DE4224545A1 - Verfahren zur erfassung von aenderungen der streukapazitaet unter verwendung eines phasenregelkreises - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zur Erfassung von Abweichungen der Streukapazität und insbesondere auf ein Verfahren zur exakten Registrierung und Messung von Streukapazitätsänderungen innerhalb eines mit herkömmlichen Detektor-Verfahren nicht realisierbaren, sowohl verschwindend kleine als auch sehr beträchtliche Änderungen abdeckenden, weiten Meßbereichs, unter Einsatz eines Phasenregelkreises (im folgenden als PLL-Kreis bezeichnet).

Bisheriger Stand der Technik

Um Gefahren vorherzusehen oder für Anzeigezwecke besteht Bedarf nach einem exakteren und einfacheren Verfahren zur Erfassung von Streukapazitätsänderungen, wo immer diese als Begleiterscheinung bei Veränderungen oder Schwankungen des Zustands oder der Lage eines zu überwachenden Objekts zu registrieren sind, wie in Fällen, in denen

• - der Vorgang einer Annäherung, einer Berührung bzw. eines Loslassens in solchen Schritten registriert bzw. gemessen werden soll, daß Näherung, Berührung bzw. Loslassen bei beispielsweise einem menschlichen Körper und einem festen Material nicht in Frage kommen;
• - es gilt, unerwünschtes Auftreten von Luftblasen oder Verunreinigungen im Inneren einer Transportleitung für Flüssigkeiten, wie z. B. hydraulischen Bremsschläuchen, wo Luftblasen nicht auftreten dürfen, zu entdecken;
• - ferner der Füllstand einer Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsbehälter etc. überwacht werden soll.

Eine Reihe von Meßfühleinrichtungen von der Art des oben aufgeführten Streukapazitätsmeßgeräts sind bisher bekannt. Beispielsweise gibt es ein Gerät, das die in einem Meßfühler auftretenden Streukapazitätsänderungen registriert, welche mit den entsprechenden Zustandsänderungen eines zu untersuchenden Objekts einhergehen. Dieses Gerät setzt sich, wie in Fig. 12 als Blockschaltbild abgebildet, aus einem Oszillator 1, einem Wellendetektor 2, einem Filter 3, einem Spannungskomparator 4 und einem Ausgangskreis 5 zusammen. Ferner sind in Fig. 112 der zugehörige Resonanzkreis 1a, ein frequenzbestimmendes Schaltglied 1b, ein Meßfühler 6, eine Warneinrichtung 7 sowie eine Referenzspannungsquelle 8 zu sehen. Der Oszillator 1, an welchem der Meßfühler 6 angeschlossen ist, besteht aus dem frequenzbestimmenden Glied 1b mit konstantem Gütefaktor Q und dem Resonanzkreis 1a. Weiter läßt sich die Frequenz des Oszillators 1 auf einen hohen oder niedrigen Wert festsetzen. Ist für die Frequenz ein hoher Wert festgelegt, besteht das frequenzbestimmende Glied 1b hauptsächlich aus Spule und Kondensator.

Fig. 13 stellt als Blockschaltbild ein Konstruktionsbeispiel eines Oszillators 1 des in Fig. 12 gezeigten herkömmlichen Geräts zur Registrierung von Streukapazitätsänderungen dar. In Fig. 13 sind die entsprechenden funktionalen Blöcke durch dieselben Symbole wie in Fig. 12 ausgewiesen. Jedoch bezeichnet hier L eine Spule und C einen Kondensator. Wenn nun die Frequenz obengenannten Oszillators auf einen sehr hohen Wert zwischen 1 MHz-200 MHz eingestellt wird, setzt sich das frequenzbestimmende Schaltglied 1b hauptsächlich aus der Spule L und dem Kondensator C zusammen, welche zur Erlangung einer konstanten Resonanzfrequenz und eines Gütefaktors Q parallel geschaltet sind.

Wie aus Fig. 12 zu entnehmen ist, werden bei Annäherung oder Berührung von Meßfühler und dem zu überwachenden Objekt dem Wellendetektor 2 Änderungen der Spannungsamplitude sowie Frequenzänderungen des Ausgangs des Oszillators 1 mitgeteilt, die einhergehend mit einer Veränderung der Resonanzfrequenz als auch des Gütefaktors dieses frequenzbestimmenden Schaltglieds 1b oder einem völligen Abklingen der Oszillation entstehen. Der Wellendetektor 2 registriert ein anstehendes Signal und gibt den in seine Gleichstromkomponente konvertierten Gleichspannungswert an den Filter 3 der nächsten Stufe weiter. Beim Durchgang durch den Filter 3 mit seiner festen Zeitkonstante wird die Gleichstromkomponente geglättet. Der konvertierte Gleichspannungswert wird im Spannungskomparator 4 mit einer vorgegebenen Referenzspannungsquelle 8 verglichen. Das Ergebnis dieses Vergleichs wird als Änderung der Streukapazität registriert. Weiter wird das registrierte Meßergebnis über den Ausgangskreis 5 an die Warneinrichtung 7 weitergegeben. Die vom Meßfühler 6 registrierte Änderung der Streukapazität wird in eine Information darüber umgewandelt, daß sich im Zustand des überwachten Objekts eine Veränderung ergeben hat. Zu bemerken ist ferner, daß in einigen der Präzisionsgeräte für die Registrierung von Änderungen der Streukapazität zur klareren Erkennung einer Spannungsamplitudenänderung der Oszillatorkreis 1a in Fig. 12 ausgangsseitig mit einem Abstimmkreis (oder Bandfilter) verbunden ist.

Wenn jedoch der Oszillator 1 mit relativ hoher Frequenz eingesetzt wird, antwortet dieser schon auf verschwindend kleine, vom Meßfühler 6 registrierte Änderungen mit starker Reaktion. Andererseits stellt sich der Meßfühler als Antenne dar, aus dem in diesem Zustand ständig elektromagnetische Wellen abgestrahlt werden. Dies beinhaltet die Möglichkeit, daß die elektromagnetischen Wellen in der Umgebung auf Hindernisse stoßen, mit der Folge, daß sich größere Abstände zwischen Meßfühler 6 und Oszillator 1 verbieten. Andererseits verschlechtert sich im Falle des Einsatzes eines Koaxialkabels zur Abstandserweiterung wegen dessen Eigenkapazität die Meßempfindlichkeit für sehr geringe Streukapazitätsänderungen. In manchen Fällen kann der Resonanzzustand nicht aufrechterhalten werden, wodurch der Meßbereich der Registrierung von Streukapazitätsänderungen stark eingeschränkt ist.

Ferner ergeben sich Probleme darin, daß auch bei einer Verbesserung der Empfindlichkeit des Oszillators 1 einschließlich des Meßfühlers 6 sich eine Resonanzschärfe einstellt und die Regelung dadurch zur Instabilität neigt oder Fehlfunktionen erfolgen. Die herkömmliche Meßfühleinrichtung antwortet auf eine starke Streukapazitätsänderung nämlich nur mit endgültiger Beendigung der Resonanzschwingung. Auf diese Weise ist der Meßbereich in der Praxis stark eingeschränkt. Wie oben bereits ausgeführt, hat die herkömmliche Verwendung hoher Frequenzen trotz der Erhöhung der Empfindlichkeit innerhalb des stark beschränkten Bereichs eine ganze Reihe Nachteile zur Folge, u. a. Einschränkungen der Beschaffenheit der zu überwachenden Objekte etc., da das Problem der Hindernisse für die elektromagnetischen Wellen auftritt, sowie Ausschluß großer Entfernungen zwischen Gerät und Meßfühler 6.

Diesbezüglich wird im folgenden noch ein herkömmliches Gerät aufgeführt, bei dem die Frequenz des Oszillators 1 auf einen relativ niedrigen Wert der Größenordnung von z. B. 500 kHz eingestellt ist. Bei diesem System setzt sich das als Hauptkomponente wirkende, frequenzbestimmende Schaltglied 1b aus Kondensator und Widerstand zusammen. In Fig. 14 ist ein Konstruktionsbeispiel in Form eines Blockschaltbilds dargestellt, bei dem der Oszillator 1 mit einer relativ niedrigen Frequenz arbeitet. Wie in Fig. 12 sind auch in Fig. 14 identische Funktionsblöcke aus Fig. 12 und Fig. 13 in gleicher Weise bezeichnet. Allerdings findet sich hier zusätzlich der mit R bezeichnete Widerstand. Das frequenzbestimmende Schaltglied 1b des Oszillators 1 in Fig. 14 setzt sich aus Widerstand R und Kondensator C zusammen, die prinzipiell in Reihe geschaltet sind.

Im Gerät aus Fig. 12, welches nun so konstruiert ist, daß der Oszillator 1 mit niedriger Frequenz arbeitet, wird ebenfalls eine vom Meßfühler 6 registrierte Veränderung der Kapazität - d. h. eine mit der Registrierung der Streukapazität einhergehenden Frequenzänderung, sowie eine Spannungsamplitudenänderung am Ausgang des Resonanzkreises - über den Wellendetektor 2 und den Filter 3 mit einer Änderung des Spannungspegels der Gleichstromkomponente beantwortet. Spannungskomparator 4 vergleicht das ankommende Spannungssignal mit der vorgegebenen Referenzspannungsquelle 8 und stellt so die Änderung der Streukapazität fest. In diesem Punkt stimmt dieses Gerät mit demjenigen überein, dessen Oszillator 1 mit hoher Frequenz arbeitet.

Das sich einer niedrigen Frequenz bedienende Meßfühlsystem bringt die folgenden Nachteile mit sich: Wegen der niedrigen Frequenz ist die Meßempfindlichkeit des Geräts für Streukapazitätsänderungen nur schwach. Die Änderungen sowohl der Frequenz als auch der Amplitude der Oszillatorausgangsspannung fallen aber bei sehr geringen Änderungen der Streukapazität entsprechend klein aus. Wenn Jedoch die Änderungen mit Hilfe eines nachgeschalteten Kreises in Spannungssignale umgewandelt werden, gestaltet sich wegen der Geringfügigkeit der Änderungen ein Vergleich als sehr kompliziert, denn die Differenz zur vorgegebenen Referenzspannungsquelle 8 ist dann verschwindend gering. In Verbindung mit oben beschriebener schwacher Empfindlichkeit beschränkt dies die Einsatzmöglichkeiten des Geräts.

Wie schon oben ausgeführt, sind die genannten Probleme bei herkömmlichen Geräten zur Registrierung von Streukapazitätsänderungen systemimmanent, ob sie sich nun einer hohen oder niedrigen Oszillatorfrequenz bedienen.

Der Erfindung liegt daher die allgemeine Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung obengenannter Nachteile herkömmlicher Streukapazitätsmeßfühleinrichtungen ein Verfahren zur stabilen Erfassung von Streukapazitätsänderungen anzugeben, wobei durch Einsatz eines PLL-Kreises ein Oszillator mit niedriger Resonanzfrequenz verwendet werden kann, die exakte Registrierung kleinster Änderungen ermöglicht wird, ein ausreichender Meßbereich bei geringster Störanfälligkeit vorgegeben ist, sowie die Beeinflussung durch unerwünschte elektromagnetische Störungen aus der Umgebung auf ein Mindestmaß beschränkt ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zur Beseitigung obiger Probleme ein Verfahren zur Registrierung von Streukapazitätsänderungen mit Hilfe eines PLL-Kreises vorgeschlagen, welches sich dadurch auszeichnet,

• - daß jeweils eine Freilauffrequenz und ein Fangbereich eines Phasenregelkreises, derart eingestellt wird, daß ein Bereich, innerhalb welchem sich eine Referenzfrequenz eines Referenzoszillators ändert, in ein Inneres des Fangbereichs des Phasenregelkreises hineinreicht, wobei die Referenzfrequenz durch eine synthetische Zeitkonstante, die sich ergibt durch Aufaddieren einer Kapazitätsänderung o. ä., welche durch einen Meßfühler registriert wird, und einer Vergleichszeitkonstante, welche durch ein die Zeitkonstante bestimmendes Schaltglied voreingestellt ist, wenn die Streukapazität registriert wird, indem der Meßfühler für die Registrierung der Streukapazitätsänderung bei einem zu überwachenden Objekt kontaktierend oder nicht kontaktierend eingesetzt wird, und durch eine Anordnung zur Erfassung von Kapazitäten bestimmt wird, welche den Referenzoszillator, dessen die Zeitkonstante bestimmendes Schaltglied an den Meßfühler angeschlossen ist, und den Phasenregelkreis, welcher an den Referenzoszillator angeschlossen ist, enthält;
• - daß eine Änderung einer Regelspannung einer Freilauffrequenz in einem verriegelten Zustand des Phasenregelkreises erfaßt wird, wobei die Änderung synchron durch die vom Meßfühler registrierte Änderung der elektrischen Kapazität o. ä., hervorgerufen wird;
• - und daß eine Zustandsänderung des überwachten Objekts registriert wird.

Erfindungsgemäß wird durch den Einsatz des PLL-Kreises die Voraussetzung für die Verwendung des Oszillators mit niedriger Resonanzfrequenz geschaffen. Damit wird eine Minimierung unerwünschter Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen in die Umgebung erreicht, sowie die Erfassung selbst kleinster Frequenzänderungen ermöglicht, welche sich gegebenenfalls entsprechend der Streukapazitätsänderung aus einer auf die Schwingungsperiode der Frequenz bezogenen Änderung ergeben. Der Meßbereich für die Registrierung von Streukapazitätsänderungen gestaltet sich daher ausreichend groß. Außerdem entfällt insbesondere die Notwendigkeit, eine äußere Form einer Meßfühlereinheit in Betracht zu ziehen, vorausgesetzt, der Meßfühler eignet sich zur Registrierung und elektrischen Weiterleitung von Streukapazitätsänderungen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren detailliert beschrieben. Der Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist die Erläuterung der prinzipiellen Funktionsweise eines für die Erfindung verwendeten Phasenregelkreises vorangestellt.

