DE3408529C2

DE3408529C2 -

Info

Publication number: DE3408529C2
Application number: DE19843408529
Authority: DE
Inventors: Eiichi Dipl.-Ing. Koganei Tokio/Tokyo Jp Nabeta
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1983-03-24
Filing date: 1984-03-06
Publication date: 1992-04-02
Also published as: JPS59174715A; JPH0350966B2; DE3408529A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung mechanischer Verschiebungen mit einem kapazitiven Meßfühler, der zwei Meßkondensatoren enthält, deren Kapazitäten sich in Abhängigkeit von der mechanischen Verschiebung gegensinnig ändern, mit einer dem kapazitiven Meßfühler nachgeordneten Differenzverstärkeranordnung zur Erzeugung einer der Differenz zwischen den Kapazitäten der beiden Meßkondensatoren entsprechenden Spannung und mit einer steuerbaren Widerstandsanordnung mit einer Stromquelle und einem Lastwiderstand in einem Stromkreis, wobei der Steuereingang der Widerstandsanordnung mit dem Ausgang der Differenzverstärkeranordnung verbunden ist.

Aus der DE-AS 22 18 824 ist ein Verfahren zum Messen der Verschiebung der beweglichen Elektrode eines Differentialkondensators bekannt, bei dem auf der Elektrode induzierte Spannung in eine verschiebungsproportionale Anzeigespannung umgeformt wird. Zur Störungsunterdrückung von Kabelkapazitäten und zur Verringerung des schaltungstechnischen Aufwandes werden die festen Elektroden abwechselnd mit zwei unterschiedlichen Referenzgleichspannung einerseits und mit der Anzeigespannung andererseits beaufschlagt, wobei die Anzeigespannung derart variiert wird, daß die auf der einen Elektrode induzierte Spannung Null wird.

Eine aus der DE-OS 29 32 051 und der DE-OS 31 17 878 bekannte Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art enthält einen kapazitiven Meßfühler mit zwei Meßkondensatoren C₁ und C₂ (siehe z. B. Fig. 1 der DE-OS 29 32 051), die eine ihnen gemeinsame bewegliche Elektrode aufweisen. Eine Verschiebung Δd der beweglichen Elektrode verändert die Kapazitäten der zwei Meßkondensatoren C₁ und C₂ derart, daß das Verhältnis (C₁-C₂)/(C₁+C₂) proportional zur relativen Verschiebung Δd/d der beweglichen Elektrode ist; dabei bezeichnet d den jeweiligen Elektrodenabstand der Meßkondensatoren C₁ und C₂. Die bekannte Schaltungsanordnung enthält weiterhin einen Oszillator G mit mehreren Wechselspannungsausgängen W_2a, W_2b und W_2c. Jeder der beiden Meßkondensatoren C₁ und C₂ liegt über jeweils einen Gleichrichter D₁ bzw. D₂ in Reihe mit jeweils einem Wechselspannungsausgang W_2a bzw. W_2b des Oszillators G und einem Widerstand R₁ bzw. R₂ zur Erfassung des Stromes durch den jeweiligen Meßkondensator C₁ bzw. C₂. Die beiden Widerstände R₁ und R₂ sind gemeinsam an einem weiteren Widerstand R₃ angeschlossen, durch den der Summenstrom aus den Strömen durch die beiden Meßkondensatoren C₁ und C₂ fließt. Die DE-OS 31 17 878 beschreibt in diesem Zusammenhang eine zusätzliche Konstantstromschaltung, die einen Summenstrom gleichbleibender Größe bewirkt. Ein Differenzverstärker DA2 erfaßt mit seinem nichtinvertierenden Eingang den Spannungsabfall an den Widerständen R₁ und R₃ und mit seinem invertierenden Eingang den Spannungsabfall an den Widerständen R₂ und R₃, so daß am Ausgang des Differenzverstärkers DA2 eine dem Verhältnis (C₁-C₂)/(C₁+C₂) proportionale Spannung entsteht. Mit dieser Spannung steuert der Differenzverstärker DA2 eine nachgeordnete, einen Transistor Tr2 und einen Rückkopplungswiderstand R10 enthaltende steuerbare Widerstandsanordnung, die in einem Stromkreis in Reihe mit einer Stromversorgungsquelle E und einem Lastwiderstand R_L liegt. Die steuerbare Widerstandsanordnung regelt den Strom in dem Stromkreis derart, daß an dem Lastwiderstand R_L als Ausgangsgröße der Schaltungsanordnung ein Spannungabfall entseht, der proportional zu dem Verhältnis (C₁-C₂)/(C₁+C₂) und damit proportional zu der relativen Verschiebung Δd/d der beweglichen Elektrode des kapazitiven Meßfühlers ist.

