DE2427665A1 - Verfahren zur handhabung eines oszillators fuer eine verschiebungsmesseinrichtung und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Verfahren zur Handhabung eines Oszillators für eine Verschiebungsmeßeinrichtung und Vorrichtung zur Durchführung dec Verfahrens.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Handhabung eines Oszillators, der in Verschiebungsmeßeinrichtungen verwendet wird und einen Kondensator mit beweglichem Belag aufweist, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt.· derartige Meßeinrichtungen bei elektrischen oder elektronischen Montagevorgängen zur Herstellung einer wechselstromversorgten Impedanzbrücke zu verwenden. Die Erfindung richtet sich auf Einrichtungen, die in einen astabilen oder mono-

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stabilen Generator eingebaut sind und deren Kapazitätsänderungen entweder über eine Frequenzänderung oder über eine Änderung des
zyklischen Verhältnisses übertragen werden.

Einrichtungen dieser Art sind bereits beschrieben worden. Ihre
Kapazität setzt sich zusammen aus einer veränderlichen Kapazität und einer praktisch unvermeidlichen Störkapazität, die die
Linearität des Ansprechens der Einrichtung beeinflußt.

Die Erfindung ist darauf gerichtet, diesen Nachteil zu überwinden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Handhabung von Oszillatoren,
die in einer Verschiebungsmeßeinrichcung verwendet werden und
einen Kondensator mit beweglichen Belägen sowie ein Element umfassen, das auf eine Spannungsschwelle der Kondensatorladung anspricht und ein Signal abgibt, wenn die Spannung die Schwelle erreicht, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Ladestrom des Kondensator.? durch einen zusätzlichen Strom während einer kurzen, festgelegten Dauer am Beginn des Aufladens des Kondensators jvergrößer*- w:\rd.

Im folgenden wird die Erfindung anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Schaltschema einer bekannten Kondensator-Meßeinrichtung .

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Fig. 2 ist ein Schaltschema einer erfindungsgemäßen Kondensator-Meßeinrichtung, bei der eine lineare Ladung des Kondensators sichergestellt ist.

Fig. 3 zeigt ein Schaltschema einer erfindungsgemäßen Kondensator-Meßeinrichtung, bei der eine exponentielle Ladung des Kondensators erfolgt.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Kipposzillators dargestellt, bei dem ein Unijunction-Transistor verwendet wird. Anhand dieses Beispiels soll eine bekannte kapazitive Meßeinrichtung beschrieben werden. Der Unijunction-Transistor 1.1 ist zwischen einen Widerstand 1.2 und einen sehr geringen Widerstand 1.3 geschaltet. Der verstellbare Kondensator 1.4 liegt in Reihe mit einem Widerstand 1.5 mit dem Widerstandswert R und einem Transistor 1.6. Der Emitter des Unijunction-Transistors 1.1 ist mit einem gemeinsamen Punkt des Transistors 1.6 und des Kondensators 1.4 verbunden. Die Basis des Transistors 1.6 liegt an einem Potential iV in Bezug auf die Spannungsquelle E. Der Transistor 1.6 wird von einem Strom

i = £V/R

durchlaufen, wobei zur Vereinfachung der Wert der Spannung der ' Verbindung Basis - Emitter außer acht gelassen wird. Daraus folgt, daß der Kondensator 1.4, der die Meßeinrichtung bildet, vom Wert Null beginnend auf eine veränderliche Spannung geladen wird:

v=it/C=ÄV· t/RC wobei t die Ladezeit darstellt.

