DE2346307C2 - Electrical circuit arrangement for the linear conversion of changes in capacitance depending on the measured variable - Google Patents

Electrical circuit arrangement for the linear conversion of changes in capacitance depending on the measured variable

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DE2346307C2
DE2346307C2 DE19732346307 DE2346307A DE2346307C2 DE 2346307 C2 DE2346307 C2 DE 2346307C2 DE 19732346307 DE19732346307 DE 19732346307 DE 2346307 A DE2346307 A DE 2346307A DE 2346307 C2 DE2346307 C2 DE 2346307C2
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/12Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in capacitance, i.e. electric circuits therefor

Description

mechanischer Größen« von Christof Rohrbach, Die sjch an den Kapazitäten C1 und C, aufbauendenmechanical quantities «by Christof Rohrbach, Die s j c h on the capacities C 1 and C, building up

VDE Verlag, Düsseldorf 1967, insbesondere aus Ka- Spannungen
pitel G 10 sind Meßzellen bekannt, bei denen z. B. 55
der Plattenabstand von Plattenkondensatoren durch
eine Meßgröße (Kraft, Druck usw,) verändert wird.
Diese Meßzellen weisen jedoch extrem hohe Innen= 2_ . Γ/ d/ = + (1 — X) -^- ■ [
VDE Verlag, Düsseldorf 1967, in particular from Ka- tensions
pitel G 10 measuring cells are known in which z. B. 55
the plate spacing of plate capacitors
a measured variable (force, pressure, etc.) is changed.
However, these measuring cells have extremely high internal = 2_. Γ / d / = + (1 - X) - ^ - ■ [

Weiterhin sind darin elektronische Schaltungen zur βα * C, 7 * C0 J Furthermore there are electronic circuits for βα * C, 7 * C 0 J

analogen Messung kapazitiver Verstimmungen angegeben. Diese haben jedoch den Nachteil, sehr empfind- sowie «s selbst werfen mittels eines Summierverlich gegen Störungen und Veränderungen der Zu- stärkers SV summiert. Ausgehend vom entladenen leitungskapazitäten zu sein. Zustand der Kapazitäten C1 und Cj( nimmt dieanalog measurement of capacitive detuning specified. However, these have the disadvantage that they are very sensitive as well as throw themselves by means of a summing comparison against disturbances and changes in the amplifier SV . To be based on discharged line capacities. State of capacities C 1 and C j ( takes the

Weiterhin sind daraus Schaltungen zur Umformung 65 SummenspannungFurthermore, these are circuits for conversion 65 total voltage

der kapazitiven Verstimmung in Frequenzen bekannt. , ..the capacitive detuning in frequencies known. , ..

Aus dem Prospektblau über den tType 4-460 Digital U}. — UCi + Uc% + Us_ 2 X —- · I usdt -\- us Pressure Transducer« der Firma Bell & Howell ist C J From the brochure blue about the tType 4-460 Digital U} . - UCi + Uc% + Us - _ 2 X - - I u s dt - \ - us Pressure Transducer "from Bell & Howell is C J

1 C- .. n + jn^- fu dt 1 C- .. n + jn ^ - fu dt

C|C | C1 ' JC 1 'J C0" JC 0 "J

weisen jedoch extrem hohe Innenwiderstände auf. = 2_ . Γ/ d/ = + (1 — X) -^- ■ [usdt however, have extremely high internal resistances. = 2_. Γ / d / = + (1 - X) - ^ - ■ [usdt

