DE3633792A1 - Schaltungsanordnung zur kapazitaets- oder admittanz-messung - Google Patents
Schaltungsanordnung zur kapazitaets- oder admittanz-messungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Kapazitäts-
oder Admittanz-Messung nach dem Prinzip der
Scheinstrommessung, bei welcher an die zu messende Kapazität
bzw. Admittanz eine Wechselspannung fester Größe
und Frequenz angelegt wird und der über die Kapazität bzw.
Admittanz fließende Wechselstrom als Maß für den Meßwert
dient.
Es sind Schaltungen verschiedener Art zur Kapazitätsmessung
nach dem Prinzip der Scheinstrommessung bekannt,
wobei eine feste Wechselspannung mit fester Frequenz an
das Meßobjekt mit der zu messenden Kapazität angelegt
wird. Der durch das Meßobjekt fließende Wechselstrom ist
der Spannung, der Frequenz und der zu messenden Kapazität
proportional. Werden Spannung und Frequenz konstant gehalten,
so ist der Wechselstrom ein Maß für die Kapazität.
Ein bekanntes Anwendungsgebiet solcher Kapazitätsmeßschaltungen
ist die kapazitive Füllstandsmessung, bei welcher
das Meßobjekt eine in einen Behälter ragende kapazitive
Sonde ist, deren Kapazität von dem Füllstand im Behälter
abhängt. Da der durch das Meßobjekt fließende Wechselstrom
auch der Admittanz (d. h. dem Scheinleitwert) proportional
ist, kann mit der gleichen Meßschaltung auch die Admittanz
des Meßobjekts gemessen werden.
Da bei diesem Meßprinzip der durch das Meßobjekt fließende
Meßwechselstrom dem Meßwert proportional ist, sind die bekannten
Meßschaltungen für den dem größten vorkommenden
Meßwert entsprechenden Strombedarf ausgelegt. Die Stromaufnahme
ist dann bei kleineren Meßwerten größer als dies
an sich für solche kleineren Meßwerte notwendig wäre. Die
bekannten Meßschaltungen sind daher wenig geeignet, wenn
bei Meßobjekten mit in einem großen Bereich veränderlichen
Meßwerten die Forderung einer möglichst geringen Stromaufnahme
besteht oder gar der verfügbare Strom seinerseits vom
Meßwert abhängt. Diese letzte Bedingung besteht insbesondere
bei den weit verbreiteten Meßschaltungen, die ihren
Versorgungsgleichstrom von einer entfernten Stelle über
eine Zweidrahtleitung beziehen, über die auch das Meßwertsignal
dadurch übertragen wird, daß der über die Zweidrahtleitung
fließende Gesamtstrom, der auch den Versorgungsgleichstrom
enthält, in Abhängigkeit vom Meßwert zwischen
zwei Grenzwerten (gewöhnlich zwischen 4 und 20 mA) verändert
wird. Zur Erzielung von Meßwechselströmen ausreichender
Größe müssen daher die bekannten Meßschaltungen oft mit
beträchtlichen Meßspannungen arbeiten, was in vielen Anwendungsfällen
unerwünscht oder sogar unzulässig ist. Auch
können viele bekannte Meßschaltungen nur in einem
engen Frequenzbereich arbeiten.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer nach dem
Prinzip der Scheinstrommessung arbeitenden Schaltungsanordnung
zur Kapazitäts- oder Admittanz-Messung, die mit geringem
Strombedarf und kleiner Meßwechselspannung in einem
weiten Meßbereich ein maximales Meßwertsignal liefert und
insbesondere die optimale Ausnutzung eines meßwertabhängigen
Versorgungsgleichstroms ermöglicht.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß
das Meßobjekt, dessen Kapazität bzw. Admittanz gemessen
werden soll, im Ausgangskreis eines als Spannungsfolger
geschalteten Verstärkerelements liegt, an dessen Steuerelektrode
die Wechselspannung angelegt ist, daß die mit
dem Meßobjekt verbundene Klemme des gesteuerten Strompfads
des Verstärkerelements mit dem entsprechenden Pol
der Betriebsspannungsquelle über eine einstellbare Stromquelle
verbunden ist, daß die nicht mit dem Meßobjekt verbundene
Strompfadklemme des Verstärkerelements über eine
für Wechselstrom hochohmige Impedanz mit dem anderen Pol
der Betriebsspannungsquelle sowie mit einer Gleichrichterschaltung
verbunden ist, die den ihr zugeführten Wechselstrom
in eine dazu proportionale Meßgleichspannung umwandelt,
und daß der über die einstellbaren Stromquellen
fließende Gleichstrom in Abhängigkeit von der Meßgleichspannung
eingestellt wird.