Der Phasenregelkreis ist ein Schaltkreis, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß er bei Anlegen einer Frequenz von außen an seinen Eingang mit eben dieser Frequenz zu schwingen beginnt, indem innerhalb eines Bereiches (im folgenden als variabler Arbeitsbereich bezeichnet), in welchem die Eigenresonanzfrequenz (Freilauffrequenz) veränderbar ist, diese zwangsläufig an die von außen angelegte Frequenz angeglichen wird; darüber hinaus schwingt der Oszillator bei Änderungen der von außen angelegten Frequenz mit dieser weiter synchron, indem er sich diesen Änderungen angleicht (Nachführung).

Fig. 2 zeigt das Grundschema eines PLL-Kreises anhand eines Blockschaltbilds. In der Figur sind dargestellt: ein Phasendiskriminator 11, ein spannungsgesteuerter Oszillator 12 (im folgenden abgekürzt mit VCO), ein Filter 13, ein Widerstand R₁ sowie ein Kondensator C₁. Ferner bezeichnet f₁ eine von außen an den Phasendiskriminator 11 angelegte Eingangsfrequenz, f₂ eine Ausgangsfrequenz zu einem Zeitpunkt, während dessen die Freilauffrequenz verändert wird, nachdem sie eine Spannung des VCO 12 geregelt hat, (f₂) eine mit der Freilauffrequenz identische Ausgangsfrequenz, solange der VCO 12 noch nicht spannungsgeregelt ist, v₁ eine Ausgangsspannung am Phasendiskriminator 11 und v₂ eine Ausgangsspannung am Filter 13. Eine Resonanzfrequenz des VCO 12 wird (über Spannungsregelung) mit Hilfe einer von außen angelegten Regelspannung variabel geregelt, wobei hier zur Regelung die Ausgangsspannung v₂ des Filters 13 als Regelspannung herangezogen wird. Anfangs liegt diese Ausgangsspannung v₂ im PLL-Kreis noch nicht vor. D.h. es gibt einen Zustand, währenddessen der VCO 12 nicht spannungsgeregelt ist.

Damit schwingt der VCO 12 mit der Freilauffrequenz (f₂) mit einer Zeitkonstante, die sich aus den vorgegebenen Widerstand R1 und Kondensator C1 ergibt, welche wiederum eine anfängliche Ausgangsfrequenz (f₂) des VCO darstellt und als zu vergleichende Referenzfrequenz am Eingang des Phasendiskriminators 11 anliegt.

Im folgenden werden die auf diesen Anfangszustand unmittelbar folgenden Operationsschritte erläutert. Der Phasendiskriminator 11 stellt einen Echtzeit-Vergleich zwischen den Phasen zweier verschiedener Eingangsfrequenzen her, d. h. er vergleicht die Phase der von außen ankommenden Eingangsfrequenz f₁ mit derjenigen der Ausgangsfrequenz (f₂) des VCO 12. Eine Phasendifferenz wird dabei durch die Ausgangsspannung v₁ repräsentiert. Falls Eingangsfrequenz f₁ und Ausgangsfrequenz (f₂) differieren, oder wenn - bei übereinstimmender Frequenz - der durch die Phasendifferenz repräsentierte Winkel von 90° abweicht, erzeugt der Phasendiskriminator 11 eine positive Spannung, falls die Polarität der Spannungen in diesem Moment übereinstimmt, bzw. eine negative Spannung bei entgegengesetzter Polarität.

Der Filter 13 verarbeitet die Ausgangsspannung v₁ des Phasendiskriminators 11 und erzeugt die positive bzw. negative Ausgangsspannung v₂ der Gleichstromkomponente. Diese Ausgangsspannung v₂ liegt am Eingang des VCO 12 als Regelspannung der Freilauffrequenz an und verändert dadurch die Freilauffrequenz des VCO. Der VCO 12 regelt dabei seine Ausgangsfrequenz innerhalb des variablen Arbeitsbereichs jeweils derart, daß die anfängliche Ausgangsfrequenz (f₂) an die Eingangsfrequenz f₁ angeglichen wird. Der VCO 12 stellt diese wiederum dem Phasendiskriminator 11 als nun spannungsgeregelte Ausgangsfrequenz f₂ zur Verfügung.

Im Phasendiskriminator 11 ist nun die vorausgegangene Eingangsfrequenz f₁ gleich der ausgangsgeregelten und anschließend rückgekoppelten Ausgangsfrequenz f₂ des VCO 12. Außerdem kommt es im Falle einer dem Winkel 90° entsprechenden Phasendifferenz praktisch zu einem Verschwinden der Ausgangsspannung v₁ des Phasendiskriminators 11 (d. h. sie sinkt annähernd auf den Wert 0 ab), mit der Konsequenz, daß sich auch die Ausgangsspannung v₂ des Filters 13 dem Wert 0 nähert.

Dies führt dazu, daß die bisher über die Spannung stattgefundene Regelung des VCO 12 in ein Stadium der spannungslosen Regelung übergeht. Mit Beginn dieser Verschiebung vollzieht die dem Phasendiskriminator 11 zugeführte Ausgangsfrequenz f₂ ihre Veränderung. Simultan hierzu wird wieder die Ausgangsspannung v₁ im Phasendiskriminator 11 aufgebaut, und der Regelzyklus wiederholt sich, wie oben beschrieben, von neuem.

Die oben beschriebenen Regelzyklen vollziehen sich im PLL- Kreis augenblicklich mit der bei elektrischen Vorgängen üblichen Geschwindigkeit. In der praktischen Durchführung wird der VCO 12, dessen Frequenz der Eingangsfrequenz f₁ anzugleichen ist, durch die stabile Ausgangsspannung v₂ des Filters 13, geregelt, die sich entsprechend der Ausgangsspannung v₁ des Phasendiskriminators 11 einstellt. Daraufhin schwingt der VCO 12 stabil mit der gleichen Frequenz wie die Eingangsfrequenz f₁ und gelangt damit in den Zustand, in welchem er nachführt. Dieser oben beschriebene Zustand, in welchem der VCO 12 synchron schwingt und der am Eingang des Phasendiskriminators 11 anliegenden Eingangsfrequenz f₁ folgt, wird als verriegelter Zustand bezeichnet, bzw. der PLL-Kreis gilt als verriegelt.

Ein Aspekt besteht darin, daß die Eingangsfrequenz f₁ während des Verriegelungszustands des PLL-Kreises derart verändert wird, daß sie sich allmählich von der Ausgangsfrequenz f₂ des VCO 12 entfernt. Ab einer bestimmten Frequenz läßt sich der Verriegelungszustand nicht mehr aufrecht erhalten. Damit wird ein als Haltebereich Lr bezeichneter Bereich definiert, der sich aus der Abweichung ergibt, welche in diesem Moment zwischen der Ausgangsfrequenz f₂ des VCO 12, die der Eingangsfrequenz f₁ nachgeführt wurde, und der Ausgangsfrequenz (f₂), d. h. der anfänglichen Freilauffrequenz, welche während der spannungslosen Regelung des VCO 12 herrschte, besteht. Aus Fig. 3 geht ein Beispiel für den Haltebereich Lr hervor.

Ein anderer Aspekt besteht darin, daß, falls der Phasendiskriminator 11 einen Echtzeit-Vergleich der Phase einer Eingangsfrequenz f₁ im Bereich außerhalb des Haltebereichs Lr mit der Phase der Ausgangsfrequenz (f₂) des VCO 12 durchführt, ein daran anschließender Schaltkreis bereit ist, obengenannte Operation auszuführen. Jedoch befindet sich die Eingangsfrequenz f₁, welche, wie in Fig. 3 dargestellt, sich nun vom Haltebereich Lr entfernt, auch außerhalb des variablen Arbeitsbereichs der Ausgangsfrequenz f₂ des VCO 12, weshalb eine Synchronisation nicht stattfinden kann. Daher wird sich jedoch in den weitaus meisten Fällen trotz des plötzlichen Absinkens der Ausgangsspannung v₁ des Phasendiskriminators 11 auf Null ein Zustand einstellen, in dem abwechselnd eine negative bzw. positive Spannung am Ausgang erzeugt wird. Im Filter 13, der zur Erzeugung der Ausgangsspannung v₂ durch Verarbeitung der Ausgangsspannung v₁ des Phasendiskriminators 11 dient, heben sich die negative und die positive Spannung gegenseitig auf, was zu einem Absinken der Ausgangsspannung v₂ auf den Wert 0 führt. Wenn am Filter 13 die Ausgangsspannung v₂=0 ankommt, bedeutet dies, daß der VCO 12 nicht spannungsgeregelt ist und der PLL-Kreis damit mit seiner anfänglichen Freilauffrequenz schwingt. Seine Frequenz am Ausgang ist wieder die Ausgangsfrequenz (f₂), weshalb der Zustand des PLL-Kreises als entriegelt bezeichnet wird. Zu beachten ist hierbei, daß der PLL-Kreis in gleicher Weise, wie oben beschrieben, in den entriegelten Zustand übergeführt wird, wenn am Phasendiskriminator 11 keine Eingangsfrequenz f₁ anliegt. Der PLL-Kreis nimmt dabei einen Zustand ein, bei welchem dieser entriegelte Zustand mit dem vorherigen Anfangszustand identisch ist.

Falls sich der PLL-Kreis anfänglich im entriegelten Zustand befindet, wird die Eingangsfrequenz f₁ allmählich in Richtung f₁′ bzw. f₁′′ verändert (d. h. entsprechend nach A bzw. A′ in Fig. 3 verschoben). Diese Frequenz nähert sich dann der Ausgangsfrequenz (f₂) des VCO 12. Ab einem bestimmten Zeitpunkt gerät dann der PLL-Kreis in den verriegelten Zustand. Als ein Fangbereich Cr wird ein Bereich der Abweichung in bezug auf die anfängliche Freilauffrequenz, d. h. auf die Ausgangsfrequenz (f₂) des VCO 12 während der spannungslosen Regelung, bezeichnet, welche zu diesem Zeitpunkt mit der Synchronisation auf die Eingangsfrequenz f₁′ bzw. f₁′′ beginnt. In Fig. 3 ist ein Beispiel des Fangbereichs Cr dargestellt.

Dieser Fangbereich Cr sowie der oben beschriebene Haltebereich Lr sind in Fig. 3 gemeinsam als zwei sich im wesentlichen gleichförmig in Richtung höherer bzw. niedriger Frequenz ausbreitende Bereiche dargestellt, wobei die Freilauffrequenz des VCO 12, d. h. die Ausgangsfrequenz (f₂) zentral in der Mitte liegt. Dabei unterscheidet sich der Zustand des Prozesses im Fangbereich Cr und im Haltebereich Lr abhängig davon, ob der PLL-Kreis gerade beim "Einfangen" der Eingangsfrequenz f₁′ den verriegelten Zustand zustrebt oder nach der Trennung von der eingefangenen Eingangsfrequenz f₁′ in den entriegelten Zustand übergeht. Aufgrund der Tatsache, daß der Fangbereich Cr etwas schmaler ist als der Haltebereich Lr, kommt es zur Ausbildung einer Hysterese Lh. In Fig. 3 ist ein Beispiel dieser Hysterese Lh dargestellt. Zu beachten ist, daß die Frequenz auf der Abszisse nach rechts ansteigend aufgetragen ist. In oben beschriebenen PLL-Kreis kann der Frequenzumfang des Fangbereichs Cr innerhalb eines Bereichs, der die verschiedenen Funktionen des PLL-Kreises nicht übermäßig beeinflußt, willkürlich eingestellt werden, indem die Kennlinie des Filters 13 in Fig. 2 verändert wird oder ein bestimmter Spannungspegel der Ausgangsspannung v₂ eingestellt wird, d. h. die Regelspannung der Freilauffrequenz des VCO 12 über ein Potentiometer oder durch Änderung der Oszillationskenndaten des VCO 12 abgewandelt wird.

Veränderungen innerhalb des Regelkreises, speziell Veränderungen der Ausgangsspannung v₁ des Phasendiskriminators 11 und der Ausgangsspannung v₂ des Filters 13, erfahren in den verschiedenen Schleifenoperationen des oben beschriebenen PLL-Kreises eine geeignete Auswertung und Verarbeitung. Auf diese Weise ist es möglich, genau zu erfassen, wie sich eine am Eingang des PLL-Kreises anliegende Frequenz verändert. Ferner baut obige Beschreibung auf der Voraussetzung auf, daß die Freilauffrequenz (f₂) des VCO 12 für seinen Aufbau im voraus festgelegt wird, sowie daß die verschiedenen Schleifenoperationen darin bestehen, die Änderungen der Eingangsfrequenz f₁ in Richtung f₁′ bzw. f₁′′ abzuwandeln. Im Gegensatz zu oben beschriebenen Beispiel ist die Eingangsfrequenz jedoch im PLL-Kreis festgelegt, während sich die Freilauffrequenz (f₂) ändert (übergeht). Vorausgesetzt die Veränderungen (Übergänge) bewegen sich innerhalb eines Bereichs, in dem die Kennlinie des Filters 13 keinen Einfluß auf den VCO 12 ausübt, gehen sogar in einem solchen Zustand sowohl Fangbereich Cr als auch Haltebereich Lr mit den Änderungen (Übergängen) der Freilauffrequenz (f₂) über. Dieser PLL-Kreis ist daher in der Lage, die gleichen verschiedenen Schleifenoperationen wie der zuvor beschriebene auszuführen. Außerdem kann der PLL-Kreis sogar dann die gleichen verschiedenen Operationen wie in dem vorher beschriebenen Beispiel ausführen, wenn sowohl die Eingangsfrequenz f₁ als auch die Freilauffrequenz (f₂) sich ändern (übergehen). Dies bedeutet, daß hinsichtlich der entsprechenden Operationen ausgehend vom Phasendiskriminator 11 die Eingangsfrequenz f₁ und die Freilauffrequenz (f₂) des VCO 12 einen relativen Abstand zueinander besitzen.

