DE1766977A1

DE1766977A1 - Messgeraet zur Impedanzmessung

Info

Publication number: DE1766977A1
Application number: DE19681766977
Authority: DE
Inventors: Grangaard Jun Orrin H
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1967-08-25
Filing date: 1968-08-23
Publication date: 1971-09-23
Also published as: GB1174549A; SE338177B; FR1584790A; US3444738A

Description

- 4*766977

02-4102 Ge Prankfurt am Main,

den

2 2. Aug. 1968

HONEYWELL INC.
2701 Fourth Avenue South
Minneapolis, Minn., USA

Meßgerät zur Impedanzmessung ·

Die Erfindung betrifft ein rückgekoppeltes Meßgerät zur Impedanzmessung oder Messung einer von der Impedanz abhängigen Größe.

Es ist bekannt, bei der Messung der Höhe eines Plüssigkeitsspiegels, beispielsweise beim Messen der Treibstoffmenge eines Plugzeuges, zwei eine kapazitive Impedanz ..bildende Elektroden zu verwenden, die in die Flüssigkeit eintauchen. Da sich entsprechend der Höhe des Plüssigkeitsspiegeis die kapazitive Impedanz ändert, ist diese Impedanzänderung ein Maß für die Flüssigkeitsspiegelhöhe. Es ist weiterhin bekannt; diese Impedanz entweder mit Hilfe einer elektromechanischen Einrichtung zu messen oder sie in einen Schwingkreis einzubauen, dessen Schwlngungsfrequenz sich mit der Impedanzänderung verändert. Nachteilig bei den ge-, nannten Meßgeräten ist, daß elektromechanische' Systeme sich relativ schnell abnutzen, anfällig gegen Beschädigungen sind und im Vergleich zu rein elektrischen Systemen langsam arbeiten.

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Bei der Verwendung der Schwingungsfrequenz eines Schwingkreises als Maß für die Höhe eines Flüssigkeitsspiegels benötigt das Meßsystem einmal eine erhebliche Bandbreite und zum anderen ist ein Umsetzer notwendig, der das Frequenzsignal in ein zur Betätigung einer Anzeige geeignetes Signal umwandelt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Meßgerät zur Impedanzmessung oder Messung einer von der Impedanz abhängigen Größe zu offenbaren, das rein elektrisch arbeitet, ohne einen besonderen Umsetzer auskommt und bei dem zur Verminderung des Einflusses von Störstrahlung nur eine einzige Schwingungsfrequenz verwendet wird. Darüberhinaus soll das Meßgerät weitgehend ohne Induktivitäten aufgebaut sein, da sich diese bei integrierter Bauweise nur schwer darstellen lassen.

das Meßgerät Im Prinzip wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß / einen die zu messende veränderliche Impedanz enthaltenden Integrator, einen an den Ausgang des Integrators angeschlossenen, eine vorgegebene Verstärkungscharakteristik aufweisenden Verstärker mit veränderbarer Verstärkung und ein zwischen dem Ausgang dieses Verstärkers und und dem Eingang des Integrators liegendes frequenzbestimmendes Netzwerk solcher Bemessung aufweist, daß die Summe der zum Integrator, Verstärker und Netzwerk gehörigen Phasenwinkel gleich Null und die Gesamtverstärkung konstant gleich Eins ist und Frequenz sowie

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Amplitude der erzeugten Schwingung konstant bleiben, und daß der jeweilige Verstärkungsgrad des Verstärkers mit veränderbarer Verstärkung als Maß für den Wert der zu messenden veränderlichen Impedanz dient.

In weiterer Ausgestaltung des Meßgerätes empfiehlt es sich, daß der Integrator einen Verstärker aufweist, dessen Eingang

über einen Widerstand an den Eingang des Integrators ange- ^

schlossen ist und daß der Verstärkerausgang zumindest über die zu messende veränderliche Impedanz mit dem Verstärkereingang verbunden ist.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist das Meßgerät derart ausgestaltet, daß der Verstärker mit veränderbarer Verstärkung mit einem Differenzverstärker und mit einer Signalumwandlungsschaltung versehen ist, wobei der Wert des von der Signalumwandlüngsschaltung abgegebenen ersten Signals von der Amplitude des Verstärkereingangssignales abhängt und daß der Verstärker mit veränderbarer Verstärkung eine ein Bezugssignal abgebende Vergleichsspannungsquelle und eine' Integrierschaltung zur Integration der Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Signal und der Bezugs spannung sowie eine Begrenzerschaltung zur Begrenzung der von Spitze zu Spitze gemessenen Verstärkerausgangsspannung auf einen von der integrierten Differenzspannung abhängigen Wert aufweist.

Es ergibt sich eine besonders günstige Lösung, wenn die Signal-

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Umwandlungsschaltung mit einem Kondensator versehen ist, dessen eine Belegung an den Ausgang des Integrators angeschlossen ist, während, die andere Belegung einerseits mit dem einen Eingang des Differenzverstärkers und andererseits über die Reihenschaltung eines Gleichrichters und eines Widerstandes mit einer zweiten Bezugsspannungsquelle in Verbindung steht,derart, daß sich der Kondensator auf einen Wert auflädt, der sowohl von der Größe der zweiten Bezugsspannung als auch von der Schwingungsamplitude am Eingang des Verstärkers mit veränderbarem Verstärkungsgrad abhängt.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Konstruktion empfiehlt es sich darüberhinaus, daß das frequenzbestimmende Netzwerk, der Integrator und der Verstärker mit veränderbarer Verstärkung nur aus Verstärkerelementen, Widerständen und Kapazitäten aufgebaut sind, da sie auf diese Weise einfach in integrierter •Bauweise hergestellt werden können.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert, dessen Aufbau in der Zeichnung dargestellt ist. Hierin zeigt

Figur 1 das Blockschaltbild des prinzipiellen Aufbaues des erfindungsgemäßen Meßgerätes, ·

Figur 2 und J5 Funktionskurven von in dem erfindungsgemäßen Meßgerät verwendeten Bauteilen,

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Figur 4 und 5 Schaltbilder von in Figur 1 dargestellten Baugruppen und .

