DE1616908B1

DE1616908B1 - Messschaltung zum Ermitteln der Kapazitätsdifferenz zweier Kondensatoren

Info

Publication number: DE1616908B1
Application number: DE1963R0036695
Authority: DE
Inventors: Tenny Lode
Original assignee: Rosemount Engineering Co Ltd
Current assignee: Emerson Process Management Ltd
Priority date: 1962-12-04
Filing date: 1963-12-02
Publication date: 1970-08-06
Also published as: GB1001806A; SE323142B; US3271669A

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßschaltung zum Ermitteln der Kapazitätsdifferenz zweier Kondensatoren mit einer aus vier gleichsinnig in Reihe liegenden Gleichrichtern bestehenden Gleichrichter-Viereckschaltung, deren erste Diagonale den Meßausgang der Schaltung bildet und bei der die Eckpunkte der zweiten Diagonale je über einen der beiden Kondensatoren an eine Speisewechselspannungsquelle angeschlossen sind.
Eine Meßschaltung dieser Art ist in der deutschen Patentschrift 1007 879 beschrieben, und auch in der USA.-Patentschrift 2766428 findet sich eine Meßschaltung, bei der zwei miteinander zu vergleichende Kondensatoren mit einer anschließenden Gleichrichteranordnung zusammengeschaltet sind.
Der wesentliche Nachteil dieser beiden bekannten Meßschaltungen liegt zum einen in ihrer unbefriedigenden Meßgenauigkeit, die hauptsächlich durch die gewählte Speisungsart begründet ist, durch die sich am Meßausgang Ströme mit wechselnder Richtung ergeben, die sich nicht vorzeichenabhängig weiterverarbeiten lassen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Meßschaltung anzugeben, die sich durch eine gesteigerte Meßgenauigkeit auszeichnet und Ergebnisse liefert, die sich unmittelbar rechnerisch weiterverarbeiten lassen, so daß sie als Befehlsgeber für Steuerkreise verschiedenster Art geeignet ist.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Meßschaltung der eingangs erwähnten Art, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Speisewechselspannungsquelle derart in die Schaltung eingefügt ist, daß deren Meßausgang nur -Ströme einer Richtung liefert.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sind in der Zeichnung Ausführungsbeispiele für Meßschaltungen gemäß der Erfindung wiedergegeben. Es zeigt Fig 1 einen senkrechten Querschnitt durch einen in Verbindung mit den erfindungsgemäßen Meßschaltungen anwendbaren elektromechanischen Wandler, der Drücke in elektrische Kapazitätswerte umsetzt, Fig. 2 das elektrische Ersatzschaltbild für einen Wandler gemäß F i g. 1, F i g. 3 ein Grundschema für die erfindungsgemäße Meßschaltung, Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Meßschaltung, bei dem die mittlere Platte der beiden Kondensatoren geerdet ist, F i g. 5 eine schematische Darstellung eines bevorzugten einfachen Oszillators für die Speisung der erfindungsgemäßen Meßschaltung, F i g. 6 eine Grundschaltung gemäß F i g. 3 in Verbindung mit einem Oszillator gemäß F i g. 5 als Speisewechselspannungsquelle sowie einen Regelkreis zur Steuerung des Produktes aus Frequenz und Amplitude des Oszillators, F i g. 7 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßschaltung, bei dem die Kapazitäten der zu vergleichenden Kondensatoren nach unterschiedlichen Funktionen in das Meßergebnis eingehen, Fig. 8, 9, 10 Beispiele für verschiedenen Funktionen entsprechende Verbindungsmöglichkeiten, Fig. 11 ein Schaltbild für einen ersten modulierten Oszillator zum Betriebe einer erfindungsgemäßen Meß schaltung, Fig. 12 eine zweite Ausführungsform für einen solchen modulierten Oszillator, Fig 13 eine erste Schaltung zur Messung von in einem Verhältnis zueinander stehenden Kapazitätswerten, F i g. 14 eine zweite Schaltung zur Messung von in einem Verhältnis zueinander stehenden Kapazitätswerten und Fig. 15 ein Schaltbild für ein sich selbst abgleichendes System von Kapazitäten.
Gemäß F i g. 1 besitzt der Wandler 10 ein Gehäuse 11, das zwei sich ergänzende Teile, einen ersten, 12, und einen zweiten, 13, aufweist, die durch eine dünne, membranartig nachgiebige Trennwand 14 getrennt sind, die eine erste und eine zweite Druckkammer 15 bzw. 16 voneinander trennt. Eine erste und eine zweite feste Platte 17 bzw. 18 sind innerhalb der Druckkammern 15 bzw. 16 angeordnet und stehen der Trennwand 14 mit einem bestimmten Abstand parallel gegenüber. Ein erster und ein zweiter Druckanschluß 19 bzw. 20 sind von außen zu der ersten bzw. zweiten Druckkarnmer 15 bzw. 16 geführt. Ein erster und ein zweiter elektrischer Anschluß 21 bzw.
22 sind an der ersten bzw. der zweiten festen Platte 17 bzw. 18 befestigt und elektrisch gegenüber dem Gehäuse 11 und der Trennwand 14 isoliert.
Ein Druckunterschied in den Kammern 15 und 16 wölbt die Trennwand 14 in Richtung der den niedrigeren Druck aufweisenden Kammer aus. Dadurch werden die elektrischen Kapazitätswerte zwischen der Trennwand 14 und den beiden festen Platten 17 und 18 verändert. Ein derartiger Wandler findet als Druckdifferenzmeßgerät Anwendung, indem die zu vergleichenden Druckpotentiale an die beiden Druckanschlüsse gelegt werden. Der Wandler kann zur Messung des absoluten Druckes Anwendung finden, wenn eine der Anschlußleitungen 19, 20 verschlossen ist und die entsprechende Druckkammer ein Vakuum oder einen Bezugsdruck aufweist und der anderen offenen Leitung das zu messende Druckpotential zugeführt wird. Besonders geeignete Wandler können zwischen der Trennwand 14 und jeder der beiden festen Platten 17, 18 mittlere Kapazitäten von annähernd 40 Picofarad aufweisen. Bei einer Nenndruckdifferenz betragen die Kapazitäten derartiger Wandler annähernd 34 Picofarad auf der einen Seite und 36 auf der anderen. Gibt man das Ausgangssignal des Wandlers als Differenz der Kapazitäten der festen Platten an, so beträgt der normale Meßbereich zwischen dem niedrigsten und dem höchsten Wert annähernd plus oder minus 20 Picofarad.
Zur Vereinfachung der Darstellung können die erste feste Platte 17 und die membranartige Trennwand 14 als ein erster veränderlicher Kondensator 23 und die zweite feste Platte 18 und die Trennwand 14 als ein zweiter veränderlicher Kondensator 24 betrachtet werden. Ein dritter elektrischer Anschluß 25 ist an der dünnen nachgiebigen Trennwand 14 vorgesehen und mit dem Gehäuse 11 nach Art einer Erdung verbunden, was jedoch nicht immer notwendig ist. Die Trennwand 14 und der elektrische Anschluß 25 können vorzugsweise für spezielle Anwendungsgebiete und Meßkreise elektrisch gegenüber den anderen Teilen des Wandlers 10 isoliert sein.
Fig.2 zeigt das dem Wandler10 gemäß Fig.1 entsprechende Ersatzschaltbild.
Die Schaltungsanordnung gemäß F i g. 3 stellt das Grundschema der vorliegenden Erfindung dar und dient als Anordnung zur einfachen und genauen Anzeige von mit Kapazitätsmeßgeräten ermittelten Differenzwerten.
Der Wandler 10 von Fig. 1 und 2 erhält in Fig. 3 das Ausgangssignal einer Speise-Wechselspannungsquelle 26 über den dritten elektrischen Anschluß 25 an der Trennwand 14 zugeführt. Dieses Ausgangssignal kann beispielsweise eine Sinuswelle von 100 Kilohertz und annähernd 400 Volt Gesamtamplitude sein. Ein erster elektrischer Anschluß 21 ist an dem ersten veränderlichen Kondensator 23 vorgesehen und verbindet diesen mit einer ersten Diode 27, und eine elektrische Ausgangsleitung 28 verbindet diese Diode 27 mit einer Ausgangsklemme 29.