Erfindungsgemäß ist zusätzlich zu vorgenanntem PLL-Kreis ein separater Referenzoszillator vorgesehen. Die Schwingung an dessen Ausgang entspricht dabei oben beschriebener Eingangsfrequenz f₁. Der PLL-Kreis empfängt diese zuvor. Eine Referenzfrequenz des Referenzoszillators bzw. die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators im PLL-Kreis selbst ändert sich bei einer vom Meßfühler erfaßten Veränderung der elektrischen Kapazität o. ä. Damit ist der Aufbau der Schaltung abgeschlossen. Erreicht ist die Erfassung der Art und Weise, wie sich der Operationszustand des PLL-Kreis simultan mit den Änderungszuständen der entsprechenden Frequenzen ändert.

Erfindungsgemäß wird daher auf den relativen Abstand zwischen Eingangsfrequenz f₁ und Freilauffrequenz (f₂) des VCO 12, auf die für die Charakteristik des PLL-Kreises bestimmenden Verriegelungs- und Entriegelungsvorgänge hinsichtlich der Änderungen der Eingangsfrequenz f₁, sowie auf die entsprechenden Beziehungen zwischen Fangbereich Cr, Haltebereich Lr und Hysterese Lh eingegangen. Obige Schaltung wird übernommen, womit Veränderungen der elektrischen Kapazität o. ä. und insbesondere die Zustandsänderungen der Streukapazität exakt zu erfassen sind. Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.

(Ausführungsbeispiel 1)

Dieses Ausführungsbeispiel entspricht erfindungsgemäß dem Anspruch 1. Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 3 und Fig. 1 beschrieben. Zunächst stellt der Referenzoszillator 21 (im weiteren als OSC 21 bezeichnet), welcher eine Referenzfrequenz f₁ abgibt, die sich mit den Änderungen des Signals der elektrischen Kapazität verändert, einen Zustand her, welcher auf der Voraussetzung basiert, daß die Eingangsfrequenz f₁, solange keine Kapazitätsänderungen erfaßt sind, auf einen Wert außerhalb des Haltebereichs Lr des sie empfangenden PLL-Kreises eingestellt ist. Anschließend stellt der OSC 21 die Bedingung her, daß die Referenzfrequenz f₁′, die sich verändert, sobald eine Kapazitätsänderung registriert wird, in den Fangbereich Cr des PLL-Kreises 22 fällt, und der PLL-Kreis 22 den verriegelten Zustand einnimmt. Diesem Vorgang vorausgehend sind hinsichtlich der Erfüllung dieser zwei Bedingungen die dem PLL-Kreis 22 eigene Ausgangsfrequenz (f₂) (Freilauffrequenz) des VCO 22b, einen Frequenzumfang für den Fangbereich Cr, sowie eine Vergleichszeitkonstante zur Bestimmung der Referenzfrequenz f₁ des OSC 21 in geeigneter Weise gesetzt und justiert worden. Erfindungsgemäß wird in diesem Ausführungsbeispiel anhand einer Spannungsdifferenz zwischen der Regelspannung der Freilauffrequenz des PLL-Kreises 22, wie sie sich ergibt, wenn dieser in den verriegelten Zustand übergeht, sobald sich die Streukapazität im Laufe der Messung der Kapazität ändert, und der Regelspannung der Freilauffrequenz, welche im entriegelten Zustand herrscht, d. h. während keine Kapazitätsänderung registriert wird, eine quantitative Änderung der Streukapazität erfaßt. Fig. 1 zeigt in Form eines Blockschaltbilds ein Konstruktionsbeispiel des Hauptabschnitts einer Meßfühleinheit in einem Meßgerät, in einer praktischen Anwendung des Verfahren der Messung von Streukapazitätsänderungen gemäß oben beschriebener Erfindung. In der Figur sind dargestellt: ein Resonanzkreis 21a des OSC 21, eine RC-Schaltung 21b, ein Phasendiskriminator 22a des PLL-Kreises 22, ein VCO 22b, ein Filter 22c, ein Analogausgabeverstärker 23, ein Ausgangstiefpaß 24, ein Digitalausgabeschaltglied 25, ein Meßfühler 26, die Widerstände R₁ und R₂, sowie die Kondensatoren C₁ und C₂. Weiter bezeichnet in der Figur In einen Eingang für das durch eine Kapazitätsänderung o. ä. herrührende Signal, welches vom Meßfühler 26 angeboten wird, und f steht für alle am Ausgang des OSC 21 sich ergebenden Frequenzen. Unter den Frequenzen f repräsentiert f₁ eine Frequenz, die sich vor einer Streukapazitätsänderung (d. h. bei Abwesenheit einer Änderung) ergibt, und f1′ bezeichnet eine sich nach einer registrierten Streukapazitätsänderung ergebende Referenzfrequenz. Ferner bezeichnet f₂ eine Ausgangsfrequenz des veränderten Zustands der Freilauffrequenz, während der VCO 22b spannungsgeregelt ist (bzw. Spannungsregelung stattfindet); (f₂) die Ausgangsfrequenz, die mit derjenigen Freilauffrequenz identisch ist, welche sich ergibt, wenn der VCO 22b nicht spannungsgeregelt wird (bzw. bei Abwesenheit von Spannungsregelung); v₁ die momentane Ausgangsspannung des Phasendiskriminators 22a; v₂ die momentane Ausgangsspannung des Filters 22c; v₃ die momentane Ausgangsspannung des Ausgangstiefpasses 24; D₀ das momentane digitale Ausgangssignal des Digitalausgabeschaltglieds 25; sowie A₀ das momentane analoge Ausgangssignal A₀ des Analogausgabeverstärkers 23.

Im OSC 21 in Fig. 1 ist die RC-Schaltung 21b bestehend aus Widerstand R₂ und Kondensator C₂ an den Resonanzkreis 21a angeschlossen und bildet so die Vergleichszeitkonstante. Ein vom Meßfühler 26 ankommendes Änderungssignal der elektrischen Kapazität o. ä. (Streukapazität) gelangt über den Eingang In an die Verbindung zwischen Widerstand R₂ und Kondensator C₂. Damit ist das Meßfühlgerät aufgebaut.

In der RC-Schaltung 21b wird im Falle, daß das Signal - nämlich dasjenige, welches über den Eingang In vom Meßfühler 26 als Änderungssignal geliefert wird und eine Zustandsänderung beim überwachten Objekt anzeigt - sich als Kapazitätsänderung darstellt, dessen kapazitive Komponente in die Vergleichszeitkonstante integriert, und im Falle, daß das Signal sich in der Art einer Widerstandsänderung darstellt, entsprechend als Widerstandskomponente berücksichtigt. Die RC-Schaltung 21b hat die Funktion, das Signal der Zustandsänderung des überwachten Objekts weiter aufzubereiten.

Erfindungsgemäß nach Anspruch 1 werden Änderungen der Referenzfrequenzen f des OSC 21 an den nachgeschalteten PLL-Kreis 22 weitergeleitet und von diesem aufgenommen, wobei dieser unmittelbar den sich aus den Änderungen der kapazitive Komponente C bzw. Widerstandskomponente R ergebenden Einflüssen unterworfen ist. Auf diese Weise wird eine Zustandsänderung beim überwachten Objekt registriert.

Daher wird in der in Fig. 1 dargestellten Meßfühleinrichtung eine synthetische Zeitkonstante basierend auf einem künstlich errechneten Kapazitätswert dargestellt, der sich aus einer Addition der Kapazität des Kondensators C₂ der RC-Schaltung 21b und der vom Meßfühler 26 erhaltenen kapazitiven Komponente C des überwachten Objekts ergibt. Verändert werden die Referenzfrequenzen f des OSC 21, die für den Eingang des PLL-Kreises 22 bestimmt sind. Dabei erfüllt der PLL-Kreis 22 die gleichen Funktionen wie der in Fig. 2 dargestellte PLL-Kreis und befindet sich gemäß dem momentanen Zustand des überwachten Objekts im entriegelten Zustand.

In diesem Meßfühlgerät ist f₁ die Referenzfrequenz des OSC 21 vor Registrierung einer Streukapazitätsänderung, und der entriegelte Zustand stellt sich ein bei Frequenzen, die sich außerhalb des Fangbereichs Cr des PLL-Kreises 22 bewegen. Daher schwingt sein VCO 22b mit der Ausgangsfrequenz (f₂) (Freilauffrequenz), und eine Regelspannung der Freilauffrequenz geht gegen 0. Die Information hierüber wird nach außen verfügbar, womit das analoge Ausgangssignal A₀ 0 (d. h. 0 Volt) anzeigt, während das Signal am digitalen Ausgang D₀ entsprechend auf 1 (konstante Spannung) gesetzt ist.

Als nächstes ändert sich die noch nicht veränderte Referenzfrequenz f₁ vor einer Änderung des OSC 21 im Falle des Empfangs eines vom Meßfühler 26 durch Änderung der elektrischen Kapazität o. ä. (Streukapazität) registrierten Änderungssignals zur Referenzfrequenz f₁′. Wenn diese Änderung hervorgerufen ist, vollzieht der PLL-Kreis 22, welcher zur Erfassung des Änderungssignals, welches sich aus der Änderung der elektrischen Kapazität ergibt, vorbereitet ist, einen Echtzeit-Vergleich zwischen der Phase der Referenzfrequenz f₁′ und der Phase der Ausgangsfrequenz (f₂) des VCO 22b. Die Funktion des PLL- Kreises 22 besteht dann darin, daß der VCO 22b die Nachlaufsynchronisation vollzieht. Hierzu wird im Rahmen einer Anfangsjustierung die Ausgangsfrequenz (f₂) (Freilauffrequenz) des VCO 22b bei Entdeckung einer Kapazitätsänderung auf einen Wert in die Nähe der Referenzfrequenz f₁′ eingestellt. Damit befindet sich die Referenzfrequenz f₁′ des OSC 21 innerhalb des Fangbereichs Cr des PLL-Kreises 22. Somit führt VCO 22b die Nachlaufsynchronisation durch, wenn sich PLL-Kreis 22 im verriegelten Zustand befindet.

Als Folge hiervon schwingt der VCO 22b während der Registrierung der vom PLL-Kreis 22 empfangenen Kapazität mit einer Ausgangsfrequenz f₂, die im Wert mit der Referenzfrequenz f₁ des OSC 21 übereinstimmt. Zur Aufrechterhaltung des Nachführvorgangs kommt es zu einer der anfänglichen Ausgangsfrequenz (f₂) (ursprünglichen Freilauffrequenz) entsprechenden, quantitativen Verschiebung der Regelspannung v₂ der Freilauffrequenz.

Diese Regelspannung v₂ der Freilauffrequenz kann durch eine quantitative Verschiebung der Referenzfrequenz f₁′ des OSC 21 bezüglich der dem VCO 22b eigenen Ausgangsfrequenz (f₂) (ursprüngliche Freilauffrequenz) während der Registrierung der Kapazität wegen der Verriegelung des PLL-Kreises 22 ersetzt werden. Ferner hält der PLL-Kreis 22 den Nachführvorgang bezüglich einer Änderung der Referenzfrequenz f₁ innerhalb des Haltebereichs Lr aufrecht. Daher ändert sich die Regelspannung v₂ der Freilauffrequenz linear mit der betreffenden Änderung.

Also wird die Änderung der Referenzfrequenz f₁′ durch eine momentan registrierte Streukapazitätsänderung induziert. Damit ändert sich bei verriegeltem PLL-Kreis 22 die Regelspannung v₂ der Freilauffrequenz linear mit dem Änderungssignal der vom Meßfühler 26 registrierten elektrischen Kapazität o. ä. (Streukapazität) Diese Regelspannung v₂ der Freilauffrequenz liegt ebenfalls am Eingang des Analogausgabeverstärker 23 an. Daher stellt sich am analogen Ausgangssignal A₀ eine positive bzw. negative Spannung ein, welche sich zu der vom Meßfühler 26 registrierten Änderung der elektrischen Kapazität o. ä. (Streukapazität) linear verhält. Ferner stellt der Ausgangstiefpaß 24 an seinem Ausgang eine stabile Gleichspannungskomponente v₃ zur Verfügung, die sich durch Verrechnung eines Absolutbetrages einer Ausgangsspannung v₁ des Phasendiskriminators 22a mit einer Zeitkonstante, die größer ist als die des Filters 22c, ergibt. Ausgehend von dieser Ausgangsspannung v₃ führt das Digitalausgabeschaltglied 25 eine binäre Umformung durch, mit dem Ergebnis, daß das digitale Ausgangssignal D₀ zu diesem Zeitpunkt auf 0 (0 Volt) gesetzt ist.

Im folgenden wird zu obigem anhand von Fig. 3 auf die relativen Abstände zwischen der Ausgangsfrequenz f₂ des VCO 22b während der Registrierung der Streukapazitätsänderung, dem Haltebereich Lr, dem Fangbereich Cr und den sich von f₁ nach f₁′ bewegenden Referenzfrequenzen des OSC 21 eingegangen.

Vor der Registrierung der Streukapazität (vor der Änderung) ist die Referenzfrequenz des OSC 21 auf den Wert f₁ eingestellt. Daher beginnt der PLL-Kreis 22 im verriegelten Zustand mit dem Nachführvorgang, sobald die Referenzfrequenz f₁′, die sich aufgrund der registrierten Kapazitätsänderung verändert, in den Bereich des Fangbereichs Cr gelangt. Folglich ändern sich auch die Ausgangsspannung v₁ des Phasendiskriminators 22a und die Ausgangsspannung v₂ des Filters 22c. Dementsprechend wird die anfängliche Referenzfrequenz f₁ des OSC 21 ihrerseits wegen der Veränderungen der Ausgangsspannungen v₁ und v₂ durch die Kapazitätsänderung beeinflußt. Dabei wird jeweils registriert, ob die Referenzfrequenz f₁′ zu jenem Zeitpunkt in den Fangbereich Cr eintritt oder nicht. Als Ergebnis ist je nach Auftreten oder Nicht-Auftreten einer Kapazitätsänderung am digitalen Ausgang D₀ das Signal 0 bzw. 1 eindeutig zu entnehmen.

Darauffolgend hält der PLL-Kreis 22 die Nachlaufsynchronisation im verriegelten Zustand aufrecht, vorausgesetzt, die Referenzfrequenz f₁′ des OSC 21 befindet sich innerhalb des in Fig. 3 dargestellten Haltebereichs Lr.

