DE3428699A1

DE3428699A1 - Kapazitiver messwertaufnehmer

Info

Publication number: DE3428699A1
Application number: DE19843428699
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Ing. 2000 Wedel Kordts
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1984-08-03
Filing date: 1984-08-03
Publication date: 1986-02-13

Description

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH PHD 84-117

Kapazitiver Meßwertaufnehmer

Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Meßwertaufnehmer mit einem ersten und einem zweiten Meßintegrator, die jeweils aus einem über einen Meßkondensator mit meßwertabhängiger Kapazität rückgekoppelten Operationsverstärker mit ohm'schem Eingangswiderstand bestehen, wobei der erste Meßintegrator mit dem Pluseingang und der zweite Meßintegrator mit dem Minuseingang eines Subtrahiergliedes verbunden sind.

Aus der US-PS 41 67 697 ist ein kapazitiver Meßwertaufnehmer eingangs genannter Art bekannt, der von einem mit konstanter Frequenz schwingenden Oszillator angesteuert wird und der ein Wechselsignal erzeugt, dessen Amplitude der Differenz der Kapazitäten der Meßkondensatoren entspricht. Bei der Übertragung des Wechselsignales zu einer Auswerteschaltung über eine längere Signalleitung verringern deren ohm¹scher,kapazitiver und induktiver Widerstand die Amplitude des Wechselsignales. Außerdem wird die Signalamplitude sowohl von Temperaturschwankungen als auch von Schwankungen der Versorgungsspannung des Meßwertaufnehmers verändert. Somit liefert ein Meßgerät, das den bekannten kapazitiven Meßwertaufnehmer verwendet, fehlerhafte Meßergebnisse.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen kapazitiven Meßwertaufnehmer zu schaffen, der ein fehlerfreies und von Störungen unabhängiges Wechselsignal erzeugt, das über längere Signalleitungen fehlerfrei übertragbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem kapazitiven Meßwertaufnehmer

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eingangs genannter Art dadurch gelöst, daß den Meßintegratoren ein Referenzintegrator parallel geschaltet ist, der aus einem Operationsverstärker mit ohm'schem Eingangswiderstand und einem Kondensator mit meßwertunabhängiger Kapazität im Rückkopplungskreis besteht und dessen Ausgang mit dem Pluseingang des Subtrahiergliedes verbunden ist, dessen Ausgang über einen Schmitt-Trigger mit den Eingängen der Meßintegratoren und des Referenzintegrators verbunden ist.

Der Referenzintegrator und der Schmitt-Trigger bilden hierbei einen Relaxationsoszillator, dessen Schwingungsfrequenz von den Amplituden der von den Meßintegratoren gelieferten Signale, damit von den meßwertabhängigen Kapazitäten der Meßkondensatoren und damit von der zu erfassenden physikalischen Größe abhängig ist. Diese Frequenz ist von Störungen, wie z.B. von Temperatur- und Spannungsschwankungen, sowie vom Widerstand einer längeren Signalleitung unabhängig.

Vorteilhaft ist es, wenn den ohm¹sehen Eingangswiderständen der Meßintegratoren je ein Überbrückungskondensator parallel geschaltet ist. Dadurch werden die Integrationszeiten der Meßintegratoren verringert und damit die Schwingungsfrequenz des Relaxationsoszillators verändert, so daß dadurch eine Beeinflussung der Schwingungsfrequenz des Relaxationsoszillators aufgrund von Schaltverzögerungen des Schmitt-Triggers ausgleichbar ist.

Dadurch, daß die Meßintegratoren zusätzlich über mindestens einen ohm¹sehen Widerstand rückgekoppelt sind, wird die Auswirkung der über die Meßkondensatoren auf die Operationsverstärkereingänge rückgekoppelten Offsetspannung der Operationsverstärker verringert.

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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die aus Subtrahierglied und Schmitt-Trigger bestehende Schaltungsanordnung als Additions-Schmitt-Trigger ausgebildet, dessen nichtinvertierender Eingang mit dem Referenzintegrator und dem ersten Meßintegrator und dessen invertierender Eingang mit dem zweiten Meßintegrator verbunden ist. Additions-Schmitt-Trigger (siehe Tietze, Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, 4. Auflage, Springer-Verlag 1978, Seite 416, Abb. 17.32) sind einfach aufgebaut und somit preisgünstig herstellbar.