Eine zweite und eine dritte Diode 32 bzw. 33 sind in Serienschaltung mit dem ersten und zweiten elektrischen Anschluß 21 bzw. 22 verbunden, und eine Leitung 34 ist zwischen dem Verbindungspunkt dieser beiden Dioden 32 und 33 und einer Rückführungsleitung 35 vorgesehen. Eine vierte Diode 36 ist zwischen dem zweiten elektrischen Anschluß 22 und der Ausgangsleitung 28 in einer Leitung 37 angeordnet. Diese vier Dioden können vom Typ lN2459 sein.
Für die Dioden ist von besonderer Bedeutung, daß sie schnell ihren Ausgangszustand wieder einnehmen und eine niedrige Speicherladung aufweisen. Ein Glättungskondensator 40 zwischen den Leitungen28, 35 kann vorzugsweise ein oder 2 Mikrofarad betragen; ein Belastungswiderstand 38 zwischen den Leitungen 28, 35 kann einen Widerstand von einigen 100 Ohm oder weniger aufweisen. Ein Meßgerät 39 mit Nullpunkt in Skalenmitte oder andere geeignete Geräte zur Anzeige des Ausgangssignals ist zwischen der Ausgangsklemme 29 und der Rückführungsleitung 35 angeschlossen.
Wenn die Ausgangsspannung der Speise-Wechselspannungsquelle 26 während des Betriebes von ihrem negativen zu ihrem positiven Maximalwert übergeht, lädt der Strom den ersten veränderlichen Kondensator 23 auf, fließt durch die erste Diode 27 und wird als positiver Strom dem Glättungskondensator 40 und dem Belastungswiderstand 38 zugeführt. Der Strom, der den zweiten veränderlichen Kondensator 24 auflädt, fließt durch die dritte Diode 33 und die Leitungen 34 und 35.
Wenn die Ausgangsspannung der Speise-Wechselspannungsquelle 26 von ihrem positiven zu ihrem negativen Maximalwert übergeht, fließt der Strom, der den ersten veränderlichen Kondensator 23 auflädt, durch die zweite geerdete Diode 32, und der Strom, der den zweiten veränderlichen Kondensator 24 speist, wird als negativer Strom dem Glättungskondensator 40 und dem Lastwiderstand 38 zugeführt. Wenn die Drücke innerhalb des Wandlers 10 ausgeglichen sind, d. h., wenn sich die Trennwand 14 in einer Stellung befindet, bei der die Kapazitäten zwischen der Trennwand 14 und jeder der beiden Platten 17, 18 gleich sind, heben sich die positiven und negativen Ströme, die dem Glättungskondensator 40 und dem Belastungswiderstand 38 zugeführt werden, auf, und der reine Gleichstrom durch den Belastungswiderstand 38 ist Null.
Sind die Meßwerte in dem Wandler 10 jedoch nicht ausgeglichen, so werden die Größe und die Richtung der Kap azitäts differenz durch die Größe und die Richtung des Ausgangsgleichstromes durch den Beastungswiderstand 38 angegeben. Weist die äußere ast bei 39 einen niedrigen resultierenden Widerstand auf, so kann der Widerstand 38 je nach den Erforernissen entfallen. Ist die Last bei 39 ein Spannungsmeßkreis mit hohem resultierendem Widerstand, dann kann der Wert des Widerstandes 38 so gewählt werden, daß er jede gewünschte Ausgangsspannung abgibt.
Die Stromgrößen sind leicht errechenbar. Bei beispielsweise einem Betrag von 50 Picofarad an der ersten und der zweiten veränderlichen Kapazität, einer Speisewechselspannungsfrequenz von 100 Kilohertz, einer Speise-Wechselspannungsamplitude von 400 Volt und bei gleichzeitiger Vernachlässigung der Spannungsverluste der Dioden, die gewöhnlich in der Größenordnung von 0,6 Volt liegen, betragen die sich entgegenstehenden Ströme: (50 10-12) (105) (400) = 0,002 Ampere.
Ebenso würden, wenn voraussetzungsgemäß die Belastung einen niedrigen Widerstand darstellt und der Spannungsverlust an der Last vernachlässigt wird, Kapazitäten von 40 und 60 Picofarad Strömen von 1,6 bzw. 2,4 Milliampere entsprechen. Diese 20 Picofarad Abweichung bzw. Differenz in einer Richtung würde einen reinen positiven Strom von 0,8Milliampere in dem Belastungswiderstand 38 hervorrufen, und eine Abweichung von 20 Picofarad in der ananderen Richtung würde einen reinen negativen Strom von 0,8 Milliampere in dem Belastungswiderstand 38 hervorrufen.
Bei einer Last mit niedrigem resultierendem Widerstand ist somit der Ausgangsgleichstrom der Schaltung gemäß Fig. 3 im wesentlichen dem Produkt aus Speisewechselspannungsfrequenz, Speisewechselspannungsamplitude und Kap azitäts differenz proportional.
Der resultierende Scheinwiderstand der Schaltung gemäß Fig. 3 kann dadurch errechnet werden, daß an der Ausgangsklemme 29 eine niedrige Spannung E angenommen wird. Nach dem Ausgleich der veränderlichen Kapazitäten 23, 24 von 50 Picofarad beträgt der gleichgerichtete Strom hinter dem ersten veränderlichen Kondensator 23: (50. 10-12) (105) (400 -und hinter dem zweiten veränderlichen Kondensator 24: (50. 10-12) (105) (400 + E).
DerAusgangsgleichstrom beträgt dann 10-5 E Ampere, was einem resultierenden Scheinwiderstand von 100 000 Ohm entspricht.
Ist die Spannung an der Ausgangsklemme 29 negativ und ungefähr doppelt so groß wie die Diodendurchlaßspannung, so fließt der Strom aus der Ausgangsleitung 28 durch die erste und zweite Diode 27 und 32 zur Erde. Wenn die Ausgangsspannung positiv und ungefähr doppelt so groß ist wie die Diodendurchlaßspannung, so fließt der Strom durch die dritte und vierte Diode 33 und 36 zur Erde. Die Ausgangsspannung ist so auf Werte beschränkt, die kleiner sind als der doppelte Wert der Diodendurchlaßspannung und kann entweder für eine Last mit niedrigem resultierendem Widerstand speisender Strom oder als Generator für kleine Spannungen ausgenutzt werden.
Ferner belastet bei der Schaltung von F i g. 3 die Streukapazität zwischen dem Anschluß 25 und dem Gehäuse 11 bzw. der Erde die Speise-Wechselspannungsquelle 26, ohne das Gleichstromausgangssignal in sonstiger Weise zu beeinflussen. Die Maximalspannung an den beiden festen Platten 17, 18 und damit an den Dioden ist gewöhnlich durch die Diodendurchlaßspannung bestimmt. Bei Verwendung von beispielsweise Silizium-Flächendioden beträgt diese Spannung annähernd 0,5 bis 0,7 Volt. Dies begrenzt die Sperrspannung an den Dioden auf eine Größenordnung von 1 Volt und macht die Schaltung gegenüber der Kapazität zwischen den festen Platten und Erde wegen der niedrigen Wechselspannung an den festen Platten gegenüber Erde relativ unempfindlich.
In Fig. 4 ist eine Schaltung dargestellt, die eine Erdung des Gehäuses 11, der biegsamen Trennwand 14 und des dritten elektrischen Anschlusses 25 gegestattet Gleiche Bauelemente wie in Fig. 3 tragen in Fig. 4 die gleichen Bezugszahlen. Ein zusätzlich angeordneter Transformator 42 besitzt eine Primärwicklung43, die mit der Speise-Wechselspannungsquelle 26 zusammengeschaltet ist, eine zweite Sekundärwicklung 44, die zwischen die Ausgangsleitung 28 und die Erde bei 35 geschaltet ist, und eine erste Sekundärwicklung 45, die zwischen die zweite und dritte Diode 32, 33 und die Erde bei 35 geschaltet ist.
