JPH0672783B2

JPH0672783B2 - 信号形成装置

Info

Publication number: JPH0672783B2
Application number: JP1167176A
Authority: JP
Inventors: ハンス・ブラウン; ウヴエ・ケスラー
Original assignee: エンドレス・ウント・ハウザー・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツング・ウント・コンパニー
Priority date: 1988-06-30
Filing date: 1989-06-30
Publication date: 1994-09-14
Anticipated expiration: 2009-09-14
Also published as: EP0348747A3; DE3822076C1; EP0348747B1; US5038110A; ES2045268T3; JPH0252220A; DE58906001D1; EP0348747A2

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、２つのセンサ電極を備えた容量性作動センサ
における信号形成回路装置であって、前記センサ電極の
それぞれは交流電圧源から給電される発生器電極が対向
しており、その際前記回路装置は、前記２つのセンサ電
極において生じた変位電流のの差に相応する差信号を発
生するように構成されている形成のものに関する。

従来の技術例えば西独国特許出願公開第3433148号公報から公知で
あるこの形式の容量性作動センサは有利には、無接触の
走行時間または速度の相関測定および類似の目的に対す
る信号を形成するために使用される。

この種のセンサは、寸法が比較的大きい場合でも直流信
号を大幅に抑圧することで申し分ない空間的な分解能が
得られるという利点を有している。アース容量を抑圧す
るために西独国特許出願公開第3433148号公報から公知
の回路装置ではそれぞれのセンサ電極は対応して設けら
れた演算増幅器の反転入力側に接続されており、演算増
幅器の非反転入力側はアース電位に接続されているの
で、２つのセンサ電極は仮想上アース電位に保持され
る。演算増幅器は２つのセンサ電極の出力信号を別個に
増幅し、かつ差信号は２つの演算増幅器の増幅された出
力信号の差の形成によって得られる。

発明が解決しようとする問題点この形式の信号形成の重大な問題点は、センサ電極がそ
れぞれ対向電極とともに形成しているコンデンサの基本
容量が既に非常に小さく、かつ本来の測定効果を表す検
出すべき容量変化のオーダが小さくなるという点にあ
る。幾何学的寸法によって制限されて、この種のセンサ
の容量はピコファラッドより小さな領域にあり、かつ検
出すべき容量変化は数フェムトファラッドのオーダにあ
る。このオーダにある容量変化を測定技術的に検出する
ためには、増幅器電子技術の高い分解能が必要である。
信号形成は殊に次の理由から極めて困難であることが認
められている。すなわち容量センサは、時として本来の
測定効果を数倍程度上回る外乱に非常に敏感に応答する
からである。例えばニューマチック搬送される材料の流
れの速度を容量センサを用いて相関的に測定しようとす
るとき、しばしば発生する静電帯電された粒子の、元来
の測定信号に対する影響が測定容量の変化によって惹き
起こされる効果を数倍上回ることがある。引き続き、増
幅された元来の測定信号から得られた差信号の復調およ
びフィルタリングが行われるが、この種の障害作用をた
とえ大きな回路コストをかけてももはや抑圧できないこ
とがある。

本発明の課題は、僅かな回路コストでもってアース容量
並びに外乱の有効測定信号に対する影響を申し分なく抑
圧できるようにした、冒頭に述べた形式の回路装置を提
供することである。

問題点を解決するための手段本発明によればこの課題は、２つのセンサ電極をトラン
スを介して反対方向に直列振動回路に結合し、該直列振
動回路の共振周波数は交流電圧源の周波数に相応し、か
つ差信号は前記直列振動回路のタップにて取り出するこ
とによって解決される。

発明の作用本発明の回路装置では、センサ電極をトランスを介して
直列振動回路に結合し、該直列振動回路の共振周波数を
交流電圧源の周波数に相当するようにしたことで、既に
測定過程自体が周波数選択的に実施される。これによ
り、アース容量の影響を抑圧する非常に低い入力インピ
ーダンスを得ることができる。同時にトランスは、２つ
のセンサ電極の信号間の差を増幅の前に受動に形成する
ために使用されるので、必要な差信号のみを増幅すれば
よい。

