DE1616084C3

DE1616084C3 - Schaltungsanordnung zur Gütefaktormessung

Info

Publication number: DE1616084C3
Application number: DE1616084A
Authority: DE
Inventors: Bohdan Carniol; Rudolf Dipl.-Ing. Styblo
Original assignee: Tesla AS
Current assignee: Tesla AS
Priority date: 1967-02-16
Filing date: 1967-12-09
Publication date: 1974-05-16
Also published as: GB1217611A; DE1616084A1; DE1616084B2; AT274133B; US3518551A; FR1552539A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Gütefaktormessung eines Schwingkreises, z. B. eines abgestimmten LC-Kreises oder zur Messung solcher Parameter von induktiv oder kapazitiv angekoppelten dielektrischen oder leitenden Meßobjekten, welche den Gütefaktor des Schwingkreises beeinflussen, durch Auswertung des Mittelwertes F_st der Umhüllenden einer freien gedämpften Schwingung, die in dem Schwingkreis periodisch erregt wird, wobei die maximale Amplitude F_max der freien Schwingung auf einem bestimmten WertE_z mittels einer Begrenzerdiode begrenzt wird, die durch eine Sperrspannung E₇. mittels eines nichtlinearen Elementes gesperrt ist, die kleiner als die maximale Amplitude einer freien Schwingung ohne angeschlossene Begrenzerdiode ist, mit einer Einrichtung zum Vergleich eines Mittel- oder Spitzenwertes.

Schaltungsanordnungen zur Gütefaktormessung eines Schwingkreises oder zur Messung von Parametern eines angekoppelten Meßobjektes, das den Gütefaktor 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 Li Kreis, ein Hohlraumresonator, ein elektromechar, scher oder magnetomechanischer Resonator. D Meßobjekt kann durch einen leitenden oder diele. frischen Gegenstand gebildet werden, der an den ai gestimmten LC-Kreis induktiv (durch Annäherur. an die Spule L) oder kapazitiv (durch Einschiebur in das Dielektrikum des Kondensators C) gekoppe ist. Bei den elektro-imagneto^mechanischen Resc

ίο natoren kann das Meßobjekt auch durch das un gebende feste, flüssige oder gasförmige Medium gt bildet sein, das durch Berührung mit der Fläche eine mechanischen Resonators an diesen angekoppelt l· und dadurch seinen Gütefaktor" beeinflußt.

Die Gütefaktormessung eines selbständigen Kre; ses ist bekannt. Ein Detektor mit kleiner Zeitkor stante, die kleiner als die Zeitkonstante eine abgestimmten LC-Kreises gewählt ist, erzeugt eini Gleichspannung, die dem Mittelwert der Umhüllen den der periodischen freien Schwingungen propor tional ist. Ein anderer Detektor mit großer Zeit konstante, die größer als die Zeitkonstante dt abgestimmten Kreises gewählt ist, erzeugt eine Spar nung, die dem Spitzenwert proportional ist. Durc Vergleich beider Werte kann der Gütefaktor de abgestimmten Kreises-bestimmt werden.

Durch Auswertung des Mittelwertes der Un" hüllenden von periodisch erregten Schwingunge eines abgestimmten LC-Kreises können mit Hill eines Detektors solche Parameter von an de Schwingkreis angekoppelten Meßobjekten gemesse werden, die den Gütefaktor des LC-Kreises beeii flüssen. Bei der induktiven Meßobjekt-Ankopplur sind es die bei Wirbelstrommessungen bekannte Parameter leitender Meßobjekte, z. B. der spezifisch Widerstand, der Flächenwiderstand, die Schichtdick· der Meßabstand, und abgeleitete Größen sowie d' für defektoskopische Prüfungen gewünschten Größe (Risse, Strukturänderungen usw.). Bei der kapaz tiven Meßobjekt-Ankopplung ist der MeßparameU durch den Verlustwinkel (bzw. dessen Tangens tg ( des Meßobjektes darstellbar. Über den Verlustwink können abgeleitete Größen gemessen werden, b flüssigen Meßobjekten z. B. der spezifische Wide stand. Über den Gütefaktor von mechanischen Resi natoren kann z. B. die Dichte oder die Viskosität ve umgebenden Gasen oder Flüssigkeiten gemessen we den. An Stelle eines Vergleiches des Mittel- un Spitzenwertes derselben freien Schwingung könne auch die Mittelwerte von freien Schwingungen ve· glichen werden, die in zwei selbständigen abgestimn" ten Kreisen L^C₁ und L.,C₂ entstehen. An Stelle al gestimmter LC-Kreise können auch elektromeclu nische, z. B. piezokeramische Resonatoren oder nu gnetomechanische Resonatoren, erregt und ausg«. wertet werden.

