DE19850290A1 - Circuit for linear capacitive measurement circuit, e.g. for distance or level sensor, has comparator which compares output of rectifier with reference voltage - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur linearen kapazitiven Messung einer eine Kapazität beeinflussenden, veränderlichen Größe, bei der ein linearer Wechselspannungsverstärker eingangsseitig über ein abgeschirmtes Kabel mit einer ersten abgeschirmten Elektrode und ausgangsseitig mit einem Gleichrichter verbunden ist, welcher über eine Zwischenstufe mit einem Steuereingang eines steuerbaren Wechselspannungsgenerators gekoppelt ist, dessen Ausgangssignal einer Gegenelektrode zur ersten Elektrode zugeführt ist, sowie mit einer Signalauswerteeinrichtung.The invention relates to a circuit arrangement for linear capacitive measurement of a variable influencing a capacity, in which a linear AC voltage amplifier on the input side via a shielded cable a first shielded electrode and on the output side with a rectifier which is connected via an intermediate stage to a control input of a controllable AC voltage generator is coupled, its output signal a counter electrode is supplied to the first electrode, and with a Signal evaluation device.
In dem Aufsatz von E. Böhmer: "Der Plattenkondensator als linearer Weggeber", veröffentlicht in meßtechnik 5/73, Seite 156 wird die hyperbolische Abhängigkeit der Kondensatorspannung vom Abstand der Kondensatorplatten durch zusätzliche Maßnahmen in der Weise fast linear gemacht, daß sich mit zunehmendem Abstand die Spannung erniedrigt. Abgesehen davon, daß sich mit größer werdendem Abstand auch die Spannung erhöhen sollte, sind die dort empfohlenen Maßnahmen sehr aufwendig.In the article by E. Böhmer: "The plate capacitor as a linear displacement sensor", published in metrology 5/73, page 156, the hyperbolic dependency the capacitor voltage from the distance between the capacitor plates by additional Measures made almost linear in such a way that with increasing distance the tension lowers. Apart from the fact that with increasing Distance should also increase the voltage, are the measures recommended there very complex.
In der Schrift DE-A-195 28 384 ist eine kapazitive Meßeinrichtung zur kontinuierlichen Standregelung für Medien unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten beschrieben, bei der ein von einer Meßelektrode abgenommenes Signal nach Verstärkung und Gleichrichtung einem Regelverstärker zugeführt wird, der die Amplitude eines ausgangsseitig mit der anderen Elektrode verbundenen Generators entsprechend der Dielektrizitätskonstanten des Füllgutes zwischen den Elektroden steuert. Der Meßelektrode ist dabei eine Schirmelektrode zugeordnet.In the document DE-A-195 28 384 a capacitive measuring device for continuous level control for different media Dielectric constant described in which one of a measuring electrode decreased signal after amplification and rectification one Control amplifier is supplied, the amplitude of an output side with the other electrode connected generator according to the Dielectric constant of the product between the electrodes controls. The A shield electrode is assigned to the measuring electrode.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Schaltungsanordnung zu vereinfachen.In contrast, the invention is based on the object mentioned Simplify circuitry.