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Wenn dieser Wert ν mit einem bestimmten Vergleichswert Vr (oder der Spannungsschwelle) übereinstimmt, die im wesentlichen bestimmt wird durch den freien Koeffizienten des Unijunction-Transistors 1.1, wird die Verbindung Emitter - Basis 1 des Transistors leitend und entlädt den Kondensator 1.4 rasch durch den sehr geringen Widerstand 1.3. Nach der Entladung wird der Unijunction-Transistor wieder gesperrt und beginnt mit einem neuen Oszillationsvorgang. Es ist möglich, das Anlaufen eines neuen Oszillationsvorganges zu behindern. In diesem Falle kann ein neuer Oszillationsvorgang ausgelöst werden durch ein äußeres Signal mit' fester Frequenz, und man erhält eine Modulation der zyklischen Beziehung in Funktion der Änderung des Kondensators. Die Periode des Zyklus beträgt sodann:

T«i = Vr · C
T = Vr · C/i = Vr · C · R/A V

Wenn man mit :: den mechanischen Wert bezeichnet, der die Veränderung des Wertes C des Kondensators 1.4 hervorruft, so neigen sich im allgemeinen zwei Arten von Veränderungen:

Entweder: C = A ± Β·χ (lineare Änderung der Kapazität). A und B sind Konstanten der Einrichtung. Eine derartige Einrichtung wird beispielsweise durch die Kapazität der beiden zylindrischen, koaxialen Leiter gebildet, deren Lage entlang ihrer Achse man verändert.

Oder: Eine zweite Art der Änderung:

C = 1 / (A + Β·χ )

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A und B bezeichnen Konstanten der Einrichtung, in der beispielsweise die Größe χ die Abstandsänderung der beiden Kondensatorplatten bedeutet»

Wenn derartige Einrichtungen in eine Schaltung gemäß Fig. 1 eingefügt werden, ergibt sich

T m . (α ί B'X ) für den ersten Typ der Ein-

Av

- ^ richtung

T = _β für den zweiten Typ.

AV . A I Β·χ

In der Praxis ist der Meß-Kondensator 1.4 parallelgeschaltet zu einer Störkapazifcät, die auf dem Gerät selbst beruht und/oder zu Störkapazitäten, die auf der Schaltung und den Verbindungen beruhen. Wenn man mit Cp diesen Wert bezeichnet, ergibt sich für die obigen Gleichungen folgende Schreibweise:

T = ^ * ( A ί B'X + Cp) im ersten Falle ZXV

T - - ( —- + Cp) im zweiten Falle.

Δν A Z Β·χ

Die Summen (A * Β·χ) können in keinem Falle negativ Siin, Daraus folgt die Beschränkung der Verwendung in den beiden Fällen, jedoch ist diese Tatsache insbesondere von Bedeutung im zweiten Falle, wenn es erwünscht ist, die Oszillatorfrequenz als Ausgangssignal £u verwenden.

Betrachtet man eine Einrichtung des zweiten Typs in einer Schaltung gemäß Fig. 1 oder einer entsprechenden Schaltung, so er-

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hält man im Prinzip

f s Σ s Ä^V . ί a ⁺ B ·χ Ϊ = "i— · ί A i

T Vr«R ^VA-^ox/vr

Dies ist eine lineare Funktion. Durch Hinzunahme von Cp ändert sich die Gleichung folgendermaßen:

1 ₌ _
τ Vr

Diese Beziehung ist offenbar nicht linear. Dies kann störend sein, insbesondere, wenn ein Mittelwert der Frequenz, die sich schnell um diesen Mittelwert ändert, erzielt werden soll.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zielt darauf ab, diese Lage zu verbessern.

Bei der erfindungsgemaßen Vorrichtung wird während einer Zeit A T am Anfang der Ladeperiode der gesamte Kondensator C mit einem Strom ( i + Δ± .' geladen, und nach Ablauf der Zeit Λ Τ folgt die normale Ladung mit dem Strom i.

Die Gleichungen, die dieses System beschreiben, lauten folgendermaßen:

Während der Zeit Δ T, Ladung C:AT· (i + Ai) Besteht eine Spannung: 4 ν = T ( i + Λi )/C Sodann, während des Restes der Zeit T

eine Ladung: T * i

T»i/c
bei einer Spannung: ν = '

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Der Unijunction-Transistor 1.1 wird leitend, wenn

(ν + Av) = Vr

Damit: £Άτ (i + Ai) + T'i J / C = Vr

Daraus folgt: AT = (C-Vr - T-i) / ( i + Ai )

oder: T ₌CVr - AT ( i + Ai )

Die gesamte Periode ist gleich (T +AT) = „♦ C* Vr _{4 m} Al 1 /> _τ. . _m λ . ν

Vr . _n Δ Τ · Ai ι i Vr

Die Einrichtung verhält sich demnach genauso, als ob eine negative Ladung mit (A.T · A i) / Vr aufgebracht worden wäre.