Die nach der Erfindung ausgebildete Schaltungsanordnung
ergibt die Wirkung, daß der vom Spannungsfolger aufgenommene
Gleichstrom stets dem durch den Meßwert bedingten
Wechselstrom angepaßt wird. Dadurch ergibt sich insgesamt
eine minimale Stromaufnahme. Vor allem aber kann bei Meßanordnungen
mit meßwertabhängigem Versorgungsgleichstrom
der jeweils verfügbare Versorgungsgleichstrom in einem weiten
Meßbereich optimal für die Meßwerterfassung ausgenutzt
werden. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eignet
sich daher besonders vorteilhaft für Meßanordnungen, bei
denen die Meßschaltung ihren Versorgungsgleichstrom über
eine Zweidrahtleitung bezieht, über die auch das Meßwertsignal
durch Änderung des über die Zweidrahtleitung fließenden
Gleichstroms übertragen wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels,
das in der Zeichnung dargestellt ist. In der Zeichnung
zeigt
Fig. 1 das Blockschaltbild einer nach der Erfindung
ausgebildeten Schaltungsanordnung und
Fig. 2 ein detaillierteres Schaltbild der beiden
einstellbaren Stromquellen in der Spannungsfolgerstufe
der Schaltungsanordnung von
Fig. 1.
Die in Fig. 1 dargestellte Kapazitätsmeßschaltung 10 dient
zur Messung der veränderlichen Kapazität C M eines Kondensators
11, der beispielsweise durch eine in einen Behälter
ragende kapazitive Sonde gebildet ist, so daß die Sondenkapazität
C M dem Füllstand proportional ist. Die Größe der
Kapazität C M kann sich daher zwischen den beiden Grenzwerten,
die einerseits dem leeren und andererseits dem vollen
Behälter entsprechen, in einem großen Bereich ändern.
Die Kapazitätsmeßschaltung 10 ist mit einem an einer entfernten
Stelle angeordneten, in der Zeichnung nicht dargestellten
Auswertegerät über eine Zweidrahtleitung 12 verbunden.
Die Kapazitätsmeßschaltung 10 enthält keine eigene
Energiequelle, sondern bezieht die für ihren Betrieb erforderliche
Gleichstromenergie über die Zweidrahtleitung 12 von
einer im Auswertegerät befindlichen Gleichspannungsquelle.
Über die Zweidrahtleitung 12 wird auch das den Meßwert der
Kapazität C M darstellende Meßwertsignal von der Kapazitätsmeßschaltung
10 zum Auswertegerät übertragen. Zu diesem
Zweck wird dem über die Zweidrahtleitung 12 übertragenen
Versorgungsgleichstrom I V ein Korrekturstrom I K überlagert,
der so bemessen wird, daß der über die Zweidrahtleitung 12
fließende Gesamtstrom
I M = I V + I K
zwischen zwei Grenzwerten
den Meßwert darstellt. Einem üblichen Standard entsprechend
ist der Gesamtstrom I M zwischen den Grenzwerten 4 und 20 mA
veränderlich.
Ein in der Kapazitätsmeßschaltung 10 an die Zweidrahtleitung
12 angeschlossener Spannungsregler 13 erzeugt eine
geregelte Betriebsgleichspannung U B für die verschiedenen
Schaltungsbestandteile der Kapazitätsmeßschaltung 10. Diese
Betriebsgleichspannung besteht zwischen zwei Versorgungsleitern
14 und 15, von denen angenommen ist, daß der
Versorgungsleiter 14 an Masse liegt, während der Versorgungsleiter
15 das gegenüber Masse positive Potential +U B
führt.