Anhand der Zeichnungen werden einige Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung beschrieben und deren Wirkungsweise erläutert. Es zeigen
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Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines kapazitiven Meßwertaufnehmers ,

Fig. 2 ein Diagramm der im kapazitiven Meßwertaufnehmer auftretenden Signale,

Fig. 3 ein vollständiges Ausführungsbeispiel des kapazitiven Meßwertaufnehmers.

Der in Fig. 1 dargestellte kapazitive Meßwertaufnehmer besteht aus einem ersten und einem zweiten Meßintegrator 1 und 2, denen ein Referenzintegrator 3 parallel geschaltet ist. Die Meßintegratoren 1, 2 und der Referenzintegrator 3 enthalten je einen Operationsverstärker 4, 5, 6 mit je einem ohm¹sehen Eingangswiderstand 7, 8, 9. Die Operationsverstärker 4 und 5 der Meßintegratoren 1 und 2 sind über je einen Meßkondensator 10 bzw. 11 rückgekoppelt, deren Kapazitäten sich mit einer zu erfassenden physikalischen Größe verändern.

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Die Meßkondensatoren 10 und 11 können beispielsweise in einem kapazitiven Einkammerdifferenzdrucksensor enthalten sein, so daß sich deren Kapazitätswerte gegensinnig mit einem zu erfassenden Differenzdruck verändern. 5

Der Referenz integrator 3 ist über einen Kondensator 12 rückgekoppelt, dessen Kapazität unabhängig von der zu erfassenden physikalischen Größe ist. Der erste Meßintegrator 1 und der Referenzintegrator 3 sind mit dem Pluseingang und der zweite Meßintegrator 2 mit dem Minuseingang eines Subtrahiergliedes 13 verbunden. Das Subtrahierglied 13 steuert einen Schmitt-Trigger 14 an, dessen Ausgang über eine Rückkopplungsleitung 15 mit den Eingängen der Meßintegratoren 1 und 2 und des Referenzintegrators 3 verbunden ist. An der Ausgangsklemme 16 liegt ein Wechselsignal an, dessen Frequenz von der zu erfassenden physikalischen Größe abhängt.

Die Funktion des in Fig. 1 dargestellten kapazitiven Meßwertaufnehmers wird anhand des in Fig. 2 dargestellten Signaldiagrammes erläutert. Der Referenzintegrator 3 und der Schmitt-Trigger 14 bilden einen Relaxationsoszillator, wobei der Referenzintegrator 3 den Schmitt-Trigger 14 mit einem Dreieckssignal U3 und der Schmitt-Trigger 14 den Referenz integrator 3 mit einem rechteckförmigen Wechselsignal U5 ansteuert. Zum Zeitpunkt to hat das Signal U5 des Schmitt-Triggers 14 einen negativen Wert und der Referenz integrator 3 integriert und invertiert dieses Signal, so daß das Ausgangssignal U3 des Referenzintegrators 3 ansteigt. Erreicht das Signal U3 zum Zeitpunkt ti den positiven Schwellwert des Schmitt-Triggers 14, schaltet dieser um und sein Aussgangssignal U5 wird zum Zeitpunkt ti positiv. Diese positive Signalspannung wird

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nun ebenfalls vom Referenzintegrator 3 aufintegriert und invertiert, so daß der Wert des Signales U3 vom Zeitpunkt ti an abnimmt. Je schneller der Rerenzintegrator 3 den Schwellwert des Schmitt-Triggers erreicht, umso früher schaltet dieser um. Daraus folgt, daß die Frequenz des vom Schmitt-Trigger 14 gelieferten Wechselsignales U5 mit der Größe der Schwellwertspannung des Schmitt-Triggers 14 abnimmt und mit der Amplitude des Wechselsignales U5 zunimmt. Der Schmitt-Trigger 14 steuert über die Rückkopplungsleitung 15 mit dem Signal U5 auch die Meßintegratoren 1 und 2 an, die dieses Signal ebenfalls aufintegrieren und invertieren und daraus die Dreiecksignale U1 und U2 erzeugen.

