DE3633792A1 - Schaltungsanordnung zur kapazitaets- oder admittanz-messung - Google Patents

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.