DE1249404B - Direkt anzeigendes Kapazitatsmeßgerat " 1 65 V St Amerika - Google Patents

Description

BUNDESREPOBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

GOIr

Deutsche Kl.: 21 €-29/03

Nummer: 1 249 404

Aktenzeichen: J 27294IX d/21 e

Anmeldetag: 5. Januar 1965

Auslegetag: 7. September 1967

Die vorliegende Erfindung betrifft ein direkt anzeigendes Kapazitätsmeßgerät, das eine der zu messenden Kapazität proportionale Anzeigespannung liefert.

Es sind Kapazitätsmeßgeräte bekannt, die unmittelbar die Ladung oder den Ladestrom des zu messenden Kondensators messen und daraus dann den Kapazitätswert ableiten. Diese indirekte Kapazitätsmessung hat verschiedene Mängel. Der hauptsächlichste ist der innere Scheinwiderstand des Meßgerätes. Seine Genauigkeit ist vom Scheinwiderstand abhängig, so daß ίο Stromindikatoren mit geringem inneren Scheinwiderstand, wie z.B. ballistische Galvanometer, benutzt werden. Während diese Galvanometer den impedanzbedingten Fehler nur verringern, aber nicht ganz beseitigen, bringt ihre Ablesung andere bekannte Nachteile mit sich.

Ferner sind Kapazitätsmeßgeräte nach der Vergleichs- und der Substitutionsmethode bekannt, bei denen der zu messende Kondensator mit einem geeichten, veränderbaren Kondensator verglichen oder durch einen solchen ersetzt wird, der in der Meßschaltung dieselbe Wirkung hervorruft, oder in denen der geeichte Kondensator nach Parallelschaltung des Meßobjekts um dessen Kapazitätswert verringert werden muß, um dieselbe Wirkung wie vorher zu erzeugen. Für diese Kapazitätsvergleiche werden besonders scharf ausgeprägte Wirkungen der Meßschaltungen herangezogen, beispielsweise die durch scharfe Strombzw. Spannungsminima in einer Brückendiagonale angezeigten Gleichgewichtszustände in verschiedenen Brückenschaltungen oder die durch scharfe Stromoder Spannungsspitzen gekennzeichneten Resonanzzustände dämpfungsarmer Schwingungskreise. Diese Meßgeräte haben den Nachteil, daß es bei ihnen mehrerer Schritte bedarf, durch die der gleiche markante Zustand der Meßschaltung hergestellt werden muß, und daß sich aus diesen Schritten der gesuchte Kapazitätswert zum Teil erst durch Differenzbildung, manchmal auch erst durch Rechnung ergibt.

Bekannt ist es auch, aus dem zu messenden Kondensator einen Rückkopplungs- oder Gegenkopplungszweig zwischen Ausgang und Eingang eines meist mehrstufigen Verstärkers zu bilden und aus dessen Ausgangsspannung in ziemlich umständlicher Weise, z.B. mittels Eichkurven oder Oszillographenkurven, den Kapazitätswert abzuleiten.

Ferner lassen sich bekanntermaßen größere Kapazitäten direkt durch den sie durchfließenden Wechselstrom beim Anlegen an eine bekannte feste Wechselspannung messen. Die Genauigkeit läßt jedoch zu wünschen übrig, wenn die Wechselspannung nicht genau sinusförmig und das Meßobjekt verlustbehaftet Direkt anzeigendes Kapazitätsmeßgerät

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

Armonk N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt,

Böblingen, Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:

Manfred Hilsenrath, Saratoga, Calif.;

Terence James McGurn, Newark, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 6. Januar 1964 (335 935)

ist. Außerdem kann die Strombelastung großer Kapazitäten zu hoch werden, und für kleine Kapazitäten müßte die Meßspannung zu groß oder die Empfindlichkeit des Strommessers unwirtschaftlich hoch gewählt werden.

Die letztgenannten Nachteile wurden bereits zu umgehen versucht durch indirekte Verstärkung des kapazitätsproportionalen Meßstroms auf dem Umweg einer von ihm mittels eines zum Meßobjekt in Reihe geschalteten Widerstandes abgeleiteten Meßspannung. Da dieser Reihenwiderstand zur Vermeidung eines unzulässig großen Meßfehlers gegenüber dem Blindwiderstand des Meßobjekts sehr klein sein muß, ist auch die an ihm entstehende Meßspannung sehr klein, so daß eine hohe Verstärkung derselben, also ein mehrstufiger Verstärker, erforderlich ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein direkt anzeigendes Kapazitätsmeßgerät — der Art, bei der das Meßobjekt mit konstanter Wechselspannung gespeist wird und der das Meßobjekt durchfließende, dessen Kapazität weitgehend proportionale Meßwechselstrom nach Verstärkung zur Kapazitätsanzeige dient — zu schaffen, das gegenüber den bekannten vereinfacht ist, indem der Umweg über die Spannungsverstärkung vermieden und direkte Meßstromverstärkung angewendet wird. Dadurch kommt das Gerät trotz kleiner Speisewechselspannung mit geringer Verstärkung aus.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Meßobjekt zu einem Kondensator bekannter Kapazität

