DE3125664C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Verstellumformer gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

Kapazitive Verstellumformer, bei denen die Veränderung einer physikalischen Größe, beispielsweise eines Druckes oder einer Spannung, in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, werden zur Übertragung elektrischer Signale benutzt, die von der abgeführten Kenngröße, beispielsweise der Strömungsrate oder des Druckes des jeweiligen Systems, abgeleitet und zu einer in größerer Entfernung angeordneten Aufnahmestation übertragen werden sollen. Die Anwendung solcher Vorrichtungen ermöglicht eine Vereinfachung des Signalkreises und eine Verringerung der Herstellkosten. eine Möglichkeit der Verbesserung solcher Systeme ist Gegenstand der japanischen Patentanmeldung No. 55-29246 der gleichen Anmelderin, deren Titel in der Übersetzung lautet "Verstellwandlervorrichtung".

Ein Problem üblicher kapazitiver Sensoren besteht in der nicht linearen Umwandlungscharakteristik und darüber hinaus darin, daß die Umwandlercharakteristik, infolge der Streukapazitäten zwischen den stationären und der beweglichen Elektrode sowie zwischen einem Sensorgehäuse und einer stationären oder einer beweglichen Elektrode, fehlerhaft sein kann.

Ein gattungsgemäßer Verstellumformer ist aus der DE-OS 18 07 038 bekannt.

Von diesem Stand der Technik ausgehend ist des Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Verstellumformer im Hinblick auf die Möglichkeit vielseitiger Anwendung zu verbessern.

Der Lösung der Aufgabe dienen die Merkmale des Kennzeichnungsteiles des Patentanspruches 1 in der Anwendung auf einen gattungsgemäßen Verstellumformer; die Merkmale der Unteransprüche gestalten die Erfindung in zweckmäßiger Weise aus.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; in der Zeichung zeigt:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Sensor, wie er bei einem Verstellumformer gemäß der Erfindung Anwendung finden kann,

Fig. 2 einen Schaltkreis mit einem Sensor gemäß Fig. 1 unter Berücksichtigung der Streukapazitäten,

Fig. 3, 4 Querschnitte von Differentialkondensatorsensoren mit bzw. ohne Abschirmung,

Fig. 5 und 8 Stromkreisdarstellungen eines ersten und zweiten Ausführungsbeispieles der Erfindung,

Fig. 6, 7 entsprechende Stromkreise für Lade- und Entladevorgänge,

Fig. 9, 10 den Stromkreisen der Fig. 6, 7 entsprechende Stromkreise, wenn parallelgeschaltete Kondensatoren angewendet werden,

Fig. 10D ein weiterentwickeltes Stromkreisdiagramm für einen Stromkreis gemäß der Erfindung für den Fall, daß besondere Zählfehler vorkommen können,

Fig. 10A, 10B, 10C und 10E Wellenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise des Stromkreises gemäß Fig. 10D,

Fig. 10F ein der Darstellung in Fig. 10D ähnliches Stromkreisdiagramm, wobei "NAND"- (nein-und) Gatter durch "NOR"- (nein-oder) Gatter ersetzt wird,

Fig. 10G ein weiterentwickeltes Stromkreisdiagramm, wie es im Zusammenhang mit der Erfindung ohne Verwendung einer Kompensationskapazität anwendbar ist,

Fig. 11 ein Stromkreisdiagramm für eine dritte Ausführungsform gemäß der Erfindung und

Fig. 12 ein Stromkreisdiagramm, wie es im Zusammenhang mit der Erzeugung eines Zählerausgangssignales anwendbar ist, wobei die Pulssignale beide Polaritäten haben.

Erste Ausführungsform

Bei dieser Ausführungsform ist ein kapazitiver Sensor gemäß Fig. 1 angewendet, der zwei feste Elektrodenplatten SP₁ und SP₂ und eine bewegliche Elektrodenplatte MP zwischen den beiden festen Elektrodenplatten SP₁ und SP₂ aufweist, um eine erste Kapazität C₁ und eine zweite Kapazität C₂ zu bilden. Diese Kapazitäten C₁ und C₂ ändern sich entsprechend der mechanischen Verstellung der beweglichen Elektrodenplatte MP zwischen den beiden Platten SP₁ und SP₂, die entsprechend der zu messenden Veränderung einer physikalischen Größe verstellt sind.

In Fig. 2 ist ein elektrischer Kreis mit einem Sensor gemäß Fig. 1 dargestellt, wobei unterstellt ist, daß die verteilten Kapazitäten C _{SG 1} und C _{SG 2} zwischen den stationären Elektrodenplatten SP₁ und SP₂ und dem Gehäuse des Sensors erscheinen und die verteilte Kapazität C _{SG 0} zwischen der beweglichen Elektrodenplatte MP und dem Gehäuse erscheint. Die verteilten Kapazitäten C _{SP 1} und C _{SP 2} sind zwischen den Klemmen A-C und B-C parallel zu den Kapazitäten C₁ und C₂ hinzugefügt.