Während die Amplitude des vom Referenzintegrator 3 erzeugten Dreiecksignales U3 konstant bleibt, weisen die von den Meßintegratoren 1 und 2 erzeugten Dreiecksignale U1 und U2 von den Kapazitäten der Meßkondensatoren 10 und 11 abhängige Amplituden auf. Im Subtrahierglied 13 wird zur Amplitude des Dreiecksignales U3 die Differenz der Amplituden der Dreiecksignale (U1 - U2) addiert und das Dreiecksignal U4 gebildet. Wenn das Dreiecksignal U4 zum Zeitpunkt ti den Schwellwert 17 des Schmitt-Triggers 14 erreicht, schaltet dieser um und das rechteckfögmige Wechselsignal U5 nimmt einen positiven Wert an. Auch hierbei ist die Umschaltfrequenz des Schmtt-Triggers 14 davon abhängig, wie schnell das Dreiecksignal U4 den Schwellwert 17 des Schmitt-Trigers 14 erreicht und ist somit von. der Differenz der Amplituden der Dreiecksignale U1 und U2 und damit von der Differenz der Kapazitäten der Meßkondensatoren 10 und 11 abhängig.

Der im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dargestellte erste Meßintegrator 1 erzeugt beispielsweise ein Dreiecksignal 35

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U1, dessen Amplitude kleiner ist als diejenige des Dreiecksignals U2, das vom zweiten Meßintegrator 2 erzeugt wird. Die Amplituden der Dreiecksignale U1 und U-2 sind hierbei umgekehrt proportional zu den Kapazitäten der Meßkondensatoren 10 und 11. Im Subtrahierglied 13 wird die Differenz der Amplituden der Dreiecksignale (ü1 - U2) zur Amplitude des Dreiecksignales U3 addiert, so daß sich das Dreiecksignal U4 ergibt. Das Vorzeichen dieser Amplitudendifferenz ist hierbei negativ, so daß die Amplitude 17 des Dreiecksignales U4 kleiner ist als diejenige des Dreiecksignals U3. Dadurch wird bewirkt, daß die Zeitspanne (ti - tO) innerhalb derer der Schwellwert 17 des Schmitt-Triggers 14 erreicht wird, relativ groß ist. Wäre das Vorzeichen der Amplitudendifferenz (Ut - U2) positiv, würde der Schwellwert 17 schneller erreicht werden, die Zeitspanne (ti -tO) wäre kürzer und damit die Umschaltfrequenz des Schmitt-Triggers 14 größer. Somit vergrößert oder verkleinert die Amplitudendifferenz (UT - U2) die Frequenz des aus Referenzintegrator 3 und Schmitt-Trigger 14 bestehenden Relaxationsoszillators in Abhängigkeit der Differenz der meßwertabhängigen Kapazitäten der Meßkondensatoren 10 und 11.

Bedeuten a die Amplitude des Wechselsignales U5, b den Schwellwert des Schmitt-Triggers 14, c den Wert der ohm¹sehen Eingangswiderstände 7, 8 und 9, d die Kapazität des Meßkondensators 10, e die Kapazität des Meßkondensators 11 und g die Kapazität des Kondensators 12, läßt sich die Frequenz f des rechteckförmigen Wechselsignales U5 anhand der folgenden Beziehung ermitteln:

f = (a/4bcg) + (a/4bc) (1/d- 1/e).

Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel weist

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parallel zu den Eingangswiderständen 7 und 8 geschaltete Überbrückungskondensatoren 18 und 19 auf, welche die Integrationszeiten der Meßintegratoren 20 und 21 verkürzen und damit die Frequenz des Wechselsignales U5 verändern. Dadurch wird eine Veränderung der Frequenz des Wechselsignales U5 aufgrund von Schaltverzögerungen des Schmitt-Triggers ausgeglichen.

