DD221847A1 - CAPACITIVE TRANSDUCER - Google Patents

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DD221847A1
DD221847A1 DD26002284A DD26002284A DD221847A1 DD 221847 A1 DD221847 A1 DD 221847A1 DD 26002284 A DD26002284 A DD 26002284A DD 26002284 A DD26002284 A DD 26002284A DD 221847 A1 DD221847 A1 DD 221847A1
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DD
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capacitive
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DD26002284A
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Inventor
Werner Klose
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Orsta Hydraulik Veb K
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Messwandler, der die direkte Messung kleinster Kapazitaeten ermoeglicht und der in Abhaengigkeit von der gemessenen Kapazitaet ein analoges elektrisches Ausgangssignal liefert. Ziel ist es, mit geringem Aufwand an Bauelementen sehr kleine Kapazitaeten direkt zu erfassen. Aufgabe ist es, im Bereich nur weniger Picofarad mit hoher Genauigkeit und guter Temperatur- und Langzeitstabilitaet direkt zu messen. Das wird dadurch geloest, dass die zu messende Kapazitaet mit einer Hilfskapazitaet, die einen kapazitiven Spannungsteiler bilden und einem elektronischen Schalter in Reihe geschaltet ist und dieser Spannungsteiler ueber den elektronischen Schalter auf eine stabilisierte Spannung aufladbar, die zu messende Kapazitaet und die Hilfskapazitaet durch jeweils einen parallel geschalteten elektronischen Schalter entladbar sind und die Teilspannung des Spannungsteilers ueber einen weiteren elektronischen Schalter abgegriffen und auf einen Integrationskondensator geleitet wird. Die Erfindung ist fuer alle kapazitiven Geber als Messwandler, insbesondere zur Messung kleinster Kapazitaeten, geeignet. Fig. 1The invention relates to a capacitive transducer which enables the direct measurement of very small capacitances and which delivers an analogue electrical output signal as a function of the measured capacitance. The aim is to capture very small capacities directly with little effort on components. The task is to directly measure in the range of only a few picofarads with high accuracy and good temperature and long-term stability. This is achieved by the fact that the capacitance to be measured with an auxiliary capacitance, which form a capacitive voltage divider and an electronic switch in series and this voltage divider via the electronic switch to a stabilized voltage rechargeable, the capacity to be measured and the auxiliary capacity by one parallel connected electronic switch can be discharged and the partial voltage of the voltage divider via another electronic switch tapped and passed to an integration capacitor. The invention is suitable for all capacitive encoders as transducers, in particular for measuring the smallest capacitances. Fig. 1

Description

Kapazitiver MeßwandlerCapacitive transducer

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Meßwandler, der die direkte Messung kleinster Kapazitäten ermöglicht und der in Abhängigkeit von der gemessenen Kapazität ein analoges elektrisches Ausgangssignal liefert. Kapazitive Meßwandler finden beispielsweise bei der Messung kleiner Wege und Winkel oder bei der Erfassung von Ventil-, Zeiger-, Membranstellungen oder Füllständen, z.B. öl, Benzin, Wasser und dgl., insbesondere im Chemieanlagen-, Werkzeugmaschinenbau u. a. Anwendung.The invention relates to a capacitive transducer, which allows the direct measurement of very small capacitances and which supplies an analog electrical output signal as a function of the measured capacitance. Capacitive transducers find, for example, in the measurement of small paths and angles or in the detection of valve, pointer, diaphragm positions or levels, e.g. Oil, gasoline, water and the like., Especially in chemical plant, machine tool u. a. Application.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Aus dem DD-WP I36 548 ist bekannt, eine unbekannte Kapazität Cx zu messen, indem Cx in schnellem Wechsel mit einem definierten Strom und einer definierten Frequenz fortlaufend aufgeladen und wieder entladen wird, wobei der Ladestrom über den Spanntangsabfall an einem Widerstand erfaßt und als Ausgangssignal ausgegeben wird. Diese Wandler weisen vor allem den Nachteil auf, daß sie einen sehr stabilen Generator benötigen, der die Umladetransistoren steuert. Sin solcher Generator ist nur mit einem hohen Schaltungsaufwand zu realisieren. Außerdem muß bei der Messung kleiner Kapazitäten die Generatorfrequenz sehr hoch gewählt werden, um ein ausreichendes Aus-It is known from DD-WP I36 548 to measure an unknown capacitance C x by continuously charging and discharging C x in rapid alternation with a defined current and a defined frequency, wherein the charging current is sensed via the voltage drop across a resistor and is output as an output signal. Above all, these transducers have the disadvantage that they require a very stable generator which controls the transhipment transistors. Sin such generator can only be realized with a high circuit complexity. In addition, when measuring small capacitances, the generator frequency must be set very high in order to ensure sufficient

gangs-signal' zu erhalten. Der Frequenzerhöhung sind in der Praxis jedoch Grenzen gesetzt, so daß Kapazitätsmessungen von wenigen Picofarad nicht mehr exakt vorgenommen werden können.get signal '. However, the frequency increase in practice limits, so that capacity measurements of a few picofarads can not be made exactly.

