DE2912747C3

DE2912747C3 - 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: DE2912747C3
Application number: DE2912747A
Authority: DE
Inventors: 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: 1981-12-17
Also published as: DE2912747B2; FR2422172B1; GB2020044A; IT1119056B; DE2912747A1; US4290008A; FR2422172A1; GB2020044B; JPH0223833B2; IT7967705A0; JPS54133170A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie 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 Kapazi'it oder die Induktivität dieser Elemente gemessen wird, insbesondere wenn eine kontinuierliche Messung der Änderungen dieser Größen erforderlich ist, ist es sehr schwierig, Fehler auszuschließen. Diese 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 werden können.

Ein bekanntes Verf?hren (vgl. DE-AS 26 46 765) verwendet zur Messung von Reaktanzen einen Stromgenerator, der eine Ausgangsgröße abgibt, die eine in einem bestimmten Zeitintervall konstante Ableitung hat Eint Anzeigeeinheit ist nur während dieses Zeitintervalls mit einer Meßeinheit verbunden, so daß dadurch das Meßergebnis nicht durch die Zeitkonstante der Meßanordnung beeinflußt wird. Mit diesem Verfahren ist es jedoch nicht möglich, den Widerstand, die Kapazität und die Induktivität einer in einer

ίο Meßzelle vorhandenen Flüssigkeit einzeln und gleichzeitig zu messen.

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 der 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 funktionell Blockdiagramme zur Erläuterung der Signalübertragung und der arithmetischen Operationen und

F i g. 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 Fig. 1 ist ein spannungsgesteuerter Oszillator Gi gezeigt, der eine sinusförmige Ausgangsspannung durch einen Stromverstärker G^ an die Schaltung Gt liefe; t. Sodann sind die Eingangsspannung Ei und die Ausgangjspannung Ei der Schaltung G* beide sinusförmig und in einem stationären Zustand. Diese beiden sinusförmigen Signale werden durch Welletiumformer G-i und Gf, in Rechteckwellen umgewandelt und diese Rechtecksignale werden an einen Phasendetektor Gi

bo abgegeben, so daß °ine Gleichspannung proportional zu der Phasendifferenz zwischen der sinusförmigen Eingangsspannung Ei und der sinusförmigen Ausgangsspannung Eo an dessen Ausgang erzeugt wird. Diese Gleichspannung wird mit einer Bezugsspannung Vr \ an

fe5 einer Summierstufe SP] verglichen, und die resultierende Differenz wird djrch einen Differenz-Funktionsverstärker G\ verstärkt.

Der Oszillator Gi, der eine Vorspannung Vr 2 erhält,

die durch die Summierstufc 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 G₄ 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 funktioneile Verfahrensweise der Messung beschrieben, und danach wird das detaillierte Arbeitsprinzip erläutert. Nach der vorhergehenden Beschreibung wird die sinusförmige Ausgangsspannung En der Schaltung C₄ durch einen Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzer Gs in eine

Gleichspannung /-ι umgesetzt. Die Differenz zwischen der Gleichspannung ^/:i und einer Nullpunkt-Spannung

Vr i? wird über eine Summierstufe 5P₁ an einen Funktionsverstärker Gd angelegt. Die Ausgangsspannung des Funktionsverstärkers Cn wird in diesem Fall als eine die Leitfähigkeitskomponente darstellende .Signalspannung E'i abgegeben, die proportional zu dem Leitfähigkeitsanteil des Meßobjektes ist. Die Ausgangs-Gleichspannung ^! des Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzers Cs wird an einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer Go gegeben. Wenn ein Signal proportional zu dem Widerstandswert selbst benötigt wird, der umgekehrt proportional zu dem Leitfähigkeitswert ist, kann eine Periode 7", (in Fig. 1 am Ende einer gestrichelten Linie gezeigt) des sinusförmigen Ausgangssignals des .Spannungs-Frequenz-Umsetzers Gq ausgenutzt werden, da T₁ umgekehrt proportional zu E> ist. Das Ausgangssignal des Spannungs-Frequenz- _^