Figur 6 das Schaltbild eines besonderen, gemäß der Darstellung nach Figur 1 aufgebauten erfindungsgemäßen Meßgerätes.

Das im folgenden zu beschreibende Meßgerät dient hauptsächlich als kapazitiv messender Flüssigkeitsmesser, ähnlich . " den Meßgeräten, wie sie gewöhnlich zur Messung der Treibstoffmenge in den Flugzeugtanks von der Flugzeugindustrie verwendet werden. Das Meßgerät kommt ohne eine eigene Wechselstromquelle aus. Zu diesem Zweck besitzt es einen Schwingkreis, der, wie weiter unten noch beschrieben wird, automatisch ein Signal erzeugt, dessen Wert von der Kapazität eines Meßfühlers abhängt, der mit einem Teil des Schwingkreises verbunden ist. Das Meßgerät kann natürlich auch für andere Zwecke angewendet werden, beispielsweise zur Messung einer veränderlichen . g Impedanz oder irgendeiner anderen Größe,· bei deren Änderungsich die Impedanz nach irgendeiner bestimmten Gesetzmäßigkeit ebenfalls ändert. ' · ·

Wie in Figur 1 gezeigt, weist der grundsätzliche Aufbau des Meßgerätes ein frequenzbestimmendes Netzwerk 10, einen Integrator 12 und einen Verstärker mit veränderbarer Verstärkung 14 auf. Das frequenzbestimmende Netzwerk hat die Eingangsklemme 26 und die Ausgangsklemme J>0, der Integrator hat die

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Eingangsklemme l6 und die Ausgangsklemme l8_;und der Verstärker hat die Eingangsklemme 20 und die Ausgangsklemme 24. Die Ausgangsklemme 30 des frequenzbestimmenden Netzwerkes 10 ist über die Leitung 32 mit der Eingangsklemme 16 des Integrators 12 verbunden. Die Leitung 22 verbindet die Ausgangsklemme 18 des Integrators 12 mit der Eingangsklemme 20 des Verstärkers 14. Schließlich ist die Ausgangsklemme 24 des Verstärkers 14 über die Leitung ,28 an die Eingangsklemme 26 des frequenzbestimmenden Netzwerkes 10 , angeschlossen. Die einzelnen, in dieser Beschreibung angegebenen Ein- und Ausgangsklemmen stellen wie üblich jeweils ein Klemmenpaar dar, von denen jeweils eine der beiden Klemmen an ein bestimmtes Bezugspotential (meist Massepotential) angeschlossen ist.

Der Integrator 12 ist mit einem Widerstand 34, einem Gleichstromverstärker mit hoher Verstärkung 36 und einer Kapazität 38 versehen. Der Verstärker 36 hat die Eingangsklemme 13 und sein Ausgang ist mit der Klemme. l8 verbunden. Zwischen den Klemmen I? und l6 liegt Axx bfttinrxtxwA der Widerstand 34, die Kapazität 38 liegt zwischen den Klemmen 13 und l8. Die Kapazität 38 gehört zu dem kapazitiv arbeitenden" PlUssigkeitspegelfUhler. Da sich ihr» Kapazitätswert mit der Höhe des Flüssigkeitspegels ändert, ist sije als veränderliche Kapazität dargestellt..Bei Tretbstoffmengenmessern in Plugzeugen

aus kann die Kapazität 38 beispielsweise/einer Vielzahl von ein-

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zelnen Kapazitätsfühlern bestehen, die einander parallel geschaltet sind. Die zwischen der Klemme 18 und dem Masse-

42 ...

potential j51 liegende Kapazität/ist über eine mit Strichlinien angedeutete Leitung angeschlossen. Sie ist eine Ersatzkapazität und steht für die .Kapazität des den Kondensator 38 mit der Klemme l8 verbindenden Leitungsstückes gegen Masse. Im Bereich der Flüssigkeitspegelmessung wird dieses Leitungsstück oft die Niederohmige-Leitung genannt ^

und die Kapazität 42 entspricht dem Aufladungseffekt der niederohmigen Leitung gegenüber Masse. Die zwischen de'r Klemme 13 und dem Massepotential 3I liegende Kapazität 44 entspricht demgemäß der Kapazität des LeitungsStückes zwischen Klemme I3 und Kondensator 38 gegen Masse. Dieses Leitungsstück wird oft als hochohmige Leitung bezeichnet und die Kapazität 44 stellt den kapazitiven Aufladungseffekt der hochohmigen Leitung gegen Masse dar. Die Wirkungsweise des Systemes wird durch die Aufladung an der Klemme l8 gegenüber Masse nicht nachteilig beeinflußt, so lange die Ausgangsimpedanz des Verstärkers 3^ niedrig genug ist. Dementsprechend wird der AWladungseffekt an der Klemme I3 gegenüber Masse die Wirkungsweise des Systemes nicht nachteilig beeinflussen, so lange das Verhältnis der Verstärkung des Verstärkers bei offenem Kreis gegenüber der Verstärkung bei geschlossenem Kreis groß genug ist. Daher ist es wichtig, daß die Verstärkung des Gleichstromverstärkers 36 einen genügend großen Wert hat.