本発明の有利な実施例および改良例はその他の請求項に
記載されている。

実施例次に本発明を図示の実施例につき図面を用いて詳細に説
明する。

第１図は、容量性差動センサの使用例として導管10内を
搬送される媒体12の速度の相関測定を示している。この
目的のために２つの容量性差動センサ20および30が導管
10に沿っ相互に所定の間隔Ｄをおいて排泄されている。
容量性差動センサ20は１つの発生器電極21と２つのセン
サ電極22および23とを有している。センサ電極は発生器
電極21に対して、媒体12が発生器電極と２つのセンサ電
極それぞれとの間の中間空間を通って流れるように対向
配設されている。電極は、これらが誘電材料から成って
いるとき、導管10の外側に配設することができる。２つ
のセンサ電極22および23は流れの方向において僅かな距
離をおいて順次続いているので、それらの間にギャップ
24が存在する。ギャップの幅Ｂは、流れの方向において
測定される、発生器電極21およびセンサ電極22,23の寸
法に比べて小さい。流れの方向において測定される、発
生器電極21の長さＬは、２つのセンサ電極22,23の、こ
の方向における広がりより大きくかつ発生器電極21とそ
れぞれのセンサ電極22ないし23との間の実効距離よりも
大きい。

センサ電極22は発生器電極21とともに、容量C₂₂を有す
るコンデンサを形成し、かつセンサ電極23は同様に発生
器電極21とともに、容量C₂₃を有するコンデンサを形成
する。容量C₂₂およびC₂₃は、電極寸法、電極間距離およ
び電極間に存在する誘電体の誘電率に依存している。誘
電体は実質的に、導管10を通って流れかつその速度を測
定しようとする媒体12によって形成される。

発生器電極21は交流電圧源14の一方の端子に接続されて
おり、電流電圧源の他方の端子は、第１図ではアース電
位である基準電位に接続されている。交流電圧源14は基
準電位に対して周波数F_G交流電圧U_Gを発生器電極21に印
加する。

センサ電極22は電子信号形成回路25の入力側25aに接続
されでおり、かつセンサ電極23は電子信号形成回路25の
別の入力側25bに接続されている。信号形成回路25はそ
れが、交流電圧源14から発生器電極21に印加される交流
電圧U_Gのためそれぞれのセンサ電極22および23において
生じる変位電流に応答するように構成されており、かつ
この信号形成回路はその出力側25cに、２つのセンサ電
極22および23において生じた変位電流の差に相応する信
号U₂₅を送出する。

センサ電極22および23が同じ寸法を有しておりかつま
ず、媒体12によつて形成される誘電体が均質であるであ
るものと仮定したとき、容量C₂₂およびC₂₃は同じ大きさ
であり、従ってセンサ電極22および23における交流電圧
U_Gに基づいて生じる変位電流も同じ大きさである。その
場合信号形成回路25の出力信号U₂₅は値零をとる。この
ように、２つのセンサ電極22および23から送出される信
号に含まれている直列信号成分は出力信号U₂₅において
は抑圧されている。殊に、同じように２つのセンサ電極
22および23の信号に作用するすべての外乱も出力信号U
₂₅においては抑圧されることになる。

この作用効果は一般に、媒体12によって形成される誘電
体が完全に均質であるときのみならず、誘電体が不均質
である場合も、不均質性が統計的に、センサ電極によっ
て形成されるコンデンサの平均容量C₂₂およびC₂₃が同じ
大きさになるように分布している場合には生じる。それ
は、例えば媒体12が多数の細かい、均一に分布した粒子
を含んでいる場合に起こりうることである。従って上述
の構成は、容量負荷には無関係に、平均基本容量の補償
にも役立つ。

これに対して平均容量C₂₂およびC₂₃の平衡を妨害する、
媒体12によって形成される誘電体の空間的な不均質性が
発生するとき、容量C₂₂およびC₂₃は導管10の軸線に沿つ
た不均質性の位置に依存して異なった変化する。その場
合信号形成回路25の出力信号U₂₅は容量C₂₂およびC₂₃の
差に依存する値をとる。

第２図は信号形成回路25の出力信号U₂₅を例としてセン
サ電極22および23の領域にある導管10の軸線Ｘに沿った
不均質性の位置の関数として示している。座標系の原点
は、Ｘ軸の下方に比較のために図示されている２つのセ
ンサ電極22,23間のギャップ24の中心に相応している。

