DE2912747B2

DE2912747B2 - Verfahren zur Bestimmung des Widerstands, der Kapazität und der Induktivität einer in einer Meßzelle vorhandenen Flüssigkeit und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE2912747B2
Application number: DE2912747A
Authority: DE
Inventors: Yoshikazu Kusatsu Hoshino; Masayoshi Suita Shuto
Original assignee: Shionogi and Co Ltd
Current assignee: Shionogi and Co Ltd
Priority date: 1978-04-05
Filing date: 1979-03-30
Publication date: 1981-04-02
Also published as: GB2020044A; DE2912747C3; GB2020044B; JPS54133170A; DE2912747A1; FR2422172B1; IT7967705A0; FR2422172A1; IT1119056B; JPH0223833B2; US4290008A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 spwie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Jedes kapazitive oder induktive Element enthält notwendigerweise auch einen Widerstand, was gewöhnlich in einem Ersatzschaltbild zum Ausdruck gebracht wird. Wenn die Kapazität oder die Induktivität dieser Elemente gemessen wird, insbesondere wenn eine kontinuierliche Messung der Änderungen dieser Größen erforderlich ist, ist es sehr schwierig, Fehler auszuschließen. Diele Schwierigkeit beruht darauf, daß Abweichungen von dem wahren Wert aufgrund des Widerstandsbeitrages, der in dem Ersatzschaltbild angegeben wird, vorkommen. Wenn diese Kennwerte in einem Meßsystem zur Messung von Materialkonstanten gemessen werden sollen, beispielsweise in einem kontinuierlichen Meß· oder Überwachungssystem für eine Flüssigkeit, die durch eine Meßzelle fließt ist es erwünscht, die Kapazität die Induktivität und den Widerstand oder deren Kehrwerte einzeln und gleichzeitig zu messen. Bisher gibt es jedoch kein Verfahren und keine Vorrichtung, mit deren Hilfe die gestellten Anforderungen erfüllt wsrden können.

Ein bekanntes Verfahren (vgl. DE-AS 26 46 765)

verwendet zur Messung von Reaktanzen einen Stromgenerator, der eine Ausgangsgröße abgibt, die eine ta einem bestimmten Zeitintervall konstante Ableitung hat Eine Anzeigeeinheit ist nur während dieses ZeitintervaUs mit einer Meßeinheit verbunden, so daß dadurch das Meßergebnis nicht durch die Zeltkonstante der Meßanordnung beeinflußt wird. Mit diesem Verfahren ist es jedoch nicht möglich, den Widerstand, die Kapazität und die Induktivität einer in einer

to Meßzelle vorhandenen Flüssigkeit einzeln und gleichzeitigzumessen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der der Widerstand, die Kapazität und die Induktivität oder deren Kehrwerte einzeln und gleichzeitig gemessen werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 bzw. im Patentanspruch 9 gekennzeichnet , Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand /äer Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockdiagramm zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung,

Fig.2 ein Schaltungsdiagramm für verschiedene Ausführungsbeispiele der Schaltung mit dem Meßobjekt,

Fig.3 ein funktionelles Blockdiagramm einer Konstantwert-Steuerschaltung,

Fig.4 bis 6 funktioneile Blockdiagramme zur Erläuterung der Signalübertragung und der arithmetischen Operationen und

Fig.7 ein Schaltungsdiagramm einer praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In F i g. 1 ist eine Schaltung G* gezeigt die das Meßobjekt und die damit unmittelbar zusammenhängenden Schaltungsteile umfaßt Das Meßobjekt kann durch eine Ersatzschaltung dargestellt werden, die im wesentlichen Widerstandselemente, kapazitive und induktive Elemente umfaßt Die Schaltungen mit dem Meßobjekt werden in verschiedenen Typen klassifiziert je nach den Bestandteilen des Meßobjektes und der unmittelbar damit zusammenhängenden Schaltungsteile. Da alle Schaltungstypen prinzipiell nach demselben Verfahren behandelt werden können, wird zunächst nur ein spezielles Beispiel im einzelnen beschrieben, bei dem das Ersatzschaltbild des Meßobjektes aus einer Parallelschaltung von einem Widerstand und einer Kapazität besteht Beispiele für andere Schaltungstypen werden noch beschrieben.

