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DE2529475A1 - Vorrichtung zum zeitabhaengigen messen physikalischer groessen - Google Patents

Vorrichtung zum zeitabhaengigen messen physikalischer groessen

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DE2529475A1
DE2529475A1 DE19752529475 DE2529475A DE2529475A1 DE 2529475 A1 DE2529475 A1 DE 2529475A1 DE 19752529475 DE19752529475 DE 19752529475 DE 2529475 A DE2529475 A DE 2529475A DE 2529475 A1 DE2529475 A1 DE 2529475A1
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HENNIG EWALD MAX CHRISTIAN
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Description

Patentanwälte DL-Ing. Willielm Äelcliel DipL-Ing. Wolfgang Mchel
6 Frankfurt a. M. 1
Parksfaaße 13
8209
Dr. Klaus Nicol, Frankfurt a.M., Deutschland und Ewald Max Christian Hennig, Maintal, Deutschland
Vorrichtung zum zeitabhängigen Messen physikalischer Größen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum zeitabhängigen Messen physikalischer Größen und der Verteilung dieser Größen im Raum oder in einer Fläche oder längs einer Linie mit einer Anordnung mindestens zweier elektronischer Einrichtungen, deren Ausgangsstrom durch die physikalischen Größen verändert wird.
Bei diesen bekannten Einrichtungen ist jedem elektronischen Bauelement entweder eine eigene Meßelektronik oder ein eigener Multiplexerkanal zugeordnet. Dies hat den Nachteil, daß bei einer großen Anzahl von Bauelementen der elektronische Aufwand sehr hoch wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei der die Anzahl der Multiplexerkanäle deutlich gegenüber der Anzahl der Bauelemente vermindert ist.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein elektrischer Spannungsgenerator vorgesehen ist, der mit dem Eingang eines Demultiplexers verbunden ist, von dem Jeder Ausgang mit einem ersten Anschluß von mindestens zwei elektronischen Einrichtungen, von denen jede mindestens zwei Anschlüsse aufweist, verbunden ist, daß durch die Einrichtung über einen der anderen Anschlüsse bei Anlegen einer Spannung an den einen Anschluß ein Strom fließt, der durch die zu messende physikalische Größe beeinflußbar ist, daß jeder Eingang eines Multiplexers mit den anderen Anschlüssen von mindestens zwei Einrichtungen verbunden ist und daß an den Ausgang des Multiplexers eine Einrichtung zur Speicherung und/oder Verarbeitung und/oder Darstellung des die Information über die physikalische Größe tragenden Signals angeschlossen ist.
Das Gerät weist im allgemeinen viele elektronische Einrichtungen - üblicherweise zweipolige Einrichtungen und deshalb im folgenden auch "Zweipole" genannt - auf, die über einen Demultiplexer mit Spannung versorgt und über einen Multiplexer mit einer Einrichtung zur Weiterverarbeitung verbunden werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird es in einfacher Weise möglich, physikalische Größen und deren Verteilung im Raum in einer Fläche oder auf einer Linie zu messen.
Durch die Zusammenfassung der Zweipole in der angegebenen Art in Gruppen erreicht man, daß die Kanalzahl von dem Multiplexer und Multiplexern wesentlich unter der Anzahl der Zweipole liegt.
Besitzen die Zweipole einen komplexen Widerstand Z*, so kann man z.B. über einen einfachen Spannungsteiler mit einem Festwiderstand R^, der wahlweise vor oder hinter dem Multiplexer angeordnet werden kann, Informationen über die zu messenden
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physikalischen Größen erhalten.
Ihre Verteilung läßt sich dadurch genügend genau messen, daß man die einzelnen Zweipole genügend klein ausbildet und genügend dicht anordnet.
Sind z.B. die Zweipole matrixförmig angeordnet, so werden die einen Zweipol-Anschlüsse reihenweise zusammengeschaltet und pro Reihe mit einem Demultiplexerkanal verbunden. Die anderen Anchlüsse werden spaltenweise zusammengefaßt und mit einem Meßwiderstand (Festwiderstand Rp) und mit einem Kanal des Demultiplexers verbunden. Auf diese Weise können mit a + b Kanälen a χ b Zweipole versorgt werden.
Durch Angabe des Demultiplexer- und des Multiplexerkanals läßt sich jeder Zweipol eindeutig kennzeichnen.
