DE2148775A1

DE2148775A1 - Messeinrichtung mit kapazitivem abgriff

Info

Publication number: DE2148775A1
Application number: DE19712148775
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl-Ing Nuernberger
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1971-09-30
Filing date: 1971-09-30
Publication date: 1973-04-05
Also published as: DE2148775B2; JPS4843951A

Description

Meßeinrichtung mit kapazitivem Abgriff Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung mit kapazitivom Abgriff zur Umformung einer mechanischen Größe in eine meßwertproportionale Impulsfolge.
Als Meßfühler weisen derartige Meßeinrichtungen in bekannten Ausführungen einen Plattenkondensator auf, bei dem der Plattenabstand von der mechanischen Größe, also der Meßgröße, verändert wird. Da der Plattenabstand des Kondensators umgekehrt proportional zu Eeiner Kapazität ist, kann also die Kapazität eines derartigen Kondensators in einer geeigneten Schaltung als meßwertbeeinflußte Veränderliche angesehen werden. Als Meßgröße kann beispielsweise Druck, Differenzdruck, Kraft oder Weg auftreten.
Bei bekannten Neßumformern mit kapazitivem Abgriff in Form eines Meßkondensators liegt dieser in einem Schwingkreis, dessen Frequenz von der Kapazität des Kondensators bestimmt wird. Abgesehen von dem aufwendigen Aufbau einer solchen Schaltung mit Induktivitäten und Linearisierungsgliedern, ist bei derartigen, mit veränderlichen Schwingkreisen arbeitenden Schaltungen der Nullpunktabgleich und der Empfindlichkeitsabgleich nur iterativ möglich, da die gegenseitige Beeinflussung beim Abgleich nicht oder nur unter größeren Schwierigkeiten vermindert oder vermieden werden kann.
Es besteht demgemäß die Aufgabe, eine Neßeinrichtung mit kapazitivem Abgriff zu schaffen, welche möglichst einfach aufgebaut und gehandhabt werden kann. Der sesseren Verarbeitungsmöglichkeit des Meßsignals halber soll die Meßeinrichtung einen digitalen Ausgang aufweisen.
Als Lösung der Aufgabe wird eine Meßeinrichtung der eingangs genannten Art angegeben, die gekennzeichnet ist durch einen Meßkondensator mit von der Meßgröße veränderbarer Kapazität, eine Konstantstromquelle zu dessen Aufladung, einen Impulserzeuger, an dessen Eingang die Kondensatorspannung liegt und an dessen Ausgang bei Erreichen eines einstellbaren Werts der Kondensatorspannung ein Impuls auftritt, eine vom Impulserzeugerausgang gesteuerte Entladeeinrichtung für den Eondensator. Bei dieser neuen Anordnung liegt die Kapazität nicht in einem Schwingkreis, die Ausgangs-Pulsfrequenz ist direkt proportional zum Plattenabstand des Meßkondensators, Nullpunktabgleich und Empfindlichkeitsabgleich sind getrennt und unabhangig ausführbar.
Um Fehler zu eliminieren, die durch äußere Einflüsse entstehen können, beispielsweise Temperaturschwankungen, die Kapazitätsänderungen des Kondensators und Änderungen in der Elektronik verursachen, ist es bekannt und zweckmäßig, ein Differenzprinzip anzuwenden. Als Meßfühler dient bei derartigen Schaltungen ein Differenzkondenator mit drei Elektroden, zwei festen Außenelektroden und einer von der Meßgröße auslenkbaren Mittelelektrode.
Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung läßt sich in einfacher Weise auch für die Verwendung eines Differenzkondensators abwandeln, in dem die für die einfache Schaltung genannten Schaltungseinheiten jeweils doppelt vorhanden sind, es sind zwei jeweils gleichartige Gleichstromquellen, zwei Impulserzeuger und zwei Entladeeinrichtungen vorgesehen. An den Ausgängen der Impulserzeuger treten zwei unterschiedliche Impulsfrequenzen fl und 2 auf, die einem Subtrahierwerk zugeführt werden, an dessen Ausgang eine der Ausgangsgröße entsprechende Impulsfolge f abnehmbar ist, welche der Differenz der Frequenzen 9 und f2 entspricht. Die Ausgangsgröße kann in digitaler Form weiterverarbeitet werden oder ist auf einfache Weise in ein Analogsignal zurückzuverwandeln.
Zur Erläuterung der Erfindung sind in den Figuren 1 und 2 Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt und im folgenden beschrieben.
Figur 1: Ein Meßkondensator C mit veränderlichem Plattenab stand wird von dem Druck p als Meßgröße beaufschlagt, der Plattenabstand des Kondensators ändert sich proportional mit dem Druck. Der Kondensator C wird von einer Gleichstromquelle G gespeist, die ihn mit dem konstanten Strom I auflädt. Eine Elektrode des Kondensators C ist mit Erde, die andere mit dem Eingang eines sogenannten Schmitt-Triggers ST mit FET-Eingang verbunden, der bei Erreichen einer einstellbaren Spannung des Kondensators C durchschaltet, so daß an seinem Ausgang ein.Impuls auftritt, welcher wiederum eine Entlade einrichtung für den Kondensator C steuert. Die Entladeeinrichtung besteht hier aus einem Feldeffekttransistor T, dessen Steuerelektrode mit dem Ausgang des Schmitt-Triggers verbunden ist und über dessen als Schalter wirkende andere Elektrode die Entlade strecke des Kondensators C verläuft. Die Schaltung der Entladeeinrichtung ist so getroffen, daß eine möglichst schnelle Entladung des Kondensators C erfolgt, die Eingangs spannung des Schmitt-Triggers folgt der Entladung des Kondensators O. Nach Erreichen der unteren Spannungsschwelle schaltet der Schmitt-'£rigger wieder zurück. Die Schaltstrecke der Xntladeeinrichtung öffnet sich und der Ladevorgang des Kondensators 0 beginnt von neuem. Die auf diese Weise erzeugte Impulsfolge bzw. deren Frequenz ist ein Maß für die am Kondensator C wirkende mechanische Größe.
Die Schaltung ist so ausgelegt, daß eine Frequenz in einer Größenordnung erzeugt wird, die eine genügend große Auflösung in bezug auf die Änderungsgeschwindigkeit der Meßgröße gewährleistet.
Zur Verdeutlichung der Funktionsweise sind in den Nebenfiguren ia, ib, ic die Spannungsdiagramme an verschiedenen Stellen der Schaltung dargestellt. Der Spannungsverlauf an Punkt 1 der Schaltung, also am Eingang des Schmitt-Triggers entspricht dem Diagramm in Figur 1a.
Es ist hier eine Sägezahnspannung dargestellt, wobei sich jeder Sägezahn aus zwei Teilen zusammensetzt. Die ansteigende Flanke stellt die Ladespannung des Eondensators C dar, bei Erreichen einer vorgegebenen Ladespannung U1 schaltet der Schmitt-Trigger durch, die Entladestrecke des Feldeffekttransistors T wird ebenfalls durchgeschaltet und der Kondensator C wird sehr schnell entladen. Aus diesem Grund ist die Rückflanke des Sägezahns sehr steil.
Figur ib zeigt das Diagramm der Ausgangsspannung des Schmitt-Triggers ST an Punkt 2, bei Erreichen des vorgegebenen Werts U1 der Kondensatorspannung schaltet der Schmitt-Trigger durch, seine Ausgangsspannung fällt auf 0, nach Entladung des Kondensators C schaltet er wieder auf die vorher herrschende Ausgangsspannung zurück, es entstehen Rechteckimpulse. Zur besseren Trennung dieser Impulse können sie noch einem Puisformer PF zugeführt werden, an dessen Ausgang dann eine Impulsfolge auftritt, wie sie etwa in der Figur 1c dargestellt ist.
Figur 2: Um das bereits erwähnte Differenzprinzip anwenden zu können, ist in der hier gezeigten Schaltung als Meßkondensator C ein Differenzkondensator verwendet, der aus zwei festen Außenelektroden besteht, die mit der von der Meßgröße auslenkbaren Mittelelektrode die Teilkondensatoren C1 und C2 bilden. Als Meßgröße wirkt hier beispielsweise der Differenzdruck der beiden gegeneinander gerichteten Drücke p1 und p2. Den gegenläufig veränderlichen Teilkondensatoren Ol und C2 sind die entsprechenden Schaltungsteile nachgeordnet, wie sie aus der einfachen Ausführung in Figur 2 angegeben sind. Es ist eine Gleichstromquelle G1 zu erkennen, welche den Kondensator Cl mit dem Konstantstrom I1 speist, desgleichen eine Gleichstromquelle G2 für den Teilkondensator C2.
Entsprechend sind zwei Schmitt-Trigger mit FET-Eingang ST1 und ST2 angeordnet, sowie die von ihnen gesteuerten Feldeffekttransistoren Tl und T2 als Entladeeinrichtungen. Die an den Ausgängen der Schmitt-Trigger STl und ST2 auftretenden Impulsfolgen mit der Frequenz fi und f2 werden einem Differenzbildner, beispielsweise einem Subtrahierwerk SW zugeführt, an dessen Ausgang eine Impulefolge auftritt, die der Differenz der Impulsfolgen der Frequenz f1 und f2 entspricht und damit der mechanischen Meßgröße proportional ist.
4 Patentansprüche 2 Figuren