In F i g. 1 ist ein spannungsgesteuerter Oszillator G₂ gezeigt der eine sinusförmige Ausgangsspannung durch einen Stromverstärker Gj an die Schaltung G₄ liefert Sodani, sind die Eingangsspanriung Et und die Aus gangsspannung Ei der Schaltung Gi, beide sinusförmig und in einem stationären Zustand. Dies« beiden sinusförmigen Signale werden durch Wellenumformer d und G₆ in Rechteckwellen umgewandelt und diese Rechtecksignale werden an einen Phasendetektor G> abgegeben, so daß eine Gleichspannung proportional zu der Phasendifferenz zwischen der sinusförmigen Ein» gangsspannung Et und der sinusförmigen Ausgangsspannung Eq an dessen Ausgang erzeugt wird. Diese Gleichspannung wird mit einer Bezugsspannung Vr , an einer Summierstufe S^Di verglichen, und die resultierende Differenz wird durch einen Differenz-Funktionsverstärker Gi verstärkt. Der Oszillator Gi, der eine Vorspannung Vr ₂ erhält,

die durch die Summierstufe SPi zugeführt wird, wird durch die Ausgangsspannung des Funktionsverstärkers G\ in der Weise gesteuert, daß seine Schwingungsfrequenz so geändert wird, daß die Änderung der Phasendifferenz zwischen der Spannung und dem Strom der Schaltung Ga unterdrückt wird, so daß diese Phasendifferenz jederzeit auf einem konstanten, vorher eingestellten Wert gehalten wird. In diesem Sinne kann man die Steuerung als eine Konstantwert-Steuerung einordnen.

Im folgenden wird zunächst nur die funktionelle Verfahrensweise der Messung beschrieben, und danach wird das detaillierte Arbeitsprinzip erläutert. Nach der vorhergehenden Beschreibung wird die sinusförmige Ausgangsspannung Eo der Schaltung Ga durch einen Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzer Gs in eine

Gleichspannung E\ umgesetzt. Die Differenz zwischen

Ar%f (~* \n\r^\\frtnr\w%_t,r^-, F' \ ·>»*■! nirtn*· Kl > · lint inL· * Cnonnilnn

Kr i? wird über eine Summierstufe SPi an einen Funktionsverstärker Ci3 angelegt. Die Ausgangsspannung des Funktionsverstärkers Gn wird in diesem Fall als eine die Leitfähigkeitskomponente darstellende Signalspannung E\ abgegeben, die proportional zu dem Leitfähigkeitsanteil des Meßobjektes ist. Die Ausgangs-Gleichspannung ^I des Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzers Gg wird an einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer G9 gegeben. Wenn ein Signal proportional zu dem Widerstandswert selbst benötigt wird, der umgekehrt proportional zu dem Leitfähigkeitswert ist, kann eine Periode TJ, (in F i g. 1 am Ende einer gestrichelten Linie gezeigt) des sinusförmigen Ausgangssignals des Spannungs-Frequenz-Umsetzers Go ausgenutzt werden, da T_y umgekehrt proportional zu ^-; ist. Das Ausgangssip.ial des Spannungs-Frequenz-Umsetzers Gq wird einem Zähler Gw zugeführt, um dessen Frequenz f_y zu zählen. Währenddessen wird die Periode des sinusförmigen Ausgangssignals des Verstärkers G₃, d. h. die Periode der sinusförmigen Eingangsspannung Ei an der Schaltung Ga dazu ausgenutzt, um über einen Periodenumsetzer G10 ein Signal entsprechend der Aufsteuerzeit Ti 10 (Torschaltung offen) für den Zähler Gw zu erzeugen. Daher arbeitet der Zähler Gn nicht nur als gewöhnlicher Zähler, sondern führt eine arithmetische Funktion, d. h. eine N'ultiplikation, durch, und sein dem Zählerstand entsprechendes Ausgangssignal Λ/wird unabhängig von einer Widerstandskomponente des Meßobjekts und proportional allein zu einer Kapazitätskomponente des Meßobjektes, wie noch anhand der Gleichung 13-3 gezeigt wird. Das Ausgangssignal N wird dann in eine analoge Ausgangsmeßgröße durch einen Digital-Anaiog-Umsetzer Gn umgesetzt, und als der Kapazitätskomponenten entsprechende Signalausgangsspannung Ec abgegeben.

Als nächstes wird eine theoretische Erläuterung des Arbeitsprinzips der beschriebenen Schaltung gegeben:

(1) Schaltungsaufbau der Schaltung Ga
mit dem Meßobjekt

F i g. 2 zeigt ein Beispiel für die Schaltung Ga mit dem fvießobjekt. weiches durch eine Parallelschaltung einer Kapazität C und eines Widerstandes R als Äquivalentschaltung dargestellt ist

Der Teil von F i g. 2(A), der durch eine gestrichelte Linie umrandet ist, stellt das Meßobjekt dar. Zunächst sei angenommen, daß die Werte für den Widerstand R, die Kapazität C und die Eingangsspannung £>in einem stationären Zustand sind. In diesem Fall wird E, geschrieben als

wobei I E/ | die Amplitude und ω, die Winkelfrequenz der Eingangsspannung ist. Auch wird angenommen, daß die Verstärker A^ und Af, ideale Verstärker sind, d. h., daß folgende Bedingungen gelten:

Eingangsimpedanz = <»

¹' Verstärkung bei offenem Kreis = 00

Phasenverhältnis = 0

Dann kann man eine Übertragungsfunktion Ka für die

(r\\at fr»rrr»iilif

wobei Eo die Ausgangsspannung und Rf der Rückkopplungswiderstand ist. Da der Phasenwinkel zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung der Schaltung Ga gegeben ist durch:

= lan ' a., CR

gilt, wenn der Phasenwinkel konstant gehalten wird, die folgende Beziehung:

J_ R

Es ist daher ersichtlich, daß durch Messung von—und

1
—und Ableitung ihres Produktes ein Wert für C

erhalten werden kann.

