DE2143567C3 - Schaltungsanordnung zur Messung kleiner Kapazitätsänderungen - Google Patents

Description

30

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung keiner Kapazitätsänderungen, bei der das Meßgut zwischen dir. Beläi, eines als Plattenkondcnsator ausgebildeten Meßkondensators eingeführt und durch die unterschiedlit -,e relative Dielektrizitätskonstante des Meßguts gegenüber dem Ruhezustand eine Kapazitätsänderung hervorgerufen wird.

Derartige Schaltungsanordnungen werden beispielsweise zur Überwachung des aus einer Spinnmaschine abgezogenen Fadens verwendet, wobei der Faden zwisehen den Platten des Meßkondensators geführt wird. Bei einer Dicken-Änderung des Fadens bzw. beim Abreißen des Fadens ergeben sich am Meßkondensator außerordentlich kleine Kapazitätsänderungen in der Größenordnung von 10 '⁶F absolut und relativ 4-, etwa von 10"⁴. Die Auswertung derartig kleiner Kapazitätsänderungen erweist sich in der Praxis als außerordentlich aufwendig, da einerseits eine sehr hohe Empfindlichkeit des Meßinstruments erforderlich ist, andererseits aber die bekannten Meßanordnungen der eingangs genannten Art bei den rauhen Umgebungsbedingungen eines Industriebetriebes im allgemeinen zu Drifterscheinungen neigen, also instabil sind und ständig nachgeeicht werden müssen.

Nach dem Stand der Technik wurden diese Schal- π tungsanordnungen auf verschiedene Weise realisiert Zum einen ist es möglich, den Meßkondensator ah Bestandteil des Schwingkreises eines Oszillators einzusetzen und die sich aufgrund der Kapa/.itätsänderungen ergebenden Frequenzänderungen auszuwerten (,o Bei einer derartigen Realisierung erweist es sich als äußerst störend, daß wegen der exponierten Lage des Meßkondensators Streukapazitäten zur Umgebung, also im allgemeinen zu einer Maschine mit bewegten Teilen, das Meßergebnis verfälschen und zu unzuverlässigen Ergebnissen führen. Auch erweist sich die Temperaturstabilisierung des Oszillators selbst als problematisch, wenn nicht sehr aufwendige Maßnah

men getroffen werden.

Man hat auch versucht, die kleinen Kapazitätsänderungen durch Brückenschaltungen in Spannungsänderungen im Brückenzweig umzuwandeln, doch sind derartige Brückenschaltungen schon allein deshalb sehr kompliziert, weil die Nachweiseinrichtung im Brückenzweig angesichts der sehr kleinen Änderungen äußerst empfindlich gemacht werden muß. Diese hohe Empfindlichkeit führt wiederum zu Schwierigkeit sn wie thermischen Drifterscheinungen des erforderlichen Verstärkers bzw. zur Instabilität des Verstärkers selbst

Als weitere Möglichkeit wurde versucht, den Meßkondensator in einer Reihenschaltung mit einer Hochfrequenzquelle zu speist η und die Spannung am Meßkondensator in Abhängigkeit von den auftretenden Kapazitätsänderungen auszuwerten. Hierbei erweist es sich als äußerst nachteilig, daß die Spannung am Meßkondensator unmittelbar von den Änderungen der Amplitude der Hochfrequenzquelle verfälscht wird, so daß bei einer derartigen Schaltungsanordnung nicht nur die Frequenzschwankungen der Hochfrequenzquelle, sondern auch deren Amplitudenschwankungen in das rvießergebnis eingehen und dieses unbrauchbar machen.

Demgemäß besteht die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die bei hoher Stabilität und einfachem Aufbau gegen Schwankungen der Speisespannungsamplitude sehr unempfindlich ist

