DE1919005A1

DE1919005A1 - Anzeigeschaltung mit kapazitiver Sonde

Info

Publication number: DE1919005A1
Application number: DE19691919005
Authority: DE
Inventors: Mcmanus Ian David; Malcolm Williams
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1968-04-16
Filing date: 1969-04-15
Publication date: 1970-04-16
Also published as: FR2006296A1

Description

Joseph Lucas (Industries) Limited l4. April 1969

Great King Street

Birmingham / England 2J ΐβΐ Ma/He

Anzeigeschaltung mit kapazitiver Sonde

Die Erfindung bezieht sich auf Anzeigeschaltungen mit kapazitiven Sonden und ist insbesondere für die Verwendung bei Anzeigevorrichtungen für Flüssigkeitsspiegel vorgesehen; sie kann Jedoch auch für die Anzeige anderer Parameter, beispielsweise für die Lineare Stellung eines Gegenstandes oder für eine Drehgeschwindigkeit verwendet werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Brückenschaltung für Kapazitätsmessungen zu entwickeln, deren Empfindlichkeit im wesentlichen unabhängig von einer Streukapazität ist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einer Anzeigeschaltung mit einer kapazitiven Sonde, die eine Brückenschaltung enthält, in deren erstem Zweig ein erster Widerstand R in Reihe mit unbekannten Kapazität Cp geschaltet ist, die beträchtlich abfällt, wenn ein Parameter angezeigt wird und in deren zweiten Zweig ein zweiter Widerstand in Reihe mit einer Bezugskapazität Cr liegt und die Anzeigeschaltung eine Einrichtung enthält, die eine Frequanz W an die Brücke lieferte die Werte R, Cp und W derart gewählt sind* daß die Gleichung ™2 _a „ 2₀ -q2 erfüllt wirdο

Ee-; cer /rückenschaltung gemäß der Erfindung beeinflussen gl-i-cL«er ,1Ke Änderungen der Werte Cp und Cr, die von Streuka pazitcittj. ^----JVr-Uhrenj, in keiner Weise die Empfindlichkeit der Brückenschai'&ung, Hierdurch können in großen Mengen hergestell te und in verschlacke:.. ·-:.■;■'-3sηf^-".^~-r:^z:* installierte Anzeigeeinrichtungen stei;.?· befr l^y-:.$enä ϊγ^^:::ϊ·;, rr-s·,. eier -.rv-~r-

meidliehen Änderungen der Streukapazität von.Fahrzeug zu Fahrzeug.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltungsschema eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und

Fig. 2 eine scheraatische Ansicht einer Kapazitätsbrücke, die in Fig. 1 gezeigt ist.

In Fig. 1 geht die Schaltung von einer positiven und einer negativen Versorgungsleitung 11, 12 aus. Die Leitungen werden beispielsweise von der Batterie eines Kraftfahrzeuges gespeist, wobei die Leitung 12 vorzugsweise geerdet ist. Zwischen den Lei» tungen 11, 12 sind in Reihe ein Widerstand Rl und ein Widerstand R2 geschaltet. Ein Punkt zwischen diesen beiden Widerständen ist mit der Basis eines n-p-n-Transistors Tl verbunden, dessen ImIt= ter an der Leitung 12 über einen Widerstand R4 und dessen K:" ",ek·= tor an der Leitung 11 über einen Widerstand RJ liegt» Der Kollek= tor des Transistors Tl ist ferner mit der Basis eines n-p-n-Transistors T2 verbunden, dessen Kollektor an der Leitung 11 liegt und dessen Emitter mit der Leitung 12 über einen Widerstand R5 veÄtndQii isfc_o Die Emitter der beiden Transistoren Tl und T2 sind iiiteiBaaä©!³ über¹ einen Kondensator Cl verbunden» Die Basis des Tfaasist©]?© TS isfc fsr-sisr an die Leitung 12 über einen Widerstand Bß

Die laiifctsp qse³ TtbmmIsboTsn Tl und T2 sind mit den Basen eines p-a-p^S^asgiSiaQj?® T^ iss eines n-p-n=Transistors TJ- verbunden, der-sn Eaitfe@s³ itöes"¹ ©inen Widerstand R7 miteinander verbunden sind, des? Kollekfcoi? d,®® Transistors T^ an der Leitung' 12 über einei; Widerstand R8 angeschlossen ist und der Kollektor des Transistors TJ) mit der Leitung 11 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors-

