DE2258690A1

DE2258690A1 - Impedanzvergleichsschaltung

Info

Publication number: DE2258690A1
Application number: DE19722258690
Authority: DE
Inventors: Abbe Robert Cleveland; Brose K A Dipl-In Patentanwalt
Original assignee: ADE Corp
Current assignee: ADE Corp
Priority date: 1971-12-09
Filing date: 1972-11-30
Publication date: 1973-06-14
Also published as: DE2258690B2; CA961926A; FR2162631A1; FR2162631B1; US3775678A; JPS4866469A; GB1395208A; DE2258690C3; IT973955B; JPS5457068U

Description

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vI/No - AD-H - 206 35 7 München-Pullach, 30. November 1972

ADE CORPORATION, 50 Hunt Street, Watertown, Massachusetts 02172, USA

Impedanzvergleichsschaltung

Die vorliegende Erfindung betrifft das Instrumentarium für Abtaster, die ein elektrisches Element aufweisen, dessen Impedanz in Abhängigkeit von einem abgetasteten Parameter schwankt bzw. sich ändert. Allgemein ist die sich ändernde Impedanz, die abgetastet wird, eine Kapazität, und es ist eine zweite Bezugskapazität vorgesehen, um einen Vergleich zwischen dem elektrischen Ansprechverhalten der Abtastimpedanz und der Bezugsimpedanz vornehmen zu können. Ein Beispiel für eine Sonde Qieses Typs ist in der Patentanmeldung P 21 37 545.1 beschrieben.

Bei Anwendungsfällen, bei denen die Möglichkeit besteht, daß die Umgebung einen Einfluß auf die Abtastimpedanz ausübt, und zwar Einflußfaktoren, andere als der abzutastende Parameter, ist es wünschenswert, daß die Bezugsimpedanz der gleichen Fehlerinduzierwirkung ausgesetzt wird. Dies macht gewöhnlich erforderlich, daß die zwei Impedanzen dicht beieinander sind, wobei jedoch ein Problem hinsichtlich Streukapazitäten zwischen der Bezugsimpedanz und der Abtastimpedanz entsteht.

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Bei den heutigen automatischen und elektronischen Systemen tritt oft die Forderung auf, daß die Ausgangsgrößen des Instrumentariums, welches einen sich ändernden Parameter abtastet, durch elektronische Schaltungen weiter verarbeitet werden. Die Genauigkeit läßt sich sehr viel einfacher und billiger erreichen, wenn die Ausgangsgrößen des Abtaster-Instrumentariums alle auf ein Massepotential oder Erdpotential bezogen sind, welches der Erregerquelle und der abgetasteten Kapazität gemeinsam ist. Schwankungen relativ zu diesem Massepotential, die kennzeichnend für den abgetasteten Parameter sind, lassen sich genauer erfassen. Typische Brückenschaltungen, die gewöhnlich für dieses Instrumentarium verwendet werden, weisen jedoch eine Ausgangsgröße auf, die zwischen zwei hoch liegenden Spannungspunkten abgegriffen wird, oder wenn relativ zur Erde gemessen wird, ein Potential aufweisen, welches ein hoch konstantes Effektxvwertpotential (RMS potential) aufweist, welches kleine Schwankungen oder Änderungen überdeckt. Bei diesen bekannten Brückenschaltungen geht ebenfalls die Linearität verloren, wenn die Abtastimpedanz und die Bezugsimpedanz stärker voneinander abweichen.

Da eine Wechselstrom-Erregergröße erforderlich ist, um Kapazitätsänderungen zu erfassen oder abzutasten, ist es vorteilhaft, eine Gleichrichtung vorzusehen, so daß das Ausgangssignal ein Gleichstromsignal ist und nicht Streukapazitätsbelastungen in den Kabeln oder an anderen Stellen ausgesetzt ist. Es ist ebenso wünschenswert, nur eine Gleichstromkomponente zu haben, die durch eine Meßvorrichtung als Ausgangssignal gelangt. Eine lineare Gleichrichtung einer Wechselstrom-Ausgangsgröße, die um Null schwankt, führt jedoch zu dem Nachteil, daß in dem Nichtsättigungsbereich der Gleichrichter gearbeitet wird, wodurch Verzerrungen eingeführt werden und eine Abhängigkeit von der Umgebung bzw. Umgebungseinflüssen vorhanden ist.

