DE3639070A1 - Verfahren zur messung des verhaeltnisses einer messgroessenabhaengigen kapazitaet zu einer referenzkapazitaet und einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Verhältnisses einer messgrössenabhängigen Kapazität zu einer Referenzkapazität durch Umwandlung der Kapazitätswerte in Frequenzwerte einer Sig­ nalschwingung und Ermittlung des Verhältnisses der Frequenzwerte. Das Verfahren ist beispielsweise anwendbar bei Waagen mit kapazi­ tivem Kraftsensor.

Die Umwandlung von Kapazitätswerten in Frequenzwerte einer Signal­ schwingung ist an sich bekannt. In der Regel dient als Messgrös­ senwandler ein Schwingungserzeuger, insbesondere ein Kippschwin­ gungserzeuger mit anschliessendem Schwingungsformer, dessen fre­ quenzbestimmende Grösse die zu messende Kapazität ist und dessen Ausgangsfrequenz dem Kapazitätswert umgekehrt proportional ist (DE 30 11 594 A1, US 42 95 091). Für die Bestimmung von Kapazi­ tätsverhältnissen oder -differenzen werden nach bekannten Verfah­ ren die Kapazitätswerte der zu vergleichenden Kapazitäten gleich­ zeitig gemessen, wobei aus den sich ergebenden Frequenzwerten das Verhältnis bzw. die Differenz gebildet wird (US 43 92 382 und 43 98 426, DE 29 21 614 A1), oder es wird eine Signalschwingung erzeugt, deren Frequenz durch die zu vergleichenden Kapazitäten zugleich bestimmt wird und ein Mass für die Differenz der Kapazi­ tätswerte bildet (DE 23 46 307). Zur Durchführung dieser Verfahren sind im ersten Fall zwei separate Messgrössenwandler und im zwei­ ten Fall die für die Frequenzbestimmung massgeblichen Teile eines im übrigen gemeinsamen Messgrössenwandlers zweifach vorhanden. Dieser Umstand führt infolge des im allgemeinen unterschiedlichen Verhaltens (z.B. Temperaturgang) zweier an sich gleich aufgebauter elektronischer Schaltungen zu Ungenauigkeiten in der Vergleichs­ messung. Zudem ist die Kompensation solcher Systemfehler schwierig und aufwendig.

Die Erfindung hat zum Ziel, die Messgenauigkeit bei der Kapazi­ tätsverhältnismessung nach dem eingangs genannten Verfahren zu erhöhen.

Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass die beiden Kapazitäten mit einer um Grössenordungen kleineren Frequenz als die mittlere Frequenz der Signalschwingung abwechselnd in den Eingangskreis eines Messgrössenwandlers eingeschaltet werden, dass die Frequenzwerte der nacheinander anfallenden Signalschwingungen durch Auszählen der Perioden in einem der jeweiligen Einschalt­ dauer einer Kapazität entsprechend festgelegten Zeitraum gemessen werden und dass das Verhältnis der gemessenen Frequenzwerte durch Berechnung ermittelt wird.

Die Verwendung eines einzigen Messgrössenwandlers bedeutet, dass für die Messung der beiden Kapazitäten ein und dieselbe Schal­ tungsanordnung benützt wird, wodurch Systemfehler vermieden wer­ den. Langzeitänderungen (Drifteffekte, Niederfrequenzrauschen) haben auf das Messergebnis keinen Einfluss, da für die Messung eines Kapazitätswertes eine Messzeit von z.B. 100 ms ausreicht.

Es ist zwar an sich bekannt, die beiden Kapazitäten abwechselnd in den Eingangskreis eines Messgrössenwandlers einzuschalten, um Systemfehler zu vermeiden. Bei einer bekannten Lösung dieser Art (DE 35 09 507 A1) werden die Kapazitäten nacheinander einmal auf­ geladen und entladen, wobei das durch die Dauer der Umladeperioden sich ergebende Tastverhältnis einer von den Umkehrpunkten der Spannungen an den Kapazitäten abgeleiteten Rechteckschwingung als Mass für das Kapazitätsverhältnis dargestellt wird. Es handelt sich dabei um eine innerhalb jeweils einer Umladeperiode vorzu­ nehmende Kurzzeitmessung, an die im Vergleich zu einer Frequenz­ messung keine hohen Ansprüche hinsichtlich der Messgenauigkeit gestellt werden können, insbesondere wegen der kurzen Einschwing­ zeiten und den mit der Umschaltung verbundenen Verzögerungszeiten, die in das Messresultat voll eingehen. Eine Erhöhung der Ein­ schaltdauer auf jeweils ein Mehrfaches der Dauer einer Umladepe­ riode brächte bei diesem Messverfahren keine Vorteile, da sich die verfahrensbedingten Messfehler in jeder Umladeperiode wiederholen und summieren.