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Τ4 ist ferner mit der Basis eines p-n-p-Transistors T5 verbunden, dessen Kollektor an der Leitung 12 liegt und dessen Emitter mit der Leitung 11 über einen Widerstand R9 verbunden ist, Der Emit- ' bkp des Transistors T5 ist mit der Leitung 12 über einen Widerstand RIO und einen veränderbaren Kondensator Cp verbunden. Ein ,Punkt zwischen dem Widerstand RIO und dem Kondensator Cp ist iVäit der Basis eines n~p-n-Transistors To verbunden, dessen Emitter an der Leitung 12 über einen Widerstand RlJ und einen Widerstand R15 in Reihe angeschlossen ist» Der Emitter des Transistors Ϊ5 ist ferner mit der Leitung 12 über einen Widerstand Rl? und einen Kondensator Cr verbunden und die Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand Rl7 und dem'Kondensator Cr ist an die Basis eines a-g«=n-Transistors T7 angeschlossen, dessen Emitter mit der Leitung 12 über einen Widerstand Rl4 und den Widerstand R15 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors T7 liegt an der Leitung 11 über einen Widerstand Rl4 und. den Widerstand Rl5 in Reihe. Der Kollektor des Transistors T7 ist mit der Leitung 11 über einen Widerstand Rl6 verbunden, während der Kollektor des Transistors To an der Leitung 11 über einen Widerstand R12, eine Diode Dl und einen Widerstand RIl liegt. Die Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand R12 und der Diode Dl ist mit dem Emitter eines n-p-n-Transistors T8 verbunden, dessen Basis mit dem Kollektor des Transistors T7 verbunden ist und dessen Kollektor .an der Basis eines p-n-p-Transistors T9 liegt. Die Basis des Transistors T9 ist außerdem mit der Leitung 11 über einen Widerstand Rl8 verbunden, während dessen Emitter an der Leitung 11 und dessen Kollektor über einen Widerstand R19 und einen Widerstand R20 an der Leitung 12 liegt.

Die Verbindungsstelle zwischen den Widerständen R19 und R20 ist über eine Diode D2 und einen Kondensator C2 in Reihe mit der Leitung 12 verbunden. Die Verbindungsstelle zwischen der Diode D2 und dem Kondensator C2 liegt an der Basis eines n-p-n-Transistors TlO, dessen Emitter über einen Widerstand R21 mit der Leimung 12 und dessen Kollektor mit der Leitung 11 verbunden ist. Der Emitter des Transistors TlO ist außerdem an die Basis eines n-p-n-Transistors TIl angeschlossen, dessen Kollektor mit der

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- it. _

Leitung 11 über einen Widerstand R22 und ferner mit der Basis eines Transistors T12 verbunden ist, dessen Kollektor über Wi= derstände R25, R24 in Reihe an der Leitung 11 liegt ο Die Emitter der Transistoren TIl₅ T12 sind mit der Leitung 12 -über einen gemeinsamen Widerstand R23 verbunden,, während die Verbindungsstelle der Widerstände R24, R25 mit der Basis eines p-=n-p»Transistors T13 verbunden ist, dessen Emitter an der Leitung 11 liegt und dessen Kollektor über einen Widerstand R26 mit der Basis eines n-p-n-Transistors Tl4 verbunden ist, dessen Emitter an der Leitung 12 liegt und dessen Kollektor über eine Kontrollleuchte W mit der Leitung 11 verbunden ist.

Die Anzeigeschaltung besteht somit aus 6 Stuf en, die mit ge- .. strichelten Linien in der Zeichnung angedeutet sind und die von links nach rechts aus einem Oszillator, einem Verstärker,,, einer Anzeige- bzw. Brückenschaltung, einem Glättungsstromkreis, einem Rückzündstromkreis sowie aus einer Ausgangsstufe bestehen. Die Wirkungsweise der Anzeigeschaltung ist folgende;

Die Transistoren Tl, T2 und deren Schaltungselemente bilden einen bekannten Emitter gekoppelten Oszillator, der eine Ausgangsspannung mit einer dreieckigen Wellenform an dem Kondensator Cl erzeugt. Die Ausgangsspannung von dem Oszillator in dieser Form wird gewöhnlich von dem Kollektor des Transistors T2 abgenommen und besitzt eine rechteckige Wellenform. Indessen wird es hier bevorzugt, die Ausgangsspannung von den Emittern der Transistoren Tl und T2 abzunehmen, so daß diese Ausgangsspannung eine dreieckige Wellenform besitzt. Falls es für besondere Schaltungen erforderlich ist, eine Ausgangsspannung mit rechteckiger Wellenform zur Verfügung zu haben, dann kann die Ausgangsspannung von dem Kollektor des Transistors T2 abgenommen werden, wobei ein einziger Transistor als Verstärker verwendet wird.

