DE3220419C2 - Verfahren und Winkelmeßumformer zur Umwandlung einer kapazitiv erfaßbaren physikalischen Meßgröße in einen proportionalen Ausgangsgleichstrom - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Umwandlung einer physikalischen Größe (Winkel, Weg) in einen proportionalen Ausgangsgleichstrom sowie ein Winkelmeßumformer zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen, wobei nach dem Prinzip eines Ladungsverstärkers eine im Eingang des Verstärkers angeordnete Meßkapazität mit einer Rechteckspannung gespeist wird, bei gleichzeitiger Gleichrichtung der Verstärkerausgangsspannung derart, daß die Einschaltdauer eines dieses Ausgangssignal beispielsweise an einen Zwischenspeicher weiterführenden Schalters sowohl kürzer als die Impulsdauer des Speise- und Rechtecksignals ist als auch zur Vorder- und Rückflanke desselben einen vorgegebenen Abstand einhält. Hierdurch bleiben Verzögerungen im Ladungsverstärker und in den Schaltern ohne Einfluß auf die Ausgangsspannung.

Description

a) daß die Kapazität (Kondensator Cx) im Eingang des Verstärkers von einem Rechtecksignal beaufschlagt wird,

b) daß die Impulsdauer (TX) des Rechtecksignals größer ist als die Einschaltzeit eines als Gleichrichter wirkenden Schalters (S2, Sl) am Verstärkerausgang, und daß

c) der Abstand der Schaltereinschaltdauer (TO) zur Vorderflanke und zur Rückflanke des Rechtecksignals vorgegeben und zur durchlaufenden Eliminierung von Einschwingvorgängen einzuhalten ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der am Ausgang des Ladungsverstärkers angeordnete Schalter einen auf einen Querkondensator ("C 2) arbeitenden Längsschalter (S 2) und einen Querschalter (S 1) aufweist, die im Gegentakt betrieben werden.

3. Winkelmeßumformer zur Umwandlung einer kapazitiv erfaßbaren, physikalischen Meßgröße (Winkel, Weg) in einem proportionalen Ausgangsgleichstrom, mit einem Ladungsverstärker und einen vorgeschalteten Meßkondensator (Cx), dessen Kapazität sich entsprechend der physikalischen Meßgröße ändert und dem ein wechselspannungsartiges Signal zugeführt ist, mit einem phasertrichtigen Gleichrichter am Ausgang des Ladungsverstärkers, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Meßkapazität (Cx) im Eingang des Ladungsverstärkers (V) ein Rechtecksigna! zuführender Rechteckspannungsgenerator (TG) vorgesehen ist, daß ein vom gleichen Rechteckspannungsgenerator (TG) angesteuerter impulsverzögerungs- und -verkürzungsblock (VK) vorgesehen ist, der die Einschaltdauer mindestens eines dem Ladungsverstärker (V) nachgeschalteten und als phasenrichtiger Gleichrichter wirkenden Schalter (S 2) so bestimmt, daß sich vorgegebene Abstände der Einschaltdauer zur Vorderflanke und Rückflanke des Rechtecksignals ergeben.

4. Winkelmeßumformer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Schalter am Ausgang des Ladungsverstärkers (V) aus einem, auf eine nachgeschaltete Speicherkapazität (C 2) arbeitenden Längsschalter (S2) und einem gegen Masse schaltenden Querschalter (S 1) besteht, die im Gegentakt angesteuert sind.

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung jeweils nach der Gattung des ersten Verfahrens- bzw. des ersten Vorrichtungsanspruchs. Es ist bekannt, mit Hilfe eines sogenannten Ladungsverstärkers mit nachgeschaltetem (phasenrichtigen) Gleichrichter die Größe und die Änderung einer Kapazität zu bestimmen, wobei Größe oder Änderung dieser Kapazität einer kapazitiv erfaßbaren physikalischen Meßgröße (Winkel oder Weg) entsprechen (Unterlagen Gerätebeschreibung »Funktionsweise des Capacomp-Anzeigesystems«, Firma Camille Bauer Meßinstrumente AG, 9. Mai 1978; Aufsatz »Kapazitive Meßgrößenerfassung nach dem Kompensationsprinzip«, L. Ludin, Zeitschrift NEUE TECHNIK Al/1968). Dabei wird von dem Ladungsverstärker, dem die Meßkapazität vorgeschaltet ist, ein dieser nach Größe und Änderung entsprechender, stetig proportional variabler Ausgangsgleichstrom erzeugt.

Üblicherweise ist dabei die Meßkapazität als Differentialdrehkondensator ausgebildet und wird mit einer konstanten Sinusspannung gegenphasig gespeist, wobei die gemeinsame Elektrode des Differentialdrehkondensators auf den einen (invertierenden) Eingang eines als Ladungsverstärker wirkenden Operationsverstärkers geführt ist. Ein Gegenkopplungskondensator zwischen diesem Eingang und dem Ausgang des Ladungsverstärkers bestinmt die Verstärkung der Schaltung.

