DE3633792C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Admittanz­ messung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es sind Schaltungen verschiedener Art zur Admittanzmessung nach dem Prinzip der Scheinstrommessung bekannt, wobei eine feste Wechselspannung mit fester Frequenz an das Meßobjekt mit der zu messenden Admittanz angelegt wird. Der durch das Meßobjekt fließende Wechselstrom ist der Spannung, der Frequenz und der zu messenden Admittanz proportional. Werden Spannung und Frequenz konstant gehalten, so ist der Wechselstrom ein Maß für die Admittanz.

In den meisten Anwendungsfällen ist das Meßobjekt ein verlustfreier Kondensator, so daß die gemessene Admittanz ein rein kapazitiver Blindleitwert ist, der bei der bekannten konstanten Meßfrequenz der Kapazität des Kondensators proportional ist. In diesen Fällen kann die Schaltungsanordnung unmittelbar als Kapazitätsmeßschaltung verwendet werden.

Ein bekanntes Anwendungsgebiet solcher Kapazitätsmeßschaltungen ist die kapazitive Füllstandsmessung, bei welcher das Meßobjekt eine in einen Behälter ragende kapazitive Sonde ist, deren Kapazität von dem Füllstand im Behälter abhängt.

Da bei diesem Meßprinzip der durch das Meßobjekt fließende Meßwechselstrom dem Meßwert proportional ist, sind die bekannten Meßschaltungen für den dem größten vorkommenden Meßwert entsprechenden Strombedarf ausgelegt. Die Stromaufnahme ist dann bei kleineren Meßwerten größer als dies an sich für solche kleineren Meßwerte notwendig wäre. Die bekannten Meßschaltungen sind daher wenig geeignet, wenn bei Meßobjekten mit in einem großen Bereich veränderlichen Meßwerten die Forderung einer möglichst geringen Stromaufnahme besteht oder gar der verfügbare Strom seinerseits vom Meßwert abhängt. Diese letzte Bedingung besteht insbesondere bei den weit verbreiteten Meßschaltungen, die ihren Versorgungsgleichstrom von einer entfernten Stelle über eine Zweidrahtleitung beziehen, über die auch das Meßwert­ signal dadurch übertragen wird, daß der über die Zweidrahtleitung fließende Gesamtstrom, der auch den Versorgungsgleichstrom enthält, in Abhängigkeit vom Meßwert zwischen zwei Grenzwerten (gewöhnlich zwischen 4 und 20 mA) verändert wird. Zur Erzielung von Meßwechselströmen ausreichender Größe müssen daher die bekannten Meßschaltungen oft mit beträchtlichen Meßspannungen arbeiten, was in vielen Anwendungsfällen unerwünscht oder sogar unzulässig ist. Auch können viele bekannte Meßschaltungen nur in einem engen Frequenz­ bereich arbeiten.