Zur Ermittlung eines Frequenzwertes wird die Periodendauer der Signalschwingung gemessen, wobei durch die Auszählung der Perioden über einen bestimmten Zeitraum ein Mittelwert der Periodendauer gewonnen wird. Dieses Verfahren liefert genauere Ergebnisse als beispielsweise die Messung der Umladezeit oder des Verhältnisses der Ladezeit zur Umladezeit beim sogenannten Kondensator-Umlade­ verfahren. Damit der Einschwingvorgang zu Beginn der Einschalt­ dauer einer Kapazität auf die Messgenauigkeit keinen Einfluss hat, wird der eigentliche Messvorgang vorzugsweise erst dann eingelei­ tet, wenn die Signalschwingung einen stationären Schwingungszu­ stand erreicht hat. Dies ist erfahrungsgemäss bei einer mittleren Schwingungsfrequenz von z.B. 16 kHz nach einem Bruchteil (z.B. 1%) der Einschaltdauer von beispielsweise 100 ms der Fall, so dass der grösste Teil (z.B. 99%) der Einschaltdauer als Messzeit zur Verfügung steht.

Der eigentliche Messvorgang besteht in an sich bekannter Weise darin, dass die zu messende Kapazität periodisch aufgeladen und entladen wird und die vom Kapazitätswert abhängige Änderungsge­ schwindigkeit der Lade- oder Entladespannung (bzw. des Lade- oder Entladestromes) durch die Frequenz einer periodischen Signal­ schwingung dargestellt wird. Als Mass für die Änderungsgeschwin­ digkeit der Lade- bzw. Entladespannung dient dabei die Zeitspanne zwischen zwei Zeitpunkten, in denen die Spannung an der Kapazität einen unteren und einen oberen Schwellwert durchläuft. Für den periodischen Wechsel von Lade- und Entladephasen dient üblicher­ weise eine Schwellwertschaltung, welche jeweils anspricht, wenn die Spannung an der Kapazität die Schwellwerte erreicht. Mit der Schwellwertschaltung kann ein Rechtecksignal so gesteuert werden, dass die Länge der Impulse oder der Impulspausen der Zeitspanne entspricht, welche ein Mass für die Änderungsgeschwindigkeit der Lade- bzw. Entladespannung bildet. Bei der Auswertung des Recht­ ecksignals ist allerdings zu berücksichtigen, dass die Schwell­ wertschaltung Schaltverzögerungen aufweist, welche das Rechteck­ signal in bezug auf die Anfangs- und Endzeiten der Impulse beein­ flussen können. Bei bekannten Verfahren wird in naheliegender Weise die Steuerung des Rechtecksignals von den Richtungswechseln der Spannung an der Kapazität abgeleitet und somit die ganze Dauer einer Lade- bzw. Entladephase in die Messung einbezogen. Infolge des Richtungswechsels der Spannung an der Kapazität verläuft die Spannungsänderung beim Erreichen des unteren und des oberen Schwellwertes in verschiedenen Richtungen. Es hat sich nun ge­ zeigt, dass die von der Umschaltung am oberen und unteren Schwell­ wert herrührenden Schaltverzögerungen sich addieren und das Recht­ ecksignal in frequenzbestimmender Weise beeinflussen, wenn die beiden Schwellwerte von der Spannung an der Kapazität mit gegen­ sinnigem Verlauf erreicht werden, wie das bei der beschriebenen bekannten Lösung des EP 01 49 277 A1 der Fall ist, dass aber die beiden Schaltverzögerungen sich kompensieren, wenn die Lade- oder Entladespannung zwei unterschiedliche Schaltschwellen gleichsinnig durchläuft.

