DE2052520A1

DE2052520A1 - Schaltung zur Umwandlung eines von einem kapazitiven Sensor beeinflußten Wechselstromsignales in ein Gleichstrom signal

Info

Publication number: DE2052520A1
Application number: DE19702052520
Authority: DE
Inventors: Roger L Frick
Original assignee: Rosemount Engineering Co Ltd
Current assignee: Emerson Process Management Ltd
Priority date: 1969-10-27
Filing date: 1970-10-26
Publication date: 1971-04-29
Also published as: JPS5031459B1; US3646538A; IL35539A; IL35539A0; DE2052520B2; GB1335349A; JPS5514479B1; JPS5514478B1; DE2052520C3; CA980443A; FR2066530A5; JPS6237440B1

Description

Schaltung zur Umwandhing eines von einem kapazitiven Sensor beeinflußten Wechselstromsignales in ein Gleichstrom» signal

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Umwandlung eines von einem kapazitiven Sensor beeinflußten We chs els tr om·« signales in ein Gleichstromsignale Ein solcher kapazitiver Sensor kann beispielsweise auf Druckänderungen ansprechen_o Insbesondere betrifft die Erfindung eine Meßschaltung mit einem kapazitiven Sensor, welche den von ihr entnommenen Gesamtstrom so steuert, daß er eine Punktion der Kapazitätsänderung des Sensors ist₀

Es iat eine Meßschaltung mit einem kapazitiven Sensor bekannt, welche ein Gleichstromsignal erzeugt, das genau proportional der Kapazität des Sensors ist, Diese bekannte Schaltung ist in den US-Patentschriften 3 271 669 und 3 318 153 beschrieben. Es ist ferner eine Schaltung vorgeschlagen worden, bei der der durch einen entfernten Wandler fließende Gleichstrom als Punktion eines Gleichstromsignales gesteuert ist. Diese Schaltung ist in dem

Deutschen Patent (Deutsche Patentschrift

P 17 66 959.9) beschrieben. Aus industriellen Regelein-

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richtungen sind ferner Indikatoren und Regler bekannt, welche auf den von einem Zweidrahtübertrager kommenden Gleichstrom ansprechen« Aus diesem Grunde besteht seit langem ein Bedarf nach einem Wandler, welcher das Aus— gangssignal einer mit einem kapazitiven Wandler arbeitenden Meßschaltung zur Steuerung eines dem Wandler zugeführten Gleichstromes ausnutzt. Ein solcher kapazitiver Sensor kann, wie bereits erwähnt, beispielsweise ein Sensor sein, der mit Kapazitätsänderungen auf Druckänderungen reagiert oder der mit Kapazitätsänderungen auf Änderungen eines Flüssigkeitspegels reagiert. Der erforderliche Strom-Steuerungsbereich liegt gewöhnlich zwischen 4 und 20 Milliampere, obwohl größere und kleinere Bereiche auch vorkommen« Der minimale Strom liegt gewöhnlich zwischen 1 und 10 Milliampere, und der Spannungsabfall an dem Wandler sollte im allgemeinen so niedrig wie möglich sein, so daß hohe Spannungen und ein übermäßiger Leistungsverbrauch vermieden werden können. Um die Sensoränderungen in ein geeignetes Ausgangssignal umzuwandeln_;sind jedoch häufig mathematische Operationen erforderlich. Dieser Faktor war es, der zusammen mit den Anforderungen an eine exakte Stromregelung unter zeitweilig schwierigen Meßbedingungen eine frühere Lösung des Problemes verhindert hat.

Die erfindungsgemäße Schaltung enthält mindestens einen variablen Kondensator, dessen Kapazität zu messen ist, eine mit Gleichstrom gespeiste Wandlerschaltung, welche dem Kondensator einen Wechselstrom zuführt, und einen Gleichrichter zur Erzeugung eines Gleichstromsignales, das proportional dem gemessenen Kapazitätswert des Kondensators ist. Weiterhin enthält die erfindungsgemäße Schaltung einen Schaltungsteil, weicherden der Schaltung zugeführten Geüamtgleichstrom mit Hilfe des erzeugten Gleiohstromsignales so steuert, daß der Gesamtgleichstrom

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eine Punktion der gemessenen Kapazität des Kondensators ist.

Der Erfindung liegt die Angabe zugrunde, eine Wandlerschaltung so zu gestalten, daß diese ein von einem variablen Kondensator beeinflußtes Signal in ein Steuersignal umwandelt, welches zur Steuerung eines Gleichstromes dient, so daß nach Übertragung des Gleichstromes mit Hilfe eines Zweidrahtgleichstromübertragers die Änderungen an einem entfernten Ort festgestellt werden können.

In besonderer Anwendung soll die erfindungsgemäße Wandlerschaltung ein Gleichstromausgangssignal abgeben, welches in hohem Maße linear abhängig von den Kapazitätsänderungen eines kapazitiven Sensors ist, der auf Druckänderungen anspricht und mit einem Diaphragma versehen ist, welches zwischen zwei stationären Kondensatorelektroden beweglich ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben.