Aus der DE-AS 12 49 404, von der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgegangen wird, ist ein Kapazitätsmeßgerät bekannt, das nach dem Prinzip der Scheinstrommessung arbeitet. Bei diesem bekannten Kapazitätsmeßgerät liegt das Meßobjekt, dessen Kapazität gemessen werden soll, parallel zu einem Kondensator bekannter Kapazität und zu einer Spule bekannter Induktivität im Emitterkreis eines Transistors, an dessen Basis die Wechselspannung angelegt ist und dessen Kollektor über einen Widerstand mit der Betriebsspannungsquelle verbunden ist. Die Frequenz der Wechselspannung sowie die Kapazität des Kondensators und die Induktivität der Spule, die parallel zum Meßobjekt geschaltet sind, sind so groß und der Leitwert der Spule ist so klein bemessen, daß der Leitwert der Spule und der Reziprokwert des induktiven Widerstands der Spule zusammen mit dem Leitwert des Meßobjekts im Rahmen der gewünschten Meßgenauigkeit vernachlässigbar sind gegenüber der Summe der kapazitiven Widerstände des Kondensators und des Meßobjekts. Durch den Kollektorwiderstand wird der Meßwechselstrom in eine dazu proportionale Meßwechsel­ spannung umgesetzt, die an der Kollektorklemme zur Verfügung steht und durch eine an dieser Klemme angeschlossene Gleichrichter­ schaltung in eine Meßgleichspannung umgewandelt wird. Hierbei besteht das Problem der Gleichrichtung kleiner Wechselspannungen mit einem großen Dynamikbereich. Wenn die Meßwechselspannung bei den kleinsten zu messenden Kapazitäten ausreichend groß ist, um eine weitgehend temperaturunabhängige und lineare Gleichrichtung zu ermöglichen, wird die Wechselspannungsamplitude bei der größten zu messenden Kapazität um einen dem Kapazitätsverhältnis entsprechenden Faktor größer, so daß eine entsprechend hohe Versorgungsgleichspannung erforderlich ist. Ferner kann die im Emitterkreis liegende Induktivität nur bei hoher Betriebsfrequenz mit annehmbarer Größe realisiert werden. Die bekannten Präzisionsgleichrichter erfordern bei hohen Frequenzen Operationsverstärker mit einer hohen Transitfrequenz und dementsprechend großer Stromaufnahme.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer nach dem Prinzip der Scheinstrommessung arbeitenden Schaltungsanordnung zur Admittanz­ messung, die mit geringem Strombedarf und bei kleiner Versorgungsgleichspannung in einem weiten Meßbereich und Frequenzbereich ein maximales Meßwertsignal liefert und insbesondere die optimale Ausnutzung eines meßwertabhängigen Versorgungsgleichstroms ermöglicht.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die nach der Erfindung ausgebildete Schaltungsanordnung ergibt die Wirkung, daß der vom Spannungsfolger aufgenommene Gleichstrom stets dem durch den Meßwert bedingten Wechselstrom angepaßt wird. Dadurch ergibt sich insgesamt eine minimale Stromaufnahme. Vor allem aber kann bei Meßanordnungen mit meßwertabhängigem Versorgungsausgleichsstrom der jeweils verfügbare Versorgungsgleichstrom in einem weiten Meßbereich optimal für eine Meßwerterfassung ausgenutzt werden. Da ferner der im Kollektor fließende Wechselstrom nicht zunächst in einer Wechselspannung, sondern direkt in die Meßgleichspannung umgeformt wird, kann die erforderliche Linearität und Temperaturunabhängigkeit der Gleichrichtung mit einer niedrigen Versorgungsgleichspannung erzielt werden. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eignet sich daher besonders vorteilhaft für Meßanordnungen, bei denen die Meßschaltung ihren Versorgungs­ gleichstrom über eine Zweidrahtleitung bezieht, über die auch das Meßwertsignal durch Änderung des über die Zweidrahtleitung fließenden Gleichstroms übertragen wird und die mit verhältnismäßig niedriger Versorgungsgleichspannung betrieben wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer nach der Erfindung ausgebildeten Schaltungsanordnung und

Fig. 2 ein detaillierteres Schaltbild der beiden einstellbaren Stromquellen in der Spannungsfolgerstufe der Schaltungsanordnung von Fig. 1.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Meßschaltung 10 ist angenommen, daß das Meßobjekt ein Kondensator 11 ist, der beispielsweise durch eine in einen Behälter ragende kapazitive Sonde gebildet ist, so daß die Sondenkapazität C_M dem Füllstand proportional ist. Die Größe der Kapazität C_M kann sich daher zwischen den beiden Grenzwerten, die einerseits dem leeren und andererseits dem vollen Behälter entsprechen, in einem großen Bereich ändern. Der Kondensator 11 ist im wesentlichen verlustfrei, so daß die gemessene Admittanz der Blindleitwert 2πf C_M des Kondensators 11 ist, der der veränderlichen Kapazität C_M direkt proportional ist. Die Meßschaltung 10 kann daher in diesem Sonderfall unmittelbar die Kapazität C_M messen, und sie wird demzufolge nachstehend als Kapazitätsmeßschaltung bezeichnet.