Bei der eingangs genannten Schaltungsanordnung ist dazu vorgesehen, daß die Abschirmung der ersten Elektrode direkt und der Eingang des Wechselspannungsverstärkers niederohmig mit Bezugspotential verbunden sind, daß die Zwischenstufe einen Vergleicher aufweist, der die Ausgangsspannung des Gleichrichters mit einer Referenzspannung vergleicht und daß die Signalauswerteeinrichtung mit dem Wechselspannungsgenerator-Ausgang verbunden ist. Damit eignet sich die Erfindung zur Erfassung des veränderlichen Abstandes der Elektroden oder einer veränderlichen Dielektrizitätskonstanten zwischen den Elektroden. Bei der Erfindung erweist sich die Generator- Ausgangsspannung als direkt proportional zum Abstand zwischen erster Elektrode und Gegenelektrode sowie umgekehrt proportional zu Veränderungen der Dielektrizitätskonstanten zwischen den Elektroden. Die Generator- Ausgangsspannung kann daher in der Signalauswerteeinrichtung als Maß für den genannten Abstand verwendet werden, der je nach Auslegung der einzelnen Schaltungskomponenten bis zu 20 cm oder auch wesentlich mehr betragen kann. Dabei schaltet die niederohmige Ankopplung des Verstärker-Eingangs an Bezugspotential den Einfluß von parasitären Kapazitäten praktisch vollständig aus, weil ihr Anteil je nach der gewählten Betriebsfrequenz im Bereich unterhalb Megahertz unter etwa 1% des Wertes des Ohmschen Widerstandes liegt. Damit haben Änderungen der parasitären Kapazitäten nur einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Stabilität der Messung. Dies gilt besonders dann, wenn in Weiterbildung der Erfindung die steuerbare Größe des Generators die Amplitude dessen Ausgangssignals ist.In the circuit arrangement mentioned at the outset, it is provided that the Shielding the first electrode directly and the input of the AC amplifiers are connected to the reference potential with low resistance, that the intermediate stage has a comparator that the output voltage of Rectifier with a reference voltage and compares that Signal evaluation device with the AC voltage output connected is. The invention is therefore suitable for detecting the variable Distance of the electrodes or a variable dielectric constant between the electrodes. In the invention, the generator Output voltage as directly proportional to the distance between the first electrode and counter electrode and inversely proportional to changes in Dielectric constant between the electrodes. The generator Output voltage can therefore be used in the signal evaluation device as a measure of the mentioned distance can be used, depending on the design of each Circuit components can be up to 20 cm or much more. The low-impedance coupling of the amplifier input switches on Reference potential practically completely excludes the influence of parasitic capacitances, because their share depends on the selected operating frequency in the range below Megahertz is below about 1% of the value of the ohmic resistance. In order to changes in the parasitic capacities have only a negligible Influence on the stability of the measurement. This is especially true if in Further development of the invention, the controllable size of the generator, the amplitude whose output signal is.
Vorteilhafterweise wird als Gleichrichter ein Präzisionsgleichter verwendet, der gewährleistet, daß bei einem Elektrodenabstand Null auch das Generatorausgangssignal zu Null wird. Damit erfordert die Erfindung bei ihrer Verwendung keinen Nullabgleich; sie kann damit beispielsweise für die genaue Bestimmung des Aufsetzpunktes eines Werkzeugs auf einem Werkstück benutzt werden.A precision rectifier is advantageously used as the rectifier, the ensures that with an electrode gap of zero that too Generator output signal becomes zero. The invention thus requires in its Use no zeroing; it can be used, for example, for the exact Determination of the point of contact of a tool on a workpiece used become.
Das Referenz-Spannungssignal wird zweckmäßig so gewählt, daß bei maximal zu erfassendem Abstand die Proportionalität des Generator-Ausgangssignals noch gewahrt ist. The reference voltage signal is expediently chosen so that at maximum distance, the proportionality of the generator output signal is preserved.
Die Erfindung wird nachstehend anhand des in dem beigefügten Blockschaltbild dargestellten Ausführungsbeispiels im einzelnen beschrieben.The invention is described below with reference to the block diagram attached illustrated embodiment described in detail.