Die Zeichnung zeigt eine Schaltung, die mit einem kapazitiven auf Druckänderungen ansprechenden Sensor versehen ist, welcher dazu dient, den Gesamtstrom der Schaltung entsprechend einer bestimmten Funktion in Bezug auf seine Kapazitätsänderungen zu steuern.

Der mit der Bezugsziffer 10 bezeichnete Sensor spricht auf den jeweiligen Differentialdruck an und weist zwei variable Kondensatoren C₁ und C₂ auf. Die Schaltung enthält ferner einen besonders zweckmäßigen Rechnerteil, mit dem es möglich ist, den Gleichstrom so zu beeinflussen, daß er genau proportional den Kapazitätsänderungen ist.

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Der Sensorschaltungsteil ist wie folgt aufgebaut: Die in der Figur dargestellte spezielle Meßsehaltung enthält drei Kondensatoren C., C₂ und C,. Es ist jedoch klar, daß für einige Meßzwecke der Sensor auch nur mit einem aktiven Kondensator bestückt sein kann. In anderen Fällen können auch mehr als drei Kondensatoren verwendet werden» Die Kondensatoren C₁, C₂ und C, werden mit entgegengesetzten Polaritäten durch die sekundären Transformatorwicklungen .11, 12, 13 und 14 aufgeladen, welche sämtlich magnetisch gekoppelt sind. Die Sekundärwicklungen 11, 13 und 14 sind mit Dioden 15, 16, 17, 18, 19 und 20 zusammengeschaltet. Mit Hilfe von Kondensatoren 22, 23»

P und 25 wird eine Wechselstromkopplung der Kondensatoren C₁ und C₂ bewirkt, dabei jedoch eine Grleichstromisolation aufrechterhalten. Jedem der Kondensatoren C₁, C₂ und C, ist ein Paar Dioden zugeordnet, wobei eine Diode das Fließen eines Ladestromes nur in der einen Richtung und die andere Diode das Fließen eines Ladestromes nur in der anderen Richtung zuläßt. Die Ladeströme sind pulsierende Gleichstromsignale, deren mittlere Stromamplitude direkt proportional dem Produkt der Spitzenspannung, der Frequenz und der Kapazität ist, solange die Spitzenspannung von genügend langer Dauer ist, um die Kondensatoren bei jedem Zyklus vollständig aufzuladen, und so lange die Durchlaßspannung der Dioden vernachlässigbar ist. Die Polarität der Ladeströme wird durch die Dioden definiert. Eine solche Schaltung ist jedoch bereits in den US-Patentschriften 3 271 669 und 3 318 153 beschrieben. Die von den Kondensatoren C₁, Cp und C, kommenden Ströme können beispielsweise durch die Parallelschaltungen aus einem Kondensator 23 und einem Widerstand 45 sowie einem Kondensator 25 und einem Widerstand 44 gefiltert und geglättet werden. Darauf können die so gefilterten und geglätteten Ströme einer vorgeschriebenen arithmetischen Operation, wie beispielsweise einer Addition, einer Subtraktion, einer

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Multiplikation oder Division unterworfen werden. Mehrere Beispiele von möglichen Punktionen sind in den erwähnten Patentschriften angegeben; die vorliegende Schaltung zeigt jedoch zusätzliche Verbesserungen, wie man aus der weiteren Beschreibung erkennen wird. Für die weitere Beschreibung ist es erforderlich, festzulegen daß jede Kombination aus einem Wechselstromerregungsschaltungsteil (im vorliegenden Fall die Transformatorwindung 11, 12, 13 oder 14) und der zugeordneten Diode und Sensorkapazität ein Gleichstromsignal erzeugt, welches proportional der Kapazität ist. Wie man der Figur entnehmen kann, fließen zwei zu der Kapazität des Kondensators C₁ proportionale Ströme; eine dieser Ströme ist der Ladestrom in der einen Stromrichtung, welcher durch die Leitung 11A, die Wicklung 11, und die Diode 17 zu dem Kondensator C. fließt, und der andere Strom fließt in der anderen Stromrichtung von dem Kondensator C₁ aus durch die Wicklung 12 und die Leitung 12A. Ähnliche Verhältnisse liegen bei dem Kondensator C^ vor, hier ist die Leitung 13A mit der Wicklung 13 und die Leitung 14A mit der Wicklung 14 verbunden. Bezüglich des Kondensators C, liegen die Verhältnisse wie folgt: es fließt ein erster Strom in der einen Stromrichtung von der Wicklung 14 durch die Leitung 15A und die Diode 15 zu dem Kondensator C^ und ein zweiter Strom in der anderen Stromrichtung durch die Wicklung 11, die Leitung 16A und die Diode I6_e

Die Erregung der Sekundärwicklungen 11 bis H und damit ein zyklisches Laden und Entladen der Kondensatoren C.., Cp und C, erfolgt duch einen mit der Bezugaziffer 30 bezeichneten Oszillator, welcher eine Primärwicklung 31 aufweist. Der Oszillator ist ferner mit einer Rückkopplungswicklung 32 und einem zu dieser parallel liegenden Kondensator 33 versehen. Zur Phasenverschiebung des in