Bei einem solchen Meßkreis ist von Bedeutung, daß die die Eingangsmeßkapazität speisende Sinusspannung sowohl in ihrem Verlauf als auch in ihrer Amplitude mit hoher Genauigkeit erzeugt wird; ähnliche Ansprüche ergeben sich bezüglich der phasengerechten Gleichrichtung am Verstärkerausgang. Dabei werden zur Erzielung hinreichend präziser Meßergebnisse Schaltungselemente von insgesamt nur geringer Zeitverzögerung benötigt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das die Gattung bestimmende Verfahren bzw. den gattungsbildenden Winkelmeßumformer zur Umwandlung einer physikalischen, kapazitiv erfaßbaren Meßgröße in einem proportionalen Ausgangsgleichstrom durch Messung von Größe und Änderung einer Kapazität unter Verwendung eines Ladungsverstärkers dahingehend zu verbessern, daß auch bei Einsatz kostengünstiger Schaltungselemente sehr genaue Meßergebnisse erzielt werden, insbesondere im Hinblick auf den für die phasengerechte Gleichrichtung erforderlichen Aufwand.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung löst diese Aufgabe jeweils mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs bzw. des ersten Sachanspruchs und hat gegenüber den bekannten, mit einer Sinusspannung gespeisten Winkelmeßumformer mit Ladungsverstärker den Vorteil, daß trotz Verzicht auf eine hochgenaue Speisespannungserzeugung und die Verwendung besonders präzise arbeitender Teilkomponenten mit geringer Zeitverzögerung Störungen oder Meßfehler oder auch ein mögliches Einschwingverhalten von Komponenten nicht in das Meßergebnis eingehen. Dabei ist es auch nicht erforderlich, wie man bei einer Rechtecksignal-Speisespanniingserzeugung für die Meßkapazität eigentlich annehmen sollte, hier besonders hochgenau arbeitende Komponenten und Schaltungsteile verwenden zu müssen, die in der Lage sind, auch die im Rechtecksignal enthaltenden hö-

heren Harmonischen, die jeweils ein Mehrfaches der Grundfrequenz darstellen, noch übertragen zu können, sondern durch die spezielle Art der phasenrichtigen Gleichrichtung nach vorliegender Erfindung unter Berücksichtigung der Rechtecksignal-Eingangsspeisung können auch einfache und kostengünstige Bauelemente verwendet werden.

Durch die Erfindung ergibt sich daher einerseits der Vorteil, mit den in einfacher Weise erzeugten Rechteckspannungen am Eingang des Ladungsverstärkers arbeiten zu können — solche Rechteckspannungen lassen sich beispielsweise mit C-MOS-Schaltkreisen kostengünstig erzeugen; andererseits ergibt sich ein Ausgangsmeßergebnis, welches ausschließlich eine Funktion der Größe oder Veränderung der Meßkapazität ist und bei welchem Störungseinflüsse, die durch auf die verwendeten Bauelemente zurückzuführende Zeitverzögerungen, auf ein bestimmtes Einschwingverhalten bestimmter Teile oder auf die in den Vorder- und Rückflanken des Speiserechtecksignals enthaltende Ober-Schwingungen zurückzuführen sind, ohne jeden Einfluß auf das Meßergebnis bleiben.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 in schematisierter Darstellung die Schaltung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels und

F i g. 2 Impulsdiagramme von Spannungsverläufen an verschiedenen Punkten der Schaltung bzw. Schalterstellungen bei der phasengerechten Gleichrichtung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, bei einem Ladungsverstärker mit Gleichrichter, etwa für die Winkelmeßumformung, die Eingangs-Speisespannung als Recihteckspannung auszubilden und andererseits gleichzeitig die phasengerechte Gleichrichtung so durchzuführen, daß die Aufschaltung der am Ausgang des Ladungsverstärkers sich bildenden Spannung nur während eines Zeitraums erfolgt, der einerseits kürzer als die jeweilige Impulsdauer des Rechtecksignals ist und andererseits mindestens zur Vorder-, vorzugsweise auch zur Rückflanke dieses Signals einen vorgegebenen Abstand einhält. Die Auswertung des Ausgangssignals des Ladungsverstärkers erfolgt daher erst dann, wenn dieses auf einen konstanten Wert eingeschwungen ist.

In Fig. 1 ist die Meßkapazität, deren Größe oder Veränderung durch Umformung in einen proportionalen Ausgangsgleichstrom gemessen werden soll, mit Cx bezeichnet; durch den Pfeil A ist die Einwirkung der im Endeffekt zu bestimmenden bzw. abzubildenden physikalischen Größe angedeutet, die ein Drehwinkel, ein Weg o. dgl. sein kann. Die Meßkapazität Cx ändert sich der Einwirkung der physikalischen Größe entsprechend. Die Meßkapazität Cx liegt am Eingang eines Verstärkers V, der über einen weiteren Kondensator Cr rückgekoppelt ist, wodurch sich entsprechend der weiter vorn schon angegebenen Formel eine Porportionalität zwischen der Ausgangsspsnnung U2 und der Meßkapazität Cx ergibt,, wenn Cr sowie die Eingangs-Speisespannung Ui konstant sind. Die Eingangs-Speisespannung U1 ist eine Rechteckspannung; zu ihrer Erzeugung ist ein Taktgeneratorblock IG vorgesehen, dessen Rechteckspannungssignal auch einem nachgeschalteten Verzögerungs- und Verkürzungsblock VK zugeführt wird. Hierauf wird weiter unten noch eingegangen.