Über den Spannungsregler 13 fließt der Versorgungsgleichstrom
I V . Um dem Versorgungsgleichstrom I V den Korrekturstrom
I K zu überlagern, sind die beiden Leiter der Zweidrahtleitung
12 durch einen Nebenschlußzweig 16 überbrückt,
in dem eine von einer Stromkorrekturschaltung 17 gesteuerte
einstellbare Stromquelle 18 liegt.
Die eine Elektrode des Kondensators 11 liegt an Masse, und
seine andere Elektrode ist über einen Vorkondensator 19
mit dem Emitter eines npn-Transistors 20 verbunden. Der
Vorkondensator 19 dient nur der gleichstrommäßigen Trennung
des Kondensators 11 vom Rest der Schaltung; seine
Kapazität ist sehr groß gegen die zu messende Kapazität C M ,
so daß sie bei der Messung der Kapazität C M vernachlässigbar
ist.
Der Emitter des Transistors 20 ist mit dem an Masse liegenden
Leiter 14, also mit dem negativen Pol der Betriebsspannung
U B , über eine einstellbare Stromquelle 21 verbunden.
Der Kollektor des Transistors 20 ist mit dem Leiter 15,
also mit dem positiven Pol der Betriebsspannung U B , über
eine einstellbare Stromquelle 22 verbunden. Die Basis des
Transistors 20 ist über einen Basisvorwiderstand 23 mit
dem Leiter 15 verbunden. Ferner ist der Ausgang eines Oszillators
24 über einen Koppelkondensator 25 mit der Basis
des Transistors 20 verbunden.
An den Kollektor des Transistors 20 ist über einen Koppelkondensator
27 eine Gleichrichterschaltung 28 angeschlossen.
Der Ausgang der Gleichrichterschaltung 28 ist mit dem Eingang
der Stromkorrekturschaltung 17 sowie über einen Summierwiderstand
29 mit dem Eingang eines Verstärkers 30 verbunden.
Der Eingang des Verstärkers 30 ist außerdem über
einen zweiten Summierwiderstand 31 an den Abgriff eines
an der Betriebsspannung U B liegenden Potentiometers 32 angeschlossen.
Der Ausgang des Verstärkers 30 ist mit dem
Steuereingang der einstellbaren Stromquelle 21 verbunden.
Der Steuereingang der einstellbaren Stromquelle 22 ist an
den Kollektor des Transistors 20 angeschlossen.
Die bisher beschriebene Schaltung arbeitet in der folgenden
Weise:
Durch den Basisvorwiderstand 23 ist die Basis des Transistors
20 auf ein vorgegebenes Gleichspannungspotential
gelegt, dem die vom Oszillator 24 erzeugte Wechselspannung
u W überlagert ist. Das Basispotential ist so bemessen, daß
der Transistor 20 durch die an die Basis angelegte Wechselspannung
u W linear ausgesteuert wird. Der Transistor 20
ist als Spannungsfolger geschaltet, in dessen Emitterkreis
die Serienschaltung aus den Kondensatoren 11 und 19 parallel
zu der Stromquelle 21 liegt. Daher liegt die Wechselspannung
u W auch im Emitterkreis an der Serienschaltung aus
den Kondensatoren 11 und 19 an. Der Vorkondensator 19 stellt
wegen seiner großen Kapazität bei der Frequenz der Wechselspannung
u W praktisch einen Kurzschluß dar, so daß die
ganze Wechselspannung u W am Kondensator 11 anliegt.
Die Ausgangsspannung des Verstärkers 30 bestimmt den über
die Stromquelle 21 fließenden Gleichstrom I₁. Die Stromquelle
22 ist so ausgebildet, daß sie mit der Stromquelle
21 auf Gleichlauf gesteuert wird, so daß der über die Stromquelle
22 fließende Gleichstrom I₂ bis auf den vernachlässigbaren
Basisstrom stets gleich dem Gleichstrom I₁ ist.
