DE3825111A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zum bestimmen einer charakteristischen groesse eines hf-oszillators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer charakteristischen Größe eines nach periodischer Anregung während eines Meßintervalls frei schwingenden harmoni­ schen HF-Oszillators, der eine von einer physikalischen Meßgröße beeinflußbare Impedanz, z. B. den Meßkondensator eines Feuchtemeßkreises, enthält.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Schaltungsanordnung zum Bestimmen einer charakteristischen Größe eines HF-Os­ zillators, der eine von einer physikalischen Meßgröße beeinflußbare Impedanz, z. B. den Meßkondensator eines Feuchtemeßkreises, enthält.

Die Schaltungsanordnung dient insbesondere zum Ausüben des Verfahrens gemäß der Erfindung.

Meßimpedanzen aufweisende Oszillatoren, deren Dämpfung (und eventuell auch Resonanzfrequenz) durch die physika­ lischen Meßgrößen über eine Beeinflussung der Impedanzen verändert werden, so daß eine Bestimmung der Meßgrößen selbst möglich ist, sind in der Meßtechnik verbreitet. So sind z. B. durch die US-PSen 39 79 581 und 29 48 850 in HF-Oszillatoren geschaltete Meßkondensatoren bekannt, die von dem Meßgut, z. B. Tabak bzw. Papier, Stoff, Plastik oder dgl., dessen Feuchte zu bestimmen ist, durchsetzt werden. Während der Förderung des Gutes durch den Meßkon­ densator wird fortlaufend ein der Dämpfung des Oszilla­ tors entsprechendes elektrisches Signal gebildet, aus dem - zusammen mit einem der Resonanzfrequenz des Oszillators entsprechenden Signal - ein der Feuchte des die Kondensa­ toren durchsetzenden Gutes entsprechendes Meßsignal ge­ bildet wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die Ermittlung der Dämpfung von Oszillatoren des eingangs genannten Typs zu verbessern, wobei zusätzlich auch noch die Resonanzfrequenz des Oszillators ermittelt werden kann.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zum Bestimmen der Dämpfung der Oszillator von elek­ trischen Impulsen angeregt wird, daß aus den freien Schwingungen des Oszillators in Meßintervallen zwischen jeweils zwei Anregungsimpulsen den Hüllkurven der freien Schwingungen entsprechende Signale gebildet werden, die zu definierten Zeiten innerhalb der Meßintervalle abgeta­ stet werden, und daß die Quotienten der Hüllkurven-Ab­ tastwerte innerhalb der Meßintervalle als charakteristi­ sche Größe für die Dämpfung erfaßt werden.

Eine besonders vorteilhafte Art der Hüllkurvenbildung be­ steht gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung darin, daß die freien Schwingungen gleichgerichtet wer­ den. Hierzu werden die freien Schwingungen gemäß der Erfindung einem Ringmischer zugeführt, dem außerdem die Ausgangssignale eines die freien Schwingungen in Schwin­ gungen von Rechteckform gleicher Frequenz umformenden Komparators zugeführt werden. Das gleichgerichtete elek­ rische Signal wird dann einem Tiefpaß zugeführt, dessen Ausgangssignal der Hüllkurve der freien Schwingungen in einem Meßintervall entspricht.

Die in den einzelnen Meßintervallen aus den freien Schwingungen gebildeten Hüllkurven klingen entsprechend der Dämpfung des Oszillators mehr oder weniger schnell ab. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann das Abklingverhalten und damit die Dämpfung dadurch erfaßt werden, daß die Abtastung des der Hüllkurve entsprechen­ den Signals zu definierten Zeiten innerhalb eines Meßin­ tervalls in einem Abtastverstärker vorgenommen wird, wo­ bei die Abtastung jeweils zu Zeitpunkten erfolgt, zu de­ nen die von dem Komparator in einem Meßintervall abgege­ benen Schwingungen vorgegebene Werte erreicht haben. Damit die von einem Impulsgeber abgegebenen Anregungsim­ pulse die Anregung des Oszillators zu Beginn eines Meßin­ tervalls genau zum richtigen Zeitpunkt übernehmen, werden sie gemäß der Erfindung synchronisiert bezüglich der von dem Komparator abgegebenen Schwingung.

Wenn außer der Dämpfung auch noch die Resonanzfrequenz des Oszillators zur Bildung des der Meßgröße entsprechen­ den Signals erforderlich ist, läßt sich ein entsprechen­ des Signal in besonders vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung dadurch erzeugen, daß die Anzahl der freien Schwingungen, insbesondere nach Umformung durch den Kom­ parator, in Meßperioden gezählt wird.