(2) Vorbedingungen für eine Konstantwert-Steuerung

Die partiellen Differentialkoeffizienten für den Phasenwinkel θ ausgedrückt durch Gleichung (2) durch <u_r, Cund R sind wie folgt gegeben:

Kc =

Ko =

cd

ΐθ cC

c R

	+	*C ■*	R	R)² '
1		*(ω_χ ■*	*C ■*
	+	*ω_χ ■*	R	R)² '
1		*(ω_χ ■*	*C ■*
	*ω_χ ■*	C

1 + (ω_χ ■ C ■ R)²

Da die Gesamtabweichung dB des Phasenwinkels θ definiert ist als:

d θ = Κω_χ ■ άω_χ+ Kc ■ d C + K_R ■ dR,

kann das Inkrement ΔΘ von θ unter Benutzung der Inkremente ω_χ, ACund AR von ω_χ, Cund R, wie folgt geschrieben werden:

A θ = Κω_χ ■ Αω_χ + Kc - AC + K_K ■ AR.

Unter der Bedingung des stationären Zustandes können dann die partiellen Differentialkoeffizienten Ka)_x, Kc und Kr, die durch die Gleichungen 4, 5 und 6 gegeben sind, ähnlich behandelt werden, was die Übertragungsfunktion betrifft Wenn keine Integrationsschaltungen in der in F i g. 1 gezeigten Schaltung enthalten sind, sind die Zeitkonstanten der Schaltungsbestandteile sehr klein, und die Totzeiten dieser Schaltungseinheiten sind sehr kurz. Da die zeitliche Änderung des Signals sehr langsam vonstatten geht, können ferner alle Schaltungseinheiten als SchalVdngseinheiten nullter Ordnung betrachtet werden.

Daher können die Übertragungsfunk (ionen aller Schaltungseinheiten Gn (n = I, .., 13, mit Ausnahme von /7 = 4) als Realkonstanten Kn (n = I, ..., 13, mit Ausnahme von η = 4), ausgedrückt werden und unter dieser Annahme werden die folgenden Erläuterungen gegeben.

(3) Konstantwert-Steuerung des Phasenwinkels θ

Ein funktionelles Blockdiagramm der Konstantwert-Steuerschaltung von F i g. 1 ist in F i g. 3 gezeigt Zunächst wird definiert, daß die Spannung Vr \ die Steuergröße, d. h. die den Phasenwinkel einstellende

ίο Spannung, ist, und daß die gesteuerte Variable ist. Kp repräsentiert Ku K₂ und Kj inklusive, und Κω_χ, Afc und Kr sind die in Gleichungen 4, 5 bzw. 6 definierten Größen.

Die Steuerung von F i g. 3 kann durch die folgende

ι ■> Gleichung ausgedrückt werden:

(V_R ι - K₁ ■ AB)Kp ■ Κω, + [(Kc ■ Δ C + K_R ■ Δ R)) = ΔΘ.

Der Ausdruck in der zweiten Klammer auf der linken Seite von Gleichung 7 kann als Störgröße in der Steuerschaltung betrachtet werden. Wenn man diesen Ausdruck als Störgröße D

(= Kc ■ AC + K_K ■ AR = A Qc + A 0_R)

betrachtet und das Steuersignal V_R ι als Null zur Vereinfachung der Erläuterung annimmt, dann ergibt sich Δθ in der Gleichung 7 als:

ΑΘ =

1 + Kp ■ Κω_χ ■ K₁

D.

ΑΘ =

1 +F

D.

Bei sehr großen Werten von Fgilt: Δθ = 0.

(8)

Wenn wenigstens eine Integrationsschaltung in den Steuerkreis eingesetzt wird, um die Stabilität des Steuerkreises zu erhöhen, ist es möglich, die sich im stationären Zustand ergebende Restabweichung ΔΘ& von ΔΘ zu Null zu machen. Solch eine Einfügung einer Integrationsschaltung ist eine herkömmliche Maßnahme bei Steuerkreisen, weshalb eine solche Schaltung zur Vereinfachung hier nicht explizit dargestellt ist

(4) Einrichtung zur Signalumsetzung und arithmetischen Verarbeitung

(a) Die Ausgangsfrequenz /^-des Spannungs-Frequenz-Umsetzers G₉ und der Ausgang des Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzers Gg, d. h.

der Leitfähigkeitsanteil des Signals^!