Aus der DB-AS 2 148 775 ist weiterhin bekannt, die unbekannte Kapazität C„ auf die Weise zu messen, daß C mit einem konstanten Strom aus einer Gleichstromquelle solange geladen wird, bis die Spannung an CL. einen angeschlossenen Schmitt-Trigger durchschaltet und dieser den Entladetransistor ansteuert, der C wieder entlädt. Dieser Vorgang wiederholt'sich ständig mit einer Frequenz, die der Größe der Kapazität von CY proportional ist. Die Ausgangsimpulse des Schmitt-Triggers werden integriert und als Analogsignal ausgegeben.From DB-AS 2 148 775 it is also known to measure the unknown capacitance C "in such a way that C is charged with a constant current from a DC source until the voltage at CL. Connects a connected Schmitt trigger and this drives the discharge transistor, the C discharges again. This process repeats itself at a frequency that is proportional to the size of the capacitance of C Y. The output pulses of the Schmitt trigger are integrated and output as an analog signal.

Auch dieser Wandler ist ebenfalls nicht zur Messung kleiner Kapazitäten geeignet, da hier parallel zu G die störende Eingangskapazität des Schmitt-Triggers liegt und auch die Frequenz des Triggers nach oben begrenzt ist.Also, this converter is also not suitable for measuring small capacitances, since parallel to G, the interfering input capacitance of the Schmitt trigger and the frequency of the trigger is limited upwards.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Bs ist Ziel der Erfindung, einen kapazitiven Meßwandler zu schaffen, der in der Lage ist, sehr kleine Kapazitäten mit geringem Aufwand an Bauelementen direkt zu erfassen.Bs is the object of the invention to provide a capacitive transducer which is able to directly detect very small capacitances with little effort on components.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Es ist Aufgabe der Erfindung, den kapazitiven Meßwandler so auszubilden, daß mit ihm im Bereich von nur wenigen Picofarad mit hoher Genauigkeit und guter Temperatur- und Langzeitstabilität direkt gemessen werden kann. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß die zu messende Kapazität mit einer Hilfskapazität und einem elektronischen Schalter in Reihe geschaltet ist, wobei die zu messende Kapazität und die Hilfskapazität einen kapazitiven Spannungsteiler bilden und dieser Spannungsteiler überIt is an object of the invention to form the capacitive transducer so that it can be measured directly with him in the range of only a few picofarads with high accuracy and good temperature and long-term stability. According to the invention this is achieved in that the capacitance to be measured with an auxiliary capacitance and an electronic switch is connected in series, wherein the capacitance to be measured and the auxiliary capacitance form a capacitive voltage divider and this voltage divider via

den elektronischen Schalter auf eine stabilisierte Spannung aufladbar ist, die zumessende Kapazität und die" Hilf skapazität durch jeweils einen parallel geschalteten elektronischen Schalter entladbar sind und die Teilspannung des kapazitiven Spannungsteilers über einen weiteren elektronischen Schalter abgegriffen und auf einen Integrationskondensator geleitet wird.the electronic switch can be charged to a stabilized voltage, the capacitance to be measured and the auxiliary capacitance can be discharged by a respective parallel electronic switch and the partial voltage of the capacitive voltage divider is tapped via another electronic switch and directed to an integration capacitor.

Weitere Merkmale der Erfindung bestehen darin, daß anstelle des elektronischen Schalters, der die Teilspannung des kapazitiven Spannungsteilers abgreift, vorzugsweise eine Diode eingesetzt ist und der kapazitive Spannungsteiler als Differentialkondensator aufgebaut ist. ,Further features of the invention are that instead of the electronic switch, which picks up the partial voltage of the capacitive voltage divider, preferably a diode is used and the capacitive voltage divider is constructed as a differential capacitor. .