Die Kapazitätsmeßschaltung 10 ist mit einem an einer entfernten Stelle angeordneten, in der Zeichnung nicht dargestellten Auswertegerät über eine Zweidrahtleitung 12 verbunden. Die Kapazitätsmeßschaltung 10 enthält keine eigene Energiequelle, sondern bezieht die für ihren Betrieb erforderliche Gleichstromenergie über die Zweidrahtleitung 12 von einer im Auswertegerät befindlichen Gleichspannungsquelle über die Zweidrahtleitung 12 wird auch das den Meßwert der Kapazität C_M darstellende Meßwertsignal von der Kapazitäts­ meßschaltung 10 zum Auswertegerät übertragen. Zu diesem Zweck wird dem über die Zweidrahtleitung 12 übertragenen Versorgungsgleichstrom I_V ein Korrekturstrom I_K überlagert, der so bemessen wird, daß der über die Zweidrahtleitung 12 fließende Gesamtstrom I_M=I_V+I_K zwischen zwei Grenzwerten den Meßwert darstellt. Einem üblichen Standard entsprechend ist der Gesamtstrom I_M zwischen den Grenzwerten 4 und 20 mA veränderlich.

Ein in der Kapazitätsmeßschaltung 10 an die Zweidrahtleitung 12 angeschlossener Spannungsregler 13 erzeugt eine geregelte Betriebsgleichspannung U_B für die verschiedenen Schaltungsbestandteile der Kapazitätsmeßschaltung 10. Diese Betriebsgleichspannung besteht zwischen zwei Versorgungs­ leitern 14 und 15, von denen angenommen ist, daß der Versorgungsleiter 14 an Masse liegt, während der Versorgungs­ leiter 15 das gegenüber Masse positive Potential +U_B führt.

Über den Spannungsregler 13 fließt der Versorgungsgleichstrom I_V. Um dem Versorgungsgleichstrom I_V den Korrekturstrom I_K zu überlagern, sind die beiden Leiter der Zwei­ drahtleitung 12 durch einen Nebenschlußzweig 16 überbrückt, in dem eine von einer Stromkorrekturschaltung 17 gesteuerte Stromquelle 18 liegt.

Die eine Elektrode des Kondensators 11 liegt an Masse, und seine andere Elektrode ist über einen Vorkondensator 19 mit dem Emitter eines npn-Transistors 20 verbunden. Der Vorkondensator 19 dient nur der gleichstrommäßigen Trennung des Kondensators 11 vom Rest der Schaltung; seine Kapazität ist sehr groß gegen die zu messende Kapazität C_M, so daß sie bei der Messung der Kapazität C_M vernachlässigbar ist.

Der Emitter des Transistors 20 ist mit dem an Masse liegenden Leiter 14, also mit dem negativen Pol der Betriebsspan­ nung U_B, über eine erste steuerbare Stromquelle 21 verbunden. Der Kollektor des Transistors 20 ist mit dem Leiter 15, also mit dem positiven Pol der Betriebsspannung U_B, über eine zweite steuerbare Stromquelle 22 verbunden. Die Basis des Transistors 20 ist über einen Basisvorwiderstand 23 mit dem Leiter 15 verbunden. Ferner ist der Ausgang eines Os­ zillators 24 über einen Koppelkondensator 25 mit der Basis des Transistors 20 verbunden.

An den Kollektor des Transistors 20 ist über einen Koppel­ kondensator 27 eine Gleichrichterschaltung 28 angeschlossen. Der Ausgang der Gleichrichterschaltung 28 ist mit dem Eingang der Stromkorrekturschaltung 17 sowie über einen Summier­ widerstand 29 mit dem Eingang eines Verstärkers 30 verbunden. Der Eingang des Verstärkers 30 ist außerdem über einen zweiten Summierwiderstand 31 an den Abgriff eines an der Betriebsspannung U_B liegenden Potentiometers 32 angeschlossen. Der Ausgangs des Verstärkers 30 ist mit dem Steuereingang der ersten steuerbaren Stromquelle 21 verbunden. Der Steuereingang der zweiten steuerbaren Stromquelle 22 ist an den Kollektor des Transistors 20 angeschlossen.

