DE3309290C2 - Ansteuer- und Auswerteschaltung für eine Differentialmeßsonde - Google Patents

Abstract

Eine Ansteuer- und Auswerteschaltung für eine Differentialmeßsonde (1) verfügt über einen Oszillatorschaltkreis (22, 7, 8) zur Erzeugung eines ersten Steuersignals (5) fester Amplitude und eines zweiten gegenphasigen Steuersignals (6), dessen Amplitude mit Hilfe eines über einen Zähler (18) angesteuerten Digital/Analogwandlers (20) veränderbar ist. Das Meßausgangssignal der Differentialmeßsonde (1) wird in einem Gleichrichterschaltkreis (9, 10, 11) verstärkt und geglättet. Dessen Ausgangssignal löst beim Überschreiten eines ersten vorgegebenen Schwellwertes eine Änderung der Amplitude des zweiten Steuersignals (6) in der ersten Richtung und bei Unterschreiten eines zweiten vorgegebenen Schwellwertes eine Änderung der Amplitude des zweiten Steuersignals (6) in der entgegengesetzten zweiten Richtung aus. Die ausgelösten Änderungen sind in einer Speicher- und Rechenschaltung (18, 27, 28, 29) saldierbar und werden über eine Anzeigeeinrichtung (26) als Meßwert angezeigt.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Ansteuer- und Auswerteschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Ansteuer- und Auswerteschaltung ist in der EP-Al-OO 38 551 beschrieben und gestattet die berührungslose Bestimmung der Lage und/oder der dielektrischen Eigenschaften von Objekten. Bei der bekannten Schaltung werden zwei felderzeugende Elektroden so mit zwei gegenphasigen Wechselspannungen beaufschlagt daß vor Beginn der Messung an der Mebelektrode kein Meßausgangssignal auftritt Dies wird dadurch erreicht daß bei der Abwesenheit des zu erfassenden Objektes die beiden felderzeugenden Elektroden mit Steuersignalen beaufschlagt werden, die sich auf der Meßelektrode gegenseitig kompensieren. Eine Änderung der dielektrischen Eigenschaften im Bereich der felderzeugenden Einrichtungen der Differentialmeßsonde führt zu einem Meßausgangssignal, das in einem Schmalbandverstärker verstärkt und in einem phasenempfindlichen Gleichrichter gleichgerichtet wird. Nach der Glättung mit Hilfe eines Integrationsschaltkreises wird das so gewonnene Signal unmittelbar angezeigt bzw. einer Meßwertverarbeitung zugeführt Die bekannte Anordnung verfügt über eine durch Betätigen einer Korrekturtaste manuell steuerbare Schaltung zur Nullpunktkorrektur und Erhöhung des Dynamikbereichs, der das integrierte Meßsignal zugeführt wird.

Liegt diese Spannung oberhalb einer positiven oder negativen Schwellenspannung, so werden mit Hilfe einer Torschaltung und eines Taktgenerators einem Vor/ Rückwärtszähler so lange Impulse zugeführt, wie die manuell betätigbare Korrekturtaste gedrückt wird. Auf diese Weise kann bei einem Erreichen der Meßbereichsgrenzen manuell auf einen neuen Meßbereich umgeschaltet werden, der gegenüber dem ursprünglichen Meßbereich versetzt oder verschoben ist.
Die beim Umschalten oder Verschieben des Meßbereichs durch das Betätigen der Korrekturtaste vorliegende Meßsignalinformation geht bei der bekannten Schaltungsanordnung beim Umschaltvorgang verloren, da die Anzeigeeinrichtung nach dem Umschaltvorgang

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von neuem den Wert Null anzeigt elektrischen Eigenschaft kein bzw. nur ein geringer

Ein weiterer Nachteil bei der bekannten Schaltungs- Strom in der Meßelektrode 4 fließt,

anordnung besteht in der Gefahr, daß der Schmalband- Die Meßelektrode 4 ist mit dem Eingang eines

verstärker in einen nichtlinearen Bereich gerät oder Schmalbandverstärkers 9 verbunden. Da die Regelung übersteuert wird, wenn die Korrekturttste während ei- 5 der Steuerspannungen für die Feldelektroden 2 und 3 so

nes Meßvorganges nicht rechtzeitig vor Erreichen der erfolgt, daß das Eingangssignal am Schmalbandversiär-