Die Sekundärwicklungen44, 45 weisen gewöhnlich die gleiche Windungszahl auf. Die Arbeitsweise der Schaltung von F i g. 4 entspricht im wesentlichen der der Schaltung gemäß Fig. 3.
Zu Vergleichs- oder Nullmessungen, bei denen die Richtung der Abweichung der Kapazitätswerte bestimmt werden muß, aber die Größe der Abweichung nicht sehr genau gemessen zu werden braucht, ist es nicht erforderlich, die Frequenz oder die Amplitude der Speise-Wechselspannung genau zu steuern. Da jedoch der Ausgangs-Gleichstrom des Kreises gemäß Fig. 3 dem Produkt aus Frequenz und Amplitude der Speise-Wechselspannung proportional ist, ist es erforderlich, dieses Produkt zur genauen Messung der Größe der Kapazitätsdifferenz zu stabilisieren.
Eine Einzelregelung von Frequenz und Amplitude ist auch eine Regelung ihres Produktes. Für die genaue Frequenzsteuerung in Verbindung mit einem getrennten Amplitudensteuerkreis ist die Verwendung eines Kristalloszillators möglich. Um jedoch einen kleinen und gedrängten Aufbau zu erhalten, werden die veränderlichen Kondensatoren vorzugsweise in einem Resonanzschwingkreis betrieben. Der sich daraus ergebende hohe Wirkungsgrad gestattet die Verwendung eines kleinen Oszillators mit niedriger Wärmeentwicklung. Es kann deshalb ein einfacher Oszillator Verwendung finden, bei dem die veränderlichen Kondensatoren des Wandlers einen Teil eines die Resonanzfrequenz bestimmenden Kreises darstellen, wobei die Amplitude gesteuert wird, wenn ein bestimmtes Produkt aus Frequenz und Amplitude gefordert ist.
Ein für diesen Zweck geeigneter Oszillator 67 ist in F i g. 5 dargestellt. In dieser Schaltung ist ein Ausgangstransformator 48 für eine Resonanzfrequenz von annähernd 100 Kilohertz bei einer Belastung von 1000 Picofarad bemessen. Wenn die gesamte Kapazität der veränderlichen Kondensatoren 23 und 24 von Fig. 3 und/oder der sonstigen Belastung 200 Picofarad beträgt, so ist ein zusätzlicher Kondensator mit 800 Picofarad zwischen den Ausgangsklemmen 51 und 52 des Oszillators vorgesehen, um einen Gesamtwert von 1000 Picofarad zu erreichen. Die Gesamtkapazität, die dem Oszillatorausgang aufgeprägt wird, ist in F i g. 5 bei 49 mit gestrichelten Linien angedeutet. Weitere Teile der Schaltung mit speziellen Betriebswerten sind eine Gleichstromquelle 50 und Transistoren 53 und 54. Transistoren vom Typ RT 5212, die von der Firma Rheem Semiconductors bezogen werden können, sind besonders geeignet.
Diese weisen folgende Kenngrößen auf: Silizium NPN, 60 Volt maximale Kollektor-Basis-Spannung oder Kollektor - Emitter - Spannung, NF-Verstärkung in Emitterschaltung etwa 30 und Grenzfrequenz in Basisschaltung annähernd 5 Megahertz. Die Schaltung enthält ferner Dioden 55 und 56, die vom Typ ]N2459 sein können und zur Begrenzung der Emitter-Basis-Sperrspannung und zur Urniadung der Koppelkondensatoren für den nächsten Impuls dienen.
Eine Hauptforderung an diese Dioden besteht darin, daß ihre Erholungszeit in der Größenordnung von 0,5 Mikrosekunden oder darunter liegt. Widerstände 57, 58 können einen Wert von jeweils 10000hm aufweisen, während Widerstände 59, 60 jeweils einen Wert von 100 000 Ohm haben. Ein Widerstand 61 hat einen Wert von 10 Ohm. Kondensatoren 63, 64 können eine Kapazität von 0,1 Mikrofarad aufweisen, während ein Kondensator 65 eine Kapazität von 2 Mikrofarad haben kann. Die Ausgangsspannung der Schaltung von F i g. 5 beträgt annähernd 400Volt mit einem Eingangsgleichstrom von 15 Volt und annähernd 0,15 Ampere.
Die Gleichspannungsquelle 50 kann aus einer an ihrem einen Pol geerdeten Batterie von + 15 Volt bestehen. Zur genauen Messung von Kapazitätsdifferenzen wird jedoch die der Schaltung gemäß F i g. 5 bei 50 zugeführte Gleichspannung so gesteuert, daß sich das gewürrschte Produkt aus Frequenz und Amplitude durch Regelung der Ausgangsamplitude ergibt.
Eine Regelschaltung hierfür ist in F i g. 6 dargestellt. In dieser Schaltung kann der Oszillator 67 dem Oszillator gemäß -F i g. 5 und die Last 68 einer Schaltung gemäß Fig. 3 entsprechen, obgleich auch mehrere Kreise zum Vergleich von Kapazitätswerten als Belastung vorhanden sein können. Der Gleichstromverstärker 69 ist ein invertierender Verstärker, wie er häufig in Analogrechnern und bei Simulations-und Steuersystemen Anwendung findet und die Anforderungen bezüglich Spannung und Strom für den Oszillator erfüllt. Ein Kondensator 70 kann beispielsweise eine Kapazität von 0,47 Mikrofarad haben und ist dem Gleichstromverstärker 69 zur Stabilisierung parallel geschaltet. Ein Kondensator 71 von 220 Picofarad steht mit Dioden 73, 74 vom Typ 1N2459, einem 100-Ohm-Widerstand 75 und zwei 0,47-Mikrofarad-Kondensatoren 77, 78 in Verbindung, wobei diese eine Hilfsschaltung bilden, die annähernd 9,0 Milliampere bei einer Nennfrequenz von 100 Kilohertz und einer Amplitude von 400 Volt zwischen den Maximalwerten führt. Eine Regelvergleichsspannung von -9 Volt, die an einer nicht dargestellten Zener-Diode abgenommen werden kann, wird der Schaltung bei 79 über einen- 1000-0hm-Widerstand 80 zugeführt.
Bei einer Eingangsspannung Null für den Gleichstromverstärker 69 beträgt der durch den Widerstand 80 fließende Strom 9 Milliampere und ist dem 9-Milliampere-Strom, der über den Widerstand 75 fließt, entgegengerichtet und löscht ihn aus. Sollte das Produkt aus Frequenz und Amplitude am Oszillatorausgang steigen, so daß der durch den Widerstand 75 fließende gleichgerichtete Strom steigt, so verursacht das dem Eingang des Gleichstromverstärkers 69 zugeführte positive Signal ein Absinken der Ausgangsspannung des Gleichstromverstärkers, und die Ausgangsamplitude des Oszillators sinkt entsprechend.
Sollte das Produkt aus der Oszillatorfrequenz und der Oszillatorausgangsamplitude unter den Nennwert abfallen, so sinkt der gleichgerichtete Strom am Widerstand 75, und ein negatives Signal wird dem Eingang des Gleichstromverstärkers zugeführt, wodurch die Speisespannung für den Oszillator 67 und damit auch die Oszillatorausgangsamplitude steigt. Die Schaltung gemäß Fig. 6 stellt so ein Rückkopplungssystem dar, das den gleichgerichteten Ausgangs strom der Hilfsschaltung und damit das Produkt aus Frequenz und Amplitude am Oszillatorausgang auf einem gewünschten Wert hält.