In Fig. 3 ist im Querschnitt ein Beispiel eines Sensors von der Art einer Differentialkapazität dargestellt, wobei die stationären Elektrodenplatten SP₁ und SP₂ sowie die flexible, bewegliche Elektrodenplatte MP in einem Gehäuse F angeordnet sind. Die stationären Elektrodenplatten SP₁ und SP₂ sind an Bleidrähten L gehalten, während die bewegliche Elektrodenplatte MP an ihrer Basis an einer isolierenden Dichtung, beispielsweise Glas, befestigt ist. Wird der Spitze der beweglichen Elektrodenplatte MP eine mechanische Verstellkraft P zugeführt, so verändern sich die erste und zweite elektrostatische Kapazität C₁ und C₂ des Sensors im Verhältnis zu der mechanischen Verstellung. In einem bestimmten Maße ist elektrostatische Dauerkapazität zwischen dem Endabschnitt Lt des Leiters L und dem Basisteil der beweglichen Elektrodenplatte MP vorhanden, die durch die verteilten Kapazitäten C _{SP 1} und C _{SP 2} in Fig. 2 dargestellt werden. Die verteilten Kapazitäten C _{SP 1} und C _{SP 2} können durch die Bildung einer Abschirmung S zwischen dem Endabschnitt Lt des Bleidrahtes L und dem Basisteil der beweglichen Elektrodenplatte MP gemäß Fig. 4 ausgeschaltet werden.

In Fig. 5 ist ein Stromkreisdiagramm dargestellt, wie es für die erste Ausführungsform der Erfindung gilt. Der Stromkreis ist dazu bestimmt, einen Sensor mit einer Differentialkapazität und einem Kreis gemäß Fig. 2 zugeordnet zu werden. Die Anschlußklammern A, B und C in Fig. 5 sind mit den Klemmen A, B und C des Sensors gemäß Fig. 3 oder Fig. 4 verbunden.

A) Nachfolgend wird nun zunächst die Arbeitsweise des Stromkreises gemäß der Erfindung beschrieben, wenn die verteilten Kapazitäten C _{SP 1} und C _{SP 2} außer Betracht bleiben.

In dem Stromkreis sind erste und zweite Gatter G _2A und G _2B vorgesehen, deren invertierte Ausgangsströme der ersten und zweiten Kapazität C₁ und C₂ über die Klemmen A und B zugeführt werden. Liefert eines der Gatter, beispielsweise das Gatter G _2A , einen Ausgangsstrom mit der Spannung +E, so wird ein Stromkreis aus der ersten elektrostatischen Kapazität C₁ und der verteilten Kapazität C _{SG 0} in Serienschaltung im Zeitpunkt des ansteigenden Bereiches des Ausgangsstromes H (für "HIGH") sofort geladen. Hierdurch steigt die Spannung an der Klemme C, die die Verbindung zwischen der ersten und der zweiten elektrostatischen Kapazität C₁ und C₂ darstellt, ebenfalls sofort auf einen bestimmten Wert an.

Der entsprechende Stromkreis des umseitig beschriebenen Ladevorganges ist in Fig. 6 dargestellt. Die Ausgangsimpedanz des ersten Gatters G _2A ist so gering, daß die zerstreute Kapazität G _{SG 1} außer Betracht bleiben kann. Außerdem kann die verteilte Kapazität G _{SG 0} als zur zweiten elektrostatischen Kapazität C₂ parallel liegend angesehen werden. Deshalb kann die maximale Spannung an der Klemme C durch ein Impedanzverhältnis der ersten Kapazität C₁ zu der Parallelschaltung C _{SG 0} und die zweite Kapazität C₂ bestimmt werden.

Solange der Ausgangsstrom des ersten Gatters G _2A den Wert "H" behält, behält der Ausgangsstrom (C) eines Inverters G₁ den Wert "L" (für "LOW"), und der Konstantstromkreis CC ist zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Inverters G₁ eingeschaltet, so daß die der verteilten Kapazität C _{SG 0} und der zweiten elektrostatischen Kapazität C₂ während des Ladevorganges zugeführte elektrische Energie sofort durch den Konstantstromkreis CC und die Ausgangsimpedanz des Inverters G₁ entladen wird. Der Ausgangsstrom (B) fällt linear ab, weil der Entladestrom durch den Konstantstromkreis CC auf einen bestimmten Wert begrenzt ist. Der entsprechende Stromkreis während der Dauer der Entladung ist in Fig. 7 dargestellt, woraus der Stromfluß des Entladestroms aus der Kapazität C₁ und der Kapazität C _{SG 0} in den Konstantstromkreis CC erkennbar ist; die Kapazität C₁ bleibt während dieser Entladeperiode dem Ausgang (A) (mit der Kapazität) zugeordnet.