Wenn der Spitzenwert K_max nicht ideal konstai ist, ermöglicht eine Messung des Mittelwertes F_st di Umhüllenden ohne Vergleich mit einem Referen; wert, der mit dem Spitzenwert F,_M;1X zusammenhäng nicht ein Erreichen der höchsten Stabilität und Επη findlichkeit. Zur Stabilisierung des Spitzenwert! K_{111n x} wird meistens eine Begrenzerdiode verwende die an den Schwingungskreis angeschlossen ist. Die· ist durch die Sperrspannung E₁. gesperrt. Sie wi leitend von dem Augenblicke an, in welchem d Amplitude der freien Schwingung die Sperrspannui überschreitet, und sie wird wieder nichtleitend nai.

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ihrem Abfall unter die Sperrspannung. Die Öfinungs- des Spitzendetektors ist deshalb vorteilhafter, jedoch zeit der Begrenzerdiode wird als Begrenzungsperiode hat auch dieser seine Nachteile. Diese bestehen in der bezeichnet. Wenn der Innen-Widerstand der Begren- Notwendigkeit einer Elimination von Änderungen zungsdiode genügend niedrig in der Durchlaßrichtung des Verlustwinkels, obwohl diese unbedeutend sind, ist, so findet eine effektive Begrenzung der maxima- 5 da diese Einrichtung auch sehr unbedeutende Änlen Amplitude der freien Schwingung auf den Wert derungen des Gütefaktors in einem Meßkreis, dessen ΣΛιιαχ = E₁ statt. Weitere Wellen der freien Schwin- Bestandteil ein kapazitiver Teiler ist, messen kann, gung sind nicht begrenzt, denn sie sind nach dem Deshalb ist eine Verwendung von gewöhnlichen exponentiellen Gesetz niedriger und die Begrenzer- Drehkondensatoren mit einem schleifenden Erdungsdiode wird deshalb nicht geöffnet. Dieser Zyklus io kontakt nicht vorteilhaft, sondern von teueren und wiederholt sich bei jeder neuen Erregung einer freien größeren Kondensatoren mit einem sogenannten Schwingung. Üblicherweise wird zur Erzeugung der Splitstator ohne den störenden Schleifkontakt. Gekonstanten Gleichstromsperrspannung für die Be- wohnliche Umschalter können nicht verwendet wergrenzerdiode ein nichtlineares Stabilisationselement den, bei denen nach einiger Zeit der Übergangswider-(z. B. eine Glimmlampe oder Zenerdiode) verwendet, 15 stand eine Unstabilität der Messung verursacht. Spedas über einen Vorschaltwiderstand aus einer höhe- zielle Umschalter mit garantiertem langzeitigem ren Gleichspannung gespeist ist. Wenn ein nicht- extrem niedrigem Übergangswiderstand sind aber lineares Stabilisationselement einen scharfen Über- teuer und groß.

gang aus dem Bereich eines großen in den Bereich Ein kapazitiver Teiler kann außerdem eine Unsta-

eines kleinen inneren Widerstandes aufweist, entsteht 20 bilität der Messung durch eine parasitäre Änderung

— wie bekannt — eine stabilisierte Sperrspannung, der kapazitiven Teilung infolge ungleicher Tempera-

die überwiegend durch die Eigenschaften des nicht- turänderungen in beiden Kondensatoren des Teilers

linearen Stabilisationselementes und nur teilweise und infolge von Temperaturänderungen der Zu-

durch die Größe der Speisespannung gegeben ist. leitungen zum Teiler verursachen.