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Durch die Anwendung der Rückkopplungstechnik an diesem kritischen Punkt des Meßgerätes, erhält man eine gute . Stabilität bei Änderungen der Parameter oder des Zustands der Umgebung. Die in Figur 1 gezeigte Rückkopplungsschleife arbeitet mit einer positiven Rückkopplung. Bei einem bestimmten Wert der Gesamtverstärkung in der Schleife, beispielsweise eins, werden in'ihr Schwingungen erzeugt. Die Gesamtverstärkung in der Schleife ist hauptsächlich bestimmt durch die Kapazität des Kondensators JQ und die Verstärkung des Verstärkers 14. Es läßt sich nachweisen, daß nur dann Schwingungen auftreten, wenn die Verstärkung des Verstärkers 14 der Kapazität des Kondensators jQ proportional ist. Außerdem muß die Verstärkungscharakteristik dieses Verstärkers wegen der anderen Bauteile im Kreis so sein, daß unmodulierte Schwingungen, d.h. Schwingungen mit im wesentlichen konstanter Amplitude, erzeugt werden.

Zum besseren Verständnis kann man sich dazu folgendes klarmachen. Der gesamte Kreis wirkt als ein Oszillator und in der Übergangsfunktion jedes Oszillators taucht folgender

• · - ■

Ausdruck auf

^Eaus = 1 *i

————— . u

%in s² + Ks + 1

komplexe
wobei s der/Laplace Operator, K eine Konstante und G^f eine Störfunktion ist. Im Meßgerät nach Figur 1 ändert sich die Größe K mit der.Verstärkung des Verstärkers 14 und den anderen Komponenten des Kreises..Ungedämpfte Schwingungen

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werden in der Gesamtschleife nur auftreten, wenn die Größe K Null'ist. Angenommen K ist Null und es treten Schwingungen auf, so hängt die Amplitude dieser Schwingungen einzig von der Größe der Störfunktion G' ab. Beim Auftreten von Rauschen, was sich in diesem Falle gar nicht verhindern läßt, erhält man eine kontinuierliche Folge von Storfunktionen und es muß ein Weg gefunden werden, wie man die Höhe der Schwingungen im linearen Arbeits- ' m bereich der verschiedenen Kreiskomponenten halten kann, überschreitet die Höhe'der Schwingungen ein erlaubtes· Maß, so muß K etwas positiv werden, damit die Amplituden der Schwingungen im zulässigen Bereich bleiben. Unterschreiten auf der anderen Seite die Schwingungen einen erlaubten Bereich, so muß K etwas negativ werden, damit die Amplituden dieser Schwingungen wieder im zulässigen Bereich liegen.

Daher sind bei vorhandenen Rauschquellen die Schwingungen ™ einer Amplitudenmodulation ausgesetzt und um dieses zu verhindern, ist eine automatische Verstärkungsregelung (AVR) notwendig. Die Frequenzänderung des AVR-Kreises muß angemessen sein, d.h. der Kreis muß schnell aber ohne bei großen Störfunktionen Überzuschwingen wirksam sein.

Reagiert der AVR-Kreis nicht schnell genug, so schwingt ·

die Amplitudenhöhe der Schwingung zwischen irgendeinem

Sättigungspunkt und Null hin und her, was sehr ungünstig

ist. In der Praxis tritt die größte Stör.funktion beim Ein-

■ '109839/047 3

schalten des Systemes auf. Da schon geringste Abweichungen des Wertes von K ausreichen, um sehr schnell Änderungen der Schwingungsamplitude zu erzielen, ist es wichtig, daß die automatische Verstärkungsregelung stark genug gedämpft ist, damit keine Überschwingungen auftreten. Gleichzeitig muß aber auch die automatische Verstärkungsregelung schnell genug arbeiten, um auszuschließen, daß irgendeine der Baugruppen in die Sättigung geführt wird. .Wird die Sättigung erreicht, so werden die Gleichstromvorspannungswerte im ganzen Kreis gestört, wodurch, wenn der AVR-Kreis das System aus der Sättigung fUhrt, eine neue Störfunktion ausgelöst wird, sobald sich der alte Vorspannungspegel wieder einstellt. Daraus ergibt sich, daß der Aufbau der automatischen Verstärkungsregelung und ihre Reaktionszeit kritisch ist.

Schwingungen mit konstanter Amplitude werden erzeugt, wenn der Verstärker mit veränderbarer Verstärkung 14 die in Figur 2 gezeigte Verstärkungscharakteristik aufweist. In Figur 2 ist die Ausgangsspannung E_Q„_edes Verstärkers lh in Abhängigkeit von der Eingangsspannung E. aufgezeichnet. Hierbei wird nur die Grundfrequenz der Schwingung betrachtet. Die Verstärkungscharakteristik läßt sich in drei Gebiete aufteilen, das Gebiet des linearen Anstiegs und die zwei Sättigurigsgebiete. Das lineare Gebiet 1st symmetrisch zum Nullpunkt des Achsensystemes, d.h. das Verhältnis von Ausgangsspannungeänderung zu Eingangsspannungs-

109139/047$

■it e

änderung, ist irgendein von Null verschiedener Wert. Im Sättigungsgebiet der Verstärkungskurve ist das Verhältnis von Ausgangsspannungsäirerung zur Eingangsspannungsänderung Null. Der Absolutwert der positiven und der negativen Sättigungsspannung jacfc E„. ist so gewählt, daß die Spannung im linearen Bereich aller in der Schaltung nach Figur 1 vorgesehenen Baugruppen und Bauteile bleibt. Das bedeutet, daß der Verstärker mit veränderbarer Verstärkung lh eher als alle anderen Bauteile und Baugruppen des Systemes die Sättigung erreicht. Die Verstärkung des Verstärkers I^ ist in seinem linearen Bereich am größten und im Bezug auf die Verstärkung der anderen Bauelemente der Schleife so geviählt, daß für die Schleife insgesamt eine genügende Verstärkung erreicht wird und das System unabhängig von der jeweiligen Größe der Kapazität 38 immer schwingt. Es ist verständlich, daß die Verstärkungscharakteristik zumindest in erster Nahrung den Wert