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üblicher Sclaaltungsweise aufgebauten Oszillators sind ein Widerstand 34 und ein Kondensator 35 vorgesehen. Die Primärwicklung 31 ist in Serie mit dem Kollektor eines Transistors 36 und dem Ausgang eines Verstärkers 40 geschaltet. Das Phasenschiebernetzwerk 34, 35 und die Regenerativschleife 32, 33 liegt zwischen dem einen Ende der Primärwicklung und der Basis des Transistors 36. Die Frequenz des Oszillators wird in erster Linie durch seine Ausgangsschaltung bestimmt. Die Ausgangsschaltung umfaßt die Sekundärwicklungen des Transformators und die mit diesen Sekundärwicklungen gekoppelten Kondensatoren. In der vorliegenden Schaltung wird die Oszillatoramplitude durch den Verstärker 40 gesteuert, welcher demnach auch als Oszillatorsteuerverstärker angesehen werden kann. Dieser Oszillatorsteuerverstärker spricht auf Gleichstromeingangssignale an, von denen mindestens eines von den Kondensatoren C₁, Cp und C, beeinflußt ist.

Der Verstärker 40 ist ein einfacher Operationsverstärker mit hohem Verstärkungsgrad. Er speist den Oszillator mit einem Ausgangsstrom, welcher eine Punktion eines differentiellen Eingangssignales zwischen den Eingangsanschlussen 42 und 43 ist. Die Betriebsspannung erhält der Verstärker über eine Leitung 55 von einer Betriebsstromquelle 70. Ein Kondensator 41 liegt zwischen dem Ausgang des Verstärkers 40 und dem degenerativen Eingangsanschluß 42 des Verstärkers und sorgt für eine dynamische Stabilität« Das differentielle Eingangssignal erhält der Verstärker von mindestens einem Kondensator, der mit dem Ausgangsprodukt des Oszillators beaufschlagt ist. Dementsprechend führt das differentielle Eingangssignal zu einer Änderung des Spannungspegels in der Oszillatorschaltung, wodurch sich die Amplitude des Oszillatorausgangsproduktes entsprechend ändert. Auf diese Welse wird das von dem Kondensator kommende Gleichstromsignal modifiziert. Diese

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"Schleife" ist degenerativ, so daß die Oszillatoramplitude mit hoher Genauigkeit als Funktion der Kapazität des Kondensators variiert wird. Da das Gleichstromsignal, welches den Verstärker steuert, proportional dem Produkt aus der Oszillatorspannung, der Frequenz und der Kapazität des Kondensators ist, ist die resultierende Amplitude des Verstärkerausgangsproduktes sowohl eine Funktion der Frequenz und Kapazität als auch irgend eines anderen Gleichstromeingangssignales, das dem Verstärkereingangsanschluß 42 und 43 zugeführt wird. So kann es beispielsweise in einem einfachen Fall einer Oszillatorregelung erforderlich sein, das Oszillatorausgangsprodukt gegen Amplituden- oder Frequenz-Driften zu stabilisieren. Ein solches Beispiel einer Oszillatorregelung ist in der US-Patentschrift 3 271 669 beschrieben. Die Regelung wird durch eine Schaltung erreicht, die gegenüber der hier beschriebenen Schaltung nur leicht modifiziert ist. Nunmehr soll darauf hingewiesen werden, daß zu dem Verbindungspunkt 52 über die Zener-Diode 46 und den mit ihr in Serie liegenden Widerstand 49 ein positiver Strom fließt, Der Verbindungspunkt 52 führt zu dem Verstärkereingangsanschluß 43. Dagegen fließt zu dem Verbindungspunkt 51, welcher zu dem Verstärkereingangsanschluß 42 führt, über die Zener-Diode 4J und den mit ihr in Serie liegenden Widerstand 48 ein negativer Strom. Wenn die Dioden 15 und 16 umgekehrt gepolt wären, so könnte der Kondensator C, dazu verwendet werden, ein Stabilisierungssignal zu liefern. In diesem Falle würde der positive Strom von dem Kondensator C, zu dem Verbindungspunkt 51 fließen und der negative Strom würde zu dem Verbindungspunkt 52 fließen. (Für dieses einfacheBeispiel sei vorausgesetzt, daß ein Stromfluß von den Kondensatoren C₁ und Cp zu den

Eingangsanschlüssen 42 und 43 nicht erfolgen kann). In diesem Fall würden die Polaritäten so sein, daß das Produkt aus Oszillatorfrequenz und Amplitude durch die

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regelnde Punktion des Verstärkers auf einem konstanten Wert gehalten werden würde, wobei dieser konstante Wert eine Funktion der Kapazität des Kondensators C, sowie von Bezugsströmen sein würde, die von Zener-Dioden 46 und 47 abgeleitet sind©