不均質性がＸ軸の方向において２つのセンサ電極22およ
び23から比較的大きく離れたところにあるとき、出力信
号U₂₅は値零をとる。というのはその場合不均質性が２
つのセンサ電極に及ぼす作用は非常に僅かでありかつ近
似的に同じであるからである。

不均質性がセンサ電極22に接近すると、出力信号U₂₅は
それが最大値に達するまで正方向に上昇する。その際出
力信号は実質的に不均質性がセンサ電極22を通過してい
く全体の期間中この最大値を維持する。

不均質性がギャップ24に達したとき、出力信号U₂₅に急
峻に降下しかつ不均質性がギャップ24の中心に対して対
称である位置にきたとき零を通る。零点を越えると、出
力信号U₂₅は同じ勾配で負の最大値に移行する。出力信
号は、実質的に不均質性がセンサ電極23を通過する期間
全体の間この最大値を維持する。

出力信号U₂₅の、急峻な勾配で行われる零点通過から、
不均質性の、ギャップ24に対する中心位置が高い精度で
検出される。このために不均質性のＸ方向における位置
のみが重要であり、一方不均質性の、センサ電極に対す
る方向Ｘを横切る方向における相対位置は測定結果に影
響しない。零点通過の周囲における勾配は、方向Ｘを横
切る方向におけるすべての箇所においてギャップ24の中
心において最大である。

唯一のセンサ電極しか有しない簡単な容量センサに代わ
って容量性差動センサを使用する利点は、上述の、直流
信号成分および同方向に作用する障害作用の抑圧並びに
測定方向を横切る方向にある所定の面を通る不均質性の
通過の検出の際の高い分解能の特性から生じる。これに
より実際に、帯域通過特性を有する局所周波数フィルタ
（Ortsfrequenzfilter）の作用が生じる。これにより信
号処理が簡単化される。それは電子フィルタリングを大
幅に省略することができるからである。局所周波数特性
はセンサ電極の幾何学形状によって調節することができ
る。

発生器電極21への給電は交流電圧によって行われるの
で、不均質性の上述の作用効果は結果的に、交流電圧に
よって生じる変位電流の振幅変調を来す。それ故に信号
形成回路25において出力信号U₂₅を形成するために、例
えば位相検波によって、復調が行われなければならな
い。

導管10を搬送される媒体12の速度の相関測定のために、
流れの方向において互いに異なっている２つの箇所にお
いて取り出されかつそれから相互に相関される２つの信
号SxおよびSyが必要とされる。一方の信号Sxは直接信号
形成回路25の出力信号U₂₅であるかまたはこの出力信号
から導出することができるものである。他方の信号Syは
相応に第２の容量性差動センサ30によって形成される。
差動センサ30は差動センサ20と正に同じ構成を有してい
る。つまりこの差動センサは、電圧源14に接続されてい
る発生器電極31およびその間に幅Ｂのギャップがあって
かつ電子信号形成回路35の２つの入力側35aないし35bに
接続されている２つのセンサ電極32および33を備えてい
る。信号形成回路35はその出力側35cに、２つのセンサ
電極32および33に生じる変位電流の差に相応する出力信
号U₃₅を送出する。

２つの信号形成回路25ないし35の出力信号U₂₅およびU₃₅
は相関器40の２つの入力側に相関すべき信号SxおよびSy
として供給される。相関器40は、それが出力信号U₂₅,U
₃₅を直接処理することができるように構成されていると
き、その入力側は直接信号形成回路25,35の出力側に接
続することができる。そうでない場合には、第１図に図
示されているように、それぞれの信号形成回路の出力側
と相関器40の対応する入力側との間に、信号形成回路の
出力信号を相関器40による処理に適した形にする信号処
理回路26ないし36が介挿されている。

相関器40は相関的な走行時間または速度測定において公
知であるように、それが信号Syの瞬時値を信号Sxの、変
化するずれ時間だけ遅延された瞬時値と乗算しかつこの
積の、所定の観察時間に関する平均値を形成することに
よつて、２つの信号SxおよびSyの相互相関関数を形成す
る。ずれ時間のそれぞれの値に対して相互相関関数の基
準値が得られる。図示の使用例では相互相関関数は、媒
体の、差動センサ20から差動センサ30への走行時間に等
しい所定のずれ時間において最大値を有する。このこと
は、誘電体の空間的な不均質性が２つの差動センサのギ
ャップを通過する際に出力信号中に、所定の相似性を有
している第２図に図示の形式の変動を惹き起こすことに
基づいている。２つの差動センサ20および30のギャップ
24および34間の距離Ｄは正確にわかっているので、測定
された走行時間から媒体12の流れの速度を容易に計算す
ることができる。

