DE4034246A1

DE4034246A1 - Schaltungsanordnung fuer kapazitive messwertaufnehmer

Info

Publication number: DE4034246A1
Application number: DE4034246A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Ing Erler; Hendrik Dr Rer Nat Kretzschmar
Original assignee: INST MECHANIK
Current assignee: INST MECHANIK
Priority date: 1990-10-27
Filing date: 1990-10-27
Publication date: 1992-05-07

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur elektrischen Wandlung von Meßgrößen, die mit kapazitiven Meßwertaufnehmern erfaßt werden, insbesondere von Differentialkondensatoranordnungen. Derartige Anordnungen werden beispielsweise zur Messung von Differenzdrücken oder von Luftgeschwindigkeiten eingesetzt.

Bei der Nutzung des physikalischen Prinzips der Änderung elektrischer Kapazitäten zur Messung mechanischer Größen, speziell in Einfach- oder Differentialkondensatoranordnungen, ergibt sich für die zu ermittelnde Meßgröße aus der elastischen Verformung mindestens einer Elektrode eine Kapazitätsänderung. Mit dem Ziel einer guten Linearität des Ausgangssignals werden dabei meist nur relativ kleine Kapazitätsänderungen realisiert, die nicht in der Größenordnung der Grundkapazität der Schaltungsanordnung liegen. Die Übertragungsfunktion der Schaltungsanordnung hat für die lineare Charakteristik des Ausgangssignals nur eine untergeordnete Bedeutung.

Von Nachteil ist jedoch bei diesen Anordnungen, daß sich störende kapazitätsändernde Einflüsse stärker auswirken und die Genauigkeit der Meßergebnisse beeinträchtigen. Eine Erweiterung des Aussteuerbereiches des Meßwertaufnehmers würde diesen Nachteil zwar verringern, jedoch müssen dann die Nichtlinearitäten des Deformationsverhaltens der elastischen Elemente des Meßwertaufnehmers und der hervorgerufenen Kapazitätsänderungen in Verbindung mit der Übertragungsfunktion der elektrischen Schaltungsanordnung berücksichtigt werden (G. Pfeifer, R. Werthschützky, Drucksensoren, Verlag Technik, Berlin 1989, S. 180).

Bekannte Schaltungsanordnungen realisieren hinsichtlich der Übertragungsfunktion das Summenbezugsverfahren

(DE-OS 31 10 295).

Hier ist eine Linearitätsbeeinflussung nur auf mechanischem Wege möglich.

Bei einer anderen für kapazitive Meßwertaufnehmer einsetzbaren Lösung wird eine Anpassung an die elektronisch realisierte Übertragungsfunktion vorausgesetzt, um eine lineare Gesamtcharakteristik zu erhalten (SU 11 68 874).

Das Fehler einer Korrekturmöglichkeit des Linearitätsverhaltens ist dabei von Nachteil.

Bei Anwendung der bekannten Lösungen auf einen Meßwertaufnehmer mit weitem Aussteuerbereich ist eine Beeinflussung der Linearität nur durch zusätzliche schaltungstechnische Maßnahmen oder durch rechentechnische Weiterbehandlung möglich.

Auch bei einer Linearitätskorrektur der Gesamtübertragungsfunktion durch Variation der Parallelkapazitäten (siehe bei G. Pfeifer, R. Werthschützky, S. 196) sind der begrenzte sinnvolle Korrekturumfang und die Tatsache, daß ein durch Anordnung und Schaltung bedingter Mindestwert der Parallelkapazitäten nicht unterschritten werden kann, von Nachteil.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die bei geringem Aufwand in weiten Grenzen eine Beeinflussung der Übertragungsfunktion der elektronischen Meßwertverarbeitung und damit der Linearität der Ausgangscharakteristik des gesamten Meßwertaufnehmers gestattet, um durch teilweise unvermeidliche Toleranzen bei der Fertigung der mechanischen Anordnung hervorgerufene Einflüsse und Temperatureinflüsse kompensieren zu können.

Die Erfindung sei anhand eines kapazitiven Differenzdruckaufnehmers gezeigt und beschrieben. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2 ein Impulsdiagramm für den Ausgang der Kippschaltung bei R_V=1 und

Fig. 3 ein Impulsdiagramm für den Ausgang der Kippschaltung bei R_V=2.