Da die Ströme durch die Meßkondensatoren C₁ und C₂ proportional zu der Höhe und Frequenz der Spannung an dem jeweiligen Wechselspannungsausgang W_2a bzw. W_2b des Oszillators G sind, können Meßungenauigkeiten durch Frequenz- oder Spannungsschwankungen an den Wechselspannungsausgängen W_2a und W_2b des Oszillators G auftreten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Messung mechanischer Verschiebungen mit einem kapazitiven Meßfühler anzugeben, die eine besonders genaue Messung der mechanischen Verschiebungen ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei der eingangs angegebenen Schaltungsanordnung erfindungsgemäß an dem kapazitiven Meßfühler eine steuerbare Vorrichtung zum Laden und Entladen der Meßkondensatoren angeschlossen ist, daß den Meßkondensatoren ein Schwellenwertdetektor zugeordnet ist, der abwechselnd die Spannungen an den Meßkondensatoren auf Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwertes überwacht und dessen Ausgang mit einem Steuereingang der steuerbaren Vorrichtung verbunden ist, daß der Ausgang des Schwellenwertdetektors weiterhin mit dem Eingang einer bistabilen Kippstufe verbunden ist, deren Ausgang mit einem Steuereingang einer Einrichtung zum abwechselnden Laden und Entladen eines ersten und zweiten Hilfskondensators verbunden ist, und daß der erste Hilfskondensator mit einem ersten Eingang der Differenzverstärkeranordnung und der zweite Hilfskondensator mit einem zweiten Eingang der Differenzverstärkeranordnung verbunden ist.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat den Vorteil einer großen Meßgenauigkeit, weil die Meßkondensatoren durch die steuerbare Vorrichtung zum Laden und Entladen der Meßkondensatoren im Zusammenwirken mit dem nachgeordneten Schwellenwertdetektor abwechselnd bis auf eine gemeinsame, durch den Schwellenwert genau vorgegebene Spannung aufgeladen werden und der Schwellenwertdetektor über die bistabile Kippstufe die Auf- und Entladung des ersten und zweiten Hilfskondensators derart steuert, daß der erste und der zweite Hilfskondensator in Abhängigkeit von dem jeweiligen Kippzustand am Ausgang der Kippstufe abwechselnd aufgeladen und entladen werden; auf diese Weise entstehen nämlich an dem ersten und dem zweiten Hilfskondensator Ladespannungen, aus denen die Differenzverstärkeranordnung zur Steuerung des Stromes in dem Stromkreis eine Differenzspannung bildet, die der Differenz der Kapazitäten der beiden Meßkondensatoren genau entspricht. Meßungenauigkeiten sind dadurch weitgehend vermieden, weil sowohl die Aufladung der Meßkondensatoren bis zu dem Schwellenwert als auch die abwechselnde Auf- und Entladung des ersten und zweiten Hilfskondensators besonders genau und störungsunempfindlich erfolgt, wozu der Einsatz sehr einfacher Schaltungsmittel wesentlich beiträgt.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist an dem Ausgang des Schwellenwertdetektors weiterhin ein Verzögerungsglied angeschlossen, dessen Ausgang zur Verzögerung der Entladung des ersten bzw. zweiten Hilfskondensators mit einem weiteren Steuereingang der Einrichtung zum abwechselnden Laden und Entladen des ersten und zweiten Hilfskondensators verbunden ist. Durch Einstellen der Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes läßt sich der Beginn des Entladevorganges des ersten oder zweiten Hilfskondensators derart einstellen, daß die dadurch hervorgerufene Änderung der Differenzspannung zwischen den Ladespannungen des ersten und zweiten Hilfskondensators den durch Streukapazitäten der zwei Meßkondensatoren verursachten Anteil der Differenzspannung kompensiert, so daß die Differenzspannung und damit auch der Strom in dem Stromkreis exakt proportional zu der von dem kapazitiven Meßfühler erfaßten mechanischen Verschiebung ist. Bei der aus der DE-OS 29 32 051 bekannten Schaltungsanordnung ergibt sich eine proportionale Abhängigkeit der Ausgangsgröße der Schaltungsanordnung von der relativen Verschiebung der beweglichen Elektrode nur unter der vereinfachten Annahme, daß der kapazitive Meßwandler keine Streukapazitäten aufweist. Da aber Streukapazitäten unvermeidbar sind, und die von dem Differenzverstärker erfaßten Ströme durch die Meßkondensatoren jeweils proportional zu der Kapazität der betreffenden Meßkondensatoren sind, ist die Ausgangsgröße mit einem systematischen Meßfehler behaftet.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung weist der Schwellenwertdetektor eine Schwellenwertstufe auf und enthält eine steuerbare Schalteinrichtung, deren Steuereingang mit dem Ausgang der bistabilen Kippstufe in Verbindung steht und die bei Ansteuerung den Eingang der Schwellenwertstufe abwechselnd mit den zwei Meßkondensatoren verbindet. Dadurch, daß die Ladespannungen an den zwei Meßkondensatoren abwechselnd über die steuerbare Schalteinrichtung einer einzigen Schwellenwertstufe zugeführt werden, ist gewährleistet, daß die Ladespannungen an den Meßkondensatoren jeweils auf, Überschreiten ein und desselben Schwellenwertes überwacht werden, so daß kein Meßfehler durch verschiedene Schwellenwerte auftreten kann.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung weist die Einrichtung zum abwechselnden Laden und Entladen des ersten und zweiten Hilfskondensators eine erste Steuereingang der Einrichtung ist; die erste Schalteinheit verbindet bei Ansteuerung den ersten und den zweiten Hilfskondensator abwechselnd mit einer Ladevorrichtung oder einer Entladevorrichtung. Auf diese Weise werden nämlich sowohl der erste als auch der zweite Hilfskondensator jeweils an die gleiche Lade- bzw. Entladevorrichtung geschaltet, so daß keine Meßfehler durch unterschiedlich dimensionierte Lade- bzw. Entladevorrichtungen auftreten können.