Es ist somit Ziel der vorliegenden Erfindung, ein elektronisches SchaltungsInstrumentarium für Abtast- und Bezugsimpedan-

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zen zu schaffen, welches relativ einfach aufgebaut ist und genau arbeitet, unempfindlich gegenüber Streukapazitäten zwischen den Impedanzen oder zwischen dem Ausgang und Masse oder Erde ist und welches einen üblichen Ausgang bzw. Ausgangsgröße für eine weitere elektronische Verarbeitung vorsehen kann.

Speziell ist es Ziel der Erfindung, ein elektronisches Schaltungsinstrumentarium für eine Abtastimpedanz und eine Bezugsimpedanz zu schaffen, welches die momentanen Potentiale über den Impedanzen nahezu gleich hält.

Die Erfindung hat sich auch zum Ziel gesetzt, ein elektronisches Schaltungsinstrumentarium für eine Abtast- und Bezugsimpedanz zu schaffen, bei der ein Ausgangssignal erzeugt wird, welches auf Masse bezogen schwankt, und zwar um einen Betrag, der für den abgetasteten Parameter kennzeichnend ist.

Die Erfindung sucht auch eine elektronisches Schaltungsinstrument ari um für eine Abtast- und eine Bezugsimpedanz zu schaffen, welches eine Gleichstrom-Ausgangsgröße angibt und eine· Wechselstrom-Erregergröße verwendet, wobei die gleichrichtenden Elemente in voll durchgeschaltetem Zustand arbeiten, wobei die ganze Wechselspannung über ihnen ansteht.

Auch ist es Aufgabe der Erfindung, ein elektronisches Schaltungsinstrumentarium für eine Abtast- und eine Bezugsimpedanz zu schaffen, welche eine lineare Beziehung zwischen der Abtastimpedanz und dem Ausgangssignal für große Differenzen zwischen der Bezugsimpedanz und der Abtastimpedanz beibehält.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch folgende Merkmale und Einrichtungen gelöst: Die bevorzugte Ausführungsform enthält einen Oszillator oder eine Wechselstromquelle, die auf Masse bezogenen Wechselstrom einem ersten und einem zweiten Gleichspannung abblockenden Impedanzzweig zuführt. Die Erregergröße

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gelangt durch den ersten und den zweiten Impedanzzweig durch eine Diodenmatrix und gelangt von dieser jeweils durch die Bezugsimpedanz und die Abtastimpedanz während der einen Polarität des Stromes nach Masse und gelangt durch die Abtastkapazität und die Bezugskapazität während der anderen Halbwelle bzw. Polarität des Stromes nach Masse. Ladungsansammlungen in den Impedanzen werden durch Vorsehen einer Gleichstromrückführung nach Masse von jedem der Verbindungspunkte zwischen der Diodenmatrix und dem ersten und dem zweiten Impedanzzweig über jeweils zwei Tiefpassfilter und zwei Gleichspannungs-Anzeigegeräte an einem Differenzverstärker gesperrt.Der Nettöetrom durch jedes Anzeigegerät zeigt die Differenz zwischen der Bezugsimpedanz und der Abtastimpedanz an.