Umsetzers Gt wird einem Zähler G_]o zugeführt, um dessen Frequenz f_y zu zählen. Währenddessen wird die Periode des sinusförmigen Ausgangssignals des Verstärkers Gj. d. h. die Periode der sinusförmigen Eingangsspannung E_t an der Schaltung G₄ dazu ausgenutzt, um über einen Periodenumsetzer Gi₀ ein Signal entsprechend der Aufsteuerzeit 7", m (Torschaltung offen) für den Zähler Cn zu erzeugen. Daher arbeitet der Zähler Gn nicht nur als gewöhnlicher Zähler, sondern führt eine arithmetische Funktion, d. h. eine Multiplikation, durch, und sein dem Zählerstand entsprechendes Ausgangssignal Λ/wird unabhängig von einer Widerstandskomponente des Meßobjekts und proportional allehi 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-Analog-Umsetzer Gu umgesetzt und als der Kapazitätskomponenten entsprechende Signalausgangsspannung Ec abgegeben.

Als nächstes wird eine theoretische Erläuterung des Arbeitsprinzips der beschriebenen Schaltung gegeben: Der Teil von Fig. 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 Tund die Eingangsspannung /if/ in einem stationären Zustand sind. In diesem Fall wird H₁ geschrieben als

wobei I Ei | die Amplitude und o>, die Winkelfrequen/. der Eingangsspannung ist. Auch wird angenommen, daß die Verstärker As und /U ideale Verstärker sind. d. h.. daß folgende Bedingungen gelten:

Eingangsimpedanz
Verstärkung bei offenem Kreis
Phasenverhältnis

= 0

Dann kann man eine Übertragungsfunktion Kt für die Schaltung C₄ wie folgt formulieren:

(I)

wobei En die Ausgangsspannung und Rf der Rückkopplungswiderstand ist. Da der Phasenwinkel zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung der Schaltung C₄ gegeben ist durch:

β - tan 'ω, CR

(2)

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

(3)

Es ist daher ersichtlich, daß durch Messung von — und

l
—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 ω,, Cund /?sind wie folgt gegeben:

55

60 Kc =

Ko =

(■θ CC

Γ- θ cR

	C	R	RY
1 +	(O_x ■	C
	Iu_x	R	R)²
1 +		C
	ω_χ	C

1 + (ω, ■ C ■

(4)

(6)

Da die Gesamtabweichung άθ des Phasenwinkels θ definiert ist als:

„_ _, ,. . , ^. d0 = Km_x ■ άω_χ + Kc ■ dC + K_R ■ dR.

(1) Schaltungsaufbau der Schaltung G₄

mit dem Meßobjekt _{kann das} i_nkrement ΔΘ von θ unter Benutzung der F i g. 2 zeigt ein Beispiel für die Schaltung G₄ mit dem 65 Inkremente ω_τ, Δ C und AR von ω,, C und R wie folgt

Meßobjekt, welches durch eine Parallelschaltung einer geschrieben werden: Kapazität C und eines Widerstandes R ais Aquivaientschaltung dargestellt ist ΔΘ = Κω_χ ■ Δω_χ + Kc - Δ C + K_R ■ Δ R .

Unter der Bedingung des stationären Zustande* können dann die partiellen Differentialkoeffizicnten Kw₁. 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 Fig. 1 gezeigten Schaltung enthalten sind, sind die Zeitkonstanten der Schaltungsbestandteilc sehr klein, und die Totzeiten dieser Schaiiungseinheiten sind sehr kurz. Da die zeitliche Änderung des Signals sehr langsam vonstatten geht, können ferner alle Schaltungseinheiten als Schaltungseinheiten nullter Ordnung betrachtet werden.

Daher können die Übertragungsfunktionen aller

Schaltungseinheiten Gn (n = 1 13, mit Ausnahme

von η — 4) als Realkonstanten Kn (n — 1 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 Fig. 1 ist in Fig. 3 gezeigt. Zunächst wird definiert, daß die Spannung Vr \ die Steuergröße, d. h. die den Phasenwinkel einstellende

i" Spannung, ist, und daß die gesteuerte Variable ist. Kp repräsentiert K], K₂ und Kt inklusive, und Kw,, Kc 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:

<l„i A- A (■)) Kr ■ Κω, + KAV -Al + K₁₁ ■ AR)]

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

( - AV .1 ( + A„ A Ii = A O)₁ + A e_R)

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

A β .