Die eingangs genannte Schaltungsanordnung ist dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem Oszillator zum Bestimmen der Dämp­ fung Schaltungselemente zum Bilden von den Hüllkurven der freien Schwingungen in den Meßintervallen entsprechenden Signalen nachgeschaltet sind und daß eine Abtastungsan­ ordnung zum Abtasten der Signale zu definierten Zeiten innerhalb der Meßintervalle und zum Bilden von Quoti­ entensignalen aus den Abtastwerten vorgesehen ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Anstatt einer kapazitiven Meßimpedanz, z. B. eines Meß­ kondensators, kann der Oszillator auch eine induktive Meßimpedanz, also z. B. einen mit HF beaufschlagten Elek­ tromagneten, enthalten. Es ist sogar möglich, daß ein HF- Oszillator beide Arten von Meßimpedanzen enthält. In den zuletzt genannten Fällen können der Dämpfung und/oder der Resonanzfrequenz des Oszillators entsprechende Signale in entsprechender Weise gebildet werden.

Der mit der Erfindung verbundene Vorteil besteht darin, daß sich die Dämpfung und - falls erforderlich auch die Resonanzfrequenz - von Oszillatoren in Meßkreisen schnell, fortlaufend und genau erfassen lassen.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Dämpfung und Resonanzfrequenz eines Meßoszilla­ tors,

Fig. 2 den Verlauf der freien Schwingungen des Oszilla­ tors nach Beaufschlagung mit periodischen Anre­ gungsimpulsen,

Fig. 3 die in einem Ringmischer gleichgerichteten frei­ en Schwingungen nach Fig. 2,

Fig. 4 die von Wechselanteilen befreiten Signale nach Fig. 3.

In Fig. 1 gibt ein Impulsgeber 1 periodisch, z. B. mit einer Frequenz von ca. 250 kHz, hochfrequente Anregungs­ impulse über eine Synchronisierstufe 2, deren Funktion später erläutert wird, an einen HF-Meßoszillator 3 ab. Dieser Meßoszillator enthält einen Meßkondensator 4, der nicht dargestelltes Meßgut, dessen Feuchteanteil erfaßt werden soll, enthält oder von diesem fortlaufend durch­ setzt wird. Bei dem Meßgut kann es sich um Tabak, Kaffee oder dergleichen Stoffe handeln. Der Meßoszillator weist in an sich bekannter Weise außer der Kapazität des Meß­ kondensators 4 auch eine z. B. als Spule 6 ausgebildete Induktivität auf. Von den Anregungsimpulsen angeregt, führt der Meßoszillator 3 freie Schwingungen aus, deren Frequenz der Resonanzfrequenz des Oszillators entspricht, und die entsprechend der Dämpfung des Oszillators, die von der Feuchte und Masse des Meßgutes abhängt, mehr oder weniger schnell abklingen.

Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Verlauf der Schwingungen S über die Zeit t, deren Abklingverhalten und damit die Dämpfung des Meßoszillators durch die Hüllkurven H dar­ stellbar sind. Zu den Anregungszeitpunkten t 1, t 2, t 3, zwischen denen ein Meßintervall tv liegt, erhält der Meßoszillator Anregungsimpulse von dem Impulsgeber 1. Die freien Schwingungen S des Meßoszillators 3, die in einem Meßintervall tv sehr viel zahlreicher sind als die aus Übersichtsgründen wenigen gezeichneten Schwingungen, werden über Leitung 7 einem Impulsformer B zugeführt, der z. B. in bekannter Weise als mitgekoppelter Operations­ verstärker ausgebildet sein kann und der die stetigen freien Schwingungen in Rechteckimpulse gleicher Frequenz aber konstanter Amplitude umformt. Im folgenden ist der Impulsformer 8 als Komparator bezeichnet. Die Rechteckim­ pulse des Komparators 8 gelangen über eine Leitung 9 zu einer Zählstufe 11, in der sie, vorzugsweise während gleicher Meßperioden, gezählt werden. Der Zählerstand in der Zählstufe 11 oder ein diesem entsprechendes Signal ist dann ein bereits digitalisiertes Maß für die Reso­ nanzfrequenz des Meßoszillators 3.

