DE2932051A1

DE2932051A1 - Schaltungsanordnung zur umwandlung einer physikalischen groesse in ein gleichstromsignal

Info

Publication number: DE2932051A1
Application number: DE19792932051
Authority: DE
Inventors: Keiichiro Tako
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1978-08-19
Filing date: 1979-08-07
Publication date: 1980-03-06
Also published as: JPS5528157A

Description

Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer physikalischen
Größe in ein Gleichstromsignal Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer physikalischen Größe in ein Gleichstromsignal gemäß dem OberFegriffdes Patentanspruchs 1. Im besonderen ist dabei Bezug genommen auf eine solche Schaltungsanordnung,in der eine mechanische Verschiebung, die proportional einer zu messenden Belastungsänderung ist, durch einen kapazitiven Meßfühler erfaßt wird, so daß die Kapazitätsänderungen der Verschiebung proportional sind; auf diese Weise wird die mechanische Verschiebung in ein elektrisches Signal umgesetzt, das zur Ubertragungauf ein Anzeigeinstrument beispielsweise dienen kann.
Bei einer bekannten Schaltungsanordnung dieser Art, wie sie in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, sind zwei hinsichtlich ihrer Kapazität veränderbare Kondensatoren C1 und C2 vorhanden, die mit einer beweglichen Elektrodenplatte versehen sind, die ihnen beiden zugeordnet ist. Eine Verschiebung der Elektrodenplatte beispielsweise infolge einer Differenz von 2 Drücken verändert die Kapazitätswerte beider Kondensatoren C1 und C2, so daß das Verhältnis von (C1 - c2) / (C1 + C2) der relativen Verschiebung d/do proportional ist.
Die in Fig. 1 dargestellte bekannte Schaltungsanordnung A ist mit einer äußeren Stromversorgungsquelle E und einer Last in Form eines Instrumentes RL über Verbindungsleitungen L verbunden. Die Schaltungsanordnung A enthält einen Oszillator G mit einer Verbindungsschaltung, die eine Primärwicklung und Sekundärwicklungen W2a, W2b und W2c enthält. In den Sekundärwicklungen werden Wechselspannungen induziert, so daß diese Wicklungen als Stromversorgungsquellen dienen. Die Verbindungsschaltung ist so aufgebaut, daß Ströme in den Sekundärwicklungen W2a und W2b nur in den positiven Halbwellen der Wechsel spannung fließen können, während durch die Sekundärwicklung W2c ein Strom nur in der negativen Halbwelle fließen kann. Dies bedeutet, daß während der positiven Halbwellen ein Strom il in der Sekundärwicklung W28 durch einen Kreis fließt, der Widerstände R1 und R3, einen Erdungskondensator C3 einen Kondensator C1, eine Diode D und die Wicklung W2a enthält. Ein weiterer Strom i2 in der Sekundärwicklung W2b fließt in einem anderen Kreis, der aus den Widerständen R2 und R3, dem Erdungskondensator C3, einem anderen Kondensator C2, einerDiode D2 und der Wicklung W2b besteht. Während der negativen Halbwellen fließt ein Strom i3 in der Sekundärwicklung W2c durch einen Stromkreis, der sich in einen Parallelstromkreis aus der Diode D3 und dem einen Kondensator C1 und einen weiteren Parallelstromkreis aus der Diode D4 und den anderen Kondensator C2 aufspaltet,und dann gemeinsam durch den Erdungskondensator CD zur Wicklung W2c.
Der Strom i1 in der Sekundärwicklung W2a während der positiven Halbwellen ist der Kapazität des Kondensators C1 proportional und fließt durch die Widerstände R1 und R3, während der Strom i2 in der Sekundärwicklung W2b der Kapazität des anderen Kondensators C2 proportional ist und durch die Widerstände R2 und R3 fließt.
Infolgedessen ist ein Spannungsabfall am Widerstand R3 als Spannung eO der Summe der Kapazitätswerte C1 und C2 proportional, so daß die Spannung eO durch folgende Gleichung gegeben ist eO = RD (i1 + i2) (1) Diese Spannung eO wird einem Differenzverstärker DA1 zugeführt, indem diese Spannung eO mit einer Bezugsspannung an einem Widerstand R4 eines Spannungsteilers verglichen wird. Die Ausgangsgröße des Differenzverstärkers DA1 dient zur Steuerung der Amplitude der Ausgangsspannung des Oszillators G , so daß die Spannung eO die Summe der Kapazitätswerte C1 und C2 repräsentiert und durch die Bezugsspannung eingeregelt ist.
Eine andere Spannung e3, die die Differenz der Kapazitätswerte C1 - C2 zwischen den Kondensatoren C1 und C2 repräsentiert, ergibt sich in Form eines Spannungsabfalls am Widerstand R1 und am Widerstand R2. Dies bedeutet, daß der Spannungsabfall am Widerstand R1 dem Kapazitätswert des Kondensators Ci proportional ist, während der Spannungsabfall am Widerstand R2 dem Kapazitätswert des Kondensators C2 entspricht, so daß sich folgende Gleichungen aufstellen lassen: e1 =R1 i1 + e0 (2) e2 = R2 i2 +e0 (3) Die Spannung e3 wird vom Differenzverstärker DA2 erzeugt. Ist R1 =R2 = R, dann gilt e3 = e1 - e2 = R (i1 - i2) (4) Die Ausgangsgröße des Differenzverstärkers DA2 dient zur Steuerung eines nachgeordneten Transistors Tr2.