Λ β -

+ Kp ■ K<o, ■ K-

D.

Αθ =

1 + F

η.

Bei sehr großen Werten von Fgilt:

ΛΘ = 0

(8)

Wenn der Wert Vr i- als Null angenommen wird, wird das den Leitfähigkeitsanteil darstellende Signal

Da Kp ■ AlW₁ · Κ? die Übertragungsfunktion F bei offenem Steuerkreis bedeutet, kann Δθ wie folgt geschrieben werden:

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 ΔΒ_Κ 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 f, des Spannungs-Frequenz-Umsetzers Ge und der Ausgang
des Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzers Gg, d. h.

der Leitfähigkeitsanteil des Signals ^ 1

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:

F = K · I F I /Q-M

^* 1 ^Λ8 I ^O ' * V^W

wobei j Eo \ die Amplitude des Ausgangssignals der Schaltung G» ist

45 F'\ dargestellt durch

A_n

(9-2)

und die Ausgangsfrequenz I] von G',, ist gegeben durch

(9-3)

(b) das Ausgangssignal des Periodenumsetzers Ci₀,
d. h. das Aufsteuerzeitsignal Γ, m

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:

T,

(10)

wobei T, die Periode des sinusförmigen Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators G? 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 χ

(!1-1)

50 wobei N der Zählerstand des Zählers C_n der A.-sgangsimpulse von G₉ während des Zeitintervalls des Aufsteuerzeitsignals T_x _]0 ist. In diesem Fall ist die Funktion des Zählers Gn die einer Multiplikationsschaltung, deren Eingangssignaie eine Frequenz und ein Zeitintervall darstellen, die durch die Gleichung 11-1 ausgedrückt wird.

Daher ist das Ausgangssignal des Digital-Analog-Umsetzers Gi 2, d. h. die den Kapazitätsanteil darstellende Signalspannung Fegegeben durch

Ec = K_n - K. (11-2)

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

(a) Beziehung zwischen dem Leitwert —und
dem entsprechenden Ausgangssignal^£ 4

65

9 10

Die Amplitude | E₀ \ der Ausgangsspannung Eo der so daß Gleichung 12-4 wie folgt geschrieben werden

Schaltung d kann wie folgt ausgedrückt werden: kann:

\E„\ = IÄ., ■ {-E,)\ E\ = K₁- R₁ ■ I /T,| sec<9„ ■ -J-. (12-5)

₌ 1/1 I V/

1L₊ γΛ « ί-ΐΛ·-| »ι

^Aus dieser Gleichung ergibt sich, daß bei einem geeignet vorgegebenen, festen Wert des Rückkopplungswiderstandes Rrdie Leitfähigkeitskomponente der

ι Ausgangssignalspannung ^i näherungsweise propor-

= R₁ · \E,\ ■ \\ + {„>_XR ■ C)¹ ■ -L _] ^R

tional zu dem Leitwert —ist, wenn die Amplitude der

(12 - I) *

Eingangsspannung Ei an der Schaltung Ga mit dem

Durch Substitution von | E₀ 1, wie er durch die i> Meßobjekt konstant gehalten wird,

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 \zi

E\ = Kf, · K_n · R, ■ I £,| [I + (o>_xR ■ cV · —, jedoch auch eine herkömmliche Maßnahme, den

* ^ -'ο Steuerkreis dadurch zu stabilisieren, daß mehr als eine

ι'αιι "rVifu

_un(j J_n die im stationären Zustand auftretende Abweichung

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

θ = tan ' ω, C ■ R ^ist·

(b) Beziehung zwischen der Kapazität und
ist, d. h., da dem Ausgangssignal £c

/ —=—pr-j- _ Ausgehend von der Gleichung 11-2 kann gezeigt

Vi +{ω_χκ C)- - secfcf, werden, daß £cnur proportional zu Cist. Die Erklärung

... .„. . . . , „, . , ,„ , . in hierfür wird im folgenden gegeben. Zunächst ergibt die

gilt (Gle.chung 2), w,rd aus Gle_IChung 12-2 folgen- _{Substitution von} Gleichung 11-1 in die Gleichung 11-2

