DE3633792C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Admittanz
messung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es sind Schaltungen verschiedener Art zur Admittanzmessung
nach dem Prinzip der Scheinstrommessung bekannt, wobei eine
feste Wechselspannung mit fester Frequenz an das Meßobjekt
mit der zu messenden Admittanz angelegt wird. Der durch das
Meßobjekt fließende Wechselstrom ist der Spannung, der Frequenz
und der zu messenden Admittanz proportional. Werden
Spannung und Frequenz konstant gehalten, so ist der Wechselstrom
ein Maß für die Admittanz.
In den meisten Anwendungsfällen ist das Meßobjekt ein verlustfreier
Kondensator, so daß die gemessene Admittanz ein
rein kapazitiver Blindleitwert ist, der bei der bekannten
konstanten Meßfrequenz der Kapazität des Kondensators proportional
ist. In diesen Fällen kann die Schaltungsanordnung
unmittelbar als Kapazitätsmeßschaltung verwendet werden.
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 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 Meßwert
signal 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 Frequenz
bereich arbeiten.
Aus der DE-AS 12 49 404, von der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1
ausgegangen wird, ist ein Kapazitätsmeßgerät bekannt,
das nach dem Prinzip der Scheinstrommessung arbeitet.
Bei diesem bekannten Kapazitätsmeßgerät liegt das Meßobjekt,
dessen Kapazität gemessen werden soll, parallel zu einem
Kondensator bekannter Kapazität und zu einer Spule bekannter Induktivität
im Emitterkreis eines Transistors, an dessen Basis
die Wechselspannung angelegt ist und dessen Kollektor über
einen Widerstand mit der Betriebsspannungsquelle verbunden ist.
Die Frequenz der Wechselspannung sowie die Kapazität des Kondensators
und die Induktivität der Spule, die parallel zum Meßobjekt
geschaltet sind, sind so groß und der Leitwert der Spule ist so
klein bemessen, daß der Leitwert der Spule und der Reziprokwert
des induktiven Widerstands der Spule zusammen mit dem Leitwert
des Meßobjekts im Rahmen der gewünschten Meßgenauigkeit vernachlässigbar
sind gegenüber der Summe der kapazitiven Widerstände
des Kondensators und des Meßobjekts. Durch den Kollektorwiderstand
wird der Meßwechselstrom in eine dazu proportionale Meßwechsel
spannung umgesetzt, die an der Kollektorklemme zur Verfügung
steht und durch eine an dieser Klemme angeschlossene Gleichrichter
schaltung in eine Meßgleichspannung umgewandelt wird.
Hierbei besteht das Problem der Gleichrichtung kleiner Wechselspannungen
mit einem großen Dynamikbereich. Wenn die Meßwechselspannung
bei den kleinsten zu messenden Kapazitäten ausreichend
groß ist, um eine weitgehend temperaturunabhängige und lineare
Gleichrichtung zu ermöglichen, wird die Wechselspannungsamplitude
bei der größten zu messenden Kapazität um einen dem Kapazitätsverhältnis
entsprechenden Faktor größer, so daß eine entsprechend
hohe Versorgungsgleichspannung erforderlich ist. Ferner
kann die im Emitterkreis liegende Induktivität nur bei hoher
Betriebsfrequenz mit annehmbarer Größe realisiert werden. Die
bekannten Präzisionsgleichrichter erfordern bei hohen Frequenzen
Operationsverstärker mit einer hohen Transitfrequenz und dementsprechend
großer Stromaufnahme.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer nach dem Prinzip
der Scheinstrommessung arbeitenden Schaltungsanordnung zur Admittanz
messung, die mit geringem Strombedarf und bei kleiner Versorgungsgleichspannung
in einem weiten Meßbereich und Frequenzbereich
ein maximales Meßwertsignal liefert und insbesondere die
optimale Ausnutzung eines meßwertabhängigen Versorgungsgleichstroms
ermöglicht.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Merkmale des
Patentanspruchs 1 gelöst.
