DD119863B1 - Schaltungsanordnung zur kapazitiven messwertgewinnung - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur kapazitiven Meßwertgewinnung nichtelektrischer Größen, die als Sensorelektronik sowohl in der Prozeßmeßtechnik als auch bei anderen Meßaufgaben auf den verschiedensten Gebieten der Naturwissenschaften angewendet wird.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

8ekannt sind kapazitive Brückenschaltungen, die mit einer sinusförmigen Wechselspannung gespeist werden und deren ßrückendiagonalspannung einem Trägerfrequenzverstärker mit anschließendem Demodulator zugeführt wird. Es ist bekannt, die Meßkapazität und eine Induktivität zu einem Schwingkreis zusammenzuschalten und durch geeignete Mittet die Resonanzfrequenz dieses Schwingungskreises auszuwerten. Bekannt ist weiterhin, die Meßkapazität als zeitbestimmendes Glied in einen astabilen Multivibrator einzusetzen und die auftretende Potentiaidifferenz der gesiebten Ausgangsspannung zu messen. Die wichtigsten bisher üblichen Schaltungsprinzipien zur kapazitiven Meßwertgewinnung und die dabei auftretenden Probleme sind im Buch von Gutnikow, Lenk, Mende: .,Sensorelektronik" Verlag Technik, Berlin 1984 S. 135 ff. veröffentlicht. Kapazitive Brückenschaltungen haben den Nachteil, daß hinsichtlich ihrer elektrischen Parameter eng tolerierte Anschlußbedingungen an den Oszillator und an den Trägerfrequenzverstärker eingehalten werden müssen, die für jede Meßkapazität einen Brückenabgleich nach Amplitude und Phase sowie das Ausfiltern auftretender Oberwellen erfordert. Bei Verwendung eines Schwingkreises ergibt sich neben dem nichtlinearen Zusammenhang von Meßkapazität und Resonanzfrequenz des Schwingkreises noch der Nachteil, daß wegen des Mit-Zieh-Effektes bei annähernder Frequenzgleichheit keine Differentiaikondensatoranordnungen verwendet werden können und sich dadurch Drifterscheinungen verschiedener Ursachen sowie Linearitätsfehler schwer eliminieren lassen. Wird die Meßkapazität als zeitbestimmendes Glied in einen astabiien Multivibrator geschaltet, besteht zwischen der gesiebten Ausgangsspannung des Multivibrators und der Meßkapazität ein stark nichtlinearer Zusammenhang und der Ausgang dieser Schaltung ist nicht rückwirkungsfrei.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel eine Schaltungsanordnung zur kapazitiven Meßwertgewinnung zu schaffen, die bei geringem Aufwand gute meßtechnische Parameter besitzt und eine einfache Meßsignalverarbeitung gestattet.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur kapazitiven Meßwertgewinnung zu entwickeln, welche es als Sensorelektronik ermöglicht, den die zu messende nichtelektrische Größe repräsentierenden Kapazitätswert eines Kondensators bzw. eines Differentiaikondensators mit hoher Genauigkeit in ein analoges oder digitales Signal umzusetzen, wobei die Schaltung ohne Verwendung von Induktivitäten auch integriet herstellbar sein soll. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß unter Verwendung von mindestens einem Sägezahngenerator mit einer Stromquelle und einem Ladekondensator sowie mindestens einer Trennstufe und einer Auswerteschaltung, die entweder die Amplitude der Sägezahnspannung oder die Impulslänge bis zum Erreichen einer Komparatorschwellspannung durch die Sägezahnspannung auswertet, dadurch gelöst, daß der Ladekondensator des Sägezahngenerators als eine die zu messende nichtelektrische Größe repräsentierende Meßkapaziiät ausgebildet ist und so die Form der Sägezahnimpulse beeinflußt. Wird der Ladekondensator durch periodische Impulse konstanter Frequenz entladen, so wird die Sägezahnspannung, die sich zwischen diesen Entiadeimpulsen durch Aufladen des Ladekondensators über die Stromquelle aufbaut, in Abhängigkeit der jeweils wirksamen Meßkapazität unterschiedlich groß.

