the step response step by step by varying the threshold value is scanned.

Procedure according to Claim 1 , wherein the threshold value is changed in steps until the course of at least one edge of the step response is recorded as a delay time (tm) dependent on a comparator voltage U1.

Procedure according to Claim 1 or 2 , whereby the threshold value is changed pseudo-randomly.

Procedure according to Claim 1 or 2 , wherein the threshold value is changed first in a coarse resolution, then in a fine resolution, so that first a coarse scanning and then a fine scanning takes place.

Method according to one of the Claims 1 , 2 or 4th , the threshold values being selected on the basis of the course of the step response known theoretically or from previous measurements in such a way that a largely uniform sampling is achieved at almost equidistant time intervals.

Method according to one of the preceding claims, wherein the signal source supplies a periodic jump signal and the time difference is converted into a voltage by demodulation.

Method according to one of the Claims 1 to 5 wherein the jump signal has a variable period.

Procedure according to Claim 7 , wherein the jump signal has a period length that is influenced by a random generator and fluctuates around a known mean value.

Arrangement for performing the method according to one of the preceding claims, characterized in that the passive network to be examined and the comparator are part of an oscillator circuit,