Die Regelung oder Stabilisierung der Oszillatorausgangsspannung durch einen mittels der Kondensator-Dioden-Schaltung 73, 74, 77, 78 gemäß F i g. 6 erzeugten Strom stellt ein besonders geeignetes Verfahren dar, da der Regelkreis auf das Oszillatorausgangssignal in annähernd der gleichen Weise anspricht wie Meßkreise, deren Ausgangssignal stabilisiert werden soll. Bei dem beschriebenen und in F i g. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel und bei Anwendung einer Oszillatorschaltung gemäß F i g. 5 wird die Frequenz durch eine zusätzlich am Ausgang des Oszillators bei 25 und 51 vorgesehene 330-Picofarad-Kapazität um ungefähr 15 °/o gesenkt. Der Regelkreis ist jedoch der Oszillatoramplitude so angepaßt, daß das Produkt aus Amplitude und Frequenz, wie es durch einen äußeren, bei 68 dargestellten Kreis angedeutet ist, im Bereich von 0,1 0,1% konstant bleibt.
In dem Ausführungsbeispiel gemä# Fig. 7 wird das Ausgangssignal eines Me#kreises als die Summe aus einem oder mehreren gleichgerichteten Strömen betrachtet, die aus Wechselströmen durch einen Kondensator oder mehrere feste oder veränderliche Konensatoren abgeleitet sind, und die Oszillatoramplitude mit in ähnlicher Weise gleichgerichteten Ströneun, die von Wechselströmen durch einen Kondensator oder mehrere feste oder veränderliche Kondenatoren abgeleitet sind, gesteuert. Die Schaltung geäß Fig. 7 zeigt beispielsweise vier Kondensatoren 1 bis C4, die zwischen den Oszillatorausgang und cht Dioden 81 bis 88 geschaltet sind und Leitungsnschlüsse C1 + bis C4 + und C1- bis C4 - aufeisen. Die C+- und die C--Leitungen können in beliebiger Anordnung an die Ausgangsleitung 0, die rdleitung G oder die Verstärkerregelleitung anerschlossen sein. Das CR-Filter 75, 77, 78 in der #erstärkerregelleitung, der Gleichstromverstärker nd der Oszillator können den obigen Darstellungen ntsprechend ausgeführt sein. Die Bezugsgröße A' n ein Bezugsstrom sein, der dem Verstärker bei 9 gemäß Fig. 6 zugeführt wird, und die Bezugs-@rö#e B ist eine zusätzliche Bezugsspannung, die dem Ausgangskreis bei 89 zusätzlich zu dem von den iapazität-Dioden-Kreisen abgegebenen Strom zueführt wird. Das Ausgangssignal kann, wie bei den orangehenden Ausführungsbeispielen, als Strom in #iner Last mit niedrigem, resultierendem Widerstand der als Spannung an einem Belastungswiderstand emessen werden.
Die große Anzahl von Verbindungsmöglichkeiten wischen den C-Leitungen und den 0-, Grund -Leitungen gemäß Fig. 7 gestattet die Erzeugung #ieler unterschiedlicher Spannungs-Strom-Funktionen er Kapazität. Drei derartige Verbindungsmöglichzeiten sind in den Schaltungen gemäß F i g. 8, 9 und 10 dargestellt, bei denen die C-Klemmen und die 0-, Grund A-Leitungen denen gemäß F i g. 7 entsprechen.
Gemäß Fig. 8 können beispielsweise C1 und C2 den ersten und den zweiten veränderlichen Kondensator der ersten Kapazitätsmeßstrecke mit einer Kapazitätsdifferenz (C1 - C2) darstellen, die einem ersten Druck entspricht, und C3 und C4 können den ersten und den zweiten veränderlichen Kondensator einer zweiten Meßstrecke mit einer Kapazitätsdifferenz (C3-C4) darstellen, die einem zweiten Druck entspricht. Zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals, das dem Verhältnis (C1 - C2)/(C3 - C4) entspricht, sind dann die Diodenleitungen C1+ und C2 - an die Ausgangsleitung 0, die Diodenleitungen C1-, C2+, C3+ und C4- sind an die Erdleitung G und die Diodenleitungen C3- und C4+ an die Verstärkerleitung A angeschlossen. Der Ausgangs strom kann dann durch die Beziehung α(C1 - C2) + B ausgedrückt werden, wobei a dem Produkt aus der Oszillatorfrequenz und der Qszillatorausgangsspannung proportional ist und B einen äußeren Bezugsstrom darstellt, der dem Ausgangskreis bei 89 zugeführt wird. Ebenso ist der der Verstärkersteuerleitung zugeführte Strom -α(C3 - C4) + A', wobei A' den äußeren Bezugsstrom darstellt, der der Verstärkerleitung bei 79 gemäß F i g. 7 zugeführt wird. Für den Ausgleich muß der der Verstärkersteuerleitung zugeführte Gesamtstrom gleich Null sein, d. h. der Bezugsstrom A' muß dem gleichgerichteten Kondensatorstrom α(C3 - Cq) gleich sein, so da# A' α = (C3 - C4) ist. Wird a in dem obigen Ausdruck ersetzt, so kann der Ausgangs strom durch folgende Beziehung ausgedrückt werden: A' (C1 - C2) + B.
(c8-c4) Diese besagt, daß der Ausgangsstrom durch eine erste Konstante mal dem Verhältnis der Kapazitätsdifferenzen plus oder minus einer zweiten Konstante gegeben ist.
Bei einer weiteren Schaltung gemäß F i g. 9, die als elektrischer Ausgang für einen Höhenmesser Anwendung finden kann, sind die Leitung C4- an die Ausgangsleitung 0, die Diodenleitungen C1+, C.-, C3 + und C4 + an die Erdleitung G und die Diodenleitungen C,-, C2 + und C3 - an die Verstärkersteuerleitung A angeschlossen. Die Kondensatoren C, und C2 können veränderliche Kondensatoren eines Kapazitätsmeßkreises und C3 und C4 verstellbare Trimmerkondensatoren sein, die zur Einstellung der Schaltungsparameter Anwendung finden. Demnach ist unter Anwendung von F i g. 8 der Ausgangsstrom C4 A' + B.
(C1 - C2) + C3 Hierbei ist C1-C2 dem Druck annähernd proportional, während der Ausgangsstrom eine nichtlineare, der Höhe anpaßbare Funktion dieser Differenz darstellt. Dem Ausdruck ist zu entnehmen, daßAnderungen der Größe des Bezugsstromes A' und des Kondensators C4 gleichwertig sind. Es bestehen drei unabhängige Verstellmöglichkeiten, nämlich C4 (oder A'), C3 und der Bezugsstrom B. Das tatsächliche Verhältnis der Höhe zu dem atmosphärischen Druck entspricht einer logarithmischen Funktion. Bei geeigneter Verstellung der Kreisparameter ist es jedoch möglich, Ströme zu erzeugen, die der Höhe über einen Bereich von annähernd 12 km und einem Druckbereich von annähernd 6:1 bei einer Genauigkeit von wenigen Prozent entsprechen.
Für eine weitere Anwendungsmöglichkeit, beispielsweise für Flugdatenschreiber, ist es erforderlich, einen der Druckdifferenz genau proportionalen Strom herzustellen, der hinsichtlich der dem Kapazitätsmeßgerät anhaftenden, unbedeutenden Nichtlinearität korrigiert ist. Bei sehr geringen Bewegungen der membranartigen Trennwand 14 des Meßgerätes gemäß F i g. 1 ist das Anwachsen der Kapazität gegenüber einer Platte dem Absinken der Kapazität gegenüber der anderen Platte im wesentlichen gleich.
Nähert sich jedoch die Trennwand stärker einer festen Platte, so steigt die Kapazität gegenüber dieser Platte schneller, als die Kapazität gegenüber der anderen Platte abnimmt. Hier hilft die Erkenntnis, daß, wenn man den Kapazitätswert zwischen einer membranartigen Trennwand und einer festen Platte durch die Summe der Kapazitätswerte zwischen zwei Trennwänden und einer festen Platte teilt, bei der Verwendung eines besonderen Kapazitätsmeßgerätes Druckmeßwerte mit einer größeren Linearität erreicht werden können. Diese Funktion wurde mittels der Schaltung gemäß Fig. 7 und der Schaltung gemäß Fig. 10 erreicht, indem die Diodenleitungen C1+ und C3 -an die Ausgangsleitung 0 und die Diodenieitungen C1- und C2 - an die Verstärkerleitung A angeschlossen wurden. Der Ausgangsstrom betrug dann A' (C1-C3)/(C1+C2) + B, worin C1 und C2 die beiden Kapazitäten eines Me#-gerätes darstellen und C5 ein anpaßbarer Trimmerkondensator ist, der ein Einstellen des Ausgangsstromes auf Null bei einem mittleren Nennwert ermöglicht. C4 und die daran angeschlossenen Dioden werden hierbei nicht benötigt.