E I

A ei * aus . _t

wobei A die Verstärkung, ^E _aus ^die Ausgangs spannung der Grundfrequenz und E. die Eingangsspannung ist. Durch diese

öLil

Gleichung ist eine stabile Schwingung im Kreis gegeben, da die Verstärkung durch die Amplitude bestimmt ist und die Amplitude der Eingangsspannung ansteigt, sobald die Verstärkung abfällt. Durch diese Form der negativen Rückkopplung ist die Stabilität des Kreises gewährleistet.

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Die Schaltung eines Verstärkers mit der eben beschriebenen Charakteristik und der notwendigen AVR-Charakteristik ist in Figur 4 gezeigt. Die Eingangsklemme 20 dieses Verstärkers

der
14 ist mit/Anode der Diode 62 verbunden, deren Kathode an die Klemme 66 angeschlossen ist. Der Widerstand 64 liegt zwischen der Klemme 66 und dem Massepotential 31» während sich ein zweiter Widerstand 68 zwischen der Klemme 66 und dem invertierenden Eingang .70 eines Differenzverstärkers 72 befindet. Die Klemme 76, an die eine Gleichstrombezugsspannung V₁₃₁^ angeschlossen ist, ist mit dem nichtinvertierenden Eingang 74 des Verstärkers 72 verbunden, während der Ausgang 78 dieses Verstärkers zur Klemme 80 geführt ist. Die RUckkopplungskapazität 86 liegt zwischen der Klemme 80 und der Eingangsklemme 70 des Verstärkers 72. Die beiden Dioden 82 und 84 liegen in Serienschaltung zwischen der Klemme 80 und dem Massepotential 3I. Der Verbindungspunkt 90 der beiden Dioden 82 und 84 ist zu der Klemme 24 geführt, die die Ausgangsklemme des Verstärkers rn.it veränderbarer Verstärkung 14 bildet und.die über die Leitung 28 mit der in Figur 1 gezeigten Eingangsklemme 26 des frequenzbestimmenden Netzwerkes 10 verbunden ist. Ein Kondensator 60 und ein Widerstand 88 sind als Serienschaltung zwischen die Eingangsklemme 20 und die Ausgangsklemme 24 gelegt.

Während des Betriebes schwingt das auf den Eingang 20 des Verstärkers mit veränderbarer Verstärkung 14 gegebene Eingangssignal um eine Bezugsgleichspannung von Null Volt und

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hat fast eine reine Sinusform. Die Diode 62 und der Wider^ stand 64 dienen zur Gleichrichtung dieses Eingangssignales, so daß an der Klemme 66 ein durch Einweggleichrichtung gewonnenes Gleichstromsignal mit irgendeinem Gleichstrommittelwert liegt. Der Spanriungsunterschied zwischen dem Gleichstrommittelwert und der Bezugsspannung VV^p an der Klemme wird durch den aus dem Widerstand 68, dem Verstärker 72 und der Kapazität 86 bestehenden Schaltkreis integriert. Das integrierte Ausgangssignal erscheint an der Klemme 80. Steigt beispielsweise der Mittelwert an der Klemme 66 an, so "sinkt das Gleichstrompotential an der Klemme 80 um den Wert des Integrals aus der Differenz des Mittelwertes an der Klemme 66 und der Bezugsspannung V-ago gemäß der folgenden Gleichung

^dt -

Dabei ist e die Spannung an der Klemme 80, R der Wert des Widerstandes 68, C die Kapazität des Kondensators 86, e die Mittelwertspannung an der Klemme 66 und V^gp die Bezugsspannung an der Klemme 76.

Die GleichsäBBBBspannung an der Klemme 80 wird mittels der beiden Dioden 82 und 84 in zwei gleiche Teile geteilt. Liegt beispielsweise, an der Klemme 80 eine Gleichspannung von +10V, so ist die· Spannung am Verbindungspunkt 90 zwischen den Dioden

gleich · ■

82 und 8V+5V.

¹ ' 109839/0473

Gleichzeitig wird ausgehend von der Eingangsklemme 20 ein Wechselstromsignal über den Koppelkondensator SO und den Widerstand 88 zur Klemme 24 übertragen. Das Wechselstromsignal schwingt um das Gleichstrompotential an der Klemme 90 und wird von der Diode 84 auf Massepotential und von der Diode 82 auf das Gleichstrompotential an der Klemme 8o begrenzt. Hierbei wurde aber der Spannungsabfall an den beiden Dioden 82 und 84 vernachlässigt. Steigt nun die Amplitude des Wechselstromsignales an der Klemme 20 an, so sinkt das Gleichstrompotential an der Klemme 8θ und die Amplitude der beschnittenen Schwingung an der Klemme 24 wird kleiner.