Die bisher beschriebene Schaltung arbeitet in der folgenden Weise:

Durch den Basisvorwiderstand 23 ist die Basis des Transistors 20 auf ein vorgegebenes Gleichspannungspotential gelegt, dem die vom Oszillator 24 erzeugte Wechselspannung u_W überlagert ist. Das Basispotential ist so bemessen, daß der Transistor 20 durch die an die Basis angelegte Wechselspannung u_W linear ausgesteuert wird. Der Transistor 20 ist als Spannungsfolger geschaltet, in dessen Emitterkreis die Serienschaltung aus den Kondensatoren 11 und 19 parallel zu der Stromquelle 21 liegt. Daher liegt die Wechselspannung u_W auch im Emitterkreis an der Serienschaltung aus den Kondensatoren 11 und 19 an. Der Vorkondensator 19 stellt wegen seiner großen Kapazität bei der Frequenz der Wechsel­ spannung u_W praktisch einen Kurzschluß dar, so daß die ganze Wechselspannung u_W am Kondensator 11 anliegt.

Die Ausgangsspannung des Verstärkers 30 bestimmt den über die Stromquelle 21 fließenden Gleichstrom I₁. Die Stromquelle 22 ist so ausgebildet, daß sie mit der Stromquelle 21 auf Gleichlauf gesteuert wird, so daß der über die Stromquelle 22 fließende Gleichstrom I₂ bis auf den vernachlässigbaren Basisstrom stets gleich dem Gleichstrom I₁ ist.

Die beiden Stromquellen 21 und 22 stellen für den Wechselstrom eine hohe Impedanz dar, so daß nur ein vernachlässigbarer kleiner Teil des von der angelegten Wechselspannung erzwungenen Wechselstroms über die Stromquellen fließt. Im Emitterkreis fließt über den Kondensator 11 ein durch die angelegte Wechselspannung u_W und die Kapazität C_M bestimmter Meßwechselstrom i_M, der praktisch gleich dem Emitter­ wechselstrom i_E ist. Im Kollektorkreis fließt ein gegenüber dem Emitterwechselstrom um den Übertragungsfaktor reduzierter Kollektorwechselstrom

der bei ausreichend hoher Stromverstärkung β ebenfalls näherungsweise gleich dem Meßwechselstrom i_M ist. Wegen der hohen Impedanz der Stromquelle 22 fließt nahezu der gesamte Wechselstrom i_M in den niederohmigen Eingang der Gleich­ richterschaltung 28. Die Gleichrichterschaltung 28 erzeugt am Ausgang eine Meßgleichspannung U_M, die dem ihrem Eingang zugeführten Wechselstrom proportional ist.

Die Messung der Kapazität C_M beruht auf dem Prinzip der Scheinstrommessung: Da die im Emitterkreis des Transistors 20 an die Serienschaltung aus den Kondensatoren 11 und 19 angelegte Wechselspannung konstant ist, ist der über diesen (d. h. dem Scheinleitwert) dieses Schaltungszweigs proportional. Demzufolge ist auch die am Ausgang der Gleichrichter­ schaltung 28 abgegebene Meßgleichspannung U_M dieser Admittanz proportional. Wie erwähnt, ist die Kapazität des Vor­ kondensators 19 so groß, daß der Vorkondensator 19 für den Wechselstrom praktisch als Kurzschluß angesehen werden kann. Wenn der Kondensator 11 verlustfrei ist, ist seine Admittanz ein reiner Blindleitwert des Wertes 2πf C_M. Bei konstanter Frequenz f des Oszillators 24 ist daher in diesem Fall die Spannung U_M der zu messenden Kapazität C_M proportional. Die beschriebene Meßschaltung ist jedoch grundsätzlich auch zur Messung der Admittanz eines beliebigen Meßobjekts geeignet, das anstelle des Kondensators 11 angeschlossen wird. Diese Tatsache wird beispielsweise auch bei der kapazitiven Füll­ standsmessung ausgenutzt, wenn die kapazitive Sonde, die den Kondensator 11 bildet, verlustbehaftet ist, wie es bei der Messung des Füllstands gewisser Füllgüter der Fall sein kann. In diesem Fall ist die Admittanz dem Füllstand proportional, und die Meßgleichspannung U_M ist wieder ein Maß für den Füllstand.