Damit steht, basierend auf der Ausgangsspannung v₂ (Regelspannung der Freilauffrequenz) des Filters 22c, am analogen Ausgang A₀ eine linear mit der quantitativ registrierten Kapazitätsänderung schwankende Spannung als Ausgangssignal an. Wird die Streukapazitätsänderung zurückgenommen, nimmt der OSC 21 wieder seine außerhalb des Haltebereichs Lr liegende Referenzfrequenz f₁ an, und der PLL-Kreis 22 wird in den entriegelten Zustand versetzt. Damit gelangen alle Elemente wieder in den ursprünglichen Zustand vor der Registrierung.

Wie sich aus Fig. 3 entnehmen läßt, ist der Frequenzunfang des Fangbereichs Cr - d. h. eines Bereichs, innerhalb dessen bei Eintritt der Eingangsfrequenz f₁′ der PLL-Kreis 22 zuerst in den Verriegelungszustand übergeführt wird - kleiner als der des Haltebereichs Lr. Dies ist dem Umstand zuzuschreiben, daß die Charakteristik des PLL-Kreises 22 dadurch bestimmt ist, daß der Fangbereich Cr im voraus eingestellt wird, während der Haltebereich Lr sich automatisch ergibt. Sobald der PLL-Kreis 22 in den Verriegelungszustand (stabilen Zustand) versetzt worden ist, vollzieht der VCO 22b für Veränderungen der am Eingang anliegenden Frequenz (Referenzfrequenz f₁′ des OSC 21) die Nachlaufsynchronisation stabil, welche in den variablen Arbeitsbereich (Haltebereich Lr) fallen, in welchem die Ausgangsfrequenz f₂ regelbar ist, und der sich über den Außenrand des Fangbereichs Cr hinaus ausbreitet.

Außerdem ist die Charakteristik dieses PLL-Kreises 22 dergestalt, daß er beim Vergleich der anfangs am Eingang anliegenden Frequenz (Referenzfrequenz f₁ des OSC 21) mit der Freilauffrequenz (f₂), und auch wenn diese Eingangsfrequenz f₁ gleich einer Frequenz innerhalb des äußeren Rand des Haltebereichs Lr ist, nur innerhalb des Fangbereichs Cr, welcher schmaler als der Haltebereich Lr ist, mit einer Verriegelung anspricht. Beim Übergang vom entriegelten zum verriegelten Zustand bzw. vice versa, stellt sich heraus, daß zwischen den beiden Bereichen Cr und Lr, wie in Fig. 3 dargestellt, eine Hysterese Lh besteht.

Demzufolge stellt sich wegen der Existenz der Hysterese Lh selbst bei einer Eingangsfrequenz f₁, die praktisch mit dem äußeren Randes des Haltebereichs Lr zusammenfällt, keinesfalls ein instabiler Zustand ein, und die Eignung für eine Antwort auf die Registrierung einer Streukapazitätsänderung ist somit im eindeutig stabilen Zustand gewährleistet.

In oben beschriebener Meßfühleinrichtung ist für die Erreichung einer klaren, sich über einen großen Meßbereich erstreckenden Erfassung eines Kapazitätsänderungssignals o. ä., welches von einem Meßfühler 26 angeboten wird und über den Eingang In in den OSC 21 gelangt, die Kapazität des Kondensators C₂ der RC-Schaltung 21b vorzugsweise in einem Bereich zu wählen, der kleiner oder gleich dem Bereich ist, in welchem die zu registrierenden Streukapazitätsänderungen zu erwarten sind. Falls z. B. für den Änderungsbereich der vom Meßfühler 26 registrierten Streukapazitätsänderung der Wert 10 angenommen wird, sollte für die Kapazität C des Kondensators C₂ ungefähr der Wert 5 gewählt werden.

Bei Festlegung des oben erwähnten Wertes ergibt sich jedoch sowohl für die Resonanzfrequenz des OSC 21 als auch des VCO 22b ein höherer Wert, und es ist darüber hinaus möglich, daß der Bereich der Änderungen auch dazu ausreicht, den Bereich des Fangbereichs Cr in seinem Inneren zu überschreiten. In diesem Fall ist der Wert der Vergleichszeitkonstanten der RC-Schaltung 21b vorzugsweise so zu wählen, daß sich für den Änderungsbereich der Referenzfrequenz f₁′ des OSC 21, welche mit der Registrierung der Streukapazitätsänderung einhergeht, nach praktischen Erwägungen ein Wert von etwa 10% ergibt. Mit dieser Dimensionierung kann der Meßfühler 26 offensichtlich beispielsweise die Änderung des Füllstandes einer Flüssigkeit registrieren.

Wenn es gilt, das Sinken bzw. Einhalten eines Flüssigkeitspegels innerhalb eines vorgegebenen Bereichs zu registrieren, ist bei einer auf die Veränderung des überwachten Flüssigkeitspegels zurückzuführenden Veränderung der Referenzfrequenz f₁ des OSC 21, ferner für den Kondensator C₂ der RC-Schaltung 21b, ein geeigneter Wert zu wählen, der die Kapazitätsänderung entsprechend berücksichtigt. Ein Frequenzumfang für den Fangbereich Cr wird im voraus festgelegt, wodurch mit Hilfe des Meßfühlers 26 registriert werden kann, ob der Flüssigkeitspegel innerhalb eines konstant vorgegeben Bereichs gesunken ist oder nicht.

Oben beschriebenes Verfahren der Erfassung eines registrierten Ergebnisses schließt die Vorgänge des Abnehmens des registrierten Flüssigkeitspegels am Analogausgabeverstärker 23 sowie einer optischen Anzeige desselben, indem der analoge Ausgang A₀ den Eingang eines Meßgerät o. ä. versorgt, mit ein. Ferner kann das Überschreiten des vorgegebenen Pegels dadurch gemeldet werden, daß mit dem Ansprechen eines Summers etc. eine akustische Warnung infolge eines Signals am digitalen Ausgang D₀ des Digitalausgabeschaltglied 25 ausgelöst wird. Wenn ein Magnetventil o. ä., welches sich synchron mit dem Signal öffnet bzw. schließt, mit einer derartigen Anzeigeeinrichtung gekoppelt wird, kann damit der Flüssigkeitspegel automatisch konstant gehalten werden. Zu beachten ist, daß für den Fall des Konstanthaltens des Flüssigkeitspegels die als Differenz zwischen Fangbereich Cr und Haltebereich Lr des PLL-Kreises 22 definierte Hysterese Lh sinnvoll für den Vorgang der Wasserzufuhr, des Ablassens, sowie der Zufluß- bzw. Abflußsperre eingesetzt wird. Es ist z. B. eine Zeitdifferenz zwischen der Auslösung der Wasserzufuhr bzw. Wasserabfuhr und der Beendigung des jeweiligen Vorgangs vorgegeben. Damit wird bezweckt, daß Wasserzufuhr und Ablassen nicht zu häufig stattfinden und der Vorgang stabil abläuft.

Hier spielt die bereits oben erwähnte Charakteristik des PLL-Kreises 22 eine Rolle, wonach sich der Frequenzumfang des Haltebereichs Lr automatisch nach Vorgabe des Frequenzumfangs des Fangbereichs Cr ergibt. Dabei ergibt sich auch zwangsläufig eine Breite für die Hysterese Lh. Demzufolge läßt sich der Frequenzumfang der Hysterese Lh entsprechend der Zeitspanne zwischen den in Frage kommenden Operationen im obigen Beispiel dadurch geeignet festlegen, daß eine entsprechende Breite für den Fangbereich Cr und ein passender Wert für den Kondensator C₂ der RC-Schaltung 21b gewählt wird.

Übrigens ist im Zusammenhang mit dem Aufbau des Meßfühlers 26 zu beachten, daß Form und Ausgestaltung insbesondere der Meßfühlereinheit nicht Gegenstand der Erörterung sind, vorausgesetzt sie ermöglichen es, das Änderungssignal der elektrischen Kapazität zu erfassen und dieses Signal elektrisch zu übertragen. In der Meßfühleinrichtung der oben beschriebenen Ausführung wird nur ein nagelgroßer Meßfühler als Meßfühlereinheit für die Überwachung eines Pegels von Wasser o. ä. in einem Tank verwendet.

Wie oben beschrieben ist in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nach Anspruch 1 der Meßfühler 26 an den OSC 21 angeschlossen, welcher ein die Zeitkonstante bestimmendes Schaltglied enthält, wobei dieser Meßfühler 26 dazu dient, berührend oder berührungsfrei am überwachten Objekt Kapazitätsänderungen o. ä. (Streukapazität) zu registrieren. Die Freilauffrequenz (f₂) des PLL-Kreises 22 und der Frequenzumfang des Fangbereichs Cr werden entsprechend vorgewählt, so daß der Bereich der Veränderung von Referenzfrequenz f₁′ des OSC 21 mit dem Fangbereich Cr des PLL-Kreises 22 überlappt (bzw. in ihn hineinreicht), wobei besagte Referenzfrequenz sich aus der synthetischen Zeitkonstante, die sich aus der Addition der vom Meßfühler 26 registrierten Kapazitätsänderung o. ä. (Streukapazität) mit der Vergleichszeitkonstante ergibt, welche vom die Zeitkonstante bestimmenden Schaltglied im PLL-Kreis 22, der mit besagtem OSC 21 in Verbindung steht, vorgegeben wird. Die Zustandsänderung des überwachten Objekts wird registriert, indem die Änderung der Regelspannung v₂ der Freilauffrequenz des VCO 22b erfaßt wird, welche durch die vom Meßfühler 26 registrierte Kapazitätsänderung o. ä. (Streukapazität) hervorgerufen wird.

(Ausführungsbeispiel 2)

Im folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Dieses zweite Ausführungsbeispiel entspricht erfindungsgemäß dem Anspruch 2. In dem oben beschriebenen Verfahren zur Registrierung von Kapazitätsänderungen o. ä. (Streukapazität) wird der Frequenzumfang des Fangbereichs Cr des PLL-Kreises 22 willkürlich entsprechend eingestellt, um zu erfassen, ob eine vom Meßfühler 26 registrierte Kapazitätsänderung o. ä. sich innerhalb des gesamten Änderungsbereichs bis zu einem bestimmten, konstanten Wert erstreckt oder nicht.

Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird nur der Frequenzumfang des Fangbereichs Cr des PLL-Kreises 22 im voraus willkürlich gewählt, wobei Justierung auf einen Bereich beschränkt ist, in welchem die vielfältigen Funktionen des Geräts nicht beeinträchtigt werden. Registriert wird, ob sich die mit der erfaßten Streukapazitätsänderung ändernde Referenzfrequenz f₁′ des OSC 21 innerhalb des willkürlich gewählten Fangbereichs Cr befindet oder nicht. Mit dieser Messung wird erfaßt, ob die vom Meßfühler 26 registrierte elektrische Kapazitätsänderung o. ä. (Streukapazität) bis zu einem vorgegeben Wert innerhalb des gesamten Änderungsbereichs reicht oder nicht.

Oben angedeuteter Sachverhalt wird im folgenden näher erläutert. Eine Beschreibung des Aufbaus der Meßfühleinrichtung, welche mit der in Fig. 1 dargestellten identisch ist, erübrigt sich. Fig. 4 dient der Erläuterung des Prinzips, wobei der Umstand erfaßt wird, daß sich die Streukapazitätsänderung, auf welche die Erfindung gemäß Anspruch 2 abzielt, in einen vorgegeben Bereich gelangt. Dabei gelten in Fig. 4 die gleichen Bezeichnungen wie in Fig. 3. Jedoch wird durch einen Pfeil C zusätzlich eine Richtung angezeigt, in die der Fangbereich ausgeweitet wird, während ein Pfeil C′ eine Richtung andeutet, in welcher der Fangbereich Cr verengt wird. Ferner zeigt ein Pfeil D in eine Richtung, in welcher der Haltebereich Lr erweitert wird, während ein Pfeil D′ eine Richtung angibt, in welcher der Haltebereich Lr verengt wird.

Erfindungsgemäß nach Anspruch 2 wird beispielsweise, wie in Fig. 4 dargestellt, im Bereich, in welchem sich die registrierbare Streukapazität ändert - d. h. in jenem speziellen Ausschnitt innerhalb des Gesamtänderungsbereiches (Pfeil A′), der sich von der Referenzfrequenz f₁ des OSC 21 vor der Änderung der Streukapazität bis hin zur Referenzfrequenz f₁′′, die nach der bei der Kapazitätserfassung registrierten Streukapazitätsänderung vorliegt, erstreckt - die innerhalb der Änderung liegende Referenzfrequenz f₁′, angedeutet durch den Pfeil A, passend zum Haltebereich Lr gewählt, welcher mit seinem Frequenzumfang den Fangbereich Cr des PLL-Kreises 22 umfaßt. In anderen Änderungsbereichen hingegen wird diese Frequenz so gewählt, daß sie nicht paßt.

Ferner wird im voraus der Frequenzumfang des Fangbereichs Cr des PLL-Kreises 22 durch Änderung der Kennlinie des Filters 22c oder Durchführung einer Schwellwerteinstellung mit Hilfe eines Potentiometers bzw. Änderung der Resonanzcharakteristik des VCO 22b innerhalb eines bestimmten Bereichs willkürlich so eingerichtet, daß die verschiedenen Operationen des PLL-Kreises 22 unbeeinflußt bleiben. Damit besitzt sowohl der Fangbereich Cr als auch der Haltebereich Lr jeweils einen Frequenzumfang, welcher sich von der genau in der Mitte befindlichen Ausgangsfrequenz (f₂) (Freilauffrequenz) des VCO 22b ausgehend gleich weit in die Richtung der höheren wie der tieferen Frequenzen erstreckt. Daher läßt sich der Frequenzumfang des Fangbereichs Cr, bezogen auf die Freilauffrequenz, in eine mit den Pfeilen bezeichnete Richtung C bzw. C′ spiegelsymmetrisch justieren. Außerdem bestimmt sich der Haltebereich Lr, wie vorher erläutert, automatisch durch die Charakteristik des PLL-Kreises 22, sobald der Fangbereich Cr festgelegt ist. Insbesondere wird der Haltebereich Lr in eine Richtung D bzw. D′ festgelegt. Synchron mit der Änderung des Fangbereichs Cr wird auch der Haltebereich Lr, wenn auch nicht notwendigerweise mit der gleichen Änderungsrate, spiegelsymmetrisch in bezug auf die Freilauffrequenz verändert.

