DE1616084A1 - Schaltungsanordnung zur Daempfungsmessung - Google Patents

Description

Patentanwalt Dfpi.phys. Dr.Walther Juntas _1cienö/ S Hannover, Abbe*. 2β IO I DU O H

7* Dezember 1967 Dr.^/Ha. . . ■■ ' Meine Akte« 1583

TBSIA₁ narodni podnik, Praha-Hloubetln, Podehradska 186

Schaltungsanordnung siir Dämpfungsmessung.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Dämpfungsmessung eines Schwingkreises, z.B. eines abgestimmten IiO-Kreisea oder zur Messung γ®& larsjMterA eines angekoppelten MeBobJektesρ das dieMessung beeinflußt » durch feststellung de* Mittelwerte« ?_|4Sw Um» hüllenden eintr freiem gedfiatpfttn Schwingung9.-die- in des Schwingkreise periodisch erregt wird, wobsi Sie aaxiaale Amplitude V_fflax der freien Schwingung auf eiiien ibestiBstea Wert E₈ aittels einer Begrenzerdiode begrtiast wird» die durch eine Sperrspannung 3g Bitt®!· eimt® nlehtlineart& Elementes gesperrt ist, die kleiner sie die maximale Amplitude einer freien Sehwingung oimn angeschlosseae Begrenzerdiode ist.

S9haltuBgsanordnunge£& zur SaBpffngsatssung eiai» kreists oder zur Messung r&n^ Sayaeetsra tInm

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Heäobjektes, das die Dämpfung beeinflusst, mittels welcher der Mittelwert der Umhüllenden einer freien gedämpften Schwingung festgestellt wird, die in dem Schwingkreis periodisch erregt wird, sind bekannt.

Unter einem Schwingkreis ist dabei jeder Kreis verstanden, in dem eine freie Schwingung erregt werden kann, insbesondere ein abgestimmter LC-Kreis, ein Hohlraumresonator, ein elektromechanischen oder magnetomeehanlseher Besonator· Das Me6objekt kann durch einen leitenden oder dielektrischen Segenstand gebildet werden, der an den abgestimmten ItC-Ereis galvanisch, induktiv (durch Annäherung an die Spule It) oder kapasitiv (durch Siaeohiehung In das Dielektrikum des Kondensator· Q) gekoppelt ist· Bei den elektro- (magneto-) aiechanlschea. Be»omatoren kann da· Hefiobjekt auch durch das umgebende feste, flüssige oder gasförmige KedIum gebildet sein, da· durch Berührung mit der fläche eine· mechanischen Besoaator· an diesen angekoppelt ist und dadurch seine Dämpfung beeinflusst.

Die Dämpfungsmessung eines selbständigen Kreises ist bekannt. Bin Detektor mit kleiner Zeitkon·taute, die kleiner als die Zeitkonstante eines abgestimmt·» IC-Kreise· gewählt ist, erseugt ein· Slelchepannung, die dem Mittelwert der. Umhüllenden der periodischen freien Schwingungen proportional ist. Sin a&derer Detektor mit großer Seitkonstantes die größer al· die Zeitkonstaate de· abgeetimm-

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ten Kreiee· gewählt let, erzeugt eine Spannung, die dem Spitzenwert proportional let* Durch Vergleich beider Werte kann die Dämpfung des abgestimmten Kreise* bestimmt werden.

Durch Auewertung des Mittelwerte« der Umhüllenden Ton periodisch erregten Schwingungen eines abgestimmten LC-Kreises können mit Hilfe eines Detektors die Parameter eines zu meBeenden Objektes, das in seiner Meßlage dem abgestimmten Kreise"angenähert ist, gemessen werden. Anstelle eines Vergleiches des Mittelwertes und des Spitzenwertes derselben freien Schwingung können auch die Mittelwerte von freien Schwingungen verglichen werden, die in zwei selbständigen abgestimmten Kreisen L^C^ und L₂C₂ entstehen. Anstelle abgestimmter LC-Kreisekönnen auch elektromechanische, z.B. piesokeramische Resonatoren oder magnetomechanische Resonatoren, erregt und ausgewertet werden.