Unter Verwendung der beschriebenen Verfahren bei 25 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit

der Begrenzung des Spitzenwertes kann jedoch nicht einfachen Mitteln eine stabile Schaltung zur Durch-

der ideale Zustand erreicht werden, und zwar des- führung von Gütefaktormessungen hoher Genauig-

halb, weil der Referenzwert selbst, der für die Be- keit zu schaffen.

grenzung des Spitzenwertes verwendet ist, sich in- Die Erfindung besteht darin, daß der Verbindungsfolge der Temperaturabhängigkeit, durch Alterung 30 punkt zwischen dem nichtlinearen Element und der u. ä. des nichtlinearen Stabilisationselementes ändert. Begrenzerdiode direkt bzw. über den Widerstands-

Der Grenzwert für die Stabilität und für die Emp- teiler an die Einrichtungen zum Vergleich des Mittel-

findlichkeit der Messung ist unter diesen Bedingun- oder Spitzenwertes angeschlossen ist.

gen von der entsprechenden Bildung des Referenz- Die Erfindung wird im folgenden an Hand der

wertes weitgehend abhängig. 35 Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Es ist zwar möglich, den Mittelwert aus einem F i g. 1 ein Beispiel der bisher verwendeten Schal-

zweiten abgestimmten Referenzkreis zu verwenden, tungsanordnung,

jedoch ist das meistens zu kompliziert und teuer, da F i g. 2 in schematischer Darstellung ein Ausfüh-

eine unabhängige Erregerstufe für jeden der beiden rungsbeispiel der Erfindung,

abgestimmten Kreise notwendig ist. 40 F i g. 3 ein. Ausführungsbeispiel der erfindungs-

Deshalb wird oft eine Begrenzung des Spitzenwer- gemäßen Schaltung.

tes einer freien Schwingung durch eine Begrenzer- Fig. 1 zeigt einen Impulsgeneratori, einen diode und eine Ableitung des Referenzwertes aus Schwingungskreis mit der Spule L und mit dem kadem Spitzendetektor verwendet. Für einen Vergleich pazitiven Teiler C₁, C₂, einen Detektor des Mitteleines Referenz- und Mittelwertes ist außerdem ent- 45 wertes mit der Diode 2 und mit dem Widerstand 3, weder ein Teiler auf der Gleichstromausgangsseite eine Anordnung für den Vergleich des Mittel- und des Spitzendetektors oder ein Wechselstromteiler Spitzenwertes 6, eine Begrenzerdiode 7, ein nicht-(kapazitiver Teiler) auf seiner Eingangsseite notwen- lineares Stabilisationselement 8, das durch einen dig. Der Gleichstromteiler nach dem Spitzendetektor Kondensator 9 überbrückt ist, einen Vorschaltwiderist nicht vorteilhaft. Der Grund dafür liegt darin, "daß 50 stand 10, einen Filterwiderstand 11 mit den Filtrader Spitzendetektor möglichst derselbe wie der De- tionskondensatoren 12,13, Gleichrichter 14,15 mit tektor des Mittelwertes sein muß. Für einen guten der zugehörigen Speisewicklung 16 des Netzstrom-Detektionseffekt auch bei hohen Frequenzen werden transformators.

Dioden mit einem nicht zu kleinen Widerstand in der Die Arbeitsweise dieser bekannten Schaltung ist

Durchlaßrichtung gewählt. Dann muß wegen der ver- 55 folgende:

langten hohen Eingangsimpedanz des Detektors der In dem Schwingungskreis LC₁, C₉ sind freie Gleichstromteiler als hochohmiger Teiler ausgebildet Schwingungen durch den Impulsgenerator 1 erregt, werden. Das ist praktisch nur möglich durch Ver- An dem Belastungswiderstand 3 des Detektors des Wendung von Massewiderstände an Stelle von Draht- Mittelwertes entsteht eine Gleichspannungskompowiderständen. Die Stabilität der Massewiderstände 60 nente, die dem Mittelwert V_st der Umhüllenden der sowie eines Potentiometers ist jedoch ungenügend freien Schwingungen proportional ist. An dem Beniedrig für die vorgesehene Verwendung. In dieser lastungswiderstand 5 des Spitzendetektors wird eine Weise geschaltete Teiler teilen außerdem auch die Gleichspannungskomponente gebildet, die dem Anlaufspannung der Diode des Spitzendetektors, falls Bruchteil des Spitzenwertes F_limx proportional ist, der eine Vakuumdiode verwendet ist. Dadurch wird die 65 durch die Einstellung des kapazitiven Teilers C₁, G, Kompensation von Anlaufströmen des Detektors des gegeben ist. Der Unterschied zwischen diesen Kom-Mittel- und Spitzenwertes gestört und die Meßstabi- ponenten wird durch die Anordnung 6 gemessen, die lität vermindert. Ein kapazitiver Teiler am Eingang z. B. als eine Anoden-Basis-Schaltung mit zwischen

