DE2529475C3 - Elektrische Schaltungsanordnung zum zeitabhängigen Messen von physikalischen Größen - Google Patents

Elektrische Schaltungsanordnung zum zeitabhängigen Messen von physikalischen Größen

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Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung zum zeitabhängigen Messen von physikalischen Größen und der örtlichen Verteilung derselben mit mehreren an unterschiedlichen Orten angeordneten Fühlern, welche die physikalischen Größen bestimmende elektrische Ausgangssignale abgeben, sowie mit einem den Fühlern nachgeschalteten Multiplexer, der nacheinander die Ausgangssignale gewisser Fühler einer Auswerteeinrichtung zuführt
Es ist bereits aine derartige elektrische Schaltungsanordnung bekannt (DE-AS 2010 522), bei der jeder Meßstelle ein eigener Multiplexer zugeordnet ist Dabei kann diese Meßstelle durch Parallel- oder Serienschaltung vn Teilmeßstellen zu einer Meßstellengruppe ausgebildet sein. Da die Signale der einzelnen Gruppenmitglieder von der Registrierstation nicht zu unterscheiden sind, sind die Mitglieder einer Gruppe im Hinblick auf die Hauptaufgabe einer Multiplexeinrichtung, nämlich unterscheidbare Signale von vielen Meßstationen zu gewinnen, wie eine einzige Meßstelle zu behandeln. Die vielen, räumlich getrennten, einkanaligen Multiplexer werden durch einen Impulsgenerator angesteuert und es wird jeweils eine Meßstelle auf eine einzige Übertragungsleitung gelegt, die zur Auswerteeinrichtung führt. Der Auswerteeinrichtung kann ein Demultiplexer vorgeschaltet sein, der ebenfalls durch den Impulsgenerator anzusteuern wäre.
Diese Schaltungsanordnung erfordert für jede einzel-
so ne Meßstelle einen Multiplexer. Bei Anwendung von n-Multiplexerkanälen und n-Demultiplexerkanälen können lediglich n-Meßstellen abgefragt werden. Bei einer großen Anzahl von Fühlern wird der elektronische Aufwand sehr hoch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei der die Anzahl der Multiplexerkanäle deutlich gegenüber der Anzahl der Fühler vermindert ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Der Demultiplexer wirkt dabei als Umschalter mit einem Eingang und vielen Ausgängen und seine Ansteuerelfiktronik muß nicht notwendigerweise durch multiplexe Signale beaufschlagt werden.
Es sind bereits erst durch das Anlegen einer elektrischen Spannung aktivierbare Fühler an sich bekannt (DE-OS 23 45 551) und zwar z. B. in Form von durch eine Meßgröße veränderlichen Kapazitäten.
Allerdings sind diese Fühler nicht bei einer Schaltung der anmeldungsgemäßen Gattung bekanntgeworden.
Die elektronische Schaltungsanordnung weist im allgemeinen viele Fühler — üblicherweise zweipolige Fühler und deshalb im folgenden auch »Zweipole« genannt — auf, die über den Demultiplexer mit Spannung versorgt und über den Multiplexer mit der Auswerteeinrichtung verbunden sind. Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird es in einfacher Weise möglich, physikalische Größen und deren ι ο Verteilung im Raum, in einer Fläche oder auf einer Linie zu messen.
Durch die Zusammenfassung der Zweipole in der angegebenen Art in Gruppen erreicht man, daß die Kanalzahl von Multiplexer und Demultiplexer wesentlieh unter der Anzahl der Zweipole liegt
Besitzen die Zweipole einen komplexen Widerstand Zik, SG kann man z. B. über einen einfachen Spannungsteiler mit einem Festwiderstand Rt, der wahlweise vor oder hinter dem Multiplexer angeordnet werden kann, Informationen über die zu messenden physikalischen Größen erhalten.
Ihre Verteilung läßt sich dadurch genügend genau messen, daß man die einzelnen Zweipole genügend klein ausbildet und genügend dicht anordnet.