Wenn der Spitzenwert V_1011x nicht ideal konstant let, er* möglicht eine Messung des Mittelwertes Y.+ der Umhüllenden ohne Vergleich mit einem Referenzwert, der mit dem Spitzenwert V_110x zusammenhängt, nicht ein Erreichen der höchsten Stabilität und Empfindlichkeit. Zur Stabilisierung des Spitzenwertes V^y wird meistens eine Begrenzerdiode verwendet, die an den Sohwlngungskreis angeschlossen Ist· Diese ist durch die Sperrspannung S gesperrt. Sie wird

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leitend von dem Augenblicke an, in welchem die Amplitude der freien Schwingung die Sperrspannung Überschreitet, und sie wird wieder nichtleitend nach ihrem Abfall unter die Sperrspannung. Di« Öffnungszeit der Begrenzerdiode wird als Begrenzungsperiode bezeichnet· Wenn der Innen-Wideretand der Begrenzungediode genügend niedrig in der Durchlassrichtung ist, so findet eine effektive Begrenzung der maximalen Amplitude der freien Schwingung auf den Wert T_218x » l_a statt. Weitere Wellen der freien Schwingung sind nicht begrenzt, denn sie sind nach dem exponentiellen Gesetz niedriger und die Begrenzerdiode wird deshalb nicht geöffnet. Dieser Zyklus wiederholt sich bei jeder neuen Erregung einer freien Schwingung. Üblicherweise wird zur Erzeugung der konstant ta Gleichetromsperrspennung für die Begrenzerdiode sin «iehtlinsares Stabilisationsele-■eat (s.B. «ine Glimmlampe oder Ztnnerdiodt) verwendet, das über einen Torschaltwiderstand aus einer höheren Gleichspannung gespeist ist. Wenn ein nichtlineares Stabilisationselement einen scharfen Übergang aus dem Bereich β in· β groSen in den Bereich eines kleinen inneren Widerstaadee aufweist, entsteht - wie bekannt - eine stabilisiert· Sperrspannung, die überwiegend durch die Eigenschaften des nichtlinearen Stabilisationselemente» und nur teilweis· durch die GrToBv der Speisespannung gegeben ist. Unter Verwendung der beschriebenen Verfahren bei der Begrenzung des Spitzenwerte» kann jedoch nicht der ideale Zustand erreicht werden₉ und zwar deshalb, weil der Eeferenzwert selbst, der für die Begrenzung des Spitzenwertes verwendet

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ist, eich infolge der lemperaturabhängigkeit, durch Alterung u.a. des nichtlinearen Stabilieationeelementee ändert.

Der Grenzwert für die Stabilität und für die Empfindlichkeit der Messung ist unter diesen Bedingungen von der entsprechenden Bildung des Referenzwerte» weitgehend abhängig.

Es ist zwar möglich den Mittelwert aus einem zweiten abgestimmten Hef er enzkr eis zu verwenden, jedoch ist das meistens zu kompliziert und teuer, da eine unabhängige Erregerstufe für jeden der beiden abgestimmten Kreis® notwendig ist.

Deshalb wird oft eine Begrenzung des Spitzenwertes einer freien Schwingung durch eine Begrenzerdiode und eine Ableitung dee Referenzwertes aus dem Spitzendetektor verwendet. I¹Ur einen Vergleich eines Referenz- und Mittelwerte· ist aussondern entweder ein Seiler auf der Gleichetromauegangsseiie des Spitzendetektor· oder ein Wechsel·tromteiler (kapazitiver Teiler) auf seiner Singangseeite notwendig. Der Gleichetromteiler nach dem Spitzendetektor ist nicht vorteilhafiu Der G-rund dafür liegt darin, d&ß der Spitzendetektor mögliche t derselbe wie der Detektor de· Mittelwerte· sein mud* BIr einen guten Deteklioneeffekt auch bei hohen Frequt ns en werden Dioden alt einea nicht zu kleinen Widerstand in ä«r Durchlaseriohtunjt gewählt· HmnxL muß wegen der hohen Eingart|:eiapedan« de· j)ttektor« der Gleich-