Die Transistoren T3 und T4 sind ein n-p-n- und ein p-n-p-Transistor und da die Basen der beiden Transistoren entsprechend an die Emitter der Transistoren T2 und Tl angeschlossen werden, wird die Wellenform an dem Kondensator Cl verstärkt und an die Basis des

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Transistors T5 angelegt, der als eine Emi-tter-Naehlaufstufe der Transistoren TJ, T4 wirkt und die erforderliche niedrige Ausgengsimpedanz zum Antrieb der Anzeigeschaltung vorsieht.

Die Brückenschaltung besteht aus den Widerständen RIO und Rl7 und den Kondensatoren Cp und Cr, wobei der Eingang zwischen dem Emitter des Transistors T5 und der Leitung 12 und der Ausgang an der Verbindungsstelle des Widerstandes RIO und des Kondensators Cp und des Widerstandes R17 und des Kondensators Cr vorgesehen ist und an dem auch die Basen der Transistoren Τβ und T7 angeschlossen sind. Angenommen, daß ein Flüssigkeitsspiegel gemessen werden soll, dann werden Leitungen von der Schaltung in den Behälter geführt, in dem der Flüssigkeitsspiegel überwacht werden soll und der Kondensator Cp besitzt einen Wert, der gleich dem Wert der Kapazität einer Sonde innerhalb der Flüssigkeit plus einer gewissen Streukapazität ist. Der Kondensator Cr bildet die erforderliche Bezugskapazität und in einigen Fällen kann er ganz einfach aus der Streukapazität in der Schaltung bestehen, vorausgesetzt, daß die Schaltungselemente in geeigneter Weise ausgewählt bzw. bemessen werden. Es kann festgestellt werden, daß der Wert der Streukapazität beispielsweise in einem Kraftfahrzeug im Vergleich mit der Kapazität der Sonde relativ hoch ist, wenn die Sonde trocken ist. Der Wert der Kapazität Cr wird in geeigneter Weise so gewählt, daß er gleich dem Wert der Kapazität Cp ist, wenn sich die Sonde im trockenen Zustand befindet und die beiden Kondensatoren sind vorzugsweise in der gleichen Stellung in einem Kraftfahrzeug angeordnet, so daß die Klemmenkapazitäten und die Kapazitäten der beiden Kondensatoren mit den Leitungen' zur Erde gleich sein sollen,.

Um ein Maximum von Anzeigegenauigkeit der Anzeigeschaltung zu erhalten ist es wesentlich, daß die Ausgangsspannung der Brückenschaltung unabhängig von Streukapaaltät ist und nur abhängig von der Änderung der Kapazität Cp sein SoIl₅ so dal- ©ine wesentlich© Ausgangsspannung erhalten wird_p sobald die Sonde iron der Flüssigkeit benetzt wird. Die Brücke _s die in Fig. 2 dargestellt ist, besitzt Eingangsklemmen 21, 22 une Aus-.:angsk Hemmen 25, 2-4 und es

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wird angenommen, daß die Bingangsfrequenz gleich ¥ ist. Der Wert des Widerstandes RIO ist R . Die Ströme_ff die durch den Widerstand RIO und Rl? fließen sind Ip und Ir und die Potentiale an den Klemmen 23, 24 sind entsprechend E2 und El. Ausgehend von stabilen Zuständen und angenommen,, daß der Kondensator Cp sich von dem Wert Cp auf den Wert Gp + ΔΟρ erhöht, ergibt sich hierdurch ein Spannungsunterschied ΔΕ an den Klemmen 2J_S 24.

Die Gleichung lautet:

ΔΞ - El - E2

und es ist erwünscht, unabhängig von dem Wert

Die Empfindlichkeit der Brücke ist

diese Empfindlichkeit im wesentlichen Cp zu machen.

Es kann festgestellt werden, daß

El = Ir = eine Konstante ist, da Cr konstant ist

- I

Angenommen, daß die angelegte Spannung ¥ ist, dann ist nach dem Ohm'sehen Gesetz

-5- J.