Bei der hier gezeigten komplexeren Ausführungsform wird eine arithmetische Kombination verwendet, die aus von den Kondensatoren C₁, Cp und C, stammenden Strömen und aus Bezugströmen besteht, die von den Zener-Dioden 46 und abgeleitet sind. Diese Kombination ist besonders zweckmäßig in Verbindung mit einem Differentialkapazitäts-Sensor, wie es beispielsweise ein mit öl gefüllter auf Druck ansprechender Sensor iet, der Gegenstand eines anderen Patentes (PatentanmeldungTT]^... .^-^

Bei diesem Sensor wirken zwei Drücke P₁ und Pp auf die beiden gegenüberliegenden Seiten eines Diaphragmas 21_β Eine Auslenkung des Diaphragmas 21 in Folge einer Erhöhung des Druckes Pp führt zu einer Verminderung der Kapazität des Kondensators C₂ und zu einer Erhöhung der Kapazität des Kondensators C.., Wenn die stationären Kondensatorplatten im Vergleich zu dem Diaphragma geringe Abmessungen haben, oder wenn die Kondensatorplatten etwa in der dargestellten Weise gefomfc sind, so daß sich das ausgelenkte Diaphragma an sie anformen kann (so ist der gemessene Differentialdruck Pp - P₁ im wesentlichen linear proportional zu dem Verhältnis (C₁ - C₂)Z(C₁ + C₂). Da die Kapazität an einem Kondensator direkt proportional zu der Dielektrizitätskonstante und umgekehrt proportional zu dem Abstand zwischen den Platten ist, ist der oben dargestellte Ausdruck eine exakt lineare Funktion der Diaphragmaauslenkung, unabhängig von der Dielektrizitätskonstante· Es ist ferner festgestellt worden, daß in Folge geringer Nichtlinearitäten, welche ihre Ursache in konstanten Nebenschlüssen zu den Kapazitäten haben, der

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gemessene Differentialdruck eine nahezu hundertprozentig lineare Funktion (G₁ - C₂)Z(C₁ + C₂ - 2C₃) ist, wobei C₅ unabhängig von C₁ und C₂ ist_o Da jede der Sekundärwicklungen 11, 12, 13 und 14 zusammen mit der jeweils zugeordneten Diode und dem jeweils zugeordneten Kondensator ein Gleichetromsignal von + CVf abgibt, abhängig von der relativen Polarität der betreffenden Diode, ist der Strom i.., welcher in die Leitung 50 fließt, gleich (C₁ - CrJfV. Wenn das Differentialsignal am Eingang des Verstärkers 40 Null sein soll, so ist es erforderlich, daß

2£ = fV (C ^R1

ist, wobei E die Spannung über jeder der Zener-Dioden 46 und 47 und R₁ der Widerstandswert jedes der Widerstände 48 und 49 ist. Durch Kombination der Gleichungen erhält man den in der Leitung 50 fließenden Strom wie folgt

I₁ =2E / ^C1 - ^C2

^R1 I C₁ + C₂ -

Das ist die gewünschte Funktion für die Anwendung des Differentialdrucksensors. Nach der obigen Gleichung kann man offenbar irgend eine aus einer Vielzahl von verschiedenen Kapazitätsfunktionen durch entsprechende Kombinationen der einzelnen Stromquellen erhalten«, Es soll bemerkt werden, daß die gesamte Leistung, die für den Betrieb des Verstärkers 40, des Oszillators 30 und

erforderlich ist, der Zener-Bezugsschaltungen/Über die Leitungen 55 und 56 zugeführt wird.

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Der Aufbau des Stromregelungsteilee der Schaltung ist wie folgt« wie zuvor beschrieben wurde, wird ein resultierender Strom i- erzeugt, der eine Funktion einer reaktiven Impedanz (die im allgemeinen Fall von einem Kondensator und im dargestellten Fall fön den Kondensatoren G₁, Cp und C-z gebildet ist) und einem Bezugsstrom abhängt, welcher von zwei Zener-Dioden 46 und 47 mit gleicher Zener-Spannung E und zwei Widerständen 48 und 49 mit gleichem Widerstandswert R₁ abgeleitet ist. Obwohl im vorliegenden Beispiel Kondensatoren verwendet sind, ist es auch möglich, auf ähnliche Weise einen Gleichstrom als Funktion einer variablen Induktivität zu erhalten.

In einigen Fällen kann der resultierende Strom I₁ direkt als SignalstroB einem Anzeigemeßinstrument oder einem Aufzeichnungsgerät zugeführt werden. Für allgemeine industrielle Meßzweoke ist es jedoch wünschenswert, eine Stromübertragungssohaltung zu verwenden, welche von einer entfernt angeordneten Gleichstromquelle versorgt wird und welche den durch sie hindurchfließenden Gesamtstrom derart modifiziert oder steuert, daß er exakt proportional zu einer Meßgröße ist. Im vorliegenden Fall ist die Meßgröße eine variable Kapazität. Oben ist bereits beschrieben worden, wie ein der Kapazität entsprediendes Signal in ein proportionales Gleichetromaignal umgewandelt wird.