Weist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ein Verzögerungsglied zur Kompensation der Streukapazitäten des kapazitiven Meßfühlers auf, so enthält die Einrichtung zum abwechselnden Laden und Entladen des ersten und zweiten Hilfskondensators vorteilhafterweise eine zweite steuerbare Schalteinheit, deren Kontakt in Reihe mit der Entladevorrichtung liegt und deren Steuereingang der weitere Steuereingang der Einrichtung ist. Die zu verzögernde Entladung des jeweiligen, über die erste Schalteinheit an die Entladevorrichtung geschalteten ersten oder zweiten Hilfskondensators erfolgt daher erst dann, wenn das Verzögerungsglied die zweite steuerbare Schalteinheit ansteuert; daraufhin schließt deren Kontakt, so daß ein Entladestrom fließen kann.

Ein besonders einfacher Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird dadurch erreicht, daß die Schwellenwertstufe, die bistabile Kippstufe und das Verzögerungsglied jeweils ein CMOS-Delay-Flipflop enthalten. Zur weiteren Vereinfachung des Aufbaues der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind die steuerbare Schalteinrichtung des Schwellenwertdetektors sowie die erste und zweite Schalteinheit der Einrichtung zum abwechselnden Laden und Entladen des ersten und zweiten Hilfskondensators CMOS-Schalter.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in

Fig. 1 der prinzipielle Aufbau eines kapazitiven Meßfühlers der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt.

Fig 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und in

Fig 3 ist ein Schaltungsdetail der in Fig 2 gezeigten Anordnung dargestellt.

Fig 4 zeigt in einem Diagramm die Verläufe von Spannungen an mehreren bezeichneten Meßpunkten der in Fig 2 dargestellten Anordnung.

Der in Fig 1 schematisch dargestellte kapazitive Meßfühler der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht aus zwei Meßkondensatoren CA und CB. Die zwei Meßkondensatoren CA und CB bestehen aus jeweils einer festen Elektrode Ef und einer beiden Meßkondensatoren CA und CB gemeinsamen, beweglichen Elektrode Ev, die in Ruhelage jeweils in einem Abstand d zwischen den festen Elektroden Ef angeordnet ist. Wird die bewegliche Elektrode Ev aus ihrer Ruhelage um die Strecke Δd in Richtung auf die feste Elektrode Ef des Meßkondensators CA zubewegt, so vergrößert sich die Kapazität des Meßkondensators CA, während sich gleichzeitig die Kapazität des Meßkondensators CB verringert. Bei der in Fig 1 gestrichelt dargestellten Lage der beweglichen Elektrode Ev ergeben sich folgende Gleichungen für die Kapazitäten der Meßkondensatoren CA und CB:

CA = εA/(d-Δd)
CB = εA/(d+Δd) (1)

Dabei bezeichnet ε die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums zwischen den Elektroden Ef und Ev und A die Fläche der Elektroden Ef und Ev. Damit lassen sich die Summe und die Differenz der Kapazitäten der zwei Meßkondensatoren CA und CB wie folgt berechnen:

so daß für das Verhältnis der Summe zur Differenz der Kapazitäten der zwei Meßkondensatoren CA und CB gilt:

Bei Vernachlässigung der Streukapazitäten der zwei Meßkondensatoren CA und CB läßt sich also aus dem Verhältnis der Differenz zur Summe der Kapazitäten der Meßkondensatoren CA und CB die Verschiebung Δd der beweglichen Elektrode Ev ermitteln.