Das Ausgangssignal U 2 des Verstärkers V gelangt über einen Kondensator Ci auf den phasenrichtigen Gleichrichter G, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel im Längszweig einen Schalter 52 und einen Schalter 51 im Querzweig gegen Masse aufweist. Schließlich ist zur Speicherung des jeweils letzten Spannungswertes bei eingeschaltetem Schalter 52 ein Kondensator C2 vorgesehen; da das Schaltungsbeispiel der Fig. I das Grundprinzip der Erfindung lediglich in stark schematisierter Form darstellt, kann anstelle des Kondensators C 2 insgesamt auch eine sogenannte »Sample and Hold«-Schaltung vorgesehen sein, d. h. mit einem zusätzlichen, dem beibehaltenen Kondensator C 2 nachgeschalteten Operationsverstärkers in entsprechender Beschallung.

Aus den Impulsdiagrammen der F i g. 2 erkennt man zunächst die Phasenumkehr der Verstärkerausgangsspannung U2 mit Bezug auf die Rechteck-Eingangs-Speisespannung U1 und die zeitlich so weit verkürzten und entsprechend positionierten Einschaltdauern der Schalter 51 und 52. Da, wie ersichtlich, die Schalter 51 und 5 2 nur während der Zeitdauer jeweils eingeschaltet werden, während der das Ausgangssignal U 2 des Ladungsverstärkers auf einen konstanten Wert eingeschwungen ist, haben Verzögerungen im Ladungsverstärker sowie in den Schaltern keinen Einfluß auf die Ausgangsspannung U3. Man erkennt, daß daher auch stark veränderte Auf- und Abflanken etwa des Ausgangssignals U2 keinen Einfluß auf das im Kurvenverlauf der F i g. 2 bei e) dargestellte Ausgangssignal haben, denn die Schalter fragen die Ausgangsspannung U 2 immer nur dann ab, wenn diese einwandfrei auf das Plateau des Rechteckimpulses eingeschwungen ist. Da die Abfragedauern der Schalter 5 2 und S1 bis zu einem gegebenen Wert verkleinert werden können, spielen auch eventuell auftretende Spannungsänderungen während der Impulsdauern des Rechtecksignals keine Rolle; die Einschaltdauern der Schalter 52 und 51 sind stets zeitlich an vorgegebener Stelle in der Rechteckimpulsfolge des Ausgangssignals U 2 positioniert. Hierzu ist der Schaltungsblock VK vorgesehen, der, beispielsweise mittels eines einfachen ßC-Gliedes zunächst die Weiterleitung der Vorder- bzw. Rückflanke des Rechtecksignals um eine vorgegebene Zeitdauer verzögert, so daß ein nachgeschaltetes Schwellenglied, welches beispielsweise ein Schmitt-Trigger im bevorzugten Fall sein kann, erst nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer anspricht, während welcher Verzögerungen und Einschwingverhalten bezüglich der Rechteckspannung abgeklungen sind. In gleicher Weise kann das dem RC-Glied nachgeschaltete Schwellenglied (Schmitt-Trigger) in seiner Ausbildung als Monoflop so geschaltet sein, daß bei konstanter und bekanntei Frequenz der Rechteckspannung das Rückkippen in die Ausgangsposition zeitlich früher liegt als die Beendigung der Impulsdauer jeweils der Rechieckschwingung. Steuert man mit entsprechenden Ausgangssignalen dieser Verzögerungsund Verkürzungsschaltung die Schalter 51 und 52 an, die vorzugsweise elektrische Schalter sind, dann ergeben sich die Impulsverhältnisse, wie sie in dem Impulsdiagramm der Fi g. 2 dargestellt sind. Durch den Schal-

ter 5 1 wird die zwischengeschaltete Kapazität C1 jeweils bei niedergehender Verstärkerausgangsspannung U 2 entladen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

1. Patentansprüche:

   L Verfahren zur Umwandlung einer kapazitiv erfaßbaren physikalischen Meßgröße (Winkel, Weg) in einen proportionalen Ausgangsgleichstrom, wobei einem Ladungsverstärker über einen vorgeschalteten Kondensator, dessen Kapazität sich entsprechend der physikalischen Größe ändert, ein wechselspannungsartiges Signal zugeführt und das Verstärkerausgangssignal phasengerecht gleichgerichtet wird, dadurch gekennzeichnet,