Der Ausgangsstrom (B) fällt ab, bis er den Schwellwert erreicht, bei dem der Ausgangsstrom (C) des Inverters G₁ sich vom stabilen Wert L zum anderen stabilen Wert "H" verändert. Danach verändert sich der Ausgangsstrom (A) des ersten Gatters G _2A zu "L", so daß der Ausgangsstrom (B) auf einen bestimmten Wert verringert wird, und zwar infolge einer sofortigen Entladung der verteilten Kapazität C _{SG 0} und der zweiten elektrostatischen Kapazität C₂ durch die erste elektrostatische Kapazität. Danach werden die verteilte Kapazität C _{SG 0} und die zweite elektrostatische Kapazität C₂ erneut geladen, und zwar durch einen Konstantstrom, der durch den Konstantstromkreis CC fließt, der mit der Spannung "H" des Ausgangswertes (C) belegt ist, wobei der Ausgangswert (B) zum linearen Ansteigen veranlaßt wird. Der Ausgangswert (B) steigt an, bis er den Schwellwert erreicht, wo sich der Ausgangsstrom (C) des Inverters G₁ zu "L" wandelt und sich deshalb der Ausgangsstrom (A) des ersten Gatters G _2A zu "H" wandelt. Demzufolge wiederholt sich der Ladevorgang durch das erste Gatter G _2A .

Gemäß Fig. 5 ist ein Zähler CT vorgesehen, der die Impulse des Ausgangsstromes (C) des Inverters G₁ zählt. Zählt der Zähler CT eine vorbestimmte Impulszahl, so liefert der Zählerausgang n an der Stelle des vorhergehenden "H" den Wert "L", bis er erneut die gleiche Pulszahl gezählt hat. Der "L"-Ausgang wird dem zweiten Gatter G _2B durch den Inverter G₃ zugeführt, so daß das zweite Gatter G _2B auf "an" und das erste Gatter G _2A auf "aus" gestellt wird. Daraufhin beginnt die Lade- und Entladeoperation über die Anschlüsse B und C und wird solange aufeinanderfolgend wiederholt, bis sich der Zählerausgang n zu "H" verändert.

Der "H"-Ausgang veranlaßt den Beginn des Lade- und Entladevorganges über die Anschlüsse A und C, weil dabei das erste Gatter G _2A zu "an" und das zweite Gatter G _2B zu "aus" verstellt worden ist. So wird der Lade- und Entladevorgang in einem vorbestimmten Zeitintervall zwischen den Klemmen A-C bzw. B-C geschaltet, und zwar als Antwort auf die "ein"-Bedingung des ersten und zweiten Gatters G _2A und G _2B .

Es ist verständlich, daß erstes und zweites Gatter G _2A und G _2B als ein Schaltmittel wirken, das selektiv den Ausgangsstrom eines Verstärkermittels durch Rückkoppelungsmittel entweder zur ersten oder zweiten elektrostatischen Kapazität ohne Phasenänderung des Ausganges führt. Entsprechend kann ein alternativer Stromkreis durch Verwendung eines nicht umkehrenden Verstärkers zur Unterstützung des Verstärkers G₁ und Verwendung eines vereinfachten Schaltkreises als das erste und zweite Gatter zur Bildung des Schaltmittels vorgesehen werden. Diese Ausführungsform ist in Fig. 8 dargestellt, wobei der Schaltkreis durch das Symbol SW dargestellt ist und durch den Ausgang des Zählers CT gesteuert wird.

Nachfolgend erfolgt eine kurze Analyse des Stromkreises, der derart aufgebaut ist. Mit dem Schwellwert als Referenzspannung ist der Spannungsverlauf E₁ über die verteilte Kapazität C _{SG 0} in der nachfolgenden Gleichung dargestellt, wobei C _t die Summe der verteilten Kapazität C _{SG 0} und der zweiten elektrostatischen Kapazität C₂ ist.