Das in Fig. 2 dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäße Schaltungsanordnung enthält einen kapazitiven Meßfühler entsprechend der in Fig. 1 dargestellten Ausführung mit zwei Meßkondensatoren CA und CB. Parallel zu jedem der zwei Meßkondensatoren CA und CB liegt jeweils eine, strichliert dargestellte Streukapazität CSA und CSB, die das Streufeld des jeweiligen Meßkondensators CA bzw. CB berücksichtigt. Dem kapazitiven Meßfühler ist eine steuerbare Vorrichtung 1 zum Laden und Entladen der zwei Meßkondensatoren CA und CB zugeordnet. Diese Vorrichtung 1 enthält zwei Widerstände R₁ und R₂, über die die zwei Meßkondensatoren CA und CB mit ihren festen Elektroden Ef jeweils an eine erste Stromversorgungsleitung l1 angeschlossen sind. Die bewegliche, beiden Meßkondensatoren CA und CB gemeinsame Elektrode Ev ist mit einer weiteren Stromversorgungsleitung l2 verbunden. Zum Entladen der Meßkondensatoren CA und CB enthält die Vorrichtung 1 weiterhin zwei Schalttransistoren T1 und T2, von denen der Schalttransistor T1 mit seiner Kollektor- Emitter-Strecke parallel zu dem Meßkondensator CA und der Schalttransistor T2 mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke parallel zu dem Meßkondensator CB liegt. Die Basisanschlüsse der beiden Schalttransistoren T1 und T2 sind jeweils über einen Basisvorwiderstand R₃ bzw. R₄ an einen Verbindungspunkt geführt, der den Steuereingang S1 der Vorrichtung 1 bildet. Den Meßkondensatoren CA und CB ist weiterhin ein Schwellenwertdetektor 2 zugeordnet, der eine steuerbare Schalteinrichtung CM1 und eine nachgeordnete Schwellenwertstufe Q1 enthält und dessen Ausgang S2 mit dem Steuereingang S1 der Vorrichtung 1 zum Laden und Entladen der Meßkondensatoren CA und CB verbunden ist. Die steuerbare Schalteinrichtung CM1 besteht aus einem CMOS-Schalter, der den Eingang CP der nachgeordneten Schwellenwertstufe Q1 über einen ersten Kontakt A2 mit dem Meßkondensator CA und über einen zweiten Kontakt B2 mit dem Meßkondensator CB verbindet. Die Schwellenwertstufe Q1 enthält ein CMOS-Delay-Flipflop, das mit einem Widerstand Rf und einem Kondensator Cf beschaltet ist. Der Ausgang Q der Schwellenwertstufe Q1 bildet den Ausgang S2 des Schwellenwertdetektors 2. Das CMOS-Delay-Flipflop wird gesetzt, sobald die Spannung an seinem Eingang CP einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, und nach einer durch den Widerstand Rf und den Kondensator Cf bestimmten Zeitdauer zurückgesetzt. Anstelle eines CMOS-Delay-Flipflops kann auch ein einfaches Delay-Flipflop Verwendung finden, dem aber dann ein zusätzlicher Schmitt-Trigger zur Erzeugung des Schwellenwertes vorgeordnet sein muß.

Dem Schwellenwertdetektor 2 ist eine bistabile Kippstufe Q2 nachgeordnet, die aus einem CMOS-Delay-Flipflop besteht, dessen Eingang CP mit dem Ausgang S2 des Schwellenwertdetektors 2 verbunden ist. Weiterhin ist dem Schwellenwertdetektor 2 ein Verzögerungsglied Q3 nachgeordnet. Dieses besteht ebenfalls aus einem CMOS-Delay-Flipflop, das zur Einstellung einer Verzögerungszeit mit einem Kondensator C3 und einem einstellbaren Widerstand VR3 beschaltet ist und dessen Eingang CP mit dem Ausgang S2 des Schwellenwertdetektors 2 verbunden ist.

Das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung enthält weiterhin eine steuerbare Einrichtung 3 zum abwechselnden Laden und Entladen eines ersten und zweiten Hilfskondensators C₁ und C₂, die über einen Steuereingang S3 mit einem Ausgang Q der bistabilen Kippstufe Q2 verbunden ist und über einen weiteren Steuereingang S4 an einem Ausgang des Verzögerungsgliedes Q3 angeschlossen ist. Diese Einrichtung 3 enthält eine erste steuerbare Schalteinheit CM2, die aus einem CMOS-Schalter besteht und von der bistabilen Kippstufe Q2 über den ersten Steuereingang S3 der Einrichtung 3 gesteuert wird. Der CMOS-Schalter weist mehrere Kontakte A1, B1, A3 und B3 auf, von denen der Kontakt A1 den ersten Hilfskondensator C₁ und der Kontakt den zweiten Hilfskondensator C₂ mit einer Ladevorrichtung aus einem Widerstand R₅ mit der ersten Stromversorgungsleitung l1 verbindet; die Kontakte B1 und B3 verbinden den ersten Hilfskondensator C₁ bzw. den zweiten Hilfskondensator C₂ über eine zweite steuerbare Schalteinheit CM3 mit einer Entladevorrichtung aus einem Widerstand R₆ mit der weiteren Stromversorgungsleitung l2.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist die jeweils durch CMOS-Schalter realisierte Schalteinrichtung CM1 und die erste Schalteinheit CM2 in einem einzigen Schalterbaustein CM enthalten, wie er in Fig. 3 dargestellt ist. Die Steuerung dieses Schalterbausteines CM erfolgt durch das Ausgangssignal V3 am Ausgang Q der bistabilen Kippstufe Q2, so daß bei einem hohen Spannungspegel "H" des Ausgangssignales V3 die Kontakte A1, A2 und B3 geschlossen sind, während die Kontakte B1, B2 und A3 geöffnet sind und bei einem niedrigen Spannungspegel "L" des Ausgangssignales V3 die Kontakte A1, A2 und B3 geöffnet und die Kontakte B1, B2 und A3 geschlossen sind.