Ein funktionales Blockdiagramm von diesem Teil der gesamten Schaltung von F i g. 1 ist in F i g. 4 gezeigt, und seine Funktion wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

K_% ·|£₀Ι,

(9-1)

Wenn der Wert Vb u als Null angenommen wjrrj_ wjrH das den Leitfähigkeitsantei! darstellende Signal

E\ dargestellt durch

£'i - Kf, ■ K₁ 1 · I E₀ 1,

(9-2)

25 und die Ausgangsfrequenz/,, von C₉ ist gegeben durch

Jy — Kt)

JO (9-3)

Da Kp ■ K(O_x ■ Ki die Übertragungsfunktion F bei offenem Steuerkreis bedeutet, kann ΔΘ wie folgt geschrieben werden:

(b) das Ausgangssignal des Periodenumsetzers Gto, d. h. das Aufsteuerzeitsignal T_x io

Der entsprechende Teil der Gesamtschaltung von F i g. 1 ist in F i g. 5 gezeigt, und seine Funktion wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

~ ^1

(10)

40

wobei T_x die Periode des sinusförmigen Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators G₂ ist

(c) Die den Kapazitätsanteil darstellende Signalspannung Ec

Dieser Teil der Gesamtschaltung ist in F i g. 6 gezeigt, und seine Funktion wird ausgedrückt durch:

T_x,

(11-1)

50 wobei N der Zählerstand des Zählers Gn der Ausgangsi.Tipulse von Gg während des Zeitintervalls des Aufsteuerzeitsignals T_x to ist In diesem Fall ist die Funktion des Zählers Gn die einer Multiplikationsschal tung, deren Eingangssignale eine Frequenz und ein Zeitintervall darstellen, die durch die Gleichung 11-1 ausgedrückt wird.

Daher ist das Ausgangssignal des Digital-Analog-Umsetzers G₁2, d. h. die den Kapazitätsanteil darstellen- de Signalspannung ücgegeben durch

Ec = K_n ■ N,

(11-2)

65

wobei I Eo \ die Amplitude des Ausgangssignals der Schaltung G₄ ist

(5) Beziehung zwischen dem Meßwert und dem Ausgangssignal der Vorrichtung

(a) Beziehung zwischen dem Leitwert —und

dem entsprechenden Ausgangssignal^Λ ^

130 114/301

9 10

Die Amplitude | fit| der Ausgangsspannung £b der so daß Gleichung 12-4 wie folgt geschrieben werden Schaltung Gt kann wie folgt ausgedrückt werden: kann: IE₀I - IAT₄ · (-E,)| £", = κ,- A₇-IE₁ISeCOb ■ 4" ■ ^¹²"⁵)

I /1_

1_ , . _r\ _n /_|ri >»J Aus dieser Gleichung ergibt sich, daß bei einem

_R TJo>r<-j ■ i<_f ■ ( |t,ie ·}| geeignet vorgegebenen, festen Wert des Rückkopp

lungswiderstandes Rf die Leitfähigkeitskomponente der

^l0

ι Ausgangssignalspannung ^E'l näherungsweise propor-

- Kf ■ ) hi\ · yi + ((O_xK ■ ο ■ — .

ψ_ tional zu dem Leitwert —ist, wenn die Amplitude der K (j 2 - I)

Sr.'; Eingangsspannung Ei an der Schaltung G* mit dem

r,1 Durch Substitution von |£q|, wie er durch die is Meßobjekt konstant gehalten wird.

g vorstehende Gleichung gegeben ist, in die Gleichung 9-2 In der Praxis kann der Meß-Steuerkreis, der durch die

|| ergibt sich: näherungsweise Gleichung 12-5 ausgedrückt werden

_ . kann, in den meisten Fällen eingesetzt werden. Es ist

Ö £', = K. ■ K,, ■ Rr lE.\ f\ + Uo.R ■ CY ■—, jedoch auch eine herkömmliche Maßnahme, den

If a ' R 2o Steuerkreis dadurch zu stabilisieren, daß mehr als eine

(12-2) Integratorschaltung eingefügt wird. In diesem Fall wird

_nj j die im stationären Zustand auftretende Abweichung

ΔΘ* gleich Null, so daß die Gleichung 12-5 exakt erfüllt

(b) Beziehung zwischen der Kapazität und

ist, d. h., da d_em Ausgangssignal Ec

. j— Ausgehend von der Gleichung 11-2 kann gezeigt

Vl + ((O_xR ■ Q = secö, werden, daß Ecnur proportional zu Cist. Die Erklärung

30 hierfür wird im folgenden gegeben. Zunächst ergibt die

gilt (Gle.chung 2), wird aus Gleichung 12-2 folgen- Substitution von Gleichung 11-1 in die Gleichung 11-2