* J * J

(vorausgesetzt χ >Q) so lange ab, bis Null erreicht ist. sprechend besteht die Stromquelle for den Konden-Bm nachfolgender Komparator K schaltet in diesem satorC» aus einem Differenzverstärker OK» mit EinMoment mittels eines SchaltersS die Spannung«» gang> und RttckkopplungswiderstSnden R·*, Hnt, von der positiven Referenzspannung+ U0 auf die R&, Ryt und einem StrommeöwiderstandΗ% sowie negative Referenzspannung — U0 von vorzugsweise 5 einem Pufferverstärker PV%. Die Ausgangsspannungen etwa gleichem Betrag. Die auf diese Weise umgepolten von PV1 und PV%, nämlich Mc1 und «c», sowie Hs selbst Ströme »\ und it entladen nun Cx und C, und laden werden über Summierwiderstände As1, ÄS|t und As4 sie in der entgegengesetzten Richtung auf, bis wiede- in einem mit einem Rückkopplungswiderstant* Rs: rum »ε = Q erreicht ist und irs auf + U0 zurückge- geschalteten Summierverstärker SV summiert. Dessen schaltet wird. Diese Spannungsverläufe sind in F ig. Ib *o Ausgangsspannung — Mr wird einem Komparator K skizziert. Ein vollständiger Zyklus der entstehenden zugeführt, der über einen Schalter S die Umschaltung Schwingung ist nach einer Zeit von Ms besorgt.(assuming χ > Q) until zero is reached. In other words, the current source for the capacitor Bm, the following comparator K switches in this satorC "from a differential amplifier OK" with a moment by means of a switch S the voltage ""output> and feedback resistors R *, H n t, from the positive reference voltage + U 0 on the R &, Ryt and a current resistance Η% as well as negative reference voltage - U 0 of preferably 5 a buffer amplifier PV % . The output voltages roughly the same amount. The polarity reversed in this way from PV 1 and PV % , namely Mc 1 and "c", as well as Hs itself currents "\ and i t , now discharge C x and C, and are charged via summing resistors As 1 , Ä S | t and As 4 them in the opposite direction, until again in a summing amplifier SV switched back to + U 0 with a feedback resistor * Rs: rum »ε = Q is reached and irs sums. Whose is switched. These voltage curves are shown in Fig. Ib * o output voltage - Mr is sketched in a comparator K. A complete cycle of the resulting supplied, which via a switch S the switching oscillation is concerned after a time of Ms.

Eine Besonderheit stellt noch der Integrator IV dar.The Integrator IV is another special feature.

C0 Dieser konventionell mit einem Kondensator Ct undC 0 This conventionally with a capacitor Ct and

"Tx k l5 e'nem Widerstand Rt beschaltete Integrator erzeugt "Tx k l5 e 'nem resistance Rt wired integrator generates

eine Integrationsspannung, die mit KC1 gleichsinnigan integration voltage that corresponds to KC 1

κ „t,u„.n „j,!.,,· c u · t ist. Sie wird über As8 ebenfalls zu Mr addiert. Auf dieseκ "t, u". n "y,!. ,, · cu · t is. It is also added to Mr via As 8. To this

abgeschlossen, so daß die Schwmgfrequenz wdse ^ erreicbti 3 daß schou bei χ = 0 eine Schwin-closed, so that the oscillation frequency wdse ^ reachi 3 that schou at χ = 0 a oscillation

, , gung mit endlicher Frequenz erzeugt wird (»life zero·-,, generation is generated with a finite frequency (»life zero · -

/ = — = X . - _- so Effela), so daß X auch nega'.iv werden kann./ = - = X. - _- so Effela), so that X can also become negative.

T 2 C0 Die vorgeschlagene Sehr/ ^ungsanordnung bringt T 2 C 0 The proposed arrangement brings

folgende Vorteile mit sich. Zuclchst einmal ist derthe following advantages. First of all it is

proportional zur Meßgröße ist. Zusammenhang zwischen Meßgröße und Frequenzis proportional to the measurand. Relationship between measured variable and frequency

F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel. Der Strom Z1 linear. Parasitäre Parallelkapazitäten erzeugen Fehler wird durch einen Differenzverstärker D V1 erzeugt. 25 vor. erst höherer Ordnung. Offsetspannungen sämtlicher Dieser ist mit Widerständen Ria, Rlb, R10 und Rld so Verstärker und auch des Komparators heben sich in beschaltet, daß der Spannungsabfall des Ausgangs- den entgegengesetzten Halbzyklen der synametrischen stromes an einem Widerstand A1 der Eingangsspan- Schwingung selbst auf. Schließlich haben auch Vernung proportional ist. Ein Pufferverstärker PV1 er- änderungen der Referenzspannungen + U0 und — U0 möglicht die Abhahme der Kondensatorspannung, 30 und damit auch Änderungen de«: Betriebsspannung ohne daß der Kondensator C1 belastet wird. Ent- des Umsetzers keinen Einfluß auf die Schwingfrequenz.F i g. 2 shows an embodiment. The current Z 1 is linear. Parasitic parallel capacitances generate errors is generated by a differential amplifier DV 1 . 25 before. only higher order. Offset voltages of all this is wired with resistors R ia , R lb , R 10 and R ld so the amplifier and the comparator rise in that the voltage drop of the output corresponds to the opposite half-cycles of the dynamic current at a resistor A 1 of the input span oscillation itself on. After all, have also Vernung is proportional. A buffer amplifier PV 1 changes the reference voltages + U 0 and - U 0 enables the capacitor voltage to be decreased, and thus also changes to the operating voltage without loading the capacitor C 1 . Either of the converter has no influence on the oscillation frequency.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (7)