Zu beachten ist, daß in dem bei der Bestimmung des Fangbereichs Cr sich ergebenden Bereich ein Wert (kritischer Wert) definiert ist, bei welchem die Kapazitätsänderung zuerst registriert wird, der mit dem Wert zusammenfällt, bei welchem die Referenzfrequenz f₁′ des OSC 21 gerade in den Fangbereich Cr hinein bewegt wird. Bei Rückkehr in den Ausgangszustand nach Beendigung der Registrierung ist ein Wert (Grenzfrequenz) definiert, bei welchem die Referenzfrequenz des OSC 21 in den Bereich außerhalb des Haltebereichs Lr bewegt wird. Damit wird der PLL-Kreis 22 genau dann, wenn die Registrierung beendet ist, in den entriegelten Zustand versetzt, so daß die vor der Registrierung der Kapazität herrschende Referenzfrequenz f₁ des OSC 21 für einen Ausgangszustand mit Sicherheit außerhalb des Haltebereichs Lr positioniert ist. Ferner ist es unmöglich, eine lineare Änderung des analogen Ausgangssignals A₀ zu erhalten, wenn der Frequenzumfang des Fangbereichs Cr durch Änderung der Resonanzcharakteristik des VCO 22b justiert wird, und wenn die Resonanzcharakteristik zum Erhalt des Gleichgewichts der Spiegelsymmetrie in bezug auf die Ausgangsfrequenz (f₂) nicht geändert wird. Diesem Umstand ist in gleicher Weise Beachtung zu schenken wie dem obengenannten Ausgangszustand.

Der Frequenzumfang des Fangbereichs Cr wird durch Erweiterung bzw. Verschmälerung dieses Frequenzumfangs so eingerichtet, daß es möglich ist, im Falle der Registrierung einer Veränderung, beispielsweise eines Flüssigkeitspegels, zu erfassen, ob sich das Fallen des Pegels innerhalb eines konstant vorgegebenen Bereichs bewegt oder nicht, vorausgesetzt, ein Wert des Kondensators C₁ des Schaltkreises 21b wurde geeignet gewählt für einen Bereich der Kapazitätsänderung, innerhalb dessen die Referenzfrequenz f₁ des OSC 21, wie durch den in Fig. 4 abgebildeten Pfeil A′ angedeutet, verursacht durch die vom Meßfühler 26 registrierte Flüssigkeitspegeländerung eine Veränderung von f₁ nach f₁′′ erfährt. Dieses registrierte Ergebnis wird über das analoge Signal am Ausgang A₀ bzw. das digitale Signal am Ausgang D₀ nach außen verfügbar gemacht, wo ein Öffnen bzw. Schließen eines Magnetventils o. ä. bewirkt wird, wodurch der Flüssigkeitspegel überwacht wird. Auf diese Weise kann der Flüssigkeitspegel konstant gehalten werden.

Wie oben ausgeführt, wird gemäß Anspruch 2 der Erfindung der Frequenzumfang des Fangbereichs Cr des PLL-Kreises 22 willkürlich festgelegt. Es ist möglich, zu erfassen, ob die vom Meßfühler 26 registrierte Kapazitätsänderung o. ä. (Streukapazität) einen bestimmten vorgewählten Bereich überschreitet oder nicht.

(Ausführungsbeispiel 3)

Ein drittes Ausführungsbeispiel entspricht der Erfindung gemäß Anspruch 3. Hiernach ist es Aufgabe des Ausführungsbeispiels, einen Veränderungszustand der elektrischen Kapazität o. ä. zu registrieren, indem erfaßt wird, ob die zusammen mit der Kapazitätsänderung auftretende Referenzfrequenz f₁′ des OSC 21 sich bei ihrer Änderung aus dem Haltebereich Lr des PLL-Kreises 22, in welchem die Freilauffrequenz (f₂) des VCO 22b des in Fig. 1 dargestellten PLL-Kreises durch geeignete Anpassung an die Referenzfrequenz f₁ des OSC 21 etc. innerhalb des Fangbereichs Cr gelegt wurde, hinaus bewegt oder nicht. Die Erfindung in dritten Ausführungsbeispiel basiert auf einem, im Vergleich zur vorangegangenen Erfindung im ersten Ausführungsbeispiel gegensätzlichen Konzept. Die Ausgangsfrequenz (f₂) (Freilauffrequenz) des VCO 22b des PLL-Kreises 22 wird innerhalb des Fangbereichs Cr gelegt, indem sie vorher passend zur Referenzfrequenz f₁ des OSC 21 gewählt wird. Mit dieser Anordnung wird der Phasenregelkreis der Meßfühlvorrichtung vor Registrierung der Streukapazitätsänderung in den verriegelten Zustand versetzt. Daraufhin ändert sich mit einem vom Meßfühler 26 erhaltenen Streukapazitätsänderungssignal die Referenzfrequenz f₁′ des OSC 21 und verläßt den Frequenzumfang des Haltebereichs Lr. Ebenso ändert sich die Regelspannung v₂ der Freilauffrequenz des PLL-Kreises 22, der diesen Vorgang nachführt. Entsprechend wird anhand der Spannungsdifferenz zwischen der geänderten Regelspannung v₂ und der Regelspannung der Freilauffrequenz, wie sie bei Abwesenheit der Kapazität registriert wird, eine quantitative Änderung der Streukapazität erfaßt.

Gemäß der Erfindung in Anspruch 3 bedeutet dies jedoch, daß der Anfangszustand dieser Meßfühlanordnung derart eingerichtet wird, daß die Referenzfrequenz f₁′ des OSC 21 während der Registrierung einer Kapazität den Frequenzumfang des Haltebereichs Lr des PLL-Kreises 22 verläßt. Bei dieser Grundeinstellung gerät der PLL-Kreis 22, welcher sich vor Registrierung der Kapazitätsänderung in verriegelten Zustand befand, bei Erfassung der Kapazitätsänderung in den entriegelten Zustand. Demgemäß wird die in der Ausgangsspannung v₁ des Phasendiskriminators 22a abhängig von einem Ver- oder Entriegelungszustand des PLL-Kreises 22 aufgetauchte Änderung und ein Vorliegen oder Nichtvorliegen der Streukapazitätsänderung registriert, indem die darauf basierende Ausgangsspannung v₂ des Filters 22c, d. h. die Regelspannung der Freilauffrequenz, erfaßt wird.

Für die Meßfühleinrichtung des Ausführungsbeispiels 3, die sich von der in Fig. 3 dargestellten nicht unterscheidet, erübrigt sich daher eine Beschreibung. Ferner wird anhand von Fig. 5 das Prinzip erläutert, nach welchem die Erfassung der Streukapazitätsänderung gemäß Anspruch 3 der Erfindung erreicht wird. Dabei wird darauf hingewiesen, daß die Bezeichnungen in Fig. 5 mit denjenigen in Fig. 3. übereinstimmen. Erfindungsgemäß sind im Ausführungsbeispiel 3, wie in Fig. 5 dargestellt, die Referenzfrequenz f₁ des OSC 21 vor der Registrierung der Streukapazitätsänderung und die Referenzfrequenz f₁′ nach der Registrierung der Streukapazitätsänderung bzw. die Referenzfrequenz f₁′′ festgesetzt. Daraufhin wird der PLL-Kreis 22 in den verriegelten Zustand versetzt, indem die Ausgangsfrequenz (f₂) (Freilauffrequenz) des VCO 22b des PLL-Kreises 22 zur vor der Registrierung der Kapazitätsänderung herrschenden Referenzfrequenz f₁ des OSC 21 passend ausgesucht wird, und so auf die Registrierung einer Streukapazitätsänderung vorbereitet.

In folgenden Zustand ist beispielsweise die Referenzfrequenz f₁′ innerhalb des Haltebereichs Lr positioniert, nachdem sich die Referenzfrequenz f₁ des OSC 21 bei Registrierung der Kapazitätsänderung, wie durch Pfeil A angedeutet, zu f₁′ verändert hat. Der PLL-Kreis 22 behält daher den verriegelten Zustand bei und führt oszillierend die Ausgangsfrequenz f₂ des VCO 22b der Referenzfrequenz f₁′ des OSC 21 nach. Zu diesem Zeitpunkt ist bei der Regelspannung v₂ der Freilauffrequenz eine Spannungsdifferenz bezüglich der Regelspannung der Freilauffrequenz im Ausgangszustand festzustellen. Diese steht jedoch in linearem Verhältnis zu dem vom Meßfühler 26 registrierten Änderungssignal der elektrischen Kapazitätsänderung o. ä. (Streukapazität). Daher läßt sich die quantitative Änderung der Streukapazität aus dieser Spannungsdifferenz ablesen.

Andernfalls, wenn sich die Referenzfrequenz des OSC 21 wie durch den Pfeil A′ angedeutet verändert und zur Referenzfrequenz f₁′′ wird, liegt diese Frequenz f₁′′ außerhalb des Frequenzumfangs des Haltebereichs Lr. Damit gerät der PLL-Kreis 22 in den entriegelten Zustand. Die Ausgangsfrequenz des VCO 22b nimmt dabei den Wert der Ausgangsfrequenz (f₂) an, nämlich derjenigen Freilauffrequenz, die sich bei einem Absinken der Regelspannung der Freilauffrequenz auf den Wert Null (0- Zustand) ergibt. In diesem entriegelten Zustand wird am Ausgang des Phasendiskriminators 22a abwechselnd eine positive bzw. negative Ausgangsspannung v₁ im wesentlichen konstant erzeugt. Offensichtlich wird auf dieser Grundlage eine Information darüber, ob sich der Phasenregelkreis im verriegelten Zustand befindet oder nicht, über den Ausgangstiefpaß 24 an das Signal des digitalen Ausgangs D₀ des Digitalausgabeschaltglieds 25 übergeben. Damit wird mit Überprüfung des digitalen Ausgangssignal D₀ die Erfassung des Vorliegens bzw. Nichtvorliegens einer Streukapazitätsänderung ermöglicht. In dem in Fig. 5 erläuterten Ausführungsbeispiel befindet sich der PLL-Kreis 22 im verriegelten Zustand, der als anfänglicher Zustand vor Registrierung der Streukapazitätsänderung gegeben ist. Das digitale Ausgangssignal D₀ der Meßfühleinrichtung ist, im Gegensatz zu dem vorangegangenen ersten Ausführungsbeispiel, zu diesem Zeitpunkt konstant auf 0 (0 Volt) gesetzt. Ferner ist in diesem Ausgangszustand die Ausgangsfrequenz (f₂) (Freilauffrequenz) des VCO 22b ebenfalls passend zur Referenzfrequenz f₁ gewählt, was einen Zustand (0-Zustand) zur Folge hat, während dessen die Regelspannung der Freilauffrequenz fast den Wert Null annimmt. Daraus folgt, daß sich auch für das analoge Ausgangssignal A₀ fast 0 (0 Volt) ergibt.

Wie oben ausgeführt, bezweckt die Erfindung gemäß Anspruch 3, die anhand des dritten Ausführungsbeispiels erläutert wurde, die Registrierung der An- oder Abwesenheit einer Zustandsänderung beim überwachten Objekt. Diese Registrierung umfaßt nacheinander die Voreinstellung der Freilauffrequenz (f₂) des PLL-Kreises 22 für den Zustand innerhalb des Fangbereichs Cr, indem diese passend zur Referenzfrequenz f₁ des OSC 21 gewählt wird, die vorherige Versetzung des PLL-Kreises 22 in den Zustand der Verriegelung, sowie Erfassung der Referenzfrequenz f₁′ des OSC 21, welche sich in der Art ändert, daß sie sich vom Frequenzumfang des Haltebereichs Lr des PLL-Kreises 22 entfernt, wobei die Referenzfrequenz f₁′ gleichzeitig mit der vom Meßfühler 26 registrierten Änderung der elektrischen Kapazität o. ä. erzeugt wird.

(Ausführungsbeispiel 4)

Ein viertes Ausführungsbeispiel entspricht erfindungsgemäß dem Anspruch 4. Das Wesentliche der Erfindung gemäß Anspruch 4 besteht darin, daß Richtungen (Ansteigen bzw. Sinken) der elektrischen Kapazitätsänderungen sowie deren Beträge anhand der Änderung (Betrag der Abweichung) der Regelspannung der Freilauffrequenz, die mit der Kapazitätsänderung zeitlich zusammenfällt, erfaßt werden, indem die Bedingungen derart vorgewählt werden, daß der PLL-Kreis 22 vor und nach Verursachung der Änderung der elektrischen Kapazität von seinen zwei Zuständen ständig wieder den Zustand der Verriegelung annimmt.

Auch hier erübrigt sich eine Beschreibung des grundsätzlichen Aufbaus, da dieser mit demjenigen in Fig. 1 identisch ist. In Fig. 6 ist das Prinzip dargestellt, nach welchem die Registrierung der Streukapazitätsänderung erfindungsgemäß nach Anspruch 4 gelöst ist. Die Bezeichnungen in Fig. 6 stimmen mit denjenigen in Fig. 3. überein.

Erfindungsgemäß werden hier sowohl die vor Registrierung der Streukapazitätsänderung vorliegende Referenzfrequenz f₁ des OSC 21 als auch die bei Registrierung der Streukapazitätsänderung bestehende Referenzfrequenz f₁′ des OSC 21 so gewählt, daß sie innerhalb des Fangbereichs Cr liegen. Als Alternative wird im Falle, daß sich die auf der Registrierung der Streukapazitätsänderung basierenden Referenzfrequenzen f, wie durch die Pfeile A′ und B angedeutet, ändern, der Anfangszustand dieser Meßfühleinrichtung derart voreingestellt wird, daß die Referenzfrequenz f₁′′ des OSC 21 innerhalb des Frequenzumfangs des Haltebereichs Lr (innen) zu liegen kommt.