Die Zeit, die benötigt wird, damit der Spannungsverlauf E₁ den Schwellwert erreicht, ist in der nachfolgenden Gleichung dargestellt, wobei der in Fig. 7 dargestellte Stromkreis vorausgesetzt ist und i für den Konstantstrom gilt, der vom Konstantstromkreis CC zugeführt wird.

i × t _i = E₁ (C₁ + C _t ) (2)

Die Zeit t₁ ergibt sich aus den Gleichungen (1) und (2) wie folgt

Nach einer entsprechenden Anzahl der Wiederholungen von Laden und Entladen der verteilten Kapazität C _{SG 0} ergibt sich ein dem Schwellwert entsprechendes Referenzpotential, dessen Potentialhöhe als Ausgangswert für den Lade- und den Entladevorgang dient.

Als Ergebnis hiervon gleicht der Spannungsverlauf E₁ beim Ladevorgang dem Spannungsverlauf E₂ beim Entladevorgang. Unter der Voraussetzung, daß der Ladevorgang gegen den Spannungsverlauf E₂ erfolgt und mittels eines durch den Konstantstromkreis CC fließenden Konstantstromes i bewirkt wird, ist die hierzu benötigte Zeit t₂ der Zeit t₁ gleich und es gilt für diesen Fall folgende Beziehung

t₁ = t₂ (4)

Diese Gleichungen gelten auch für den Fall, daß Lade- und Entladevorgang über die Klemmen B und C erfolgen. Erste und zweite elektrostatische Kapazität C₁ und C₂ sind bei den Lösungen gemäß Fig. 6 und 7 miteinander verbunden und die Gleichung (13) hat folgende Form

Demzufolge entsprechen die Perioden, in denen der Zählerausgang n des Zählers CT den Wert "H" bzw. "L" hat, den ersten und zweiten elektrostatischen Kapazitäten C₁ und C₂. Der an einem Integralkreis aus einem Widerstand R₃ und einem Kondensator C₃ sich ergebende Ausgangsmittelwert ist deshalb näherungsweise repräsentativ für das Tastverhältnis der vom Zähler CT ausgegebenen Stromstöße. Dieses Tastverhältnis repräsentiert mit anderen Worten einen Betriebswert C₁/(c₁ + C _s ), der als ein elektrischer invertierter Ausgangswert E₀ verwendet wird, der seinerseits der physikalischen Verstellkraft entspricht, die der beweglichen Elektrodenplatte übermittelt wird.

B) Als nächstes wird die Arbeitsweise des Stromkreises unter der Bedingung beschrieben, daß der Einfluß der verteilten Kapazitäten C _{SP 1} und C _{SP 2} berücksichtigt wird.

In Fig. 9 und 10 sind den Stromkreisen der Fig. 6 und 7 entsprechende Stromkreise gezeigt, wobei jedoch die verteilten Kapazitäten C _{SP 1} und C _{SP 2} eingefügt sind. Für diese entsprechenden Stromkreise gelten den Gleichungen (1) und (2) entsprechend die folgenden Gleichungen

iK · t₁ = e₁ (C _CP + C _{SP 1} + C₁ + C₂ + C _{SG 0}) (7)

Darin stellt C _CP eine Kompensationskapazität dar, die einem Konstantstromkreis in Parallelschaltung zugeordnet ist. Unter der Voraussetzung, daß die Kapazität der Kompensationskapazität C _CP der Kapazität der verteilten Kapazität C _{SP 1} gleicht, kann auf die Einwirkung dieser Kapazität C _{SP 1} auf den Ausgang (C) verzichtet werden, weil die Ladung der Kapazität C _{SP 1} durch die Kompensationskapazität C _CP kompensiert wird, was in Fig. 9 schematisch dargestellt ist.

Durch die Kombination der Gleichungen (6) und (7) miteinander, kann die Zeit t₁ durch folgende vereinfachte Gleichung dargestellt werden

Wird in diese Beziehung (8) die Bedingung C _{SP 1} = C _CP eingefügt, so ergibt sich eine den Gleichungen (3) und (5) ähnliche Beziehung

In der Praxis haben die verteilten Kapazitäten C _{SP 1} und C _{SP 2} im wesentlichen die gleichen Werte, weil die Sensoren einander entsprechend aufgebaut sind. Hierdurch können bei der Herstellung der elektrischen Kreise Kompensationskapazitäten C _CP des gleichen Wertes verwendet werden, ohne daß störende Einflüsse auf die Arbeitsweise des elektrischen Kreises befürchtet werden müssen.