Die zweite Schalteinheit CM3 besteht ebenfalls aus einem CMOS-Schalter, der über den zweiten Steuereingang S4 der Einrichtung 3 an dem Ausgang des Verzögerungsgliedes Q3 angeschlossen ist. Sobald das Ausgangssignal V7 am Ausgang des Verzögerungsgliedes Q3 einen hohen Spannungspegel "H" annimmt, schließt der Kontakt der zweiten Schalteinheit CM3 und öffnet, wenn das Ausgangssignal V7 auf einen niedrigen Spannungspegel "L" fällt.

Der erste Hilfkondensator C₁ ist mit einem ersten Eingang S5 einer Differenzverstärkeranordnung 4 verbunden und der Kondensator C₂ ist an einen zweiten Eingang S6 der Differenzverstärkeranordnung 4 angeschlossen. Die Differenzverstärkeranordnung 4 enthält eingangsseitig einen ersten und einen zweiten Impedanzwandler DA1 und DA2, deren nichtinvertierende Eingänge den ersten Eingang S5 bzw. den zweiten Eingang S6 der Differenzverstärkeranordnung 4 bilden. Die Impedanzwandler DA1 und DA2 bestehen jeweils aus einem Operationsverstärker, der durch eine Kurzschlußverbindung zwischen seinem invertierenden Eingang und seinem Ausgang als Spannungsfolger geschaltet ist. Die Differenzverstärkeranordnung 4 enthält weiterhin einen ersten Differenzverstärker DA3, dessen invertierender Eingang einen ersten Vorwiderstand R₇ mit dem Ausgang des ersten Impedanzwandlers DA1 verbunden ist und dessen nichtinvertierender Eingang über einen zweiten Vorwiderstand R₈ an den Ausgang des zweiten Impedanzwandlers DA2 angeschlossen ist. Der invertierende Eingang und der Ausgang des ersten Differenzverstärkers DA3 sind über einen Rückkopplungswiderstand R₁₁ miteinander verbunden. Die Differenzverstärkeranordnung 4 enthält weiterhin einen zweiten Differenzverstärker DA4, dessen nichtinvertierender Eingang über einen einstellbaren Widerstand VR1 mit dem Ausgang des ersten Differenzverstärker DA3 und über einen weiteren einstellbaren Nullabgleichwiderstand VR2 mit der Stromversorgungsleitung l1 verbunden ist. Der invertierende Eingang des zweiten Differenzverstärkers DA4 ist zusammen mit dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Differenzverstärkers DA3 an dem Spannungsabgriff eines aus zwei Widerständen R₁₀ und R₉ gebildeten und zwischen den Stromversorgungsleitungen l1 und l2 angeordneten Spannungsteilers angeschlossen.

Der Differenzverstärkeranordnung 4 ist eine steuerbare Widerstandsanordnung 5 nachgeordnet; diese enthält einen Transistor T4, dessen Basisanschluß über einen Widerstand R₁₃ mit dem Ausgang des zweiten Differenzverstärkers DA4 verbunden ist und dessen Kollektor-Emitter-Strecke in Reihe mit einem Strombegrenzungswiderstand R₁₆ und einem Rückkopplungswiderstand R₁₇ in einem Stromkreis angeordnet ist, der aus einer externen Stromversorgungsquelle E über einen Lastwiderstand L und eine Diode D gespeist wird. Zur Regelung des Stromes I in dem Stromkreis ist der Rückkopplungswiderstand R₁₇ über einen Widerstand R₁₂ mit dem nichtinvertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers DA4 verbunden. Die Differenzverstärkeranordnung 4 steuert den Transistor T4 derart, daß sich der Strom I in dem Stromkreis proportional zu der von dem kapazitiven Meßfühler erfaßten mechanischen Verschiebung ändert und eine entsprechende Ausgangsspannung an dem Lastwiderstand L erzeugt.

Die Stromversorgungsleitungen l1 und l2 stehen über einen Spannungsregler 6 mit dem Stromkreis in Verbindung. Der Spannungsregler 6 enthält einen Feldeffekttransistor T5, der mit seiner Drain-Source-Strecke in Reihe mit zwei Spannungsteilerwiderständen R₁₄ und R₁₅ sowie einer Zenerdiode ZD an der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T4 und dem Widerstand R₁₆ liegt. Zur Regelung der Spannung zwischen den beiden Stromversorgungsleitungen l1 und l2 ist die erste Stromversorgungsleitung l1 über einen Längstransistor T3 an dem Verbindungspunkt des Feldeffekttransistors T5 mit dem Kollektor des Transistors T4 angeschlossen; der Basisanschluß des Längstransistors T3 ist mit dem Abgriff zwischen den Widerständen R₁₄ und R₁₅ verbunden.