^des- folgendes:

£", = K_% ■ K_n ■ R₁ ■ \E,\ see© · -L . ^Ec ⁼ ^¹² ' ^A " ^T'^w '

..- _,. Daraus ergibt sich mit Gleichung 10:

Selzt man r _ t- r ν τ

K₁ = Kg ■ K_n, ^ und ferner mit Gleichung 9-3:

.... Ec = K_n ■ K ■ E ι ■ Af₁₀ · T_x.

so ergibt sich: -^

I Diese kann mit Hilfe von Gleichung 9-1 wie folgt

E\ = K₁- Λ, · |£,| see© ■ — . (12-4) 4i umgeschrieben werden:

Wenn θοein Phasenwinkel im Gleichgewichtszustand Ec = K_]2 ■ K<t ■ Af₈ · | E_o\ ■ K_1n ■ T_x.
der Konstantwert-Steuerschaltung, d.h. an dem Zeit- (13-1)

punkt, an dem die gesteuerte Größe gleich groß wie die .

Steuergröße wird, so daß die Abweichung gleich Null 50 ^{woraus sich}' ^da
wird, dann kann der Phasenwinkel allgemein wie folgt

geschrieben werden: T_x = -—,

<y_t

θ = θ₀ + ΛΘ.

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 = AT₈ - K₉ ■ K₁₀ ■ K_n- ■ AV - I E,\ ■ Vl + (ω, R ■ C)¹' · -j- . (13-2)

ω_χ R

Wenn man schreibt:

K_s ■ Af₉ · Af|₀ · K_n = K_r ,

kann Gleichung 13 -2 umgeschrieben werden wie folgt:

Ec = k_c ■ — - R₁ \ EA ■ /I + («.. RQ² ■ —- . (13-2')

Il

Die rechte "!"site dieser Gleichung 13-2' kann wie folgt umgx:schrieben werden:

ι- τ

Ac- = 2»

R₁ ■ I £,| ■ ^- · C .

RC

«,. -R-C
Unter Benutzung der folgenden Beziehung:

= cosec©,

t/I + (ω_χ ■ R

—^!

<y_v RC

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

Ec = 2n ■ κ, ■ R₁ · IE/I · cosec 0 · C".

Wenn man daher ΔΘ-* 0 macht und die im stationären Zustand auftretende Abweichung gleich Null iiimini, kiiin cc schließlich wie foigt ausgedruckt werden:

Ec = 2 η ■ κ, ■ R₁ 1/7,I- cosec 0„ ■ C.

(13-3)

Da auf der rechten Seite von Gleichung 13-3 kein Term mit —vorkommt, ist ersichtlich, daß Ec unabhän-

gig vom Leitwert und damii nur proportional zur Kapazität C ist.

(6) Andere Ausführungen der Schaltung
mit dem Meßobjekt

Die vorhergehende Beschreibung bezieht sich auf den 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 anderen Meßobjekten ist der Aufbau der Schaltung mit derr 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 Fig.2B gezeigt, wobei das Meßobjekt du-ch gestrichelte Linien eingerahmt ist.

(b) Das Meßobjekt wird durch ein Ersatzschaltbild aus einer Parallelschaltung einer Induktivität /. ι>ηΗ 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 Fig. 2B bis 2D bezeichneten Fälle diskutiert. In diesen Fällen ist die Beziehung zwischen der Frequenzübertragungsfunktion Ki und dem Phasenwinkel des Meßobjektes in der folgenden Tabelle zusammengefaßt, wobei in der Zeile (O) der oben anhand von F i g. 2A beschriebene Fall zum Vergleich angegeben ist.