Unter der Voraussetzung, daß die mittels des Oszillators G über die Sekundärwicklungen an den Kondensatoren C1 und C2 erzeugte Spannung eine Größe va hat und ihre Frequenz f beträgt, ergeben sich folgende Gleichungen: ii = f . va . C1 (5) i2 = f . va . C2 (6) e3 - R.(i1 - i2) = R f va (C1 - C2) (7) e0 =R3.(i1 + i2) = R3 f va . (C1 + C2) (8) Aus Gleichung (8) folgt Aus den Gleichungen (9) und (7) ergibt sich Infolgedessen ist die Differenz spannung e3 dem Werte proportional C1 - C2 C1 + C2 Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 enthält ferner eine Konstanzstromquelle CC, eine Zehnerdiode ZD als Konstantspannungselement, einen Widerstand R5 als weiteren Widerstand in einem Spannungsteiler und Rückkopplungswiderstände R6 bis R10 sowie Giättungskondensatoren C4 und C5.
Diese bekannte Schaltungsanordnung hat den Nachteil, daß ihre bewegliche Elektrodenplatte keinen großen mechanischen Belastungen ausgesetzt werden darf, wie sie beispielsweise beim Einsatz in NiveaumeBeinrichtungen für Flüssigkeiten auftreten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung vorzuschlagen, die trotz Erfassung einer physikalischen Größe mittels Kapazitätsänderungen fUr große Belastungen geeignet ist und sich außerdem durch eine einfache Konstruktion und hohe Genauigkeit bei der Erfassung der physikalischen Größe, insbesondere mechanischs Verschiebungen, auszeichnet.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs angegebene Schaltungsanordnung erfindungsgemäß entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildet.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Zur Erläuterung der Erfindung ist in Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einem Kondensator dargestellt, dessen Kapazität sich mit einem Anwachsen der physikalischen Größe verringert, und in Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, dessen einer Kondensator sich in seiner Kapazität mit einem Anwachsen der physikalischen Größe vergrößert.
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 ist - ebenso wie die oben beschriebene bekannte Schaltungsanordnung -mit einer externen Stromversorgungsquelle 12 und einer Last 14 über Verbindungsleitungen L1 und L2 verbunden.
Sie ist auch als kapazitiver Meßfühler mit zwei Kondensatoren 16 und 18 ausgerüstet, dient Wechselspannungen über Dioden D1, D2, D3 und D4 von Sekundärwicklungen 22, 24 und 26 beaufschlagt sind, die mit einem Oszillator 20 induktiv gekoppelt sind. Die Kopplung erfolgt über eine Prinärwicklung des Oszillators 20. Die an der Primärwicklung liegende Spannung bzw.
die Ausgangs spannung des Oszillators 20 wird über einen Verstärker 28 geregelt. Der nichtinvertierende Eingang dieses Verstärkers 28 liegt an einer Spannung, die über einen Spannungsteiler mit den Widerständen 32 und 34 von einer Bezugsspannungsquelle 30 abgeleitet ist. Der invertierende Eingang des Verstärkers 28 ist mit einem Schaltungspunkt zwischen den Widerständen R1, R2 und einem Widerstand R3 verbunden. Die Widerständen R1 und R2 sind mit den Sekundärwicklungen 22 und 24 in Reihe geschaltet und dienen demzufolge als Spannungserfassungswiderstände. Die Bezugsspannungsquelle 30 ist aus einer Konstantstromquelle 36 mit einem konstanten Strom versorgt.
Um die Differenz zwischen den Spannungen an den Widerständen R1 und R2 zu erfassen, ist ein Differenzverstärker 38 vorgesehen. Die Ausgangsspannung dieses Differenzverstärkers 38 ist über einen Widerstand R4 auf den invertierenden Eingang rückgekoppelt, so daß der Verstärker 38 einen rückgekoppelten Verstarker darstellt.
Um die Ausgangs spannung des rückgekoppelten Verstärkers 38 in einen Strom umzusetzen, wird diese Ausgangsspannung einem Wandler zugeführt, der einen weiteren Verstärker 40 enthält, der seinerseits einen Transistor 42 steuert. Ein durch Steuerung des Transistors 42 verursachter Strom wird über die Leitungen L1 und L2 der Last bzw. einem Instrument 14 zugeführt, der das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung darstellt.
Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 dienen Widerstände R5 bis R9 als Rückkopplungswiderstände. Ein Kondensator C3 bildet einerseits einen geschlossenen Stromkreis in Bezug auf die Wechselspannungen an den Sekundärwicklungen 22, 24 und 26 zu den Kondensatoren 16 und 18 und dient andererseits als Erdungskondensator, um eine Gleichstromkomponente infolge Erdung des Schaltungspunktes zwischen den Kondensatoren 16 und 18 zu unterdrücken. Kondensatoren C4 und C5 dienen zur Glättung.
Ein Kondensator C6 und Dioden D5 und D6'die der Sekundärwicklung 26 zugeordnet sind, dienen dazu, Influenzwirkungen durch Streukapazitäten des Kondensators 16 auf die Charakteristik der Schaltungsanordnung zu kompensieren.