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stromteiler ale hochohmiger Ieiler auegebildet werden. Das ist praktisch nur möglich durch Verwendung von Massewiderständen anstelle von Drahtwiderständen. Sie Stabilität der Massewiderstände sowie eines Potentiometers ist jedoch ungenügend niedrig für die vorgesehene Verwendung. In dieser Weise geschaltete Teiler teilen ausserdem auch die AnlaufSpannung der Diode des Spitzendetektors, falls eine Vakuumdiode verwendet ist. Dadurch wird die Kompensation von Anlaufs tr Omen des Detektors des Mittel- und Spitzenwertes gestört und die HeJ3stabilitä-t vermindet. Mn kapazitiver feiler am Eingang des Spitsendetektors ist deshalb vorteilhafter, jedoch hat auch dieser seine Nachteile. Diese bestehen in der Notwendigkeit einer Elimination von Änderungen des Verlustwink©Is, obwohl diese unbedeutend sind, da diese Einrichtung auch sehr unbedeutende Änderungen der Dämpfung in einem Meßkrei», dessen Bestandteil ein kapazitiver Seiler ist, messen kann. Deshalb ist eine Verwendung von gewöhnlichen Drehkondensatoren mit einem schleifenden Erdungskontakt nicht Torteiliiaftj sondern von teueren und größeren Kondensatoren alt einem sogenannten Splitstator ohne den störenden Schleifkontakt. Gewöhnliche Umschalter können nicht verwendet werden, bei denen nach einiger Zelt der Übergangswiderstand eine !Instabilität der Messung verursacht. Spezielle Umschalter mit garantiertem langzeitigem extrem niedrigem Übergangswiderstand sind aber teuer und groS. ·

Sin kapazitiver Teiler kann aueeerdem eine !Instabilität

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der Messung durch ein« parasitäre Änderung der kapazitiven Teilung infolge ungleicher Temperaturänäerungen in beiden Kondensatoren des Teilers und infolge von Temperaturänderungen* dtr Zuleitungen zum Seiler verursachen.

Diese Nachteile sind durch die erfindungsgeiaaJe Schal' tungsanordnung beseitigt· Die Erfindung schafft mit einfachen Mitteln eine stabil® Schaltung zur Durchführung τοη Dämpfungemessungen hoher Genauigkeit»

Die Erfindung besteht darin, daß der Verbinäungepuskt zwischen dem nichtlinearen Element und der Begrenzerdiode direkt bzw· über einen Widerstände teiler an eine Einrichtung für den Vergleich des Mittel·" und Spitzenwertes angeschlossen ist, wobei das nicht lint ar© Element vorteilhaft durch einen Kondensator überbrückt werden kann·

Die Erfindung wird in folgendem an Haftd der Zeichnung näher erläutert. Bt seige&t

Fig. 1 ein Beispiel der bisher verwendeten Schaltungsanordnung·

Pig. 2 in echeoatischer 2ϊβγstellung ein iusführungsbeispiel der Erfindung»

Pig. 5 ein Äueführungsbeiepiel der erfinduagegeiaäBen Schaltung,

Pig· 1 zeigt einen Impulsgenerator 1₉ einen Schwingungskreis

mit der Spule L und mit dem kapazitiven Teiler C^, Cg, einen Detektor dee Mittelwertes mit der Diode 2 und mit dem Wideretand 3, eine Anordnung für den Vergleich dee Mittel- und Spitzenwertes 6, eine Begrenzerdiode 7» ein nichtlinearea Stabilisationselement 8, da« durch einen Kondensator 9 überbrückt ist, einen Vorschaltwiderstand 10, einen PiIterwiderstand 11 mit den Filtrationskondeneatoren 12,13, Gleichrichter 14,15 mit der zugehörigen Speisewicklung 16 des Hetzstromtr&nsformators.