Die beiden Stromquellen 21 und 22 stellen für den Wechselstrom
eine hohe Impedanz dar, so daß nur ein vernachlässigbarer
kleiner Teil des von der angelegten Wechselspannung
erzwungenen Wechselstroms über die Stromquellen fließt.
Im Emitterkreis fließt über den Kondensator 11 ein durch
die angelegte Wechselspannung u W und die Kapazität C M bestimmter
Meßwechselstrom i M , der praktisch gleich dem Emitterwechselstrom i E ist. Im Kollektorkreis fließt ein gegenüber
dem Emitterwechselstrom um den Übertragungsfaktor
reduzierter Kollektorwechselstrom
der bei ausreichend hoher Stromverstärkung β ebenfalls näherungsweise
gleich dem Meßwechselstrom i M ist. Wegen der
hohen Impedanz der Stromquelle 22 fließt nahezu der gesamte
Wechselstrom i M in den niederohmigen Eingang der Gleichrichterschaltung
28. Die Gleichrichterschaltung 28 erzeugt
am Ausgang eine Meßgleichspannung U M , die dem ihrem Eingang
zugeführten Wechselstrom proportional ist.
Die Messung der Kapazität C M beruht auf dem Prinzip der
Scheinstrommessung: Da die im Emitterkreis des Transistors
20 an die Serienschaltung aus den Kondensatoren 11 und 19
angelegte Wechselspannung konstant ist, ist der über diesen
Schaltungszweig fließende Wechselstrom i M der Admittanz
(d. h. dem Scheinleitwert) dieses Schaltungszweigs proportional.
Demzufolge ist auch die am Ausgang der Gleichrichterschaltung
28 abgegebene Meßgleichspannung U M dieser Admittanz
proportional. Wie erwähnt, ist die Kapazität des Vorkondensators
19 so groß, daß der Vorkondensator 19 für den
Wechselstrom praktisch als Kurzschluß angesehen werden kann.
Wenn der Kondensator 11 verlustfrei ist, ist seine Admittanz
ein reiner Blindleitwert des Wertes 2π f C M . Bei konstanter
Frequenz f des Oszillators 24 ist daher in diesem Fall die
Spannung U M der zu messenden Kapazität C M proportional. Die
beschriebene Meßschaltung ist jedoch grundsätzlich auch zur
Messung der Admittanz eines beliebigen Meßobjekts geeignet,
das anstelle des Kondensators 11 angeschlossen wird. Diese
Tatsache wird beispielsweise auch bei der kapazitiven Füllstandsmessung
ausgenutzt, wenn die kapazitive Sonde, die
den Kondensator 11 bildet, verlustbehaftet ist, wie es bei
der Messung des Füllstands gewisser Füllgüter der Fall sein
kann. In diesem Fall ist die Admittanz dem Füllstand proportional,
und die Meßgleichspannung U M ist wieder ein Maß für
den Füllstand.
In jedem Fall wird die den Meßwert darstellende Meßgleichspannung
U M an die Stromkorrekturschaltung 17 angelegt, die
durch Steuerung der einstellbaren Stromquelle 18 den über
den Nebenschlußzweig 16 fließenden Korrekturstrom I K so einstellt,
daß der über die Zweidrahtleitung 12 fließende Gesamtstrom
I M in einer vorgegebenen Beziehung zu der Meßgleichspannung
U M steht und dadurch den Meßwert darstellt.
Die Besonderheit der den Transistor 20 enthaltenden Spannungsfolgerstufe
besteht darin, daß durch die beiden einstellbaren
Stromquellen 21, 22, die die Kollektor-Emitter-
Strecke mit den beiden Polen der Betriebsspannung verbinden,
die Entnahme eines konstanten Gleichstroms erzwungen wird,
dem sich der Meßwechselstrom i M nur zwischen den beiden
Stromquellen überlagern kann. Wenn die Basisspannung infolge
der überlagerten Wechselspannung zunimmt, wird der
Kondensator 11 durch einen entsprechend zunehmenden Strom
über die Kollektor-Emitter-Strecke aufgeladen. Da dieser
zunehmende Strom nicht über die Stromquelle 22 geliefert
werden kann, wird er aus der Gleichrichterschaltung 28 entnommen.