Claims

Pa tentansprüche 1.Meßeinrichtung mit kapazitivem Abgriff zur Umformung ein er mechanischen Größe in eine meßwertsproportionale Impulsfolge, gekennzeichnet durch a) einen Meßkondensator mit von der Meßgröße veränderbarer Kapazität; b) eine Konstantstromquelle zu dessen Aufladung; c) einen Impulserzeuger, andessen Eingang die Kondensatorspannung liegt und an dessen Ausgang bei Erreichen eines bestimmten Wertes der Kondensatorspannung ein Impuls auftritt; d) eine vom Impulserzeugerausgang gesteuerte Entladeeinrichtung für den Kondensator.
2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkondensator (C) ein Differentialkondensator (Gi, C2) ist, auf dessen auslenkbare Mittelelektrode die Meßgröße wirkt, und daß die beiden festen Elektroden jeweils mit einer Konstantstromquelle (Gl, G2) einem Impulserzeuger gemäß c) und einer Entladeeinrichtung gemäß d) verbunden sind und daß die unterschiedlichen Impulsfrequenzen (f1, f2) führenden Ausgänge der Impulserzeuger mit einer Subtrahierschaltung (SW) verbunden sind, die eine meßwertsproportionale Impulsfolge als Ausgangssignal abgibt.
3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulserzeuger Schmitt-Trigger (ST, ST1, ST2) mit FET-Eingang sind.
4. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladeeinrichtung ein Feldeffekttransistor (T, T1, T2) ist, dessen Steuerelektrode mit dem Ausgang des Impulserzeugers verbunden ist und über dessen als Schalter wirkende andere Elektrode die Entladestrecke des Meßkondensators (C, C1, C2) verläuft.