O)

i^{tM c}) ■"■

tan ' ω, C ■ R

2 A

i)
ü)
iü)

(R₊J,. ή -JL

-tan

tan

ω, CR

^R \

ω_χ L J

2B

2C

2D

In dieser Tabelle sind in der rechten Spalte die Nummern der entsprechenden Figuren angegeben. Durch Vergleich der Zusammenhänge von K* 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 Gg 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 Ga nicht erforderlich.

Aus dem Vorhergehenden ergibt sich, daß £ό 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 resoektive wie folit aneeseben:

Ki⁺^ ^c)

tan'w, CA.

Danach ist die Signalverarbeitung die gleiche wie bei dem in Zeile (i) der Tabelle gezeigten Fall. ι ο

Arbeitsweise des oben beschriebenen Beispiels

Zunächst werden die Bezugsspannungsquellen Vr \ and Vr₂ auf solche Werte eingestellt, daß die Phasendifferenz θ des Eingangssignals und des Aus- is gangssignals der Schaltung Gi, mit dem Meßobjekt auf einen bestimmten, voreingestellten Wert θο gebracht wird, der sich von 0° unterscheidet.

Dann wird die Frequenz -^- des spannungsgesteuer-

2/J

ten Oszii'ators G₂ automatisch durch die Wirkung der Konstant-Steuerschaltung so eingestellt, daß die Phasendifferenz auf den eingestellten Wert θο gebracht wird. Nach dieser Einstellung von θο arbeitet die Schaltung in der oben beschriebenen Weise, und der Digital-Analog-Umsetzer Gn gibt einen Wert an, der die Kapazität C anzeigt Wenn man den Nullpunkt durch Einstellen des variablen Widerstandes Vr u

einstellt, wird der Wert 1 , der den Kehrwert des

1

Widerstandes R darstellt, von dem Differenzverstärker G\j abgegeben.

F i g. 7 zeigt ein Beispiel für eine spezielle Schaltung der in F i g. 1 gezeigten Art, wobei A\ den Teilen SP\ und G\, A₂ dem Teil SP₂, VCO dem Teil G₂, A* dem Teil G₃, R, C, As und At dem Teil Gt, A_s dem Teil Ge und dem Teil PD und eine Schaltung LPF, die A\ umfaßt und durch eine gestrichelte Linie umrandet ist, dem Teil Gi, eine Schaltung AC-DC, die Au und Au in einer weiteren gestrichelten Linie umfaßt, dem Teil Gg, Aw und Au dem Teil G₅, D dem Teil G₁₀, A ,5 und V-F dem Teil G₉, CT dem Teil Gn, D-A und Am dem Teil Gn, sowie Au den Teilen SPj und Gn entsprechen. A3, At, A9 und Aw sind Pufferverstärker. Von dem Ausgang OUT, wird das der Kapazitätskomponente entsprechende Signal abgege- 4j ben, während von dem Ausgang OUT₂ das der Leitwertkomponente entsprechende Signal abgegeben wird. Ferner ist eine BezugsspannuVigsquelle 5 vorgesehen, um die Spannungen V_RU Vr₂, Vr,₅ und Vr _]7 zu liefern. Die Spannung Vr 15 ist eine Vorspannung für Am.

Eine experimentelle Schaltung der in Fig. 7 gezeigten Art hat ausgezeichnete Ergebnisse gezeigt

Einige Gesichtspunkte der oben beschriebene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfah rens können wie folgt zusammengefaßt werden:

(1) Der Phasenwinkel in der Frequenzübertragungs funktion einer Schaltung mit einem Meßobjek wird auf einem konstanten, vorgegebenen Wer gehalten.

(2) Um diesen Phasenwinkel konstant zu halten, win ein Detektor verwendet, der die Phasendifferen; zwischen dem Eingangssignal an die Schaltung mi dem Meßobjekt und dem Ausgangssignal diese Schaltung erfaßt Ein Oszillator mit variable Frequenz (spannungsgesteuert) wird durch da: resultierende Phasendifferenzsignal gesteuert unc liegt vor der Schaltung mit dem Meßobjekt Durcl diese Anordnung wird eine Konstantwert-Steuer schaltung geschaffen.

