DE1217084B - Messanordnung mit kapazitivem Messfuehler und durch diesen gesteuerten astabilen Multivibrator - Google Patents

Description

• Meßanordnung mit kapazitivem Meßfühler und durch diesen gesteuerten astabilen Multivibrator Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, die geeignet ist, eine durch eine physikalische Meßgröße, z. B. eine Wegänderung, verursachte Kapazitätsänderung an einem kapazitiven Meßfühler in ein Schalt- oder Regelsignal umzuwandeln.
• Solche Einrichtungen sind bekannt. Es sind kapazitive Meßfühler im Gebrauch, die es erlauben, Hübe, Drücke, Temperaturen, Durchbiegungen u.dgl. in entsprechende Kapazitätsänderungen umzuformen. Ferner sind Meßschaltungen bekanntgeworden, mit denen diese Kapazitätsänderungen in elektrische Größen umgeformt werden können. Allen bekannten Meßschaltungen dieser Art ist gemeinsam, daß sie mit Hochfrequenz arbeiten. Der Grund dafür ist der, daß bei diesen empfindlichen Anordnungen die Kapazitäten der Kondensatoren bzw. die Kapazitätsänderung sehr klein ist, z. B. Pikofarad oder Bruchteile von Pikofarad, so daß man nur bei hohen Frequenzen hinreichend kleine kapazitive Widerstände erhält.
• Die bekannten Meßschaltungen können in ihrer Wirkungsweise in zwei Gruppen eingeteilt werden: 1. passive Schaltungen, 2. aktive Schaltungen.
• Eine bekannte passive Schaltung arbeitet nach der Methode der Kreisverstimmung derart, daß an einen Hochfrequenzgenerator, dessen Frequenz und Amplitude konstant sind, ein Schwingkreis lose angekoppelt ist, dessen Kondensator - oder wenigstens ein Teil von dessen Kondensator - durch die Kapazität des Meßfühlers dargestellt ist. Durch die Kapazitätsänderung des Meßfühlers, verursacht durch die Änderung der primären Meßgröße, wird der Meßkreis, der auf einen günstigen Punkt der Resonanzkurve abgestimmt war, verstimmt, und an einer dem Schwingkreis parallelgeschalteten Strecke Diode-Drehspulinstrument kann das Maß der Verstimmung, das auch ein Maß für die Fühlerkapazität und damit auch für die primäre Meßgröße ist, abgelesen werden.
• Weitere passive Schaltungen arbeiten nach dem Prinzip der Spannungsteilung oder mit Brückenschaltungen, wobei ebenfalls ein Hochfrequenzgenerator die Speisespannung für den Spannungsteiler bzw. die Kapazitätsmeßbrückeliefert.
• Schließlich ist eine passiv arbeitende Schaltung nach der L7berlagerungsmethode angewendet worden. Hierbei sind zwei Hochfrequenzgeneratoren vorgesehen. Der erste arbeitet auf einer festen Frequenz, während die Frequenz des zweiten von der Größe der Fühlerkapazität abhängt und beispielsweise beim Nullwert der primären Meßgröße durch Abgleich der Kreisspule oder einer zusätzlichen Abgleichkapazität auf die gleiche Frequenz abgestimmt wird wie der erste Hochfrequenzgenerator. Die Fühlerkapazität verstimmt bei einer Änderung der primären Meßgröße die Frequenz des zweiten Hochfrequenzgenerators, Wenn man die Hochfrequenzspannungen der beiden Hochfrequenzgeneratoren auf die beiden Steuergitter einer Mischröhre gibt, treten an deren Anode die Summen- und Differenzfrequenzen der beiden Schwingungen auf. Die Differenzfrequenz kann z. B. an einem Niederfrequenzzeiger angezeigt werden. Sie stellt ein Maß für die primäre Meßgröße dar.
• Es sind auch aktive Schaltungen entwickelt worden, die geeignet sind, kleine Kapazitätsänderungen zu messen. Das Reißverfahren sieht eine Oszillatorröhre vor, in deren Anodenkreis ein Schwingkreis liegt, dessen Frequenz von der Fühlerkapazität beeinflußt wird. Im Gitterkreis der Röhre liegt ein Schwingquarz. Gitter- und Anodenkreis sind induktiv oder kapazitiv gekoppelt. Der Schwinganodenstrom der Oszillatorröhre ist sehr stark abhängig von der Differenz der Frequenzen im Gitter- und Anodenkreis. Sind sie gleich, so ist der Anodenstrom ein Minimum. Bei Verstimmung des Anodenkreises gegen die Quarzfrequenz nimmt der Anodenstrom stark zu. Ein in die Anodenzuleitung gelegtes Gleichstrommeßinstrument zeigt dann einen Anodenstrom, dem die Fühlerkapazität bzw. die primäre Meßgröße zugeordnet werden kann.