Aus diesem Grund wird gemäss einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens für die Messung der Änderungsge­ schwindigkeit der Lade- bzw. Entladespannung eine Zeitspanne ge­ wählt, die kleiner ist als die Dauer einer Lade- bzw. Entlade­ phase. Durch dieses Verfahren mit gegenüber der Lade- bzw. Entla­ dephase zeitlich reduzierter Messphase wird ausser einer Kompensa­ tion der genannten Schaltverzögerungen erreicht, dass der prak­ tisch undefinierbare Spannungsverlauf im Bereich der Richtungsum­ kehr nicht in die Messung einbezogen wird. Auf diese Weise lässt sich die Messgenauigkeit also weiter erhöhen.

Die Erfindung betrifft auch eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Diese Einrichtung hat einen Mess­ grössenwandler, der einen Kippschwingungserzeuger mit der zu messenden Kapazität als frequenzbestimmender Grösse aufweist, und ist dadurch gekennzeichnet, dass im Eingangskreis des Kippschwin­ gungserzeugers ein Umschalter zum abwechselnden Einschalten der zu messenden Kapazitäten und am Ausgang derselben ein Mikroprozessor vorgesehen ist, der den Umschalter steuert und der Mittel zur Er­ fassung der Frequenzwerte der vom Kippschwingungserzeuger gelie­ ferten Signalschwingungen und zur Berechnung des Frequenzver­ hältnisses aufweist.

Der Messgrössenwandler ist beispielsweise mit einem Kippschwin­ gungserzeuger ausgerüstet, der in bekannter Weise eine Lade- und eine Entladeschaltung für die zu messende Kapazität aufweist, sowie eine erste, zwei Schaltschwellen aufweisende Schwellwert­ schaltung, welche die Ladeschaltung periodisch ein- und ausschal­ tet, wenn die Spannung an der Kapazität die untere bzw. obere Schaltschwelle erreicht (EP 01 49 277 A1). Eine bevorzugte Aus­ führungsform der erfindungsgemässen Einrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens mit gegenüber der Lade- bzw. Entlade­ phase reduzierter Messphase besteht nun darin, dass eine zweite Schwellwertschaltung mit wenigstens zwei weiteren Schaltschwellen für die Lade- bzw. Entladespannung vorgesehen ist, welche weiteren Schaltschwellen wertmässig zwischen den beiden Schaltschwellen der ersten Schwellwertschaltung liegen, dass die zweite Schwellwert­ schaltung einen Rechteckimpulsgenerator umfasst, der wenigstens ein Rechtecksignal erzeugt, bei dem die Länge der Impulse oder der Impulspausen durch die Zeitpunkte bestimmt ist, in denen die Span­ nung an der Kapazität zwei zeitlich benachbarte Schaltschwellen der zweiten Schwellwertschaltung gleichsinnig durchläuft, wobei jeweils die Länge eines Impulses oder einer Impulspause ein Mass für die Änderungsgeschwindigkeit der Lade- bzw. Entladespannung darstellt, und dass der Rechteckimpulsgenerator einen Schwingungs­ generator zur Erzeugung einer Dreieckschwingung steuert, welche den Ladestrom der Ladeschaltung so regelt, dass das Verhältnis von Impulspause zu Impulsdauer des Rechtecksignals konstant, insbeson­ dere 1 ist. Die Regelung des Ladestroms zur Erzielung eines kon­ stanten Tastverhältnisses ist notwendig, um eine konstante Perio­ dendauer und damit eine genaue Frequenzmessung zu gewährleisten.

Nachstehend wird das erfindungsgemässe Verfahren anhand der Zeich­ nung, welche Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Einrich­ tung darstellt, näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten

Fig. 1 Blockschaltbild der Einrichtung zur Kapazitätsver­ hältnismessung nach der Erfindung,

Fig. 2 vereinfachtes Schaltungschema eines Messgrössen­ wandlers gemäss einer ersten Ausführungsform,

Fig. 3 Diagramm des zeitlichen Verlaufs elektrischer Grössen an verschiedenen Schaltungspunkten des Mess­ grössenwandlers nach Fig. 2,

Fig. 4 vereinfachtes Schaltungsschema eines Messgrössen­ wandlers gemäss einer zweiten Ausführungsform und

Fig. 5 Diagramm des zeitlichen Verlaufs elektrischer Grössen an verschiedenen Schaltungspunkten des Mess­ grössenwandlers nach Fig. 4.