Meßbereichsgrenze betätigt wird. Je nach der Häufig- ker 9 verschwindet oder sehr klein wird, kann die Emp-

keit und der Geschwindigkeit, mit der ein Betätigen der fmdlichkeit des Schmalbandverstärkers 9 sehr hoch sein,

Korrekturtaste erforderlich wird, ist der Benutzer der ohne daß eine Obersteuerung oder Meßfehler infolge bekannten Schaltungsanordnung überfordert A'is die- 10 einer Übersteuerung befürchtet werden müssen. Der

sem Grunde muß bei der bekannten Schaltung unter Durchlaßbereich des Schmalbandverstärkers 9 ist auf

Umständen die Verstärkerempfindlichkeit geringer ein- die Steuersignalfrequenz abgestimmt

gestellt werden, wenn Meßsignale mit einer hohen Dy- Das Ausgangssignal des Schmalbandverstärkers 9

namik und einer hohen Geschwindigkeit verarbeitet wird nach Gleichrichtung mit Hilfe eines phasenemp-

werden sollen, die über derjenigen Geschwindigkeit 15 findlichen Gleichrichters 10 und Glättung mit Hilfe ei-

liegt, mit der die Korrekturtaste manuell betätigbar ist ner Integrationsstufe 11 einerseits einem analogen Sen-

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der sorausgang 12 und andererseits zwei Komparatoren 13

Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Ansteuer- und und 14 zugeführt

Auswerteschaltung der eingangs genannten Art zu Die Komparatoren 13,14 vergleichen das Ausgangsschaffen, die es gestattet, Messungen hnerhalb eines 20 signal der Integrationsstufe 11 mit einem positiven hohen Dvnamikbereichs schnell sowie ohne die Gefahr Schwellwert und einem negativen Schwellwert Sobald einer Übersteuerung von Verstärkerschaltkreisen das Ausgangssignal der Integrationsstufe den durch die durchzuführen und die erhaltenen Meßwerte ausgehend beiden Schwellwerte vorgegebenen Bereich überschreivon einem beliebigen voreinstellbaren feststehenden tet, gelangen die Impulse eines Taktsignalgenerators 15, Nullpunkt anzuzeigen. 25 je nachdem ob der Komparator 13 oder 14 anspricht

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst über ein UND-Tor 16 oder ein UND-Tor 17 zu einem

daß die den während des Meßvorganges ausgelösten Vor/Rückwärtszähler 18, der während der Öffnungszeit

Änderungen zugeordneten Zählergebnisse des Vor/ des UND-Tores 16 bzw. des UND-Toies 17 herauf-

Rückwärtszählers in einer Speicher- und Rechenschal- bzw. herunterzählt

tung saldierbar und über eine Anzeigeeinrichtung an- 30 Da der Ausgang 19 des Vor/Rückwärtszählers 18 mit

zeigbar sind und daß die Speicher- und Rechenschal- dem Digitaleingang eines Digital/Analogwandlers 20

tung einen mit dem Ausgang des Vor/Rückwärtszählers verbunden ist, dessen Referenzeingang 21 mit einer

verbundenen und einen dem Zählerstand am Meßbe- konstanten Spannung eines Oszillators 22 beaufschlagt

ginn zugeordneten Wert speichernden Schreib/Lese- ist ändert sich die am Analogausgang 23 des Digital/

speicher sowie ein mit dem Ausgangssignal des Schreib/ 35 Analogwandlers 20 auftretende Wechselspannung in

Lesespeichers und dem Ausgangssignal des Vor/Rück- Abhängigkeit vom Zählerstand des "Vor/Rückwärtszäh-

wärtszählers gespeistes Rechenwerk enthält, an das die lers 18. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß das

Anzeigeeinrichtung angeschlossen ist Überschreiten des positiven oder negativen Schwell-