Mit dieser Voreinstellung nimmt der PLL-Kreis 22 der Meßfühleinrichtung in bezug auf den durch die Referenzfrequenz f₁ des OSC 21 erlaubten Änderungsbereich, d. h. im gesamten Bereich, in welchem eine Streukapazitätsänderung registrierbar ist, den Zustand der Verriegelung ständig wieder an. Anschließend wird die Regelspannung der Ausgangsfrequenz (f₂) des VCO 22b, d. h. die Regelspannung v₂ der Freilauffrequenz, entsprechend der quantitativen Änderung obengenannter Kapazität bei Empfang eines vom Meßfühler 26 erhaltenen Änderungssignals geändert. Daraufhin erfolgt eine dazu lineare, entsprechende Spannungsänderung, welche am analogen Ausgangssignal A₀ abgenommen werden kann.

Fig. 7 stellt ein Diagramm dar, anhand dessen eine Beziehung zwischen dem variablen Arbeitsbereich der vom analogen Ausgangssignal A₀ gelieferten Ausgangsspannung und einer unteren bzw. oberen Grenzfrequenz im Haltebereich Lr aufgezeigt wird. Dabei stimmen die Bezeichnungen in Fig. 7 mit denen in Fig. 6 überein. Jedoch stellt hier f₃ eine obere Grenzfrequenz des Haltebereichs Lr dar; f₄ bezeichnet eine untere Grenzfrequenz. Insbesondere bezeichnen +v₄, -v₄′, -v₄′′ Spannungswerte des analogen Ausgangssignals, welche sich entsprechend auf die Referenzfrequenzen f₁, f₁′, f₁′′ des OSC 21 der Meßfühleinrichtung beziehen, wie sie in der vorhergehenden Fig. 6 gewählt sind.

Gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 7 dargestellt, steht am analogen Ausgang A₀ die Signalspannung +v₄ an, falls die Referenzfrequenz f₁ des OSC 21 besteht, wenn keine Kapazitätsänderung registriert wird. Sobald die Kapazitätsänderung registriert wird, und falls beispielsweise die Referenzfrequenz f₁ des OSC 21 sich zu f₁′, wie durch Pfeil A angedeutet, ändert, findet die Nachlaufsynchronisation durch den PLL-Kreis 22 statt. Damit verändert sich die Regelspannung der Freilauffrequenz des VCO 22b, womit -v₄′, wie in der Figur gezeigt, am analogen Ausgang A₀ als Signal anliegt.

Ferner findet sich, wenn die Kapazitätsänderung registriert wird, und auch falls beispielsweise die Referenzfrequenz f₁ des OSC 21 sich sogar zur Referenzfrequenz f₁′′ wandelt, wie durch den Pfeil A′ bzw. B angedeutet, die veränderte Referenzfrequenz f₁′′ innerhalb des dem PLL-Kreis 22 eigenen Haltebereichs Lr. Daraus ergibt sich, daß das in Fig. 7 gezeigte Spannungssignal -v₄′′ stabil am analogen Ausgang A₀ ausgegeben wird.

Demgemäß wird die Kapazitätsänderung entsprechend der Spannungsdifferenz des analogen Ausgangssignals A₀, welches auf der Regelspannung der Freilauffrequenz des VCO 22b basierend erzeugt wird, erfaßt. Außerdem weist das Verhältnis zwischen der betreffenden Änderung und dem Ausgangssignal eine Linearitätsbeziehung auf. Daher kann, wenn vorher eine Differenz der Ausgangsspannungen bezüglich einer Kapazitätsänderung über den gesamten Meßbereich festgehalten wurde, die quantitative Änderung berechnet werden. Ebenfalls läßt sich die Streukapazitätsänderung gleichzeitig nach Betrag und Richtung (Anwachsen bzw. Absinken) erfassen. Gemäß des Verfahrens der Anzeige der registrierten Ergebnisse, in gleicher Weise wie bei obengenannten Ausführungsbeispiel, wird ein Meßgerät o. ä. an den analogen Ausgang A₀ angeschlossen, wodurch die Gesamtsituation der Zustandsänderungen des überwachten Objekts optisch beobachtet werden kann.

Hierbei wird, falls die Referenzfrequenz f₁′′ des OSC 21, wie in dem Fig. 7 dargestellt, in einem Zustand, in welchem diese Referenzfrequenz f₁′′ sich zwar innerhalb des Haltebereichs Lr des PLL-Kreises 22, jedoch außerhalb des Fangbereichs Cr befindet, und falls aus irgendeinem Grunde die Spannungsquelle, welche die für die Durchführung dieses Meßfühlverfahrens notwendige Spannung bereitstellt, unterbrochen wird, unabhängig von der Stromunterbrechung und auch falls die Stromversorgung anschließend wieder hergestellt wird, ständig die gleiche Kapazität beim überwachten Objekt registriert. Die Referenzfrequenz f₁′′ des OSC 21 wird daher in gleicher Weise, d. h. außerhalb des Fangbereichs Cr positioniert. Dies kann bei Dauerüberwachung zur Fehlfunktion führen. Für diesen Fall ist ein beigeordneter sogenannter Kick-Schaltkreis erforderlich, der die Referenzfrequenz f₁′′ des OSC 21 sofort zwangsläufig in das Innere des Fangbereichs Cr positioniert. Ein Hinzufügen dieses Zusatzschaltkreises beeinflußt aber die für das Verfahren erfindungsgemäß charakteristischen Eigenschaften negativ. Bei dieser Erfindung werden die Referenzfrequenzen f des OSC 21 für den gesamten Bereich der Kapazitätsänderung des überwachten Objekts im Stadium der Voreinstellung in das Innere des Fangbereichs Cr gelegt. Dadurch bleibt auch in der oben beschriebener Situation die Funktionsfähigkeit unbeeinträchtigt.

Wie oben ausgeführt, ist erfindungsgemäß nach Anspruch 4 bezüglich der Regelspannung der Freilauffrequenz des PLL- Kreises 22 die Feststellung der Richtungen (Ansteigen bzw. Absinken) der vom Meßfühler 26 registrierten elektrischen Kapazitätsänderung o. ä. sowie deren Beträge dadurch gelöst, daß eine Differenz zwischen der Spannung vor der elektrischen Kapazitätsänderung und der Spannung, welche sich bei Registrierung der elektrischen Kapazitätsänderung ergibt, quantitativ erfaßt wird.

(Ausführungsbeispiel 5)

Im folgenden wird ein fünftes Ausführungsbeispiel erläutert. Das fünfte Ausführungsbeispiel entspricht der Erfindung nach Anspruch 5. Ferner baut das fünfte Ausführungsbeispiel hinsichtlich des Verfahrens der Erfassung von Änderungen der elektrischen Kapazität o. ä. (Streukapazität etc.), welches bereits anhand eines der Ausführungsbeispiele der Erfindungen gemäß Anspruch 1 bis 3 beschrieben wurde, auf die anderen Ausführungsbeispiele auf.

Erfindungsgemäß nach Anspruch 5 wird die für den PLL-Kreis 22 charakteristische, zwischen der Begrenzung des Fangbereichs Cr und der Begrenzung des Haltebereichs Lr auftretende Hysterese Lh so eingerichtet, daß sie in geeigneter Weise einer Differenz zwischen den Meßpegeln während eines Ansteigens oder Absinkens der elektrischen Kapazität o. ä., nämlich der vom Meßfühler 26 registrierten Differenz, entspricht. Hierbei werden zwei Zustände (der Streukapazität) des überwachten Objekts erfaßt.

Die Meßfühlanordnung für die Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 5 gleicht prinzipiell der in Fig. 1 dargestellten. Das Diagramm von Fig. 8 dient unterstützend zur Erläuterung des Prinzips, nach welchem erfindungsgemäß nach Anspruch 5 die Streukapazitätsänderung erfaßt wird. Die Bezeichnungen der Figur stimmen mit denjenigen von Fig. 7 überein. Jedoch repräsentiert f₅ eine obere Grenzfrequenz des Fangbereichs Cr, weiter zeigt ein Pfeil E eine Richtung an, in welcher sich die Änderung bewegt. Zu beachten ist, daß in Fig. 8 der Übersichtlichkeit halber sowohl der Fangbereich Cr als auch der Haltebereich Lr nur in der Nähe der oberen Grenzfrequenz dargestellt sind.

Wie in Fig. 8 zu sehen, besteht zwischen dem Haltebereich Lr und dem Fangbereich Cr ein Hysteresebereich. Daher wird die obere Grenzfrequenz f₅ des Fangbereichs Cr, wenn die Referenzfrequenz f des OSC 21, welche vor der Verursachung einer Streukapazitätsänderung besteht, bei einer Streukapazitätsänderung sich von f₁ zur Referenzfrequenz f₁′ wandelt, eine kritische Frequenz, die ausreicht, den PLL-Kreis der Meßfühleinrichtung vom entriegelten Zustand in den verriegelten Zustand überzuführen. Ferner wird die obere Grenzfrequenz f₃ des Haltebereichs Lr, wenn die Referenzfrequenz f₁′ des OSC 21, welche während der Registrierung der Kapazitätsänderung besteht, wieder zur Referenzfrequenz f₁ des OSC 21 vor der Registrierung der Kapazitätsänderung zurückkehrt, eine Grenzfrequenz, die in der Lage ist, den Phasenregelkreis der Meßfühleinrichtung vom verriegelten Zustand in den entriegelten Zustand zu versetzen. Zwangsläufig baut sich damit für die Regelspannung v₂ der Freilauffrequenz des VCO 22b in dem Zeitraum, während sich die Referenzfrequenz f des OSC 21 in die mit dem Pfeil A angedeutete Richtung bewegt und dem Zeitraum, da selbige Frequenz in der durch Pfeil E angedeuteten Richtung zurückkehrt, eine Differenz auf.

Ebenso kommt es bei der Ausgangsspannung v₁ des Phasendiskriminators 22a zu einer Spannungsdifferenz.

Dies bedeutet also, daß eine Differenz herrscht zwischen einem kritischen Erfassungswert (unterer Schwellwert der Erfassung) bei dem die Streukapazitätsänderung registrierbar wird und einem Grenzwert der Erfassung (Maximalwert der Erfassung) bei dem eine Erfassung unmöglich wird. Daher wirkt sich im Falle einer Änderung (bzw. bidirektionalen Änderung) des Zustands des überwachten Objekts (Streukapazität) in Form von Ansteigen/Absinken vice versa dies als Meßpegeldifferenz zwischen dem Meßwert während des Ansteigens und demjenigen während des Absinkens aus. Dabei rührt diese Meßpegeldifferenz von obengenannter Hysterese Lh her.

Dieses fünfte Ausführungsbeispiel ist solchermaßen aufgebaut, daß bei Beachtung der Hysterese die sichere Erfassung zweier Zustände (zweier Pegelstände) des überwachten Objekts (Streukapazität) ermöglicht wird.

Das Diagramm in Fig. 15 dient unterstützend zur Erläuterung eines Signalzustandes am digitalen Ausgangs D₀ des Digitalausgabeschaltglieds 25, welcher schließlich über den Ausgangstiefpaß 24 auf der Basis der Regelspannung v₂ der Freilauffrequenz, die als bestimmendes Element für die Ausgangsfrequenz f₂ des VCO 22b konzipiert ist, und der Ausgangsspannung v₁, die auf einem im Phasendiskriminator 22a durchgeführten Vergleich zwischen der Ausgangsfrequenz f₂ und der Referenzfrequenz f₁′ basiert, zustandekommt. Die Bezeichnungen in Fig. 9 stimmen mit denjenigen in Fig. 6 überein. Jedoch stellen zusätzlich v₅ und v₅′ Spannungen des digitalen Ausgangssignal D₀ dar.

Wie in Fig. 9 dargestellt ändert sich bei einer Registrierung der Kapazitätsänderung die Referenzfrequenz f₁ des OSC 21, die besteht, wenn keine Kapazitätsänderung registriert wird, in die Referenzfrequenz f₁′. Genau in diesem Zeitpunkt wechselt, wie durch Pfeil A angedeutet, die Spannung des digitalen Ausgangssignals D₀ von v₅ nach v₅′ (0 Volt). Dieser Wechsel wird durch eine Stufe verursacht, die sich aus der oberen Grenzfrequenz f₅ des Fangbereichs Cr ergibt. An dieser Stelle geht der PLL-Kreis 22 in den verriegelten Zustand über. Wenn dann die Referenzfrequenz f₁′ des OSC 21, welche die Kapazitätsänderung registriert, wie durch Pfeil E angedeutet, wieder zur Referenzfrequenz f₁, wo keine Kapazitätsänderung stattfindet, zurückkehrt, wechselt die Spannung des digitalen Ausgangssignals D₀ von v₅′ nach v₅ (konstante Spannung). Während dieser Rückführung findet ein Wechsel der Spannung des digitalen Ausgangssignals D₀ jedoch mit einem Sprung statt, welcher durch die obere Grenzfrequenz f₃ des Haltebereichs Lr definiert ist. In diesem Moment wird der PLL-Kreis 22 in den entriegelten Zustand versetzt. Aus Fig. 9 geht hervor, daß bei einem Wechsel der Referenzfrequenz f des OSC 21 von f₁ nach f₁′ (bzw. von f₁′ nach f₁) der Wert der Referenzfrequenz f durch eine Hysterese charakterisiert ist.

Damit verfolgt die Erfindung gemäß Anspruch 5 den Zweck, eine häufige wechselnde Zufuhr und Abfuhr des Wasser zu verhindern und einen stabilen Ablauf des Regelvorgangs zu bewirken. Dazu ist es nötig, für die Konstanthaltung der zwei Zustände des überwachten Objekts, z. B. die Pegelstände in einem Wassertank, Differenzen zwischen den Regelungsvorgängen der Zufuhr und Abfuhr des Wassers und zwischen den Regelungspunkten des Anhaltens der jeweiligen Operationen festzulegen. Nebenbei kann in diesem Zustand das Heranrücken des Regelungspunktes für den Zufuhr- bzw. Abfuhrvorgang optisch durch ein am analogen Ausgang A₀ der Meßfühleinrichtung angeschlossenes Meßgerät o. ä. sichtbar gemacht werden. Außerdem sei noch vermerkt, daß bei einer den Pegel ständen des überwachten Objekts entsprechenden Einrichtung der für den PLL-Kreis 22 charakteristischen Hysterese Lh sich die zwei Zustände des überwachten Objekts klarer erfassen lassen als bisher, indem hinsichtlich des zu berücksichtigenden Anteils, welchen der Frequenzumfang (Bereich) der Hysterese Lh im Verhältnis zum gesamten Meßbereich zwischen dem Zustand vor der registrierten Kapazitätsänderung und demjenigen während einer registrierten Kapazitätsänderung einnimmt, die Voreinstellung der Meßfühleinrichtung geeignet vorgenommen wird.