Wird für I" d@i? Ausdruck fite³ 12 ersetzt

lAjrf, S3

A -T

Dq	Mil biJjl	Δ_Ε = -
Λ	Qp dii	ACp

werden beide Selten durch in Grenzen₅ in denen

dCp

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E2 —ηρ> O

Durch Differentiation de§ Ausdrucks von E2 mit Bezug auf Cp erhält man

dE2 = -YjWR

dCp (X + jWCpR)²

Durch Umformen und .Ersetzen erhält man

dCp (1 - W²Cp²R²) +2JWCpR Multiplizieren von oben und unten mit (-j) ergibt

dE = WR · '

dCp 2WGpR + J (W²Cp²R² - 1)

Um einen Ausdruck für die Empfindlichkeit zu erhalten, muß nur die Größe des Ausdrucks berücksichtigt werden. Der Ausdruck hat die Gestalt

dessen Größe ist

ΎΒ2" +C2 Auf diese Weise erhält man S = VWR

(W²Cp² I Ϊ7²"

S = VWR

^2 P ? 1 + W Cp R

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Aus dem Ausdruck ist zu ersehen, daß die Brücke im wesentlichen unabhängig von der Streukapazität gemacht werden kann, vorausgesetzt, daß die Gleichung

W²Cp²R² «. 1
erfüllt ist.

Bei einer typischen Anordnung genügt es sicherzustellen;, daß der Ausdruck "W Cp R weniger als 1 % des Nenners beträgt« In der Praxis können die Werte W und Cp nicht in einfacher Weise geändert werden. Indessen stellt die Auswahl des Wider-Standes R keinerlei Schwierigkeiten dar. Auf diese Weise wird bei einem Beispiel mit W = 400 kHz und Cp = 250 PF die 1 $ige Forderung einfach dadurch erfüllt, daß der Widerstand R nicht größer als 1000 Ohm betragen darf. Bei Verwendung einer solchen Brückenschaltung ergeben gleiche Änderungen in den Werten von Cp und Cr, die von Streukapazitäten herrühren, keine Änderung der Empfindlichkeit der Brücke. Auf diese V/eise, falls die . beschriebene Anordnung in einer größeren Stückzahl hergestellt und in verschiedenen Straßenfahrzeugen installiert wird, bewirken die unvermeidbaren Änderungen der Streukapazität von Kraftfahrzeug zu Kraftfahrzeug keine Beanstandung in der Wirkungsweise der Anzeigeschaltung.

Der Ausgang aus der Brückenschaltung wird mittels zweier langgestreckter Transistoren Τβ, T7 verstärkt, wobei die Verstärkung in dieser Stufe durch das Verhältnis der Widerstände Rl6 und R17 und durch das Verhältnis der Widerstände RIl und Rl^ bestimmt wird. Ein Ausgang aus dem Transistor T8 wird nur dann erhalten, wenn die Kollektoren der Transistoren To und T7 sich in der Spannung um einen vorbestimmten Wert unterscheiden^ der durch das Verhältnis der Widerstände RIl und Rl6 bestimmt wird. Die Diode Dl kompensiert den Basis-Emitter-Spannungsabfall des Transistors T8 und stellt sicher, daß die erforderliche Spannungsdifferenz bei Änderung der Temperatur konstant bleibt. Der Widerstand R12 erzeugt eine Emitter-Nachlaufwirkung für den

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Transistor Τ8. Auf diese Weise muß sich die Kapazität der Sonde um"einen vorbestimmten feststehenden Betrag ändern, bevor ein Ausgangssignal gegeben wird und aufgrund dieser Tatsache kann der Bezugskondensator Cr auch von einer Streukapazität gebildet werden.

Falls sich im Betrieb die Versorgungsspannung erhöht, erhöht sich die Ausgangsspannung des Oszillators, jedoch diese Erhöhung der Ausgangsspannung wird durch die Erhöhung der Umkehrspannung kompensiert, die an den Transistor Τ8 über die Widerstände Rl6 und RIl angelegt wird. Dieses Merkmal stellt sicher, daß die Schaltung in einem breiten Bereich von Eingangsspannungen aus den Leitungen 11 und 12 einwandfrei arbeitet. Die Ausgangsspannung aus dem Transistor T8 wird mittels des Transistors T9 verstärkt.