Normalerweise sind alle vier Impedanzen kapazitiv, wobei die erste Impedanz und die zweite Impedanz wesentlich kleiner sind, und zwar um einen Wert von wenigstens einer Größenordnung, als die Bezugsimpedanz und die Abtastimpedanz. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, daß die erste und die zweite Impedanz induktiv sind und mit der kapazitiven Abtastimpedanz und Bezugsimpedanz auf die Oszillatorfrequenz abgestimmt sind. Die Induktivitäten in der weiteren möglichen Ausführungsform sind induktiv gekoppelt, um den Spannungsabfall über diesen möglichst klein zu halten.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung. Es zeigt:

Figur 1 ein Schaltschema teilweise als Blockschaltbild und teilweise als Stromlaufplan einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung; und

Figur 2 ein Schaltschema teilweise als Blockschaltbild und teilweise als Stromlaufplan einer anderen möglichen Ausführungsform des Gegenstandes von Figur 1.

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Das in Figur 1 gezeigte bevorzugte Ausführungsbeispiel enthält einen 0sz811ator 12, der eine Wechselstromquelle darstellt und dessen hochliegender Ausgang mit der einen Seite eines ersten und eines zweiten Gleichspannung abblockenden Impedanzzweiges und 16 elektrisch verbunden ist. Eine Diodenmatrix 18 besteht aus vier in Reihe geschalteten angepaßten Halbleiterdioden 20, die einen geschlossenen Leitpfad formen, wobei alle Dioden für eine Leitung in gleicher Richtung ausgerichtet geschaltet sind. Die erste und die zweite Impedanz IM- und 16 sind elektrisch mit der Matrix 18 an gegenüberliegenden Verbindungspunkten 22 und zwischen den Dioden 20 verbunden. Die verbleibenden Verbindungspunkte 26 und 28 der Diodenmatrix 18 sind elektrisch mit einem Anschluß einer variablen Abtastimpedanz und einer Bezugsimpedanz 30 und 32 verbunden. Die anderen Anschlüsse der Impedanzen 30 und 32 sind nach Masse geführt, und zwar einem Punkt, der auch gemeinsam von der niedrig liegenden Seite des Oszillators zusammengeschaltet ist.

Die Verbindungspunkte 22 und 24 sind elektrisch in Kontakt mit der einen Seite von Elementen 34 und 36 (typisch Induktivitäten), wobei der andere Anschluß derselben elektrisch über Glexchstrommeßgeräte 3 8 und 40 nach Masse geführt sind und elektrisch mit den Differentialexngängen eines Differentialverstärkers 42 verbunden sind.

Die Impedanzen 14, 16, 30 und 32 können dominierend ohmschen, induktiven oder kapazitiven Charakter haben, und zwar bei der Frequenz der Quelle 12, so lange die Impedanzen 14 und 16 einen glexchspannungsmäßxg offenen Kreis aufweisen. Von besonderem Interesse ist der Fall, bei welchem diese Impedanzen alle kapazitiv sind,und insbesondere der Fall, bei dem die Impedanzen 14 und 16 wesentlich kleiner sind als die Impedanzen 3D und 32. In diesem Fall sind die momentanen Spannungen über den Kapazitäten 30 und 32 nahezu gleich, so daß eine geringe Strombelastung an der Schaltung durch Streukapazitäten zwischen den Verbindungspunkten 26 und 2 8 auftritt, welche Verbindungspunkte

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typisch dicht beieinanderliegende Kapazitätsabtast- und -abgleichelektroden einer kapazitiven Sonde oder Tasters sind. Dieses Merkmal gestattet ebenso einen linearen Betrieb dieser Schaltung, wenn die Impedanzen 30 und 3 2 wesentlich voneinander abweichen.