Je nach denErfordernissen kann das Grundschema von F i g. 7 für zwei oder mehr Spannungs- und/oder Stromausgänge Anwendung finden. Cl+ kann beispielsweise an eine erste Ausgangsleitung, C1 - an eine erste Erdleitung, -C2 + und C3 + an eine zweite Ausgangsleitung, C2- und Cyan eine zweite Erdleitung, C4+ an Masse, die mit dem Gleichstromverstärkereingang in Verbindung stehen kann, und C4rn an die Verstärkersteuerleitung angeschlossen sein.
Der Strom, der durch den Kreis der ersten Ausgangsleitung in bezug auf die erste Erdleitung zugeführt wird, ist dem Verhältnis 4 proportional. Der Strom, der der zweiten Ausgangsleitung in bezug auf die zweite Erdleitung zugeführt wird, ist dem Verhältnis (C2 + C3) proportional. c4 Für besondere Anwendungszwecke kann es erforderlich sein, einen oder mehrere Ausgänge gemäß F i g. 7 zu haben, zwischen denen und der Verstärkersteuerleitung und dem Erdpotential des Steuerverstärkers Strom fließt Da die Dioden, C+-Leitungen und C- -Leitungen durch Kapazitäten von dem Oszillatorkreis gleichstrommäßig getrennt sind, können sich einzelne gleichgerichtete Stromausgänge gegenüber auf unterschiedlichem Potential befindlichen Gleichstromerdungen oder Bezugsniveaus ergeben.
Bei der erläuterten Anordnung mit doppelten Ausgängen kann die erste Erdleitung ein erstes Bezugspotential, die zweite Erdleitung ein zweites Bezugspotential haben, und die beiden Bezugspotentiale können wahlweise einander gleich sein oder dem Erdniveau des Steuerverstärkers entsprechen. Der Ausgangsbelastungskreis für jeden Ausgang ist zwischen dem Stromausgangspunkt und dem entsprechenden Erdungspunkt vorgesehen.
Eine Vielzahl anderer Anordnungen und Kombinationen ist möglich. Bei besonderen Anwendungen, bei denen die Verstellung des Oszillatorausgangs in Abhängigkeit von einer oder mehreren Kapazitäten oder die Regelung des Oszillatorausgangs nicht erforderlich ist, können die Verstärkerleitung und der Gleichstromverstärker gemäß Fig.7 entfallen und der Oszillator von einer geeigneten Gleichspannungsquelle aus gespeist werden.
In den oben beschriebenen Schaltungen ist die Oszillatoramplitude im wesentlichen konstant oder wird in Abhängigkeit von den Kapazitätsänderungen geringfügig verstellt. Das gleichgerichtete Ausgangssignal des Kondensator-Dioden-Kreises wird unmittelbar verwertet oder einem Gleichstromverstärker zugeführt. Wegen der bekannten Schwierigkeite einer stabilen Gleichstromverstärkung können modulierte Oszillatorkreise für bestimmte Anwendungs gebiete vorteilhaft sein.
Fig. 11 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eine modulierten Oszillatorkreises, der als druckempfind licher Schalter Anwendung findet Bei einer bevor zugten Ausführung entspricht der Oszillator wesentlichen dem Oszillator 67 nach Fig. 5, ein Batterie oder Gleichstromquelle 91 weist eine Span nung von 10 bis 15 Volt auf, und eine Wechselspan nungsquelle 92 erzeugt eine Spannung von Sinusfo und annähernd 100 Perioden pro Sekunde sowie der Größenordnung von 5 bis 10 Volt Der den Oszillator zugeführte Strom stellt somit einen pulsie renden Gleichstrom aus überlagerten Gleich- un Wechselspannungen dar. Ein erster veränderliche Kondensator 93 und ein zweiter veränderlicher Kon densator 94 stellen die Meßelemente eines Kapazi tätsmeßgerätes dar, während ein dritter verbände licher Kondensator 95 und ein vierter veränderliche Kondensator 96 verstellbare Trimmerkondensatore sind. Da das Oszillatorausgangssignal im wesentliche der Eingangsspannung proportional ist, stellt das sic daraus ergebende Ausgangssignal eine Trägerfr quenz von 100 Kilohertz dar, die bei einer Frequenz von 100 Hertz und einer Modulation in der Größe ordnung von 30 bis 70 °/o sinusförmig moduliert is Da der gleichgerichtete Ausgangsstrom des Sonder sator-Dioden-Kreises durch einen Belastungswide stand 97 der Oszillatoramplitude im wesentliche proportional ist, ergibt sich am Ausgang ein pulsi render Strom, der dem Produkt aus den Kapazität werten und dem modulierten Oszillatorausgang signal entspricht. Dieses Wechselstromsignal wird dann bei 100 durch einen Wechselstromverstärker verstärkt, bei 101 synchron zur Wechselspannungsquelle demoduliert und bei 102 mittels eines Gleichstromverstärkers verstärkt.
Wenn die Summe der Kapazitäten 93 und 95 größer ist als die Summe der Kapazitäten 94 und 96, ist die Gleichstromkomponente des Ausgangsstromes des Kondensator-Dioden-Kreises positiv, und die Wechselstromkomponente ändert sich in positiver Richtung, wenn die Oszillatoramplitude größer wird.
Wenn die Summe der Kapazitäten 93 und 95 kleiner ist als die Summe der Kapazitäten 94 und 96, wird die Gleichstromkomponente des Ausgangs stromes negativ, und die Wechselstromkomponente ändert sich in negativer Richtung, wenn die Oszillatoramplitude größer wird. Sowohl die Wechselstrom- wie auch die Gleichstromkomponenten des Ausgangs stromes des Kondensator-Dioden-Kreises zeigen so die Größe und die Richtung der Differenz zwischen den Kapazitäten 93 und 95 und den Kapazitäten 94 und 96 an.
Die Größe des Ausgangswechselstromes gibt die Größe der Kapazitätsdifferenz und seine Phasenlage die Richtung der Kapazitätsdifferenz in bezug auf die Phasenlage der Wechselspannungsquelle an.
Da der Kapazitäts-Dioden-Kreis gemäß Fig. 11 sich wie Wechselstromerzeuger verhält, hängt die Phase der Ausgangswechselspannung sowohl von der Art des resultierenden Widerstandes des Belastungskreises als auch von der Phase des Ausgangs stromes ab. Wenn eine Siebkette 98 zwischen dem Diodenkreis und dem Eingang des Wechselstromverstärkers 100 einen im wesentlichen Ohmschen resultierenden Widerstand für den Diodenkreis bei der Modulationsfrequenz darstellt, entspricht die Phase der dem Wechselstromverstärker 100 zugeführten Spannung im wesentlichen der des Wechselstromausgangssignals.
Sind die Filterkondensatoren groß, so daß die Eingangsimpedanz der Siebkette bei der Modulationsfrequenz primär kapazitiver Natur ist, so bleibt die dem Wechselstromverstärker zugeführte Wechselspannung gegenüber der Phase des Diodenwechselstrom-Ausgangssignals zurück.