Fließt über die spaltenweise zusammengefaßten Anschlüsse Wechselstrom, so ist es besonders vorteilhaft, wenn jeweils zwischen diese Anschlüsse der Zweipole und die Eingänge des Multiplexers zum Meßwiderstand eine Einrichtung zum Gleichrichten, Sieben und Verstärken geschaltet wird und wenn man diese Einrichtung in unmittelbarer Nähe der Zweipole anordnet, um die störenden Einflüsse der Leitungskapazitäten auszuschalten.
Es besteht Gefahr, daß der Strom nicht nur über den gerade eingeschalteten Zweipol, sondern auch über eine Kette parallelgeschalteter Zweipole zum Multiplexer gelangt. Wenn man alle Ausgangsleitungen des Demultiplexers mit jeweils einem ohmschen Widerstand belastet, dessen Wert ver-
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gleichsweise klein ist, dann wird diesem störenden Einfluß begegnet.
Die Bestimmung der Raumverteilung spezieller physikalischer Größen wird dadurch ermöglicht, daß die elektronischen Einrichtungen als elektrische Bauelemente ausgebildet werden, deren Strom über den mit dem.Multiplexer verbundenen Anschluß in definierter Weise durch die zu messenden physikalischen Größen beeinflußt wird.
Beispielsweise können die Zweipole ausgebildet werden als Fühler für die Raumverteilung von
- Streckenlängen, wobei räumliche Anordnungen die Größe eines Widerstandswertes, einer Kapazität oder einer Induktivität ändern (Anwendung z.B. die Abtastung von Oberflächen)
- Druck, wobei der Druck die Größe eines Widerstandswertes, einer Kapazität oder einer Induktivität ändert. Insbesondere können Gadruck- (insbesondere Schalldruck -) Verteilungen mit Mikrofonanordnungen oder die Verteilung des Drucks unter unebenen oder beweglichen Körpern mit Anordnungen von Kondensatoren mit kompressiblen Dielektrikum oder mit Anordnungen von druckempfindlichem Widerstandsmaterial gemessen werden,
- Temperatur auf der Basis von temperaturempfindlichen Widerständen
- Licht auf der Basis von Fotowiderständen oder Fotodioden
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elektromagnetische Felder auf der Basis von Induktionsschleifen oder Hallgeneratoren
- elektrische Leitfähigkeit auf der Basis von Widerstandsänderungen von Leitungsstrecken
- Röntgen-Gamma-oder Korpuskelstrahlung durch Verwendung entsprechender Zweipole.
Insbesondere dient eine Ausführungsform der Erfindung dazu, Kräfte und Verteilungen von Kräften zu messen, die der menschliche Körper auf eine Unterlage ausübt.
Die Beschreibung der Bewegung des menschlichen Körpers in Raum und Zeit - eine der zentralen Aufgaben von Biologie, Medizin, Arbe.itswissenschaft und Sportwissenschaft - wird durch die Angabe
a) der Ortsveränderung von Körper bzw. Körperteilen und
b) der Kräfte, die diese Ortsveränderungen bewirken
geleistet. Ortsveränderungen sind zwar zum einen i?isuell beobachtbar und können zum anderen mit Hilfe der Fotografie einfach und billig registriert werden. Die Kräfte, die solche Ortsveränderungen bewirken, sind jedoch zum einen der direkten Beobachtung entzogen und zum anderen sind die bisher bekannten Kraftmeßgeräte für biologische Objekte vergleichsweise wenig leistungsfähig und aufwendig.
Die gebräuchlichsten bekannten Konstruktionen zur Bestimmung von großflächig angreifenden Kräften senkrecht auf eine kraftaufnehmende Oberfläche eines Meßwertaufnehmers sind die
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sogenannten "biomechanischen Meßplattformen", bei denen die Kräfte auf Metallplatten ausgeübt und von dort über meist vier Kraftaufnehmer auf DMS- oder Piezo-Basis auf die Bodenplatte übertragen werden. Diese Meßplattformen sind verhältnismäßig schwer und mehrere Zentimeter hoch, so daß sie für viele Anwendungen im Boden versenkt werden müssen. Sie sind starr und messen nur die Gesamtkraft, nicht aber deren Flächenverteilung.