Von dem mechanischen Teil des kapazitiven Differenzdruckaufnehmers sind lediglich zwei Meßkondensatoren C₁, C₂ (Fig. 1) dargestellt, die in an sich bekannter Weise eine gemeinsame Mittelelektrode besitzen. Diese Mittelelektrode ist als elastische Platte ausgeführt und deformiert sich unter Druckeinwirkung so sehr, daß durch die Änderungen der Kapazitäten der Meßkondensatoren C₁, C₂ die Kapazitätsfunktion in den nichtlinearen Bereich gerät.

Die Ausgänge der Meßkondensatoren C₁, C₂ werden einer Kippschaltung 1 einer Schaltungsanordnung zugeführt, die der Funktion

genügt. Darin bedeuten C₁, C₂ die Kapazitäten der Meßkondensatoren C₁, C₂; K₁ eine schaltungsbedingte Konstante; R_V das Widerstandsverhältnis R₂/R₁ und U_a die Ausgangsspannung. Die geometrischen Parameter des Differenzdruckaufnehmers wie Plattenradius, Plattendicke, Elektrodenabstand sind unter Berücksichtigung der Parallelkapazität und von Materialkonstanten der als Deformationskörper wirkenden Mittelelektrode so zu berechnen, daß in Kombination mit der Elektronik der hervorgerufene Linearitätsfehler minimal wird. Bei der Fertigung unterliegen diese geometrischen Parameter einem Toleranzbereich, der es erschwert, eine bestimmte vorgegebene Zielfunktion mit hinreichender Genauigkeit zu realisieren und damit die angestrebte Gesamtfunktion

U_a = K₂MG (2)

zu realisieren, in der MG die Meßgröße und K₂ eine aufnehmerspezifische Konstante bedeuten.

Ein fester Widerstand R₁ und ein einstellbarer Widerstand R₂ sind mit der Kippschaltung 1 verbunden. Durch Variation des Widerstandsverhältnisses R_V können nichtlineares Verhalten hervorrufende mechanische Toleranzen bereits unmittelbar bei der Meßwerterfassung in weiten Grenzen ausgeglichen werden. Diese Variation erfolgt durch Einstellen des Widerstandes R₂ und führt zu unterschiedlicher Wichtung der Kapazitäten C₁, C₂ der Meßkondensatoren C₁, C₂.

Die Kippschaltung 1 erzeugt ein impulsdauermoduliertes Signal (Fig. 2 und 3). Die Phasendauer t_H bzw. t_L wird bestimmt durch die Kapazitäten C₁, C₂ und durch die Widerstände R₁, R₂ zu

K₂_.₁ und K₂_.₂ sind kippschaltungsspezifische Konstanten, die gleich groß gestaltet werden können. Der Ausgang der Kippschaltung 1 ist mit einem Tiefpaß 2 verbunden. Dieser erzeugt die Gleichspannung

u_TP = U_B [t_H/(t_H + t_L)] (4)

worin U_B die Amplitude des impulsdauermodulierten Signals ist. Der die Gleichspannung U_TP führende Ausgang des Tiefpasses 2 ist mit einem Verstärker 3 verbunden. Eine weitere Verbindung 4 des Tiefpasses 2 ist zu einem Nullpunktregler 5 geführt, der über einen Ausgang dem Verstärker 3 eine Nullpunktspannung U_NP bereitstellt. Die Spannung am Eingang des Verstärkers 3 beträgt damit U_TP-U_NP. Der Wert der Nullpunktspannung U_NP ergibt sich aus der Bedingung, daß bei Gleichheit der Kapazitäten C₁, C₂ der Meßkondensatoren C₁, C₂, d. h., wenn der Wert der Meßgröße MG Null wird, die Ausgangsspannung U_a den Wert 0 Volt erreichen soll. Aus den Gleichungen (3) und (4) ergibt sich dann für C₁=C₂

Mit dem Widerstandsverhältnis R_V=R₂/R₁ kann die Gleichung (5) umgeformt werden in

Für den Fall R_V=1 beträgt die Nullpunktspannung U_NP=U_B/2 (Fig. 2). Für den Fall R_V=2 beträgt die Nullpunktspannung U_NP=U_B/3 (Fig. 3). In beiden Fällen beträgt die am Verstärker 3 anliegende Spannung U_TP-U_NP=0. Die Einstellung der Nullpunktspannung U_NP erfolgt über einen Widerstand R₅, der mit dem Nullpunktregler 5 verbunden ist. Mit dem Nullpunktregler 5 sind weiterhin ein Thermistor 6 und ein parallel geschalteter Widerstand R₆ verbunden. Durch Regeln des Widerstandes R₆ ist eine Temperaturkompensation des Nullpunktes möglich. Aus den Gleichungen (4, 5, 6) ergibt sich die Spannung am Eingang des Verstärkers 3 zu