Je nach den Anforderungen kann (unmittelbar oder verstärkt) das Ausgangssignal des Demodulators 101 Anwendung finden, um die Größe und die Richtung der Kapazitätsabweichung anzuzeigen. Für bestimmte Anwendungsgebiete ist es jedoch ausreichend, nur die Richtung der Abweichung genau anzuzeigen, wenn beispielsweise die Größe der Abweichung von geringerer Bedeutung ist. Eine derartige Anordnung findet beispielsweise Verwendung als Warnanlage bei Flugzeugen zur Anzeige von außergewöhnlichem dynamischem Druck oder als Fahrtmesser. Hierfür sind die Kapazitäten 93 und 94 zwei veränderliche Kapazitäten eines Meßgerätes, beispielsweise eines solchen gemäß Fig. 1, wobei die Druckkammern pneumatisch an Leitungen für Gesamtdruck und statischen Druck angeschlossen sind. Die Kapazitäten 95 und 96 sind veränderbare Trimmerkondensatoren, die zur Anpassung dienen, so daß das Gleichgewicht sich bei einem Druck einstellt, bei dem die Warnung erfolgen soll. Demnach befindet sich das Flugzeug in sicherer Lage, solange die Kapazität eine Abweichung in einer Richtung aufweist. Eine Kapazitätsabweichung in der anderen Richtung dagegen zeigt eine gefahrvolle Lage an. Hierbei wird die Schaltung gemäß Fig. 11 zum Betriebe eines Relais oder einer geeigneten Gleich- strom-Signalvorrichtung 99 über einen Gleichstromverstärker 102 oder direkt durch den Demodulator 101 verwendet. Andererseits kann der Ausgang des Wechselstromverstärkers 100 oder der Kapazität-Dioden-Kreis an eine phasenempfindliche Wechselstrom-Signaleinrichtung angeschlossen sein.
In der Schaltung von Fig. 11 sind zwei Demodulations- oder Gleichrichtungsvorgänge vorgesehen.
Die erste Demodulation ist die Gleichrichtung des modulierten, beispielsweise 100 Kilohertz betragenden Oszillator-Ausgangssignals mittels des Kapazität-Dioden-Gleichrichterkreises zu dem überlagerten Strom aus Gleich- und Wechselstrom. Der zweite Vorgang bewirkt die Demodulation eines Wechselstromes mit niedriger Frequenz oder eines Ausgangsspannungssignals des Kapazität-Dioden-Kreises mittels eines synchronen Gleichrichters in ein Gleichstromsignal, dessen Polarität der Phase des Ausgangswechselstroms entspricht. Ein besonderer Vorteil modulierter Oszillatorkreise besteht darin, daß weder exakte Bezugsspannungen, -ströme oder -amplituden für Wechselstrom noch stabile Verstärker erforderlich sind. Es ist nur erforderlich, die relative Phase der Wechselstromkomponente des Kondensator-Dioden-Kreisausganges zu messen.
Fig. 12 zeigt ein zweites, abgeändertes Ausführungsbeispiel eines modulierten Oszillatorkreises, der ebenso als druckempfindlicher Schalter verwendet werden kann. In Fig. 12 können der Oszillator 67, die Gleichspannungsquelle 91, die Wechselspannungsquelle 92, der Siebkreis 98 und die Kondensatoren 93, 94, 95, 96 denen der Fig. 11 entsprechen.
Die Kondensatoren 95 und 96 sind jedoch über Dioden 106 bzw. 107 an eine Eingangsleitung 105 des Siebkreises und an die Rückführungs- bzw. Erdungsleitung 108 über Dioden 109 bzw. 110 angeschlossen.
Der auf Grund des Wechselstromdurchgangs durch den Kondensator 95 erzeugte gleichgerichtete Strom weist die gleiche Polarität auf wie der auf Grund des Wechselstromdurchganges durch den Kondensator 93 erzeugte gleichgerichtete Strom. Ebenso hat der auf Grund des Wechselstromdurchganges durch den Kondensator 96 erzeugte gleichgerichtete Strom die gleiche Polarität wie der auf Grund des Wechselstromdurchganges durch den Kondensator 94 erzeugte gleichgerichtete Strom. Der Kondensator 95 ist so im wesentlichen in Parallelschaltung mit dem Kondensator 93 und der Kondensator 96 in Parallelschaltung mit dem Kondensator 94 angeordnet. Ebenso wie gemäß F i g. 11 gestatten die Kondensatoren 95 und 96 eine Einstellung auf Null bei einer gewünschten Differenz zwischen den Kapazitäten der Kondensatoren 93 und 94. ähnliche Schaltungen können zur Messung verwendet werden, wenn das Verhältnis von zwei Gruppen unterschiedlicher Kondensatoren größer oder kleiner ist als ein fester Wert. F i g. 13 zeigt beispielsweise eine Schaltung, die als auf Druckverhältnisse ansprechender Schalter ausgebildet ist. Eine Gleichspannungsquelle 91, eine Wechselspannungsquelle 92, ein Wechselstromverstärker 100, ein synchroner Demodulator 101 und ein Gleichstromverstärker 102 sind in Fig. 13 ähnlich wie in Fig. 11 zusammengeschaltet. Kondensatoren 111 und 112 in Verbindung mit veränderlichen Kondensatoren 93, 94 bilden einen veränderlichen kapazitiven Spannungsteiler, der die Einstellung des Teiles der Oszillatorausgangsspannung ermöglicht, der dem Verbindungspunkt der Kondensatoren 93 und 94 zugeführt wird. Ebenso sind Kondensatoren 113 und 114 mit veränderlichen Kondensatoren 95 und 96 zusammengeschaltet und bilden einen veränderlichen kapazitiven Spannungsteiler, der die Einstellung des Teiles der Oszillatorausgangsspannung ermöglicht, der über eine gemeinsame Leitung den Kondensatoren 95 und 96 zugeführt wird. Für ein vorgegebenes Produkt aus Oszillatorausgangsamplitude und der Oszillatorfrequenz beträgt der gleichgerichtete Ausgangsstrom in Fig. 13: A' (C93C94) +B(C95- C96), wobei A und B Konstanten sind, die den Anteilen der Oszillatorausgangsspannung entsprechen, die den Kondensatoren 93 und 94 bzw. den Kondensatoren 94 und 95 zugeführt werden.
Sind die Kondensatoren 93 und 94 ein erster und ein zweiter veränderlicher Kondensator eines ersten Druckmeßgerätes gemäß F i g. 1 und die Kondensatoren 95 und 96 ein erster und ein zweiter veränderlicher Kondensator eines zweiten derartigen Meßgerätes, so kann der Ausdruck (C98 C94) als einem ersten Druck P und der Ausdruck (c95-c96) als einem zweiten Druck entsprechend angesehen werden. Der Ausgangsstrom der Schaltung von Fig. 13 beträgt dann (A'P-BQ). Wenn dabei das 1> Verhältnis PQ größer ist als das Verhältnis7, weisen die Gleichstrom- und die Wechselstromkomponenten gleiche Polarität und Phase auf. Ist das verhältnis P/Q B kleiner als das Verhältnis AB, besitzen die Polarität und Phase ein entgegengesetztes Vorzeichen. Da das Ausgangssignal eine lineare Kombination der Druckwerte darstellt, kann es kein dem Druckverhältnis direkt proportionales Signal sein. Dies kann jedoch bei Anwendungen von Bedeutung sein, bei denen in erster Linie festzustellen ist, ob das Druckverhältnis oberhalb oder unterhalb eines bestimmten Wertes liegt. Eine derartige Einrichtung kann beispielsweise als Warngerät in Flugzeugen hoher Geschwindigkeit Anwendung finden, wenn das Überschreiten eines vorgegebenen Verhältnisses von statischem zu samtdruck und damit einer bestimmten Mach-Zahl angezeigt werden soll. Häufig ist nur ein kapazitiver Spannungsteiler erforderlich. Beispielsweise können die Kondensatoren 113 und 114 entfallen und der Oszillatorausgang direkt an eine gemeinsame Leitung der Kapazitäten 95 und 96 angeschlossen werden.
Das gemessene Verhältnis wird dann durch die Einstellung der Kondensatoren 111 und 112 gesteuert.