Eine einfache Auswertung des Meßsignals ergibt sich wertes die Spannung am Analogausgang 23 in der Rich-

dadurch, daß statt des Zählerstandes lediglich die Ände- 40 tung ändert, daß die felderzeugende Elektrode 3 über

rung des Zählerstandes im Verlauf der Messung ange- den Verstärker 8 eine geänderte Steuerspannung erhält,

zeigt wird. Die dazu vorgesehene Rechenschaltung mit die auf der Meßelektrode 4 zu einer Signaländerung

einem Schreib/Lesespeicher reduziert den Zählerstand führt, die ihrerseits die Ausgangsspannung des Integra-

des Vor/Rückwärtszählers um den Ausgangswert bei tors 11 in Richtung auf den Bereich zwischen den beiden

Meßbeginn und bringt lediglich die Differenz zur Anzei- 45 Schwellwerten verändert.

ge. Der Ausgangswert vor Beginn der Messung wird in Wenn durch Annähern eines Objektes an den Sensor den Schreib/Lesespeicher bei Betätigen einer Null- 1 oder durch Verändern der dielektrischen Eigenschafpunkttaste gespeichert Die erforderliche Subtrahier- ten des Objektes in der Nähe des Sensors 1 eine Feldschaltung läßt sich auf einfache Weise irit Hilfe eines veränderung im Bereich der Elektroden 2, 3 und der Inverters und eines Addierwerkes realisieren. 50 Meßelektrode 4 bewirkt wird, verändert sich die Aus-Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfin- gangsspannung der Integrationsstufe 11. Überschreitet dung sind Gegenstand von Unteransprüchen. diese dabei den Schwellwert des !Comparators 13, so

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Ge- öffnet dieser das UND-Tor 16. Nunmehr gelangen die

genstandes der Erfindung als Blockschakbild darge- Zählimpulse des Taktsignalgenerators 15 zum Vor/

stellt. 55 Rückwärtszähler 18 und erhöhen dessen Zählerstand.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungs- Entsprechend der Zählerstandsänderung verändert sich

beispiel ist der Sensor 1 eine D-Feld-Differentialmeß- die Spannung am Analogausgang 23 und am Ausgang

sonde mit zwei felderzeugenden Elektroden 2, 3 und des Verstärkers 8 so lange bis eine ausreichend große

einer Meßelektrode 4. Zahl von Taktimpulsen gezählt worden ist, daß die Aus-

Die felderzeugenden Elektroden 2,3 sind über abge- 60 gangsspannung der Integrationsstufe 11 unter den schirmte Steuerspannungsleitungen 5, 6 mit den Aus- Schwellwert des Komparator 13 sinkt. Die Funktionsgängen zweier Verstärker 7,8 verbunden, die um 180° weise ist entsprechend, wenn die Ausgangsspannung phasenverschobene Wechselspannungen mit einer Fre- der Integrationsstufe 11 unterhalb des Schwellwerts für quenzvon vorzugsweise 10 kHz bis etwa 50 kHz liefern. den Komparator 14 sinkt. Es werden dann so lange Die Ausgangsspannungen der Verstärker 7, 8 werden, 65 Taktimpulse gezählt bzw. zurückgezählt, bis die Auswie weiter unten beschrieben ist, so geregelt daß unab- gangsspannung der Integrationsstufe 11 wieder im Behängig von der Abwesenheit, Anwesenheit oder Nähe reich zwischen den beiden Schwellwerten liegt,
des zu erfassenden Objektes oder der Größe einer di- Wenn die Ausgangsspannung der Integrationsstufe

11 erneut zwischen den Schwellwerten der Komparatoren 13 und 14 liegt, ist die Änderung des Zählerstandes des Vor/Rückwärtszählers 18 ein Maß für die Lageänderung eines Objektes im Erfassungsbereich des Sensors 1 oder die Änderung der dielektrischen Eigenschaft eines Objektes im Erfassungsbereich des Sensors 1. Dieser Wert wird vom Vor/Rückwärtszähler 18 digital angezeigt, so daß die oben beschriebene Ansteuer- und Auswerteschaltung zusätzlich zu dem Signal am analogen Sensorausgang 12 ein digitalisiertes Meßsignal er- to zeugt.