Sind z. B. die Fühler oder Zweipole räumlich matrixförmig angeordnet, so werden die einen Zweipol-Anschlüsse reihenweise zusammengeschaltet und pro Reihe mit einem Demultiplexerkanal verbunden. Die anderen Anschlüsse werden spaltenweise zusammengefaßt und mit einem Meßwiderstand (Festwiderstand Rk) und mit einem Kanal des Multiplexers verbunden. Auf diese Weise können mit a-I-b Kanälen a χ b Zweipole versorgt werden.
Durch Angabe des Demultiplexer- und des Multiplexerkanals läßt sich jeder Zweipol eindeutig kennzeichnen.
Die Gesamtheit vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergibt sich aus den Unteransprüchen.
So dienen z. B. die Merkmale des Anspruchs 5 der Ausschaltung störender Einflüsse der Leitungskapazitäten.
Es besteht Gefahr, daß der Strom nicht mehr über den gerade eingeschalteten Zweipol, sondern auch über eine Kette parallelgeschalteter Zweipole zum Multiplexer gelangt Wenn man alle Aus^angsleitungen des Demultiplexers mit jeweils einem ohmschen Widerstand Ri belastet, dessen Wert vergleichsweise klein ist, dann wird diesem störenden Einfluß begegnet.
Die Bestimmung der örtlichen Verteilung spezieller so physikalischer Größen wird dadurch ermöglicht, daß die Fühler als elektrische Bauelemente ausgebildet werden, deren Strom über den mit dem Multiplexer verbundenen Anschluß in definierter Weise durch die zu messenden physikalischen Größen beeinflußt wird.
Beispielsweise können die Zweipole ausgebildet werden als Fühler für die Raumverteilung von
— Streckenlängen, wobei räumliche Anordnungen die Größe eines Widerstandswertes, einer Kapazität oder einer Induktivität ändern (Anwendung z. B. die Abtastung von Oberflächen)
— Druck, wobei der Druck die Größe eines Widerstanclswertes, einer Kapazität oder einer Induktivität ändert. Insbesondere können Gadruck-(insbesondere Schalldruck-) Verteilungen mit Mikrofonanorc ni ngen oder die Verteilung des Drucks unter unesenen oder beweglichen Körpern mit Anordnungen von Kondensatoren mit kompressiblen Dielektrikum ader mit Anordnungen von druckempfindlichem Widerstandsmateria! gemessen werden.
— Temperatur auf der Basis von temperatiiirempfindlichen Widerständen
— Licht auf der Basis von Fotowiderständen odes Fotodioden
— elektromagnetische Felder auf der Basis von Induktionsschleifen oder Hallgeneratoren
— elektrische Leitfähigkeit auf der Basis von Widerstandsänderungen von Leitungsstrecken
— Röntgen-Gamma- oder KorpuskelstrahJung durch Verwendung entsprechender Zweipole.
Insbesondere dient eine Ausführungsform der Erfindung dazu, Kräfte und Verteilungen von Kräften zu messen, die der menschliche Körper auf eine Unterlage ausübt
Die Beschreibung der Bewegung des menschlichen Körpers in Raum und Zeit — eine der zentralen Aufgaben von Biologie, Medizin, Aiiseitswtssenschaft und Sportwissenschaft — wird durch die Angabe
a) der Ortsveränderung von Körper bzw. Körperteilen und
b) der Kräfte, die diese Ortsveränderungen bewirken,
geleistet Ortsveränderungen sind zwar zum einen visuell beobachtbar und können zum anderen mit Hilfe der Fotografie einfach und billig registriert werden. Die Kräfte, die solche Ortsverändeirungen bewirken, sind jedoch zum einen der direkten Beobachtung entzogen und zum anderen sind die bisher bekannten Kraftmeßgeräte für biologische Objekte vergleichsweise wenig leistungsfähig und aufwendig.