^des: folgendes:

£', = K_t ■ K_n ■ R, ■ \E,\ see© · JL . ^ Ec = K_n ■ f_y ■ T_yW ,

Daraus ergibt sich mit Gleichung 10:

^{Setzt man}

Ec = K_n ■ f_y ■ K₁₀ ■ T_x , ^Kl - Kg ■ K_n, _4o und ferner mit Gleichung 9-3: LdC ⁼ K]2 ' Kg "C] * K\_o ' I_x.

so ergibt sich: -j

I Diese kann mit Hilfe von Gleichung 9-1 wie folgt E\ = K^- Rj. ■ \E,\ see© · — . (12-4) 45 umgeschrieben werden:

KR R

Wenn θ₀ ein Phasenwinkel im Gleichgewichtszustand Ec = K_n ■ K₉ ■ Kg ■ \E₀\ ■ K₁₀ ■ T_x .

der Konstantwert-Steuerschaltung, d.h. an dem Zeit- (13-i)

^{woraus sicn}* ^aa

punkt, an dem die gesteuerte Größe gleich groß wie die Steuergröße wird, so daß die Abweichung gleich Null 50 wird, dann kann der Phasenwinkel allgemein wie folgt geschrieben werden: T_x = —— ,

θ = Θ_Β + ΑΘ.

55 durch Substitution von Gleichung 12-1 zusammen mit

Unter der Bedingung, daß die Übertragungsfunktion der obigen Beziehung in Gleichung 13-1 die folgende Feinen großen Wert hat, gilt ΔΘ=0 wie in Gleichung 8', Gleichung ergibt: Ec - Kg- K₉- K₁₀ K_n-Rf \E,\ ■ Vl + (β, RQ* -JL (13-2)

(O₁ K

Wenn man schreibt:

Kg-K₉- AT₁₀ ■ AT₁₂ = κ,., kann Gleichung 13 -2 umgeschrieben werden wie Mg*

Ec= «_r-^-Ä_f.|£,|-/iT('_ffll-Ä-Qⁱ -JL (13-2')

Die rechte Seite dieser Gleichung 13-2' kann wie folgt umgeschrieben werden:

γ ι D ΐΐτΐ -/1 + (w_x ■ R Ty _r

Ec = 2/7 · κ. · /ir ■ I C/l · =— · C.

W_x-R-C

Unter Benutzung der folgenden Beziehung:

^-— = cosec0,

W_x-R-C

die aus Gleichung 2 erhalten wird, kann Ec wie folgt ausgedrückt werden:

Ec = 2/7

|£,| · cosecö · C.

Wenn man daher /If) —» 0 marht und Hie im stationären Zustand auftretende Abweichung gleich Null nirf au, kann Ec schließlich wie folgt ausgedrückt werden:

Ec = In ■ k_c ■ R₁ -·\Ει\ ■ cosecöo · C.

(13-3)

Da auf der rechten Seite von Gleichung 13-3 kein Term mit —vorkommt, ist r ,'sichtlich, daß Ec unabhängig vom Leitwert und damit nur proportional zur Kapazität C ist.

(6) Andere Ausführungen der Schaltung
mit dem Meßobjekt

Die vorhergehende Beschreibung bezieht sich auf den s Fall, daß das Meßobjekt mit einer Ersatzschaltung aus einer Parallelschaltung von R und Cdargestellt werden kann, wie in Fig.2A gezeigt ist Es gibt jedoch auch andere Meßobjekte, die durch andere Ersatzschaltbilder dargestellt werden. Entsprechend diesen ändern ίο Meßobjekten ist der Aufbau der Schaltung mit dem Meßobjekt ebenfalls unterschiedlich, wie in den F i g. 2B bis 2D gezeigt ist, und diese anderen Schaltungen können wie folgt klassifiziert werden:

(a) Das Meßobjekt wird durch ein Ersatzschaltbild aus einer Reihenschaltung einer Kapazität Cund eines Widerstandes R dargestellt. Dieser Fall ist in F i g. 2B gezeigt, wobei das Meßobjekt durch gestrichelte Linien eingerahmt ist.

(b) Das Meüobjekt wird durch ein Ersatzschaltbild aus einer Parallelschaltung einer Induktivität L und einem Widerstand R dargestellt, siehe F i g. 2C.

(c) Das Meßobjekt wird durch ein Ersatzschaltbild aus einer Reihenschaltung einer Induktivität L und einem Widerstand R dargestellt, siehe F i g. 2D.