Es ist bereits ein Gerät bekannt (DT-OS 2 345 551), bei dem eine druckempfindliche Kondensatoranordnung mit einem kompessiblen Dielektrikum zur Bestimmung mechanischer Größen an biologischen Objekten verwendet wird. Die druckempfindliche Kondensatoranordnung ist als einkanalig arbeitende Matte ausgebildet, mit deren Hilfe die Aktivität von Säuglingen überwacht wird. Eine Untersuchung der Wirkungsweise dieses Gerätes durch die Anmelder zeigt, daß die dabei erhaltenen Signale sich erstens von der Änderung der Gesamtkraft, die von der Beschleunigung von Körperteilen herrührt, und zweitens von der Minderung der Druckverteilung bei konstanter Gesamtkraft ableiten. Ein Nachteil dieser Anordnung ist es, daß man wegen der Vermischung dieser beiden Effekte mit ihr lediglich qualitative Aussagen über "Aktivitäten" aber keine quantitativen zur Kraft- und Druckverteilung über die Oberfläche der Matte erhalten kann. Das bekannte Gerät ist damit jedoch für eine eigentliche Kraftmessung nicht verwendbar.
Gemäß der Erfindung soll ein Gerät geschaffen werden, mit dem nicht nur Kräfte genau gemessen werden können, sondern mit dem sich auch die Kraftverteilung zuverlässig und in einfacher Weise ermitteln läßt.
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Hierzu werden die elektronischen Einrichtungen in der Anordnung nach Anspruch 1 als druckempfindliche Kondensatoren ausgebildet, zwischen deren Kondensatorplatten ein leicht kompressibler Nichtleiter als Dielektrikum angeordnet ist und deren Geometrie und deren Dielektrikum vorzugsweise so gewählt werden, daß die Dielektrizitätskonstante geteilt durch den Plattenabstand proportional der zu messenden Kraft ist. Die Auswert- und Anzeigeeinrichtungen lassen sich dann besonders einfach gestalten, da dann die Kapazitätsänderung eines Kondensators linear zur Kraft und unabhängig von der Kraftverteilung über die (evtl. biegsame) Plattenfläche ist.
Bei biegsamer Ausbildung des Dielektrikums und der Kondensatorplatten erhält man eine Anordnung, mit der es in einfacher Weise möglich ist, Kräfte und Kraftverteilungen zu messen und zwar auch dann, wenn die Messung auf unebenem und weichem Untergrund vorgenommen werden soll. Bei einer solchen Ausbildung ist der Meßwert aufnehmer leicht und wegen dieser Eigenschaften an die verschiedensten Meßaufgaben anzupassen.
Bei einer praktischen Ausführungsform bilden die Kondensatoren der Schaltung jeweils ein Glied eines mit Wechselstrom gespeisten R-C-Spannungsteilers, so daß die am Widerstand abgegriffene Spannung nach Gleichrichtung und Siebung die Kraft anzeigt. Diese Anordnung ermöglicht es, eine große Anzahl von Kondensatoren ohne großen schaltungstechnischen Aufwand zur Kraftmessung einzusetzen. Da außerdem die Kondensatoren sehr klein ausgebildet werden können, ist auf diese Weise die Bestimmung von Kraftverteilungen mit hoher Flächenauflösung möglich.
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Der mechanische Aufbau läßt sich besonders dadurch vereinfachen, daß statt einer Vielzahl von Kondensatorplatten die druckempfindlichen Kondensatoren auf einer Matte aus Natur-Naturkautschuk ausgebildet sind, indem deren Vorder-und Rückseite mit parallelen Streifen aus metallisierter Plastikfolie beklebt sind, wobei die Streifenrichtungen der beiden Seiten derart gewählt sind, daß sich die parallelen Streifen der einen Seite mit denen der anderen Seite schneiden. Die Verwendung von Naturkautschuk als Dielektrikum sichert eine weitgehende Einhaltung der Gleichung ¥· = a · K + b. Durch diese Anordnung ist es in einfacher Weise möglich, die Verteilung von Kräften, die senkrecht auf eine Oberfläche wirken, zu messen, und zwar insbesondere auch dann, wenn die Messung auf unebenem und weichem Untergrund vorgenommen werden soll. Der Meßwertaufnehmer ist bei dieser Ausbildung selbst besonders leicht und biegsam und hat nur eine geringe Bauhöhe, so daß er für viele Zwecke einsetzbar ist.