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 Versorgungsausgleichsstrom
der jeweils verfügbare Versorgungsgleichstrom in einem weiten
Meßbereich optimal für eine Meßwerterfassung ausgenutzt
werden. Da ferner der im Kollektor fließende Wechselstrom nicht
zunächst in einer Wechselspannung, sondern direkt in die Meßgleichspannung
umgeformt wird, kann die erforderliche Linearität
und Temperaturunabhängigkeit der Gleichrichtung mit einer niedrigen
Versorgungsgleichspannung erzielt werden. Die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung eignet sich daher besonders vorteilhaft
für Meßanordnungen, bei denen die Meßschaltung ihren Versorgungs
gleichstrom über eine Zweidrahtleitung bezieht, über die auch
das Meßwertsignal durch Änderung des über die Zweidrahtleitung
fließenden Gleichstroms übertragen wird und die mit verhältnismäßig
niedriger Versorgungsgleichspannung betrieben wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
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.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Meßschaltung 10 ist angenommen,
daß das Meßobjekt ein Kondensator 11 ist, der beispielsweise
durch eine in einen Behälter ragende kapazitive Sonde gebildet
ist, so daß die Sondenkapazität CM dem Füllstand proportional
ist. Die Größe der Kapazität CM kann sich daher zwischen den
beiden Grenzwerten, die einerseits dem leeren und andererseits
dem vollen Behälter entsprechen, in einem großen Bereich ändern.
Der Kondensator 11 ist im wesentlichen verlustfrei, so daß die
gemessene Admittanz der Blindleitwert 2πf CM des Kondensators
11 ist, der der veränderlichen Kapazität CM direkt proportional
ist. Die Meßschaltung 10 kann daher in diesem Sonderfall unmittelbar
die Kapazität CM messen, und sie wird demzufolge nachstehend
als Kapazitätsmeßschaltung bezeichnet.
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 CM darstellende Meßwertsignal von der Kapazitäts
meßschaltung 10 zum Auswertegerät übertragen. Zu diesem
Zweck wird dem über die Zweidrahtleitung 12 übertragenen
Versorgungsgleichstrom IV ein Korrekturstrom IK überlagert,
der so bemessen wird, daß der über die Zweidrahtleitung 12
fließende Gesamtstrom IM=IV+IK zwischen zwei Grenzwerten
den Meßwert darstellt. Einem üblichen Standard entsprechend
ist der Gesamtstrom IM zwischen den Grenzwerten 4 und 20 mA
veränderlich.
Ein in der Kapazitätsmeßschaltung 10 an die Zweidrahtleitung
12 angeschlossener Spannungsregler 13 erzeugt eine
geregelte Betriebsgleichspannung UB für die verschiedenen
Schaltungsbestandteile der Kapazitätsmeßschaltung 10. Diese
Betriebsgleichspannung besteht zwischen zwei Versorgungs
leitern 14 und 15, von denen angenommen ist, daß der
Versorgungsleiter 14 an Masse liegt, während der Versorgungs
leiter 15 das gegenüber Masse positive Potential +UB
führt.
Über den Spannungsregler 13 fließt der Versorgungsgleichstrom
IV. Um dem Versorgungsgleichstrom IV den Korrekturstrom
IK zu überlagern, sind die beiden Leiter der Zwei
drahtleitung 12 durch einen Nebenschlußzweig 16 überbrückt,
in dem eine von einer Stromkorrekturschaltung 17 gesteuerte
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 CM,
so daß sie bei der Messung der Kapazität CM vernachlässigbar
ist.
Der Emitter des Transistors 20 ist mit dem an Masse liegenden
Leiter 14, also mit dem negativen Pol der Betriebsspan
nung UB, über eine erste steuerbare Stromquelle 21 verbunden.
Der Kollektor des Transistors 20 ist mit dem Leiter 15,
also mit dem positiven Pol der Betriebsspannung UB, über
eine zweite steuerbare Stromquelle 22 verbunden. Die Basis des
Transistors 20 ist über einen Basisvorwiderstand 23 mit
dem Leiter 15 verbunden. Ferner ist der Ausgang eines Os
zillators 24 über einen Koppelkondensator 25 mit der Basis
des Transistors 20 verbunden.
An den Kollektor des Transistors 20 ist über einen Koppel
kondensator 27 eine Gleichrichterschaltung 28 angeschlossen.
Der Ausgang der Gleichrichterschaltung 28 ist mit dem Eingang
der Stromkorrekturschaltung 17 sowie über einen Summier
widerstand 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 UB liegenden Potentiometers 32 angeschlossen.
Der Ausgangs des Verstärkers 30 ist mit dem
Steuereingang der ersten steuerbaren Stromquelle 21 verbunden.