In jedem Fall wird die den Meßwert darstellende Meßgleichspannung U_M an die Stromkorrekturschaltung 17 angelegt, die durch Steuerung der Stromquelle 18 den über den Nebenschlußzweig 16 fließenden Korrekturstrom I_K so einstellt, daß der über die Zweidrahtleitung 12 fließende Gesamtstrom I_M in einer vorgegebenen Beziehung zu der Meß­ gleichspannung U_M steht und dadurch den Meßwert darstellt.

Die Besonderheit der den Transistor 20 enthaltenden Spannungs­ folgerstufe besteht darin, daß durch die beiden steuerbaren Stromquellen 21, 22, die die Kollektor-Emitter- Strecke mit den beiden Polen der Betriebsspannung verbinden, die Entnahme eines konstanten Gleichstroms erzwungen wird, dem sich der Meßwechselstrom i_M nur zwischen den beiden Stromquellen überlagern kann. Wenn die Basisspannung infolge der überlagerten Wechselspannung zunimmt, wird der Kondensator 11 durch einen entsprechend zunehmenden Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke aufgeladen. Da dieser zunehmende Strom nicht über die Stromquelle 22 geliefert werden kann, wird er aus der Gleichrichterschaltung 28 entnommen. Wenn die Basisspannung wieder kleiner wird, entlädt sich der Kondensator 11 durch einen entgegengesetzt gerichteten Strom, der nunmehr über die Stromquelle 21 fließen muß. Der entsprechende Stromanteil fließt dann aus der Stromquelle 22 in die Gleichrichterschaltung 27.

Aus dieser Funktionsweise folgt, daß der über die Stromquelle 21 fließende Gleichstrom I₁ stets größer als der Spitzenwert des über den Kondensator 11 fließenden Wechselstroms i_M sein muß. Dieser Spitzenwert ist aber der zu messenden Kapazität C_M proportional. Wenn die Stromquelle 21 fest eingestellt wäre, müßte der Gleichstrom I₁ dauernd entsprechend dem größten vorkommenden Wert der zu messenden Kapazität C_M eingestellt sein. Dieser Strom müßte auch dann verfügbar sein, wenn der über die Zweidrahtleitung 12 fließende Gesamtstrom I_M bei dem kleinsten vorkommenden Wert der Kapazität C_M den unteren Grenzwert von 4 mA hätte. Da in diesem Strom von 4 mA auch der Versorgungsgleichstrom der übrigen Schaltungsbestandteile der Kapazitätsmeßschaltung 10 enthalten ist, stünde für die Kapazitätsmessung auch beim größten vorkommenden Wert der Kapazität C_M nur ein Bruchteil des Stroms von 4 mA zur Verfügung. Auf diesen Bruchteil wäre die maximale Amplitude des Meßwechselstroms i_M beschränkt; bei kleineren Kapazitätswerten wäre sie entsprechend kleiner.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Kapazitätsmeßschaltung wird durch den den Verstärker 30 enthaltenden Steuerkreis eine Kapazitätsmeßschaltung mit wesentlich größerem Meßwechselstrom i_M ermöglicht. Durch diesen Steuerkreis wird der über die Stromquelle 21 fließende Gleichstrom I₁ in Abhängigkeit von der Meßgleichspannung U_M so nachgesteuert, daß er stets geringfügig größer ist als der Spitzenwert des Meßwechselstroms i_M, der bei dem betreffenden Wert der Kapazität C_M über den Kondensator 11 fließt. Dadurch kann beim größten vorkommenden Wert der Kapazität C_M der Maximalwert (20 mA) des über die Zweidrahtleitung 12 fließenden Gesamtstroms I_M ausgenutzt werden. Bei kleineren Werten der Kapazität C_M wird die Meßgleichspannung U_M kleiner, so daß sowohl der über die Zweidrahtleitung 12 fließende Gesamtstrom I_M als auch der über die Stromquelle 21 fließende Gleichstrom I₁ verringert werden. Da aber bei kleineren Kapazitätswerten auch die Amplitude des Meßwechselstroms i_M kleiner wird, reicht der verfügbare Versorgungsgleichstrom I_M für einen Gleichstrom I₁ aus, der ausreichend groß für die Entladung des Kondensators 11 ist. Die Kapazitätsmessung erfolgt daher stets unter optimaler Ausnutzung des verfügbaren Ver­ sorgungsgleichstroms.