Auf diese Weise wird beim Anwachsen des Wechselstromsignales an der Klemme 20 der Wert der Grundschwingung des Wechselstromsignales an der Klemme 24 vermindert und die Schaltung nach Figur 4 wirkt als Verstärker mit veränderbarer Ver-

i Stärkung. Ist die Verstärkung der Schaltung ein Maximum, so ;

ist auch das Gleichstrompotential der Klemme 8o ein Maxi- j

mum, so daß durch das Gleichstrompotential ständig der Wert i

i der Verstärkung des Verstärkers 14 angezeigt ist, während ί

dieser automatisch dem Wert der Amplitude des Eingangssignales

an der Klemme 20 nachgeregelt wird. ',

Das Signal auf der Leitung 28 wird über das frequenzbestimmende Netzwerk 10 und den Integrator 12 zurück zur Eingangsklemme 20 des Verstärkers mit veränderbarer Verstärkung 14 geführt. Der Sinn des Ganzen ist, daß der Mittel-

109839/CU73 '

wert der Sinuseingangsspannung an der Klemme 20 auf der

bleibt

gleichen Höhe-wie die Bezugs spannung V^^,-in dem sich in geeigneter V/eise die Gleichstromausgangs spannung oder der Sättigungspegel an der Klemme 80 ändert. Die maximale von Spitze zu Spitze gemessene Ausgangsspannung an der Klemme

an

24 ist durch die Ausgangsgleichspannung/der Klemme 8o gegeben, die der mittleren Verstärkung des Verstärkers mit veränderbarer Verstärkung 14 gleich ist. Hierbei wurde der Spannungsabfall an den beiden Dioden vernachlässigt. Auf diese Weise erreicht man mit der Schaltung nach Figur 4, daß die Höhe der Schwingungen auf einen bestimmten, konstanten Viert bleibt. Hält man den Mittelwert der Amplitude der Eingangsspannung des Verstärkers mit veränderbarer Verstärkung 14 konstant, so ist bei einem Phasenwinkel von Null Grad die Verstärkung

^A 'k [ ⁵'^1η"^{α E}3 ^{+ E}S

Hierbei ist E„ die Sättigungsspannung. Diese Gleichung ergibt sich aus der Fourier-Analyse einer Sinuskurve, deren Kuppen in Höhe der Sattigungsspannung E_g abgeschnitten wurden. Figur 3 zeigt die"Abhängigkeit der Sättigungsspannung E_g von der Verstärkung A. Für Verstärkungswerte, die kleiner als 0,5 sind, ist die Verstärkung A der Sättigungsspannung E_Q fast proportional. Der Ausdruck Verstärkung A betrifft hier nur die Grundschwingung dieser Frequenz und nicht die durch die Begrenzung entstehenden Harmonischen. Für Verstärkungs-

• ' 109839/0473

werte zwischen 0,2 und 0,4 ist die Nichtlinearität kleiner als 0,8 %.

Das Eingangssignal des Verstärkers mit veränderbarer Verstärkung 14 ist eine fast reine Sinusspannung. Das Ausgangssignal dagegen ist stark verzerrt, da es eine Sinusspannung mit abgeschnittenen Kuppen ist. Es ist daher notwendig, daß in dem restlichen Teil des gesamten Schwingkreises, d.h. in dem frequenzbestimmenden Netzwerk 10 und in dem Integrator 12 das Ausgangssignal genügend gefiltert wird, so daß.es als eine fast reine Sinusspannung auf den Kondensator 58 gelangt, der sich in dem Treibstofftank befindet. Dadurch,daß auf der Leitung zu der Kapazität 38 ein fast reiner Sinus übertragen wird, läßt sich einmal die Überlagerung fremder Signale relativ einfach vahindern und zum anderen ist, wie oben schon vorausgesetzt, das Eingangssignal an der Klemme 20 des Verstärkers 14 ein reiner Sinus. Die Filterung geschieht durch eine geeignete Dimensionierung des frequenzbe,stimmenden Netzwerkes 10. Abgesehen von der Filterwirkung hat das Netzwerk 10 die Auf.gabe, mit Hilfe seiner Grenzfrequenz die Schwingungsfrequenz im gesamten Kreis zu bestimmen. Es sei angenommen, daß das Netzwerk 10 ein Tiefpaß zweiter Ordnung ist, dessen Grenzfrequenz eine Phasenverschiebung von -90° hat. Der Integrator 12 hat eine Phasenverschiebung von +90 und der Ver stärker 14 hat keine Phasenverschiebung. Aus Figur 1 ergibt sich daher, daß die gesamte Phasenverschiebung entlang des Kreises Null Grad ist und bei einer Gesamtverstärkung von

- . . · 109839/0473

Eins im Kreis Schwingungen erzeugt werden. Die nicht sinusförmige"Ausgangsspannung an der Klemme 24 des Verstärkers 14 passiert drei Filterbereiche (zwei im Netzen
werk 10 und ein/ im Integrator 12) bevor sie zur Kapazität 38 gelangt. Da die beiden Sättigungsbereiche des Verstärkers 14 symmetrisch zueinander liegen, weist seine Ausgangsspannung nur ungerade Harmonische auf, die durch das Filtern genügend gedämpft werden. . ' μ

In Figur 5 ist die Schaltung eines einfachen,aktiven Tiefpaßfilters zweiter Ordnung dargestellt, wie er im frequenzbestimmenden Netzwerk 10 verwendet werden kann. In dieser Schaltung liegt ein Widerstand 100 zwischen der Eingangsklemme 26 und der Klemme 102. Ein zweiter Widerstand befindet sich zwischen der Klemme 102 und der Eingangskiemme 106 eines Verstärkers 110. Die eine Elektrode des Kondensators 108 ist zu der Eingangsklemme ΙΟβ geführt, während seine andere an das Erdpotential j51 angeschlossen ist. Die Aus- " gangsklemme 30 des Verstärkers 110 ist über den Kondensator 112 mit der Klemme 102 verbunden. Die Ausgangsleitung 32 ist zur Ausgangsklemme 30 geführt. Die Verstärkung des Verstärkers 110 soll +1 sein.