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den Kathoden geschaltetem Zeigerinstrument gebil- wieder eine Gleichspannungskomponente, die dem

det sein kann. Der Spitzenwert F_max einer freien Mittelwert der Umhüllenden entspricht. Die Begren-

Schwingung ist durch die Begrenzerdiode 7 begrenzt, zerdiode 7 hält den Spitzenwert auf dem Wert der

die durch eine stabile Sperrspannung E_z aus dem Sperrspannung E₁, der auf der Zenerdiode 8 mit dem

nichtlinearen Stabilisationselement 8 (gewöhnlich 5 Kondensator 9 in der Begrenzerperiode durch ihre

einer Glimmlampe oder Zenerdiode) gesperrt ist. Die eigenen Stromimpulse gebildet ist.

Sperrspannung E_z entsteht an der Hilfsquelle mit der Der Widerstandsteiler 17,18 ist noch durch das

Wicklung 16 eines Netztransformators mit Hilfe von Potentiometer 19 zur Feineinstellung eines Refe-

Gleichrichtungsventilen 14,15 sowie einem Filter renzsignales komplettiert. Die Anordnung für den

gegen die Wechselkomponenten mit dem Widerstand io Vergleich des Mittel- und Referenzwertes 6 ist als

11 und mit den großen Kondensatoren 12,13. Der Kathodenbrücke geschaltet. Die Meßangabe wird auf

Vorschaltwiderstand 10 dient zur Erreichung eines dem Zeigerinstrument M (200 /tA) abgelesen. Die

genügenden Stabilisationsfaktors des nichtlinearen Diode 2 des Detektors des Mittelwertes ist durch ein

Stabilisationselementes und der Kondensator 9 bildet System der Duodiode 6 B 32 gebildet. Ihr zweites

einen Kurzschluß für Hochfrequenzkomponenten. 15 Diodensystem 2' ist in dem Wege der Referenzspan-

Die Schaltung der Erfindung in Fig. 2 weist einen nung zur Ausgleichung ihrer Anlaufströme angeord-

Impulsgenerator 1, einen Schwingungskreis LC, einen net. Typische Werte der verwendeten Bestandteile

Detektor des Mittelwertes mit der Diode 2 und dem sind in der Abbildung angegeben. Diese Schaltung

Widerstand 3, eine Begrenzerdiode 7, ein nichtlinea- weist eine hervorragende langzeitige Stabilität und

res Stabilisationselement (Zenerdiode) 8, einen Filter- 20 Empfindlichkeit bei der Messung elektrischer (spezi-

kondensator 9, einen Widerstandsteiler 17,18 und fischer) Widerstände und der Dicke von flächenhaften

eine Anordnung für den Vergleich des Mittel- und Meßobjekten aus elektrisch leitendem Material im

Spitzenwertes 6 auf. Ihre Arbeitsweise ist folgende: Bereiche der spezifischen Widerstände von 10'^f>

Die freien Schwingungen in dem Schwingungskreis bis 10"¹ Ohmcm, bzw. im Bereich der Golddicke von

LC sind durch.den Impulsgeneratori erregt. Die 25 50λ (0,005μία) bis 0,1mm auf. Die Abhängigkeit

dem Mittelwert der Umhüllenden proportionale des Gütefaktor des LC-Schwingkreises von der Ent-