Fehlzählungen können manchmal vorkommen, wenn im Ausgang des Inverters G₁ in Fig. 5 oder 8 an den ansteigenden und abfallenden Teilen der Wellenform Unstetigkeiten auftreten (Fig. 10A). Die Unstetigkeit in der Ausgangswellenform ergibt sich aus der Tatsache, daß beim Eingang des Inverters G₁ zwei Eingangssignale zugeführt werden, von denen das eine Eingangssignal der invertierte Ausgang des Konstantstromkreises und das andere der nichtinvertierte Ausgang durch die Gatter G _2A oder G _2B und die Kapazität des Sensors ist, so daß sich die beiden Signale in der Nähe des Schwellwertes kreuzen, weil die beiden Signale etwas phasenverschoben sind. Die Wellenformunstetigkeit nahe dem Schwellwert am Eingang des Inverters G₁ ist in Fig. 10B dargestellt, wobei zur besseren Verdeutlichung der Maßstab auf der Abszisse etwas gedehnt ist. Erfolgt die Unstetigkeit abseits vom Schwellwert gemäß Fig. 10C, so ist kein Einfluß auf die Ausgangswellenform zu erwarten. Es wird deswegen vorgeschlagen, eines der beiden Signale zu unterdrücken, beispielsweise ein Signal durch den Konstantstromkreis CC einer leichten Phasenverzögerung zu unterwerfen. Dies kann beispielsweise durch die Hinzufügung eines Inverters zu dem Kreis erfolgen. Ein Beispiel für eine solche Stromkreisauslegung ist im einzelnen in Fig. 10D dargestellt, wobei im wesentlichen die Bezugszeichen der Fig. 5 verwendet werden. Die Unterschiede zwischen den beiden Stromkreisen bestehen im wesentlichen darin, daß die Ausgangsströme des ersten und zweiten Gatters G _2A und G _2B den Eingängen des neu eingefügten "NAND"- (nicht-und) Gatters G₄ zugeführt werden, dessen Ausgangsstrom dem Eingang des Inverters G₁ durch den Konstantstromkreis CC zugeführt wird. Auf diese Weise ist das vom Konstantstromkreis zugeführt Eingangssignal ausreichend verzögert, um sicherzustellen, daß die Wellenformunstetigkeit im Eingang des Inverters G₁ bei einem vom Schwellwert verschiedenen Wert liegt (Fig. 10C). Demzufolge ist die Ausgangswellenform nicht gestört und es ist ein korrektes Zählen durch den Zähler CT gewährleistet. In Fig. 10E stellt die Wellenform (1) einen Eingang des Inverters G₁, (2) einen Ausgang des Inverters G₁, (3) einen Ausgang des ersten Gatters G _2A oder des zweiten Gatters G _2B und (4) einen Ausgang des "NAND"- (nein-und) Gatters G₄ dar. Die Gatter in Fig. 10D können durch "NOR"- (nein-oder) Gatter ersetzt werden, wie es in Fig. 10F dargestellt ist.

Aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt sich, daß die Umwandlungsvorrichtung, die gemäß der Erfindung mit Kapazitäten bzw. Kondensatoren arbeitet, mit einer relativ einfachen Auslegung des Stromkreises eine lineare Umwandlungscharakteristik haben kann. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß erstens ein Konstantstromkreis verwendet wird und zweitens die verteilten Kapazitäten C _{SG 1}, C _{SG 2} und C _{SG 0} völlig vernachlässigt werden können und daß auch die verteilten Kapazitäten C _{SP 1} und C _{SP 2} vernachlässigt werden können im Hinblick auf die Hinzufügung der Kompensationskapazität C _CP .

Zusätzlich zu der oben beschriebenen Lösung mit der hinzugefügten Kompensationskapazität C _CP zum Beseitigen der Einflüsse der verteilten Kapazitäten C _{SP 1} und C _{SP 2} wird eine weitere abgewandelte Ausführungsform gemäß Fig. 10G vorgeschlagen. Diese Lösung macht die Kompensationskapazität C _CP entbehrlich, die zu einer ziemlich schwerfälligen Einstellung des Kapazitätswertes führen würde. Die Darstellung in Fig. 10G entspricht der Darstellung in Fig. 5 und es finden entsprechende Bezugszeichen Anwendung. Der Unterschied beider Stromkreise besteht in der Anwendung eines Differentialverstärkers 10 und eines Inverters 12, um den nichtinvertierten Eingangsstrom einer Spannung e _y und ebenso den invertierten Eingangsstrom einer Spannung e _x zuführen zu können. Die Spannung e _y gelangt zu der Gleitzunge eines Widerstandes 14 und wird im Verhältnis zu der Höhe der verteilten Kapazitäten C _{SP 1} und C _{SP 2} eingestellt, während die Spannung e _x von der Sensorklemme C gedeckt wird. Die Spannung e _x wird von der unter (1) bereits angegebenen Gleichung abgeleitet:

Wenn ähnliche Verhältnisse vorliegen, wie sie der Gleichung (2) zugrundegelegt sind, gilt folgende Gleichung:

i · t = (e _x ± e _y ) · (C₁ + C _t ) (11)

Welches der Vorzeichen ± gilt, ist davon abhängig, ob die Gleitzunge des Widerstandes 14 von ihrer Mittelstellung aus nach rechts oder nach links verstellt worden ist.