Der Steuereingang der zweiten steuerbaren 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
uW überlagert ist. Das Basispotential ist so bemessen, daß
der Transistor 20 durch die an die Basis angelegte Wechselspannung
uW 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
uW 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 Wechsel
spannung uW praktisch einen Kurzschluß dar, so daß die
ganze Wechselspannung uW 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 uW und die Kapazität CM bestimmter
Meßwechselstrom iM, der praktisch gleich dem Emitter
wechselstrom iE ist. Im Kollektorkreis fließt ein gegenüber
dem Emitterwechselstrom um den Übertragungsfaktor
reduzierter Kollektorwechselstrom
der bei ausreichend hoher Stromverstärkung β ebenfalls näherungsweise
gleich dem Meßwechselstrom iM ist. Wegen der
hohen Impedanz der Stromquelle 22 fließt nahezu der gesamte
Wechselstrom iM in den niederohmigen Eingang der Gleich
richterschaltung 28. Die Gleichrichterschaltung 28 erzeugt
am Ausgang eine Meßgleichspannung UM, die dem ihrem Eingang
zugeführten Wechselstrom proportional ist.
Die Messung der Kapazität CM 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
(d. h. dem Scheinleitwert) dieses Schaltungszweigs proportional.
Demzufolge ist auch die am Ausgang der Gleichrichter
schaltung 28 abgegebene Meßgleichspannung UM dieser Admittanz
proportional. Wie erwähnt, ist die Kapazität des Vor
kondensators 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 2πf CM. Bei konstanter
Frequenz f des Oszillators 24 ist daher in diesem Fall die
Spannung UM der zu messenden Kapazität CM 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 Füll
standsmessung 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 UM ist wieder ein Maß für
den Füllstand.
In jedem Fall wird die den Meßwert darstellende Meßgleichspannung
UM an die Stromkorrekturschaltung 17 angelegt, die
durch Steuerung der Stromquelle 18 den über
den Nebenschlußzweig 16 fließenden Korrekturstrom IK so einstellt,
daß der über die Zweidrahtleitung 12 fließende Gesamtstrom
IM in einer vorgegebenen Beziehung zu der Meß
gleichspannung UM steht und dadurch den Meßwert darstellt.
Die Besonderheit der den Transistor 20 enthaltenden Spannungs
folgerstufe besteht darin, daß durch die beiden
steuerbaren 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 iM 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
iM sein muß. Dieser Spitzenwert ist aber der zu
messenden Kapazität CM proportional. Wenn die Stromquelle
21 fest eingestellt wäre, müßte der Gleichstrom I₁ dauernd
entsprechend dem größten vorkommenden Wert der zu messenden
Kapazität CM eingestellt sein. Dieser Strom müßte auch
dann verfügbar sein, wenn der über die Zweidrahtleitung 12
fließende Gesamtstrom IM bei dem kleinsten vorkommenden
Wert der Kapazität CM 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 CM nur
ein Bruchteil des Stroms von 4 mA zur Verfügung. Auf diesen
Bruchteil wäre die maximale Amplitude des Meßwechselstroms
iM beschränkt; bei kleineren Kapazitätswerten wäre
sie entsprechend kleiner.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Kapazitätsmeßschaltung
wird durch den den Verstärker 30 enthaltenden Steuerkreis
eine Kapazitätsmeßschaltung mit wesentlich größerem Meßwechselstrom
iM ermöglicht. Durch diesen Steuerkreis wird der über
die Stromquelle 21 fließende Gleichstrom I₁ in Abhängigkeit
von der Meßgleichspannung UM so nachgesteuert, daß er stets
geringfügig größer ist als der Spitzenwert des Meßwechselstroms
iM, der bei dem betreffenden Wert der Kapazität CM
über den Kondensator 11 fließt. Dadurch kann beim größten
vorkommenden Wert der Kapazität CM der Maximalwert (20 mA)
des über die Zweidrahtleitung 12 fließenden Gesamtstroms IM
ausgenutzt werden. Bei kleineren Werten der Kapazität CM
wird die Meßgleichspannung UM kleiner, so daß sowohl der
über die Zweidrahtleitung 12 fließende Gesamtstrom IM als
auch der über die Stromquelle 21 fließende Gleichstrom I₁
verringert werden. Da aber bei kleineren Kapazitätswerten
auch die Amplitude des Meßwechselstroms iM kleiner wird,
reicht der verfügbare Versorgungsgleichstrom IM 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 Ver
sorgungsgleichstroms.