Die Messeinrichtung nach Fig. 1 dient zur laufenden Messung des Verhältnisses der Kapazitäten C 1 und C 2, deren Kapazitätswert in der Grössenordnung von beispielsweise 10 pF liegt, wobei C 1 eine messgrössenabhängige Kapazität und C 2 eine Referenzkapazität bei­ spielsweise eines kapazitiven Kraftsensors sind. Durch einen elek­ tronischen Umschalter 1 werden die beiden Kapazitäten C 1 und C 2 abwechselnd in den Eingangskreis eines Messgrössenwandlers 2 ein­ geschaltet, der einen Kippschwingungserzeuger mit der jeweils zu messenden Kapazität als frequenzbestimmender Grösse aufweist. Die jeweils eingeschaltete Kapazität wird dabei periodisch aufgeladen und entladen, wobei die Änderungsgeschwindigkeit der Lade- oder Entladespannung durch die Frequenz einer Signalschwingung darge­ stellt wird. Die jeweils nacheinander anfallenden Signalschwin­ gungen mit den Kapazitätswerten entsprechenden Frequenzwerten f 1 und f 2 werden zur Auswertung einem Mikroprozessor 3 direkt oder über einen nicht dargestellten Frequenzzähler zugeführt. Dieser enthält Mittel zur Erfassung der Frequenzwerte und zur Berechnung des Frequenzverhältnisses f 1/ f 2. Die jeweilige Frequenz wird durch Auszählen der Perioden in einem der Einschaltdauer einer Kapazität entsprechend festgelegten Zeitraum ermittelt. Zudem steuert der Mikroprozessor 3 den Umschalter 1 mit einer Umschalt­ frequenz von z.B. 10 Hz, die um Grössenordnungen kleiner ist als die mittlere Frequenz der Signalschwingung, welche beispielsweise 16 kHz beträgt. Die Kapazitäten C 1 und C 2 sind also abwechselnd während je etwa 100 ms in den Eingangskreis des Messgrössen­ wandlers 2 eingeschaltet. Bei der nachfolgenden Beschreibung des Messgrössenwandlers ist der Umschalter 1 nicht dargestellt.

Der Kippschwingungserzeuger des Messgrössenwandlers 2 weist in beiden Ausführungsbeispielen nach den Fig. 2 und 4 eine Lade- und eine Entladeschaltung für die zu messende Kapazität C (C 1 oder C 2) auf, bestehend aus einer variablen Stromquelle I 1, einer Konstant­ stromquelle I 2 und einem elektronischen Umschalter S 1; ferner eine erste Schwellwertschaltung mit zwei Schaltschwellen, bestehend aus einem Komparator K 1 und einem elektronischen Umschalter S 2, über den dem Komparator K 1 die Referenzspannungen Ur 1 und Ur 5 wahlweise zugeführt werden. Das Ausgangssignal des Komparators K 1 steuert die beiden Umschalter S 1 und S 2.

In der in den Fig. 2 und 4 dargestellten Schaltstellung der Um­ schalter S 1 und S 2 wird die Kapazität C durch die Stromquelle I 1 entladen, wobei vorausgesetzt sei, dass die Stromquelle I 1 stärker ist als die Stromquelle I 2. Sobald die Spannung Uc an der Kapazi­ tät C den Referenzpegel Ur 1 erreicht, steuert der Komparator K 1 die beiden Umschalter S 1 und S 2 in die andere Schaltstellung. Die Kapazität C wird nun durch die Stromquelle I 2 geladen, bis die Ladespannung Uc den Referenzpegel Ur 5 erreicht, worauf die Um­ schalter S 1 und S 2 wieder in ihre ursprüngliche Schaltstellung gelangen. Den Verlauf der resultierenden Sägezahnspannung Uc zeigt Fig. 3 bzw. Fig. 5.

Als Mass für die Änderungsgeschwindigkeit der Ladespannung dient die Zeitspanne zwischen zwei Zeitpunkten, in denen die Spannung Uc an der Kapazität C einen unteren und einen oberen Schwellwert durchläuft. Damit nun der unkontrollierbare Verlauf der Sägezahn­ spannung an ihren Umkehrpunkten auf das Messergebnis keinen Ein­ fluss haben kann, wird für die Messung der Änderungsgeschwindig­ keit der Ladespannung eine Zeitspanne tm gewählt, die kleiner ist als die Dauer tl einer Ladephase (Fig. 3 und 5). Selbstverständ­ lich kann in analoger Weise auch die Änderungsgeschwindigkeit der Entladespannung anstelle derjenigen der Ladespannung gemessen werden.