Die maximale Ladespannung bzw. die Amplitude der Sägezahnimpulse ist ein Maß für die zu messende nichtelektrische Größe. Die Spannung kann nach einer Trennstufe, der der Meßkapazität parallelgeschaltet ist, in einer Auswerteschaltung, z. B. einem Voltmeter, ausgewertet werden. Wird der Ladekondensator des Sägezahngenerators über die Stromquelle so lange aufgeladen, bis die Ladespannung die Schwellspannung eines Komparators als Bestandteil des Sägezahngenerators erreicht hat, so ist die Länge des dabei entstehenden Impulses der Meßkapazität direkt proDortional und kann durch eine Auswerteschaltung in Form einer Zeitmeßeinrichtung, z. B. ein Zähler oder Pulsbreitendemodulator, ausgewertet werden. Werden zwei Ladekondensatbren zweier Sägezahngeneratoren als ein Differentialkondensator ausgebildet und die Ausgangsinformationen dieser Anordnung differentiell ausgewertet, ergeben sich bessere meßtechnische Parameter (bzgl. Drift, Linearität).

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Ausfunrungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausfuhrungsbeispieles naher erläutert werden, wobei die zugehörigen Figuren zeigen

^cig 1 Schaltungsanordnung zur kapazitiven Meßwertgewinnung

Fig 2 Impuisdiagramm bei konstanter Ladezeit und Impulsspitzenspannung als Ausgangssignal

Fig 3 impuisdiagramm bei konstanter Ladespannung und Impulslänge als Ausgangssignal

Fig 4 Schaltung mit als Differentialkondensator ausgebildeten LadeKondensatoren zweier Sagezahngeneratoren

Die die nichtelektrische Große repräsentierende Meßkapazitat C_M in Form des Ladekondensators des Sagezahngenerators 6 wird über eine Stromquelle 3 aufgeladen und einen elektronischen Schalter 2 der durch den Impulsgenerator 1 angesteuert wird entladen Die Ladespannung über C_M wird durch eine Trennstufe 4 in Form eines Impedanzwandlers der Auswerteschaltung 5 zugefunrt

O e Fig 2 zeigt das Impulsdiagramm der Ladespannurg über C_M fur konstante Ladezeiten I₁=^t₂ = t₃ wodurch die maximale Spannung U_Mi» U_M2, U_V3 der Sagezahnimpulse die Meßinformation tragt

Fig 3 zeigt das Impulsdiagramm der Ladespannung über C_M fur Ladevorgange bis zu einer konstanten Komparatorspannung U<, /vodurch fur unterschiedlich große Kapazitatswerte von Cm verschieden lange Sagezahnimpulse entstehen, deren Zeitaauert^,, t_M2, tM3 die Meßinformation tragt, wobei diese Zeiten t_M der Meßkapazitat Cm direkt proportional sind F^cg 4 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der die beiden Ladekondensatoren Cmi und Смг zweier Sagezahngeneratoren, bestehend aus den Elementen 2,3 und 7 wie in Fig 1, ats ein Differentialkondensator C_Mi, C_M2 angeordnet sind und das Verhältnis der Meßzeiten t_M entsprechend Fig 3 der Auswerteschaltung, bestehend aus dem NAND-Gatter 3, dem Flip-Flop 9, den Tiefpässen 10 und dem Voltmeter 11 zugeführt wird Die Kapazitatsdifffrenz (Cmi - Смг) ¹St der Spannung am Voltmeter proportional

Claims (2)

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   Erfindungsanspruch:

   1. Schaltungsanordnung zur kapazitiven Meßwertgewinnung, insbesondere zur elektrischen Messung nichtelektrischer Größen, bestehend aus mindestens einem Sägezahngenerator mit einer Stromquelle und einem Ladekondensator sowie mindestens einer Trennstufe und einer Auswerteschaltung, die in an sich bekannter Weise entweder die Amplitude der Spannung oder die Impulslänge bis zum Erreichen einer Komparatorspannung auswertet, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladekondensator des Sägezahngenerators (6) als eine die zu messenden nichtelektrische Größe repräsentierende Meßkapazität (Cm) ausgebildet ist und zu dieser Meßkapazität (Cm) parallel die Eingangsanschiüsse der Trennstufe (4) angeschlossen sind, an deren Ausgang eine die Meßinformation tragende Spannung anliegt und an den Ausgang der Trennstufe (4) die Auswerteschaltung (5) angeschlossen ist.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Pkt. 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ladekondensatoren zweier Sägezahngeneratoren zu einem, die zu messende nichtelektrische Größe repräsentierenden, Differentialkondensator (С_ш, С_Мг) angeordnet sind.

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