Wie bereits oben erwähnt, besteht bei einer Anordnung, die mit Wechselstrom betrieben wird, Gefahr, daß der Wechselstrom nicht nur über den gerade eingeschalteten Meßkondensator, sondern auch über eine Kette parallelgeschalteter Kondensatoren zum Multiplexer gelangt. Wenn man die Ausgangsleitungen des Demultiplexers mit jeweils einem ohmschen Widerstand belastet, dessen Wert klein ist gegenüber dem Scheinwiderstand eines Meßkondensators bei der Frequenz der Meßspannung, dann wird diesem störenden Effekt begegnet.
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Meßwiderstand und Gleichrichter werden vorzugsweise direkt auf der Matte angeordnet, da andernfalls die Kapazität der Zuleitungskabel die der Kondensatoren um ein Vielfaches übersteigt, was zu erheblichen Störungen führt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Einrichtung mit matrixartiger Anordnung der Kondensatoren,
Fig. 2 eine Einrichtung in streifenförmiger Ausbildung der Kondensatoren,
Fig. 3 eine Matte gemäß der Ausführungsform der Erfindung als Meßwertaufnehmer für Kräfte mit an der Vorder- und Rückseite angebrachten parallelen Streifen aus metallisierter Plastikfolie von oben gesehen und
Fig. 4 einen Schnitt durch die Matte nach Fig. 3, längs der Linie A-A in Fig. 3.
Bei der Einrichtung nach Fig. 1 wird ein Demultiplexer DM von einem Wechselspannungsgenerator SG gespeist. Die Ausgänge des Demultiplexers DM, die mit a,,, a^» ···» a^,..., am-^, am bezeichnet sind, sind zeilenweise mit jeweils den Anschlüssen 1 einer matrixförmigen Anordnung von Kondensatoren C·^» die zwei Kondensatorplatten aufweisen, verbunden. Ferner ist an jedem Ausgang a., - a^ ein ohmscher Widerstand R-j - Rm angeschlossen. Die Anschlüsse 2 der Kondensatoren Cik, die jeweils mit einer der Kondensatorplatten verbunden sind, sind spaltenweise mit Einrichtungen
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^) zum Gleichrichten, Sieben und Verstärken zusammengeschaltet. Jede Spaltenleitung ist wiederum über einen zweiten Widerstand eines Spannungsteilers R^ mit Masse verbunden. Die Ausgänge der Einrichtungen GS-^ sind mit den Eingängen b^, l>2t ···» fc^, •••Ϊ3 η_ι» ^n eines Multiplexers MX verbunden. Der Ausgang des Multiplexers ist mit einer Einrichtung SV zur Speicherung,Verarbeitung und Darstellung verbunden.
Die Kondensatoren C.^ werden der Reihe nach mit Hilfe des Demultiplexers DM und des Multiplexers MX abgetastet und der dabei fließende Strom wird beispielsweise durch einen bestimmten Helligkeitswert auf einer Sichteinrichtung wiedergegeben. Wenn sich der Grad der Einwirkung der zu messenden Kraft auf einen oder mehrere Kondensatoren ändert, wird sich entsprechend die Helligkeit in der Einrichtung zur Speicherung, Verarbeitung und Darstellung für das betreffende Feld ändern. Bei genügender Feinteilung des Meßwertaufnehmers lassen sich Verteilungen mit hoher Auflösung darstellen.
Andererseits können auf einem Vielfachdiagramm Kraft und Zeit dargestellt werden.
In Fig. 2 ist eine reihenförmige Kondensatoranordnung dargestellt, bei der einzelnen Kondensatoren zu Gruppen mit den gemeinsamen Anschlüssen a-, bis a^ zusammengefaßt sind. Die eine Kondensatorplatte der Kondensatoren jeder Gruppe ist mit je einem Ausgang des Demultiplexers verbunden, während die andere Platte jeweils des η-ten Kondensators jeder der Gruppen mit jeweils einem Eingang b,. bis b, des Multiplexers verbunden sind. Die Schaltung arbeitet im Prinzip genau so wie die in Fig. 1 dargestellte Schaltung. Es ist auch bei
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dieser Anordnung eine Abtastung der Kondensatoren mit einfachen Mitteln möglich.