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel naher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the accompanying drawing show:

Fig. 1 den Schaltplan eines kapazitiven Meßwandlers, Fig. 2 den Teilschaltplan nach Fig. 1 mit Differentialkondensator.Fig. 1 shows the circuit diagram of a capacitive transducer, Fig. 2 shows the partial circuit diagram of FIG. 1 with differential capacitor.

Eine unbekannte zu messende Kapazität C. ist mit einer Hilfskapazität Cjj und einem elektronischen Schalter T 1 in Heihe geschaltet. Der aus Cx und Cg gebildete kapazitive Spannungsteiler ist über Cx mit dem Bezugspotential und über T 1 mit einer stabilisierten Spannungsquelle U3., verbunden. Parallel zu Cx und Cg liegt jeweils ein elektronischer Schalter T 3» T 4· Der Verbindungspunkt von C__ und Ctt ist über einen weiteren elektronischen Schalter T 2 mit einem Integrationskondensator C. und dem Eingang eines Differenzverstärkers 2 verbunden. Der zweite Eingang des Differenzverstärkers 2 liegt an einer Heferenzspannung U ^.An unknown capacitance C to be measured is connected in series with an auxiliary capacitance Cjj and an electronic switch T 1. The capacitive voltage divider formed from C x and Cg is connected via C x to the reference potential and via T 1 to a stabilized voltage source U 3 . In each case, an electronic switch T 3 »T 4 is located parallel to C x and Cg. The connection point of C__ and Ctt is connected via a further electronic switch T 2 to an integration capacitor C and to the input of a differential amplifier 2. The second input of the differential amplifier 2 is at a Heferenzspannung U ^.

ι " ι "

Im Betrieb steuert ein Generator 1 die elektronischen Schalter T 1; T 2 und T 3; T4 periodisch mit gegenphasi-In operation, a generator 1 controls the electronic switches T 1; T 2 and T 3; T4 periodically with antiphase

gen Signalen an, so daß T 1 und T 2 im Wechsel mit T 3 und T 4 fortlaufend auf- und zugesteuert werden. In der Phase, in der T 1 und T 2 leitend sind, wird der kapazitive Spannungsteiler CxI Cg auf die Spannung üstat) auf geladen, und über den elektronischen Schalter T 2 erfolgt ein Ladungsausgleich auf den Integrationskondensator C^. In der Phase, in der T 3 und T 4 leitend sind, werden die Teilkapazitäten Cg und Cx wieder entladen. Der Integrätionskondensator C1 behält seine Ladung, da T 2 jetzt geschlossen ist.to signals T, so that T 1 and T 2 in alternation with T 3 and T 4 are continuously opened and closed. In the phase in which T 1 and T 2 are conducting, the capacitive voltage divider C x I Cg is charged to the voltage U stat) , and via the electronic switch T 2 a charge equalization takes place on the integration capacitor C 1. In the phase in which T 3 and T 4 are conducting, the partial capacitances Cg and C x are discharged again. The integrating capacitor C 1 retains its charge since T 2 is now closed.

Die laufende Umladung des kapazitiven Spannungsteilers C } Ctt und der dabei auftretende Ladungsfluß über T 2 laßt am Integrationskondensator C^ eine Spannung entstehen, deren Größe abhängig ist von der Größe der Kapazität C„. Diese Spannung vergleicht der Differenzverstärker 2 mit der Referenzspannung Ur ^ und bildet daraus die Ausgangsspannung U^.The current charge reversal of the capacitive voltage divider C} Ctt and the resulting charge flow over T 2 let the integration capacitor C ^ produce a voltage whose size depends on the size of the capacitance C ". This voltage compares the differential amplifier 2 with the reference voltage U r ^ and forms the output voltage U ^.

Als elektronische Schalter wurden im Ausführungsbeispiel Transistoren eingesetzt. Entsprechend der funktionellen Aufgabe des elektronischen Schalters T 2 ist der Einbau einer Diode oft ausreichend.As electronic switches transistors were used in the embodiment. According to the functional task of the electronic switch T 2, the installation of a diode is often sufficient.

