DD222424A1 - Kapazitiver messwandler - Google Patents

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. Die Aufgabe besteht darin, 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 in Reihe geschaltet ist, wobei diese Kapazitaeten einen kapazitiven Spannungsteiler bilden und dieser Spannungsteiler durch das Ausgangssignal eines Generators auf- und entladbar ist und die Entladung der Hilfskapazitaet durch eine zur zu messenden Kapazitaet parallel geschalteten Diode unterstuetzt wird und die Teilspannung des Spannungsteilers ueber eine weitere Diode abgegriffen und auf einen Integrationskondensator geleitet wird. Die Erfindung ist fuer alle kapazitiven Geber als Messwandler, insbesondere zur Messung kleinster Kapazitaeten, geeignet. Fig. 1

Description

Kapazitiver Meßwandler

Anwendungsgebiet der Erfindung

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 werden zur Messung kleiner Winkel und Wege, zur Erfassung von Ventil-, Zeiger-, Membranstellungen oder Füllständen von öl, Benzin, Wasser und dgl. im Chemieanlagen-, Werkzeugmaschinenbau u.a. angewendet.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Das DD-WP I36 548 beschreibt die Messung einer unbekannten Kapazität C , indem C in schnellem Wechsel mit einem definierten Strom und einer definierten Frequenz fortlaufend auf- und entladen wird, wobei der Ladestrom über den Spannungsabfall an einem Widerstand erfaßt wird und als AusgangsSignal ausgegeben wird.

Diese Meßwandler weisen vor allem den Nachteil auf, daß sie einen sehr stabilen, nur mit hohem Schaltungsaufwand zu realisierenden Generator benötigen, der die Umladetransistoren steuert. Außerdem muß bei der Messung kleiner Kapazitäten die Generatorfrequenz sehr hoch gewählt wer- den, um ein ausreichendes Ausgangssignal zu erhalten. Der Frequenzerhöhung sind in der Praxis jedoch Grenzen ge-

setzt, so daß Kapazitätsmessungen von wenigen Picofarad nicht mehr exakt vorgenommen werden können.

Aus der DS-AS 2 148 775 ist bekannt, die unbekannte Kapazität C auf die Weise zu messen, daß G_x mit einem konstanten Strom aus einer Gleichstromquelle solange aufgeladen wird,, bis die Spannung an G 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 0_χ-proportional-ist. Die Ausgangsimpulse des Schmitt-Triggers werden integriert und als Analogsignal, ausgegeben.

Auch dieser Wandler eignet sich nicht zur Messung kleinster Kapazitäten, da parallel zu C_x die störende Eingangskapazität des Schmitt-Triggers liegt und auch dessen Frequenz nach' oben begrenzt ist.

Ziel der Erfindung '

33s ist Ziel der Erfindung, einen kapazitiven Meßwandler zu schaffen, der es ermöglicht, sehr kleine Kapazitäten mit geringstem Aufwand an elektronischen Bauelementen direkt zu erfassen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

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 in Reihe geschaltet ist, wobei beide Kapazitäten einen kapazitiven Span-, nungsteiier bilden, dieser Spannungsteiler durch.das Ausgangssignal eines Generators auf- und entladbar ist und

die Entladung der Hilfskapazität durch, eine zur messenden Kapazität parallel geschaltete Diode unterstützt wird und die Teilspannung des kapazitiven Spannungsteilers über eine weitere Diode abgegriffen und auf einen Integrationskondensator geleitet wird.

Weitere Merkmale der Erfindung bestehen darin, daß zwischen dem Verbindungspunkt der Teilkapazitäten des Spannungsteilers und,dem Bezugspotential anstelle der Diode ein Widerstand geschaltet werden kann und der kapazitive Spannungsteiler als Differentialkondensator ausgeführt ist.

Ausföhrungsbeispie1

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 den vereinfachten Schaltplan eines kapazitiven Meßwandlers, .

Fig. 2 den Teilsehaltplan nach Fig. 1 mit Differentialkondensator.