Die gebräuchlichsten bekannten Konstruktionen zur Bestimmung von großflächig angreifenden Kräften senkrecht auf eine kraftaufnehmende Oberfläche eines Meßwertaufnehmers sind die sogenannten »biomechanischen Meßplattformen«, bei denen die Kräfte auf Metallplatten ausgeübt und von dort über meist vier Kraftaufnehmer auf DMS- oder Piezo-Basis auf die Bodenplatte übertragen werden. Diese Meßplattformen sind verhältnismäßig schwer und mehrere Zentimeter hoch, so daß sie für viele Anwendungen im Boden versenkt werden müssen. Sie sind starr und messen nur die Gesamtkraft, nicht aber deren Flächenverteilung.
Es ist bereits ein Gerät bekannt (DE-OS 23 45 551), bei dem eine druckempfindliche Kondensatoranordnung mit einem kompessiblcn Dielektrikum zur Bestimmung mechanischer Größen an biologischen Objekten verwendet wird. Die druckempfindliche Kondensatoranordnung ist als einkanalig arbeitende M; tu· ausgebildet, mit deren Hilfe die Aktivität von Säuglingen überwacht- wird. Eine Untersuchung der Wirkungsweise dieses Gerätes durch dis Anmelder zeigt, daß die dabei erhaltenen Signale sich erstens von der Änderung der Gesamtkraft, die von der Beschleunigung von Körperteilen herrührt, und zweitens von der Änderung der Druckverteilung bei konstanter Gesamtkraft ableiten. Ein Nachteil dieser Anordnung ist es, dab man wegen der Vermischung dieser beiden Effekte mit ihr lediglich qualitative Aussagen über »Aktivitäten« aber keine quantitativen zur Kraft- und Druckverteilung über die Oberfläche der Matti: erhalten kann. Das bekannte Gerät ist damit jedoch für eine eigentliche Kraftmessung nicht verwendbar.
Mit der Erfindung ist hingegen eine Schaltungsanord-
nung geschaffen, mit der nicht nur Kräfte genau gemessen werden können, sondern mit der sich auch die Kraftverteilung zuverlässig und in einfacher Weise ermitteln läßt.
Hierzu werden die Fühler in der Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 als druckempfindliche Kondensatoren ausgebildet, zwischen deren Kondensatorplatten ein leicht kompressibler Nichtleiter als Dielektrikum angeordnet ist und deren Geometrie und deren Dielektrikum so gewählt werden, daß die Dielektrizitätskonstante geteilt durch den Plattenabstand proportional der zu messenden Kraft ist. Die Auswert- und Anzeigeeinrichtungen lassen sich dann besonders einfach gestalten, da dann die Kapazitätsänderung eines Kondensators linear zur Kraft und unabhängig von der Kraftverteilung über die (evtl. biegsame) Plattenfläche ist.
Bei biegsamer Ausbildung des Dielektrikums und der
l^nnHpncntnrnlaltpn erhält man ΑΪηρ ΑηητΗηιιηπ mit
der es in einfacher Weise möglich ist, Kräfte und Kraftverteilungen zu messen und zwar auch dann, wenn die Messung auf unebenem und weichem Untergrund vorgenommen werden soll.
Bei einer praktischen Ausführungsform bilden die Kondensatoren der Schaltung jeweils ein Glied eines mit Wechselstrom gespeisten Λ-C-Spannungsteilers, so daß die am Widerstand abgegriffene Spannung nach Gleichrichtung und Siebung die Kraft anzeigt. Diese Anordnung ermöglicht es, eine große Anzahl von Kondensatoren ohne großen schaltungstechnischen Aufwand zur Kraftmessung einzusetzen. Da außerdem die Kondensatoren sehr klein ausgebildet werden können, ist auf diese Weise die Bestimmung von Kraftverteilungen mit hoher Flächenauflösung möglich.
Der mechanische Aufbau läßt sich besonders dadurch vereinfachen, daß statt einer Vielzahl von Kondensatorplatten die druckempfindlichen Kondensatoren auf einer Matte aus Naturkautschuk ausgebildet sind, indem deren Vorder- und Rückseite mit parallelen Streifen aus metallisierter Plastikfolie beklebt sind, wobei die Streifenrichtungen der beiden Seiten derart gewählt sind, daß sich die parallelen Streifen der einen Seite mit denen der anderen Seite schneiden. Die Verwendung von Naturkautschuk als Dielektrikum sichert eine weitgehende Einhaltung der Gleichung
ε : Dielektrizitätskonstante, d: Plattenabstand. K·. Kraft, a, b: Konstanten.
