DE3509507A1 - Schaltungsanordnung fuer einen differentialkondensator-messaufnehmer - Google Patents

Schaltungsanordnung fuer einen differentialkondensator-messaufnehmer

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DE3509507A1
DE3509507A1 DE19853509507 DE3509507A DE3509507A1 DE 3509507 A1 DE3509507 A1 DE 3509507A1 DE 19853509507 DE19853509507 DE 19853509507 DE 3509507 A DE3509507 A DE 3509507A DE 3509507 A1 DE3509507 A1 DE 3509507A1
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Sartorius AG
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
    • G01D5/241—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes
    • G01D5/2417—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes by varying separation

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Description

  • Beschreibung
  • Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Auswertung des Kapazitätsverhältnisses bei Meßaufnehmern für physikalische Größen, die nach dem Prinzip des Differentialkondensators arbeiten. Derartige Meßaufnehmer nutzen als Meßeffekt die gegensinnige Kapazitätsänderung in den beiden Teilkondensatoren (3 u. 4) aus. Durch Auswertung des Kapazitätsverhältnisses lassen sich gegenüber der absoluten Messung der Kapazität eines einfachen Meßkondensators viele Storgrönen, vor allem der Temperatureinfluß eliminieren.
  • Es ist bekannt, daß das Kapazitätsverhältnis in einer Trãgerfrequenz-Meßbrücke oder in Kompensatoren im Nullverfahren bestimmt werden kann. Die moderne Elektronik ermöglicht automatischen Abgleich und über Analog-Digital-Umsetter auch digitale Weiterverarbeitung des Meßwertes, jedoch ist der erforderliche schaltungstechnische Aufwand beträchtlich. Andere Verfahren erreichen die Verhältnisbildung durch Bildung des Frequenzverhältnisses zweier Oszillatoren, deren Frequenz jeweils von der Kapazität eines Teilkondensators des Differential-kiondensators abhängt. Wegen der zusätzlichen passiven Bauelemente der Oszillatoren unterliegt diese Meßelektronik den störenden Umgebungseinflüssen, die nur durch Auswahl sehr stabiler Bauelemente und durch Selektion nach gleichen Temperatur-Koeffizienten allbgeschaltet werden können. Es kann auch zusätzlich z. B. die Usebungstemperatur gemessen und rechnerisch bei der Auswertung berücksichtigt werden.
  • Der nachstehend beschriebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einer sehr einfachen Meßelektronik, die infolge ihrer Funktionsweise wenig Störeinflüssen unterliegt, das Verhältnis der Kapazitäten eines Differentialkondensators in eine leicht digital auswertbare Größe umzuformen, ohne daß die Mittelelektrode des Meßkondensators aus zwei voneinander isolierte Platten bestehen muß. DiFe Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden Teilkondensatoren (3 u. 4) mittels eines elektrischen Umschalters (5) abwechselnd Integrationskondensator des Integrators (1) eines Relaxations-Oszillators sind. Infolge der Steuerung durch eine Frequenzuntersetzung (6) des Ausg2ngssignalsf s Komparators (2) ergibt sich als Meßsignal das Tastverhältnis des Ausgangssignals des Frequenzuntersetzers (6).
  • Der Vorteil besteht vor allem darin, daß das Tastverhältnis einer Rechteckschwingung sehr gut digital ausgewertet werden kann und die erforderliche Schaltung nur wenige Bauelemente benötigt. E<n weiterer Vorteil ist, daß infolge der Schaltung des Meßkondensators (3 . 4) als lntegrationskondensator Streukapazitäten praktisch keinen Einfluß auf das Meßergebnis haben.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Insbesondere durch die Ableitung der Hilfsspannungen (17 u. 18) aus der Versorgungsspannung + UO (24) und die Einführung weiterer Schalter (22 u. 23) eliminieren sich die Störeinflüsse der Bauelemente. Weiterhin wird durch Wahl einer Zählfrequenz, die ein Vielfaches der Grundfrequenz und mit dieser synchronisiert ist, eine besonders einfache digitale Auswertung des Meßergebnisses erreicht.
  • Bild 1 bis 7 zeigen die Schaltungselemente und Schaltungszustände.
  • Das Schaltungsprinzip ist in Bild 1 dargestellt. Über den Schalter (12) Ist jeweils für eine TeilperiodeAt1 bzw. nut (Bild 5) ein Teilkndensator, C1 (3) oder C2 (4), des Meßkondensators als lntegrationskondensator des Integrators (1) geschaltet. Der Integrator (1) erhält die zu integrierende Spannung + UH (17 oder 18) über den Umschalter So22). Ein mit S1 (22) gekoppelter Schalter 52 (23) führt dem Komparator (2) die Vergleichsspannungen + Um(14 u. 15) zu, die aus den Hilfsspannungen durch die Teilerwiderstände Rt 1,2,3 (16) gewonnen werden. Liegt z. B.