Gleichstromkomponente entsteht an dem Wider- fernung des gemessenen Metallobjektes konnte zur

stand 3. Die Begrenzerdiode läßt in der Begrenzer- empfindlichen Messung der Isolationsschichten auf

periode die Stromimpulse durch, die auf der Zener- Metallen ausgenutzt werden, z. B. zur Messung der

diode 8 mit dem angeschlossenen Kondensator 9 eine 30 Oxydätionsschichten auf Aluminium von einigen /cm

Gleichspannung E₇. bilden, die der Zenerspannung und höher.

gleich ist. Die in dieser Weise aufgebaute Referenz- An Stelle des Meßausschlages des Zeigerinstru-

spannung E_iet = E_z entsteht auch auf dem Wider- mentes kann eine auf bekannte Weise abgeleitete

standsteiler 17,18 und sein entsprechender Teil wird Größe zur Signalisierung von Toleranzabweichungen,

der Anordnung für den Vergleich des Mittel- und 35 zur Sortierung oder zur automatischen Steuerung von

Spitzenwertes 6 zugeführt. ■ technologischen Verfahren verwendet werden.

In Fig. 3 ist ein Impulsgenerator veranschaulicht, Vorteilhafte Verhältnisse entstehen besonders in

in dem Vakuumelektronenröhren verwendet sind. Er einer Schaltung, wo das in dieser Weise gebildete

besteht aus einem Kristalloszillator von 10 kHz mit Signal an dem Ausgang der Anordnung für den Ver-

dem Kristall K in dem Pentodenteil der Elektronen- 40 gleich des Mittel- und Referenzwertes zur automa-

löhie ECF 82. In dem Triodenteil entsteht ein ver- tischen Einstellung eines Potentiometers 19 dient,

zerrter Verlauf des Signales, der für die Synchroni- Dadurch wird das am Potentiometer 19 abgezweigte

sation des Multivibrators mit der Elektronenröhre Referenzsignal (z. B. mittels eines Servomotors) so

ECC 82 vorteilhaft ist. Dadurch werden kurze Span- reguliert, daß das Ausgangssignal aus der Anordnung

nungsimpulse für die Steuerung der Endstufe mit der 45 für den Vergleich des Mittel- und Referenzwertes

Elektronenröhre EL 86 gebildet. Ihre Stromimpulse praktisch Null bleibt. Die Meßangabe ist dann von

erregen freie Schwingungen in dem LC-Schwingkreis, der mechanischen Lage des Einstellelementes 19 ab-

der auf 400 kHz abgestimmt ist. Sein Gütefaktor geleitet und die Kraftwirkung des Servomotors kann

wird durch Annäherungen eines zu messenden Ob- zum verlangten Steuerungsverfahren ausgenutzt

jektes O beeinflußt. An dem Widerstand 3 entsteht 50 werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Gütefaktormessung eines Schwingkreises, z. B. eines abgestimmten LC-Kreises oder zur Messung solcher Parameter von induktiv oder kapazitiv angekoppelten dielektrischen oder leitenden Meßobjekten, welche den Gütefaktor des Schwingkreises beeinflussen, durch Auswertung des Mittelwertes (K.,) der Umhüllenden einer freien ' gedämpften Schwingung, die in dem Schwingkreis periodisch erregt wird, wobei die maximale Amplitude (F„_1:ls) der freien Schwingung auf einem bestimmten Wert (E₇) mittels einer Begrenzerdiode begrenzt wird, die durch eine Sperrspannung (E₁) mittels eines nichtlinearen Elementes gesperrt ist, die kleiner als die maximale Amplitude einer freien Schwingung ohne angeschlossene Begrenzerdiode ist, mit einer Einrichtung zum Vergleich eines Mittel- oder Spitzenwertes, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt zwischen dem nichtlinearen Element (8) und der Begrenzerdiode (7) direkt bzw. über den Widerstandsteiler (17,18) an die Einrichtung zum Vergleich des Mittel- oder Spitzenwertes (6) angeschlossen ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle, daß zur Feststellung des Mittelwertes (K._t) der Umhüllenden einer freien gedämpften Schwingung eine Vakuumdiode (2) verwendet ist, eine andere Vakuumdiode (2') zur Kompensation des Anlaufstromes zwischen dem nichtlinearen Element (8) und der Einrichtung zum Vergleich des Mittel- und Spitzenwertes (6) angeschlossen ist.