Mittels des Potentiometers 32 kann in der Stromquelle 21 ein kleiner, von der Meßspannung U_M unabhängiger Grundstrom eingestellt werden, um den Anlauf der Schaltung sicherzustellen.

Während die Stromquelle 21 durch die Ausgangsspannung des Verstärkers 30 in Abhängigkeit von der Meßspannung U_M fremdgesteuert wird, wird die Stromquelle 22 selbsttätig auf Gleichlauf mit der Stromquelle 21 gesteuert. Dies ist bei einer Serienschaltung von Stromquellen erforderlich, um zu verhindern, daß eine der Stromquellen in der einen oder anderen Richtung bis zum Anschlag läuft.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der beiden Stromquellen 21 und 22, mit dem diese Wirkung erzielt wird.

Die Stromquelle 21 enthält in einer an sich bekannten Weise einen Operationsverstärker 40, dessen Ausgang mit der Basis eines npn-Transistors 41 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 41 ist mit dem Emitter des Transistors 20 ver­ bunden, und der Emitter des Transistors 41 ist über einen Widerstand 42 mit dem an Masse liegenden Leiter 14 verbunden. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 40 ist direkt an den Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 42 und dem Emitter des Transistors 41 angeschlossen. Der Ausgang des Verstärkers 30 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 40 verbunden. Der über den Transistor 41 fließende Strom I₁ ist durch die Ausgangsspannung des Verstärkers 30 bestimmt.

In entsprechender Weise enthält die Stromquelle 22 einen Operationsverstärker 50, dessen Ausgang mit der Basis eines pnp-Transistors 51 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 51 ist mit dem Kollektor des Transistors 20 verbunden, während der Emitter des Transistors 51 über einen Widerstand 52 mit dem positiven Potential +U_B liegenden Leiter 15 verbunden ist. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 50 ist direkt an den Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 52 und dem Emitter des Transistors 51 angeschlossen. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 50 ist über einen Widerstand 53, dem ein Kondensator 54 parallelgeschaltet ist, mit dem Leiter 15 verbunden. Der Kondensator 54 ist erforderlich, weil die Stromquelle im vorliegenden Fall als Impedanz verwendet wird. Der nichtinvertierende Eingang des Operations­ verstärkers 50 ist außerdem über einen Widerstand 55 an den Verbindungspunkt zwischen den Kollektoren der Transistoren 51 und 20 angeschlossen. Dadurch wird der über den Transistor 51 und die Widerstände 53, 55 fließende Strom I₂ stets gleich dem über den Transistor 41 fließenden Strom I₁ eingestellt.