Aus den beiden Gleichungen (10) und (11) ergibt sich die Zeit t wie folgt

Sind der Strom i und die Kapazitäten C₁ und C _t als konstant zu unterstellen, so ist die Resultante t, wie sie durch Zuführung der Spannung e _y zu dem nichtinvertierenden Eingang erzeugt wird, als exakt proportional der Spannung e _y zu unterstellen. Als ein Ergebnis hiervon kann die Wirkung der verteilten Kapazitäten C _{SP 1} und C _{SP 2} durch entsprechende Einstellung der Spannung e _y ohne parallele Hinzufügung der Kompensationskapazität C _CP zu dem Konstantstromkreis vernachlässigt werden.

Zweite Ausführungsform

Ein Stromkreisdiagramm, das eine zweite Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt, ist in Fig. 11 und 12 dargestellt. Dabei wird ein Ausgangsstrom des Zählers integriert und dann einem Ausgangskreis zugeführt, der ein Signalübertragungsmittel aufweist, dessen Art als Zweidrahttyp ("two wire type") bezeichnet wird.

Gemäß Fig. 1 weist diese Ausführungsform ähnliche Stromkreiselemente auf, wie sie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 Verwendung finden, wie einen Sensor DS von der Art eines Differentialkapazitätssensors und einen Integralkreis aus Widerständen R _3A und R _3B und Kapazitäten C _3A und C _3B . Die Unterschiede zwischen den beiden Ausführungsformen bestehen darin, daß ein Konstantstromkreis mit Drainanschlüssen und Anschlußklemmen vorgesehen ist. Außerdem wird der Ausgangsstrom des Integralkreises einem Ausgangskreis OT mit Übertragungsmitteln vom Zweidrahttyp zugeführt.

Der Ausgangskreis ist im wesentlichen aufgebaut aus einem Integralverstärker A, dessen invertierender Eingang mit dem Ausgang des Integralkreises gespeist wird.

Außerdem wird der nichtinvertierende Ausgang mit einer Standardspannung gespeist, wie sie sich aus einem Widerstandsnetz aus Widerständen R₄ und R₅ und einem Potentiometer RV₁ mit einem Widerstand R₆ ergibt, wobei das Potentiometer mit der Gleitzunge des Widerstandes R₆ verbunden ist. Auf diese Weise ist das Differentialpotential zwischen den beiden Eingängen verstärkt, um ein FET Q₇ als Antwort auf den Ausgang des Differentialverstärkers A zu steuern, wobei Steuerströme zwischen zwei Leiteranschlüssen LT₁ und LT₂ fließen, an die zwei Drähte zur Übertragung des konvertierten Verstellsignales angeschlossen sind.

Im Ausgangskreis OT ist ein Rückkopplungspotentiometer RV₂ vorgesehen, das den durch das FET Q₇ fließenden Strom anzeigt, sowie eine Zenerdiode ZD und der einen Teil des Potentialabfalles über das Potentiometer RV₂ zu dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers A durch einen Widerstand R₅ zurückführt. Hierdurch wird der zwischen den beiden Klemmen LT₁ und LT₂ fließende Strom ausgeglichen und auf einem Punkt stabilisiert, daß die beiden Eingangsspannungen des Verstärkers A einander gleich sind. Die Klemmenspannung für den Verstärker wird von einer nicht dargestellten Aufnahmestation über die beiden Drähte für die Signalübertragung an die Klemmen LT₁ und LT₂ zugeführt, weshalb nach der Stabilisierung der Klemmen- bzw. Batteriespannung mit der Zenerdiode ZD eine Klemmen- bzw. Batteriespannung V _DD den zugeordneten Stromkreiselementen zugeführt wird.

Darüber hinaus ist, wie es in der industriellen Meßtechnik üblich ist, der zwischen den Klemmen LT₁ und LT₂ fließende Strom auf einem Standardwert festgelegt, der zwischen 4 und 20 mA liegt. Ein Blindstrom durch die Übertragungsleitungen während des Ausgleichens des Sensors DS vom Differentialkapazitätstyp wird auf 4 mA festgelegt, wozu das Potentiometer RV₁ entsprechend eingeregelt wird, während der Bereich der Ströme durch Einstellung des Potentiometers RV₂ geregelt wird. Da die Spannungen von jedem Potentiometer RV₁ und RV₂ dem Verstärker A unabhängig voneinander zugeführt werden, kann die Einstellung des Blindstromes und des Bereiches der Arbeitsströme ohne gegenseitige Störung erfolgen.