Die maximale Amplitude des Signales am analogen Sensorausgang 12 wird durch die Schwellwerte für die Komparatoren 13 und 14 festgelegt. Während das digitalisierte Signal des Vor/Rückwärtszählers 18 in digitaier Form die gewichtigsten Steilen des digitalen Meßwertes anzeigt, gelangt über den analogen Sensorausgang 12 ein analoges Signal zu einer Auswerteschaltung 24, die ein Zeigerinstrument sein kann, das eine Feinanzeige bezüglich der letzten Ziffern des Meßwertes angibt Zweckmäßigerweise werden die Schwellwerte so gewählt, daß der Schmalbandverstärker 9 im linearen Bereich arbeitet und die erwünschte digitale Auflösung erreicht wird. Dabei müssen die Schwellwerte mindestens so weit vom Nullwert bzw. voneinander entfernt sein, daß der Regelkreis stabil ist und nicht schwingt

Da das Signal des Oszillators 22 über einen Inverter 25 und den Verstärker 7 der felderzeugender Elektrode 2 immer mit der gleichen Amplitude zugeführt wird, während das über den Verstärker 8 zugeführte Signal immer so verändert wird, daß das Signal auf der Meßelektrode 4 ein Minimum erreicht, verfügt die Ansteuer- und Auswerteschaltung über eine hohe Empfindlichkeit und eine große Dynamik.

Zur Festlegung eines Nullpunktes unabhängig vom jeweiligen Zählerstand des Vor/Rückwärtszählers 18 ist dessen Ausgang 19 nicht unmittelbar mit einem digitalen Sensorausgang 26, sondern über eine Nullpunktsschaltung mit dem Sensorausgang 26 verbunden. Die Nullpunktsschaltung besteht aus einem Schreib/Lesespeicher 27, einem Inverter 28, einem Addierwerk 29 und einer Nullpunktstaste 30.

Wenn der Feldverteilung im Bereich des Sensors unabhängig vom tatsächlichen Stand des Vor/Rückwärtszählers 18 der Meßwert Null zugeordnet werden soll, wird durch Betätigen der Nullpunktstaste 30 der tatsächliche Zählerstand in den Schreib/Lesespeicher 27 übernommen und mit Hilfe des Inverters 18 und des Addierwerks 29 vom tatsächlichen Zählerstand abgezogen, so daß am Sensorausgang 26 der Digitalwert Null erscheint Nach dem Loslassen der Nullpunktstaste 30 verändert sich der Wcri irti Schrcib/LcScSpeicher 27 nicht mehr, so daß bei einer Änderung im Bereich des Sensors und einer darauf zurückgehenden Änderung des Zählerstandes des Vor/Rückwärtszählers 18 am Sensorausgang 26 lediglich ein Zahlenwert auftritt, der die Differenz zwischen dem ursprünglichen tatsächlichen Zählerstand des Vor/Rückwärtszählers 18 und dem nachgeführten Zählerstand anzeigt Dieser Zahlenwert gibt die Lageveränderung eines Objektes im Be- reich des Sensors 1 oder die Veränderung einer dielektrischen Eigenschaft im Bereich des Sensors 1 in digitaler Weise mit einer hohen Auflösung bei einer großen Dynamik an.