Im folgenden werden die in den F i g. 2B bis 2D bezeichneten Fälle diskutiert. In diesen Fällen ist die Beziehung zwischen der Frequenzübertragungsfunktion Ka und dem Phasenwinkel des Meßobjektes in der folgenden Tabelle zusammengefaßt, wobei in der Zeile (0) der oben anhand von F i g. 2A beschriebene Fall zum Vergleich angegeben ist

0)
i)
ü)
iii)

±₊Μ.- C)- R_f

)· JL

tan ' ω,-C ■ R

-tan

tan

"(⁸¹Jn)

2A

2B

2C

2D

In dieser Tabelle sind in der rechten Spalte die Nummern der entsprechenden Figuren angegeben. Durch Vergleich der Zusammenhänge von Kj, und θ in bezug auf ω_χ für die in den Zeilen (i), (ii) und (iii) mit dem in der Zeile (0) angegebenen Fall ist ersichtlich, daß, wenn der Spannungs-Frequenz-Umsetzer Gi in F i g. 1 für den in Zeile (0) angegebenen Fall durch einen Spannungs-Perioden-Umsetzer in den in Zeilen (i) und (ii) angegebenen Fällen ersetzt wird, nahezu dieselbe Behandlung wie für den in der Zeile (0) gezeigten Fall auch für die in den Zeilen (i) und (ii) gezeigten Fälle angewendet werden kann. Bei dem in der Zeile (iii) gezeigten Fall ist die obenerwähnte Substitution von G₉ nicht erforderlich.

Aus dem Vorhergehenden ergibt sich, daß Ea für die in den Zeilen (i) und (iii) gezeigten Fälle proportional ist zu

R, während es proportional zu — in den in den Zeilen (0)

und (ii) gezeigten Fällen ist Daher sollte nach dem Meßobjekt eine entsprechende Auswahl getroffen werden.

Neben den obenerwähnten, abgewandelten Schaltungsausführungen gibt es noch weitere Schaltungen, beispielsweise kann eine Schaltung betrachtet werden, bei der eine Parallelschaltung von R und C in den Rückkopplungsweg eines Verstärkers eingesetzt ist In diesem Fall werden die Übertragungsfunktion und der Phasenwinkel resDektive wie folst aneeereben!

CA

Danach ist die Signalverarbeitung die gleiche wie bei dem in Zeile (i) der Tabelle gezeigten FaH to

Arbeitsweise des oben beschriebenen Beispiels

Zunächst werden die Bezugsspannungsquellen Vr ι und Vr₂ auf solche Werte eingestellt, daß die Phasendifferenz θ des Eingangssignals und des Ausgangssignals der Schaltung Gt mit dem Meßobjekt auf einen bestimmten, voreingestellten Wert θο gebracht wird, der sich von 0° unterscheidet

Dann wird die Frequenz -^- des spannungsgesteuerten Oszillators Gt automatisch durch die Wirkung der Konstant-SteuPTschaltung so eingestellt, daß die Phasendifferenz auf den eingestellten Wert θα gebracht wird. Nach dieser Einstellung von θ₀ arbeitet die Schaltung in der oben beschriebenen Weise, und der Digital-Analog-Umsetzer Gi₂ gibt einen Wert an, der die Kapazität C anzeigt Wenn man den Nullpunkt durch Einstellen des variablen Widerstandes Vr η

einstellt, wird der Wert

der den Kehrwert des

Widerstandes R darstellt, von dem Differenzverstärker G)₃ abgegeben.

Fig.7 zeigt ein Beispiel für eine spezielle Schaltung der in F i g. 1 gezeigten Art, wobei A\ den Teilen SP\ und Gi, A₂ dem Teil SP₂, VCO dem Teil G₂, A₄ dem Teil G₃, R, Q As und A₆ dem Teil G₄, A₈ dem Teil G₆ und dem Teil PD und eine Schaltung LPF, die A\ umfaßt und durch eine gestrichelte Linie umrandet ist, dem Teil Gj, eine Schaltung AC-DQ die A_i3 und A» in einer weiteren gestrichelten linie umfaßt, dem Teil Gt₁A_n und A\₂ dem Teil Gs, D dem Teil Gto, <4is und V-Fdem Teil G₉, CT dem Teil Gn, D-A und Ai₆ dem Teil Gi₂, sowie Aj₇ den Teilen 5P₃ und G13 entsprechen. A₃, A₇, Ag und Au sind Pufferverstärker. Von dem Ausgang OUTt wird das der Kapazitätskomponente entsprechende Signal abgegeben, während von dem Ausgang OUT₂ das der Leitwzrtkomponente entsprechende Signal abgegeben wird. Ferner ist eine Bezugsspannungsquelle S vorgesehen, um die Spannungen Vr i, Vr ί, Vr α und Vr η zu liefern. Die Spannung Vr is ist eine Vorspannung für Ats.

