DE3382614T2 - Kondensator-ueberwachungsschaltung. - Google Patents

Description

• Bei der Kondensator-Überwachung oder bei Schaltkreisen vom Meßtyp ist es üblich, Kondensator-Brücken zu verwenden, die typischerweise vier Zweige aufweisen. Ein Brückentyp mit vier Zweigen wird normalerweise über zwei Anschlüsse mit Spannung versorgt und ein Ausgangssignal wird an den beiden anderen Anschlüssen differentiell gemessen. Bei diesem Typ einer Brücke und insbesondere bei einer, die kapazitive Elemente im Brückenschaltkreis verwendet, verursacht der Abgleich der Brücke bzw. das Messen eines kapazitiven Elementes eine Beeinflussung, die ihrerseits normalerweise das Trimmen oder Einstellen von mehr als einem Element erfordert.
• Ein Kapazitäts-Meßsystem ist aus der GB-PS 20 85 364 bekannt, bei der Impulse entgegengesetzter Phase dem unbekannten Kondensator und der Referenz-Kondensatoreinrichtung zugeführt werden und die Ausgänge dieser miteinander kombiniert werden. Die Referenz-Kondensatoreinrichtung besteht aus zwei Kondensatoren, die den maximal und minimal möglichen Werten des unbekannten Kondensators entsprechen und einer oder der andere Kondensator wird bei jedem Impuls ausgewählt, um langfristig ein Ausgangssignal mit dem Wert Null zu erzielen. Das Auswahlverhältnis der Zyklenanzahl ergibt den unbekannten Kapazitätswert. Aus der US-PS 3 135 916 ist ein Kondensator-Überwachungsschaltkreis bekannt, der zwei RC-Zweige aufweist, die aus einer gemeinsamen Impulsquelle gleichphasig angesteuert werden, wobei die Differenz zwischen den Spannungen an den Kondensatoren das Ausgangssignal darstellt.
• Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen einfachen Sensorschaltkreis anzugeben, der einen einzigen Ausgang bezogen auf Masse aufweist, anstelle der üblichen Ausgänge einer Brücke mit vier Zweigen.
• Gemäß der Erfindung wird ein Kapazitätswert-Meßschaltkreis vorgegeben mit einer Spannungs-Treibereinrichtung zur Vorgabe erster und zweiter veränderlicher Spannungen mit entgegengesetzter Phase; einem ersten Meßschaltkreis, dem die erste Spannung zugeführt wird und der einen Kondensator aufweist, dessen Wert fest und unterschiedlich zu dem Wert eines Kondensators ist, dessen Wert zu messen ist; einem zweiten Meßschaltkreis, dem die zweite Spannung zugeführt wird und der den Kondensator aufweist, dessen Wert zu messen ist, wobei die ersten und zweiten Meßschaltkreise verbunden sind, um ein Ausgangssignal des Kapazitätswert-Meßschaltkreises zu liefern, wobei der Kapazitätswert-Meßschaltkreis gekennzeichnet ist durch einen ersten Widerstand in dem ersten Meßschaltkreis, durch den Strom getrieben von der ersten Spannung der Treibereinrichtung zu dem Kondensator fließt, dessen Wert fest ist, und einen zweiten Widerstand in dem zweiten Meßschaltkreis, dessen Wert im wesentlichen dem Wert des ersten Widerstandes entspricht und durch den Strom getrieben von der zweiten Spannung der Treibereinrichtung zu dem Kondensator fließt, dessen Wert zu messen ist, und einen einstellbaren Widerstand, der zwischen Masse und dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand und dem Kondensator in dem Meßschaltkreis angeordnet ist, der den Kondensator mit dem größeren Wert aufweist und der einen Wert aufweist, bei dem das Signal am Ausgang zu Null wird.
• Auf diese Weise unterscheidet sich die vorliegende Erfindung gegenüber der US-PS 3 135 916, in dem die Zweige gegenphasig angesteuert werden, die Differenzbildung vereinfacht wird und die Ausgangsspannung leicht gegen Masse bezogen werden kann.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei nunmehr beispielsweise unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, die einen Schaltkreis für eine Feuchtemessung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
• Gemäß der Zeichnung umfaßt der feuchtigkeitsempfindliche Schaltkreis einen Signalgenerator 10, der ein Rechteckwellen-Ausgangssignal liefert. Der Ausgangs des Spannungsgenerators 10 ist auf einer Leitung 11 einem Inverter 12 zugeführt, der das Rechteckwellensignal seinerseits invertiert und einer Leitung 13 zuführt. Die Leitung 13 unterteilt sich bei 14 in zwei Spannungswege auf den Leitungen 15 und 16. Die Leitung 15 ist über einen Inverter 17 an eine Leitung 18 angeschlossen. Die Leitungen 16 und 18 geben zwei veränderliche Spannungen vor, die entgegengesetzte Phase aufweisen, wie dies durch die Wellenformen 20 und 21 angedeutet ist.
• Die Ausgangsleitung 18 ist an einen Widerstand Ra angeschlossen, während die Leitung 16 an einen Widerstand Rb angeschlossen ist. Aus Gründen, die später klar werden, besitzen der Widerstand Ra und Rb die gleiche Größe. Der Widerstand Ra ist bei 23 an einen veränderlichen Widerstand Rx angeschlossen. Der veränderliche Widerstand Rx ist bei 24 an Masse angeschlossen und kann irgendeine Art von veränderlichem Widerstandselement darstellen, das von einem Potentiometer bis zu einem Widerstand reicht, der in einer hybriden Schaltkreisanwendung getrimmt wird.