Wenn die Basisspannung wieder kleiner wird, entlädt
sich der Kondensator 11 durch einen entgegengesetzt
gerichteten Strom, der nunmehr über die Stromquelle 21
fließen muß. Der entsprechende Stromanteil fließt
dann aus der Stromquelle 22 in die Gleichrichterschaltung
27.
Aus dieser Funktionsweise folgt, daß der über die Stromquelle
21 fließende Gleichstrom I₁ stets größer als der
Spitzenwert des über den Kondensator 11 fließenden Wechselstroms
i M sein muß. Dieser Spitzenwert ist aber der zu
messenden Kapazität C M proportional. Wenn die Stromquelle
21 fest eingestellt wäre, müßte der Gleichstrom I₁ dauernd
entsprechend dem größten vorkommenden Wert der zu messenden
Kapazität C M eingestellt sein. Dieser Strom müßte auch
dann verfügbar sein, wenn der über die Zweidrahtleitung 12
fließende Gesamtstrom I M bei dem kleinsten vorkommenden
Wert der Kapazität C M den unteren Grenzwert von 4 mA hätte.
Da in diesem Strom von 4 mA auch der Versorgungsgleichstrom
der übrigen Schaltungsbestandteile der Kapazitätsmeßschaltung
10 enthalten ist, stünde für die Kapazitätsmessung
auch beim größten vorkommenden Wert der Kapazität C M nur
ein Bruchteil des Stroms von 4 mA zur Verfügung. Auf diesen
Bruchteil wäre die maximale Amplitude des Meßwechselstroms
i M beschränkt; bei kleineren Kapazitätswerten wäre
sie entsprechend kleiner.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Kapazitätsmeßschaltung
wird durch den den Verstärker 30 enthaltenden Steuerkreis
eine Kapazitätsmessung mit wesentlich größerem Meßwechselstrom
i M ermöglicht. Durch diesen Steuerkreis wird der über
die Stromquelle 21 fließende Gleichstrom I₁ in Abhängigkeit
von der Meßgleichspannung U M so nachgesteuert, daß er stets
geringfügig größer ist als der Spitzenwert des Meßwechselstroms
i M , der bei dem betreffenden Wert der Kapazität C M
über den Kondensator 11 fließt. Dadurch kann beim größten
vorkommenden Wert der Kapazität C M der Maximalwert (20 mA)
des über die Zweidrahtleitung 12 fließenden Gesamtstroms I M
ausgenutzt werden. Bei kleineren Werten der Kapazität C M
wird die Meßgleichspannung U M kleiner, so daß sowohl der
über die Zweidrahtleitung 12 fließende Gesamtstrom I M als
auch der über die Stromquelle 21 fließende Gleichstrom I₁
verringert werden. Da aber bei kleineren Kapazitätswerten
auch die Amplitude des Meßwechselstroms i M kleiner wird,
reicht der verfügbare Versorgungsgleichstrom I M für einen
Gleichstrom I₁ aus, der ausreichend groß für die Entladung
des Kondensators 11 ist. Die Kapazitätsmessung erfolgt daher
stets unter optimaler Ausnutzung des verfügbaren Versorgungsgleichstroms.
Mittels des Potentiometers 32 kann in der Stromquelle 21
ein kleiner, von der Meßspannung U M unabhängiger Grundstrom
eingestellt werden, um den Anlauf der Schaltung
sicherzustellen.
Während die Stromquelle 21 durch die Ausgangsspannung des
Verstärkers 30 in Abhängigkeit von der Meßspannung U M
fremdgesteuert wird, wird die Stromquelle 22 selbsttätig
auf Gleichlauf mit der Stromquelle 21 gesteuert. Dies ist
bei einer Serienschaltung von Stromquellen erforderlich,
um zu verhindern, daß eine der Stromquellen in der einen
oder anderen Richtung bis zum Anschlag läuft.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der beiden Stromquellen
21 und 22, mit dem diese Wirkung erzielt wird.