Eine Abwandlung der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 12 dargestellt. Dabei werden die am Zählerausgang n des Zählers CT erscheinenden Pulssignale in Signale umgewandelt, die infolge der Batteriespannungen +E und -E gegenüber dem Zähler CT beide Polaritäten haben. Der Ausgangsstromkreis CT in Fig. 12 ist in seinem Aufbau etwas verschieden vom Ausgangsstromkreis CT in Fig. 11. Der Ausgangsstromkreis OT bei dieser Lösung ist so aufgebaut, daß sowohl die positive als auch die negative Batteriespannung +E und -E für die Verwendung in den zugehörigen Stromkreisen durch Stabilisieren einer anderen Batteriespannung der Aufnahmestation mittels einer Zenerdiode ZD und eines Konstantstromkreises eines FET (Feldeffekttransistor) Q₈ erzeugt wird. Die Spannung des invertierenden Einganges des Verstärkers A wird durch Widerstände R₇ und R₈ und ein Potentiometer RV₁ bestimmt, während die Spannung des nichtinvertierenden Einganges vom Ausgang des Integralkreises aus Widerständen R _3A und R _3B und Kondensatoren C _3A und C _3B zugeführt wird. Dieser Ausgangsstrom des integralen Kreises entspricht dem Betriebswert von (C₁ - C₂)/(C₁ + C₂), was im wesentlichen den Wegfall der Änderungen in den Kapazitäten C₁ und C₂ in gleichem Maße bedeutet. Der Betriebswert von (C₁ - C₂)/ (C₁ + C₂) kann aus folgender Analyse hergeleitet werden: Der Zählerausgang n des Zählers CT hat einen Spitzenwert +E, wenn er sich im "H"-Zustand befindet und einen Spitzenwert -E in einem "L"-Zustand, so daß die Näherungswerte nach der Glättung durch den Integralkreis die erste elektrostatische Kapazität C₁ in Fig. 5 während eines "H"-Zustandes darstellt und die zweite Kapazität C₂ während eines "L"- Zustandes. Die Gesamtsumme der beiden Näherungswerte zeigt das Arbeitsergebnis von (C₁ - C₂)/(C₁ + C₂).

Der Ausgangsstrom des integralen Kreies, d. h. der Betriebswert (C₁ - C₂)/(C₁ + C₂), wird dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers A zugeführt, wo die Potentialdifferenz zwischen den beiden Eingängen des Verstärkers A zur Steuerung eines FET Q₇ verstärkt wird, um den Wert des Stromes zwischen den beiden Klemmen LT₁ und LT₂ zu bestimmen. Eine Stabilisierung des Stromes des FET Q₇ wird durch negative Rückkopplung dieses Stromes durch Widerstände R₉ und R₁₀ zum nichtinvertierenden Eingang erhalten.

Der Zähler CT kann vorzugsweise aus Transistoren vom CMOS- Typ (Halbleiter) aufgebaut sein, um einen im wesentlichen gleichen Spitzenwert auf Pulssignale zur Batteriespannung +E oder -E₁ zu erhalten und auch um den Spitzenwert der Signale durch Stabilisieren der Batteriespannung +E und -E zu stabilisieren. Das kann jedoch auch durch einen Zähler CT gemäß Fig. 11 erzielt werden.

Der in Fig. 11 und 12 verwendete Zähler kann durch einen Ein-Bit-Zähler ersetzt werden, wie es ein Flip-Flop-Kreis darstellt. In diesem Fall veranlaßt jede Zuführung eines Ausgangssignales eines Inverters das erste und zweite Gatter G _2A und G _2B zur Änderung seines Ein-Aus-Zustandes. Andere als CMOS (Halbleiter)-Transistoren können für das erste und zweite Gatter G _2A und G _2B und den vorgenannten Inverter verwendet werden. Gegenüber den CMOS-Transistoren können dabei jedoch einige Nachteile auftreten, die den Ausgangsspitzenwert etwa auf den Batteriespannungen +E und -E halten und dabei andere Mittel zum Regeln des Spitzenwertes überflüssig machen, wie beispielsweise einen Schaltkreis und deshalb die Stromkreisausbildung vereinfachen. Abgesehen davon ist es bei der Anwendung von CMOS-Transistoren, die im allgemeinen auf der Eingangsseite eine große Eingangsverbotsdiode haben, zweckmäßig, einen Spannungsteilerkondensator zwischen dem Eingang des vorgenannten Inverters und dem Referenzpotential vorzusehen, so daß das Arbeiten innerhalb linearer Ein- und Ausgangscharakteristik gesichert werden kann. Auch weitere Abwandlungen der dargestellten Ausführungsformen sind dem Fachmann möglich, wie beispielsweise die Kombination von UND-Gattern mit Invertern an der Stelle des ersten und zweiten Gatters G _2A und G _2B , oder die Verwendung eines Ausgangskreises OT mit unterschiedlichen Charakteristiken entsprechend den jeweiligen Anwendungsbedingungen.