Anhand der in Fig. 4 dargestellten Spannungsverläufe V1 bis V5 mehrerer, in Fig. 2 entsprechend bezeichneter Meßstellen soll im folgenden die Funktion der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erläutert werden. Sobald das Ausgangssignal V2 an dem Ausgang Q der Schwellenwertstufe Q1 von einem niedrigen Spannungspegel auf einen hohen Spannungspegel übergeht, werden die Schalttransistoren T1 und T2 in einen leitenden Zustand gesteuert, so daß sich die Meßkondensatoren CA und CB über die Kollektor-Emitter-Strecke der ihnen jeweils zugeordneten Schalttransistoren T1 bzw. T2 entladen. Gleichzeitig springt das Ausgangssignal V3 am Ausgang Q der bistabilen Kippstufe Q2 - unter Annahme, daß es zuvor einen niedrigen Spannungspegel aufwies - auf einen hohen Spannungspegel. Aufgrund des Signales V3 werden die in dem Schalterbaustein CM zusammengefaßte Schalteinrichtung CM1 und erste Schalteinheit CM2 derart gesteuert, daß die Kontakte A1, A2 und D3 geschlossen und die Kontakte B1, B2 und A3 geöffnet sind. Daraufhin wird der erste Hilfskondensator C₁ über den Widerstand R₅ auf die Spannung VC der ersten Stromversorgungsleitung l1 aufgeladen. Die Ladespannung des ersten Hilfskondensators C₁ ist mit V4 bezeichnet. Gleichzeitig wird der Hilfskondensator Cf durch den hohen Spannungspegel des Ausgangssignales V2 der Schwellenwertstufe Q1 über den Widerstand Rf aufgeladen. Nach einer Zeit TC erreicht die Spannung an dem Kondensators Cf einen Wert, der die Schwellenwertstufe Q1 in einen Zustand zurücksetzt, in dem das Ausgangssignal V2 einen niedrigen Spannungspegel aufweist. Durch diesen niedrigen Spannungspegel werden die Schalttransistoren T1 und T2 in einen sperrenden Zustand versetzt, so daß sich die Meßkondensatoren CA und CB über die Widerstände R₁ und R₂ aufladen. Da der Kontakt A2 der Schalteinrichtung CM1 geschlossen ist, liegt an dem Eingang CP der Schwellenwertstufe Q1 die jeweilige momentane Ladespannung des Meßkondensators CA an. Sobald diese Ladespannung eine dem Schwellenwert der Schwellenwertstufe Q1 entsprechende Spannung VT erreicht, wird die Schwellenwertstufe Q1 wieder in den Zustand gesteuert, in dem das Ausgangssignal V2 einen hohen Spannungspegel aufweist. Das Ausgangsignal V2 steuert wiederum die bistabile Kippstufe Q2 in einen Zustand mit einem niedrigen Spannungspegel seines Ausgangssignales V3. Aufgrund des Signales V3 werden die in dem Schalterbaustein CM zusammengefaßten Schalteinrichtungen CM1 und CM2 derart gesteuert, daß die Kontakte B1, B2 und A3 geschlossen werden und die Kontakte A1, A2 und B3 geöffnet werden. Daraufhin wird der zweite Hilfskondensator C₂ über den Widerstand R₅ durch die Spannung VC auf der ersten Stromversorgungsleitung l1 aufgeladen. Die Ladespannung des zweiten Kondensators C₂ ist mit V5 bezeichnet. Gleichzeitig wird wiederum der Kondensator Cf durch den hohen Spannungspegel des Ausgangssignales V2 der Schwellenwertstufe Q1 aufgeladen, bis nach einer Zeit TC die Spannung an dem Kondensator Cf einen, die Schwellenwertstufe Q1 zurücksetzenden Wert erreicht. Daraufhin werden wieder die zwei Meßkondensatoren CA und CB aufgeladen, wobei diesmal der Meßkondensator CB über den Kontakt B2 der Schalteinrichtung CM1 mit dem Eingang CP der Schwellenwertstufe Q1 verbunden ist.

Wenn die Ladespannung an dem Meßkondensator CA nach einer Zeit TA eine dem Schwellenwert der Schwellenwertstufe Q1 entsprechende Spannung VT erreicht, gilt für die Ladespannung VA an dem Meßkondensator CA folgende Gleichung:

Daraus berechnet sich die Ladezeit TA des Meßkondensators CA zu

TA = R1 (CA+CSA) log (1-VT/VC) (5)

Entsprechend gilt für die Zeit TC, bis die Schwellenwertstufe Q1 wieder in einen Zustand mit einem niedrigen Spannungspegel des Ausgangssignals V2 zurückfällt:

TC = -Rf Cf log (1-VT/VC) (6)

Wie der Fig. 4 zu entnehmen ist, nimmt das Ausgangssignal V3 der bistabilen Kippstufe Q2 für die Dauer (TA+TC) einen hochpegeligen Ausgangszustand an.