Der Stromregelungsteil der Schaltung wird von einem entfernt angeordneten Gleichatromvereorgungateil 60 gespeist, welches in Serie mit einer Last 61 liegt. Die Last 61 kann beispielsweise ein Aufzeichnungsgerät, ein Anzeigegerät, ein Kontrollgerät oder eine Kombination dieser Geräte sein. Von dem Gleiohstromversorgungstell wird dem mit der gestrichelten Linie 70 umrandeten Schaltungsteil ein Gleichstrom zugeführt. Das mit der gestrichelten Linie

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70 umrandete Schaltungsteil wird nachfolgend als "Stromquelle" bezeichnet, da seine Punktion darin besteht, gewisse Teile der Übertragungsschaltung mit einem Strom zu speisen, der auf einen gewissen Maximalpegel begrenzt ist, und gleichzeitig zuzulassen, daß ein weiterer variabler Strom einem Stromregelungsteil 80 zugeführt wird. Das Stromregelungsteil 80 wird durch das Ausgangsprodukt eines Operationsverstärkers 90 mit Differentialeingang geregelt. Dieses Ausgangsprodukt hängt von dem Eingangssignalstrom i. und dem Gesamtübertragerstrom i„, ab. Die Ströme i- und im werden in dem allgemein mit der Bezugsziffer 53 bezeichneten Netzwerk zu einem resultierenden Signal umgewandelt.

Die Stromquelle 70 enthält einen Widerstand 71, der zwischen den Stromzuführungsanschluß 72 und den Emitter eines Transistors 73 geschaltet ist» Der Kollektor des Transistors 73 ist mit der Leitung 55 verbunden, welche den bereits oben erwähnten Verstärker 40 und 90 sowie dem Oszillator 30 Strom zuführt. Ein Kondensator 74 ist zwischen die Basis und den Kollektor des Transistors 73 geschaltet und hat für dynamische Stabilität zu sorgen. Die Basis des Transistors 73 ist mit einer Stromnebenschlußleitung 75 verbundene Zwischen den Eingangsanschluß 72 und die Leitung 75 sind eine Zener-Diode 77 und eine Diode 78 in Serie geschaltet. Die Zener-Diode 77 hat die Aufgabe, die Spannung über dem Widerstand 71 im wesentlichen konstant zu halten, so daß in die Leitung 55 ein im wesentlichen konstanter Strom fließt. Die Diode 78 soll temperaturbedingte Änderungen des Spannungsabfalles über der Emitterbasisstrecke des Transistors 73 kompensieren.

Der Stromregelungsschaltungsteil 80 enthält einen Transistor 81, dessen Basis über einen Widerstand 85 mit dem Ausgang des Steuerverstärkers 90 verbunden ist. Zwischen dem Kollektor des Transistors 81 und die Leitung 56 sind

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ein Widerstand 82 und eine Zener-Diode 83 in Serie geschaltet. Ein Widerstand 84 überbrückt die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 81, wodurch sichergestellt ist, daß ein minimaler Strom durch die Leitung 75 fließt, sogar, wenn der Transistor 81 abgeschaltet ist. Die Zener-Diode 83 hält den Emitter des Transistors 81 auf einer zweckmäßigen Spannung über dem Potential der Leitung 56.

Der Steuerverstärker 90 hat einen negativen Eingangsanschluß 91, der mit einem üpannungsbezugspunkt verbunden ist, welcher zwischen zwei in Serie geschalteten Widerständen 92 und 93 liegt. Diese beiden Widerstände haben den gleichen Widerstandswert und sind zwischen die Leitungen 55 und 56 geschaltet. Zwischen den Ausgang des Verstärkers 90 und den Eingangsanschluß 91 ist ein Kondensator 94 geschaltet, der dem Verstärker dynamische Stabilität gibt_e Ein Widerstand 95 ist zwischen den positiven Eingangsanschluß 96 des Verstärkers und einen Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 98 und 99 geschaltete Der Widerstand 98 ist mit der Leitung 55 und der Widerstand 99 mit dem einen Ende eines Widerstandes 100 verbunden. Das andere Ende des Widerstandes 100 ist mit der Leitung 56 verbundene Der Widerstand hat einen veränderlichen Abgriff 101, welcher mit dem Stromrückführungsanechluß 62 verbunden ist. Der Widerstand 98 ist ebenfalls ein veränderlicher Widerstand, der dazu verwendet werden kann, um die Schaltung auf "Null" zu justieren. Mit dem Abgriff 101 an dem Widerstand 100 kann die "Verstärkung" eingestellt werden. Die Leitung 50, in der der Strom i.. fließt, ist ebenfalls mit dem Verbindungspunkt 97 verbunden.