Mittels des Potentiometers 32 kann in der Stromquelle 21
ein kleiner, von der Meßspannung UM 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 UM
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 ver
bunden, 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 positiven Potential +UB 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 Operations
verstärkers 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 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 CM ein Kondensator 62 mit einer festen
Referenzkapazität CR 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 Uist umgewandelt. Der Ausgang der Gleich
richterschaltung 61 ist mit dem einen Eingang eines Differenz
verstärkers 63 verbunden. Am anderen Eingang des Differenz
verstärkers 63 liegt eine konstante Referenzspannung
URef an, die beispielsweise mittels einer Referenzdiode 64
und eines Widerstands 65 aus der Betriebsspannung UB ge
wonnen wird. Die am Ausgang des Differenzverstärkers 63
abgegebene Differenzspannung wird an einen Spannungssteuer
eingang des Oszillators 24 angelegt. Dadurch wird die
Amplitude der vom Oszillator 24 erzeugten Wechselspannung
uW in einem solchen Sinne geregelt, daß eine bestehende
Regelabweichung beseitigt wird. Somit wird die Wechsel
spannung im Emitterkreis des Transistors 20 auf dem durch
die Referenzspannung URef 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 verhältnis
mäßig 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 Verstärker
element 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 eine 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 kleineren Meßwerten der Kapazität bzw. Admittanz
herabgesetzt wird.
Claims (5)
1. Schaltungsanordnung zur Admittanzmessung nach dem Prinzip
der Scheinstrommessung, bei welcher das Meßobjekt, dessen
Admittanz gemessen werden soll, im Ausgangskreis eines
Verstärkerelements liegt, an dessen Steuerelektrode eine
Wechselspannung fester Frequenz angelegt ist, wobei die beiden
Klemmen des gesteuerten Strompfades des Verstärkerelements
jeweils über eine Impedanz mit dem einen bzw. dem anderen
Pol einer Betriebsspannungsquelle verbunden sind und an
die nicht mit dem Meßobjekt verbundene Strompfadklemme des
Verstärkerelements eine Gleichrichterschaltung angeschlossen
ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Impedanz, die die
mit dem Meßobjekt (11) verbundene erste Strompfadklemme des
Verstärkerelements (20) mit dem ersten Pol (14) der Betriebs
spannungsquelle (13) verbindet, eine erste steuerbare Stromquelle
(21) ist, daß die zweite Impedanz, die die nicht
mit dem Meßobjekt (11) verbundene zweite Strompfadklemme mit
dem zweiten Pol (15) der Betriebsspannungsquelle (13) verbindet,
eine zweite steuerbare Stromquelle (22) ist, die so
ausgebildet ist, daß sie selbsttätig auf Gleichlauf mit der
ersten steuerbaren Stromquelle (21) gesteuert wird, daß die
Gleichrichterschaltung (28) so ausgebildet ist, daß sie den
ihr zugeführten Wechselstrom (iM) in eine dazu proportionale
Meßgleichspannung (UM) umwandelt, und daß der über die erste
steuerbare Stromquelle (21) fließende Gleichstrom (I₁) in
Abhängigkeit von der Meßgleichspannung (UM) so eingestellt
wird, daß er stets geringfügig größer als der Spitzenwert
des über das Meßobjekt (11) fließenden Wechselstroms (iM)
ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Einstellung des über die erste steuerbare
Stromquelle (21) fließenden Gleichstroms (I₁) ein Steuerkreis
vorgesehen ist, der einen Verstärker (30) enthält, dem
einerseits die Meßgleichspannung (UM) und andererseits eine
von der Meßgleichspannung (UM) unabhängige feste Spannung
zur Einstellung eines konstanten Grundstroms zugeführt werden.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungsregelkreis
vorgesehen ist, in dem die am Meßobjekt (11) anliegende Wechselspannung
gemessen und die an die Steuerelektrode des Verstärkerelements
(20) angelegte Wechselspannung (UW) so geregelt wird, daß die
gemessene Wechselspannung konstant ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Spannungsregelkreis enthält:
- - einen Spannungs-Strom-Wandler (60), der die am Meßobjekt (11) anliegende Wechselspannung in einen dazu proportionalen Wechselstrom umwandelt;
- - eine dem Spannungs-Strom-Wandler (60) nachgeschaltete Gleichrichterschaltung (61), die den Wechselstrom in eine dazu proportionale Gleichspannung umwandelt;
- - einen Differenzverstärker (63), der die Gleichspannung mit einer festen Referenzspannung vergleicht und ein die Abweichung darstellendes Ausgangssignal liefert.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Spannungs-Strom-Wandler (60) des Spannungsregelkreises
in gleicher Weise wie die in der Meßschaltung
als Spannungs-Strom-Wandler dienende Spannungsfolgerstufe
(20, 21, 22) ausgebildet ist, wobei im Ausgangskreis der
Spannungsfolgerstufe anstelle des Meßobjekts eine feste Referenz
admittanz (62) liegt.
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