Die unbekannte zu messende Kapazität C„ ist mit einer Hilfskapazität Ctt in Reihe geschaltet und bildet mit dieser einen kapazitiven Spannungsteiler, der über die Hilfskapazitat Cg mit dem Ausgang eines Generators 1 und über die zu messende Kapazität C mit dem Bezugspotential verbunden ist. Paral-IeI zu C„ ist eine Diode TD 1 angeordnet. Der Verbindungspunkt von G und C^ ist über eine Diode VD 2 mit einem Integrationskondensator C- und dem Eingang eines Differenzverstärkers 2 verbunden. Der zweite Eingang des Differenzverstärkers 2 wird von einer Heferenzspannungsquelle U₂, ~ ge- · speist.

im Betrieb wird der kapazitive Spannungsteiler G - Ctt durch den Generator 1 im Wechsel periodisch auf eine konstante Spannung aufgeladen und entladen. In der Phase der Aufladung erfolgt über die Diode VD 2 gleichzeitig eine

Aufladung des Integrationskoridensators C^.. In der Phase der Entladung werden nur die Teilkapazitäten des kapazitiven Spannungsteilers; entladen.. C^ behält seine Ladung, da die Diode TD 2 jetzt sperrt. Die- Diode VD 1 unterstützt die Entladung der Hilfskapazität Ctj.

Die laufende Umladung des kapazitiven Spannungsteilers. C, - CU und der dabei auftretende Ladungsfluß über die , Diode YD 2 IaBt am Integrationskondensator C^.eine Spannung entstehen, 'deren Größe abhängig ist von der Größe der zu . messenden Kapazität C ..Diese Spannung vergleicht der Differenzverstärker 2-mit der Referenzspannung U - und bildet daraus die Ausgangsspannung U.. ' Zur Unterstützung der Entladung der Hilfskapazität G^ ist im Ausführungsbeispiel die Diode VD 1 parallel zu G„ geschaltet. Diese Aufgabe kann im einfachsten Fall 'auch ein Widerstand erfüllen.

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 C^ bildet hier den zur Messung benötigten kapazitiven Spannungsteiler. Die Funktion ist analog zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, wobei der Generator 1 den Differentialkondensator Cjj laufend auf- und entlädt. Die Diode VD 2 unterstützt dabei die Entladung des Differentialkondensators G^,und die Diode VD 1 verhindert die Entladung des Integrationskondensators C. .

Der erfindungsgemäße kapazitive Meßwandler ist einfach im Aufbau, gestattet die direkte Messung kleinster Kapazitäten von nur wenigen Picofarad bei sehr^guter Temperatur- und Langzeitstabilität und ermöglicht den verstärkten Einsatz einfach herstellbarer kapazitiver Meßgrößenaufnehmer in der Praxis. \ · '....

Claims (3)

1. Erfindungsanspruch

   1. Kapazitiver Meßwandler, der die direkte Messung kleinster Kapazitäten ermöglicht und der in Abhängigkeit von der gemessenen Kapazität ein analoges elektrisches Ausgangssignal liefert, gekennzeichnet dadurch, daß die zu messende Kapazität (C__) mit einer Hilfskapazität (Cj₁) in Heihe geschaltet ist, wobei die Kapazitäten (Cj. Ctt) einen kapazitiven Spannungsteiler· bilden, dieser Spannungsteiler durch das Ausgangssignal eines Generators (1) auf- und entladbar ist und die Entladung der Hilfskapazität (Cg) durch eine zur zu. messenden Kapazität (C ) parallel geschaltete Diode (VD 1) unterstützt wird und die Seilspannung des kapazitiven Spannungsteilers (C_x; .Cg) über eine Diode (VD 2) abgegriffen und auf einen Integrationskondensator (C^) geleitet wird.
2. 2. Kapazitiver Meßwandler nach Punkt 1, g e kennzeichne t dadurch , daß zur Unterstützung der Entladung der Hilf skapazität (Ctt) anstelle der Diode (VD 1) ein Widerstand eingesetzt werden kann.
3. 3. Kapazitiver Meßwandler nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der kapazitive Spannungsteiler als Differentialkondensator (CjO ausgeführt ist.

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