Dieser Ausdruck gestattet beispielsweise die Annullierung von Cp durch Uberkompensation. Beispielsweise erhält man im Falle äer Verwendung äer. Frequenz mit einer Einrichtung des zweiten Typs:

φ* _ Y£ / 1 λ. η ΑΤ'Αΐχ' ^T - Γ" ^A-i B χ ^Cp Vr ^J.

Es reicht aus, die Schaltung derart zu regeln, daß

(ΔΤ · /U) / Vr = Cp

um zu erhalten:

-„ = f * = -^- (A ⁺ Bx) TT Vr

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Diese Beziehuna ist absolut linear.

Fig. 2 zeigt die Anordnung der erfindungsgemäßen Einrichtung:

Jede Oszillation löst eine monostabile Schaltung mit der Dauer Δ.Τ aus, die den Strom i modifiziert zu (i +

Die Schaltung entspricht derjenigen der Fig. 1. Der Stromgenerator wird gebildet durch den Transistor 2.6 und den Widerstand 2.5, der normalerweise durch die Widerstandsbrücke 2.7, 2.8 in Bezug auf die Basis polarisiert ist und den normalen Ladestrom i liefert.

Wenn ein Impuls bei 2.3 auftritt, löst dieser die monostäbile Kippschaltung 2.9 aus, die nicht im einzelnen gezeigt, aber bekannt ist. Dadurch wird der Transistor 2.10 während der Zeit AT leitend und bewirkt über den Widerstand 2.11 eine komplementäre Polarisation des Transistors 2.6. Es ergibt, sich nunmehr:

2.8

daraus ergibt sich i

^R2.8

Δν* = ε-

^R2.7

2.11

^R2.11

2.8

2.11

+ R

^R2.8 ^{+ R}2.11

2.7

daraus ergibt sich (i +

Die Einrichtung arbeitet ebenso im Falle einer exponentiellen Ladung gemäß Fig. 3. 4 0 9 8 8 1/0985

Bei dieser Schaltung erfolgt die Ladung des Kondensators 3.4 normalerweise über den Widerstand 3.5 mit einer Zeitkonstanten ^R3.5 \^C3,4·

Während der Zeit Δ T ist die Zeitkonstante der Ladung:

C« ι J«3 -J» I -J\
3 4 * '

^R3.5 ^{+ R}3.13

da die monostabile Schaltung 3.9 über den Widerstand 3.12 den Transistor 3.10 leitend werden läßt, wenn während der Zeit 4T der Ausgang 3.9 auf. niedrigem Potential liegt, während bei normaler Ladung der Transistor 3.10 durch 3.11 blockiert ist, wenn der Ausgang von 3.9 auf hohem Potential liegt.

Alle in den Unterlagen offenbarten ^ngaben und Merkmale werden, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind, als erfindungswesentlich beansprucht.

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Claims (3)

Ansprüche

1.) Verfahren zur Handhabung von Oszillatoren, die in Verschiebungsmeßeinrichtungen verwendet werden und einen Kondensator mit beweglichen Belägen und ein Element umfassen, das auf eine SpannungsschwelIe der Ladung des Kondensators anspricht und ein Signal abgibt, wenn die Ladespannung diese Schwelle erreicht, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladestrom des Kondensators um einen zusätzlichen Strom während einer kurzen, feststehenden Zeitspanne am Beginn der Ladeperiode des Kondensators vergrößert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die festgelegte Dauer durch eine monostabile Kippschaltung bestimmt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine monostabile Kippschaltung und einen Transistor, der durch die Kippschaltung derart gesteuert wird, daß er den Ladestrom des Kondensators während der durch die monostabile Kipjjsunaltung bestimmten Zeitspanne ändert.

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