Die Stromquelle 21 enthält in einer an sich bekannten Weise
einen Operationsverstärker 40, dessen Ausgang mit der Basis
eines npn-Transistors 41 verbunden ist. Der Kollektor des
Transistors 41 ist mit dem Emitter des Transistors 20 verbunden,
und der Emitter des Transistors 41 ist über einen
Widerstand 42 mit dem an Masse liegenden Leiter 14 verbunden.
Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 40
ist direkt an den Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand
42 und dem Emitter des Transistors 41 angeschlossen. Der
Ausgang des Verstärkers 30 ist mit dem nichtinvertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 40 verbunden. Der
über den Transistor 41 fließende Strom I₁ ist durch die
Ausgangsspannung des Verstärkers 30 bestimmt.
In entsprechender Weise enthält die Stromquelle 22 einen
Operationsverstärker 50, dessen Ausgang mit der Basis eines
pnp-Transistors 51 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors
51 ist mit dem Kollektor des Transistors 20 verbunden,
während der Emitter des Transistors 51 über einen
Widerstand 52 mit dem am positiven Potential +U B liegenden
Leiter 15 verbunden ist. Der invertierende Eingang des
Operationsverstärkers 50 ist direkt an den Verbindungspunkt
zwischen dem Widerstand 52 und dem Emitter des Transistors
51 angeschlossen. Der nichtinvertierende Eingang
des Operationsverstärkers 50 ist über einen Widerstand 53,
dem ein Kondensator 54 parallelgeschaltet ist, mit dem
Leiter 15 verbunden. Der Kondensator 54 ist erforderlich,
weil die Stromquelle im vorliegenden Fall als Impedanz
verwendet wird. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers
50 ist außerdem über einen Widerstand 55
an den Verbindungspunkt zwischen den Kollektoren der Transistoren
51 und 20 angeschlossen. Dadurch wird der über
den Transistor 51 und die Widerstände 53, 55 fließende
Strom I₂ stets gleich dem über den Transistor 41 fließenden
Strom I₁ eingestellt.
Da die Stromquelle 22 als Impedanz dient, die für Wechselstrom
sehr hochohmig ist, aber keinen großen Gleichspannungsabfall
verursacht, kann sie auch durch eine andere
Impedanz ersetzt werden, die die gleiche Wirkung ergibt,
insbesondere durch eine Induktivität.
Da der Oszillator 24 und die vom Transistor 20 gebildete
Emitterfolgeschaltung einen endlichen Innenwiderstand haben,
ist in der Kapazitätsmeßschaltung von Fig. 1 zusätzlich
ein Spannungsregelkreis vorgesehen, der die Wechselspannung
am Emitter des Transistors 20 konstant hält. Der
Spannungsregelkreis enthält einen Spannungs-Strom-Wandler
60, dem eine Gleichrichterschaltung 61 nachgeschaltet ist.
Der Spannungs-Strom-Wandler 60 kann den gleichen Aufbau
haben wie die in der Kapazitätsmeßschaltung als Spannungs-
Strom-Wandler dienende Spannungsfolgerstufe mit dem Transistor
20 und den beiden Stromquellen 21 und 22, wobei
lediglich anstelle des Kondensators 11 mit der veränderlichen
Meßkapazität C M ein Kondensator 62 mit einer festen
Referenzkapazität C R im Emitterkreis des Transistors liegt.
