DE19823544A1 - Schaltungsanordnung zur Messung kleiner Änderungen von elektrischen Größen - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben, mit der sehr kleine Änderungen von elektrischen Größen sicher erfaßt werden können, ohne daß hochfrequente Störabstrahlungen auftreten. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß die Rückführung über ein nichtlineares Netzwerk erfolgt, mit dem eine nichtlineare Funktion mit einer kubischen Strom-Spannungs-Kennlinie realisiert wird. DOLLAR A Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung kleiner Änderungen von elektrischen Größen, insbesondere von Kapazitäten, mit einer Oszillatorschaltung mit drei jeweils rückgekoppelten und in Reihe geschalteten Operationsverstärkern und einer Rückführung des Ausgangssignals auf den Eingang des ersten Operationsverstärkers.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung kleiner Änderungen von elektrischen Größen, insbesondere von Kapazitäten, mit einer Oszillatorschaltung mit drei jeweils rückgekoppelten und in Reihe geschalteten Operationsverstärkern und einer Rückführung des Ausgangs­ signals auf den Eingang des ersten Operationsverstärkers.

Neben der Erfassung von Kapazitätsänderungen ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auch zur Ermittlung kleiner Änderungen von Wider­ ständen und Frequenzen (in dieser Schaltungsanordnung die Frequenz des Oszillators uq(t); siehe Fig. 1) anwendbar.

In der Meß-, Automatisierungs- und Steuerungstechnik nimmt die Meßwertaufnahme physikalischer Größen wie Distanzen, Temperatur, Kraft, Schichtdicke, Materialgehalt oder Füllstand eine Schlüsselstellung ein. Für die elektronische Weiterverarbeitung und Auswertung ist die Erfassung dieser Größen mittels Sensoren notwendig. Als elektrische Sensorausgangs­ signal stehen dann Spannungen, Ströme oder Impedanzen zur Verfügung. Neben den induktiven und resistiven Sensoren werden vor allem wegen ihres einfachen Aufbaus, der hohen Empfindlichkeit und der großen Störsicher­ heit kapazitive Sensoren eingesetzt. Sie arbeiten kontakt- und berührungslos und eignen sich besonders zur Füllstandüberwachung in Behältern, in denen flüssige, pulverisierte oder körnige Stoffe zu erfassen sind. Kapazitive Sensoren können aber auch zur Positionierung, als Impulsgeber für Zählauf­ gaben sowie zur Erfassung aller Metall- und besonders aber Nichtmetallteile eingesetzt werden.

Herkömmlich erfolgt die Bestimmung der Größe der Kapazität im wesentli­ chen nach zwei Verfahren. Es sind dies das Amplituden-Verfahren und das Frequenz-Verfahren. Beim Amplituden-Verfahren kann die Kapazität mit einer konstanten Wechselspannung gespeist und eine Auswertung der Stromamplitude vorgenommen werden. Eine weitere Möglichkeit besteht im Einsatz von Wechselstrommeßbrücken nach Schering und Wien-Robinson.

Beim Frequenz-Verfahren können RC- und LC-Oszillatoren, Wien-Brücken- Oszillatoren, Phasenschieberoszillatoren oder Quarzoszillatoren verwendet werden.

Bei beiden Verfahrensklassen wird die Veränderung der Impedanz des Sensors genutzt. Die erste Verfahrensklasse wertet die Änderung der Ampli­ tude eines Wechselspannungssignals als Folge einer Kapazitätsänderung aus. Bei der zweiten Verfahrensklasse ist die Meßkapazität in einem Schwingkreis integriert und verändert proportial zur gemessenen physikali­ schen Größe die Kenngrößen des Schwingkreises.

Sensoren können je nach Einsatz die physikalischen Meßgrößen nur in einem begrenzten Bereich proportional wandeln. Ein häufiger Einsatzfall ist die Anwendung der Sensoren in sogenannten Schwellwert-Schaltern. Dabei löst der Sensor nur beim Erreichen eines ganz bestimmten Wertes der Eingangs­ größe ein Signal aus.

Ein Beispiel hierfür ist die Füllstandsmessung in chemischen Anlagen. Ist ein genau definierter Stand erreicht, so wird vom Sensor ein Signal erzeugt und zum Beispiel die weitere Befüllung gestoppt.

Die Weiterentwicklung und Erschließung neuer Anwendungsgebiete derarti­ ger Sensoren erfordert eine zunehmende Verringerung der mechanischen Abmessungen des Sensors. Diese Verkleinerung führt zu immer kleineren Aufnahmekapazitäten, die schließlich nur noch wenige Pikofarad betragen können. An die Anpaß- und Auswerteelektronik werden somit sehr hohe Forderungen gestellt. So treten bei der Nutzung von Frequenz-Verfahren wegen der sehr kleinen Kapazitäten sehr hohe Schwingfrequenzen auf.