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß dem Meßkondensator eine Induktivität zur Kompensation seiner Ruhekapazität parallel geschaltet ist, daß der dadurch gebildete Parallelresonanzkreis aus einer hochfrequenten Speisespannungsquelle mit einer etwas unterhalb der Resonanzfrequenz liegenden Frequenz gespeist ist, und daß beide Anschlüsse des Meßkondensators über eine Demodulatorschaltung mit dem Ausgang verbunden sind, wobei im Ruhezustand an beiden Anschüssen des Meßkondensators Spannungen mit gleichen Beträgen gegenüber Masse anliegen.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht also darin, einen Parallelresonanzkreis mit einer Frequenz unterhalb dessen Resonanzfrequenz zu speisen, so daß der Scheinwiderstand des Schwingkreises induktiv ist. In diesem Frequenzbereich knapp unterhalb der Resonanzfrequenz bewirken dann schon geringfügige Änderungen der Kapazität eine ganz beträchtliche Veränderung der Phasenlage der am Schwingkreis anfallenden Spannung. Gerade diese Phasenänderung wird in einer Demodulatorschaltung, deren Realisierung dem Fachmann unter Beachtung der gegebenen Lehre keine Schwierigkeiten bereiten wird, in eine Gleichspannung umgewandelt, deren Höhe der Änderung der Phasenlage der am Schwingkreis anliegenden Spannung entspricht. Damit nun im Ruhezustand, d. h dann, wenn kein Objekt /wischen die Belage des Plattenkondensators eingeführt ist. die Ausgangsgleichspannung der Schaltung gleich Null ist. wird die Speisespannung dem MelJkondensator bzw. dem Schwingkreis derart zugeführt, daß die Beträge der an den beiden Anschlüssen des im Ruhezustand gleich groß sind. Durch diese Ausbildung erreicht man aber nicht nur, daß die Ausgangsspannung im' Ruhezustand gleich Null wird, es wird vielmehr zusätzlich noch der große Vorteil erzielt, daß die Amplitude der Speisespannung praktisch keinen Einfluß

auf die Ausgangsspannung hat, da ja an beiden Belägen des Meßkondensators dem Betrag nach gleich große Spannungen anliegen, deren absolute Höhe jeweils unmittelbar mit der Speisespannungsamplitude korreliert ist, so daß ihre Differenz von der Speisespannung unabhängig ist. Gerade die Differenz aber wird als Ausgangsspannung und als Maß für die Kapazitätsänderung des Meßkondensators erfindungsgemäß ausgewertet

Zwar ändert sich bei Einführen eines Objekts zwischen die Beläge des Meßkondensators nicht nur die Phasenlage der am Meßkondensator anliegenden Spannungen, sondern auch deren Amplitude, doch ist dabei zu berücksichtigen, daß angesichts der sehr kleinen Kapazitätsänderungen im wesentlichen nur die Phase der Spannungen Einfluß auf das Meßergebnis hat. Mit anderen Worten heißt dies, daß zwar eine gewisse Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Amplitude der Speisespannung vorliegt, doch zeigt sich in der Praxis, daß diese Amplitudenabhängigkeit etwa um den Faktor 1(T geringer ist als bsi den eingangs geschilderten Schaltungen gemäß dem Stand d^r Technik. Dies ist irn wesentlichen darauf zurückzuführen, daß bei allen der bekannten Schaltungen eine direkte Abhängigkeit entweder der Frequenz oder der Amplitude mit dem Meßergebnis zu berücksichtigen ist, daß aber gemäß der Erfindung diese Abhängigkeit weitgehend dadurch ausgeschaltet wird, daß einerseits der Meßkondensator dem Betrag nach symmetrisch gespeist wird und daß zudem in der Nähe der Resonanzfrequenz eines Schwingkreises zwar sehr starke Phasenänderungen auftreten, daß sich aber im gleichen Bereich die Amplitude am Schwingkreis im Vergleich zur Phase nur recht langsam ändert.

Da die hochfrequente Speisespannungsquelle somit kein funktioneller Bestandteil der Schaltung ist, wie beispielsweise bei einer Schaltungsanordnung, in der der Meßkondensator Bestandteil des Schwingkreises eines Oszillators ist, kann diese Speisespannungsquelle separat von der übrigen Schaltungsanordnung aufgebaut und äußerst stabil ausgebildet werden, ähnlich wie es bei einer Brückenschaltung der Fall wäre. Somit wird durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung erreicht, daß die Vorteile einer Brückenschaltung mit denen einer Reihenschaltung quasi verknüpft werden und dieses Ergebnis mit einem sehr geringen konstruktiven Aufwand erzielt wird.

Besonders bevorzugt und vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in Meß- und Abtastorganen für elektronische Garnreiniger verwendet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Schaltungsanordnung und

Fig. 2 ein Vektordiagramm für die Spannungsverteilung in der Schaltungsanordnung.