Zur Durchführung dieses Messverfahrens mit gegenüber der Ladephase tl zeitlich reduzierter Messphase tm ist beim Messgrössenwandler in der Ausführungsform nach Fig. 2 eine zweite Schwellwertschaltung mit drei weiteren Schaltschwellen für die Ladespannung vorgesehen, welche weiteren Schaltschwellen wertmässig zwischen den beiden Schaltschwellen Ur 1 und Ur 5 der ersten Schwellwertschaltung mit dem Komparator K 1 liegen. Die zweite Schwellwertschaltung weist einen Komparator K 2 auf, an dessen Eingängen einerseits die Span­ nung Uc an der Kapazität C und andererseits jeweils eine einen Schwellwert darstellende Referenzspannung Ur 2, Ur 3 bzw. Ur 4 wirksam sind und der an seinem Ausgang jeweils einen Impuls ab­ gibt, wenn die Ladespannung einen Referenzpegel überschreitet. An den Ausgang des Komparators K 2 ist ein Rechteckimpulsgenerator in Form eines Impulszählers IZ angeschlossen, der drei Ausgänge 0, 1 und 2 aufweist, die in der Reihenfolge der innerhalb einer Lade­ periode aufeinanderfolgenden Eingangsimpulse aktiviert werden und Impulse abgeben, deren Dauer durch zwei aufeinanderfolgende Ein­ gangsimpulse begrenzt ist. Den Ausgängen 0, 1 und 2 des Impuls­ zählers IZ sind elektronische Schalter S 4, S 5 und S 3 einzeln zugeordnet, die jeweils während der Dauer der betreffenden Aus­ gangsimpulse des Impulszählers IZ geschlossen sind und eine Referenzspannung an den betreffenden Eingang des Komparators K 2 legen, welche den nächstfolgenden Schwellwert darstellt. Während jeder Ladephase entstehen so an den Ausgängen 0, 1 und 2 in dieser Reihenfolge Impulse, so dass die Schalter S 4, S 5 und S 3 nachein­ ander geschlossen werden und jeweils die betreffenden Referenz­ spannungen Ur 3, Ur 4 und Ur 2 am Komparator K 2 nacheinander zum Ein­ satz bringen (Fig. 3).

Die Länge tm der Impulspause zwischen den am Ausgang w des Impuls­ zähler IZ auftretenden Impulse ist durch Zeitpunkte bestimmt, in denen die Spannung Uc an der Kapazität C zwei zeitlich benachbarte Schaltschwellen Ur 2 und Ur 4 der zweiten Schwellwertschaltung gleichsinnig durchläuft, und bildet damit ein genaues Mass für die Änderungsgeschwindigkeit der Ladespannung und folglich für den Kapazitätswert der Kapazität C.

Der Messgrössenwandler nach Fig. 2 umfasst in an sich bekannter Weise eine Regelschaltung, welche den Strom der variablen Strom­ quelle I 1, im vorliegenden Fall also den Entladestrom der Kapazi­ tät C so regelt, dass das Tastverhältnis der am Ausgang des Impulszählers IZ auftretenden Rechteckschwingung, welche das Aus­ gangssignal des Messgrössenwandlers darstellt, konstant, insbe­ sondere 1 ist. Bei konstantem Tastverhältnis ist nicht nur die Dauer der Impulspause, sondern auch die Frequenz des Ausgangs­ signals ein Mass für die Änderungsgeschwindigkeit der Spannung Uc an der Kapazität C. Diese Frequenz ist lediglich abhängig von der Kapazität C, der Konstantstromquelle I 2 und den Referenzspannungen Ur 2 und Ur 4.