Der durch die Impedanzen 30 und 32 fließende Strom ist proportional zum Wert dieser Impedanzen. Da die Diodenmatrix den Strom von den Verbindungspunkten 22 und 2¹I zu den Impedanzen 30 und 32 lenkt, was von der Polarität des Stromes abhängig ist, so fließt die eine Halbwelle des Stromes am Verbindungspunkt 22 durch eine der Impedanzen 30 und 32 und die andere Halbwelle fließt über die andere Impedanz. Gleichzeitig fließt der Strom am Verbindungspunkt 24 durch die Impedanz 30 oder 32 in umgekehrter Richtung und dort, wo die Impedanzen 30 und 32 ungleich sind, weisen die Stromhalbwellen entgegengesetzter Polarität an jedem Verbindungspunkt 22 und 24 eine unterschiedliche Größe auf, wobei dieser Größenunterschied die Differenz zwischen den Impedanzwerten der Impedanzen 30 und 32 kennzeichnet. Die Differenz in den Stromhalbwellen an den Verbindungspunkten 22 und 2¹I führt zu einem Ladungsaufbau an den Impedanzzweigen 14 und 16, dieser Gleichspannungsaufbau wird jedoch über die Elemente 34 und 36 zu den Meßgeräten 3 8 und 40 und/oder Verstärker 42 geshuntet. Der Gleichspannungsmittelwert oder der Stromhalbwellenunterschied an den Verbindungspunkten 22 und 24, der von Null auf einen Betrag abweicht, welcher die Differenz zwischen den Impedanzen 30 und 32 wiedergibt, stellt die Ausgangsanzeige oder das Ausgangssignal der Schaltung dar.

Dieser Gleichspannungsmittelwert an den Verbindungspunkten 2 und 24 ist klein, verglichen mit der Wechselstromkomponente an diesen Punkten. Da jedoch nur die Stromunterschiede und nicht die gesamten Schaltungsströme durch die Meßgeräte 38 und 40 oder den Verstärker 42 fließen, können die Filterelemente 34 und 36 dazu verwendet werden, die hohe Frequenzkomponente zu hindern, wahrem die Gleichstromkomponente zu den Meßgeräten 38 und 40 oder dem

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Verstärker 42 gelangt. Die Elemente 34 und 36 können Induktivitäten mit ziemlich großem Impedanzwert bei der Frequenz der Quelle 12 oder irgendeinem Tiefpassfilter sein.

Die Filterelemente 34 und 36 können an die Verbindungspunkte 26 und 28 ebenso angeschlossen werden, sie erzeugen jedoch eine Streuimpedanzbelastung.

Die Diodenmatrix 18 sieht eine Gleichrichtung vor,.so daß das interessierende Signal an den Verbindungspunkten 22 und 24 ein Gleichstromsignal ist. Nichtsdestoweniger fließt der gesamte Strom durch die Dioden 20, und die Spannungslast der Schaltung stellt sicher, daß diese Dioden voll durchgeschaltet werden und daß deren Nichtlinearitäten einen minimalen Einfluß auf die Linearität des Ausgangssignals ausüben. Wenn man Dioden 20 mit angepaßten Leitfähigkeitseigenschaften verwendet und wenn man diese Dioden in der gleichen Umgebung hält, so macht sich irgendeine Änderung in einer der Dioden als Änderung in allen anderen Dioden bemerkbar und es wird kein besonderer Fehler oder Fehlergröße an den Verbindungspunkten 22 und 24 eingeführt oder erzeugt, und zwar aufgrund einer Diodendrift oder aufgrund von Ungleichheiten.

Eine nützliche, jedoch stark beeinträchtigte Ausführungsfprm läßt sich bei der Schaltung von Figur 1 erreichen, wenn eine der Impedanzen 30 und 32 zusammen mit den zwei an diese angeschlossenen Dioden weggelassen wird.

Eine Verbesserung der vorher geschilderten Schaltungen läßt sich verwirklichen durch Verwendung einer Schutzeinrichtung 45, die zumindest teilweise die Impedanzen 30 (und 32), die durch die Quelle 12 gespeist werden, einschließt oder umgibt. Wenn die Impedanzen 14 (und/oder 16) klein sind verglichen mit den Impedanzen 30und 32, so hält die Schutzvorrichtung 45 die Kapazitätsabtastelemente innerhalb einer flußfreien Umgebung und hält den Einfluß von Streukapazitäten minimal.