An die im Ganzen mit 1 bezeichnete Schaltungsanordnung ist ausgangsseitig eine Signalauswerteeinrichtung 3 angeschlossen. Eingangsseitig weist sie einen Kondensator 2 mit einer ersten Elektrode 22 und einer dieser mit Abstand d gegenüber angeordneten im wesentlichen parallelen Gegenelektrode 24 auf. Die Gegenelektrode 24 ist in ihrer flächigen Ausdehnung nicht beschränkt, sie kann beispielsweise einen relativ zur ersten Elektrode 22 stark ausgedehnten Flüssigkeitsspiegel einer elektrisch gut leitfähigen Masse, wie etwa geschmolzenes Metall besitzen. Die erste Elektrode 22 ist bis auf ihre der Gegenelektrode gegenüberliegende Fläche allseits von einer Schirmelektrode 26 umgeben, die auf Bezugspotential, hier Masse, ebenso liegt wie eine allfällig vorhandene entsprechende Schirmelektrode 28 um die Gegenelektrode 24 herum. Bei "unendlicher" Ausdehnung der Gegenelektrode kann die Schirmelektrode 28 entfallen. Sie sollte nur dann vorgesehen sein, wenn beide Elektroden 22 und 24 ungefähr gleiche Abmessungen haben. Dann ergibt sich eine ausgezeichnete Linearität der Messung für d. Beispielsweise ist die erste Elektrode 22 eine metallische Beschichtung einer aus nichtleitendem Werkstoff bestehenden Platte, deren Rückseite die Schirmelektrode 26 trägt.A signal evaluation device 3 is connected on the output side to the circuit arrangement generally designated 1 . On the input side, it has a capacitor 2 with a first electrode 22 and an essentially parallel counterelectrode 24 arranged at a distance d from it. The counterelectrode 24 is not restricted in terms of its areal extent; for example, it can have a liquid level of an electrically highly conductive mass, such as molten metal, which is greatly expanded relative to the first electrode 22 . Except for its surface opposite the counter electrode, the first electrode 22 is surrounded on all sides by a shield electrode 26 , which is at reference potential, here ground, as well as any corresponding shield electrode 28 around the counter electrode 24 . If the counterelectrode is "infinite", the shielding electrode 28 can be omitted. It should only be provided if both electrodes 22 and 24 have approximately the same dimensions. Then there is an excellent linearity of the measurement for d. For example, the first electrode 22 is a metallic coating of a plate made of non-conductive material, the back of which bears the shield electrode 26 .
Die erste Elektrode 22 ist mit der Seele 25 eines Koaxialkabels verbunden, dessen Abschirmung 27 ebenfalls auf Bezugspotential liegt. Die Seele 25 ist einerseits mit dem Eingang eines linearen Wechselspannungsverstärkers 30, hiernach kurz Verstärker genannt, und andererseits über einen Ohmschen Widerstand 32 mit Bezugspotential verbunden. Der Wert des Widerstandes 32 liegt in der Größenordnung von 1 kΩ oder darunter und ist daher als niederohmig zu bezeichnen. Er ist jedenfalls sehr viel kleiner als der Wert der parasitären, gestrichelt angedeuteten Scheinkapazität 29, die im wesentlichen durch die Kapazität zwischen der Abschirmung 26 und der ersten Elektrode 22 unvermeidlich verursacht ist. Sie beträgt unter den erwähnten Betriebsbedingungen der Schaltungsanordnung etwa 1% des genannten Wertes oder weniger. Die Ausgangsleitung 34 aus dem Verstärker 30 führt zu einem Eingang eines Präzisions-Gleichrichters 36, der für seine gleichrichtende Funktion keine Schwellenspannung benötigt.The first electrode 22 is connected to the core 25 of a coaxial cable, the shield 27 of which is also at reference potential. The core 25 is connected on the one hand to the input of a linear AC voltage amplifier 30 , hereinafter referred to as amplifier, and on the other hand via an ohmic resistor 32 with reference potential. The value of the resistor 32 is of the order of 1 kΩ or less and can therefore be described as low-resistance. In any case, it is very much smaller than the value of the parasitic apparent capacitance 29 , indicated by broken lines, which is essentially inevitably caused by the capacitance between the shield 26 and the first electrode 22 . Under the operating conditions of the circuit arrangement mentioned, it is approximately 1% of the stated value or less. The output line 34 from the amplifier 30 leads to an input of a precision rectifier 36 which does not require a threshold voltage for its rectifying function.