Die Regelschaltung umfasst einen Schwingungsgenerator DS zur Er­ zeugung einer Dreieckschwingung, welcher aus einer Kapazität C 3, zwei Konstantstromquellen und einem elektronischen Umschalter S 6 besteht. Der Umschalter S 6 wird vom Ausgangssignal des Mess­ grössenwandlers (Ausgang 2 des Impulszählers IZ) gesteuert und nimmt während der Impulspausen des Ausgangssignals die in Fig. 3 gezeigte Schaltstellung ein. In dieser Phase wird die Kapazität C 3 durch die Stromquelle I 3, die etwa doppelt so stark ist wie die Stromquelle 14, entladen. Während der Impulsdauer des Ausgangs­ signals befindet sich der Umschalter S 6 in der anderen Schaltstel­ lung, wobei die Kapazität C 3 durch die Stromquelle I 4 geladen wird. Solange das Tastverhältnis des Ausgangssignals 1 ist, hat die Dreieckschwingung einen konstanten Spannungspegel (Fig. 3).

Veränderungen dieses Spannungspegels werden nun mittels einer Tastspeicherschaltung TS erfasst, der eine Kapazität C 4 zugeordnet ist und welche jeweils in der Mitte jeder Ladeperiode wirksam ist. Zu diesem Zweck ist die Referenzspannung Ur 3 vorgesehen, welche eine wertmässig in der Mitte zwischen den beiden Schaltschwellen Ur 1, Ur 5 der ersten Schwellwertschaltung liegende Schaltschwelle darstellt. Wenn die Ladespannung Uc an der Kapazität C diese Schaltschwelle Ur 3 überschreitet, so wird der Ausgang 1 des Im­ pulszählers IZ aktiviert. Der dabei entstehende Impuls wird einem Impulsformer IF zugeführt, der einen von der Anstiegsflanke des Eingangsimpulses abgeleiteten Kurzzeitimpuls konstanter Dauer abgibt, welcher zur Steuerung eines elektronischen Schalters S 7 dient. Dieser Schalter S 7 verbindet für die Dauer des Steuer­ impulses den Schwingungsgenerator DS mit der Tastspeicherschaltung TS, wobei der abgetastete Wert des Spannungspegels der Dreieck­ schwingung auf die Tastspeicherschaltung TS übertragen wird. Mit dem Ausgangssignal der Tastspeicherschaltung TS wird die Strom­ stärke der Stromquelle I 1 so gesteuert, dass der Spannungspegel der Dreieckschwingung nach einer gewissen Einschwingzeit (etwa 1 ms) des Messgrössenwandlers einen konstanten Wert annimmt.

Die Arbeitsweise der beschriebenen Regelschaltung lässt sich z.B. an der Wirkung erläutern, welche die Einschaltung eines ohmschen Widerstandes in Reihe zur Kapazität C zur Folge hat. Solange die­ ser Widerstand den Wert Null hat, verläuft die Sägezahnspannung Uc gemäss der Darstellung in der linken Hälfte der Fig. 3, während in der rechten Hälfte dieser Figur die Änderungen im zeitlichen Spannungsverlauf sichtbar sind, welche entstehen, wenn der Wider­ stand einen endlichen Wert annimmt. Beim Übergang vom einen in den anderen Zustand ändert sich die Frequenz der Sägezahnschwin­ gung, aber auch das Tastverhältnis des Ausgangssignals und damit der Spannungspegel der Dreieckschwingung DS. Durch die Regelschal­ tung wird dieser Spannungpegel ausgeglichen und so Frequenz und Tastverhältnis auf die ursprünglichen Werte zurückgeführt.

Der Messgrössenwandler nach Fig. 4 arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie derjenige nach Fig. 2, eignet sich aber besser für eine Ausführung in Form einer integrierten Schaltung. Der Kipp­ schwingungserzeuger ist im wesentlichen gleich aufgebaut, mit dem Unterschied, dass der Rechteckimpulsgenerator der zweiten Schwell­ wertschaltung eine vom Komparator K 2 angesteuerte Flip-Flop-Schal­ tung FF ist, welche den Umschalter S 8 für den Wechsel der beiden im Komparator K 2 wirksamen Referenzspannungen Ur 2 und Ur 4 steuert und das Ausgangssignal des Messgrössenwandlers liefert. Die Dauer der Impulspause dieses Rechtecksignals ist ein Mass für den Kapa­ zitätswert der Kapazität C. Zudem steuert die Flip-Flop-Schaltung FF in gleicher Weise wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2 einen Schwingungsgenerator DS zur Erzeugung einer Dreieckschwingung, welche für die Regelung der variablen Stromquelle I 1 benützt wird. Wiederum dient diese Regelung dazu, das Tastverhältnis des Recht­ ecksignals auf dem Wert 1 konstant zu halten, so dass die Frequenz des Ausgangssignals ein Mass für den Kapazitätswert der Kapazität C darstellt.