Bei der Messung' kleiner Wege und Winkel mit kapazitiven Weg- und Winkelaufnehmern werden diese zur Erzielung einer linearen Meßkennlinie häufig als Differentialkondensator ausgeführt. In Fig. 2 ist ein Anwendungsbeispiel des kapazitiven Meßwandlers mit einem solchen Differentialkondensator dargestellt. Der Differentialkondensator 3 bildet hier den zur Messung benötigten kapazitiven Spannungsteiler. Die Funktion ist analog zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, wobei der elektronische Schalter T 1 wieder für die Aufladung des Spannungsteilers sorgt und durch die elektronischen Schalter T 3; T 4 die Teilkapazitäten immer wieder entladen werden.When measuring 'small paths and angles with capacitive displacement and angle sensors they are often designed to achieve a linear measurement characteristic as a differential capacitor. In Fig. 2, an application example of the capacitive transducer is shown with such a differential capacitor. The differential capacitor 3 forms the capacitive voltage divider needed for the measurement. The function is analogous to the embodiment of Figure 1, wherein the electronic switch T 1 again provides for the charging of the voltage divider and by the electronic switch T 3; T 4 the partial capacities are discharged again and again.

Der erfindungsgemäße kapazitive Meßwandler ist einfach im Aufbau, gestattet die direkte Messung kleinster Kapazitäten bei sehr guter Temperatur- und Langzeitstabilität und ermöglicht den verstärkten Einsatz einfach herstellbarer kapazitiver Meßgrößenaufnehmer in der Praxis.The inventive capacitive transducer is simple in construction, allows the direct measurement of very small capacities with very good temperature and long-term stability and allows the increased use of easily manufactured capacitive Meßgrößenaufnehmer in practice.

Claims (3)

Erfindungsanspruchinvention claim 1. Kapazitiver MeBwandler? der die direkte Messung 'kleinster Kapazitäten ermöglicht und der in Abhängigkeit von der gemessenen Kapazität ein analoges elektrisches Ausgangssignal liefert, gekennzeichnet d ä d u r ch , daß die zu messende Kapazität (C„) mit einer Hilfskapazität (Cg) und einem elektronischen Schalter (T 1) in Reihe geschaltet' ist, wobei die Kapazität (Gx) und die Hilfskapazität (Cg) einen kapazitiven Spannungsteiler bilden und dieser Spannungsteiler über den elektronischen Schalter (T 1) auf eine stabilisierte Spannung (U3^ ^) aufladbar ist, die zu messende Kapazitat (O ) und die Hilfskapazität (Ctt) durch jeweils einen parallel geschalteten elektronischen Schalter (T 3; T 4) entladbar sind und die Teilspannung des kapazitiven Spannungsteilers über einen elektronischen Schalter. (T 2) abgegriffen und auf einen Integrationskondensator (Cj) geleitet wird. V ,1. Capacitive transducer? which enables the direct measurement of the smallest capacitances and which supplies an analogue electrical output signal as a function of the measured capacitance, characterized in that the capacitance (C ") to be measured has an auxiliary capacitance (Cg) and an electronic switch (T 1 ) is connected in series, wherein the capacitance (G x ) and the auxiliary capacitance (Cg) form a capacitive voltage divider and this voltage divider via the electronic switch (T 1) to a stabilized voltage (U 3 ^ ^) is chargeable, the measuring capacitance (O) and the auxiliary capacitance (Ctt) by a parallel electronic switch (T 3, T 4) are dischargeable and the partial voltage of the capacitive voltage divider via an electronic switch. (T 2) is tapped and passed to an integration capacitor (Cj). V, 2> Kapazitiver Meßwandler nach Punkt 1, g e k e η η -· ζ ei σ h η e t: d a d u rc h , - daß anstelle des elektronischen Schalters (T. 2) vorzugsweise eine Diode eingesetzt ist. 7 v . "2> capacitive transducer according to point 1, geke η η · i ei σ h η et : dadu rc h, - that instead of the electronic switch (T. 2) preferably a diode is used. 7 v . " 3 ..'." Kapazitiver'Meßwahdler nach Punkt Λ und 2, g e ken η ζ ei c h η e t d ad u r c h , daß der kapazitive Spannungsteiler als Differentialkondensator (3) aufgebaut ist.3 .. '. "Capacitive'Meßwahdler after point Λ and 2, ge ken η ζ ei ch η etd ad urch that the capacitive voltage divider is constructed as a differential capacitor (3). '-, Hierzu A Seite Zeichnungen ·—'- For this A page Drawings · -
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004039968A1 (en) * 2004-08-18 2006-02-23 Marquardt Gmbh Capacitor capacity determining method, involves charging capacitor with respective charging that corresponds to charging of parasitic capacitance, before beginning of charging with respect to charging-discharging cycle

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102004039968A1 (en) * 2004-08-18 2006-02-23 Marquardt Gmbh Capacitor capacity determining method, involves charging capacitor with respective charging that corresponds to charging of parasitic capacitance, before beginning of charging with respect to charging-discharging cycle

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