Die Ausgangssignalleitung 38 aus dem Präzisionsgleichrichter 36 führt zu einem ersten Eingang 41 eines Komparators 40, an dessem zweiten Eingang 43 eine Referenzspannung anliegt. Der Komparator 40 vergleicht die Spannungen auf den Eingängen 41 und 43 und gibt ein vom Vergleichsergebnis abhängiges Steuersignal auf seine Ausgangsleitung 45, die zu dem Steuereingang eines Wechselspannungsgenerators 46, nachfolgend Generator genannt, führt. Der Generator 46 erzeugt eine Wechselspannung im Frequenzbereich zwischen Niederfrequenz (NF) und etwa 1 MHz. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Amplitude dieser Wechselspannung, in einer anderen Ausführungsform ist die Frequenz dieser Wechselspannung unter dem Einfluß des am Eingang 45 aufgenommenen Steuersignals steuerbar. Der Ausgangsanschluß 50 des Generators 46 steht über eine Leitung 48 mit der Gegenelektrode 24 in Verbindung.The output signal line 38 from the precision rectifier 36 leads to a first input 41 of a comparator 40 , at whose second input 43 a reference voltage is present. The comparator 40 compares the voltages at the inputs 41 and 43 and sends a control signal, which is dependent on the comparison result, to its output line 45 , which leads to the control input of an AC voltage generator 46 , hereinafter referred to as a generator. The generator 46 generates an AC voltage in the frequency range between low frequency (NF) and approximately 1 MHz. In one embodiment of the invention, the amplitude of this AC voltage is controllable, in another embodiment the frequency of this AC voltage can be controlled under the influence of the control signal received at input 45 . The output terminal 50 of the generator 46 is connected to the counter electrode 24 via a line 48 .
Im Betrieb der beschriebenen Schaltungsanordnung ist somit das Ausgangssignal am Ausgangsanschluß 50 direkt proportional dem Abstand d und insbesondere Null, wenn auch d Null beträgt. Daher kann an den Ausgangsanschluß 50 wie dargestellt eine Signalauswerteeinrichtung 3 angeschlossen werden, die zweckmäßig aus einer Reihenschaltung eines weiteren Präzisionsgleichrichters 52 und einem Signalformer 54 gegebenenfalls mit Anzeigeeinrichtung bestehen kann. Die beschriebene Schaltungsanordnung kann dabei insbesondere durch Wahl der Referenzspannung so ausgelegt werden, daß an der Anzeigeeinrichtung zum Beispiel eine Spannung von etwa 1 V pro Millimeter Abstand d auftritt, beziehungsweise eine einfache zahlenmäßige Beziehung zwischen Ausgangsspannung und Abstand entsteht.In operation of the circuit arrangement described, the output signal at the output terminal 50 is thus directly proportional to the distance d and in particular zero, even if d is zero. Therefore, as shown, a signal evaluation device 3 can be connected to the output connection 50 , which can expediently consist of a series connection of a further precision rectifier 52 and a signal shaper 54, optionally with a display device. The circuit arrangement described can be designed, in particular, by selecting the reference voltage so that, for example, a voltage of approximately 1 V per millimeter distance d occurs on the display device, or a simple numerical relationship between output voltage and distance arises.
Erzeugt der Generators 46 wie erläutert eine sinusförmige Spannung, kann die Auswerteeinrichtung rein ohm'sch an den Ausgangsanschluß 50 angeschlossen werden. Ist die erzeugte Spannung nicht sinusförmig sondern beispielsweise impulsförmig, empfiehlt sich die Zwischenschaltung eines kapazitiven Widerstands, der nicht dargestellt ist.If, as explained, the generator 46 generates a sinusoidal voltage, the evaluation device can be connected to the output connection 50 in a purely ohmic manner. If the voltage generated is not sinusoidal but pulse-shaped, for example, the interposition of a capacitive resistor, which is not shown, is recommended.
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