Der über den Kondensator 62 fließende Wechselstrom, der
der Emitterwechselspannung proportional ist, wird durch
die Gleichrichterschaltung 61 in eine dazu proportionale
Gleichspannung U ist umgewandelt. Der Ausgang der Gleichrichterschaltung
61 ist mit dem einen Eingang eines Differenzverstärkers
63 verbunden. Am anderen Eingang des Differenzverstärkers
63 liegt eine konstante Referenzspannung
U Ref an, die beispielsweise mittels einer Referenzdiode 64
und eines Widerstands 65 aus der Betriebsspannung U B gewonnen
wird. Die am Ausgang des Differenzverstärkers 63
abgegebene Differenzspannung wird an einen Spannungssteuereingang
des Oszillators 24 angelegt. Dadurch wird die
Amplitude der vom Oszillator 24 erzeugten Wechselspannung
u W in einem solchen Sinne geregelt, daß eine bestehende
Regelabweichung beseitigt wird. Somit wird die Wechselspannung
im Emitterkreis des Transistors 20 auf dem durch
die Referenzspannung U Ref bestimmten konstanten Wert gehalten.
Ein besonderer Vorteil der beschriebenen Kapazitätsmeßschaltung
besteht darin, daß sie mit sehr unterschiedlichen
Frequenzen des Oszillators 24 betrieben werden kann.
Dies ist erwünscht, weil Kapazitäts- oder Admittanz-Meßschaltungen,
je nach dem Anwendungsgebiet, mit sehr unterschiedlichen
Frequenzen betrieben werden müssen. So gibt
es bei der kapazitiven Füllstandsmessung Anwendungsfälle,
in denen mit Meßfrequenzen kleiner 50 kHz gearbeitet wird,
und andere Anwendungsfälle, in denen die Meßfrequenzen
größer 500 kHz sind. Die beschriebene Kapazitätsmeßschaltung
kann bei entsprechender Normierung der Meßgleichspannung
ohne weiteres in einem so großen Frequenzbereich
betrieben werden. Bei allen Frequenzen kann mit einer verhältnismäßig
kleinen Meßspannung gearbeitet werden.
Ferner zeigt das Schaltbild von Fig. 1, daß die Kapazitätsmeßschaltung
die Messung einer einseitig geerdeten Kapazität
bzw. Admittanz ohne Übertrager ermöglicht.
Die beschriebene Kapazitätsmeßschaltung kann in verschiedener
Hinsicht abgeändert werden. Insbesondere kann anstelle
des npn-Transistors 20 auch ein anderes Verstärkerelement
verwendet werden, beispielsweise ein pnp-Transistor
oder ein Feldeffekttransistor. In jedem Fall wird das
Verstärkerelement als Spannungsfolgerstufe geschaltet,
wobei der gesteuerte Strompfad jeweils durch eine einstellbare
Stromquelle mit dem einen bzw. anderen Pol der
Betriebsspannungsquelle verbunden ist und der Strom durch
die einstellbaren Stromquellen in Abhängigkeit von der
Meßgleichspannung gesteuert wird. Wenn das Verstärkerelement
ein pnp-Transistor ist, gilt das Schaltbild von Fig. 1
mit dem Unterschied, daß die Polaritäten aller Spannungen
umgekehrt sind. Bei beiden Arten von bipolaren Transistoren
ist der gesteuerte Strompfad die Kollektor-Emitter-Strecke.
Wenn das Verstärkerelement ein Feldeffekttransistor ist,
ist der gesteuerte Strompfad die Source-Drain-Strecke.
Die Eigenschaft der beschriebenen Meßschaltung, daß sich
der Strombedarf an die Größe der zu messenden Kapazität
oder Admittanz anpaßt, ist nicht nur dann von Vorteil,
wenn die Meßschaltung ihren Versorgungsgleichstrom über
eine Zweidrahtleitung empfängt, über die auch das Meßwertsignal
durch Änderung des Gesamtgleichstroms übertragen
wird, sondern auch in allen anderen Fällen, in denen ein
minimaler Strombedarf erwünscht ist. Dies gilt beispielsweise
für batteriebetriebene Geräte, bei denen die Lebensdauer
der Batterie dadurch vergrößert wird, daß die Stromentnahme
bei kleinen Meßwerten der Kapazität bzw. Admittanz
herabgesetzt wird.