Das Potential des Anschlusses 91 wird so gewählt, daß es beim Betrieb der Schaltung nahe-zu dem halben Potential zwischen den Leitungen 55 und 56 ist. Das Potential

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am Verbindungspunkt 97 und damit auch das Potential am positiven Eingangsanschluß 96 ist zur Erhöhung des Stromes I₁ erhöht«, Es soll nunmehr der Einfluß einer Vergrößerung des Druckes P₂ gegenüber dem Druck P₁ untersucht werden. Durch die unterschiedlichen Drücke wird das Diaphragma von der Pp-Seite wegbewegt, so daß sich C, erhöht und C₂ vermindert. Das hat einen Anstieg eines positiven Stromes I₁ zur Folge. Damit tritt am Verbindungspunkt 97 und auch am Anschluß 96 ein positives Signal auf, welches wiederum ein positives Signal an der Basis des Stromregelungstransistors 81 zur Folge hat. Dadurch steigt der durch die Zener-Diode 83 fließende Strom« Ein geringerer Teil dieses ansteigenden Stromes fließt durch den zwischen dem Abgriff 101 und der Leitung 56 liegenden Teil des Widerstandes 100 (bezeichnet mit Ri). Das hat eine Erniedrigung des Potentiales am Verbindungspunkt 97 zur Folge, so daß das Potential am Anschluß 96 auf das· gleiche Potential gedrückt wird, wie es das Bezugspotential am Anschluß 91 ist« Die resultierende Beziehung zwischen dem Gesamtstrom im und dem Strom I₁ im abgeglichen Zustand wird durch die folgende Gleichung wiedergegeben:

i_T =

[ (I₁ + E/R₂)(R₃ + R₄) - Ej

wobei R-, der obere Teil des Widerstandes 100 (zwischen dem Abgriff 101 und dem Widerstand 99) plus dem Widerstand 99 ist. Der Gesamtausgangsstrom i„, ist dann direkt proportional dem Stromsignal i_i; welches wiederum eine vorgeschriebene Funktion der zu messenden Kapazität ist„

Nachfolgend soll nun eine Dimensionierung der Schaltungskomponenten angegeben werden, welche bei Verwendung eines Differentialdrucksensors gewählt wurden, der eine Kapazitäts· änderung von etwa 300 pf bei einem maximalen Druckunterschied zeigte. Die Kondensatoren G₁ und G₂ hatten etwa

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-H-

150 pf, wenn das Diaphragma 21 sich in seiner normalen Ruheposition befand. Der Kondensator C, hatte etwa 5 pf und diente zur Kompensation für Sensornebenschlüsse mit Pestwert. Die einzelnen Werte für die Schaltungskomponenten sind in der beigefügten Tabelle 1 angegeben.

Die nicht in der Tabelle angegebenen drei Kondensatoren 65, 66 und 67 hatten jeweils einen Wert von 0,01 Ul und waren zwischen die Diodenseiten der Wicklungen 11, 12, und H geschaltet, damit zwischen den einzelnen Wicklungen durch die dadurch bewirkte Wechselstromkopplung ein Unterschied in der Wechselstromphase und Amplitude nicht auftrat.

Bei den speziellen Werten für die Schaltungskomponenten und bei einer minimalen Speisespannung von 22 Volt zwischen den Anschlüssen 62 und 72 hatte der Gesamtstrom i™ 4 bis 20 Milliampere bei maximalem Druckunterschied. Der von dem Transistor 73 in die Leitung 55 eingespeiste Strom hatte etwa 3,7 Milliampere und war relativ unabhängig von der an dem Anschluß 72 angelegten Spannung„ Das Null-Instrument kann über einen weiten Bereich mit dem variablen Widerstand 98 (R₂) entsprechend einjustiert wurden, und der Maßstabsfaktor des Instrumentes kann durch Verschieben des Abgriffs 101 am Widerstand 100 verändert werden (durch das Verschieben werden die relativen Werte von R, und R. geändert). Geringe Korrekturen der Funktion zwischen dem Differentialdruck und dem Strom i. können mit der Auswahl des Kapazitätswertes des Kondensators C, vorgenommen werden, wie es oben bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung des entsprechenden Schaltungsteiles diskutiert wurde. Das Stromversorgungsteil 60 und der Lastwiderstand 61 können von dem übrigen System entfernt angeordnet sein. Die einzige Beschränkung besteht darin, daß der Lastwiderstand 61 bei Verwendung eines Stromversorgungs-

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teiles 60 mit 20 Volt Gleichstrom maximal etwa bbO Ω haben darf. Die angegebenen Werte gelten für einen Gesamtausgangsstrom von 4 bis 20 Milliampere. Wenn ein anderer Gesamtausgangsstrom gewünscht ist, können die genannten Werte entsprechend verändert werden.