Wenn die Ladespannung an dem Meßkondensator CB nach einer Ladezeit TB eine dem Schwellenwert der Schwellenwertstufe Q1 entsprechende Spannung VT erreicht, gilt für die Ladespannung VB des Kondensators CB:

Daraus berechnet sich die Ladezeit TB des Meßkondensators CB zu:

TB = R2 (CB+CSB) log (1-VT/VC) (8)

Wie Fig. 4 zeigt, nimmt das Ausgangssignal V3 der bistabilen Kippstufe Q2 für die Dauer (TB+TC) einen Ausgangszustand mit niedrigem Spannungspegel an.

Während das Ausgangssignal V3 der bistabilen Kippstufe Q2 einen hohen Spannungspegel aufweist, wird der erste Hilfskondensator C₁ über den Widerstand R₅ aufgeladen und der zweite Hilfskondensator C₂ über die Schaltereinheit CM3 und den Widerstand R₆ entladen. Umgekehrt wird bei niedrigem Spannungspegel des Ausgangssignales V3 der zweite Hilfskondensator C₂ über den Widerstand R₅ aufgeladen und der erste Hilfskondensator C₁ über die Schaltereinheit CM3 und den Widerstand R₆ entladen. Die steuerbare Schaltereinrichtung CM3 wird durch das Ausgangssignal V7 an dem Ausgang Q des Verzögerungsgliedes Q3 gesteuert. Das Verzögerungsglied Q3 wird seinerseits durch die Schwellenwertstufe Q1 bei einem Übergang des Ausgangssignales V2 von einem niedrigen auf einen hohen Spannungspegel in einen Zustand gesetzt, in dem sein Ausgangssignal V7 einen niedrigen Spannungspegel annimmt. Dieser niedrige Spannungspegel steuert die Schaltereinrichtung CM3 derart, daß ihr Kontakt geöffnet ist und eine Entladung des jeweils über die Kontakte B1 oder B3 mit der Schalteinheit CM3 verbundenen Kondensators C₁ oder C₃ nicht stattfinden kann; das heißt, die Ladespannung des jeweiligen Hilfskondensators C₁ oder C₂ ändert sich nicht. Nach einer Zeit TS, die durch die Zeitkonstante des Widerstandes VR3 und des Kondensators C₃ festgelegt ist und durch Verändern des Widerstandes VR3 einstellbar ist, fällt das Verzögerungsglied Q3 wieder in einen Zustand mit einem hohen Spannungspegel des Ausgangssignales V7 zurück. Der hohe Spannungspegel des Ausgangssingales V7 bewirkt eine Schließung des Kontaktes der Schaltereinrichtung CM3, so daß der betreffende Hilfskondensator C₁ oder C₂ über den Widerstand R₆ entladen wird. Für die Zeit TS, um die der Entladevorgang des Hilfskondensators C₁ oder C₂ verzögert wird, gilt

TS = -VR3 · C3 log (1-VT/VC) (9)

Die in Fig. 4 gestrichelt dargestellten Spannungsverläufe der Ladespannungen V4 und V5 an den Hilfskondensatoren C₁ und C₂ gelten für den Fall, daß keine Schaltereinheit CM3 vorhanden ist bzw. das die Verzögerungszeit TS gleich Null ist. Für den Mittelwert der Ladespannungen V4 und V5 an den Kondensatoren C₁ und C₂ gelten die folgenden Gleichungen:

Durch Einsetzen der Gleichungen (5), (6), (8) und (9) in die beiden Gleichungen (10) und (11) erhält man für die Mittelwerte der Ladespannungen V4 und V5 der Hilfskondensatoren C₁ und C₂:

Der Differenzverstärker DA3 der Differenzverstärkeranordnung 4 bildet aus den Mittelwerten der Ladespannungen V4 und V5 eine Differenzspannung V6 an seinem Ausgang, die durch folgende Gleichung bestimmt ist:

V6 = K · (V4-V5)+VC1 (14)

wobei K die Verstärkung des Differenzverstärkers DA3 bezeichnet und VC1 die Gleichspannung an dem Spannungsabgriff zwischen den Widerständen R₁₀ und R₉ bezeichnet. Im folgenden werden die Gleichungen (12) und (13) in die Gleichung (14) eingesetzt. Dabei wird vorausgesetzt, daß die Widerstände R₁ und R₂ gleich sind, so daß gilt

R1 = R2 = R (15)

Weiterhin wird angenommen, daß die Meßkondensatoren CA und CB gleichartig aufgebaut sind, so daß ihre Streukapazitäten CSA und CSB gleich sind; es gilt also

CSA = CSB = CS (16)

Damit erhält man für die Spannung V6 am Ausgang des Differenzverstärkers DA3:

Die Streukapazitäten CS der Meßkondensatoren CA und CB können nun kompensiert werden, indem die Verzögerungszeit TS des Verzögerungsgliedes Q3 mit Hilfe des Widerstandes VR3 derart eingestellt wird, daß gilt:

Dann ergibt sich für die Spannung V6 am Ausgang des Differenzverstärkers DA3 folgende Gleichung

Die so gewonnene Spannung V6 ist bis auf einen Gleichspannungsanteil VC1 direkt proportional zu dem Verhältnis der Differenz der Kapazitäten der Meßkondensatoren CA und CB zu der Summe der Kapazitäten der Meßkondensatoren CA und CB. Wie einleitend festgestellt wurde, ist dieses Verhältnis proportional zu der relativen Verschiebung Δd/d der beweglichen Elektrode Ev des kapazitiven Meßfühlers.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Messung mechanischer Verschiebungen mit einem kapazitiven Meßfühler, der zwei Meßkondensatoren enthält, deren Kapazitäten sich in Abhängigkeit von der mechanischen Verschiebung gegensinnig ändern, mit einer dem kapazitiven Meßfühler nachgeordneten Differenzverstärkeranordnung zur Erzeugung einer der Differenz zwischen den Kapazitäten der zwei Meßkondensatoren entsprechenden Spannung und mit einer steuerbaren Widerstandsanordnung mit einer Stromquelle und einem Lastwiderstand in einem Stromkreis, wobei der Steuereingang der Widerstandsanordnung mit dem Ausgang der Differenzverstärkeranordnung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß an dem kapazitiven Meßfühler eine steuerbare Vorrichtung (1) zum Laden und Entladen der Meßkondensatoren (CA und CB) angeschlossen ist, daß den Meßkondensatoren (CA und CB) ein Schwellenwertdetektor (2) zugeordnet ist, der abwechselnd die Spannungen an den Meßkondensatoren (CA und CB) auf Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwertes überwacht und dessen Ausgang (S2) mit einem Steuereingang (S1) der steuerbaren Vorrichtung (1) verbunden ist, daß der Ausgang (S2) des Schwellenwertdetektors (2) weiterhin mit dem Eingang (CP) einer bistabilen Kippstufe (Q2) verbunden ist, deren Ausgang (Q) mit einem Steuereingang (S3) einer Einrichtung (3) zum abwechselnden Laden und Entladen eines ersten und zweiten Hilfskondensators (C₁ und C₂) verbunden ist, und das der erste Hilfskondensator (C₁) mit einem ersten Eingang (S5) der Differenzverstärkeranordnung (4) und der zweite Hilfskondensator (C₂) mit einem zweiten Eingang (S6) der Differenzverstärkeranordnung (4) verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ausgang (S2) des Schwellenwertdetektors (2) weiterhin ein Verzögerungsglied (Q3) angeschlossen ist, dessen Ausgang (Q) zur Verzögerung der Entladung des ersten bzw. zweiten Hilfskondensators (C₁ bzw. C₂) mit einem weiteren Steuereingang (S4) der Einrichtung (3) zum abwechselnden Laden und Entladen des ersten und zweiten Hilfskondensators (C₁ und C₂) verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenwertdetektor (2) eine Schwellenwertstufe (Q1) aufweist und eine steuerbare Schalteinrichtung (CM1) enthält, deren Steuereingang mit dem Ausgang (Q) der bistabilen Kippstufe (Q2) in Verbindung steht und die bei Ansteuerung den Eingang (CP) der Schwellenwertstufe (Q1) abwechselnd mit den zwei Meßkondensatoren (CA und CB) verbindet.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (3) zum abwechselnden Laden und Entladen des ersten und zweiten Hilfskondensators (C₁ und C₂) eine erste steuerbare Schalteinheit (CM2) aufweist, deren Steuereingang der eine Steuereingang (S3) der Einrichtung (3) ist, und daß die erste Schalteinheit (CM2) bei Ansteuerung den ersten und den zweiten Hilfskondensator (C₁ und C₂) abwechselnd mit einer Ladevorrichtung oder einer Entladevorrichtung verbindet.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (3) zum abwechselnden Laden und Entladen des ersten und zweiten Hilfskondensators (C₁ und C₂) eine zweite steuerbare Schalteinheit (CM3) enthält, deren Kontakt in Reihe mit der Entladevorrichtung liegt und deren Steuereingang der weitere Steuereingang (S4) der Einrichtung (3) ist.

6. Schaltungsanordnung nach dem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenwertstufe (Q1), die bistabile Kippstufe (Q2) und das Verzögerungsglied (Q3) jeweils ein CMOS-Delay- Flipflop enthalten.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Schalteinrichtung (CM1) des Schwellenwertdetektors (2) sowie die erste und zweite Schalteinheit (CM2 und CM3) der Einrichtung (3) zum abwechselnden Laden und Entladen des ersten und zweiten Hilfskondensators (C₁ und C₂) jeweils ein CMOS-Schalter sind.