Durch diese Anordnung ist es in einfacher Weise möglich, die Verteilung von Kräften, die senkrecht auf eine Oberfläche wirken, zu messen, und zwar insbesondere auch dann, wenn die Messung auf unebenem und weichem Untergrund vorgenommen werden soll. Der Fühler ist bei dieser Ausbildung selbst besonders leicht und biegsam und hat nur eine geringe Bauhöhe, so daß er für viele Zwecke einsetzbar ist
Bei einer Schaltungsanordnung, die mit Wechselstrom betrieben wird, besteht Gefahr, daß der Wechselstrom nicht nur über den gerade eingeschalteten Meßkondensator, sondern auch über eine Kette parallelgeschalteter Kondensatoren zum Multiplexer gelangt Wenn man die Ausgajigsleitungen des Demultiplexers mit jeweils einem ohmschen Widerstand belastet, dessen Wert klein ist gegenüber dem Scheinwiderstand eines MeSkondensators bei der Frequenz der Meßspannung, dann wird diesem störenden Effekt begegnet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Figuren beschrieben. Dabei zeigt
Fig. 1 eine elektrische Schaltungsanordnung mit matrixartiger Verteilung der Fühler bzw. Kondensatoren,
F i g. 2 eine streifenförmige Anordnung der Kondensatoren,
Fig.3 eine Matte als Fühler für Kräfte mit an der Vorder- und Rückseite angebrachten parallelen Streifen ίο aus metallisierter Plastikfolie von oben gesehen, und
Fig. 4 einen Schnitt durch die Matte nach Fig. 3, längs der Linie A-A in F i g. 3.
Bei der Schaltung nach F i g. I wird ein Demultiplexer DM von einem Wechselspannungsgenerator SG ge- Ci speist. Die Ausgänge des Demultiplexers DM, die mit 3|.
a-i a, am-i. am bezeichnet sind, sind zeilenweise
mit jeweils den Anschlüssen 1 einer matrixförmigen Anordnung von Fühlern in Gestalt von Kondensatoren C- . die
al k"r>r»rl*»nctitr»rrvlo*t<sn aiifiweiean we
Ferner ist an jedem Ausgang a\ — am ein ohmscher Widerstand R\ — Rn, angeschlossen. Die Anschlüsse 2 der Kondensatoren Ct, die jeweils mit einer der Kondensatorplatten verbunden sind, sind spaltenweise mit Einrichtungen (GS^ zum Gleichrichten, Sieben und Verstärken zusammengeschaltet. Jede Spaltenleitung ist wiederum über einen zweiten Widerstand eines Spannungsteilers Rt mit Masse verbunden. Die Ausgänge der Einrichtungen GSk sind mit den Eingängen b\, bi bk b„-\, bn eines Multiplexers MX
verbunden. Der Ausgang des Miltiplexers ist mit einer Auswerteeinrichtung SVzur Speicherung, Verarbeitung und Darstellung verbunden.
Die Kondensatoren Qk werden der Reihe nach mit Hilfe des Demultiplexers DMund des Multiplexers MX
i% abgetastet und der dabei fließende Strom wird beispielsweise durch einen bestimmten Helligkeitswert auf einer Sichteinrichtung wiedergegeben. Wenn sich der Grad der Einwirkung der zu messenden Kraft auf einen oder mehrere Kondensatoren ändert, wird sich entsprechend die Helligkeit in der Sichteinrichtung für das betreffende Feld ändern. Bei genügender Feinteilung des Meßwertaufnehmers lassen sich Verteilungen mit hoher Auflösung darstellen. Andererseits können auf einem Vielfachdiagramm
υ Kraft und Zeit dargestellt werden.