Tabelle 1

Kondensatoren; Widerstände:

Dioden:

Transistoren:

Verstärker:

Transformator-Wicklungen: ■

	Bemessungequote
Bezugsziffer	und/oder Type
22, 23, 24, 25, 35	0.1 μί
34	0.0056/if
41, 74, 94	0.022μί
34	220K
44, 45	500Ω
"48, 49	4OK
61, 100	100Ω
71	1.3K
82	50Ω
84	470K
85	1OK
92, 93	IOOK
98	15K
99	9 K
15, 16, 17, 18, 19, 20, 78	1N914
46, 47	1N4571 (6.4V)
77	1Ν705Λ8 (5V)
83	1N4678 (1.8V)
36	2N718
73	2N5322
81	2N3440

40, 90

31

Fairchild 741 I.C. Operationsverβtarier

Prlmär-Wicklungen - 50 Windungen

32 RückkopplungB-

WicklungT-2

11,12,13,14 Sekundärwicklungen - 250 in vier Lagen gewickelt 9 8 18/151 5^Kern ~ ^{18 mm A40}°

3B7 - Ferroxcube

Claims

Patentansprüche

y Übertragerscaaltung zum Umwandeln eines von einer variablen Impedanz beeinflußbaren Wechselstromsignales in ein Gleichstromsignal derart, daß das Gleichstromsignal proportional einer Meßgröße ist, die auf die variable Impedanz verändernd einwirkt, mit zwei Versorgungsanschlüssen, die mit einer Gleichstromversorgungsquelle zu verbinden sind, mit einer Wechselstromquelle, die mit der variablen Impedanz gekoppelt ist, mit einem ersten Gleichrichterschaltungsteil, der mit der Wechselstromquelle und der variablen Impedanz gekoppelt ist, und ein den Jeweiligen Impedanzwert der variablen Impedanz entsprechendes erstes Gleichstromsignal erzeugt, und mit einer Bezugsstromquelle, die ein zweites Gleichstromsignal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstromquelle ihren Versorgungsstrom über die Versorgungsanschlüsse (62, 72) bezieht, daß ein Stromregelungsverstärker (90) vorgesehen ist, der seinen Versorgungsstrom nur über die Versorgungsanschlüsse (62, 72) bezieht und ein Ausgangsregelsignal erzeugt, das eine Funktion eines Eingangssignales ist, das einem dem Stromregelungsverstärker (90) zugeordneten Eingangsschaltungsteil zugeführt wird, daß ein Stromregelungsteil (80) vorgesehen ist, das zwischen die Veysorgungsanschlüsse (62, 72) geschaltet ist und das den durch ihn hindurchfließenden Strom entsprechend dem Ausgangsregelungssignal des Stromrege lungs ver st ärka?s steuert, daß ein erstes Widerstandsnetzwerk (53) vorgesehen ist, das den über die Versorgungsanschlüsse (62, 72) entnommenen Gleichstrom zu einem Gesamtgleichstrom summiert und das das erste und zweite Gleichstromsignal und den Gesaatgleichstrom miteinander vergleicht, und daß

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Schaltungsmittel vorgesehen sind, die das Widerstandsnetzwerk (53) mit dem Eingangsschaltungsteil für den Stromregelungsverstärker verbinden, so daß das Ausgangsregelsignal des Stromregelungsverstärkers (90) eine !funktion der durch die variable Impedanz zu messenden Größe ist.
2. Übertragerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die variable Impedanz einen ersten KaxLensator (CL) enthält, dessen Kapazität sich als Funktion der zu messenden Größe ändert.
3. Übertragerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Impedanz einen zweiten Kondensator (O₂) enthält, daß Wechselstromkopplungsschaltmittel (13, 14, 31) vorgesehen sind, über die der von der Wechselstromquelle (30) erzeugte Wechselstrom cfem zweiten Kondensator (C₂) zugeführt wird, daß ein zweiter Gleichrichterschaltungsteil (19 > 20) vorgesehen ist, der mit der Wechselstromquelle (30) und dem zweiten Kondensator (C₂)gekoppelt ist und ein drittes Gleichstromsignal erzeugt, das sich entsprechend der Kapazität des zweiten Kondensators (O₂) ändert, daß eine Bezugsstromquelle vorgesehen ist, die ein viertes Gleichstromsignal erzeugt, daß ein zweites Widerstandsnetzwerk vorgesehen ist, das das dritte und vierte Gleichstromsignal arithmetisch miteinander vergleicht, daß ein Steuerverstärker (40) für die Wechselstromquelle (30) vorgesehen ist, der seinen Versorgungsstrom nur über die Versorgungsanschlüsse (62, 72) bezieht und ein Ausgangssignal erzeugt, das eine Funktion des ihm zugeführten aus dem dritten und vierten Gleichstromsignal bestehenden Eingangssignales ist, und daß Kopplungsschaltmittel vorgesehen sind, die den

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Ausgang des Steuerverstärkers (40) mit der Wechselstromquelle (30) koppeln, so daß die Wechselstromquelle (30) als Funktion des dritten und vierten Gleichstromsignales gesteuert wird.
4. Über trager schaltung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß ein Stromstabilisierungsteil (70) vorgesehen ist, der den durch ihn hindurchfließenden Strom im wesentlichen auf einem konstanten Wert hält und der zwischen einen (72) der Versorgungsanschlüsse (62, 72)