Eine experimentelle Schaltung der in Fig.7 gezeig-

30

35

40

50 ten Art hat ausgezeichnete Ergebnisse gezeigt

Einige Gesichtspunkte der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens können wie folgt zusammengefaßt werden:

(1) Der Phasenwinkel in der Frequenzübertragungsfunktion einer Schaltung mit einem Meßobjekt wird auf einem konstanten, vorgegebenen Wert gehalten,

(2) Um diesen Phasenwinkel konstant zu harten, wird ein Detektor verwendet, der die Phasendifferenz zwischen dem Eingangssignal an die Schaltung mit dem Meßobjekt und dem Ausgangssignal dieser Schaltung erfaßt Ein Oszillator mit variabler Frequenz (spannungsgesteuert) wird durch das resultierende Phasendifferenzsignal gesteuert und liegt vor der Schaltung nut dem Meßobjekt Durch diese Anordnung wird eine Konstantwert-Steuerschaltung geschaffen.

(3) Von der Konstantwert-Steuerschaltung wird das Ausgangssignal der Schaltung mit dem Meßobjekt abgenommen, und das resultierende Gieichspannungssignal wird, wenn erforderlich, nach einem Differentialverstärker, als Signal für den Widerstandswert oder seinen Kehrwert benutzt

(4) In dem oben beschriebenen Fall ist es auch möglich, das Signal für den Widerstandswert oder seinen Kehrwert dadurch abzunehmen, daß man entweder die Periode oder die Frequenz des Ausgangssignals eines Spannungs-Frequenz-Umsetzers oder eines Spannungs-Perioden-Umsetzers mißt, der durch das erwähnte Gleichspannungssignal gesteuert wird.

(5) Das erwähnte Frequenzsigna] wird durch einen Zähler gezählt, dessen Torschaltung durch das Ausgangssignal von dem Oszillator mit variabler Frequenz oder durch ein Signal mit einer Frequenz gesteuert wird, die eine Unterresonanzfrequenz der vorgenannten Frequenz ist Das resultierende Zählerstandssignal wird weiter als der Kapazitätskomponenten oder der Induktivitätskomponenten entsprechendes Signal ausgenutzt, indem man erforderlichenfalls einen Digital-Analog-Umsetzer einsetzt

(6) In dem oben beschriebenen Fall kann, da nur die Periode selbst die Nutzsignalkomponente fur das Torsteuersignal für den Zähler darstellt, das Ausgangssignal von der Schaltung mit dem Meßobjekt auch für die Torsteuerung verwendet werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Verfahren zur Bestimmung des Widerstandes, der Kapazität und der Induktivität einer in einer s MeßzeUe vorhandenen Flüssigkeit (Meßobjekt), wobei die MeßzeUe in einer Meßschaltnng eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) eine Phasendifferenz zwischen der Phase eines Eingangssignals an der Meßschaltung (G*) und der Phase eines Ausgangssignals der MeBschaltung (G*) entsprechend dem Phasenwinkel in der Frequenz-Übertragungsfunktion der Meßschaltung (G) durch eine Konstantwert-Steuerschaltung auf einem vorgegebenen Wert dadurch konstant gehalten wird, daß die Frequenz des Eingangssignals so nachgestellt wird, daß die Abweichung der Phasendifferenz von dem vorgegebenen Wert reduziert wird, unddaß < ^M

(b) die von einer Amplitude des Ausgangssignais abgeleitete Größe (z.B. der Widerstand oder dessen reziproker Wert in der Meßschaltung) und eine von einer Frequenz entweder des Eingangssignals oder des Ausgangssignals abgeleitete Größe arithmetisch verarbeitet werden, um wahlweise einen Meßwert entsprechend dem Widerstand, der Kapazität oder der Induktivität in der Meßschaltung zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz-Übertragungsfunktion der MeßschpJtung (G*\ aus eg^m Verhältnis (K*) von zwei Spannungen gebadet ist

3. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal von einem spannungsgesteuerten Oszillator (G₂) zugeführt wird, der ein Signal mit einer Frequenz entsprechend einer aus dem Phasendifferenzsignal abgeleiteten Spannung erzeugt -to

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wert oder ein reziproker Wert der Widerstandskomponente eines in der Meßschaltung (Ga) enthaltenen Meßobjektes dadurch bestimmt wird, daß diejenige Gleichspannung gemessen wird, die durch Gleichrichtung des Ausgangssignals von der Meßschaltung (Ga) erhalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wert oder ein reziproker Wert einer Widerstandskomponente eines in der Meß- so schaltung (Ga) enthaltenen Meßobjektes dadurch bestimmt wird, daS Impulse erzeugt werden, deren Frequenz entsprechend dem Gleichspannungssignal bestimmt ist, das durch Gleichrichtung des Ausgangssignals der Meßschaltung (Ga) erhalten wird, und daß danach die Frequenz oder die Periode dieser Impulse gemessen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der kapazitiven Komponente oder der induktiven Komponente des Meßobjekts dadurch festgestellt wird, daß durch das Gleichspannungssignal, weiches durch die Gleichrichtung des Ausgangssignals der Schaltung (Ga) erhalten wird, Impulse erzeugt werden, und daß diese Impulse in einem Zeitintervall, in dem eine entsprechende Torschaltung offen ist, gezählt werden, wobei das Zeitintervall durch ein Signal gesteuert wird, welches von der Frequenz des Eingangssignals