  • zum Zeitpunkt t1 (Bild 5) in der gezeichneten Schalterstellung von 1 (23) - UH (18) am Integrator (1), steigt seine Ausgangsspannung uc (18) linear an, bis sie + Uv erreicht und der Kom- parator die Schalter S1 und 2 (22 u. 23i umschaltet. U H und UV vertauschen die Vorzeichen, die Spannung uc sinkt linear ab, bis sie zum Zeitpunkt t2 U UV (14) erreicht. Der Komparator schaltet wiederum die Vorzeichen von UH und Uv um, aber gleichzeitig wird mit Hilfe des Flip-Flops (8) der Schalter (12) umgeschaltet und die Integration erfolgt nun mit dem Teilkondensator C2 (4). Nach erneuter Auf- und Abwärtsintegration wird zum Zeitpunkt t3 wieder auf den Teilkondensator C1 (3) zuruckgeschaltet. Die gesamte Periode T der Rechteckschwingung am Ausgang des Flip-Flops (8) besteht aus den Teilzeiten #t1 von t bis t2 und #t2 von t2 bis t3. Die Vergleichsspannuno U ergibt sich aus dem Widerstandsteiler (16) mit z. B. Rt1= Rt2= Rt3 + UV = 2 . 2 UH - UH = 1.UH 3 3 Die Periodendauer T =#t1 + #t2 ergibt sich aus der Internration: #t2 = 4 . RL # C2 (2 a) 3 Als Tastverhältnis gilt entweder oder bezogen auf die ganze Periode: Beide Definitionen des Tastverhältnisses liefern die gewünschte Abhängigkeit vom Kapazitätsverhältnis Der Ladewiderstcnd RL (7) hat keinen Einfluß.
  • Eine zusätzliche Verbesserung der Arbeitsweise der Schaltung erreicht man, wenn die jeweils inaktive Elektrode (10 tod.11) des Differentialkondensators (3/4) mit Hilfe eines Doppelumschalters (13) (Bild 2) synchron auf das negative Bezugspotential U (14) gelegt wird. Dadurch hat diese Elektrode stets ein eindeutiges Potential, auf das in der nächsten Halbperiode sowieso umgeschaltet wird. Die Hilfsspannungsquellen +UH (17 u.18) können auch die Versorgungsspannungen + + UO (24 u.25) der gesamten Schaltung sein.
  • + Die Forderung nach symmetrischen Hilfsspannungen UH kann man umgehen, wenn die positive Hilfsspannung +UH (17) eine einzige Spannungsquelle U1 (20) (Rild 3) ist und die negative Hilfsspannung UH mit einem Umkehrverstärker (19) (Bild 3) gewonnen wird. Die Spannung U1 (20) kann mit einem Teiler Rot4,5(21) oder einem Spannungsregler (26) aus der positiven Versorgungsspannung abgeleitet werden. (Bild 4).
  • Aufgrund der bisher beschriebenen Arbeitsweise ist die Spannung am Meßkondensator eine zu Null symmetrische Dreieckspannung zwischen den Vergleichsspannungen +Uv. Ein Vorteil zugunsten einer weiteren Störunanfälligkeit ergibt sich, wenn das negative Vergleichspotential gleich Nullpotential ist (Bild 4). Die inaktive Kondensatorelektrode (10 od.11) wird dann stets auf Nullpotential gehalten, und gegenüber der Mittelelektrode (9) besteht praktisch kein Potentialunterschied. Die Dreieckspannung schwingt jetzt nur noch zwischen +Uv und Null. - Selbstverständlich sind ohne Änderung des Prinzips der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung sämtliche Potentiale im Vorzeichen vertauschbar.
  • Die Auswertung des Tastverhältnisses der Ausgangsspannung des Untersetzers (6) kann mit einem Mikroprozessor (29) (Bild 6) vorgenommen werden. Dieser kann das Tastverhältnis mit seinem eigenen Takt ausmessen, errechnen und Mittelwerte bilden. Er kann aber auch eine mit Hilfe einer PLL-Schaltung (27) auf ein um den Teiler D2(31) Vielfaches der Grundfrequenz synchronisierte Zählfrequenz z benutzen.
  • D2 fz = D2# f = (5) tl + t2 Wählt man Hardware-Zähler zur Auswertung, so kann entweder ein Start-Stop-Zähler (30a), der während der Zeit#t1 die Frequenz z einzählt, benutzt werden, oder ein Vorwärts-Rückwärts-Zähler (30b), der die Zeitdifferenz #t1 - At2 mit der Frequenz z mißt. BeimStart-Stop-Záhler ergibt sich als Zählergebnis: und Vorwärts-Rückwärts-Zähler: Durch Mehrfachauswertung über einen Teiler D1 (28) erhält man eine Mittelwertbildung und Erhöhung der Auflösung. Die Zählergebnisse sind dann: E1 = E1' # D1 und E2 = E2 D1 ( 8 Die Vorteile der beschriebenen Schaltungsanordnung seien beispielhaft an einem Differentialkondensator-Meßaufnehmer demonstriert, dessen Mittelelektrode (9) gegen die feststehenden Außenelektroden (10 u. 11) um das zu messende Stück cr verschoben wird. Infolge der Quotientenbildung fallen die Störgrößen heraus. Es wird angenommen, daß die beiden Kondensatorflächen und ihre Ruheabstände gleich groß sind. Man erhält dann: Die Zählergebnisse sind: Eine weitere Verbesserung der Arbeitsweise der insbesondere i Bezug auf die digitale Auswertung des Tastverhältnisses kann erzielt werden, wenn man nach Bild 7 den Komparatorzustand auf einem D-Flip-Flop zwischenspeichert, wobei der Takteingang an den Generator angeschlossen wird, der die Zählfrequenz f liefert (z.B. entweder die Pll-Schaltung (27) oder der Zähltakt der auswertenden Zähler- oder Mikroprozessorschaltung (30a,b;29)). Das Umschalten der Kapazitäten C1 und C2 (3,4) und sämtlicher Hilfsspannungen (14,15; 17,18) ist damit mit dem Zähltakt synchronisiert, und die Teilperioden at1 und iEt2 sind stets ganzzahlige Vielfache der Zählperiode. Die Restladungen werden dilf dem unbenutzten Kondensator gespeichert und bei der nächterl Teilperiode mitberücksichtigt.
  • - Leerseite -