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 arbeitet in folgender Weise: Mittels des Verstärkers 28 wird die Spannung am Widerstand R3 der Spannung E am Spannungsteilerwiderstand 32gleich gemacht. Ferner wird mittels des rückgekoppelten Verstärkers 38 die Spannung am Widerstand R1 gleich der am Widerstand R2 durch Einregeln eines Stromes durch den Widerstand R2 gemacht. Der durch den Widerstand R3 fließende Strom entspricht der Summe der Ströme durch die Widerstände R1 und R2 Daher ist, wenn R1 = R2 ist, der Strom durch den Widerstand R2 gleich dem Strom durch den Widerstand R1, und der Strom durch den Widerstand R3 ist zweimal so groß wie der durch den Widerstand R1.
Da der eine Kondensator 16 ein veränderbare Kapazität Ci hat, während der andere Kondensator 18 eine feste Kapazität C2 aufweist, ergibt sich unter der Voraussetzung, daß mittels der Sekundärwicklungen 22, 24 und 26 an den Kondensatoren 16 und 18 eine Wechselspannung der Größe va mit einer Frequenz f liegt, für die Ströme i1 und i2 durch den in Reihe mit dem Kondensator 16 liegenden Widerstand R1 und den in Reihe mit dem anderen Kondensator 18 liegenden Widerstand R2 ii = f . va . vi(11) i2 = f va C2 (12).
Aufgrund der Steuerung durch den rückgekoppelten Verstärker 38 fließt ein Differenzstrom i2 - i1 durch den Widerstand R4 zum Ausgang des Verstärkers 38, und am Widerstand R4 ergibt sich durch den Differenzstrom ein Spannungsabfall, der eine Ausgangsspannung V0 darstellt. Es gelten dann folgende Beziehungen: V0 = (i2-i1) R4 = f va (C2 - C1)R4 (13) E = i1 R3 = 2 f va C1 R3 (14) f . va = E 1 . 1 (15) 2R3 C1 Mit den Gleichunen (15) und (13) ergibt sich dann Dies bedeutet, daß die Ausgangsspannung V0 gleich (C2 - C1) / C1 ist. Die Ausgangsspannung V0 wird in ein Stromsignal durch einen Wandler umgesetzt, der einen Verstärker 40, einen Transistor 42 und Rückkopplungs- widerstände R5 bis R9 aufweist.
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 ist für den Fall geeignet, daß der eine Kondensator 16 so aufgebaut ist, daß sich sein Kapazitätswert mit einem Ansteigen der physikalischen Größe bzw. mechanischen Belastung verringert, die die zu messende Verschiebung verursacht.
In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem ein Kondensator 16 Verwendung findet, dessen Kapazitätswert sich mit einem Anwachsen der physikalischen Größe bzw. der mechanischen Belastung vergrößert.
Im Unterschied zur Schaltungsanordnung nach Fig. 3 ist hier der Ausgang des rückgekoppelten Verstärkers 38 mit dem Widerstand R5 verbunden, während der Widerstand mit dem Widerstand R1 in Verbindung steht. Die Ausgangs spannung VOist dann gegeben durch In diesem Fall hat der Differenzstrom (i2 = in), der vom Strom i2 abzuziehen ist und durch den Widerstand R4 fließt, einen negativen Wert, wenn sich die mechanische Belastung vergrößert. Dies bedeutet jedoch nur, daß ein Strom mit einem positiven Wert (i1 -i2) den Strom i2 hinzugefügt wird über den Widerstand R4, so daß der Strom durch den WiderstandR2 gleich dem Strom il durch den Widerstand R1 ist.
Wie oben erwähnt, wird gemäß der Erfindung ein Verhältnis d d/dg einer relativen mechanischen Verschiebung entsprechend einer zu messenden veränderbaren physikalischea, Größein Form eines Verhältnisses einer Kapazitätsänderung angegeben, undzwar als (C2 - c1)/c1 oder (C1 - C)/C1.
Bei den Schaltungsanordnungen nach den Figuren 3 und 4 dient der Verstärker 28 zum Vergleich der Spannungen am Widerstand R3 und am Widerstand 32, um die Spannung am Widerstand R3 konstant zu halten. Diese Spannung E am Widerstand R3 ist durch die Gleichung (14) beschrieben. Wie sich anhand dieser Gleichung (14) ergibt, bedeutet ein Konstanthalten der Spannung E ein Konstanthalten des Stromes il durch den einen Kondensator 16. Dies bedeutet, daß die Hauptfunktion des Verstärkers 28 eine Steuerung des Stromes ii durch den einen Kondensator 16 derart ist, daß dieser konstant bleibt.
Bei dem Schaltungsanordnungen nach den Figuren 3 und 4 kann der Widerstand R3 fortfallen, und die einen Anschlüsse der Widerstände R1 und R2 können direkt mit dem einen Anschluß des Kondensators C3 verbunden werden, so daß dann der Verstärker 28 die Spannung am Widerstand 32 mit der am Widerstand R1 vergleicht, die durch R1 ii gegeben ist.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung hat also einer der Kondensatoren einen veränderbaren Kapazitätswert, während der andere Kondensator des kapazitiven Meßfühlers einen festen, unveränderbaren Kapazitätswert besitzt. Infolgedessen kann der kapazitive Meßfühler der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung auch großen mechanischen Belastungen ausgesetzt werden, was ihn als Niveaumeßgerät für Flüssigkeiten , für Kraftmeßdosen oder ähnliches geeignet macht.

