JPH0252220A - 信号形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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か対向
しており、その際前記回路装置は、前記２つのセンサ電
極において生した変位電流の差に相応する差信号を発生
ず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差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、寸法か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、センサ電極かそ
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クか小さくなるという点にあ
る。幾何学的寸法にＪ：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ンドのオークに
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か必要である
。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。例えばニューマチン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、しばしは発生ず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。弓き続き、
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 本発明によれはこの課題は、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
つ差信号を前記直列振動回路のタップにて取り出すこと
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はよい。

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３
０が導管ＩＯに沿って相互に所定の間隔りをおいて配設
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２
３は流れの方向において僅かな距離をおいて順次読いて
いるので、それらの間にギャップ２４か存在する。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
の長さしは、２つのセンサ電極２２．２３の、この方向
における広かりより大きくかつ発生器電極２１とぞれぞ
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、かっセンサ電極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ｌＯ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、交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１
４は基準電位に対して周波数Ｆ６の交流電圧Ｕ。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
に接続されており、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２
１に印加される交流電圧Ｕ。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によって形成される誘電体か均質である
であるものと仮定したとき、容量Ｃ２２およびＣ２３は
同し大きさであり、従ってセンサ電極２２および２３に
おける交流電圧Ｕ。に基ついて生し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Ｕ２
５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流信号成
分は出力信号Ｕ２Ｓにおいては抑圧されている。殊に、
同しように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Ｕ２５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、誘電体か不均
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Ｃ２
３が同し大きさになるように分布している場合には生し
る。

それは、例えは媒体１２が多数の細かい、均に分布した
粒子を含んでいる場合に起こりうろことである。従って
」二連の構成は、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
均質性か発生するとき、容量Ｃ２２およびＣ２３は導管
１０の軸線に沿った不均質性の位置に依存して異なって
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区示されてい
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Ｕ２
５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。

不均質性かギャップ２４に達したとき、出力信号Ｕ２５
は急峻に降下しかつ不均質性かギヤ・ンプ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は同し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、一方圧均質性の、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ずへての箇所においてギヤング２
４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ザに代わ
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し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Ｕ
２５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ＩＯ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Ｓ　およびＳ　が必要とされる。一方の信号Ｓ　
は直接信ｙ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　ｘ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Ｓ　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３
５ｃ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０３５は相関器４０の２つの入力側ｌこ相関ずべき
信号Ｓ　およびＳ　として供給さｘ　　　　　　　　　
　　　ｙ れる。相関器４０は、それが出力信号Ｕ２５Ｕ３５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４
０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Ｓ　
の、変化するずれ時間だけ遅延された瞬時値と乗算しか
っこの積の、所定の観察時間に関する平均値を形成する
ことによって、２つの信号Ｓ　およびＳ　の相互相関間
Ｘ　　　　　　　　　　　ｙ 数を形成する。ずれ時間のそれぞれの値に対して相互相
関関数の基準値か得られる。図示の使用例では相互相関
関数は、媒体の、差動セン→ノー２０から差動センサ３
０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間の距離り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どで形
成されている２つのセンザ容ｉｔ　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ｒ　を有す
る交流電圧ＵＧが加わっている。

信号形成口！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かも供給される交流電圧Ｕ
。の周波数ｆｃと同し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５
６を形成してい己。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６Ｉが接続されている。タップ５
６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子ＵＢ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におけるアース七の
間に生じる電圧Ｕ。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どして接続されて
いるｎｐｎ１〜ランンスク６７によって形成されている
インピータンス変換器６６か後置接続されている。

トランジスタ６７０ヘースは、増幅された電圧を取り出
すことかできる、電界効果トランジスタ６１のドレイン
電極に接続されている。トうンシスタ６７のエミツタと
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、インピタンス変換器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かできるので、回路
ブロックによってンンポルにて示されているにすきない
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。をを有する交流電圧を復調し、これにより出力
信号０２５として送出される所望の差信号か得られる。

復調は例えは、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、同し位相位置に基づいて発生器電極
２１の給電のために使用される交流電圧ＵＧを用いるこ
とかできる。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、不均質性の影響かない場合に実際に
出力信号か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、正に同し構
成および同し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の別の実施例か図示されている。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５
１ａおよび５１．　ｂ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１−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
することかできる。

第４図の実施例のすへてのその他の構成部分ま第３区の
実施例の構成部分と一致しているので、そこにも同じ参
照番号を付しである。

第３区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
電結合によって生しる。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５１．ａ、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区の実施例において、増幅すべ
き電圧か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使
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、２２．２３，３２．３３・・・センサ電極、
２４．３４・・・キャンプ、２４　３５・・信号形成回
路、２６．３６・・・信号処理回路、４０・・相関器

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。