Wie oben ausgeführt, bezweckt die Erfindung gemäß Anspruch 5 die Erfassung zweier Zustände des überwachten Objekts, indem in geeigneter Weise eine Differenz (Hysterese) - nämlich die Differenz zwischen dem Wert im kritischen Erfassungspunkt, wo eine elektrische Kapazitätsänderung o. ä. möglich ist und dem Wert der Grenzfrequenz der Erfassung, wo eine elektrische Kapazitätsänderung o. ä. nicht möglich ist - entsprechend einer während des Ansteigens bzw. Absinkens der vom Meßfühler 26 registrierten elektrischen Kapazitätsänderung auftretenden Meßpegeldifferenz festgelegt wird.

(Ausführungsbeispiel 6)

Im folgenden wird ein sechstes Ausführungsbeispiel beschrieben. Dem ersten bis fünften Ausführungsbeispiel ist folgender Aufbau gemeinsam. Der Meßfühler 26, der dazu bestimmt ist, ohne oder mit Kontakt zum überwachten Objekt die Streukapazitätsänderung zu registrieren, ist an den OSC 21 angeschlossen, welcher das die Zeitkonstante bestimmende Schaltglied enthält. Die Zustandsänderung des überwachten Objekts wird in dem Bereich, in welchem sich die Änderung der Referenzfrequenz f₁′ erstreckt, erfaßt, wobei sich diese Referenzfrequenz durch die synthetische Zeitkonstante, die sich durch Aufaddieren der Kapazitätsänderung o. ä. (Streukapazität, etc.), welche durch den Meßfühler 26 registriert wird, und der Zeitkonstante, welche durch das die Zeitkonstante bestimmende Schaltglied vorgewählt wird, festgelegt ist. Wenn nämlich die Referenzfrequenz f₁′ des OSC 21 sich in bezug auf die Freilauffrequenz (f₂) des PLL-Kreises 22 ändert, verändert sich auch die Regelspannung v₂ der Freilauffrequenz (f₂) des PLL-Kreises 22. Daher wird die Streukapazitätsänderung anhand der Erfassung dieser Regelspannung v₂ registriert.

Die Erfindung gemäß Anspruch 6 dient hingegen in ihrem Aufbau der Messung der Streukapazitätsänderung. Dazu ist erforderlich, die Referenzfrequenz f₁ des OSC 21 nach dem beschriebenen Grundprinzip des Phasenregelkreises festzulegen, das eigenständige Übergehen der Freilauffrequenz (f₂) des PLL-Kreises 22 bei Auftreten des vom Meßfühler 26 erhaltenen Signals der Streukapazitätsänderung zu bewirken, und eine zum selben Zeitpunkt stattfindende Änderung der Regelspannung v₂ der Freilauffrequenz des PLL-Kreises zu erfassen.

Fig. 10 zeigt in Form eines Blockschaltbildes ein Ausführungsbeispiel eines Aufbaus des Hauptabschnitts der Meßfühleinheit in einer Meßfühlanordnung, in welcher das Verfahren der Messung einer Streukapazitätsänderung erfindungsgemäß nach Anspruch 6 eingesetzt wird. Die Bezeichnungen der Figur sind identisch mit denjenigen in Fig. 1. Wie sofort aus Fig. 10 ersichtlich, ist der Meßfühler 26 an ein die Vergleichszeitkonstante bestimmendes Schaltglied angeschlossen, welches im VCO 22b innerhalb des PLL-Kreises 22 vorgesehen ist und aus einem Widerstand R₁ und einem Kondensator C₁ besteht, wobei dieses Schaltglied dazu dient, die Ausgangsfrequenz (f₂) (Freilauffrequenz) festzulegen. Weiter wird ein Änderungswert (Änderungssignal) der Streukapazität, welches vom Meßfühler 26 erhalten wird, von dem die Vergleichszeitkonstante bestimmenden Schaltglied addiert, wodurch eine synthetische Zeitkonstante gebildet wird. Die Freilauffrequenz (f₂) geht selbst entsprechend dem Änderungssignal über. Demgemäß oszilliert der OSC 21 in diesem Ausführungsbeispiel mit einer Eigenresonanzfrequenz, welche einer durch die RC- Schaltung 21b bestimmten Zeitkonstante entspricht. Die fest eingestellte Referenzfrequenz f liegt am Eingang des PLL- Kreises 22 an.

In dem vorher beschriebenen PLL-Kreis 22 erfolgt die Bestimmung des Fangbereichs Cr und des Haltebereichs Lr auf der Basis der Ausgangsfrequenz (f₂) (Freilauffrequenz) des VCO 22b. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel hingegen geht die Freilauffrequenz (f₂) eigenständig bei einem vom Meßfühler 26 erhaltenen Eingangssignal, welches die Streukapazitätsänderung anzeigt, über. Damit gleichlaufend gehen dabei der Fangbereich Cr und der Haltebereich Lr simultan über.

Der Phasendiskriminator 22a stellt einen Echtzeit-Vergleich her zwischen den Phasen der Eigenresonanzfrequenz f am Ausgang des OSC 21 und der übergehenden Ausgangsfrequenz (f₂) (Freilauffrequenz) des VCO 22b, woraufhin eine Reihe von Operationen im PLL-Kreis 22 ablaufen. Wenn der Fangbereich Cr in den Bereich übergeht, wo die Eigenresonanzfrequenz f am Ausgang des OSC 21 eingefangen werden kann (gehalten wird), gelangt dieser PLL-Kreis 22 in den verriegelten Zustand.

Die Grundzüge der obengenannten Abläufe werden anhand von Fig. 11 erläutert. Das Diagramm von Fig. 11 dient unterstützend zur Erläuterung des Prinzips, nach welchem erfindungsgemäß nach Anspruch 6 die Streukapazitätsänderung gemessen wird. Daher stimmen die Bezeichnungen in Fig. 11 mit denjenigen in Fig. 3 überein. Jedoch zeigt ein Pfeil F eine Richtung an, in welcher der Fangbereich Cr und der Haltebereich Lr gemeinsam basierend auf dem Übergang der Ausgangsfrequenz (f₂) (Freilauffrequenz) des VCO 22b übergehen. Der mit einer gestrichelten Linie G umfaßte Bereich stellt einen Zustand der Verteilung der Frequenzen dar, wie er vorliegt, wenn die Kapazitätsänderung registriert wird.

Wie in Fig. 11 dargestellt, stellen sich der Fangbereich Cr und der Haltebereich Lr auf der Basis der Freilauffrequenz (f₂) des VCO 22b des PLL-Kreises 22 dar. Für den Fall, daß keine Kapazitätsänderung registriert wird, wird die Voreinstellung so gewählt, daß sich die Eigenresonanzfrequenz f am Ausgang des OSC 21 nicht innerhalb des Haltebereichs Lr befindet. Für eine registrierte Kapazitätsänderung hingegen wird die Ausgangsfrequenz (f₂) (Freilauffrequenz) des VCO 22b und die Eigenresonanzfrequenz f am Ausgang des OSC 21 derart vorgewählt, daß die Referenzfrequenz f des OSC 21 in den Fangbereich Cr gerät und darin festgehalten wird. Damit wird ein Vorbereitungszustand für Erfassung der Änderung der elektrischen Kapazität o. ä. (Streukapazität, etc.) hergestellt. Der PLL-Kreis 22 wird nun in den entriegelten Zustand versetzt. In der Meßfühlanordnung befindet sich der PLL-Kreis 22 in seinem anfänglichen Zustand im entriegelten Zustand. Daher liegt am digitalen Ausgangssignal D₀ eine 1 (konstante Spannung) an, während am analogen Ausgangssignal A₀ 0 (0 Volt) ausgegeben wird.

Wenn dann die Kapazitätsänderung registriert wird, geht die diesem Einfluß unterworfene Freilauffrequenz (f₂), wie durch den Pfeil F angedeutet, und zusammen mit ihr der Fangbereich Cr und der diesen begleitende Haltebereich Lr über. Die Eigenresonanzfrequenz f am Ausgang des OSC 21 gerät in den Fangbereich Cr, welcher sich verschoben hat, wie durch die gestrichelte Linie G angedeutet, und wird darin festgehalten. Daraufhin wird dieser PLL-Kreis in den verriegelten Zustand versetzt, und die Nachlaufsynchronisation zur Eigenresonanzfrequenz f am Ausgang des OSC 21 beginnt.

Die verschiedenen Abläufe im PLL-Kreis 22 während des verriegelten Zustandes gleichen offensichtlich weitgehend denjenigen, welche in den entsprechenden Ausführungsbeispielen oben beschrieben wurden. Speziell ändert sich im Inneren des PLL-Kreises 22 die Ausgangsfrequenz (f₂) (Freilauffrequenz) des VCO 22b selbst entsprechend dem vom Meßfühler 26 erhaltenen Streukapazitätsänderungssignal. Jedoch führt der Phasendiskriminator 22a einen Echtzeit-Vergleich zwischen einer Phase der Freilauffrequenz nach dem Übergang und einer Phase der Eigenresonanzfrequenz f am Ausgang des OSC 21 durch. Dabei wird die Ausgangsspannung v₁ im Phasendiskriminator 22a erzeugt. Diese Ausgangsspannung v₁ wird dem Filter 22c zugeführt, welcher die Ausgangsspannung v₂(Regelspannung der Freilauffrequenz) erzeugt. Dadurch wird die Ausgangsfrequenz f₂ in einem Zustand, wie er vorliegt, wenn sich die Freilauffrequenz innerhalb des veränderlichen Bereichs des VCO 22b ändert, dahingehend modifiziert, daß sie den gleichen Wert annimmt wie die vorher festgelegte Eigenresonanzfrequenz f am Ausgang des OSC 21. Die in dieser Weise modifizierte Ausgangsfrequenz (f₂) des VCO 22b wird mit der Eigenresonanzfrequenz f am Ausgang des OSC 21 identisch, und es kommt zu einer Phasendifferenz von 90°. In diesem Moment scheint eine quantitative Verschiebung der Ausgangsfrequenz f₂ des VCO 22b (nun gleich der Referenzfrequenz f des OSC 21) zu jenem Zeitpunkt bezüglich der Ausgangsfrequenz (f₂) (Freilauffrequenz) bei Eintreten der Registrierung der Kapazität als Regelspannung v₂ der Freilauffrequenz auf. Damit ist es möglich, die Streukapazitätsänderung zu erfassen.

Am analogen Ausgang A₀ des Analogausgabeverstärkers 23, welcher diese Regelspannung der Freilauffrequenz verstärkt, wird eine der vom Meßfühler 26 registrierten Streukapazitätsänderung linear entsprechende positive oder negative Spannung ausgegeben. Ferner steht zu diesem Zeitpunkt am digitalen Ausgangs D₀ wegen des verriegelten Zustands das Signal 0 (0 Volt) an.

Wie anhand des sechsten Ausführungsbeispiels gezeigt, läßt sich die Meßgenauigkeit durch Einsatz des Verfahrens der Festsetzung einer festen Referenzfrequenz f des OSC 21 besser erhöhen, als bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen 1 bis 5. Wird beispielsweise ein Quarzresonator o. ä. als Bauelement, d. h. im OSC 21 als Oszillator eingesetzt, kann die Konstanz der Referenzfrequenz f damit ganz außerordentlich verbessert werden. Damit wird es möglich, das Signal einer Änderung der elektrischen Kapazität (Streukapazität, etc.), wie es vom Meßfühler 26 angeboten wird, mit sehr hoher Genauigkeit im verriegelten Zustand des PLL-Kreises 22 zu erfassen. Ferner kann, wie in den Ausführungsbeispielen 1 bis 5 bereits festgestellt, der Vorgang in gleicher Weise ausgeführt werden, selbst in einem Fall, in welchem der Flüssigkeitspegel konstant zu halten ist.

Zu beachten ist, daß in den Ausführungsbeispielen 1 bis 5 im Aufbau des Meßfühlgerätes die entsprechenden Kenndaten des Filters 22c und des VCO 22b für den Anfangszustand vorgewählt sind. Im sechsten Ausführungsbeispiel geht erfindungsgemäß die Freilauffrequenz des VCO 22b hingegen selbst unter dem Einfluß der Kapazitätsänderung über. Die dem Filter 22c eigenen Kenndaten sowie die Oszillationskennlinie des VCO 22b verändern sich bezüglich des Anfangszustands nicht. Hinzu kommt, daß es erforderlic 08514 00070 552 001000280000000200012000285910840300040 0002004224545 00004 08395h ist, die Voreinstellung so vorzunehmen, daß die Freilauffrequenz des VCO 22b bei ihrem selbst vollzogenen Übergang die verschiedenen Operationen des PLL-Kreises 22 über den ganzen Bereich der bei dem überwachten Objekt vorkommenden Kapazitätsänderungen (Zustandsänderungen) nicht negativ beeinflußt. Beispielsweise wird ein Wertebereich der Freilauffrequenz, der für den Übergang bei der Registrierung der Kapazitätsänderung geeignet ist, in einen Frequenzumfang der Größenordnung von 10% des Wertes der Freilauffrequenz im Anfangszustand (vor dem Übergang) gewählt. Ferner ist im fünften Ausführungsbeispiel in vollem Umfang ausgeführt, wie der PLL-Kreis 22 vom entriegelten Zustand in den verriegelten Zustand übergeht, wobei die Zustandsänderung des überwachten Objekts erfaßt wird. Das sechste Ausführungsbeispiel kann jedoch sogar einem Fall gerecht werden, wo die Erfassung erreicht werden soll, indem - wie bei dem vorangegangenen, dritten Ausführungsbeispiel - für den Anfangszustand des PLL- Kreises 22 bezüglich der Eigenresonanzfrequenz f am Ausgang des OSC 21 der verriegelten Zustand voreingestellt wird. Dies begründet sich, wie vorher festgestellt, auf den relativen Abstand zwischen der Eingangsfrequenz des PLL- Kreises 22 und der Freilauffrequenz des VCO 22b.