Die oben beschriebene Ansteuer- und Auswerte-Schaltung eignet sich auch für Differentialmeßsonden, bei denen statt zweier felderzeugender, mit einer Spannung beaufschlagter Elektroden 2,3 und einer Meßelektrode 4 zwei mit einem Strom beaufschlagte Spulen zur Erzeugung eines 5-Feldes statt eines D-Feldes verwendet werden. Die beiden Spulen eines solchen Sensors werden in entsprechender Weise über die Verstärker 7, 8 mit einem Strom von vorzugsweise 50 Hz bis 30 KHz versorgt. An die Stelle der Meßelektrode 4 tritt dann eine Magnetfeldsonde in Form einer Meßspule, Hallsonde, Feldplatte oder Magnetdiode in der ein Signal erzeugt wird, das den Schmalbandverstärker 9 speist. Die Funktionsweise einer solchen Differentialmeßsonde mit einem drei Spulen aufweisenden Sensor ist analog der oben beschriebenen Funktionsweise. Es ergibt sich ebenfalls eine hohe Auflösung bzw. Genauigkeit und Empfindlichkeit bei einer hohen Dynamik.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Ansteuer- und Auswerteschaltung für eine Differentialmeßsonde, die zwei benachbarte anzusteuernde Einrichtungen zur Erzeugung gegenphasiger elektromagnetischer Felder und eine dritte diesen Einrichtungen benachbarte Einrichtung zur Aufnahme der an ihrem Ort vorhandenen resultierenden Feldgröße aufweist, mit einem Oszillatorschaltkreis zur Erzeugung eines felderzeugenden ersten Steuersignals fester Amplitude und eines felderzeugenden zweiten gegenphasigen Steuersignals, dessen Amplitude veränderbar ist, und mit einem das Meßausgangssignal der dritten Einrichtung der Differentialmeßsonde phasenselektiv verstärkenden und glättenden Gleichrichterschaltkreis, dessen Ausgangssigral eine Komparatorschaltung mit zwei Schwellenwerten speist, die an eine Torschaltung angeschlossen ist, über die die Impulse eines Taktsignalgenerators beim Überschreiten eines der Schwellenwerte an einen Vor/Rückwärtszähler anschaltbar sind, dessen Ausgang einen mit dem Oszillatorschaltkreis gekoppelten Digital/Analogwandler so steuert, daß zur Nullkompensation des Meßausgangssignals der dritten Einrichtung beim Überschreiten des ersten vorgegebenen Schwellenwertes eine Änderung der Amplitude des zweiten Steuersignals in der ersten Richtung und beim Unterschreiten des zweiten vorgegebenen Schwellenwertes eine Änderung der Amplitude des zweiten Steuersignals in der entgegengesetzten zweiten Richtung auslösbar ist, wobei der Vor/Rückwärtszähler mit Impulsen des Taktsignalgenerators während des Meßvorgangs beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die den während des Meßvorganges ausgelösten Änderungen zugeordneten Zählergebnisse des Vor/ Rückwärtszählers (18) in einer Speicher- und Rechenschaltimg (27, 28, 29) saldierbar und über eine Anzeigeeinrichtung (26) anzeigbar sind und daß die Speicher- und Rechenschaltung (27,28,29) einen mit dem Ausgang (19) des Vor/Rückwärtszählers (18) verbundenen und einen dem Zählerstand am Meßbeginn zugeordneten Wert speichernden Schreib/ Lesespeicher (27) sowie ein mit dem Ausgangssignal des Schreib/Lesespeichen (27) und dem Ausgangssignal (19) des Vor/Rückwärtszählers (18) gespeistes Rechenwerk (28,29) enthält, an das die Anzeigeeinrichtung (26) angeschlossen ist

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Einschreibsteuereingang des Schreib/Lesespeichers (27) eine am Meßbeginn betätigbare Nullpunktstaste (30) angeschlossen ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (19) des Vor/Rückwärtszählers (18) mit der Anzeigeeinrichtung (26) über eine Rechenschaltung (27,28,29) verbunden ist, durch die vom Zählerstand der in dem Schreib/Lesespeicher (27) gespeicherte Wert abziehbar ist

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (19) des Vor/Rückwärtszählers (18) unmittelbar mit dem Eingang des Schreib/Lesespeichers (27) verbunden ist und daß das Rechenwerk der Rechenschaltung ein Addierwerk (29) ist, dessen erster Eingang unmittelbar mit dem Ausgang (19) des Vor/Riickwärtszählers (18) und dessen zweiter Eingang über eine Inverterschaltung (28) mit dem Ausgang des Schreib/

Lesespeichers (27) verbunden ist

5. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vor/ Rückwärtszähler (18) zwei Zählimpulseingänge aufweist, an denen jeweils ein mit den Taktsignalen des Taktsignalgenerators (15) und dem Ausgangssignal eines !Comparators (13, 14) beaufschlagtes UND-Tor (16,17) angeschlossen iit

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Differentialmeßsonde (1) zwei mit gegenphasigen Steuerspannungen (5,6) beaufschlagte E-Feld-erzeugende Elektroden (2,3) und eine das Meßausgangssignal liefernde Meßelektrode (4) aufweist

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Differentialmeßsonde (1) zwei mit gegenphasigen Steuerströmen beaufschlagte K-Feld-erzeugende Spulen und eine das Meßausgangssignal liefernde Magnetfeldsonde aufweist

8. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal des !Comparators (13,14) über einen analogen Sensorausgang (12) zu einer Feinanzeige (24) auskoppelbar ist