Die Übergangsfunktion des in Figur 5 dargestellten Schaltkreises ergibt sich aus der Gleichung

iin #R²Cs5+2RCs + 1

1 09839/0A73

- Io -

ist
Dabei/ ρ das Verhältnis der beiden Kapazitäten 112 und 108, R der Wert der Widerstände 100 und 104 und C die Kapazität des Kondensators I08. Die anderen in diesem Zusammenhang interessierenden Parameter ergeben sich aus den Gleichungen

Jf=

(F

dabei ist tä die Grenzfrequenz, und ^f der Dämpfungsfaktor des Kreises. Bei der Grenzfrequenz 0 tritt eine Phasen-

verschiebung von -90° auf und die Verstärkung ist in diesem

iff.

ta ^s ρ

Aus den Gleichungen ergibt sich, daß die Grenzfrequenz, der Dämpfungsfaktor und die. Verstärkung bei Grenzfrequenz durch die Werte der beiden Widerstände 100 und 104 und der Kondensatoren 108 und 1Γ2 gegeben sind. Die Widerstände 100 und 104 haben die gleichen Werte.

In einem Falle wurde bei dem Meßgerät für β der Wert l6 und für iO _n 4000 Hz gewählt, so daß die Verstärkung des frequenzbestimmenden Netzwerkes 10 für die Schwingungsfrequenz 2 betrug. Bei einer gesamten Kreisverstärkung von Eins, ergab sich für die Verstärkungen die folgende Tabelle:

¹ * 1O9839/0A7 3

	•	Leerer Tank	Voller Tank
Netzwerk 10	i4	2.0	2.0
Verstärker	12	0.2	^: 0.4
Integrator	2.5	1.25

Der Ausdruck "Leerer Tank" Sagt dabei nur, daß der Kondensator/seinen niedrigsten Wert erreicht hat und die Bezeichnung "Voller Tank" drückt aus, daß die Kapazität 38 ( ihren höchsten Wert erreicht hat. Da das Produkt der einzelnen Verstärkungen eins ist und die Verstärkung des Integrators 12 umgekehrt proportional der Kapazität des Kondensators 38 ist, so ist die Verstärkung des Verstärkers mit veränderbarer Verstärkung 14 proportional der Kapazität des Kondensators 38. Bei einem typischen Anwendungsfall hat bei bei aufgetrenntem Kreis die Verstärkung des Integrators 12 einen V.'ert von 2600 und das Verhältnis von Verstärkung bei offenem zu Verstärkung bei geschlossenem Kreis ist größer als 1000, Hierdurch wird eine genügende Stabilität erreicht. Die Amplitude der Schwingungen wird ausschließlich durch den Verstärker"-14 bestimmt und hat aus diesem Grunde einen konstanten Wert. Die Anzeige der Ausgangsgröße hängt ab vom Sättigungswert des Verstärkers 14 und außerdem vom Mittelwert der Eingangsspannung.

Das Meßgerät nach Figur 1 arbeitet also derart, daß die Verstärkung des Verstärkers 14 sich nachregelt, sobald sich die Kapazität des Kondensators 38 ändert. Gleichzeitig wird an ■ . . · 109839/0473

der Klemme 8o des Verstärkers 14 eine Spannung abgegeben, die sich mit der Verstärkung ändert und daher als Maß für die Kapazität des Kondensators 38 dient. Diese Spannung kann beispielsweise auf irgendein Anzeige- und/oder Widergabegerät gegeben werden, welches in geeigneter V/eise die Kapazität des Kondensators oder irgendeine andere Größe, beispielsweise eine Flüssigkeitsmenge, anzeigt, die von der Kapazität abhängt.

In Figur 6 ist ein gemäß dem in Figur 1 angegebenen grundsätzlichen Aufbau ausgestaltetes Meßgerät dargestellt, bei dem einzelne Teile ausführlicher dargestellt sind, andere aber vereinfacht wurden. Miteinander übereinstimmende und bereits geschilderte Teile erhalten die bereits in Figur 1, 4 und 5 verwendeten Bezugszeichen.

Wie in Figur 6 gezeigt, weist der Verstärker im frequenzbestimmenden Netzwerk 10 einen Transistor 110 auf, dessen Kollektor mit der Klemme 25 verbunden ist. Während des Betriebes ist an diese Klemme eine geeignete Gleichspannung angeschlossen. Die Basis des Transistors ist zur Klemme 1Oo geführt und der Emitter mit dem einen Ende des Widerstandes 35 verbunden, dessen anderes Ende auf dem Massepotential yi liegt. Der Verbindungspunkt zwischen Emitter und Widerstand 35 ist zur Ausgangsklemme 16 des Netzwerkes 10 geführt. Ein in Figur 1 nicht gezeigter Koppelkondensator J>'5 verbindet die Leitung 28 mit der Eingangsklemme 2β des N.itz-

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Werkes 10. Die Eingangsklemme 26 ist darüberhinaus noch an den Ve.rbindungspunkt der beiden Widerstände 27 und 29 angeschlossen, deren Reihenschaltung einen Spannungsteiler ergibt. Das eine Ende dieses Spannungsteilers liegt an der Klemme 25* M der, wie schon beschrieben, eine Gleichspannung zugeführt wlrd^und das andere Ende liegt an Massepotential

31. Durch den Spannungsteiler erhält der Transistor.110

die geeignete Basisvorspannung. * m

Die Ausgangsklemme 18 und die Eingangsklemme 13 des Integrators 12 sind über die Serienschaltung der beiden Widerstände 15 und 17 miteinander verbunden. Der Verbindungspunkt der beiden Widerstände ist über einen Kondensator 19 an die Klemme 21 angeschlossen, an die eine geeignete Gleichspannung gelegt wird. Die Widerstände 15 und 17 sowie der Kondensator 19 sind in Figur 1 nicht gezeigt und haben di-e Aufgabe, daß sowohl bei offenem als auch bei geschlossenem Kreis die Gleichstromverstärkung des Integrators 12 Eins" ist. ™