• Der Schaltungspunkt 23 ist ferner an einen Kondensator Cf angeschlossen, der ein fester Kondensator mit sehr geringem Verlustfaktor ist und somit im wesentlichen als reiner Kondensator mit vernachlässigbarem Widerstand auftritt. Der Kondensator Cf ist seinerseits an einen gemeinsamen Schaltungspunkt 25 und einen zweiten Kondensator Ch angeschlossen, der als veränderlicher Kondensator dargestellt ist. Der Kondensator Ch ist ein zustandsempfindlicher Kondensator, wie beispielsweise ein auf Feuchtigkeit ansprechenden Kondensator vom Polymid-Typ. Der Kondensator Ch kann irgend ein veränderlicher Kondensator sein, dessen Wert aufgrund eines Zustandes (anders als Feuchtigkeit) variiert oder er kann von Hand eingestellt werden, wenn dies durch die Schaltkreisanwendung verlangt wird. Der Kondensator Ch ist seinerseits mit dem Widerstand Rb verbunden. Der gemeinsame Schaltungspunkt 25 bildet den Ausgang des dargestellten Schaltkreises, und er ist an einem Anschluß 30 an eine Last angeschlossen, die bei 31 als Last vom Widerstandstyp (wie beispielsweise ein Meßgerät) dargestellt ist und mit einem weiteren Anschluß 32 verbunden ist, der seinerseits an Masse 24 angeschlossen ist. Der einstellbare Widerstand Rx wird in einer solchen Weise eingestellt, daß er die Spannung am Schaltkreisausgang 25 zu Null werden läßt.
• Für einen Schaltkreis mit geringen Kosten ist es am einfachsten, die Brückenelemente mit Ausgangssignalen anzusteuern, die in die Sättigung durch Potentialwerte getrieben werden, die nahe bei den Spannungsversorgungswerten liegen, die durch den Signalgenerator 10 geliefert werden. Bei einer geregelten Spannungsversorgung sind sodann die Ausgangssignale zu den Brückenelementen Ra, Rb, Cf und Ch im wesentlichen geregelt. Damit ein einziges Ausgangssignal bezogen auf Masse zu Null wird, müssen die beiden Zweige mit einem Signal entgegengesetzter Phase angesteuert werden, wie beispielsweise durch die Rechteckwellensignale 20 und 21. Dies wird einfach mit einem einzigen Spannungsgenerator 10 durch die Verwendung eines Inverterverstärkers 17 im oberen Zweig des Schaltkreises bewerkstelligt.
• Um zu verstehen, wie der Nullabgleich durch die Einstellung des Widerstandes Rx erzielt wird, seien die folgenden Betrachtungen und Annahmen gemacht. Es sei angenommen, daß der Kondensator Cf ein fester stabiler Kondensator ist, der in der Größenordnung von 50% größer als das veränderliche kapazitive Feuchtigkeitselement Ch ist. Wenn dies der Fall ist, so kann man einen Parameter A definieren, der Cf/Ch entspricht, wobei A ungefähr den Wert 1,5 besitzt. Wenn nun die Spannung bei 18 den Wert E einnimmt (die Versorgungsspannung), so geht der Wert der Spannung bei 16 auf 0. Wenn dies geschieht, so muß die momentane Spannungsänderung über dem Widerstandselement Ra im oberen Zweig gleich derjenigen im unteren Zweig sein, da die Größenänderungen der Spannungen bei 16 und 18 einander gleich sind. Aus diesem Grund und durch die Tatsache, daß die momentane Stromänderung in Ra derjenigen in Rb entspricht, wird der Widerstand Rb im unteren Zweig gleich groß wie Ra im oberen Zweig ausgelegt. Diese Auswahl kann vernünftigerweise gemacht werden, um Ra hinreichend dicht an Rb für alle praktischen Zwecke zu legen, ohne daß ein Erfordernis zum Kalibrieren ihrer Werte besteht. Wenn Ra mit Rb gleich ist, so entspricht die momentane Stromänderung in Ra derjenigen in Rb zu dem Zeitpunkt, wo die Treiberspannung umschaltet, da sich die Spannung nicht sofort über der Serienschaltung der Kondensatoren Cf und Ch ändern kann. Da die momentane Stromänderung durch Ra insgesamt durch Cf fließt, tritt keine momentane Stromänderung in Rx auf, die sich zu der momentanen Spannungsänderung an Cf im oberen Zweig addieren würde. Aus diesem Grund gibt es keine momentane Spannungsänderung am Anschluß 30, wenn die Treiberspannung umschaltet. Beim Abgleich ist es ferner erforderlich, daß die Zeitkonstante der den Kondensator Cf treibenden Impedanz gleich derjenigen des Kondensators Ch ist, da die Ströme in Cf und Ch gleich bleiben müssen, ohne daß eine Spannungsänderung im Anschluß 30 hervorgerufen wird. Damit diese Zeitkonstanten gleich sind, muß der Widerstand Rx ausgewählt werden. Der äquivalente Reihenwiderstand zur Ansteuerung des Kondensators Cf besteht aus Rx parallel zu Ra oder aus Rx Ra/Rx + Ra. Damit die beiden Zeitkonstanten gleich sind, muß Rx Ra/Rx+Ra mal Cf gleich RbCh sein. Da nunmehr Rb bereits Ra entspricht und Cf gleich A Ch ist, so muß Rx Ra/Rx + Ra mal A Ch gleich Ra Ch sein. Durch Substitution entspricht Rx A dem Wert Rx + Ra; oder Rx entspricht Ra/A-1.
• Bei diesem Schaltkreis wird sodann ein Kondensator Cf angeschlossen, der um einen bestimmten Faktor größer als Ch ist, aber keinen genau kalibrierten Wert aufweist. Die Kalibrierung wird sodann erzielt durch Auswahl von Rx entsprechend Ra/A-1, wobei A der Faktor des Kondensators Cf bezogen auf den Kondensator Ch an dem Punkt entspricht, wo der Nullabgleich gefordert ist. Der Widerstand Rx kann festgelegt werden, indem das Ausgangssignal zwischen dem Kondensator Cf und Ch im Punkt 25 des Schaltkreises beobachtet wird, während die Einstellung erfolgt.
• Der vorliegende Schaltkreis kann verwendet werden, indem die von Null abweichende Ausgangsspannung im Anschluß 30 in bezug auf den Anschluß 32 (Masse 24) gemessen oder verstärkt wird, wenn die Feuchtigkeit den Schaltkreis aus dem abgeglichenen Zustand herausbringt. Oder der Schaltkreis kann verwendet werden durch Kalibrierung eines Potentiometers als Ersatz für Rx, das die Nullpunkte für den gesamten Feuchtigkeitsbereich definiert.
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen sehr einfachen Schaltkreis, der mit einem kapazitiven Fühlerelement verwendet werden kann, wobei ein Nullabgleich durch die einfache Einstellung eines einzigen Widerstandselementes erzielt werden kann. Diese Anordnung vereinfacht in hohem Masse den Aufbau eines Sensorschaltkreises und gibt einen sehr billigen Schaltkreis vor, der leicht an Zustandssteuerungen angepaßt werden kann.