Die Regelung bewirkt, dass die Änderungsgeschwindigkeit der Ent­ ladespannung an der Kapazität C in Abhängigkeit vom Mittelwert der Dreieckschwingung verändert wird. Unter dem Einfluss der Dreieck­ schwingung am Steuereingang der Stromquelle I 1 tritt auch eine Verzerrung im Verlauf der Sägezahnspannung auf, welche aber das Messverfahren nicht weiter beeinflusst.

Es kann unter Umständen zweckmässig sein, die Komparatoren K 1 und K 2 für einen Stromvergleich anstelle eines Spannungsvergleichs auszulegen. Diese Technik vereinfacht den Schaltvorgang für die Referenzspannungen. Im weiteren empfiehlt es sich, die zu messende Kapazität C nicht direkt an die Komparatoren K 1 und K 2, sondern in an sich bekannter Weise in den Gegenkopplungskreis eines im Ein­ gangskreis des Messgrössenwandlers vorgesehenen Operationsver­ stärkers einzuschalten, um den Einfluss von Streukapazitäten auf ein Minimum zu beschränken.

Mit dem beschriebenen Messverfahren unter Verwendung eines Mess­ grössenwandlers nach Fig. 2 oder 4 lassen sich bei der Kapazitäts­ verhältnismessung Genauigkeiten erzielen, die einer Auflösung von etwa 100 000 Punkten entsprechen. Bei Erhöhung der Messdauer lässt sich eine entsprechend höhere Auflösung erzielen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Messung des Verhältnisses einer messgrössenabhängi­ gen Kapazität zu einer Referenzkapazität durch Umwandlung der Kapazitätswerte in Frequenzwerte einer Signalschwingung und Er­ mittlung des Verhältnisses der Frequenzwerte, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die beiden Kapazitäten mit einer um Grössenordnun­ gen kleineren Frequenz als die mittlere Frequenz der Signal­ schwingung abwechselnd in den Eingangkreis eines Messgrössenwand­ lers eingeschaltet werden, dass die Frequenzwerte der nacheinander anfallenden Signalschwingungen durch Auszählen der Perioden in einem der jeweiligen Einschaltdauer einer Kapazität entsprechend festgelegten Zeitraum gemessen werden und dass das Verhältnis der gemessenen Frequenzwerte durch Berechnung ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zu messende Kapazität periodisch aufgeladen und entladen und die Änderungsgeschwindig­ keit der Lade- oder Entladespannung durch die Frequenz einer periodischen Signalschwingung dargestellt wird, wobei als Mass für die Änderungsgeschwindigkeit der Lade- bzw. Entladespannung die Zeitspanne zwischen zwei Zeitpunkten dient, in denen die Spannung an der Kapazität einen unteren und einen oberen Schwellwert durch­ läuft, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messung der Ände­ rungsgeschwindigkeit der Lade- bzw. Entladespannung eine Zeit­ spanne (tm) gewählt wird, die kleiner ist als die Dauer (tl) einer Lade- bzw. Entladephase.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei der der Messgrössenwandler (2) einen Kippschwingungserzeuger mit der zu messenden Kapazität als frequenzbestimmender Grösse auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, dass im Eingangskreis des Kipp­ schwingungserzeugers ein Umschalter (1) zum abwechselnden Ein­ schalten der zu messenden Kapazitäten (C 1, C 2) und am Ausgang derselben ein Mikroprozessor (3) vorgesehen ist, der den Umschal­ ter steuert und der Mittel zur Erfassung der Frequenzwerte der vom Kippschwingungserzeuger gelieferten Signalschwingungen und zur Berechnung des Frequenzverhältnisses aufweist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, bei der der Kippschwingungserzeuger eine Lade- und eine Entladeschaltung (I 1, I 2, S 1) für die zu messende Kapazität (C) aufweist, sowie eine erste, zwei Schaltschwellen aufweisende Schwellwertschaltung (K 1, S 2), welche die Ladeschaltung