Die Arbeitsweise dieser bekannten Schaltung ist folgende:

In dem Schwingungskreis LC₁,C₂ sind freie Schwingungen durch den impulsgenerator 1 erregt. An dem Belaetungewiderstand 3 dee Detektors dee Mittelwertes entsteht eine Gleichspannungekomponente, die dem Mittelwerte V_flt der Umhüllenden der freien Schwingungen proportional ist. An dem Belastungewiderstand 5 des Spitzendetektors wird eine Gleichspannungskomponente gebildet, die dem Bruchteil des Spitzenwerte· V_1n^ proportional ist, der durch die Einstellung des kapazitiven Teuere C^C₂ gegeben ist. Der Unterschied zwischen diesen Komponenten wird durch die Anordnung 6 gemessen, die gewöhnlich als eine Kathodenbrücke gebildet ist. Der Spitzenwert V_2011x einer freien Schwingung ist durch die Begrenzerdiode 7 begrenzt, di« -. durch eine stabile Sperrspannung E aus dem nichtlinearen Stabilieationselement 8 (gewöhnlich einer Glimmlampe oder Zennerdiode) gesperrt ist. Die Sperrspannung E entsteht

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an der Hilfsquelle mit der Wicklung 16 einee Netztransformators mit Hilfe von (KLeiehriehtungeventilen ΛΛ, 15 sowie einem Filter gegen die Wechselkomponenten mit dem Widerstand 11 und mit den großen Kondensatoren 12,13. Der Vorschaltwideretand 10 dient zur Erreichung eine» genügenden Stabilisationefaktors des nichtlinearen Stabilisationselementes und der Kondensator 9 bildet einen Kurzschluß für Hochfrequenzkomponenten.

Sie Schaltung der Erfindung in Fig. 2 weist einen Impulsgenerator 1, einen Schwingungskreis LC, einen Detektor dee Mittelwertes mit der Diode 2 und dem Widerstand 3, eine Begrenzerdiode 7, ein nichtlinearθβ Stabilisationselement (Zennerdiode) 8, einen Filtrationekondensator 9, einen Widerstandeteiler 17,18 und eine Anordnung für den Vergleich des Mittel- und Spits*nw«rtee 6 auf« Ihre Arbeitsweise ist folgende» Die freien Schwingungen in dem Schwingungskreis LO sind durch den Impulsgenerator 1 erregt. Die dem Mittelwert der Umhüllenden proportionale Gleichetro*H kompocsnte entsteht an dem Widerβtand 3. Die Begrtnzerdiod· lässt in der Begrenaerp«riode die Stromiapulse durch, die auf der ^enserdiod·Qmitdem angeschloesenen Koadeneator 9 sine Gleichspannung Ε_χ bilrlen, di© der 3enn*rspaanuiig gleich ist» M.* in dieser fei»» aufgtbaut· Hefertnsspannung %»f ^Α ®% ^¹¹***«^* «tuch Ättf amm fiat3?staiiast*il«r t?i ta und etia eÄtsjjpeohijider ißtil »irt d#i? JunoMmm^ ttti? dm

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In Pig. 3 ist ein Impulsgenerator veranschaulicht, in dem Vakuumelektronenröhren verwendet sind. Br besteht aus einem Kristalloszillator von 10 kHz mit dem Kristall K in dem Pentodenteil der Elektronenröhre SC? 82. In dem Triodenteil entsteht ein verzerrter Verlauf dee Signale·, der für die Synchronisation des Multivibrators mit der Elektronenröhre ECC 82 vorteilhaft ist, Dadurch werden kurze Spannungsimpulse für die Steuerung der Endstufe mit der Elektronenröhre EL 86 gebildet. Ihre Stromimpulse erregen freie Schwingungen in dem LC Schwingkreis, der auf 4QO kB» abgestimmt ist. Seine Dämpfung wird durch Annäherung eines zu messenden Objektes 0 beeinflußt. An dem Widerstand 3 entsteht wieder ein© Gleichgpannungskomponente, die dem Mittelwert der Umhüllenden entspricht. Sie Begrenzerdiode 7 hält den Spitzenwert auf dem Wert der Sperrspannung E « der auf der Zennerdiode 8 mit dem Kondensator 9 in der Begrenzungeperiode durch ihre eigenen Stromimpülse gebildet ist.