Da der Oszillator 24 und die vom Transistor 20 gebildete Emitterfolgeschaltung einen endlichen Innenwiderstand haben, ist in der Kapazitätsmeßschaltung von Fig. 1 zusätzlich ein Spannungsregelkreis vorgesehen, der die Wechselspannung am Emitter des Transistors 20 konstant hält. Der Spannungsregelkreis enthält einen Spannungs-Strom-Wandler 60, dem eine Gleichrichterschaltung 61 nachgeschaltet ist. Der Spannungs-Strom-Wandler 60 kann den gleichen Aufbau haben wie die in der Kapazitätsmeßschaltung als Spannungs- Strom-Wandler dienende Spannungsfolgerstufe mit dem Transistor 20 und den beiden Stromquellen 21 und 22, wobei lediglich anstelle des Kondensators 11 mit der veränderlichen Meßkapazität C_M ein Kondensator 62 mit einer festen Referenzkapazität C_R im Emitterkreis des Transistors liegt. Der über den Kondensator 62 fließende Wechselstrom, der der Emitterwechselspannung proportional ist, wird durch die Gleichrichterschaltung 61 in eine dazu proportionale Gleichspannung U_ist umgewandelt. Der Ausgang der Gleich­ richterschaltung 61 ist mit dem einen Eingang eines Differenz­ verstärkers 63 verbunden. Am anderen Eingang des Differenz­ verstärkers 63 liegt eine konstante Referenzspannung U_Ref an, die beispielsweise mittels einer Referenzdiode 64 und eines Widerstands 65 aus der Betriebsspannung U_B ge­ wonnen wird. Die am Ausgang des Differenzverstärkers 63 abgegebene Differenzspannung wird an einen Spannungssteuer­ eingang des Oszillators 24 angelegt. Dadurch wird die Amplitude der vom Oszillator 24 erzeugten Wechselspannung u_W in einem solchen Sinne geregelt, daß eine bestehende Regelabweichung beseitigt wird. Somit wird die Wechsel­ spannung im Emitterkreis des Transistors 20 auf dem durch die Referenzspannung U_Ref bestimmten konstanten Wert gehalten.

Ein besonderer Vorteil der beschriebenen Kapazitätsmeßschaltung besteht darin, daß sie mit sehr unterschiedlichen Frequenzen des Oszillators 24 betrieben werden kann. Dies ist erwünscht, weil Kapazitäts- oder Admittanz-Meßschaltungen, je nach dem Anwendungsgebiet, mit sehr unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden müssen. So gibt es bei der kapazitiven Füllstandsmessung Anwendungsfälle, in denen mit Meßfrequenzen kleiner 50 kHz gearbeitet wird, und andere Anwendungsfälle, in denen die Meßfrequenzen größer 500 kHz sind. Die beschriebene Kapazitätsmeßschaltung kann bei entsprechender Normierung der Meßgleichspannung ohne weiteres in einem so großen Frequenzbereich betrieben werden. Bei allen Frequenzen kann mit einer verhältnis­ mäßig kleinen Meßspannung gearbeitet werden.

Ferner zeigt das Schaltbild von Fig. 1, daß die Kapazitätsmeßschaltung die Messung einer einseitig geerdeten Kapazität bzw. Admittanz ohne Übertrager ermöglicht.

Die beschriebene Kapazitätsmeßschaltung kann in verschiedener Hinsicht abgeändert werden. Insbesondere kann anstelle des npn-Transistors 20 auch ein anderes Verstärker­ element verwendet werden, beispielsweise ein pnp-Transistor oder ein Feldeffekttransistor. In jedem Fall wird das Verstärkerelement als Spannungsfolgerstufe geschaltet, wobei der gesteuerte Strompfad jeweils durch eine einstellbare Stromquelle mit dem einen bzw. anderen Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden ist und der Strom durch die einstellbaren Stromquellen in Abhängigkeit von der Meßgleichspannung gesteuert wird. Wenn das Verstärkerelement ein pnp-Transistor ist, gilt das Schaltbild von Fig. 1 mit dem Unterschied, daß die Polaritäten aller Spannungen umgekehrt sind. Bei beiden Arten von bipolaren Transistoren ist der gesteuerte Strompfad die Kollektor-Emitter-Strecke. Wenn das Verstärkerelement ein Feldeffekttransistor ist, ist der gesteuerte Strompfad die Source-Drain-Strecke.