Claims (22)

  1. Schaltungsanordnung für einen Di fferentialkondensator-Meßaufnet'ne r Ansprüche: 1. Schaltungsanordnung für einen Meßaufnehmer für physikalische Größen nach dem Prinzip des Differentialkondensators (3 u. 4), aufbauend auf einem Relaxations-Oszillator aus einem Integrator (1) und einem Komparator (2), dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilkondensatoren (3 u. 4) mittels eines elektrischen Schaltelementes (5) und eines Frequenzuntersetzers (6) abwechselnd Integrationskondensator des Integrators (1) sind.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzuntersetzer (6) ein Flip-Flop (8) ist.
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzuntersetzer (6) aus mehreren, in Reihe geschalteten Flip-Flops besteht.
  4. 4. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Schaltelement (5) vom Ausgangssignal des Untersetzers (6) gesteuert wird.
  5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Komparators (2) Eingangssignal des Frequenzuntersetzers (6) ist.
  6. 6. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1, 4, 5 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode (9) des Differentialkondensators am Eingang des Integrationsverstärkers (1) liegt, die beiden Außenelektroden (10 und 11) an den Außenkontakten eines Umschalters (12) liegen und der Mittenkontakt am Ausgang des Integrators (1).
  7. 7. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltelement ein Doppelumschalter (13) verwendet wird, mit dem die jeweils inaktive Außenelektrode (10 oder 11) auf das konstante Vergleichspotential - Uv (14) geschaltet wird.
  8. 8. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5 und 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zu integrierenden Spannungen und die Vergleichsspannungen mit synchronen Umschaltelementen (22 u. 23) auf den Integrator (1) bzw.
    Komparator (2) geschaltet werden.
  9. 9. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltelemente (22 u. 23) vom Ausgangssignal des Komparators (2) gesteuert werden.
  10. 10. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsspannungen t und - Uv (14 u. 15) des Komparators (2) mit einem Spannungsteiler Rt 1,2,3 (16) aus den Hilfsspannungen + UH (17 und 18) gewonnen werden.
  11. 11. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannungen + UH (17 u. 18) die Versorgungsspannungen + UO (24 u. 25) sind.
  12. 12. Schaltungsanordnung nach den sprüchen 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Hilfsspannung (18) .mit einem Umkehrverstärker (19) aus einer einzigen positiven Spannungsquelle U1 (20) sonnen wird, die auch dann die positive Hilfsspannung + UH ist.
  13. 13. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannung U1 (20) mit einem Spannungsteiler Rt 4,5 (21j aus der positiven Versorgungsspannung + UO (24) gewonnen wird.
  14. 14. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Hilfsspannung + UH (20) mit einem Spannungsregler (26) aus der positiven Versorgungsspannung + UO (24) gewonnen wird.
  15. 15. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Vergìeichsspannung 14) gleich Nulipotential ist.
  16. 16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung das Tastverhältnis des Ausgangssignales des Frequenzuntersetzers (6) benutzt wird.
  17. 17. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung des Tastverhältnisses ein Mikroprozessoe'rwendt wird.
  18. (29) 18. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1, 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung des Tastverhåltnisses eine Zählfrequenz benutzt wird, die mittels einer PLL-Schaltung (27) auf ein Vielfaches der Grundfrequenz synchronisiert ist.
  19. 19. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1, 16 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung ein Start-Stop-Zähler !30 a) benutzt wird.
  20. 20. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1, 16 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung ein Vorwärts-Rückwärts-Zähler (30 b) verwendet wird.
  21. 21. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1, 16, 18, 19 und 20, dadurch nekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Auflösung und Mittelwertbildung eine Mehrfachauszählung mit Hilfe einer Untersetzerstufe (28) für die Grundfrequenz vorgenommen wird.
  22. 22. Scnoìungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Komparators (2) auf einem getakteten D-Flip-Flop (32) zwischengespeichert wird, der durch Takten von c-r Zahlfrequenz f (27) mit dieser synchronisiert wird und dessen Ausgang den Untersetzer (8) und die Umschaltelemente (22 u. 23) steuert.
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