W und mindestens einen derjenigen Schaltungsteile geschaltet ist, die den Stromregelungsverstärker (90) und den Steuerverstärker (40) für die Wechselstromquelle (30) enthalten.
5. Ubertragerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stromstabilisierungsteil (70) einen !Transistor (73) enthält, daß der Emitter des !Transistors (73) über einen Widerstand (7I) mit dem erwähnten Versorgungsanschluß (72) verbunden ist, so daß im wesentlichen der gesamte durch das Stromstabilisierungsteil (70) fließende Strom über den Wider-

t stand (71) fließt, und daß eine Zenerdiode (77) zwischen den Versorgungsanschluß (72) und die Basis des Transistors (73) geschaltet ist, so daß über dem Widerstand (71) eine im wesentlichen konstante Spannung abfällt .
6. Übertrager schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstromquelle (30) einen ersten und zweiten Impulserregerteil (11, 12) enthält, der in Sarie mit dem ersten Kondensator (C₄.) geschaltet ist, daß die Wechselstromquelle (30) ferner einen dritten und vierten Impulserregerteil (12, 13) enthält, der

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in Serie mit einem zweiten Kondensator (Co) geschaltet ist, daß die "Oapulserregerteile (11, 12, 13, 14) auf die beiden Kondensatoren (CL, Co) positive und negative Impulse übertragen, daß der erste und dritte Impulserregerteil (11, 13) während jedes positiven Eapulses den ersten und zweiten Kondensator (G*, G2) mit einem positiven Ladestrom nahezu vollständig aufladen, daß der zweite und vierte Erregerteil (12, 14) während jedes negativen Impulses den ersten und zweiten Kondensator (CL, G₂) mit einem negativen Ladestrom nahezu vollständig aufladen, und daß der erste Gleichrichterschaltungsteil (17, 18, 19 j 20) einen Stromweg in beiden Stromrichtungen zwischen der ersten, zweiten, dritten und vierten Impulserregerschaltung (11, 12, 13» 14) bildet, so daß die betreffenden Ladeströme separat gemessen oder in einer vorgeschriebenen Weise kombiniert werden können, um ein resultierendes Gleichstromsignal zu erzeugen, das eine Funktion des ersten und zweiten Kondensators (CL, Cp) und der !Frequenz und Amplitude der von den Impulserregerteilen (11, 12, 13» 14) auf die Kondensatoren (C,., Cp) übertragenen Impulse ist.
7. Übertragerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, zweite, dritte und vierte Impulserregerteil (11, 12, 13» 14) von einem gemeinsamen Oszillator (30) betrieben werden, daß Regelungsschal tmittel für den Oszillator (30) vorgesehen sind, die die von dem ersten und zweiten Kondensator beeinflußten Gleichströme summieren und ein variables Gleichstromregelsignal für den Oszillator (30) erzeugen, das proportional der summierten Augenblickskapazitäten der beiden Kondensatoren (C,., Cp) ist, daß Komparatorschaltmittel vorgesehen sind, die das von

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den Eegelungs schal tmitteln erzeugte Regelungssignal mit dem zweiten als Bezugssignal dienenden Gleichstromsignal vergleichen und so auf den Pegel des Eegelungssignales einwirken, daß das Produkt aus Amplitude und Itequenz des von dem Oszillator erzeugten Wechselstromsignales eine Funktion der Kapazität des ersten und zweiten Kondensators und des zweiten als Bezugssignal dienenden Gleichstromsignales ist.

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8. Übertragerschaltung nach Anspruch 7i dadurch ge-™ kennzeichnet, daß Jeder der vier Impulserregerteile (11, 12, 13, 14) eine separate Transformatorwicklung (11, 12, 13» 14) enthält, die in Serie mit einem separaten Gleichrichter (17, 18, 19, 20) geschaltet ist.
9· Übertrager schaltung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator so geregelt ist, daß sein Ausgangsprodukt dirät px>portional zu dem zweiten als Bezugssignal dienenden Gleichstromsignal und umgekehrt proportional zu der Summe der Kapazitäten des ersten und zweiten Kondensators (CL Cp) ist, und daß Schaltmittel zur Erzeugung eines dritten Gleichstrom- \ signales vorgesehen sind, das proportional zu der Differenz der von dem ersten und zweiten Kondensator (C₄., G₂) erzeugten Gleichströme ist, so daß das dritte Gleichstromsignal direkt proportional zu der Differenz der Kapazitäten des ersten und zweiten Kondensators (C* ι Cp) ^^ ungekefrPt proportional zu der Summe der Kapazitäten des ersten und zweiten Kondensators (C₄., C₂) ist.
10. Übertragerschaltung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Kondensator (C,) vorgesehen ist, daß ein fünfter Erregerteil zur Erzeugung

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von Gleichströmen vorgesehen ist, die proportional zu der Kapazität des dritten Kondensators (G,) sind, und daß Schaltmittel vorgesehen sind, die einen Gleichstrom, der proportional der Kapazität des dritten Kondensators (CL) ist, mit den Gleichströmen kombiniert, die proportional zu den Kapazitäten des ersten und zweiten Kondensators (C,., G^) sind, um ein modifiziertes erstes Gleichstromsignal zu erzeugen, das proportional zu der Kapazität des ersten Kondensators (CL) plus der Kapazität des zweiten Kondensators (C₂) abzüglich der Kapazität des dritten Kondensators (C,) ist.

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