DE3825765A1 - Verfahren zur messwertgewinnung mittels pulsbreitenmodulation - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung findet in der Meßtechnik zur Gewinnung von Meßgrößen überall dort Anwendung, wo sich eine Meßgröße in eine Kapazitätsgröße umwandeln läßt, insbesondere in der kabelherstellenden Industrie, bei Extruderanlagen und Verseilmaschinen zur qualitätsbestimmenden Messung und Regelung der Zugkraft im kontinuierlichen Fertigungsprozeß und damit zur gezielten Senkung von Ausschußproduktion von zugempfindlichem Material, beispielsweise von Lichtwellenleitern.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Entsprechend einem Verfahren, beschrieben von Seidel, H.H.: Mikrocomputerkompatibles kapazitives Sensorsystem - in: Wiss. Z. der Technischen Hochschule Karl-Marx-Stadt 27 (1985) H4. - S. 553 zur Meßwertgewinnung mittels Pulsbreitenmodulation arbeitet nach dem Prinzip des Impulsladeverfahrens, wobei ein Kondensator, der meist als kapazitiver Wandler ausgeführt ist, über eine Referenzquelle aufgeladen wird und über eine elektronische Schalteinheit periodisch entladen wird. Die Pulsbreite wird durch einen nachgeschalteten Trigger generiert. Die internen Umladevorgänge laufen dabei im Frequenzbereich bis zu einigen MHz ab.

Nachteilig bei dieser Konzeption wirken sich parasitäre Meßeffekte aus, die zumeist nur durch spezielle Meßwandlerausführungen, die ihrerseits wieder einen höheren schaltungstechnischen Aufwand erfordern, zu eliminieren sind.

Als weitere kritische Systemelemente sind die verwendeten elektronischen Schalter mit ihren Offsetgrößen bzw. deren Driftverhalten anzusehen. Neben der Drift von Bauelementeparametern ist die Temperaturdrift der verwendeten Betriebsspannungs- und Referenzquellen in Rechnung zu stellen. Nicht zuletzt auch als Folge des relativ hohen Bauelementeaufwandes erscheint dieses Verfahren für betriebsmeßtechnische Belange als zu störgrößenanfällig.

Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, mit einem kapazitiven Meßwandler durch ein einfaches Verfahren zur Meßwertgewinnung ein durch den Menschen oder einen Rechner auswertbares und mit hoher Auflösung behaftetes Meßergebnis zu erzielen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mittels eines Verfahrens eine Möglichkeit zu schaffen, den Kapazitätswert eines kapazitiven Meßwandlers mit einer hohen Auflösung und guter Linearität in einen digitalen und/oder analogen Meßwert zu verwandeln. Das Verfahren soll einfach und unter Betriebsmeßbedingungen stabil arbeiten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Meßgröße in bekannter Weise in einem kapazitiven Wandler in einen Kapazitätswert umgewandelt wird und der kapazitive Wandler mit einem Rechteckgenerator verbunden wird. Die Rechteckspannung dieses Generators wird durch die Kombination aus dem Kondensator des kapazitiven Wandlers mit dem Widerstand und dem nachgeschalteten Trigger in eine pulsbreitenmodulierte Form verwandelt. Die Pulsbreite bildet den Meßwert ab. Diese pulsbreitenmodulierte Rechteckspannung wird nun einer Meßwertverarbeitung und danach einer Anzeigeeinheit zugeführt.

Es ist erfindungsgemäß, daß sich der kapazitive Wandler aus zwei Teilen zusammensetzt, so daß bei einer entsprechenden Meßwertaufbereitung eine Addition oder Subtraktion (Differenz) der Meßwerte erfolgt (Fig. 2).

Außerdem ist erfindungsgemäß, daß der Meßwert nicht auf den Kondensator, sondern auf den Widerstand einwirkt, wobei der Kondensator durch einen Festkondensator ersetzt wird (Fig. 3).

Des weiteren ist erfindungsgemäß, daß eine Meßgröße auf einen kapazitiven Wandler und ein zweiter auf einen Widerstandswandler einwirken, wobei je nach Einwirkungsrichtung eine Addition oder eine Subtraktion (Differenzbildung, Kompensation) erfolgt (Fig. 4).

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In einem konkreten Anwendungsfall wird davon ausgegangen, daß die Meßgröße 1 eine gewandelte Zugkraft ist, die auf eine Kraftmeßeinrichtung, d. h. einen kapazitiven Wandler (Plattenkondensator) 2 einwirkt, wobei in diesem kapazitiven Wandler 2 nur eine der zwei Platten mit der Zugkraft beaufschlagt wird.