Claims

Patentansprüche iljSchaltungsanordnung zur Umwandlung einer physikalischen Größe in ein Gleichstromsignal mit a) einem kapazitiven Meßfühler, der al) zwei Kondensatoren enthält, mit b) einem Oszillator, mit b1) dessen Ausgang die Kondensatoren induktiv gekoppelt sind, so daß durch den einen Kondensator ein Strom und durcn den anderen Kondensator ein weiterer Strom fließt, mit c) einer Gleichrichterschaltung, die cl) von den Kondensatoren beaufschlagt ist, mit d) einem Wandler, der d1) mit der Gleichrichterschaltung in Verbindung steht und d2) derart gesteuert ist, daß durch eine in einem Stromkreis mit einer Stromversorgungsquelle liegende Last ein Strom fließt, der ein Maß für die physikalische Große darstellt, und mit e) einer Steuereinrichtung, die el) eingangsseitig an einer Bezugsspannungsquelle und an eine mit der Gleichrichterschaltung in Reihe liegende Widerstands ordnung angeschlossen ist und die e2) ausgangsseitig mit dem Oszillator verbunden ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß f) der eine Kondensator hinsichtlich seiner Kapazität in Abhängigkeit von der physikalischen Größe veränderbar ist, daß g) der andere Kondensator einen festen, unveränderbaren Kapazitätswert aufweist, und daß h) der Wandler mit seinem einen Eingang und mit seinem anderen Eingang mit der Gleichrichterschaltung über einen rückgekoppelten Differenzverstärker verbunden ist, der h1) an seinem Ausgang eine der Differenz zwischen dem weiteren Strom und den einen Strom propDrtionale Meßgröße erzeugt und der h2) eingangsseitig eine weitere Meßgröße bildet, die der Differenz zwischen dem weiteren Strom und dem einen Strom entspricht, so daß i) der Wandler einen Strom durch die Last erzeugt, der dem Quotienten aus der Differenz der Kapazitätswerte des einen und des anderen Kondensators und dem Kapazitätswert des einen Kondensators proportional ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 mit einem Wandler, der J) eingangsseitig einen von einem Operationsverstärker gebildeten Differenzverstärker enthält, d a d u r c h g e k e n n z e ic h n e t, daß k) der eine Kondensator mit Anwachsen der physikalischen Größe seine Kapazität vergrößert und daß 1) der invertierende Eingang des Differenzverstärkers direkt mit der Gleichrichterschaltung und der nichtinvertierende. Eingang an den rUckgekoppelten Differenzverstärker angeschlossen ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 mit einem Wandler,der m) eingangsseitig einen von einem Operationsverstärker gebildeten Differenzverstärker enthält, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß n) der eine Kondensator mit Anwachsen der physikalischen Größe seine Kapazität verringert und daß o) der nichtinvertierende Eingang des Differenzverstärkers direkt mit der Gleichrichterschaltung und der invertierende Eingang an den rückgekoppelten Differenzverstärker angeschlossen ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß p) die Widerstandsanordnung aus jeweils einem den Kondensatoren nachgeordneten Widerständen besteht.