DE3011594A1

DE3011594A1 - Weg-frequenz-messgroessenwandler

Info

Publication number: DE3011594A1
Application number: DE19803011594
Authority: DE
Inventors: Thomas Ing.(grad.) 7016 Gerlingen Pfendler; Berthold Dr.-Ing. 7250 Leonberg Wocher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1980-03-26
Filing date: 1980-03-26
Publication date: 1981-10-01
Also published as: JPS56151310A

Description

Weg-Frequenz-Meßgrößenwandler
Die Erfindung betrifft einen Weg-Frequenz-Meßgrößenwandler, der nach dem kapazitivem Prinzip arbeitet und einen Kondensator umfaßt, dessen Kapazität C sich in Abhängigkeit von dem die Meßgröße wiedergebenden Weg ändert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Zwecke der elektrischen Steuerungs-, Regelungs- und Meßtechnik einen Weg-Frequenzwandler zu schaffen, mit welchem Wegänderungen von etwa 0,5 bis 10 mm erfaßt und in eine sich abhängig von diesen Wegänderungen verändernde Frequenz eines elektrischen Signals umgewandelt werden können, wobei sich die Frequenz in einem Verhältnis von mehr als 1 : 10 ändert.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Kapazität C des Kondensators als frequenbestimmende Größe in einem RC-Oszillator, vorzugsweise einem speziellen astabilen Multivibrator verwendet wird.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit den nachstehend beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.
Das bei der Erfindung verwendete, kapazitive Prinzip ist in Fig. 1 dargestellt. Dort sind mit zwei Platten 11 und 12 die Elektroden eines Kondensators angedeutet, dessen Kapazität 0 sich mit dem Plattenabstand s ändert, wenn eine der beiden Platten mit einem nicht dargestellten Bauteil einer Brennkraftmaschine, beispielsweise einer Membran einer Druckmeßdose gekuppelt ist. Die beiden Elektroden 11 und 12 sind an einem astabilen ultivibrator 13 geführt, der in IC-Technik ausgeführt ist und eine Ausgangsfrequenz f liefert, die d.h. zum Verstellweg s direkt proportional ist.
Bei der technischen Realisierung des veränderlichen Kondensators ergeben sich in der Praxis recht kleine Kapazitäten 0 im Bereich von ca 0,5 bis 50 pF. Derartig kleine Kapazitätsänderungen erfordern einen sorgfältigen Aufbau des RC-Oszillators 13, damit der gewünschte Effekt der Frequenzänderung nicht durch Nebeneffekte und Nebeneinflüsse, wie parasitäre Schaltungskapazitäten, Temperaturgänge der Schaltung, Kriechströme und dgl. beeinträchtigt werden kann.
In Figur 2 ist eine integrierbare RC-Oszillatorschaltung dargestellt, welche die oben angegebenen Forderungen erfüllt und bei geringem Aufwand linear, temperaturstabil und unempfindlich gegenüber Betriebsspannungsschwankungen ist.
Der dargestellte RC-Oszillator besteht aus der Serienschaltung eines Integrators und eines Schmitt-Triggers mit geeigneter Rückkopplung.
Der Schaltungsteil zwischen 6 und 2 ist ein als Integrierer beschalteter Feldeffekt-Operationsverstärker. Die wegabhängige Kapazität 0 und die parallele parasitäre Kapazität Cp bestimmen zusammen mit dem Ladewiderstand R2 die Integrationszeitkonstante Ti ~ R2 (CS + 0 ) des Intep grierers.
Die Kapazität CK eines kleinen veränderbaren Trimmerkondensators dient der Kompensation des unerwünschten Einflusses von 0p auf die Wandlerkennlinie, wie weiter unten dargelegt ist.
Der Schaltungsteil zwischen 2 und 4 enthält einen schnellen Komparator, der mit Hilfe von R3 und Rq als Schmitt-Trigger mit definierter Hysteresis ausgebildet ist. Wegen der erwünschten unsymmetrischen Betriebsspannungsversorgung wird mit dem Spannungsteiler aus den beiden Widerständen R1 an 5 ein Potential festgelegt, zu dem die Potentiale bei UB und Masse symmetrisch liegen.
Durch Rückopplung von 4 nach 6 entsteht an diesen Punkten eine zu 5 symmetrische rechteckförmige Schwingung mit einem Tastverhältnis von 1 : 1 und einer von Cs abhängigen Frequenz f.
Figur 3 zeigt die Spannungsverläufe an 4 und 2 und die Schaltschwellen U20 und U2u an denen der Schmitt-Trigger umschaltet.
Die Spannung U2 weist an den Umschaltpunkten jeweils einen Sprung auf. Dieser erwünschte Effekt ist dem Kompensationskondensator 0K zuzuschreiben, der dem Spannungsverlauf U2 einen Vorhalt gibt und somit den durch Cp verlangsamten linearen Anstieg von U2 kompensiert. (Bei Cp = CK = 0 würde U2 der gestrichelten Linie folgen).
Die Frequenz des Oszillators ist: Sie ist von der Betriebsspannung UB unabhängig und der Einfluß von CD kann d CK beseitigt werden. te Dimensionierung von Für 0'V ist dann der gewünschte Zusammenhang f s S erreicht.
5 Figur 4 zeigt beispielhaft die Gestaltung eines kapazitiven Weggebers mit den Schaltungsanschlüssen.
Die eine Kodensatorplatte El ist kreisförmig und umgeben von einer ringförmigen Schutzelektrode E5.
Beide Elektroden sind als Kupferkaschierung auf einer Printplatte P isoliert gegen das auf Massepotential liegende metallische Gehäuse G aufgebracht.
Die kreisförmige Gegenelektrode E2 ist um den Weg s verschieb--bar. Der Weg s wird über den im Gehäuse gelagerten Bolzen B übertragen und so die Kapazität zwischen El und E2 verändert.
E2 ist gegenüber dem Bolzen isoliert, die Kontaktierung erfolgt über eine flexible Drahtbrücke. Die Ringelektrode E5 hat zwei Aufgaben: Sie liegt praktisch auf dem gleichen Potential wie El und verhindert dadurch Kriechströme von El zum Gehäuse.
Außerdem erzwingt die Ringelektrode ein homogenes elektrisches Feld zwischen E2 und El auch am Rand von El.
Damit wird der Zusammenhang CS 0 1s gewährleistet.
Dank der besonderen Eigenschaften der Schaltung haben die beachtlichen Kapazitäten zwischen E2 und G (Masse), El und G, El und E5 keinen Einfluß auf die Frequenz.
Die durchgehende Schirmung des Meßkondensators, die auch noch über die elektronische Schaltung ausgedehnt werden kann, verhindert störende Einstrahlungen und Abstrahlungen.

Claims

Ansprüche 7Weg-Frequenz-Meßgrößenwandler der nach dem kapazitiven Prinzip arbeitet und einen Kondensator umfaßt, dessen Kapazität C sich in Abhängigkeit von dem die Meßgröße wiedergebenden Weg ändert, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Kondensators als frequenzbestimmende größe in einem RC-Oszillator verwendet ist.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die RC-Oszillatorschaltung aus einem Integrator und aus einem Schmitt-Trigger besteht.
3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kompensationskondensator CK parallel zum Ladewiderstand des Integrators vorgesehen ist.
4. Wandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator eine Kondensatorplatte El enthält, die von einer Ringelektrode (E5) umgeben ist und daß diese Ringelektrode auf das Potential des nichtinvertierenden Eingangs eines Operationsverstärkers gelegt ist.