Das Ausgangssignal von Komparator 8 wird über eine Lei­ tung 10 außerdem der Synchronisierstufe 2 zugeführt, die die Anregungsimpulse des Impulsgebers 1 mit den freien Schwingungen des Oszillators 3 synchronisiert. Es ist dann möglich, die Frequenz über ein Meßintervall tv hinaus zu messen und die Genauigkeit dadurch zu erhöhen. Die freien Schwingungen des Meßoszillators 3 beaufschla­ gen über eine Leitung 12 und einen Verstärker 13 ein Schaltungselement 14, das als Ringmischer (auch Ringmodu­ lator genannt, englisch: double-balanced mixer) in der Hochfrequenztechnik bekannt ist. Eine Beschreibung des Aufbaus und der Wirkungsweise findet sich in dem Buch "Elektronische Bauelemente und Netzwerke II von H. G. Unger und W. Schultz, Vieweg-Verlag, auf den Seiten 138 bis 143. Insbesondere eignet sich ein Schaltungselement, das von der Firma INDUSTRIAL-ELECTRONICS GmbH, 6000 Frankfurt/Main, Klüberstraße 14, unter der Modell-Nr. SRA-6 vertrieben wird. Der Ringmischer erhält gleichzei­ tig über Leitung 16 die Rechteckausgangsimpulse des Kom­ parators 8, die über einen internen Multiplikationsvor­ gang im Ringmischer 14 die verstärkten freien Schwingun­ gen des Meßoszillators 3 gleichrichten, so daß die in Fi­ gur 2 unter der Zeitachse befindlichen Signalteile der Schwingung nach oben geklappt werden, was Fig. 3 zeigt. Das Ausgangssignal des Schaltungselementes 14 wird einem Tiefpaß 17 zugeführt, der nur den Gleichstromanteil des Signals passieren läßt und die Wechselanteile (Ober­ schwingungen) ausfiltert. Das Ergebnis entspricht gemäß Fig. 4 der Hüllkurve H der freien Schwingung des Meßos­ zillators 3. Das der Hüllkurve entsprechende Ausgangssi­ gnal von Tiefpaß 17 wird einem sogenannten Abtastverstär­ ker 18 (track/ sample-hold amplifier) zugeführt, dessen zugehörige Steuerungseinheit 19 dafür sorgt, daß zu be­ stimmten Abtastzeitpunkten ta, tb innerhalb eines Meßin­ tervalls tv die Augenblickswerte des der Hüllkurve H ent­ sprechenden Signals erfaßt und einem Quotientenbildner 15 zugeführt werden, der ein aus beiden Signalen gebildetes Quotientensignal abgibt. Hierzu erhält die Steuerungsein­ heit 19 Signale von zwei Zählstufen 22 und 23, die über Leitungen 24 bzw. 26 von Ausgangsimpulsen des Komparators 8 beaufschlagt werden. Die Zählstufen werden über Leitung 21 von dem Ausgangssignal der Synchronisierstufe 2 zu Be­ ginn eines Meßintervalls auf Null gesetzt und aktiviert, so daß die von dem Komparator abgegebenen Impulse gezählt werden können. Wird die vorgegebene Anzahl von den ge­ zählten Impulsen in den Zählstufen erreicht, so geben sie zu den Zeitpunkten ta, tb Steuersignale an die Steue­ rungseinheit 19 ab, die den Abtastverstärker 18 zum Er­ fassen der Augenblickswerte des Signals H ansteuert. Da die von dem Impulsgeber 1 abgegebenen Anregungssignale über die Synchronisierstufe mit den Ausgangssignalen des Komparators 8 synchronisiert werden, entspricht das Er­ fassen einer bestimmten vorgegebenen Zahl von Schwingun­ gen des Komparators 8 genau einer bestimmten Zeit, die seit Beginn eines Meßintervalls tv vergangen ist, so daß die Abtastzeitpunkte ta, tb bezüglich der Meßintervalle tv genau definiert sind. Als Abtastverstärker eignen sich Verstärker vom Typ HT C-0300 der Fa. ANALOG DEVICES, Norwood, MA 02062, USA.

Das analoge Ausgangssignal des Abtastverstärkers 18 ge­ langt zu dem Analog-Digital-Umsetzer 27, in dem es in ein digitales Signal umgesetzt wird. Die digitalen Ausgangs­ signale von Analog-Digital-Umsetzer 27 und Zählstufe 11 gelangen in eine Rechnerstufe 28, in der aus dem der Dämpfung des Meßoszillators 3 entsprechenden Signal und dem der Resonanzfrequenz entsprechenden Signal ein Signal gebildet wird, das der Feuchte des Meßgutes entspricht.

Die Erfindung ist nicht auf Anwendungen beschränkt, bei denen außer der Dämpfung auch die Resonanzfrequenz eines Meßoszillators erfaßt wird; sie ist auch in den Fällen vorteilhaft anwendbar, in denen allein die Dämpfung eines Meßoszillators mit hoher Genauigkeit erfaßt werden soll. Die Erfindung ist auch nicht auf die Auswertung von Meß­ oszillatoren mit veränderlicher Meßkapazität beschränkt, sondern sie ist auch anwendbar bei Meßoszillatoren, deren Induktivität sich in Abhängigkeit von der Messung ändert oder deren Induktivität und Kapazität sich in Abhängig­ keit von der Messung ändern.