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Die Impedanzen 14 und 16 können einen Impedanzwert bei der Frequenz der Quelle 12 aufweisen, der ziemlich nahe gleich dem Impedanzwert der Impedanzen 30 und 32 ist. In diesem Fall erzeugen die ungleichen Ströme durch die Impedanzen IU und 16, wenn die Impedanzen 30 und 32 ungleich sind oder unsymmetrisch sind, sowohl einen Gleichstrom als auch ein Gleichstrompotentialsignal an den Verbindungspunkten 22 und 24. Der dynamsiche Bereich der Schaltung kann ebenso dadurch erhöht werden, indem man weitere Dioden oder Impedanzen 44 in Reihe mit jeder Diode 20 in der Matrix 18 schaltet.

In Figur 1 können die Impedanzen 14 und 16 mit den Impedanzen 30 und 32 auf die Frequenz der Qzelle 12 abgestimmt sein. Die Impedanzen 14 und 16 können bei dieser Frequenz induktiv sein, während die Impedanzen 30 und 32 kapazitiv sind. Bei diesem abgestimmten Fall wird die Empfindlichkeit der Schaltung wesentlich erhöht, es wird jedoch dabei ebenso das momentane Potential zwischen den Verbindungspunkten 26 und 2 8 gezwungen, sich mit den Impedanzen 30 und 32 zu ändern.

In Figur 2 ist eine abgewandelte Ausführungsform gezeigt, wobei die Quelle 12 eine Seite von wechselseitig gekoppelten Induktivitäten 46 und 48 anstelle der Elemente 14 und 16 speist. Die Kopplung zwischen den Induktivitäten 46 und 48 induziert eine Spannung in jeder Induktivität 46 und 48, die der Spannung entgegengesetzt ist, die in der Induktivität selbst induziert wird. Die anderen Seiten der Induktivitäten 46 und 48 sind elektrisch mit den Verbindungspunkten 50 und 5 2 einer Diodenmatrix 54 verbunden, die die gleiche ist wie die Matrix 18, mit der Ausnahme, daß zusätzliche, in Reihe geschaltete Elemente 44 vorgesehen sind, wie dies zuvor erwähnt wurde. Diese Elemente 44 sind für den Betrieb der Schaltung gemäß Figur 2 jedoch nicht erforderlich. Die verbleibenden zwei Verbindungspunkte 56 und 58 sind elektrisch mit einer veränderlichen Kapazität 60 und einer Kapazität 62 verbunden, deren anderer Anschluß geerdet ist. Die Induktivitäten und 66 zweigen von den Verbindungspunkten 50 und 52 ab und führen jeweils zu Meßgeräten 6 8 und 70.

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Die wechselseitig gekoppelten Induktivitäten weisen, unter den
Bedingungen, bei denen die Kopplung eng.ist, gleich große Eigeninduktivitäten auf, und die Inpedanzen der Kapazitäten 60 und 62 sind nominell gleich, wodurch der Spannungsabfall über den
Induktivitäten 46 und 48 nahezu Null wird, so daß die momentanen Potentiale an den Verbindungspunkten 50 und 52 nahezu gleich sind und die Empfindlichkeit oder Ansprechempfindlichkeit der Schaltung erhöht wird. Diese enge Gleichheit wird durch Veränderungen in der Kapzität 60 gestört, jedoch wird die Ansprechempfindlichkeit der Schaltung aufrechterhalten.

Obwohl der Gegenstand der Erfindung anhand von verschiedenen Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es für den Fachmann off offensichtlich, daß eine Reihe von Abwandlungen und Änderungen
vorgenommen werden können, ohne dabei den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Sämtliche in der Beschreibung erwähnten und in den Zeichnungen erkennbaren technischen Einzelheiten sind für die Erfindung
von Bedeutung.