Diese bewegliche Platte des kapazitiven Wandlers (Plattenkondensator) 2 ist mit dem Ausgang eines Rechteckgenerators 3 verbunden, der im einfachsten Fall aus einem einzigen beschalteten Gatter besteht. Der feststehende Teil des kapazitiven Wandlers (Plattenkondensators) 2 ist über einen Widerstand 4 mit dem Meßpotential verbunden, so daß die Kombination aus kapazitivem Wandler 2 und Widerstand 4 auf die Recheckimpulse des Rechteckgenerators 3 derart differenzierend wirkt, daß meßwertabhängige Differenzierungsgrade der Rechteckschwingungen am Eingang einer Schwellwertschaltung 5 wirksam werden. Im einfachsten Fall ist diese Schwellwertschaltung 5 durch ein einziges Gatter mit Triggerverhalten realisierbar. Am Ausgang dieses Triggers 5 stehen meßwertabhängige pulsbreitenmodulierte Rechteckimpulse zur Verfügung. Diese Impulse werden in einer Meßwertverarbeitung 6 mittels digitaler Zählverfahren weiterverarbeitet und auf einem Display 7 zur Anzeige gebracht. Es besteht außerdem die Möglichkeit, die pulsbreitenmodulierten Rechteckimpulse innerhalb der Meßwertverarbeitung 6 durch einen Tiefpaß in eine meßgrößenproportionale Gleichspannung zwecks analoger Signalverarbeitung umzuwandeln.

Die spezifischen Vorteile dieses Verfahrens bestehen darin, daß sich der kapazitive Wandler (Plattenkondensator) 2, der Rechteckgenerator 3, der Widerstand 4 und die Schwellwertschaltung 5 zu einer kompakten Baugruppe als aktiver Sensor 8 zusammenfassen lassen, so daß die elektronische Wandlung der Meßgröße 1, die gewandelte Zugkraft, unmittelbar an deren Entstehungsort erfolgen kann. Die Verbindung von diesem aktiven Sensor 8 zur Meßwertverarbeitung 6 kann durch Leitungsverbindung 9 erfolgen, da Rechteckimpulsfolgen übertragen werden, die bei einfachen Anpassungsmaßnahmen leicht regenerierbar sind.

Ferner ist als Vorteil anzusehen, daß in dem aktiven Sensor 8 eine analoge Meßgrößenabbildung ausschließlich unter Verwendung digitaler, aktiver Bauelemente erfolgt.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1, 1 a - Meßgröße
2, 2 a - kapazitiver Wandler (Plattenkondensator)
2 b - Festkondensator
3 - Rechteckgenerator
4 - Widerstand
4 a - Widerstandswandler
5 - Schwellwertschaltung (Trigger)
6 - Meßwertverarbeitung
7 - Display
8 - aktiver Sensor
9 - Leitungsverbindung.

Claims (5)

1. Verfahren zur Meßwertgewinnung mittels Pulsbreitenmodulation, gekennzeichnet dadurch, daß eine Meßgröße (1) auf einen kapazitiven Wandler (Plattenkondensator) (2), der mit einem Widerstand (4) ein variables Differenzierglied zwischen einem Rechteckgenerator (3) und einer Schwellwertschaltung (einem Trigger) (5) bildet, eingeleitet, differenziert und durch die Schwellwertschaltung (den Trigger) (5) pulsbreitenmoduliert sowie in einer Meßwertverarbeitung (6) ausgewertet und mittels einem Display (7) angezeigt wird (Fig. 1).

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zwei Meßgrößen (1, 1 a) mit positivem und/oder negativem Vorzeichen, auf zwei parallelgeschaltete kapazitive Wandler (Plattenkondensatoren) (2, 2 a), eingeleitet werden (Fig. 2).

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der kapazitive Wandler (Plattenkondensator) (2) durch einen Festkondensator (2 b) ersetzt und die Meßgröße (1) über einen Widerstandswandler (4 a) eingeleitet wird (Fig. 3).

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß beim Einsatz eines kapazitiven Wandlers (2) und Widerstandswandler (4 a) zwei Meßgrößen (1, 1 a) mit gleichen oder ungleichen Vorzeichen eingeleitet werden (Fig. 4).

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere vorzeichenbehaftete Meßgrößen (1, 1 a bis 1 n) in mehrere kapazitive Wandler (2, 2 a bis 2 n) und Widerstandswandler (4 a bis 4 n) eingeleitet werden.