DE3732756A1

DE3732756A1 - Schaltungsanordnung zur messung kleiner kapazitaetsdifferenzen

Info

Publication number: DE3732756A1
Application number: DE19873732756
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl Ing Schmucker; Frank Dipl Ing Assmann; Reinhard Dipl Ing Arend; Dietmar Dipl Ing Pensold; Wilfried Dipl Ing Westhus
Original assignee: WEINERT E MESSGERAETEWERK
Current assignee: WEINERT E MESSGERAETEWERK
Priority date: 1986-11-27
Filing date: 1987-09-29
Publication date: 1988-06-09
Also published as: GB8727453D0; GB2198247A

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung dient der kapazitiven Meßwertgewinnung und ist in der Prozeßmeßtechnik zur Messung nicht elektrischer Größen, insbesondere zur Winkelmessung mittels kapazitiver Sensoren verwendbar.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Von H. Hoffrichter wird in Rundfunk/Fernsehen/Elektronik, Berlin 33 (1984), H. 11, S. 717 ein kapazitiver Meß wandler beschrieben, wobei eine kapazitive Brücken schaltung, die mit einem periodischen Signal ge speist wird, verwendet wird.

Die Meßkapazitäten sind Bestandteil der Brückenschal tung, deren Brückendiagonalspannung bei Änderung der Meßkapazitäten ausgewertet wird. Nachteilig bei Brückenschaltungen sind die Notwendigkeit des Einsatzes eng tolerierter Bauelemente innerhalb der Brücke und die starke Temperaturdrift. Eine Anwendung bei stark wechselnden Umgebungstemperaturen ist daher nicht möglich.

In der DD-PS 1 86 873 wird eine Schaltungsanordnung zur kapazitiven Meßwertgewinnung beschrieben, die aus zwei über je eine Stromquelle aufladbaren und über je einen parallel geschalteten Transistor entladbaren Meßkapazitäten besteht. Dabei wird jeweils eine Meß kapazität bis zum Erreichen einer Triggerschwelle auf geladen, während die andere Meßkapazität durch einen Transistor kurzgeschlossen ist. Bei Erreichen der Triggerschwelle wird die zuvor aufgeladene Meßkapazität kurzgeschlossen und die andere Meßkapazität aufgeladen, so daß am Ausgang der Anordnung eine Schwingung ent steht, deren Tastverhältnis proportional zur Kapazitäts differenz der beiden Meßkapazitäten ist.

Nachteilig bei dieser Anordnung ist die Temperatur drift, welche durch die Kollektor-Emitter-Sperrschicht kapazität der Schalttransistoren, die den Meßkapa zitäten parallel geschaltet sind, verursacht wird und insbesondere bei kleinen Meßkapazitätsänderungen große Meßwertverfälschungen hervorruft. Nachteilig ist weiterhin, daß zur Nullpunkteinstellung das Tast verhältnis von 1 : 1 am Ausgang der Anordnung nur mit relativ hohem Abgleichaufwand eingestellt werden kann, da die schaltungsbedingten unterschiedlichen Trigger schwellwerte der Komperatoren nur durch Abgleich der Stromquelle oder durch Einfügen von Abgleichkapa zitäten zu den Meßkapazitäten ausgeglichen werden können.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur kapazitiven Meßwertgewinnung zu schaffen, die bei einer hohen Meßgenauigkeit einen geringen Abgleichauf wand erfordert und gegen starke Umgebungstemperatur schwankungen unempfindlich ist. Der Meßfehler ist auch bei starken Umgebungstemperaturschwankungen minimal zu halten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Messung kleiner Kapazitäts differenzen zu schaffen, wobei zwei gegensinnig ver änderbare Meßkapazitäten jeweils mit einem Rechteck generator verbunden sind und deren Schwingfrequenzen beeinflussen. Am Ausgang der Schaltungsanordnung ent steht ein periodisches Ausgangssignal, dessen Tast verhältnis sich proportional zur Kapazitätsdifferenz der beiden Meßkapazitäten ändert.

Zur Nullpunkteinstellung soll ein einfach abgleich bares periodisches Ausgangssignal mit einem Tastver hältnis 1 : 1 erzeugt werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß jedem Rechteckgenerator 1, 2 ein voreinstellbarer Zähler 3, 4 nachgeschaltet ist und der Ausgang des ersten Zählers 3 mit dem Freigabeeingang des zweiten Rechteckgenerators 2 und dem Eingang eines Negators 5 verbunden ist. Der Ausgang des zweiten Zählers 4 ist an den Rückstelleingang des ersten Zählers 3 ge schaltet. Der das periodische Ausgangssignal führende Ausgang des Negators 5 ist mit dem Freigabe eingang des ersten Rechteckgenerators 1 und dem Rück stelleingang des zweiten Zählers 4 verbunden.