In vielen Fällen ist es nicht möglich, die kapazitiven Sensoren elektromagne­ tisch vollständig abzuschirmen, weshalb Störabstrahlung im hohen Megahertz-Bereich auftreten. Desweiteren werden sehr hohe Anforderungen an die Stabilität, die Einschwingdauer und die Eliminierung von Tempera­ tureinflüssen gestellt. Für die Anpaßschaltungen gelten hinsichtlich der Schaltkapazitäten ebenfalls hohe Forderungen, da sie die Meßgenauigkeit der Sensorkapazität nicht beeinträchtigen dürfen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben, mit der sehr kleine Änderungen von elektrischen Größen sicher erfaßt werden können, ohne daß hochfrequente Störabstrahlungen auftreten.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß die Rückführung über ein nichtlineares Netzwerk erfolgt, mit dem eine nichtli­ neare Funktion mit einer kubischen Strom-Spannungs-Kennlinie realisiert wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ermöglicht die elektronische Weiterverarbeitung von Kapazitätsänderungen kapazitiver Sensoren im Bereich von Femto bis Mikro-Farad durch die Erzeugung und Auswertung von Sprungerscheinungen an nichtlinearen, dynamischen Netzwerken bei Betriebsfrequenzen im Kilohertzbereich. Für die Auswertung der Kapazität werden dabei Phänomene nichtlinearer, dynamischer, parametrischer Netzwerke genutzt. Stabile dynamische Netzwerke sind in einem Arbeitspunkt durch ein bestimmtes Systemverhalten gekennzeichnet. Die Systemgröße ist in einem solchen Punkt eine stabile periodische Schwingung, die durch drei Merkmale charakterisiert ist. Es sind dies diskrete Frequenzanteile, bestimmte Amplituden der jeweiligen Frequenzan­ teile und eine bestimmte Phasenlage zwischen Erregung und Systemgröße bei fremderregten (nichtautonomen) Netzwerken.

In nichtlinearen Netzwerken können bei Veränderungen der Parameter der Schaltung sprunghaft qualitative Veränderungen der Lösung auftreten. Dabei wird sich für einen ganz bestimmten Schwellwert der Kapazität die Größe der Amplitude prinzipiell ändern. Wird die Kapazität im Bereich eines solchen Schwellwerts gering variiert, so kommt es zu sprunghaften Übergängen der Amplitude der Lösung. Das Netzwerk ist dabei so dimen­ sioniert, daß der sprunghafte Übergang der Systemgröße ausreichend groß ist. Die sprunghaften Übergänge erfolgen dabei extrem schnell.

Zusätzlich kann das Netzwerk bei sehr viel niedrigeren Frequenzen als bei herkömmlichen Verfahren arbeiten. Als Betriebsfrequenzen wird ein frei modellierbarer Bereich von f = 100 Hz . . . 100 kHz angestrebt. Je nach Einsatz ist dann eine Betriebsfrequenz auswählbar. Verbunden mit dem sprunghaften Übergängen ist immer ein hysteretisches Verhalten.

Die Hysterese ist durch Sprunghöhe und Hysteresebreite gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Schaltungs­ anordnung,

Fig. 2 eine Darstellung des mit einer erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung ermittelten Kapazitätsverlaufs und

Fig. 3 eine allgemeine Darstellung des Hystereseverlaufes für die Sprungfunktion.

Das erfindungsgemäße schwingungsfähige, fremderregte Netzwerk mit drei jeweils rückgekoppelten und in Reihe geschalteten Operationsverstärkern und einer Rückführung des Ausgangssignals us(t) auf den Eingang des ersten Operationsverstärker über ein nichtlineares Netzwerk wird durch die in Fig. 1 dargestellte Schaltung modelliert. Die Schaltung besteht aus drei Präzisions-Operationsverstärkern und einem nichtlinearen Rückkoppelzweig. Die Gesamtschaltung stellt eine Oszillatorschaltung dar, die durch die Quelle Uq(t) periodisch angeregt wird.

Die nichtlineare, resistive Kennlinie wird durch ein Netzwerk aus Dioden und Widerständen modelliert. Bei der Auswahl der Operationsverstärker ist darauf zu achten, daß diese möglichst kleine Offsetspannungen und kleine Fehlereingangsströme besitzen.

Die auszuwertende Größe der Schaltung ist die Fig. 1 rechts dargestellte Systemspannung us(t).

Überschreitet die Kapazität einen genau definierten Schwellwert, führt dies zu einer sprunghaften Veränderung der Amplitude Uq der Spannung us(t).