Der Eingangskreis des in Figur 6 gezeigten Verstärkers weicht von dem in Figur 4 gezeigtem etwas ab. In Figur 6 ist ein Kondensator 6l zwischen die Eingangsklemme 20 und die Klemme 66 eingefügt. Zwischen der Klemme 66 und der Klemme 75» an die eine geeignete positive Gleichspannung gelegt ist, befindet sich eirie Reihenschaltung aus einer Diode 63 und einem Widerstand 65. Entsprechend dem Widerstand 68 in Figur 4, ist zwischen die Klemme 66 und die Ein-

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gangsklemme 70 des Verstärkers 72 ein Widerstand 68' eingefügt, der mit dem Widerstand 69 einen zwischen der Klemme 66 und dem Massepotential Jl liegenden Spannungsteiler bildet. Der Gleichspannungswert an den Klemmen l8 und 20 hat während des Betriebes den Wert V. Der Wert der Gleichspannung an der Klemme 66 hängt von dem Verhältnis des Widerstandes 65 zu der Summe der Widerstände 68' und 69 ab, wobei der Spannungsabfall über der Diode 63 vernachlässigt wurde. Die tatsächliche Spannung an den Klemmen l8 und 20 während des Betriebes setzt sich zusammen aus einer Wechselspannung mit einem bestimmten Amplitudenspannungswert und einem Gleichstrommittelwert V. Der Kondensator 6l lädt sich allmählich auf die Spannungsdifferenz zwischen der positiven Gleichspannung an der Klemme 66 und der negativen von Spitze zu Spitze gemessenen Spannung an der Klemme l8 auf. Daher ist, wenn beispielsweise das Gleichspannungspotential in der Klemme 66 6,8v und die von Spitze zu Spitze gemessene Wechselspannung an Klemme l8 10V beträgt, der Kondensator 6l auf annähernd 11,8V aufgeladen, wobei die von plus nach minus weisende Spannung bei dem in Bild 6 gezeigten Kondensator 6l von rechts nach links zeigt. Während die Wechselspannung um das Gleichspannungspotential V an der Klemme 20 schwingt, schwankt es bei der Klemme 66 um einen Glei^chstromwert von 11,8V. Bei normalem Schwingungszustand bilden die Widerstände 68' und 69 einen Spannungsteiler, so daß der Gleichstromwert an der Eingangsklemme 70 des Verstärkers 72 ebenso groß ist wie der Gleichstromwert an der Eingangsklemme fk dieses Ver-

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stärkers. Es läuft darauf hinaus, daß die Wechselstromkomponente des an der Eingangsklemme 70 liegenden Signales durch die mittels des Kondensators 86 bewirkte Rückkopplung ausgelöscht wird. D.h. mit anderen Worten, daß Schwankungen in der Signalamplitude an der Klemme 18 in Gleichstromsignaländerungen an der Eingangsklemme 70 umgesetzt werden und an der Klemme 80 ein Gleichstromsignal erzeugt wird, welches dem Integral der Gleichstromänderungen an der Klemme 70 entspricht.

Ein weiterer Unterschied der Schaltung nach Figur 6 verglichen mit der nach Figur 4 ist der, daß die Anode der Diode 84 an eine Klemme 122 angesehlosen ist, die über einen Widerstand 120 mit der Klemme 25 in Verbindung steht. An der Klemme 25 liegt, wie schon weiter oben beschrieben, eine geeignete Gleichspannung. Die Serienschaltung der beiden Dioden 124 und 126 liegt zwischen der Klemme 122 und Massepotential 31. Unter der Annahme, daß die Spannung an der Klemme 25 positiv ist, sind die Dioden 124 und derart gerichtet, daß der Strom ausgehend von der Klemme 25 über den Widerstand 120 zur Klemme 122 und von dort über die positiv vorgespannten Dioden 124 und 126 zur Masse fließt.

Die Aufgabe der beiden Dioden 124 und 126 ist es, den Gleichstromwert an der' Klemme 90 um einen Betrag anzuheben, der den Spannungsabfall über den beiden Dioden 82 und 84 ent-

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spricht. Die Dioden 82, 84, 124 und 12β sind alle vom gleichen Typ/ so daß der Spannungsabfall über den Dioden 124 und 126 ebenso groß ist wie der Spannungsabfall über den Dioden 82 und 84, die Spannungsrichtung aber umgekehrt ist. Es werde nun angenommen, daß in der entsprechenden Schaltung nach Figur 4 die Gleichspannung an der Klemme 80 10V sei. In diesem Falle ist die Mittelwertspannung an der Klemme 90 5V und das Wechselstromsignal an der Klemme 24 schwankt um einen Mittelwert von 5V zwischen dem Maximalwert von 10,βν und dem Minimalwert von -0,6V. O,öV ist hierbei ein für den Spannungsabfall über den Dioden 82 und 84 gängiger Wert. Daraus ergibt sich eine maximale S_t:annungsschwankung von 11,2 V. Es ist nun wünschenswert, daß die Wechselstromschwankung der Gleichspannung an der Klemme möglichst gleich ist. Dazu dient die paarweise Gegeneinanderschaltung der Dioden 82, 84 und 124, 126 in Figur 6. Ist in diese? Schaltung die Gleichspannung an der Klemme 90 ΙΟΥ, so ist die mittlere Spannung an der Klemme 90 5,6V, wobei dieser Wert in der Mitte zwischen der lOV-Spannung an der Klemme und der l,2V-Spannung an der Klemme 122 liegt. Das Wechselstromsignal an der klemme 24 schwingt um einen Gleiehstromwert von 5*6V von einem Maximalwert 10,6V zu einem Minimalwert von 0,6v, die gesamte Schwankung beträgt also 10V, was der 10V-Gleichspannung an der Klemme 8o entspricht. Die Dioden 124 und 126 kompensieren daher praktisch den Spannungsabfall über den Dioden 82 und 84. In der gleichen Art werden auch gleichzeitig Temperatureinflüsse kompensiert, da sich der

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Spannungsabfall über den Dioden verändert aber immer über jeder Diode gleich ist.