Ebenso können die Kondensatoren 111 und 112 entfallen, der Oszillatorausgang direkt an die gemeinsame Leitung für die Kondensatoren 93 und 94 angeschlossen und das gemessene Verhältnis durch die Einstellung der Kondensatoren 113 und 114 gesteuert werden. Wenn die Schaltung von F i g. 13 zur Messung eines Druckverhältnisses dient, besteht gewöhnlich die Forderung, zwei Druckmeßgeräte vorzusehen, um somit die relative Empfindlichkeit der Meßgeräte zu erhalten, die dem zu messenden Verhältnis annähernd proportional ist, wobei die Kapazitätsänderung pro Einheit der Druckänderung entspricht. Die kapazitiven Spannungsteiler werden dann zur genauen Einstellung benutzt. Zusätzliche Trimmerkapazitäten, die beispielsweise den Kondensatoren 93, 94, 95 und 96 ähnlich wie in Fig. 11 und 12 parallel geschaltet sind, sind dann gewöhnlich erforderlich, aber in -Fig. 13 nicht dargestellt.
F i g. 14 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Verhältnismeßkreis. Wie bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen finden eine Gleichspannungsquelle 91, eine Wechselspannungsquelle 92, ein Wechselstromverstärker 100, ein synchroner Demodulator 101 und ein Gleichstromverstärker 102 in einem geschlossenen System Anwendung. Kondensatoren 121 und 122 stellen die veränderlichen Kondensatoren eines ersten Kapazität-Druckmeßgerätes und Kondensatoren 123 und 124 die veränderlichen Kondensatoren eines zweiten Kapazität-Druckmeßgerätes dar. Die Kondensatoren beider Meßgeräte stehen mit einer Diodenschaltung, wie beispielsweise aus F i g. 3 ersichtlich, in Verbindung. Bei der Schaltung von F i g. 14 erzeugt der erste oder obere Meßkondensator-Dioden-Kreis Gleich- und Wechselstromkomponenten, die dem Ausdruck (C 2, Ct22) entsprechen, während der zweite oder untere Meßkondensator-Dioden-Kreis Gleich- und Wechselstromkomponenten erzeugt, die dem Ausdruck (C123 - C124) entsprechen.
Wenn die beiden Primärwicklungen 126 und 127 eines Transformators 125 gleiche Windungszahlen aufweisen, stellt sich der Nullwert ein, wenn die durch den ersten und den zweiten Meßkondensator-Dioden-Kreis erzeugten Wechselströme gleich sind. Ein größerer durch den ersten oder oberen Kreis erzeugter Wechselstrom mit einer gegebenen Phasenpolarität ruft ein Wechselstromsignal von der Polarität einer ersten Phase hervor, das dem Wechselstromverstärker 100 zugeführt wird. Wenn der durch den ersten oder oberen Kreis erzeugte Wechselstrom mit einer vorgegebenen Phase geringer ist als der durch den zweiten oder unteren Kreis erzeugte, so weist die Spannung an der Sekundärwicklung 128 des Transformators 125 eine entgegengesetzte Phasenpolarität auf.
Wenn die beiden Primärwicklungen des Transformotors 125 unterschiedliche Windungszahlen aufweisen, stellt sich der Nullwert bei einem entsprechenden Stromverhältnis ein. Hat beispielsweise die untere Primärwicklung 126 die doppelte Windungszahl wie die obere Primärwicklung 127, so tritt der Nullwert bei einem durch den oberen Kapazität-Dioden-Kreis erzeugten Strom ein, der doppelt so groß ist wie der durch den unteren Kapazität-Dioden-Kreis erzeugte Wechselstrom. Die Ausgangsströme, die bei einem größeren Verhältnis der Primärwicklungen als beispielsweise 2: 1 auftreten, erzeugen an der Sekundärwicklung 128 des Transformators 125 ein Wechselstromsignal von einer bestimmten Phasenpolarität, während ein Stromverhältnis von weniger als 2:1 an der Sekundärwicklung des Transformators ein Wechselstromsignal von entgegengesetzter Phasenpolarität erzeugt.
Je nach den Anforderungen können wie in F i g. 13 zwischen dem Oszillator und den Kondensatoren 121, 122, 123 und 124 kapazitive Dämpfungsglieder und außerdem wie in Fig. 11 und 12 weitere Trimmerkondensatoren in die Schaltung von Fig. 14 eingefügt werden.
Fig. 15 zeigt ein selbstabgleichendes System für Kapazitäten, das z. B. zur mechanischen Nachlaufsteuerung Verwendung finden kann. Kondensatoren 131 und 132 sind erste und zweite veränderliche Kondesatoren eines Druckmeßgerätes gemäß Fig. 1.
Kondensatoren 133 und 134 sind wie übliche Drehkondensatoren einstellbar und über ein Getriebe oder andere geeignete Übertragungsmittel, wie es durch die gestrichelte Linie 136 schematisch angedeutet ist, mechanisch an einen Wechselstrommotor 135 angeschlossen. Der Siebkreis 98 kann ebenso wie der Oszillator 67, die Gleichspannungsquelle 91, die Wechselspannungsquelle 92 und der Wechselstromverstärker 100 dem von Fig. 11 entsprechen.
Das dem Siebkreis 98 und dem Wechselstromverstärker100 zugeführte Signal stellt die Summe aus mittels der oberen und unteren Kapazität-Dioden-Schaltung erzeugten Signalen dar. Der obere Kapazität-Dioden-Kreis erzeugt einen Wechselstrom, der dem Unterschied zwischen den Kapazitäten der Kondensatoren 131 und 132 entspricht. Der untere Kapazität-Dioden-Kreis erzeugt einen Wechselstrom, der dem Unterschied zwischen den Kapazitäten der Kondensatoren 133 und 134 entspricht. Wenn der Unterschied zwischen den Kondensatoren 133 und 134 nicht dem Unterschied zwischen den Kondensatoren 131 und 132 entspricht, wird dem Siebkreis 98 ein reines Wechselstrom-Fehlanzeigesignal zugeführt, das durch den Wechselstromverstärker 100 verstärkt auf den Wechselstrommotor 135 gegeben wird. Der Wechselstrommotor 135 arbeitet ähnlich einem synchronen Demodulator, sein Ausgangs signal stellt eine mechanische Drehung der Motorwelle und damit der Kondensatoren 133 und 134 dar.
Bei geeigneter Überwachung der Phasen und Polaritäten stellt der Wechselstrommotor 135 die Kondensatoren 133 und 134 so ein, daß ihr Unterschied dem Unterschied zwischen den Kondensatoren 131 und 132 entspricht und diesem laufend angepaßt wird.

Claims

Patentansprüche: 1. Meßschaltung zum Ermitteln der Kapazitätsdifferenz zweier Kondensatoren mit einer aus vier gleichsinnig in Reihe liegenden Gleichrichtern bestehenden Gleichrichter-Viereckschaltung, deren erste Diagonale den Meßausgang der Schaltung bildet und bei der die Eckpunkte der zweiten Diagonale je über einen der beiden Kondensatoren an eine Speise-Wechselspannungsquelle angeschlossen sind, dadurch gekennzeichn e t, daß die Speise-Wechselspannungsquelle (26) derart in die Schaltung eingefügt ist, daß deren Meßausgang (28, 34) nur Ströme einer Richtung liefert (Fig. 3).
2. Meßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speise-Wechselspannungsquelle (26) einerseits über eine erste Verbindungsleitung (25) mit dem Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren (23 und 24) und andererseits über eine zweite Verbindungsleitung (35) einem Eckpunkt der ausgangsseitigen Diagonale der Gleichrichter-Viereckschaltung verbunden ist (Fig. 3).
3. Meßschaltung nach Anspruch 2 mit Anschluß der Speisespannungsquelle an die Gleichrichter-Viereckschaltung über einen Transformator, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (42) eine zweite Sekundärwicklung (44) aufweist, deren eines Ende über einen Kondensator (40) an ein Festpotential angeschlossen ist und deren zweites Ende mit dem zweiten Eck- punkt der ausgangsseitigen Diagonale der Gleichrichter-Viereckschaltung verbunden ist (Fig.4).
4. Meßschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit der zweiten Sekundärwicklung (44) ein Ohmscher Widerstand (38) in Reihe geschaltet ist (Fig. 4).