Die Diode D2 und der Kondensator C2 dienen nur zum Glätten der hochfrequenten Impulsdurchgänge des Transistors T9 und zum Erzeugen eines Gleichspannungsspiegels für den Transistor TlO, der ein verstärktes Signal zur nächsten Stufe liefert.

Der Rückzündstromkreis ist ein bistabiler Multivibrator, bei dem entweder der Transistor TIl oder der Transistor T12 sich im leitenden Zustand befindet, in Abhängigkeit von der Höhe der Spannung am Emitter des Transistors JO. Wenn keine Aüsgangsspannung aus dem Transistor T8 vorliegt, ist die Spannung an dem Emitter des Transistors TlO gleich Null und der Transistor TIl ist abgeschaltet, so daß der Transistor T12 sich im leitenden Zustande befindet.

Die Ausgangsstufe besteht einfach aus einem Transistor T1J5* der, wenn sich der Transistor T12 im leitenden Zustande befindet, mit einem Basisstrom versehen wird'und so in den leitenden Zustand gelangt. Hierbei wird der Transistor Tl4 eingeschaltet und die Kontrolleuchte W leuchtet auf. Wenn indessen der Transistor Τ8 einen Ausgangsimpuls liefert, ändert sich der Spannungsspiegel an dem Emitter des Transistors TlO so, daß der Tran-

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sistor TIl eingeschaltet wird und die Transistoren T12*
Tl4 abgeschaltet werden, so daß die Kontrolleuchte erlischt.
Der Zweck des Rückzündstromkreises besteht darin, daß sichergestellt wird, daß der Transistor Tl4 sich immer entweder in
seinem voll leitenden oder in seinem voll abgeschalteten Zustande befindet und somit keine wesentliche Energie verloren geht,

Es kann selbstverständlich festgestellt werden, daß die Schaltung in einer Anzahl von Ausführungen angeordnet werden kann, um die erforderliche Warnung unter verschiedenen Bedingungen zu geben₅ beispielsweise kann die Brücke mit einer abgedeckten Sonde ausgeglichen werden, wobei in diesem Falüe eine Umkehrstufe eingeschaltet werden muß.

Falls es erforderlich ist, kann die Sonde und die Anzeigeschaltung in einem geschlossenen System angeordnet werden, wobei eine Korrektur bei den sich ändernden Parametern gemacht werden muß.

Der Oszillator kann auch zur Speisung einer Mehrzahl von Stromkreisen verwendet werden, so daß eine Anzahl von verschiedenen Anzeigen gegeben wird. Auf diese Weise kann in einem Kraftfahrzeug der Flüssigkeitsspiegel in verschiedenen Behältern
mit einem einzigen Oszillator überwacht werden.

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Claims

Patentansorüche:

(l.j Anzeigeschaltung mit einer kapazitiven Sonde, die eine ^s*- Brückenschaltung enthält, in deren erstem Zweig ein erster Widerstand (R) in Reihe mit einer unbekannten Kapazität (Cp) geschaltet ist, die beträchtlich abfällt, wenn ein Parameter angezeigt wird und in deren zweitem Zweig ein zweiter Widerstand in Reihe mit einer Bezugskapazitat (Cr) liegt und die Anzeigeschaltung eine Einrichtung enthält, die eine Frequenz (W) an die Brücke liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte für (R, Cp und W) derart gewählt sind, daß die Gleichung W²· Cp²»R² <*C 1 erfüllt wird.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang der Brückenschaltung zwei langgestreckte Transistoren (Τ6, T7) derart liegen, daß deren Basen an den Ausgangsklemmen der Brückenschaltung angeschlossen sind und deren im Kollektorstromkreis liegende Widerstände (RIl, Rl6) derart gewählt sind, daß die unbekannte Kapazität (Cp). sich erst um einen vorbestimmten, feststehenden Wert ändert, bevor eine Anzeige gegeben wird.
3* Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß' die zwei langgestreckten Transistoren (Τβ, Τ7) einen weiteren Transistor (T8) steuern, in dessen Basis-Emitter-Stromkreis eine Diode (Dl) geschaltet ist, die zur Kompensation der Temperatur dient.
4. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugskapazität (Cr) durch die Streukapazität gebildet wird.

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5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis K, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Eingang zur Brückenschaltung ein Oszillator (Tl, T2, Cl) liegt, der Energie auch an mehrere weitere Brückenschaltungen liefert.

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