第３図には、第１図の信号形成回路25の第１の実施例が
図示されている。センサ電極22ないし23に対向する、発
生器電極21の部分とそれぞれセンサ電極とで形成されて
いる２つのセンサ容量C₂₂ないしC₂₃はコンデンサの回路
記号によってシンボルにて示されている。これらコンデ
ンサの、発生器電極21に相応するプレートには第１図に
おけるように、アース電位に対して、交流電圧源14から
供給される、周波数f_Gを有する交流電圧U_Gが加わってい
る。

信号形成回路25は入力素子として１次巻線51および２次
巻線52を有するトランス50を含んでいる。１次巻線51の
端子は第１図の入力端子25a,25bに相応する。従ってセ
ンサ電極22および23は直接、１次巻線51の一方ないし他
方の端子に接続されている。

２次巻線52には、コイル54およびコンデンサ55によって
形成されている直列振動回路53が接続されている。コイ
ル54のインダクタンスL₅₄およびコンデンサ55のキャパ
シタンスC₅₅は、直列振動回路53の共振周波数が交流電
圧源14から供給される交流電圧U_Gの周波数f_Gと同じにな
るように選定されている。直列振動回路53を共振周波数
に正確に同調するために有利には、コンデンサ55は調節
可能である。

コンデンサ55の、２次巻線52に接続されている端子はア
ース接続されている。コンデンサ55の他方の端子とコイ
ル54との間の接続点が直列振動回路のタップ56を形成し
ている。このタップ56に、ゲート抵抗62,ソース抵抗63,
ドレイン抵抗64およびソース抵抗63に並列に接続されて
いるコンデンサ65によって形成されている増幅器段61が
接続されている。タップ56に接続されているゲート電極
およびソース電極は抵抗62ないし63を介してアースに接
続されており、一方ドレイン電極は抵抗64を介して正の
給電電圧＋U_Bに接続されている。従って増幅器段60は、
タップ56と直列振動回路53のコンデンサ55におけるアー
スとの間に生じる電圧U_Cを増幅する。

増幅器段60には、エミッタ抵抗68を有するエミッタホロ
アとして接続されているnpnトランジスタ67によって形
成されているインピーダンス変換器66が後置接続されて
いる。トランジスタ67のベースは、増幅された電圧を取
り出すことができる、電流効果トランジスタ61のドレイ
ン電極に接続されている。トランジスタ67のエミッタと
エミッタ抵抗68との間の接続点によって形成されてい
る、インピーダンス変換器66の出力側に、それ自体公知
の任意の仕方において形成することができるので、回路
ブロックによってシンボルにて示されているにすぎない
復調器および補償回路70が接続されている。復調器回路
70は、不均質性の影響によって振幅変調された、周波数
f_Gをを有する交流電圧を復調し、これにより出力信号U
₂₅として送出される所望の差信号が得られる。復調は例
えば、位相検波において行うことができ、その際基準信
号として、同じ位相位置に基づいて発生器電流21の給電
のために使用される交流電圧U_Gを用いることができる。
復調器および補償回路70において更に、センサ電極の異
なった基本容量または復調のために必要とされる基準信
号の容量的な入力結合によって惹き起こされる非対称性
が、不均質性の影響がない場合に実際に出力信号が値零
を有するように補償されるように、零点補償を行うこと
ができる。この形式の手段は当業者には周知であるの
で、これ以上の詳しい説明は行わない。

信号形成回路25のこれまでの説明は勿論、正に同じ構成
および同じ機能を有する信号形成回路35に対しても当て
はまる。

第４図には、第３図の回路とは、１次巻線51が交流電圧
源14の基準電位、ここでもアース電位に接続されている
中間タップ57を有している点でのみ異なっている信号形
成回路25の別の実施例が図示されている。これにより１
次巻線51は、反対方向に作用するようにセンサ電極22な
いし23に接続されている２つの半部51aおよび51bに分割
されている。２つの１次巻線半部51aおよび51bは勿論、
反対の巻回方向において、有利にはバイファイラ巻にト
ランス50のコイル芯に巻回されている２つの別個の１次
巻線によっても形成することができる。