5. Meßschaltung nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den der Gleichrichter-Viereckschaltung zugewandten Enden der beiden Sekundärwicklungen (44 und 45) ein Kondensator eingefügt ist (F i g. 4).
6. Meßschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren (23 und 24) geerdet ist (Fig. 4).
7. Meßschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Konstanthaltung des Produktes aus der von der Speise-Wechselspannungsquelle abgegebenen Frequenz und Amplitude ein Oszillator (67) über einenVerstärker (69) rückgeführt ist, dem außer dem Ausgangssignal der Speise-Wechselspannungsquelle (26) die Spannung (A') einer Bezugsspannungsquelle (79) zugeführt wird (Fig. 6).
8. Meßschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Rückführungszweig an den Oszillator (67) ausgangsseitig ein Kondensator (71) als kapazitive Last angeschlossen ist (F i g. 6).
9. Meßschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (71) so bemessen ist, daß er während jeder Halbperiode der Oszillatorausgangssp annung umgeladen wird (Fig. 6).
10. Meßschaltung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (71) über eine die Belastungsverhältnisse durch die Meßkreise für den Regelkreis nachbildende Hilfsschaltung mit Kondensatoren (77,- 78) mit dem Eingang des Verstärkers (69) verbunden ist (Fig. 6).
11. Meßschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsschaltung außer den Kondensatoren (77, 78) Dioden (73, 74) enthält (Fig. 6).
12. Meßschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung und Polung der Gleichrichter (27, 32, 33, 36) der Gleichrichter-Viereckschaltung so gewählt ist, daß der erste Kondensator (23) während der einen Halbperiode und der zweite Kondensator (24) während der anderen Halbperiode von der Speise-Wechselspannungsquelle (26) über die Last gespeist wird (F i g. 3).
13. Meßschaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (67) als Resonanzoszillator ausgebildet ist und die beiden Kondensatoren (23 und 24) in seinem frequenzbestimmenden Zweig enthält (Fig. 6).
14. Meßschaltung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Last aus einem Ohmschen Widerstand (38), einem dazu parallelgeschalteten Kondensator (40) und einem ebenfalls parallel dazu angeordneten Strommesser (39) besteht (Fig. 3).
15. Meßschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Speise-Wechselspannungsquelle (26) eine ihre Grundfrequenz mit einer niedrigeren Modulationsfrequenz modulierende Modulatorstufe (92) enthält und an den Meßausgang (28, 34) eine Demodulatorstufe (101) angeschlossen ist (Fig. 11).
16. Meßschaltung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulatorstufe (92) mit einer unipolaren Spannungsquelle (91) in Reihe geschaltet ist (Fig. 11).
17. Meßschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Meßkondensatoren (93 und 94) je ein Abgleichkondensator (95 bzw. 96) parallel geschaltet ist <Fig. 11).
18. Meßschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der Speise-Wechselspannungsquelle (26) zwei Paare von Meßkondensatoren (93 und 94 bzw. 95 und 96) angeschlossen sind (Fig. 13).
19. Meßschaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkondensatorpaare (93, 94 und 95, 96) über jeweils einen einstellbaren Kondensator (111 bzw. 113) an die Speise-Wechselspannungsquelle angeschlossen sind (Fig. 13).
20. Meßschaltung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Verbindungspunkten der Meßkondensatorpaare (93, 94 und 95, 96) und einem gemeinsamen Festpotential jeweils ein einstellbarer Kondensator (112 bzw. 114) eingefügt ist.
21. Meßschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Meßkondensatoren (93 und 94) und ihrer Gleichrichter-Viereckschaltung jeweils ein dritter bzw. vierter veränderlicher Kondensator (95 bzw. 96) über je ein eigenes Gleichrichterpaar (106, 109 bzw. 107, 110) parallel geschaltet ist (Fig. 12).
22. Meßschaltung nach einem der. Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der Speise-Wechselspannungsquelle (26) zwei Paare von Meßkondensatoren (131, 132 und 133, 134) angeschlossen sind und die Meßausgänge der zugehörigen GIeichrichter-Viereckschaltungen mit einem Servomotor (135) für die Verstellung der Meßkondensatoren (131, 132, 133 und 134) verbunden sind (Fig. 15).
23. Meßschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der Speise-Wechselspannungsquelle (26) zwei Paare von Meßkondensatoren (121, 122 und 123, 124) angeschlossen sind, deren zugehörige Gleichrichter-Viereckschaltungen jeweils eine von zwei Primärwicklungen (126 bzw. 127) eines Ausgangstransformators (125) speisen, dessen Sekundärwicldung (128) das Meßsignal abgibt (Fig. 14).
24. Meßschaltung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, da# die beiden Primärwicklungen (126 und 127) des Ausgangstransformators (125) unterschiedliche Windungszahlen aufweisen (Fig. 14).
25. Meßschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dahin abgewandelt, daß die Meßkondensatoren und ihre Gleichrichter-Viereckschaltung durch eine Mehrzahl von Kondensatoren (C1 bis C4) mit jeweils einem nachgeschalteten Gleichrichterpaar (81, 82; 83, 84; 85, 86; 87, 88) und damit zwei Ausgangsklemmen (C + bis C4~) ersetzt sind (F i g. 7).
26. Meßschaltung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß vier Kondensatoren (C1 bis C4) vorgesehen sind, wobei die erste Ausgangsklemme (C1+) des ersten Kondensators (Cl) und die zweite Ausgangsklemme (C-) des zweiten Kondensators (C2) an die erste Ausgangsklemme (0), die zweite Ausgangsklemme (C1- und C4-) des ersten und des vierten Kondensators (C1 bzw. C4) und die erste Ausgangsklemme (C2+ und C3 +) des zweiten und des dritten Kondensators (C2 bzw. Cs) an die zweite Ausgangsklemme (G) und die zweite Ausgangsklemme' (C,-) des dritten Kondensators (cis) und die erste Ausgangsklemme (C4 +) des vierten Kondensators (C4) an die Eingangsklemme (A) der Hilfsschaltung (77, 78) im Rücklührungszweig der Speise-Wechselspannungsquelle angeschlossen sind (F i g. 8).
27. Meßschaltung nach Anspruch 25 zur Verwendung als Höhenmesser, dadurch gekennzeichnet, daß vier Kondensatoren (C1 bis C4) vorgesehen sind, wobei die ersten Ausgangsklemmen (C1+, C3 + und C4 +) des ersten, dritten und vierten Kondensators (C C und C4) und die zweite Ausgangsklemme (c'2 2) des zweiten Kondensators (C2) an die zweite Ausgangskiemme (G) angeschlossen sind, die erste Ausgangsklemme (C2+) des zweiten Kondensators (C2) und die zweite Ausgangsklemme- (C1- und C8-) des ersten und des dritten Kondensators (C1 und C3) an die Eingangsklemme (A) der Hilfsschaltung (77, 78) im Rüclsführungszweig der Speise-Wechselspannungsquelle angeschlossen sind und die zweite Ausgangsklemme (C4 -) des vierten Kondensators (C4) an die erste Ausgangsklemme (0) angeschlossen ist (F i g. 9).
28. Meßschaltung nach Anspruch 25 zur Verwendung als druckempfindlicher Schalter, dadurch gekennzeichnet, daß drei Kondensatoren (C1 bis C3) vorgesehen sind, wobei die erste Ausgangsklemme (C1+) des ersten Kondensators (Cl) und die zweite Ausgangsklemme (C3-) des dritten Kondensators (C3) an die erste Ausgangsklemme (0) angeschlossen sind, die erste Ausgangsklemme (C2+ und Q+) des zweiten und des dritten Kondensators (C2 und C3) an die zweite Ausgangsklemme (G) und die zweiten Ausgangsklemmen (C1- und C2-) des ersten und des zweiten Kondensators (Ct und C2) an die Eingangsklemme (A) der Hilfsschaltung (77, 78) im Rückführungszweig der Speise-Wechselspannungsquelle angeschlossen sind (F i g. 10).