(3) Von der Konstantwert-Steuerschaltung wird da: Ausgangssignal der Schaltung mit dem Meßobjek abgenommen, und das resultierende Gleichspan nungssignal wird, wenn erforderlich, nach einen Differentialverstärker, als Signal für den Wider standswert oder seinen Kehrwert benutzt.

(4) In dem oben beschriebenen Fall ist es auch möglich das Signal für den Widerstandswert oder seiner Kehrwert dadurch abzunehmen, daß man entwedei die Periode oder die Frequenz des Ausgangssignal! eines Spannungs-Frequenz-Umsetzers oder eine; Spannungs-Perioden-Umsetzers mißt, der durcl· das erwähnte Gleichspannungssignal gesteueri wird.

(5) Das erwähnte Frequenzsignal wird durch einer Zähler gezählt, dessen Torschaltung durch da; Ausgangssignal von dem Oszillator mit variable: Frequenz oder durch ein Signal mit einer Frequen; gesteuert wird, die eine Unterresonanzfrequen; der vorgenannten Frequenz ist Das resultierende Zählerstandssignal wird weiter als der Kapazitäts komponenten oder der Induktivitätskomponenter entsprechendes Signal ausgenutzt, indem mar erforderlichenfalls einen Digital-Analog-Umsetzei einsetzt.

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

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

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

(a) eine Phasendifferenz zwischen der Phase eines Eingangssignals an der Meßschaltung (G₄) und der Phase eines Ausgangssignals der Meßschaltung (Gt) entsprechend dem Phasenwinkel in der Frequenz-Übertragungsfunktion der Meßschaltung (G₄) 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, und daß

(b) die vtn. einer Amplitude des Ausgangssignals 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 Meßschaitung (Ga) aus einem Verhältnis (Kt) von zwei Spannungen yebilde' /St.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingang} ignal von einem spannungsgesteuerten Oszillator (Gi) zugeführt wird, der ein Signal mit einer Frequenz entsprechend einer aus dem Phasendifferenzsignal abgeleiteten Spannung erzeugt.

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

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wert oder ein reziproker Wert einer Widerstandskomponente eines in der Meßschaltung (Gt) enthaltenen Meßobjektes dadurch bestimmt wird, daß Impulse erzeugt werden, deren Frequenz entsprechend dem Gleichspannungssignal bestimmt ist, das durch Gleichrichtung des Ausgangssignals der Meßschaltung (Gt) 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, welches durch die Gleichrichtung des Ausgangssignals der Schaltung (Gt) 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 induktiven Komponente eines Meßobjekts dadurch gemessen wird, daß Impulse, die durch das Gleichspa.nnungssignal gesteuert werden, welches durch Gleichrichtung des Ausgangssignals der Schaltung (Gt) erhalten wird, erzeugt werden, und daß diese Impulse in einem Zeitintervall, während dem eine entsprechende Torschaltung aussteuert ist, gezählt werden, wobei das Zeitintervall durch ein Signal gesteuert wird, welches von der Frequenz des Eingangssignals an die Schaltung (Gt) abhängt

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der resultierende Zählerstar-^J. in einen Analogwert umgewandelt wird.

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

(a) daß die Konstantwert-Steuerschaltuiig, durch die der Phasenwinkel in der Frequenz-Übertragungsfunktion der Meßschaltung (Gt) auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird, aufweist
(ai) eine Detektoreinrichtung, um die Phasendifferenz zwischen einem Ausgangssignal der Meßschaitung (Gt) und einem Eingangssignal der Meßschaltung (Gt) festzustellen und 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 (Gt) speist, und

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

(b2) 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 (Gt) einen Stromverstärker (/U) 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 Signalfrequenz 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 Detektoreinriehtung abgebbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen Verstärker, der das Phasendifferenzsignal sowie eine 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 spannungsgesteuerten 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 Ausgangssigiials 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 (Gt) 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 Ausgangsimpuise des Spannungs-Frequenzumsetzers oder des Spannungs-Periodenuinsetzers 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