In den Rückkopplungskreisen der Meßintegratoren 20 und sind den Meßkondensatoren 10 und 11 ohm'sche Widerstände 22 bis 25 parallel geschaltet, um zu verhidern, daß die Offsetzspannung der Operationsverstärker 4 und 5 die Meßintegratoren 20 und 21 in die Sättigung steuert. Um zu verhindern, daß über die von den Widerständen 22 bis 25 geschaffene ohm'sche Rückkopplung Wechselsignale auf die Eingänge der Operationsverstärker 4 und 5 rückgekoppelt werden, sind die elektrische Verbindung der Widerstände und 23 und die elektrische Verbindung der Widerstände 24 und 25 über je einen Siebkondensator 26 und 27 mit Masse verbunden. Um die hierdurch in den Meßintegratoren auftretenden Schwingungen zu dämpfen, sind den Siebkondensatoren 26 und 27 je ein Dämpfungswiderstand 28 und 29 parallel geschaltet.

Die aus Subtrahierglied 13 und Schmitt-Trigger 14 bestehende Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 als Additions-Schmitt-Trigger 30 ausgebildet (siehe Tietze Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, 4. Auflage,"Springer-Verlag 1978, Seite 416, Abb. 17.32). Innerhalb des Operationsverstärkers 31 wird von der Summe der Dreiecksignale U1 und U3 das Dreiecksignal U2 subtrahiert, so daß sich daraus das Dreiecksignal U4 ergibt. Das daraus vom Additions-Schmitt-Trigger 30 erzeugte rechteckförmige Wechselsignal U5 liegt an der Aus-

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gangsklemme 16 an und wird außerdem über die Rückkopplungsleitung 15 den Eingängen der Meßintegratoren 20 und 21 und des Referenzintegrators 3 zugeführt.

Ein praktisch erprobtes Ausfuhrungsbeispiel weist folgende Bauelemente auf:

Ohm'sche Widerstände 7, 8, 9 - 1

Ohm'sche Widerstände 22 bis 25 - 1

Ohm'sche Widerstände 28 und 29 - 15

Ohm'sche Widerstände 33 und 34 - 68 kSti Ohm¹scher Widerstand 32 14 k££

Ohm¹ scher Widerstand 35 15 k£t>

Ohm¹scher Widerstand 36 - 200 kSi

Kondensatoren 26 und 27 - 1 pF Kondensatoren 18 und 19 10 pF

Operationsverstärker 4, 5, 6, 31 - TL 066 von Texas

Instruments

Die Meßkondensatoren 10 und 11 sind entsprechend zu dimensionieren und ansonsten beliebig einstellbar.Die Kapazität des Kondensators 12 entspricht größenordnungsmäßig der Kapazität der Meßkondensatoren 10 und 11.

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Claims

- ψ - PHD 84-117 PATENTANSPRÜCHE

1. Kapazitiver Meßwertaufnehmer mit einem ersten und einem zweiten Meßintegrator, die jeweils aus einem über einen Meßkondensator mit meßwertabhängiger Kapazität rückgekoppelten Operationsverstärker mit ohm'schem Eingangswiderstand bestehen, wobei der erste Meßintegrator mit dem Pluseingang und der zweite Meßintegrator mit dem Minuseingang eines Subtrahiergliedes verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß den Meßintegratoren (1,2,20,21) ein Referenzintegrator (3) parallel geschaltet ist, der aus einem Operationsverstärker (6) mit ohm'schem Eingangswiderstand (9) und einem Kondensator (12) mit meßwertunabhängiger Kapazität im Rückkopplungskreis besteht und dessen Ausgang mit dem Pluseingang des Subtrahiergliedes verbunden ist, dessen Ausgang über einen Schmitt-Trigger mit den Eingängen der Meßintegratoren (1,2,20,21) und des Referenzintegrators (3) verbunden ist.

2. Kapazitiver Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den ohm'sehen Eingangswiderständen (7,8) der Meßintegratoren (20,21) je ein überbruckungskondensator (18,19) parallel geschaltet ist.

3. Kapazitiver Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1 oder

2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßintegratoren (20,21) zusätzlich über mindestens einen ohm'sehen Widerstand (22 bis 25) rückgekoppelt sind.

4. Kapazitiver meßwertaufnehmer nach Anspruch 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Subtrahierglied (13) und Schmitt-Trigger (14) bestehnde Schaltungsanord-

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nung als Additions-Schmitt-Trigger (30) ausgebildet ist, dessen nicht-invertierender Eingang mit dem Referenzintegrator (3) und dem ersten Meßintegrator (20) und dessen invertierender Eingang mit dem zweiten Meßintegrator (21) 5 verbunden ist.