Wie oben ausgeführt, ist der Meßfühler 26, der dazu bestimmt ist, mit oder ohne Kontakt zum überwachten Objekt die Streukapazitätsänderung zu registrieren, an den OSC 21 angeschlossen, welcher das die Zeitkonstante bestimmende Schaltglied enthält. An diesen PLL-Kreis 22 ist der OSC 21 angeschlossen, für welchen konstruktionsgemäß eine feste Referenzfrequenz für das Meßfühlgerät vorgewählt ist. Dann werden die Freilauffrequenz (f₂) des PLL-Kreises 22 und der Frequenzumfang des Fangbereichs Cr in der Voreinstellung entsprechend so abgestimmt, daß der Fangbereich Cr bei Registrierung der Streukapazitätsänderung die Referenzfrequenz f des OSC 21 einfangen (halten) kann, wobei der Fangbereich auf der Basis der anfänglichen Freilauffrequenz (f₂) des VCO 22b vorgegeben ist, welche durch eine synthetischen Zeitkonstante bestimmt ist, die sich durch Aufaddieren einer vom Meßfühler 26 registrierten elektrischen Kapazitätsänderung o. ä. mit einer Vergleichszeitkonstante ergibt, welche wiederum durch ein die Zeitkonstante bestimmendes Schaltglied vorgewählt ist bzw. als Alternative so abgestimmt, daß eine Abkoppelung von der Eigenresonanzfrequenz f am Ausgang des OSC 21 erreichbar ist. Registriert wird auf diese Weise die Änderung der Regelspannung der Freilauffrequenz im verriegelten Zustand des PLL-Kreises 22, wobei die Änderung ihre Ursache in der vom Meßfühler 26 registrierten elektrischen Kapazitätsänderung o. ä. (Streukapazität, etc.) findet. Damit ist die Zustandsänderung des überwachten Objekts gemessen.

Zu beachten ist, daß es sich bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen um Anordnungen handelte, bei denen das die Zeitkonstante bestimmende Schaltglied als RC-Glied (Widerstand und Kondensator) aufgebaut ist. Die Zeitkonstante bestimmt sich jedoch auch aus einer RCL- Schaltung (mit L als Induktivität einer Spule), so daß dieses Schaltglied nicht notwendigerweise als reines RC- Glied aufgebaut sein muß. Übrigens ändert sich bezüglich einer Zustandsänderung des überwachten Objekts nicht nur die kapazitive Komponente, sondern in äquivalenter Weise auch die Widerstandskomponente. Jedoch wird eine maßgebliche Änderung der Frequenz, d. h. der registrierbaren Änderungskomponente, hauptsächlich von der Kapazitätsänderung C hergeleitet. Die Erfassung der Kapazitätsänderung ist daher praktikabler.

Darüber hinaus wird bei allen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der Typ eines PLL-Kreises 22 eingesetzt, bei welchem die von außen am Eingang des Phasendiskriminators 22a anliegende Regelspannung v₂ der Freilauffrequenz verschwindet, wenn die Eigenresonanzfrequenz f bezüglich der Regelspannung v₂ der Freilauffrequenz des PLL-Kreises 22 (im entriegelten Zustand) nicht eingefangen wird. Es ist jedoch auch ein PLL-Kreis 22 dergestalt verfügbar, bei welchem eine konstante Ausgangsspannung in Höhe des unteren bzw. oberen Werts (oder vice versa) innerhalb des variablen Arbeitsbereichs der Regelspannung v₂ der Freilauffrequenz, welche dem variablen Arbeitsbereich der Ausgangsfrequenz f₂ entspricht, unabhängig davon anliegt, ob der PLL-Kreis 22, der wiederum abhängig davon, ob die Eingangsfrequenz f im höheren oder niedrigeren Abschnitt innerhalb des variablen Arbeitsbereichs der Ausgangsfrequenz f₂ des PLL-Kreises 22 liegt, sich im verriegelten Zustand befindet, sogar dann wenn die Eingangsfrequenz f weder im Fangbereich Cr noch im Haltebereich Lr des PLL-Kreis 22 eingefangen wird, was auf einen Unterschied zwischen den Kenndaten des Filters 22c und den Resonanzeigenschaften des VCO 22b sowie auf unterschiedliche Eigenschaften sowohl im Typ als auch der Kennlinie des darin eingesetzten Phasendiskriminators 22a zurückzuführen ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann, falls dieser Typ PLL-Kreis eingesetzt wird, ein Fall auftreten, bei dem der Wert des registrierten Ergebnisses der Streukapazität von demjenigen, welcher in jedem der oben aufgeführten Ausführungsbeispiele erläutert wurde, im Gehalt abweicht. Damit sind dementsprechend, bei Voreinstellung des Anfangszustands, die Anfangswerte des obengenannten Phasendiskriminators, des Filters und des VCO, zu beachten, während eine Reihe ihrer Kenndaten zu berücksichtigen ist. Alternativ dazu kann der Wert des registrierten Ergebnisses entsprechend modifiziert (verschoben) und dann abgelesen werden. Damit ist es möglich, ein Ergebnis zu erhalten, welches dem oben beschriebenen Sachverhalt der entsprechenden Ausführungsbeispiele äquivalent ist. Es lassen sich also verschiedene Typen einer Vielzahl von PLL-Kreisen erfindungsgemäß einsetzen.

Damit besitzt die vorliegende Erfindung die folgenden hervorragenden Eigenschaften: Selbst bei Erfassung von verschwindend kleinen Änderungen der Streukapazität besteht durch Einsatz des PLL-Kreises kein Hindernis, einen mit niedriger, in der Größenordnung von einigen kHz bis mehreren 10 kHz liegenden Frequenz arbeitenden Oszillator zu verwenden. Der Bereich, innerhalb welchem die Streukapazität erfaßt werden kann, ist ausreichend erweitert, darüber hinaus ist die Gefahr eines Versagens bemerkenswert gering. Ferner kann die Erfassung der Streukapazitätsänderung stabil erfolgen, wobei der Einfluß von unerwünschter Einstrahlung von elektromagnetischen Störungen aus der Umgebung extrem vermindert ist. Weiter kann das Meßfühlgerät, in welchem das erfindungsgemäß Verfahrens eingesetzt ist, dank der modernen Technologie der integrierten Schaltkreise bei gleichzeitiger Verbesserung der Meßstabilität stärker miniaturisiert werden. Darüber hinaus ist das Gerät wegen des großen Meßbereiches und der Austauschbarkeit mit herkömmlichen Geräten sehr vielseitig einsetzbar. Demzufolge lassen sich die Kosten einer Installation der Streukapazitätmeßfühleinrichtung senken. Weiter wird auf einen Nebenumstand für den bei diesem Verfahren eingesetzten Meßfühler hingewiesen, wonach die Form und Ausgestaltung der Meßfühleinrichtung ohne Belang sind, vorausgesetzt der Meßfühler ist geeignet, die Streukapazitätsänderung zu registrieren und sie elektrisch weiterzuleiten. Damit erweist sich die Erfindung als Verfahren zur Erfassung der Streukapazitätsänderung als außerordentlich nützlich.

Auch wenn die dargestellten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen detailliert beschrieben sind, versteht sich, daß die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Vielfache Abänderungen und Modifikationen ohne Abweichung von Sinn und Zweck der Erfindung sind dem Fachmann möglich.

Claims (6)

1. Verfahren zur Registrierung einer Streukapazitätsänderung mit Hilfe eines PLL-Kreises, dadurch gekennzeichnet,

• - daß jeweils eine Freilauffrequenz und ein Fangbereich eines Phasenregelkreises derart eingestellt werden, daß ein Bereich, innerhalb welchem sich eine Referenzfrequenz eines Referenzoszillators ändert, in ein Inneres des Fangbereichs des Phasenregelkreises hineinreicht, wobei die Referenzfrequenz durch eine synthetische Zeitkonstante, die sich ergibt durch Aufaddieren einer Kapazitätsänderung o. ä., welche durch einen Meßfühler registriert wird, und einer Vergleichszeitkonstante, welche durch ein die Zeitkonstante bestimmendes Schaltglied vorgewählt wird, wenn die Streukapazität registriert wird, indem der Meßfühler für die Registrierung der Streukapazitätsänderung bei einem zu überwachenden Objekt dieses kontaktierend oder nicht kontaktierend eingesetzt wird, und durch eine Anordnung zur Erfassung von Kapazitäten bestimmt wird, welche den Referenzoszillator, dessen die Zeitkonstante bestimmendes Schaltglied an den Meßfühler angeschlossen ist, und den Phasenregelkreis, welcher an den Referenzoszillator angeschlossen ist, enthält;
• - daß eine Änderung einer Regelspannung der Freilauffrequenz in einem verriegelten Zustand des Phasenregelkreises erfaßt wird, wobei die Änderung synchron durch die vom Meßfühler registrierte Änderung der elektrischen Kapazität o. ä., hervorgerufen wird;
• - und daß eine Zustandsänderung bei dem überwachten Objekts erfaßt wird.

2. Das Verfahren zur Registrierung der Streukapazitätsänderung mit Hilfe des PLL-Kreises gemäß Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet,

• - daß erfaßt wird, daß die durch den Meßfühler registrierte Änderung der elektrischen Kapazität o. ä. in einem bestimmten Bereich innerhalb des gesamten Bereichs der Änderungen hervorgerufen wird, indem eine Breite des Fangbereichs des Phasenregelkreises willkürlich eingestellt wird;
• - und daß ein in dem überwachten Objekt hervorgerufener Zustand der Veränderung erfaßt wird.

3. Das Verfahren zur Registrierung der Streukapazitätsänderung mit Hilfe des PLL-Kreises gemäß Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Phasenregelkreis vorher in den verriegelten Zustand versetzt wird, indem seine Freilauffrequenz an eine Referenzfrequenz des Referenzoszillators angeglichen wird;
• - daß eine Änderung der Referenzfrequenz des Referenzoszillators erfaßt wird, wobei die Änderung gleichzeitig mit der vom Meßfühler registrierten Änderung der elektrischen Kapazität o. ä. in der Abwandlung, daß die Änderung in Richtung aus dem Haltebereich des Phasenregelkreises heraus stattfindet, hervorgerufen wird;
• - und daß der in dem überwachten Objekt hervorgerufene Zustand der Veränderung erfaßt wird.

4. Das Verfahren zur Registrierung der Streukapazitätsänderung mit Hilfe des PLL-Kreises gemäß Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet,

• - daß eine Abweichung zwischen einem Wert der Regelspannung der Freilauffrequenz des Phasenregelkreises, wenn keine Änderung der elektrischen Kapazität o. ä. registriert wird, und einem Wert derselben, wenn die Änderung der elektrischen Kapazität o. ä. hervorgerufen ist, quantitativ erfaßt wird;
• - und daß Richtungen (Ansteigen bzw. Sinken) der vom Meßfühler registrierten Änderung der elektrischen Kapazität o. ä. sowie Betrag des Ansteigens bzw. Sinkens erfaßt werden.

5. Das Verfahren zur Registrierung der Streukapazitätsänderung mit Hilfe des PLL-Kreises gemäß Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet,

• - daß eine Differenz gebildet wird - nämlich die Differenz zwischen einem Wert der Regelspannung der Freilauffrequenz des Phasenregelkreis bei einer kritischen Frequenz, ab welcher die Änderung der elektrischen Kapazität o. ä. erfaßbar, und einer Grenzfrequenz, ab welcher die die Erfassung der elektrischen Kapazität nicht möglich ist, wobei die Differenz durch eine Hysterese bestimmt ist, die zwischen dem Fangbereich und dem Haltebereich des Phasenregelkreises besteht - die einer Differenz der Meßwerte entspricht, welche während des vom Meßfühler registrierten Ansteigens und Absinkens der elektrischen Kapazität o. ä. auftritt;
• - und daß zwei Zustände des beobachteten Objekts erfaßt werden.

6. Verfahren zur Registrierung einer Streukapazitätsänderung mit Hilfe eines PLL-Kreises, dadurch gekennzeichnet,

• - daß ein Meßfühler für die Registrierung einer Änderung der Streukapazität bei einem zu überwachenden Objekt dieses im Einsatz kontaktierend oder nicht kontaktierend, ein Phasenregelkreis, der ein die Zeitkonstante bestimmendes Schaltglied enthält, welches an den Meßfühler angeschlossen ist und einen Referenzoszillator vorgesehen ist, welcher an den Phasenregelkreis angeschlossen ist und eine Eigenresonanzfrequenz aufweist;
• - daß eine Freilauffrequenz und ein Fangbereich des Phasenregelkreises derart entsprechend eingestellt werden, daß der Fangbereich in einen Zustand versetzt wird, daß er bei einer vom Meßfühler registrierten Änderung der elektrischen Kapazität o. ä. die Eigenresonanzfrequenz des Referenzoszillators einfängt, bzw. in einen Zustand versetzt wird, daß er die eingefangene Eigenresonanzfrequenz des Referenzoszillators wieder losläßt, wobei sich der Fangbereich definiert auf der Basis einer Freilauffrequenz eines spannungsgeregelten Oszillators, welche durch eine synthetische Zeitkonstante vorgegeben ist, die sich wiederum durch Aufaddieren einer von einem Meßfühler registrierten Kapazitätsänderung o. ä. mit einer Vergleichszeitkonstante ergibt, die durch ein die Zeitkonstante bestimmendes Schaltglied vorgewählt ist;
• - daß die Änderung der Regelspannung der Freilauffrequenz im verriegelten Zustand des Phasenregelkreis erfaßt wird, wobei die Änderung gleichzeitig mit der vom Meßfühler registrierten elektrischen Kapazitätsänderung o. ä. hervorgerufen wird;
• - und daß eine Zustandsänderung des überwachten Objekts erfaßt wird.