Claims (5)

1. Kapazitätswert-Meßschaltkreis mit einer Spannungs-Triebereinrichtung (22) zur Vorgabe erster und zweiter veränderlicher Spannungen mit entgegengesetzer Phase; einem ersten Meßschaltkreis (15, Ra, Cf), dem die erste Spannung zugeführt wird und der einen Kondensator (Cf) aufweist, dessen Wert fest und unterschiedlich zu dem Wert eines Kondensators (Ch) ist, dessen Wert zu messen ist; einem zweiten Meßschaltkreis (16, Rb, Ch), dem die zweite Spannung zugeführt wird und der den Kondensator (Ch) aufweist, dessen Wert zu messen ist, wobei die ersten und zweiten Meßschaltkreise verbunden sind (bei 25), um ein Ausgangssignal des Kapazitätswert-Meßschaltkreises zu liefern, gekennzeichnet durch einen ersten Widerstand (Ra) in dem ersten Meßschaltkreis, durch den Strom getrieben von der ersten Spannung der Treibereinrichtung zu dem Kondensator (Cf) fließt, dessen Wert fest ist, und einen zweiten Widerstand (Rb) in dem zweiten Meßschaltkreis, dessen Wert im wesentlichen dem Wert des ersten Widerstandes (Ra) entspricht und durch den Strom getrieben von der zweiten Spannung der Triebereinrichtung zu dem Kondensator (Ch) fließt, dessen Wert zu messen ist und einen einstellbaren Widerstand Rx, der zwischen Masse und dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand und dem Kondensator in dem Meßschaltkreis angeordnet ist, der den Kondensator mit dem größeren Wert aufweist und der einen Wert aufweist, bei dem das Signal am Ausgang (25) zu Null wird, wobei der Ausgang des Kapazitätswert-Meßschaltkreises sich an einem gemeinsamen Knotenpunkt zwischen den Kondensatoren (Cf, Ch) befindet.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderliche Kondensator ein Meßkondensator mit geringem Verlustfaktor ist.

3. Schaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei sich verändernden Spannungen Rechteckwellen sind.

4. Schaltkreis nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs-Treibereinrichtung einen Einzel-Wellenformgenerator aufweist, der zwei Ausgangsschaltkreise mit einem Inverter in einem Ausgangsschaltkreis zur Bildung der veränderlichen Spannungen umfaßt.

5. Schaltkreis nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Kondensator in der Größenordnung von 50% größer als der veränderliche Kondensator ist.