Claims (7)

1. Kapazitiver Verstellumformer zum Messen der Veränderung einer physikalischen Größe durch Umwandlung der Veränderung der physikalischen Größe in ein proportionales elektrisches Signal mit einem Sensor mit einer auf die Veränderung der physikalischen Größe ansprechenden beweglichen Elektrodenplatte und zwei stationären Elektrodenplatten, wobei der Sensor zwei Kapazitäten mit einer gemeinsamen Anschlußklemme und zwei unterschiedlich voneinander arbeitende Kapazitäten aufweist, einer Schaltungsanordnung mit einem Eingang und zwei Ausgängen, wobei einer der Ausgänge in der gleichen, der andere in der entgegengesetzten Phase arbeitet und wobei eine der stationären Elektrodenplatten mit dem Eingang, die andere mit dem Ausgang verbunden ist, der gleichphasig zum Eingang ist und mit einer Konstantstromflußanordnung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers, die in der entgegengesetzten Phase wie der Eingang arbeitet, gekennzeichnet durch einen Zähler zum Zählen einer vorbestimmten Anzahl von Ausgangssignalen des Verstärkers und ein Schaltmittel, das vom Ausgang des Zählers angetrieben wird, um die Ausgangssignale des Verstärkers phasengleich mit dem Eingang selektiv zu einer der beiden Anschlußklemmen des Sensors, ausgenommen der gemeinsamen Anschlußklemme, zuzuführen.

2. Kapazitiver Verstellumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kapazität der zu messenden Veränderung der physikalischen Größe proportional ist.

3. Verstellumformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker einen ersten und einen zweiten Teilverstärker aufweist, wobei der Eingang des ersten Teilverstärkers an die gemeinsame Anschlußklemme angeschlossen und der Ausgang phasengleich mit dem Eingang ist, wobei der zweite Teilverstärker mit dem Ausgang des ersten Teilverstärkers verbunden ist und seine Ausgangsphase entgegengesetzt gerichtet ist wie die Eingangsphase des ersten Teilverstärkers, wobei der Konstantstromflußanordnung zwischen dem Eingang des ersten Teilverstärkers und dem Ausgang des zweiten Teilverstärkers eingeschaltet ist und ein Fließen des Konstantstromes in beiden Richtungen gestattet, und wobei schließlich der Zähler mit dem Ausgang des ersten Teilverstärkers verbunden ist, um eine vorbestimmte Anzahl von Ausgangssignalen zu zählen.

4. Verstellumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen weiteren integralen Stromkreis zum Glätten der Ausgangssignale des Zählers und ein Ausgangsmittel zur Umwandlung des Zählerausganges in einen Strom, der durch eine Zweidrahtleitung fließt.

5. Verstellumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmittel erste, zweite und dritte Gatter enthält, wobei die Ausgänge des ersten und zweiten Gatters mit je einer der Anschlußklemmen des Sensors mit Ausnahme der gemeinsamen Anschlußklemme verbunden sind, während die Eingänge des ersten und zweiten Gatters vom Ausgang des Verstärkers betrieben werden und ebenfalls vom Ausgang des Zählers direkt oder über das dritte Gatter.

6. Verstellumformer nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein weiteres, viertes Gatter, dessen Eingänge mit den Ausgängen des ersten und zweiten Gatters verbunden sind und dessen umgepolter Ausgang über den Dauerstromkreis mit dem Eingang des Verstärkers verbunden ist.

7. Verstellumformer nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker einen weiteren Teilverstärker aufweist, der als Differentialverstärker einen invertierten und einen nichtinvertierten Eingang sowie einen Ausgang aufweist, wobei der invertierte Eingang mit der gemeinsamen Anschlußklemme des Sensors verbunden ist, während der Konstantstromkreis zwischen dem nichtinvertierten Eingang und dem Ausgang des weiteren Teilverstärkers eingeschaltet ist, wobei der Verstärker weiterhin einen nochmals weiteren Teilverstärker aufweist, dessen Eingang mit dem Ausgang des weiteren Teilverstärkers verbunden ist und dessen umgepolter Ausgang mit dem Zähler verbunden ist und wobei schließlich ein Spannungsteiler zwischen Eingang und Ausgang des noch weiteren Teilverstärkers eingeschaltet ist, dessen Ausgang dem nicht­ invertierten Eingang des weiteren Teilverstärkers zugeführt wird.