Claims (10)
1. Schaltungsanordnung zur Kapazitäts- oder Admittanz-
Messung nach dem Prinzip der Scheinstrommessung, bei
welcher an die zu messende Kapazität bzw. Admittanz eine
Wechselspannung fester Größe und fester Frequenz angelegt
wird und der über die Kapazität bzw. Admittanz
fließende Wechselstrom als Maß für den Meßwert dient,
dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt, dessen Kapazität
bzw. Admittanz gemessen werden soll, im Ausgangskreis
eines als Spannungsfolger geschalteten Verstärkerelements
liegt, an dessen Steuerelektrode die Wechselspannung angelegt
ist, daß die mit dem Meßobjekt verbundene Klemme
des gesteuerten Strompfads des Verstärkerelements mit dem
entsprechenden Pol der Betriebsspannungsquelle über eine
einstellbare Stromquelle verbunden ist, daß die nicht mit
dem Meßobjekt verbundene Strompfadklemme des Verstärkerelements
über eine für Wechselstrom hochohmige Impedanz
mit dem anderen Pol der Betriebsspannungsquelle sowie mit
einer Gleichrichterschaltung verbunden ist, die den ihr
zugeführten Wechselstrom in eine dazu proportionale Meßgleichspannung
umwandelt, und daß der über die einstellbaren
Stromquellen fließende Gleichstrom in Abhängigkeit von
der Meßgleichspannung eingestellt wird.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der über die einstellbare Stromquelle
fließende Gleichstrom in Abhängigkeit von der Meßgleichspannung
so eingestellt wird, daß er stets geringfügig
größer als der Spitzenwert des über das Meßobjekt fließenden
Wechselstroms ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Einstellung des über die einstellbare
Stromquelle fließenden Gleichstroms ein Steuerkreis
vorgesehen ist, der einen Verstärker enthält, dem einerseits
die Meßgleichspannung und andererseits eine von der
Meßgleichspannung unabhängige feste Spannung zur Einstellung
eines konstanten Grundstroms zugeführt werden.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die für Wechselstrom hochohmige
Impedanz eine zweite einstellbare Stromquelle ist, die so
ausgebildet ist, daß sie selbsttätig auf Gleichlauf mit der
ersten einstellbaren Stromquelle gesteuert wird.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkerelement ein bipolarer
Transistor ist, dessen Kollektor-Emitter-Strecke
den gesteuerten Strompfad bildet, in dessen Emitterkreis
das Meßobjekt parallel zu der ersten einstellbaren Stromquelle
am einen Pol der Betriebsspannungsquelle liegt,
dessen Kollektor über die zweite einstellbare Stromquelle
mit dem anderen Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden
ist und an dessen Kollektor die Gleichrichterschaltung
angeschlossen ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkerelement ein
Feldeffekttransistor ist, dessen Source-Drain-Strecke
den gesteuerten Strompfad bildet.
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungsregelkreis
vorgesehen ist, der die am Meßobjekt anliegende
Wechselspannung mißt und die an die Steuerelektrode des
Verstärkerelements angelegte Wechselspannung im Sinne
einer Konstanthaltung der gemessenen Wechselspannung
regelt.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Spannungsregelkreis enthält:
- - einen Spannungs-Strom-Wandler, der die am Meßobjekt anliegende Wechselspannung in einen dazu proportionalen Wechselstrom umwandelt;
- - eine dem Spannungs-Strom-Wandler nachgeschaltete Gleichrichterschaltung, die den Wechselstrom in eine dazu proportionale Gleichspannung umwandelt;
- - einen Differenzverstärker, der die Gleichspannung mit einer festen Referenzspannung vergleicht und ein die Abweichung darstellendes Ausgangssignal liefert.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Spannungs-Strom-Wandler des Spannungsregelkreises
in gleicher Weise wie die in der Meßschaltung
als Spannungs-Strom-Wandler dienende Spannungsfolgerstufe
ausgebildet ist, wobei im Ausgangskreis der
Spannungsfolgerstufe anstelle des Meßobjekts eine feste
Referenzkapazität bzw. Referenzadmittanz liegt.
10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die für Wechselstrom
hochohmige Impedanz durch eine Induktivität gebildet
ist.
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