Die Klemme 8o ist über die Leitung 128 mit der positiven Klemme I30 des Gleichstromanzeigegerätes 132 verbunden, während die negative Klemme 13^· des Anzeigegerätes 132 über einen Widerstand 13β an den Verbindungspunkt der beiden Widerstände I38 und l4o angeschlossen, die einenSpannungsteiler bilden, der zwischen der Klemme 76 und dem Massepotential 31 liegt. Die Klemme 76 ist mit einer geeigneten Gleichstromquelle verbunden. Die an dem aus den beiden Widerständen I38 und l4o bestehenden Spannungsteiler eingestellte Spannung kompensiert die an der Klemme 80 liegende Spannung bei leerem Flüssigkeitstank, vorausgesetzt, daß das Meßgerät überhaupt als Flüssigkeitsmesser benutzt wird. Der Kondensator 38 hat in diesem Fall seine kleinste Kapazität. Auf diese Weise ist es möglich, mit Hilfe des Spannungsteilers die Nullpunkt-Einstellung des Gleichstrommeßgerätes 132 zu korrigieren· und eine Anzeige für die im Tank enthaltene Flüssigkeitsmenge zu erhalten.

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Claims

Patentansprüche

1, Rückgekoppeltes Meßgerät zur Impedanzmessung oder Messung einer von der Impedanz abhängigen Größe, dadurch ge kennzeichnet, daß es einen die zu messende veränderliche Impedanz (38) enthaltenden Integrator (12), einen an den Ausgang (l8) des Integrators angeschlossenen, .eine vorgegebene Verstärkungscharakteristik aufweisenden Ver*- stärker (14) mit veränderbarer Verstärkung und ein zwischen dem Ausgang (24) dieses Verstärkers und dem Eingang (16) des Integrators liegendes, frequenzbestimmendes Netzwerk (10) solcher Bemessung aufweist, daß die Summe der zum Integrator, Verstärker und Netzwerk gehörigen Phasenwinkel gleich Null und die Gesamtverstärkung konstant gleich Eins ist und Frequenz sowie Amplitude der erzeugten Schwingungen konstait bleiben, und daß der jeweilige Verstärkungsgrad des Verstärkers (.14) mit veränderbarer Verstärkung als Maß für den Wert der zu messenden veränderlichen Impedanz dient.
2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator (12) einen Verstärker (36) aufweist, dessen Eingang (IjJ) über einen Widerstand (34) an den Eingang (16) des Integrators angeschlossen ist, und daß der Verstärkerausgang (18) zumindest über die zu messende

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veränderliche Impedanz (38) mit dem Verstärkereingang verbunden ist.
3. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (14) mit veränderbarer Verstärkung mit einem Differenzverstärker (72)

bzw.63*65) und mit einer Signalumwandlungsschaltung (62, 64/ versehen ist, wobei der Wert des von der Signalumwandlungsschaltung " ™ abgegebenen ersten Signals von der Amplitude des Verstärkereingangssignals abhängt und daß der Verstärker mit veränderbarer Verstärkung eine ein Bezugssignal abgebende Vergleichsspannungsquelle (V_n-.-, 76) und eine Integrierschaltung (86) zur Integration der Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Signal und der Bezugsspannung sowie eine Begrenzerschaltung

124,126)
(82, 84;/zur Begrenzung der von Spitze zu Spitze gemessenen Verstärkerausgangsspannung auf einen von der integrierten Differenzspannung abhängigen Wert aufweist. (Fig. 4 und 6) |
4. Meßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Signal und das Bezugssignal Gleichstromsignale sind, daß die Signalumwandlungsschaltung

bzw. 63,65,61) eine Einweg-Gleichrichter-Schaltung (62, 64/ ist und daß das

Bezugssignal einen vorgegebenen Wert hat (FigAtuö).
5. Meßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalumwandlungsschaltung mit

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einem Kondensator (61) versehen ist, dessen eine Belegung an den Ausgang (18) des Integrators (12) angeschlossen ist, während die andere Belegung einerseits mit dem einen Eingang (70) des Differenzverstärkers (72) und andererseits über die Reihenschaltung eines Oleichrichters (6j>) und eines Widerstandes (65) mit einer zweiten Bezugsspannungsquelle (75) in Verbindung steht, derart, daß sich der Kondensator auf einen Wert auflädt, der sowohl von der Größe der zweiten Bezugsspannung als auch von der Schwingungsamplitude am Eingang des Verstärkers (14) mit veränderbarem Verstärkungsgrad abhängt (Figur 6).
6. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das frequenzbestimmende Netzwerk (10) ein Tiefpaßfilter mit einer bestimmten Grenzfrequenz ist, welche die Frequenz der erzeugten Schwingungen bestimmt.
7. Meßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter ein aktives Filter ist.
8. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß die veränderliche Impedanz eine Kapazität (38) ist.

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9. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das frequenzbestimmende Netzwerk (10) der Integrator (12) und der Verstärker (14) mit veränderbarer Verstärkung nur aus Verstärkerelementen, Widerständen und Kapazitäten aufgebaut sind.

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