Diese plötzliche Veränderung der Amplitude Uq läßt sich dann mit einer Folgeschaltung in bekannter Weise einfach auswerten. Dazu können zum Beispiel elektronische Schellwertschalter (Schmitt-Trigger-Schaltungen) oder Gleichrichterschaltungen, verbunden mit der Auswertung des Gleichan­ teils, verwendet werden.

Ein Beispiel einer Modellierung ist in Fig. 2 erläutert. Dort ist der prinzi­ pelle Verlauf des Spitze - Spitze Werts der Amplitude von us als Funktion der Kapazität C2 dargestellt.

Die gemessenen Werte sind mit einem "+" gekennzeichnet und wurden in dieser Abbildung durch Linien miteinander verbunden.

Deutlich sichtbar sind die sprunghaften Übergänge um mehrere hundert milli-Volt für die Kapazitätswerte C2 = 6,0 pF (Aufwärtssprung) bzw. C2 = 6,2 FpF (Abwärtssprung). Die Messungen erfolgten bei einer Frequenz von 7,1 kHz.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung erfordert einen relativ geringen finan­ ziellen Bauteilaufwand. An das Leiterplattenlayout werden wegen der relativ geringen Systemfrequenz keine allzu hohen Forderungen gestellt. Auch an die Spannungsquelle werden keine großen Forderungen gestellt. Eine relativ geringe Spannung von 5 V . . . 10 V mit geringer Leistung ist ausreichend. Die Leistungsaufnahme hängt im wesentlichen von den verwendeten Operations­ verstärkern ab. Eine batteriebetriebene Schaltung mit Leistungsaufnahmen im milli-Watt Bereich ist aber in jedem Fall möglich.

Besonders für die Weiterverarbeitung von Ausgangssignalen kapazitiver Sensoren stellt die erfindungsgemäße Lösung ein vollständig neues Konzept dar. Die Auswertung von extrem kleinen Kapazitäten bzw. Kapazitätsände­ rungen ist mit dem vorgeschlagenen Schaltungsaufbau auf einfache Art und Weise möglich.

Mittels der in Fig. 1 dargestellten Schaltung wird die sprunghafte Verände­ rung der Amplitude Uq der periodisch verlaufenden Spannungsfunktion us(t) modelliert. Der sprunghafte Übergang erfolgt dabei als Funktion eines Parameters der Schaltung. Wie in Fig. 2 dargestellt, kann dies zum Beispiel die Kapazität C2 sein. Aber auch andere Größen der Schaltung erzeugen bei sehr geringer Variation solche plötzlichen Veränderungen der Amplitude. So kann es zum Beispiel bei einem entsprechend eingestellten Arbeitspunkt der Schaltung auch zu sprunghaften Veränderungen von Uq als Funktion der Frequenz der Erregung uq(t) kommen. Auch bei geringer Veränderung von Widerständen, zum Beispiel der in Fig. 1 angegebenen Widerstände R2 oder R1, erhält man ein solches sprunghaftes Verhalten.

Wie in Fig. 3 gezeigt, ist es möglich, die Hysteresebreite und die Schwell­ werte p1 und p2 über große Bereiche einzustellen. Für die Kapazität C2 können zum Beispiel die Werte für p1 und p2 im Bereich von pF . . . 100 nFY liegen. Ist das sprunghafte Verhalten eine Funktion der Frequenz der Erregung us(t), so beträgt der Bereich f = 100 Hz . . . 50 kHz. Für die Wider­ stände beginnt der Bereich bei etwa 100 Ohm und endet bei ca. 100 kOhm.

Die Größe der sprunghaften Übergänge Sh1 bzw. Sh2 beträgt je nach einge­ stelltem Arbeitspunkt mehrere hundert Millivolt.

Claims (3)

1. Schaltungsanordnung zur Messung kleiner Änderungen von elektrischen Größen, insbesondere von Kapazitäten, mit einer Oszillatorschaltung mit drei jeweils rückgekoppelten und in Reihe geschalteten Operationsverstär­ kern und einer Rückführung des Ausgangssignals auf den Eingang des ersten Operationsverstärkers, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung über ein nichtlineares Netzwerk erfolgt, mit dem eine nichtlineare Funktion mit einer kubischen Strom-Spannungs-Kennlinie realisiert wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Netzwerk aus zwei entgegengesetzt geschalteten, parallelen Dioden und einem zusätzlich dazu parallel geschalteten Widerstand besteht, zu dem ein weiterer Widerstand in Reihe geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Eingang des ersten Operationsverstärkers mit einem Oszillator verbunden ist, der einen sinusförmigen Zeitverlauf des Stromes erzeugt.