Die Verstärkung dieser Spannung soll so erfolgen, daß ein günstiger Bezug der Ausgangsspannung U_a zur Meßgröße MG gewährleistet ist. Dazu ist ein regelbarer Widerstand R₇ vorgesehen, der mit dem Verstärker 3 verbunden ist. Ein weiterer, zu dem Widerstand R₇ in Reihe geschalteter regelbarer Widerstand R₈ und ein dazu parallel geschalteter Thermistor 8 ermöglichen eine Temperaturkompensation der Empfindlichkeit. Die bei Veränderung von R_V eintretende Verschiebung des Nullpunktes sowie die sich ändernde notwendige Verstärkung der Ausgangsspannung U_a sind beim Abgleich der Schaltungsanordnung zu berücksichtigen.

Wie bereits dargelegt, ist durch Variation des Widerstandsverhältnisses R_V der angestrebte lineare Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung U_a und der Meßgröße MG herstellbar. Mit der Variation des Widerstandsverhältnisses R_V läßt sich die Linearität der Gesamtübertragungsfunktion beeinflussen, d. h., daß auch Abweichungen, die aus fertigungsbedingten Toleranzen im mechanischen Teil resultieren und Einflüsse aus den Werkstoffkenngrößen des Materials kompensierbar sind.

Aus der Gleichung 3 kann abgeleitet werden, daß auch mittels der kippschaltungsspezifischen Konstanten K₂_.₁, K₂_.₂ eine Linearitätsbeeinflussung möglich ist. Die Konstantenvariation ist beispielsweise durch Veränderung der Schwellspannung von Komparatoren der Kippschaltung 1 realisierbar.

Ebenso ist auch eine Kombination der Veränderung des Widerstandsverhältnisses R_V und der Konstanten K₂_.₁, K₂_.₂ möglich, um eine Linearitätsbeeinflussung zu erzielen.

Claims

Schaltungsanordnung für kapazitive Meßwertaufnehmer mit weitem Aussteuerbereich, die nach dem Differentialkondensatorprinzip mit Elektrodenabstandsänderung arbeiten, mit einer Beeinflussung der Übertragungsfunktion der elektronischen Meßwertverarbeitung zur Erzielung einer linearen Ausgangscharakteristik des gesamten Meßwertaufnehmers und unter Verwendung einer Kippschaltung, eines Tiefpasses, eines Nullpunktreglers und eines Verstärkers, dadurch gekennzeichnet,
daß die nach dem Differentialkondensatorprinzip arbeitenden Meßkondensatoren (C₁; C₂) mit möglichst kurzen Leitungsführungen mit der Kippschaltung (1) verbunden sind, an die zur unterschiedlichen Wichtung der Kapazitäten der Kondensatoren (C₁; C₂) ein fester Widerstand (R₁) und ein einstellbarer Widerstand (R₂) angeschlossen sind,
daß der Tiefpaß (2), ein von der Kippschaltung (1) erzeugtes impulsdauermoduliertes Signal in eine Gleichspannung (U_TP) umwandelnd und dem Verstärker (3) zuführend, mit der Kippschaltung (1), mit dem Verstärker (3) und über eine Verbindung (4) mit dem Nullpunktregler (5) verbunden ist,
daß der Nullpunktregler (5) zur Einstellung einer Nullpunktspannung (U_NP), die an dem Verstärker (3) anliegt, mit einem einstellbaren Widerstand (R₅) und zur Ermöglichung einer Temperaturkompensation des Nullpunktes mit einem weiteren einstellbaren Widerstand (R₆) und einem dazu parallel geschalteten Thermistor (6) verbunden ist und
daß der die Ausgangsspannung (U_a) erzeugende Verstärker (3), die aufgenommene und gewandelte Meßgröße (MG) verstärkend, zur Temperaturkompensation der Empfindlichkeit der elektrischen Schaltung mit zwei in Reihe geschalteten einstellbaren Widerständen (R₇; R₈) verbunden ist, wobei dem für die Temperaturkompensation vorgesehenen Widerstand (R₈) ein Thermistor (8) parallel geschaltet ist und die Ausgangsspannung (U_a) zwischen dem Ausgang des Verstärkers (3) und der Nullpunktspannung (U_NP) der linearen Gesamtfunktion U_a = K₂MGentspricht, worin K₂ eine meßwertaufnehmerspezifische Konstante bedeutet.