• Ganz ähnlich arbeitet eine weitere aktive Schaltung mit Huth-Kühn-Oszillator. Hier ist lediglich im Gitterkreis der Schwingquarz durch einen gewöhnlichen LC-Schwingkreis ersetzt. Die Kopplung zwischen Gitter- und Anodenkreis erfolgt normalerweise lediglich durch die Röhrenkapazität C",. Die Bestimmung der Fühlerkapazität bzw. der primären Meßgröße erfolgt ebenfalls an einem in der Anodenzuleitung liegenden Gleichstrom-Meßinstrument.
• Alle beschriebenen passiven und aktiven Meßeinrichtungen sind sehr aufwendig, weil die einen eine stabilisierte Hochfrequenz benötigen und die anderen teure Schaltelemente (Steuerquarz) und Abschirmmittel.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache Schaltungsanordnung zu finden, die die geschilderten Nachteile vermeidet.
• Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Fühlerkapazität als einer der beiden Kopplungskondensatoren eines astabilen Multivibrators dient.
• In F i g. 1 ist ein Beispiel einer Anordnung gemäß der Erfindung dargestellt. Sie entspricht einem normalen astabilen Multivibrator. 1p und 2p sind die beiden Transistoren, hier pnp-Transistoren. 1 r und 2 r sind die beiden Kollektorwiderstände, 3 r und 4 r die Basisableitwiderstände, 5 r ist ein Widerstand, der für gute Anschwingbedingungen sorgt. Der Kopplungskondensator 1 k ist ein Festkondensator, während 2 k die von der primären Meßgröße abhängige Kapazität des Meßfühlers ist.
• Bei geeigneter Bemessung der Teile setzen die Schwingungen bei steigender Kapazität von 2 k ein, bei fallender Kapazität aus. Die Gewinnung des Steuersignals kann vorteilhaft an einem Widerstand 6r erfolgen, der je nach dem gewünschten Vorzeichen der Spannung in die Plus- oder Minus-Zuleitung gelegt wird. 3 k stellt einen Kurzschluß für die Multivibratorfrequenz dar. Bei günstiger Bemessung der Widerständeyerhalten sich die Spannungsabfälle am Widerstand b r wie 1 (in nichtschwingendem Zustand) : 4 (in schwingendem Zustand).
• Eine Schaltung nach F i g. 1 macht dann Schwierigkeiten, wenn einer der Beläge der Fühlerkapazität geerdet ist. Dann muß entweder die Basis des Transistors 2p oder der Kollektor des Transistors 1p geerdet sein. Dies kann an sich bei Verdrosselung der Spannungszuführungen geschehen. Sollen aber z. B. mehrere kapazitive Fühler räumlich eng benachbart angebracht werden, so empfiehlt sich zur Vermeidung unerwünschter Verkopplungen gemäß der Erfindung eine Schaltung nach F i g. 2.
• Hierbei sind die beiden Kondensatoren 1 k und 2 k als Festkondensatoren ausgebildet, während der Fühlerkondensator (hier mit 4 k bezeichnet) parallel zur Basis-Emitter-Strecke geschaltet ist. Ist die Kapazität von 4 k klein, so schwingt der Multivibrator.
• Bei steigender Kapazität von 4k nimmt durch die Spannungsteilung zwischen 1 k und 4 k die Steuerspannung in der Basis des Transistors 1p mehr und mehr ab, bis die Schwingung abreißt.

Claims (5)

1. Patentansprüche: 1. Meßanordnung mit kapazitivem Meßfühler, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlerkapazität (2k) als einer der beiden Kopplungskondensatoren eines astabilen Multivibrators dient.
2. 2. Meßanordnung mit kapazitivem Meßfühler, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlerkapazität (4k) zwischen die Steuerelektrode eines Verstärkersystems (1p) und einen kalten Punkt einer an sich schwingenden astabilen Multivibratorschaltung gelegt ist.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkersysteme (1p, 2p) des astabilen Multivibrators im nichtschwingenden Zustand nahezu gesperrt sind.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Speisestromzuleitung des Multivibrators ein Widerstand (6 r) gelegt und die durch die Zustandsänderung des Multivibrators hervorgerufene Stromänderung in eine Spannungsänderung für die weiter folgenden Schaltglieder umgeformt wird.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlerkapazität dargestellt ist durch zwei längs einer variablen Flüssigkeitssäule isoliert angebrachte Kondensatorbeläge. In Betracht gezogene Druckschriften: ATM-Blatt, V 1121-4 (Januar 1949), V 1121-5 (Juli 1949).