abhängt,

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der kapazitiven Komponente oder der induMyen Komponente eines Meßobjekts dadurch gemessen wird, daß Impulse, die durch das Gleidispannungssignal gesteuert werden, welches durch Gleichrichtung des Ausgangssignals der Schaltung (Ga) erhalten wird, erzeugt werden, und daß diese Impulse in einem Zeitintervall, w.lhrend dem eine entsprechende Torschaltung aufgesteuert ist, gezählt werden, wobei das Zeitintervall durch ein Signal gesteuert wird, welches von der Frequenz des Eingangssignals an die Schaltung (Ga) abhängt

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der resultierende Zählerstand in einen Analogwert umgewandelt wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

(a) daß die Konstantwert-Steuerschaltung, durch die der Phasenwinkel in der Frequenz-Übertragungsfunktion der Meßschaltung (Gi) auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird, aufweist (ai) eine Detektoreinrichtung, um die Phasendifferenz zwischen einem Ausgangssignal der Meßschaltung (Ga) und einem Eingangssignal der Meßschaltung (Ga) festzustellen usid um ein von dieser Phasendifferenz abhängiges Phasendifferenzsignal zu erzeugen, und

(a₂) einen spannungsgesteuerten Oszillator (G₂), der ein Signal mit einer Frequenz entsprechend einer aus dem Phasendifferenzsignal abgeleiteten Spannung erzeugt und dieses zur Meßschaltung (Ga) speist, und

(b) daß eine Signalverarbeitungsschaltung wahlweise Signale entsprechend dem Wert des Widerstandes, der Kapazität oder der Induktivität der Meßschaltung (Ga) ere wgt und aufweist: (bi) einen Impulsgenerator zur Erzeugung eines Impulssignals mit einer Frequenz entsprechend dem Ausgangssignal der Meßschaltung (Ga), und

(bj) eine zum Zählen der Impulssignale dienende Zähleinrichtung, deren Zählbetrieb mit dem Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators oder einem damit zusammenhängenden Signal beginnt und endet

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung (Gi) einen Stromverstärker (At) enthält

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet daß die Frequenz-Übertragungsfunktion aus einem Verhältnis von zwei Spannungen gebildet ist, und daß der Phasenwinkel in der Übertragungsfunktion durch Einstellen der Signal· frequenz konstant gehalten wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch wenigstens einen Wellenformumsetzer, der ein Sinussignal in ein Rechtecksignal umsetzt, durch das ein Eingangssignal an die Detektoreinrichtung abgebbar ist

13. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen Verstärker, der das Phasendifferenzsignal. sowie sine Bezugsspannung aufnimmt und ein Eingangssignal an den spannungsgesteuerten Oszillator liefert

14. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen Stromverstärker, durch den ein Ausgangssignal von dem spannungsgestenerten Oszillator an die Schaltung mit dem Meßobjekt geliefert wird,

15. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator zur Erzeugung des Impulssignals ein Spannungs-Perioden-Umsetzer oder ein Spannungs-Frequenz-Umsetzer ist, dessen Periode oder Frequenz entsprechend einem aus dem Ausgangssignal gleichgerichteten Signal bestimmt ist

16. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Gleichrichtereinrichtung zur Gleichrichtung des Ausgangssignals und durch eine Differenzverstärkereinrichtung zur Differenzverstärkung des Signals nach der Gleichrichtung, um den Wert oder den reziproken Wert der Widerstandskomponenten des Meßobjektes in der Schaltung fG«) festzustellen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator ein Spannungs-Frequenz-Umsetzer oder ein Spannungs-Perioden-Umsetzer und eine Detektoreinrichtung aufweist, um die Frequenz oder die Periode eines Ausgangssignals des Umsetzers zu messen, wobei der Wert oder der reziproke Wert der Widerstandskomponenten eines Meßobjektes in der Schaltung (G*) festgestellt wird.

18. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen Periodenumsetzer, durch den das Eingangssignal* oder das Ausgangssignal in einen Zähler weitergegeben wird, wodurch der Zählvorgang in dem Zähler gesteuert wird, um die Ausgangsimpulse des Spannungs-Frequenzumsetzers oder des Spannungs-Periodenumsetzers zu zählen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen Digital-Analogumsetzer, durch den eine analoge Größe erstellt wird, die von einem resultierenden Zählerstand des Zählers abhängt