Der Meßkondensator6 mit seiner Nullkapa/itüt (',, liegt parallel zu einer Induktivität 4. Die Werte der Kapazität C_n und der Induktivität 4 sind angenähert auf die Frequenz der im Huehfrequenzgejieratnr 1 mit Innenwiderstand 2 erzeugten Spannung U_E abgestimmt. Die Speisespannung ist über einen Kondensators und über einen weiteren Kondensator5 an die Parallelschaltung von Induktivität 4 und Meß kondensator 6 gelegt Parallel zum Kondensator 5 liegt eine Diode7 und ein Widerstände. Die Ausgangsklemme 12 liegt über einem Widerstand 9 mit parallelgeschalteter Diode 10 am Kondensator3, die Ausgangsklemme 13 ist mit dem Hochfrequenzgenerator 1 bzw. Kondensator5, Diode7 und Widerstands verbunden.

Ist der Meßkondensatorö leer, d. h, weist er die Nullkapazität C₀ auf, bilden die an den einzelnen Schaltelementen auftretenden Spannungen die in Fig. 2 gezeigten Vektoren. Dabei ist mit durchgehenden Linien der Ruhezustand gezeigt, bei dem der Meßkondensator 6 leer ist, d. h. mit seiner Nullkapazität C₀ wirksam ist Man erkennt, daß

ist und somit

11 — i

"Λ l

Ii ι — im —

"41 I "41

Die Parallelschaltung von Induktivität 4 und Kondensator 6 verhält sich dabei induktiv.

Beim Einlegen eines zusätzlichen Materials, beispielsweise eines Garnes 16, mit einer von Eins verschiedenen Dielektrizitätskonstante in den Meßkondensator 6 erhöht sich seine Kapazität Die Parallel-

jo schaltung Induktivität 4/Kondensator 6 wird dadurch weniger induktiv, was zu einer Drehung des Vektors i/₃ nach υ/ führt. Gleichzeitig wird die Impedanz des Parallelschwingkreises 4, 6 größer, da man näher an den Zustand der Parallelresonanz heran kommt. Da-

j5 durch reduziert sich der Strom in der Reihenschaltung von innerem Widerstand2, Kondensator3, Parallelschwingkreis 4/6, Kondensator 5. Die Spannung L'_A über dem Kondensator5 wird somit kleiner (JJ\). Dagegen wird die Summe der Vektoren t/₃ + i/₄ gioßer.

Die Ausgangsspannung

U', =|i/'₃+ i/'₄i -IiAI

nimmt dabei - wie Fig. 4 zeigt - einen endlichen Wert an. Zwischen den Ausgangsklemmen 12, J3 tritt also eine Spannung υ_λ auf, sobald die Kapazität des Meßkondensators 6 erhöht wird. Innerhalb bestimmter Grenzen der Kapazitätserhöhung ist die Ausgangsspannung mindestens angenähert proportional. Die Widerstandes, 9 und die Dioden7, 10 dienen der vektoriellen Addition der Teilspannungen

|i/j+ U₁I-IOiI.

Oui jh die mindestens angenähert symmetrische Einspeisung der Hochfrequenzspannung ist dsr Meßkondensator 6 ebenfalls symmetrisch gegen Erde. Damit läßt sich als weiterer Vorteil eine gute Homogenität des Meßieldes erreichen. Ferner wirken sich Schwankungen der F.ingangsspannung dank dem bo symmetrischen Aufbau nicht als Änderungen der Ausgangsspannung aus.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Messung kleiner Kapazitätsänderungen, bei der das Meßgut zwischen die Beläge eines als Plattenkondensator ausgebildeten Meßkondensators eingeführt und durch die unterschiedliche relative Dielektrizitätskonstante des Meßguts gegenüber dem Ruhezustand eine Kapazitätsänderung hervorgerufen wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Meßkondensator (6) eine Induktivität (4) zurKompensationseinerRuhekapazität parallel geschaltet ist, daß der dadurch gebildete Parallelresonanzkreis (4, 6) aus einer hochfrequenten Speisespannungsquelle (1, 2) mit einer etwas unterhalb der Resonanzfrequenz liegenden Frequenz gespeist ist, und daß beide Anschlüsse des Meßkondensators (6) über eine Demodulatorschaltung (7, 8; 9, 10; 11) mit dem Ausgang verbunden sinri, wobei im Ruhezustand an beiden Anschlüssen des Meßkondensators (6) Spannungen mit gleichen Beträgen gegenüber Masse anliegen.

2. Verwendung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 in Meß- und Abtastorganen für elektronische Garnreiniger.