In Fig. 3 ist eine Matte 1 dargestellt, auf deren Vorderseite sich metallisierte Plastikstreifen 2 und auf deren Rückseite sich metallisierte Plastikstreifen 3 befinden, die gestrichelt dargestellt sind. Die Matte ist zur Verdeutlichung noch einmal in Fig. 4 im Schnitt gezeigt, wobei der Streifen an der Vorderseite der Matte in seiner Längsrichtung geschnitten ist, während die Streifen an der Rückseite der Matte in ihrer Querrichtung geschnitten sind.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1.J Vorrichtung zum zeitabhängigen Messen von physikalischen Größen und der Verteilung dieser Größen im Raum oder in einer Fläche oder längs einer Linie mit einer Anordnung mindestens zweier elektronischer Einrichtungen, deren Ausgangsstrom durch die physikalischen Größen verändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Spannungsgenerator (SG) vorgesehen ist, der mit dem Eingang eines Demultiplexers (DM) verbunden ist, von dem jeder Ausgang (ä^) mit einem ersten Anschluß (1) der mindestens zwei elektronischen Einrichtungen (C^), von denen jede mindestens zwei Anschlüsse (1, 2) aufweist, verbunden ist, daß durch die Einrichtung (C-^) über einen der anderen Anschlüsse (2) bei Anlegen einer Spannung an den einen Anschluß (1) ein Strom fließt, der durch die zu messende physikalische Größe beeinflußbar ist, daß jeder Eingang (bk) eines Multiplexers (MX) mit den anderen Anschlüssen (2) von mindestens zwei Einrichtungen (C-y^) verbunden ist und daß an den Ausgang des Multiplexers (MX) eine Einrichtung (SV) zur Speicherung und/oder Verarbeitung und/oder Darstellung des die Information über die physikalische Größe tragenden Signals angeschlossen ist.
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    Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Ausgänge (a^) des Demultiplexers (DM) mit den Anschlüssen der elektronischen Einrichtungen (Cik) und die Eingänge (b.) des Multiplexers (MX) derart mit den anderen Anschlüssen der elektronischen Einrichtungen (Cik) verbunden sind, daß jeder Kondensator durch Angabe von i, k eindeutig bezeichnet ist.
    Vorrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Einrichtungen (C^) matrixförmig angeordnet sind.
    Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen den anderen Anschlüssen (2) der elektronischen Einrichtungen (Cik) und die Eingänge des Multiplexers (MX) eine Einrichtung (GSj5.) zur Verstärkung und/oder Gleichrichtung und/oder Siebung geschaltet ist.
    Vorrichtung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Einrichtungen (GS^) zur Verstärkung und/oder Gleichrichtung und/oder Siebung vollständig oder teilweise unmittelbar bei den elektronischen Einrichtungen (Cik) angeordnet sind.
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    6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgang des Demultiplexers (DM) und der Schaltungserde ohmsche Widerstände (R^) angeordnet sind, deren Widerstandswert klein ist gegenüber dem Scheinwiderstand eines Kondensators bei der Frequenz des Wechselspannungsgenerators (SG).
    7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Einrichtungen als druckempfindliche Kondensatoren (C^) ausgebildet sind.
    8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kondensatorplatten der druckempfindlichen Kondensatoren (CLt,) ein leicht kompressibler Nichtleiter als Dielektrikum angeordnet ist und daß der druckempfindliche Kondensator durch geeignete Auswahl von Dielektrikum und Kondensatorgeometrie ein ? = a · k + b aufweist, wobei y die Dielektrizitätskonstante, d der wirksame Plattenabstand und k die zu messende Kraft sind.
    9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die druckempfindlichen Kondensatoren (C1^.) auf einer Matte aus Naturkautschuk ausgebildet sind, deren Vorder- und Rückseite mit parallelen
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    Rei/Pi.
    - 15 -
    Streifen aus metallisierter Plastikfolie beklebt sind, wobei die Streifenrichtungen auf beiden Seiten derart gewählt sind, daß sich die parallelen Streifen der einen Seite mit denen der anderen Seite schneiden.
    10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9 in Abhängigkeit von Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (GSk) zur Verstärkung und/oder Gleichrichtung und/oder Siebung vollständig oder teilweise unmittelbar auf der Matte angeordnet sind.
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DE2529475A 1975-07-02 1975-07-02 Elektrische Schaltungsanordnung zum zeitabhängigen Messen von physikalischen Größen Expired DE2529475C3 (de)

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