Claims (14)

1. Verfahren zum Bestimmen einer charakteristischen Größe eines nach periodischer Anregung während eines Meßintervalls frei schwingenden harmonischen HF-Oszilla­ tors, der eine von einer physikalischen Meßgröße beein­ flußbare Impedanz, z. B. den Meßkondensator eines Feuch­ temeßkreises, enthält, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bestimmen der Dämpfung der Oszillator von elektrischen Impulsen angeregt wird, daß aus den freien Schwingungen des Oszillators in Meßintervallen zwischen jeweils zwei Anregungsimpulsen den Hüllkurven der freien Schwingungen entsprechende Signale gebildet werden, die zu definierten Zeiten innerhalb der Meßintervalle abgetastet werden, und daß die Quotienten der Hüllkurven-Abtastwerte innerhalb der Meßintervalle als charakteristische Größe für die Dämpfung erfaßt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Schwingungen zum Bilden der Hüllkurven gleichgerichtet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die die Ausgangssignale des Oszillators bildenden freien Schwingungen gleichgerichtet werden, indem sie einem Ringmischer zugeführt werden, dem außer­ dem die Ausgangssignale eines die freien Schwingungen in Schwingungen von Rechteckform gleicher Frequenz umformen­ den Komparators zugeführt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Tiefpasses ein Signal gebildet wird, das der Hüllkurve der Ausgangssignale des Ringmischers in einem Meßintervall entspricht.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung des der Hüllkurve entsprechenden Signals zu definierten Zei­ ten innerhalb eines Meßintervalls in einem Abtastverstär­ ker vorgenommen wird, wobei die Abtastung jeweils zu Zeitpunkten erfolgt, zu denen die von dem Komparator in einem Meßintervall abgegebenen Schwingungen vorgegebene Werte erreicht haben.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein von einem Impulsgeber abgegebener Anregungsimpuls synchronisiert wird bezüglich der von dem Komparator abgegebenen Schwin­ gung.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bestimmen der Resonanzfrequenz des Oszillators die Anzahl der freien Schwingungen, insbesondere nach Umformung durch den Kom­ parator, in Meßperioden gezählt wird.

8. Schaltungsanordnung zum Bestimmen einer charakteri­ stischen Größe eines HF-Oszillators, der eine von einer physikalischen Meßgröße beeinflußbare Impedanz, z. B. den Meßkondensator eines Feuchtemeßkreises, enthält, und der mit einem Impulsgeber zum Abgeben von relativ kurzen An­ regungsimpulsen verbunden ist, nach denen der Oszillator jeweils während eines bis zum folgenden Anregungsimpuls dauernden Meßintervalls frei schwingt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Oszillator (3) zum Bestimmen der Dämp­ fung Schaltungselemente (14, 17) zum Bilden von den Hüllkurven (H) der freien Schwingungen (S) in den Meß­ intervallen (tv) entsprechenden Signalen nachgeschaltet sind und daß eine Abtastungsanordnung (18) zum Abtasten der Signale zu definierten Zeiten (ta, tb) innerhalb der Meßintervalle und zum Bilden von Quotientensignalen aus den Abtastwerten vorgesehen ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Oszillator (3) ein Komparator (8) zum Umformen der freien Schwingungen in Rechteckimpulse gleicher Frequenz nachgeschaltet ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 und/oder 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schaltungselemente zum Bil­ den von den Hüllkurven der freien Schwingungen entspre­ chenden Signalen eine Gleichrichteranordnung (14) und ei­ nen Tiefpaß (17) aufweisen.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gleichrichteranordnung als Ringmischer (14) ausgebildet ist, dem einerseits die freien Schwin­ gungen, andererseits die Ausgangssignale des Komparators (8) zuführbar sind.

12. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ab­ tastanordnung (14) die Abtastung steuernde Steuersignale zuführbar sind, wenn die summierten Ausgangssignale des Komparators (8) in einem Meßintervall vorgegebene Werte erreicht haben.

13. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 12, gekennzeichnet durch eine Synchroni­ sierstufe (2) zum Synchronisieren der von dem Impulsge­ ber abgegebenen Anregungsimpulse bezüglich einer Flanke der von dem Komparator (8) abgegebenen Rechteckschwin­ gung.

14. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß dem Oszil­ lator (3) zum Bestimmen der Resonanzfrequenz eine Zähl­ stufe (11) für die freien Schwingungen je vorgegebener Meßperiode nachgeschaltet ist.