Entsprechend dem voreingestellten Wert am ersten Zähler 3 wird bis zum Erreichen des maximalen Zähler standes der zweite Rechteckgenerator 2 gesperrt. Bei Erreichen des maximalen Zählerstandes am ersten Zähler 3 wird der zweite Rechteckgenerator 2 freige geben, über den Negator 5 der zweite Zähler 4 zurück gesetzt und der erste Reckteckgenerator 1 gesperrt.

Erreicht nunmehr der zweite Zähler 4 seinen maximalen Zählerstand, wird der erste Zähler 3 vom Ausgangs signal des zweiten Zählers 4 zurückgesetzt, der zweite Rechteckgenerator 2 gesperrt und der erste Rechteckgenerator 1 freigegeben. Somit entsteht am Ausgang des Negators 5 ein periodisches Ausgangs signal, dessen Tastverhältnis proportional zur Änderung der Kapazitätsdifferenz der beiden Meßkapazitäten C 1 und C 2 ist. Durch die als Frequenzteiler geschalteten Zähler 3 und 4 wird die Auswertung mehrerer Meßzyklen möglich, wodurch eine hohe Meßgenauigkeit erreicht wird und die Nullpunkteinstellung durch entsprechende Einstellung des Zählerstandes auf einfache Art und Weise realisierbar ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand nachfolgendem Ausführungs beispiel näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt eine vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Zwei Meßkapazitäten C 1 und C 2, die durch einen kapa zitiven Winkelwertgeber gegensinnig verändert werden, sind als frequenzbestimmende Glieder mit je einem Rechteckgenerator 1, 2 verbunden. Am Ausgang der Rechteckgeneratoren 1, 2 ist jeweils ein als Frequenz teiler geschalteten Zähler 3 bzw. 4 angeordnet. Der Ausgang des ersten Zählers 3 ist mit dem Eingang eines Negators 5 und dem Freigabeeingang des zweiten Rechteckgenerators 2 verbunden. Entsprechend dem am ersten Zähler 3 voreingestellten Wert werden vom ersten Zähler 3 die Rechteckimpulse des Rechteck generators 1 bis zum Erreichen des maximalen Zähler standes gezählt. Beim Erreichen des maximalen Zähler standes am ersten Zähler 3 ändert dieser sein Aus gangspotential, womit der Rechteckgenerator 2 frei gegeben und gleichzeitig der Rechteckgenerator 1 über den Negator 5 gesperrt wird. Weiterhin wird der zweite Zähler 4 vom Ausgangssignal des Negators 5 zurückgesetzt. Erreicht der zweite Zähler 4 seinen maximalen Zählerstand wird vom Ausgang des zweiten Zählers 4 der erste Zähler 3 zurückgesetzt, wodurch der Rechteckgenerator 2 gesperrt und der Rechteckgenerator 1 über den Negator 5 freigegeben wird.

Somit entsteht am Ausgang des Negators 5 ein periodisches Ausgangssignal, dessen Abweichung vom Tastverhältnis 1 : 1 der Änderung der Kapazitätsdiffe renz zwischen den beiden Meßkapazitäten C 1, C 2 proportional ist.

Durch ein dem Negator 5 nachgeschalteten Tiefpaß 6 wird das periodische Ausgangssignal in eine analoge Größe umgewandelt, so daß am Ausgang des Tiefpasses 6 eine Gleichspannung meßbar ist, die der Größe der Änderung der Kapazitätsdifferenz zwischen den Meßkapa zitäten C 1, C 2 und damit der Größe des gemessenen Winkelwertes analog ist.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1, 2 Rechteckgenerator
3, 4 voreinstellbarer Zähler
5 Negator
6 Tiefpaß
C 1, C 2 gegensinnig veränderbare Meßkapazitäten

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Messung kleiner Kapazitäts differenzen, wobei zwei gegensinnig veränderbare Meßkapazitäten jeweils mit einem Rechteckgenerator verbunden sind und deren Schwingfrequenzen beein flussen, so daß am Ausgang der Schaltungsanordnung ein periodisches Ausgangssignal entsteht, dessen Tastverhältnis sich proportional zur Kapazitäts differenz der beiden Meßkapazitäten ändert, ge kennzeichnet dadurch, daß jedem Rechteckgenerator (1, 2) ein voreinstellbarer Zähler (3, 4) nachge schaltet ist, daß der Ausgang des ersten Zählers (3) mit dem Freigabeeingang des zweiten Rechteck generators (2) und dem Eingang eines Negators (5) verbunden ist, daß der Ausgang des zweiten Zählers (4) an den Rückstelleingang des ersten Zählers (3) geschaltet ist und daß der das periodische Ausgangs signals führende Ausgang des Negators (5) mit dem Freigabeeingang des ersten Rechteckgenerators (1) und dem Rückstelleingang des zweiten Zählers (4) verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung zur Messung kleiner Kapazitäts differenzen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß dem Negator (5) ein Tiefpaß (6) nachgeschaltet ist.