第４図の実施例のすべてのその他の構成部分は第３図の
実施例の構成部分と一致しているので、そこにも同じ参
照番号を付してある。

第３図に図示の信号形成回路の実施例では、２つの容量
センサ電極22および23の出力信号間の差形成は、トラン
ス50の共通の１次巻線51を介する反対方向の導電結合に
よって生じる。第４図の実施例では差形成は反対方向に
作用する２つの１次巻線半部51a,51bを介する誘導結合
によって行われる。

両方の場合とも差信号は２次側に結合された、比較的僅
かな帯域幅を有する直列振動回路の共振動作によって周
波数選択的に増幅され、これにより殊に、静電帯電され
た粒子によって惹き起こされるような低周波信号成分が
抑圧される。更に差回路は非常に低い入力インピーダン
スを有している。というのは共振時には振動回路構成部
分のオーミック成分からのみ成る２次側のインピーダン
スはトランスを介して巻数比の自乗にて１次側に変換さ
れるからである。低い入力インピーダンスによって殊
に、アース容量の影響が抑圧される。

コンデンサにおける電圧に代わって直列振動回路のコイ
ルにおける電圧を取り出しても同様に好都合である。そ
の場合第３図および第４図の実施例において、増幅すべ
き電圧がここでも直列振動回路のタップとアースとの間
で取り出されるように、コンデンサおよびコイルの位置
を交換すると有利である。

既述の信号形成回路は、例示された、２つの一体形成さ
れたセンサ電極を有する容量性の差動センサにおける使
用に限定されない。この回路は、冒頭に述べた西独国特
許公開第3433148号公報から公知であるように、センサ
電極がそれぞれ、相互に交錯接続することもできる複数
の部分電極から成る差動センサにも申し分なく作用する
ことができる。

発明の効果本発明によればアース容量及び外乱の測定信号に対する
障害作用を僅かな回路費用で抑圧できると云う効果が達
成される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の使用例として、２つの容量性の差動セ
ンサを備えた相関速度測定装置のブロック回路図であ
り、第２図は、第１図の容量性差動センサの１つの関数
を説明するために波形図であり、第３図は、第１図の装
置の２つの信号形成回路の１つの実施例の回路図であ
り、第４図は第１図の装置の２つの信号形成回路の１つ
の別の実施例の回路図である。 20,30……容量性差動センサ、21,31……発生器電極、2
2,23,32,33……センサ電極、24,34……ギャップ、24,35
……信号形成回路、26,36……信号処理回路、40……相
関器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２つのセンサ電極を備えた容量性差動セン
サにおける信号形成回路装置であって、前記センサ電極
のそれぞれは交流電圧源から給電される発生器電極が対
向しており、その際前記回路装置は、前記２つのセンサ
電極において生じた変位電流の差に相応する差信号を発
生するように構成されている形式のものにおいて、前記２つのセンサ電極はトランスを介して反対方向に直
列振動回路に結合されており、該直列振動回路の共振周
波数は前記交流電圧源の周波数に相当し、かつ前記差信
号は前記直列振動回路のタップにおいて取り出されるこ
とを特徴とする信号形成回路装置。
【請求項２】トランスは１次巻線および２次巻線を有し
ており、かつ２つのセンサ電極は前記１次巻線の一方の
端子ないし他方の端子に接続されており、かつ直列振動
回路は２次巻線の両端子に接続されていることを特徴と
する請求項１記載の信号形成回路装置。
【請求項３】１次巻線は中間タップによって２つの巻線
半部に分割されており、かつ前記中間タップは交流電圧
源の基準電位に接続されていることを特徴とする請求項
２記載の信号形成回路装置。
【請求項４】１次巻線の両半部は２つの反対方向に巻回
された別個の１次巻線によって形成されていること特徴
とする請求項３記載の信号形成回路装置。
【請求項５】両方の１次巻線はバイファイラ巻に巻回さ
れている請求項４記載の信号形成回路装置。
【請求項６】直列振動回路のタップに、取り出された電
圧を増幅する増幅器が接続されていることを特徴とする
請求項１から５までのいずれか１項記載の信号形成回路
装置。
【請求項７】増幅器に復調器が後置接続されていること
を特徴とする請求項６記載の信号形成回路装置。