Die Eigenschaft der beschriebenen Meßschaltung, daß sich der Strombedarf an die Größe der zu messenden Kapazität oder Admittanz anpaßt, ist nicht nur dann von Vorteil, wenn eine Meßschaltung ihren Versorgungsgleichstrom über eine Zweidrahtleitung empfängt, über die auch das Meßwertsignal durch Änderung des Gesamtgleichstroms übertragen wird, sondern auch in allen anderen Fällen, in denen ein minimaler Strombedarf erwünscht ist. Dies gilt beispielsweise für batteriebetriebene Geräte, bei denen die Lebensdauer der Batterie dadurch vergrößert wird, daß die Stromentnahme bei kleineren Meßwerten der Kapazität bzw. Admittanz herabgesetzt wird.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zur Admittanzmessung nach dem Prinzip der Scheinstrommessung, bei welcher das Meßobjekt, dessen Admittanz gemessen werden soll, im Ausgangskreis eines Verstärkerelements liegt, an dessen Steuerelektrode eine Wechselspannung fester Frequenz angelegt ist, wobei die beiden Klemmen des gesteuerten Strompfades des Verstärkerelements jeweils über eine Impedanz mit dem einen bzw. dem anderen Pol einer Betriebsspannungsquelle verbunden sind und an die nicht mit dem Meßobjekt verbundene Strompfadklemme des Verstärkerelements eine Gleichrichterschaltung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Impedanz, die die mit dem Meßobjekt (11) verbundene erste Strompfadklemme des Verstärkerelements (20) mit dem ersten Pol (14) der Betriebs­ spannungsquelle (13) verbindet, eine erste steuerbare Stromquelle (21) ist, daß die zweite Impedanz, die die nicht mit dem Meßobjekt (11) verbundene zweite Strompfadklemme mit dem zweiten Pol (15) der Betriebsspannungsquelle (13) verbindet, eine zweite steuerbare Stromquelle (22) ist, die so ausgebildet ist, daß sie selbsttätig auf Gleichlauf mit der ersten steuerbaren Stromquelle (21) gesteuert wird, daß die Gleichrichterschaltung (28) so ausgebildet ist, daß sie den ihr zugeführten Wechselstrom (i_M) in eine dazu proportionale Meßgleichspannung (U_M) umwandelt, und daß der über die erste steuerbare Stromquelle (21) fließende Gleichstrom (I₁) in Abhängigkeit von der Meßgleichspannung (U_M) so eingestellt wird, daß er stets geringfügig größer als der Spitzenwert des über das Meßobjekt (11) fließenden Wechselstroms (i_M) ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des über die erste steuerbare Stromquelle (21) fließenden Gleichstroms (I₁) ein Steuerkreis vorgesehen ist, der einen Verstärker (30) enthält, dem einerseits die Meßgleichspannung (U_M) und andererseits eine von der Meßgleichspannung (U_M) unabhängige feste Spannung zur Einstellung eines konstanten Grundstroms zugeführt werden.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungsregelkreis vorgesehen ist, in dem die am Meßobjekt (11) anliegende Wechselspannung gemessen und die an die Steuerelektrode des Verstärkerelements (20) angelegte Wechselspannung (U_W) so geregelt wird, daß die gemessene Wechselspannung konstant ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregelkreis enthält:

• - einen Spannungs-Strom-Wandler (60), der die am Meßobjekt (11) anliegende Wechselspannung in einen dazu proportionalen Wechselstrom umwandelt;
• - eine dem Spannungs-Strom-Wandler (60) nachgeschaltete Gleichrichterschaltung (61), die den Wechselstrom in eine dazu proportionale Gleichspannung umwandelt;
• - einen Differenzverstärker (63), der die Gleichspannung mit einer festen Referenzspannung vergleicht und ein die Abweichung darstellendes Ausgangssignal liefert.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs-Strom-Wandler (60) des Spannungsregelkreises in gleicher Weise wie die in der Meßschaltung als Spannungs-Strom-Wandler dienende Spannungsfolgerstufe (20, 21, 22) ausgebildet ist, wobei im Ausgangskreis der Spannungsfolgerstufe anstelle des Meßobjekts eine feste Referenz­ admittanz (62) liegt.