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Claims

Patentansprüche

i1.ι Schaltung zum Vergleichen der Impedanz einer Abtastimpedanz und einer Bezugsimpedanz, die von einer Wechselstrom-Erregerquelle gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung folgende Einrichtungen und Merkmale aufweist: eine erste (14) und eine zweite (16) Gleichstrom abblockende Impedanz, die an einem ersten Anschluß miteinander verbunden sind; deren zweiter Anschluß zu der Abtast-(30) und Bezugs-(32) Impedanz führt; eine Einrichtung (18) zum Leiten von einer Polarität der Erregergröße durch die erste und die zweite Impedanz (14, 16) und in Reihe durch jeweils die Bezugsimpedanz (32) und die Abtastimpedanz (30) und zum Leiten der anderen Polarität der Erregergröße durch die erste und die zweite Impedanz (14, 16) und in Reihe durch jeweils die Abtastimpedanz (30) und die Bezugsimpedanz (32); und Mittel (34, 36, 38, 40, 42) zum Erfassen eines Signals, welches kennzeichnend für die Differenz zwischen den Polaritäten in der Erregergröße durch wenigstens eine der ersten und der zweiten Impedanz (14, 16) ist, wobei eine Anzeige über die Impedanzdifferenz zwischen der Bezugsimpedanz (32) und der Abtastimpedanz (30) vorgesehen wird.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsimpedanz (32) und die Abtastimpedanz (30) kapazitive Impedanzen sind.
3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erfassen folgende Einrichtungen aufweisen: eine Tiefpassfiltereinrichtung (34, 36), um das Signal zu filtern; und eine Anzeigevorrichtung (40, 38), um das Signal nach Passieren der Tiefpassfiltereinrichtung anzuzeigen.
4. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (42) zum Verstärken der Differenz in den Signalen, die die Differenz in der Erregergröße durch die erste und die zweite Impedanz (14, 16) kennzeichnen.

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5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch.gekennzeichnet, daß die erste Impedanz (I¹+) und die zweite Impedanz (16) einen wesentlich kleineren Impedanzwert aufweist als die Bezugsimpedanz (32) und die Abtastimpedanz (30), wobei das momentane elektrische Potential über der Bezugsimpedanz (32) und der Abtastimpedanz (30) nahezu gleich ist.
6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsimpedanz (32) und die Äbtastimpedanz (30) kapazitive Impedanzen sind.
7. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Impedanz (IU) nnd die zweite Impedanz (16) mit der Bezugsimpedanz (32) und der Abtastimpedanz (30) auf die Frequenz der Erregergröße der Quelle (12) abgestimmt sind.
8. Schaltung nach- Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (46, 48) vorgesehen ist, um eine der Erregergröße in der ersten Impedanz (46) entgegengesetzte Größe zu induzieren, die von der Erregung in der zweiten Impedanz (48) abhängig ist, und um eine der Erregergröße in der zweiten Impedanz (48) entgegengesetzte Größe zu induzieren, die von der Erregung in der ersten Impedanz (46) abhängig ist.
9. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (18.) zum Leiten aus einem Leitungspfad mit vier in Reihe geschalteten angepaßten Halbleiterdioden (20) besteht, die so geschaltet sind, daß sie in gleicher Richtung leiten und mit der ersten und der zweiten Impedanz (14, 16) eine elektrische Verbindung an gegenüberliegenden Punkten (26, 28) zwischen den . Dioden (20) in dem Leitungspfad aufweisen und ebenso mit der Bezugsimpedanz (32) und der Abtastimpedanz (30) jeweils elektrischen Kontakt an zwei anderen gegenüberliegenden Verbindungspunkten (22, 24) zwischen den Dioden (20) in dem Leitungspfad haben.

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10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede Diode (20) in dem Leitungspfad eine mit ihr in Reihe geschaltete Impedanz (UU) aufweist, die jeweils zwischen den Verbindungspunkten mit der nächsten der Dioden in dem Leitungspfad geschaltet ist.
11. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schutzvorrichtung (U5) vorgesehen, ist, um die Abtastimpedanz (30) und die Bezugsimpedanz (32) zu schützen.

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