In F i g. 2 ist eine reihenförmige Kondensatoranordnung dargestellt, bei der einzelne Kondensatoren zu Gruppen mit den gemeinsamen Anschlüssen a\ bis a. zusammengefaßt sind. Die eine Kondensatorplatte der Kondensatoren jeder Gruppe ist mit je einem Ausgang des Demultiplexers verbunden, während die anJsre Platte jeweils des η-ten Kondensators jeder der Gruppen mit jeweils einem Eingang b\ bis bj des Multiplexers verbunden sind. Die Schaltung arbeitet im
Prinzip genau so wie die in Fig. 1 dargestellte Schaltung. Es ist auch bei dieser Anordnung eine Abtastung der Kondensatoren mit einfachen Mitteln
möglich.
In Fig.3 ist eine Matte 1 dargestellt, auf deren
Vorderseite sich metallisierte Plastikstreifen 2 und auf deren Rückseite sich metallisierte Plastikstreifen 3 befinden, die gestrichelt dargestellt sind Die Matte ist zur Verdeutlichung noch einmal in Fig.4 im Schnitt gezeigt, wobei der Streifen an der Vorderseite der Matte in seiner Längsrichtung geschnitten ist, während die Streifen an der Rückseite der Matte in ihrer Querrichtung geschnitten sind.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche:
1. Elektrische Schaltungsanordnung zum zeitabhängigen Messen von physikalischen Größen und der örtlichen Verteilung derselben mit mehreren an unterschiedlichen Orten angeordneten Fühlern, welche die physikalischen Größen bestimmende elektrische Ausgangssignale abgeben, sowie mit einem den Fühlern nachgeschalteten Multiplexer, der nacheinander die Ausgangssignale gewisser Fühler einer Auswerteeinrichtung zuführt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) Die Fühler sind erst durch das Anlegen einer elektrischen Spannung aktivierbar und elektrisch als Zeilen und Spalten zusammengefaßt,
b) ein eingangsseitig an einem Spannungsgenerator (SG) liegender Demultiplexer (DM) ist den Fühlern im Signalfluß so vorgeordnet, daß die Ausgänge fa) des Demultiplexers (DM) nacheinander die Fühler unterschiedlicher Zeilen aktivieren, und
c) die Eingänge (bk) des Multiplexers (MX) sind durch die elektrisch zu Spalten zusammengefaßten Fühler gebildet
2. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Ausgang (a,) und jedem Eingang (bk) ein einziger Fühler zugeordnet ist
3. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühler (Ck) räumlich matrixförmig angeordnet sind.
4. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Eingängen des Multiplexers (MX) Einrichtungen (GSk) zur Verstärkung und/oder Gleichrichtung vorgeschaltet sind.
5. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (GSk) zur Verstärkung und/oder Gleichrichtung vollständig oder teilweise unmittelbar bei den Fühlern festangeordnet sind.
6. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsgenerator (SG) ein Wechselspannungsgenerator ist.
7. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge des Demultiplexers (DM)aurch ohmsche Widerstände ^belastet sind.
8. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühler als druckempfindliche Kondensatoren (C^ausgebildet sind.
9. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kondensatorplatten der druckempfindlichen Kondensatoren (Qk) ein leicht kompressibler Nichtleiter als Dielektrikum angeordnet ist.
10. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum Naturkautschuk ist.
11. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 8,9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die druckempfindlichen Kondensatoren (Qk) auf einer Matte aus Naturkautschuk oder einem anderen, jedoch hinsichtlich seiner Deformierbarkeit und
Dielektrizitätskonstante gleichartigen Material ausgebildet sind, daß die Vorder- und Rückseite der Matte mit leitfähigen Streifen beklebt sind, und daß die Streifenrichtungen auf beiden Seiten derart gewählt sind, daß sich die Streifenrichtungen der einen Seite mit denen der anderen Seite schneiden.
12. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen auf den beiden Seiten jeweils parallel Tueinander verlaufen.
13. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen aus metallisierter Plastikfolie bestehen.
14. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühler Leitungsstrecken aufweisen, deren elektrische Leitfähigkeit veränderbar ist
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