Der Widerstandsteiler 17,18 ist noch durch das Potentiometer 19 zur Feineinstellung eines Referenzsignalei komplettiert. Die Anordnung für den Vergleich des Mittel- und Referenzwertes 6 ist als Katodenbrücke geschaltet. Sie UeQ-angabe wird auf dem Zeigerinstrument H (200 /uA) abgelesen· Si· Diode 2 des Detektor· des Mittelwertes ist durch ein Syittii der Duodiode 6B 32 gebildet. Ihr zweites Diodensyetem 2* ist in dem Wegs der Referenzspannung zur Ausgleichung ihrer Anlaufströme angeordnet. Typieche Wtrt· äer ver-

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wendeten Beetandteile Bind in der Abbildung angegeben. Diese Schaltung weist eine vollkommene Funktion und hervorragende langzeitige Stabilität und Empfindlichkeit bei der Messung elektrischer (spezifischer) Widerstände und der Dicke von flächenhaften Meflobjekten aus elektrisch leitendem Material im Bereiche der epSBif Ischen Widerstände von 10 Ohmcm bis 10 Ohmcm, bzw· im Bereich der Golddicke von 50 1 (0,005/um) bis 0,1 mm auf. Die Abhängigkeit der Dämpfung des LG Schwingkreises ron der Entfernung dee gemessenen Metallobjektes konnte zur empfindlichen Messung der Isolationsschichten auf Metallen ausgenutzt werden, zum Beispiel zur Messung der Oxydationsschichten auf Aluminium von einigen /um und höher.

Anstatt eines Zeigerinstrumentes M oder zusätzlich zu demselben kann ein Mechanismus (Relais, Verstärker usw) zur Überführung der Angabe auf die automatische Funktion verwendet werden, zum Beispiel zur Signalisation, zur automatischen Messung und Sortierung oder zur autos&tischen Steuerung eines technischen Verfahrens.

Vorteilhafte Verhältnisse entstehen besonders in einer Schaltung, wo das in dieser Weise gebildete Signal an dem Ausgang der Anordnung für den Vergleich des Mittel- und Referenzwertes zur automatischen Einstellung eines Potentiometers 19dient. Dadurch wird der Bruchteil des fieferenzwerteja (z»B> mittels eines Servomotors) so reguliert, daß das Auegangee=ignal aus der- Anordnung für den

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Vergleich des Mittel- und Referenzwertes praktisch KuIl bleibt. Die Meßangabe ist dann von der mechanischen Lage des Einstellelementee 19 abgeleitet und die Kraftwirkung des Servomotors kann zum verlangten Steuerungeverfahren ausgenutzt werden.

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Claims (2)

1816084 Pa t en t a η θ ρ r ü c h e :

1. Schaltungsanordnung zur Dämpfungemeesung eines Schwingkreises, z.B« eines abgestimmten KKKreises öder zur Messung von Parametern eines angekoppelten Meßobjektee, das die Messung beeinflusst, durch Feststellung des Mittelwertes V^ der Umhüllenden einer freien gedämpftem ' Schwingung, die in dem Schwingkreis periodisch erregt wird, wobei die maximale Amplitude V_a|UC der freien Schwingung auf einen bestimmten Wert E₂ mittels einer Begrenzerdiode begrenzt wird, die durch eine Sperrspannung E_z mittels eines nichtlinearen Elementes gesperrt ist, dit kleiner ala die maximale Amplitude einer freien Schwingung ohne angeschlossene Begrenzerdiode ist, dadurch gekennzeichnet,

daß der Verbindungspunkt zwischen dem nichtlinearen Slemenii (8) und der Begrenzerdiode (T) direkt über ilen Wi'deiätanditieili^ (1?|Τ$) an '0ine ium Vergleich einig Mittel- oder Spitzenwertaa (6) angeechloseen iat, Wob«! das nichtlineare Element vorteilhaft durch ginin Kondensator (9) überbrückt

2. Bchaltungsanordnung gemäß ihepruch 1,

daß la Fallö, fit zur Fenteteilung de* Mittelwarte»

-is "I^ si

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V . der Umhüllenden einer freien gedämpften Schwingung eine Vakuumdiode (2) verwendet ist, eine andere Vakuumdiode (2*) zur Kompensation dee Anlaufstromes zwischen dem nichtlinearen Element (8) und der Einrichtung zum Vergleich des Mittel- und Spitzenwertes (6) angeschlossen ist.

ÖU9883/ÖSS?