periodisch ein- und ausschaltet, wenn die Spannung an der Kapazität die unte­ re bzw. obere Schaltschwelle (Ur 1, Ur 5) erreicht, dadurch gekenn­ zeichnet, dass eine zweite Schwellwertschaltung (K 2, S 3, S 4, S 5) mit wenigstens zwei weiteren Schaltschwellen (Ur 2, Ur 4) für die Lade- bzw. Entladespannung vorgesehen ist, welche weiteren Schalt­ schwellen wertmässig zwischen den beiden Schaltschwellen der ersten Schwellwertschaltung liegen, dass die zweite Schwellwert­ schaltung einen Rechteckimpulsgenerator (IZ, FF) umfasst, der wenigstens ein Rechtecksignal erzeugt, bei dem die Länge der Impulse oder der Impulspausen durch die Zeitpunkte bestimmt ist, in denen die Spannung an der Kapazität zwei zeitlich benachbarte Schaltschwellen (Ur 2, Ur 4) der zweiten Schwellwertschaltung gleichsinnig durchläuft, wobei jeweils die Länge eines Impulses oder einer Impulspause ein Mass für die Änderungsgeschwindigkeit der Ladespannung darstellt, und dass der Rechteckimpulsgenerator einen Schwingungsgenerator (DS) zur Erzeugung einer Dreieckschwin­ gung steuert, welcher den Lade- oder den Entladestrom der Lade­ schaltung so regelt, dass das Tastverhältnis des Rechtecksignals konstant, insbesondere 1 ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schwellwertschaltung einen Komparator (K 2) aufweist, an dessen Eingängen einerseits die Spannung an der Kapazität (C) und andererseits jeweils eine einen Schwellwert darstellende Referenz­ spannung (Ur 2, Ur 4) wirksam sind und der an seinem Ausgang jeweils einen Impuls abgibt, wenn die Ladespannung die Referenzspannung überschreitet, dass ferner an den Ausgang des Komparators ein Impulszähler (IZ) angeschlossen ist, der mehrere Ausgänge (0, 1, 2) aufweist, die in der Reihenfolge der innerhalb einer Lade­ periode aufeinanderfolgenden Eingangsimpulse aktiviert werden und Impulse abgeben, deren Dauer durch zwei aufeinanderfolgende Ein­ gangsimpulse begrenzt ist, dass ferner den Ausgängen des Impuls­ zählers Schalter (S 3, S 4, S 5) einzeln zugeordnet sind, die während der Dauer der betreffenden Ausgangsimpulse geschlossen sind und dabei jeweils eine Referenzspannung an den betreffenden Eingang des Komparators legen, welche den nächstfolgenden Schwellwert darstellt, und dass der Schwingungsgenerator (DS) zur Erzeugung einer Dreieckschwingung an jenen Ausgang (2) des Impulszählers (IZ) angeschlossen ist, der jeweils den letzten Impuls innerhalb einer Ladeperiode (tl) abgibt.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schwellwertschaltung (K 2, S 2, S 3, S 4) einen wertmässig in der Mitte zwischen den beiden Schwellwerten (Ur 1, Ur 5) der ersten Schwellwertschaltung (K 1, S 2) liegenden Schwellwert aufweist und dass jener Ausgang (1) des Impulszählers (IZ), der aktiviert wird, wenn die Ladespannung diesen mittleren Schwellwert überschreitet, über einen Impulsformer (IF) mit einer Tastspeicherschaltung (TS) verbunden ist, welche den Pegel der Dreieckschwingung als Regel­ grösse für die Steuerung des Stromes (I 1) der Lade- oder Entlade­ schaltung ermittelt.

7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schwellwertschaltung einen Komparator (K 2) aufweist, an dessen Eingängen einerseits die Spannung an der Kapazität (C) und andererseits jeweils eine von zwei, einen unteren und einen oberen Schwellwert darstellenden Referenzspannungen (Ur 2, Ur 4) wirksam sind und dessen Ausgangssignal eine Flip-Flop-Schaltung (FF) steuert, und dass das von der Flip-Flop-Schaltung erzeugte Recht­ ecksignal einerseits einen Umschalter (S 8) für den Wechsel der beiden Referenzspannungen und andererseits den Schwingungs­ generator (DS) zur Erzeugung einer Dreieckschwingung steuert.