I 2 außerdem bekannt, jfopt;pF-QszH(atQren ,mit gleicher Patentansprüche: Grundfrequenz ?$jren$nden, die durch zwei Teil- Kapazitäten des Meö|ufiiehmers, die durch die zu be-I 2 also known, jfopt; pF-QszH (atQren, with the same claims: basic frequency? $ Jren $ nd, which is determined by two partial capacities of the Meö | ufiiehmers, which are to be 1. Elektrische Sehaltungsancirfnungzur linearen stimmende Meßgröße gegensinnig verändert werden, Umwandlung meßgrößenabbängiger Kapazitäten- 5 in entgegengesetzter Richtung verstimmt werden. Die änderungen in Frequenzänderungen, enthaltend Differenzfrequenz wird als Meßsignal weiterverarzwei gegensinnig gesteuerte Kapazitäten und einen beitet. Dabei ergibt sich jedoch eine nichtlineare Um-Frsquenzgenerator, dadurch gekenn- formungskennlinie, und außerdem ist <;in exakter zeichnet, daß der Generator als Dreieckoszil· Temperaturgleichlauf der beiden Oszillatoren erforlator ausgebildet ist, dessen Integrationsglieder aus « derlich.1. Electrical attitude adjustment to the linear correct measured variable are changed in opposite directions, Conversion of capacities dependent on measured variables - 5 are detuned in the opposite direction. the Changes in frequency changes, containing the difference frequency, are further processed as a measurement signal oppositely controlled capacities and one works. However, this results in a non-linear order frequency generator, this results in a characteristic curve, and in addition, <; in more exact shows that the generator as a triangular oscillator requires temperature synchronization of the two oscillators is formed, whose integrating members are different. den zwei Mqßatjf.nelimerfcapazitäten (C1,. G2), ge* Λ Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine bildet sind! ¥fe* ausjeTeiner -Stromquelle <gegen- ^Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu sinnig mit einem Konstantstrom (/\, I2) wechselnder schaffen, die eine lineare Umformung bewirkt und mit Polarität eingeströmt werfen, und zum Polaritäts- nur einer Oszillatorschaltung auskommt,
wechsel ein bei bestimmten Summen der Lade- 15 Diese Aufgabe wirf erfindungsgemäß dadurch gespannungen der Kapazitäten umschaltender Korn- löst, daß der Generator als Dreieckoszillator ausgeparator (K) vorhanden ist. bildet ist, dessen Integrationsglieder ai>s den zwei
the two capacities (C 1 ,. G 2 ), g e * Λ The object of the present invention is therefore to create one! ¥ fe * ausjeTeiner current source <against- ^ circuit arrangement of the type mentioned at the beginning too sensible to create with a constant current (/ \, I 2 ) alternating, which brings about a linear transformation and throws in with polarity, and for polarity only one oscillator circuit gets by,
15 According to the invention, this task raises the voltage of the capacitances switching grain by the fact that the generator is available as a triangular oscillator separator (K) . forms whose integrators ai> s the two
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da- Meßaufnehmerkapazitäten gebildet sind, die aus je durch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer einer Stromquelle gegensinnig mit einem Konstantals Zweifach-Plattenkondensator ausgebildet ist. « strom wechselnder Polarität eingeströmt werden, und2. Circuit arrangement according to claim 1, there measuring transducer capacitances are formed from each characterized in that the transducer of a current source is opposite to a constant Double plate capacitor is formed. «Currents of alternating polarity flow in, and 3. SchaltungsanordnungnachAnspruchloder2, zum Polaritätswechsel ein bei bestimmten Summen dadurch gekennzeichnet, daß zur Summierung der der Ladespannungen der Kapazitäten umschaltender Ladespannungen ein Summierverstärker (SV) vor- Komparator vorhanden ist.3. SchaltungsanordnungnachAnspruchloder2, for polarity change at certain sums, characterized in that a summing amplifier (SV) is provided upstream of the comparator for summing the charging voltages of the capacitances switching charging voltages. banden ist. An Hand der Zeichnung wird ein Ausführungsbei-tying is. On the basis of the drawing, an implementation example 4. Schaltungsanordnung csach einem der An- as spiel der Erfindung näher beschrieben. Darin zeigt
sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die F i g. 1 ein PnnzipschaltbiJd mit zugehörigen Span-Stromquellen steuerbar sind. nungsdiagrammen und
4. Circuit arrangement described in more detail according to one of the examples of the invention. In it shows
Claims 1 to 3, characterized in that the F i g. 1 a PnnzipschaltbiJd with associated span current sources can be controlled. voltage diagrams and
5. Schaltungsanordnung nach einem der An- F i g. 2 ein ausführliches Schaltungsbeispiel,
sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß C1 und C2 seien die Kapazitäten eines Meßaufzwischen den Kapazitäten (C1, C2) und dem 30 nehmers, der als Zweifach-Plattenkondensator ausge-Summierverstärker \SV) t ufferverstärker (PV1, bildet ist. Eine Meßgröße X verändere den Platten- PV2) geschaltet sind. abstand der beiden Kondensatoren entgegengesetzt
5. Circuit arrangement according to one of the preceding figs. 2 a detailed circuit example,
Claims 1 to 4, characterized in that C 1 and C 2 are the capacities of a measurement intermediate between the capacities (C 1 , C 2 ) and the receiver, the summing amplifier \ SV) t buffer amplifier (PV 1 , A measured variable X change the plate PV 2 ) are connected. the distance between the two capacitors is opposite
6. Schaltungsanordnung mich einem der An- und linear, so daß
sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als
6. Circuit arrangement me one of the on and linear so that
Proverbs 1 to 5, characterized in that as
Stromquellen Differenzverstärker (DV1, DV3) vor- 35 J = . (χ + χ)^ Current sources differential amplifier (DV 1 , DV 3 ) before- 35 J =. (χ + χ) ^ handen sind. C1 C0 are in hand. C 1 C 0
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine 1 _ i (\ — Y\
in dem Integrator (IV) erzeugte Spannung (Inte- q q
grationsspannung) zur Summenspannung der Ka- 40
7. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that a 1 _ i (\ - Y \
voltage generated in the integrator (IV) (Inte- qq
voltage) to the total voltage of the cable 40
pazitäten addiert wird. worin C0 die Ruhekapazität beider Kondensatoren ist.capacities is added. where C 0 is the quiescent capacitance of both capacitors. Gesteuerte Stromquellen bilden zusammen mit den Meßaufnehmerkondensatoren C1 und C1 Integratoren, Die Stromquellen sind so gestaltet, daß ihre 45 Ströme /| und i2 von gleicher Größe, aber entgegengesetztem Vorzeichen sind, wenn beide StromquellenControlled current sources, together with the measuring capacitors C 1 and C 1, form integrators. The current sources are designed in such a way that their 45 currents / | and i 2 are of the same size but of opposite sign if both current sources Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische von derselben Steuerspannung «5 gesteuert werden: Schaltungsanordnung zur| linearen Umwandlung meßgrößenabhängiger Kapazitätsänderungen in Frequenz- / = — k · us]
änderungen, enthaltend zwei gegensinnig gesteuerte 5o ' I £ _ COnst.
Kapazitäten und einen Frequenzgenerator. ,· _ _j_ β . Us J
The invention relates to an electrical system to be controlled by the same control voltage «5: circuit arrangement for | linear conversion of measured variable dependent capacitance changes in frequency- / = - k · us]
changes, containing two oppositely controlled 5o 'I £ _ CO nst.
Capacities and a frequency generator. , · _ _J_ β. Us J
Aus dem »Handbuch für Elektrisches MessenFrom the »Handbook for Electrical Measurement
DE19732346307 1973-09-14 1973-09-14 Electrical circuit arrangement for the linear conversion of changes in capacitance depending on the measured variable Expired DE2346307C2 (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE3528416A1 (en) * 1985-08-08 1987-03-05 Philips Patentverwaltung Evaluating circuit for a capacitive sensor

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