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und einer Spule bekannter Induktivität parallel geschaltet ist, daß diese Parallelschaltung im Stromkreis der sowohl zum Eingangskreis als auch zum Ausgangskreis gehörenden Elektrode des Transistors eines Transistorverstärkers liegt und daß die Frequenz der Meßspannung sowie die Kapazität des Kondensators und die Induktivität der Spule so groß sowie der Leitwert der Spule so klein bemessen werden, daß dieser Leitwert und der Reziprokwert des induktiven Widerstandes der Spule zusammen mit dem Leitwert des Meßobjekts im Rahmen der gewünschten Meßgenauigkeit vernachlässigbar sind gegenüber der reziproken Summe der kapazitiven Widerstände des Kondensators und des Meßobjekts.

Die dem Meßwechselstrom proportionale Ausgangsspannung des Transistors wird durch einen Umsetzer gleichgerichtet und durch einen in Kapazitätswerten eichbaren Gleichspannungsmesser, vorzugsweise durch ein Ziffern-Voltmeter, angezeigt.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kapazitätsmeßgerätes wird nachstehend an Hand einer Zeichnung beschrieben, die das Schaltbild derselben, zum Teil in Blockform, darstellt.

Der Hauptteil des Meßgerätes ist die als Vierpol dargestellte Meßschaltung 50 mit einem PNP-Tran- as sistor 51 in Emitterschaltung. Die Transistorbasis 51 c liegt an der Eingangsklemme 52 a, der Kollektor 51b an der Ausgangsklemme 53 a und gleichzeitig über den Kollektorwiderstand 54 an der Gleichspannungsquelle 40, z. B. einer Batterie oder einem Netzgleichrichter, mit geerdetem zweitem Pol. Die geerdete und mit den Ein- bzw. Ausgangsklemmen 52 b bzw. 53 b verbundene Zuleitung zum Emitter 51a enthält eine Parallelschaltung aus einer Spule 55 mit bekannter Induktivität, einem Kondensator 56 mit bekannter Kapazität und dem kapazitiven Meßobjekt 60 zwischen den Anschlußklemmen 57 a und 57 b. Im Schaltbild des Ausführungsbeispiels ist die zu messende Kapazität als Kondensator 60 dargestellt. Das Meßobjekt kann jedoch ein beliebiger kapazitätsbehafteter Zweipol sein.

Wenn nun dieser Meßschaltung 50 über die Eingangsklemmen 52 a und 52 b eine konstante Wechselspannung zugeführt wird, z. B. von einem Oszillator 10 bekannter Art, so entsteht an den Ausgangsklemmen 53 a und 53 b eine Wechselspannung, deren Änderung infolge Anschaltens des Meßobjekts dessen Kapazität proportional ist. Eine gute Proportionalität wird durch hohe Werte der bekannten Induktivität und Kapazität erreicht, wie nachstehend noch näher erläutert wird. Der Wechselstromgenerator 10 bekannter Art muß eine sinusförmige oder andere symmetrische Wechselspannung mit geeigneter und genügend konstanter Frequenz und Amplitude liefern.

Die Ausgangsspannung der Meßschaltung 50 kann; wie im Ausführungsbeispiel angenommen, einem Wechselspannungs-Gleichspannungsumsetzer 20 bekannter Art mit guter Linearität der Spannungsumsetzung zugeführt werden, dessen Ausgangsgleichspannung beispielsweise von einem gleich in Kapazi- <5o tätswerten geeichten Voltmeter 30 bekannter Art, vorzugsweise von einem Ziffern-Voltmeter, angezeigt wird.

An Stelle des dargestellten PNP-Transistors 51 kann auch ein entsprechender NPN-Transistor verwendet werden, nur muß dann die Gleichstromquelle 40 umgepolt werden. Ebenso sind statt der Emitterschaltung auch andere Grundschaltungen für den Transistor 51 brauchbar.

Um nun die mathematischen Beziehungen zwischen den elektrischen Werten der Meßschaltung 50 zu untersuchen, werden diese zunächst wie folgt definiert:

Vi_n = Eingangswechselspannung an den Klemmen 52a und 52*,

Ve = Wechselspannung des Emitters 51a gegenüber Erde,

Vout = Ausgangswechselspannung an den Klemmen 53a und 53*.

Lp, Gp = Induktivität bzw. Leitwert (reziproker Widerstand) der Spule 55,

Ck = Kapazität des Kondensators 56,
C_x, G_x = Kapazität bzw. Leitwert des Meßobjekts 60, Rl = Belastungsscheinwiderstand des Kollektors 51b, hauptsächlich Kollektorwiderstand 54; ie, ic = Wechselströme des Emitters 51a bzw. Kollektors 51 b,

ω = Kreisfrequenz 2nf der Eingangswechselspannung an den Klemmen 52 a und 52 b,

J = Y=I,

oi = Stromverstärkungsfaktor des Transistors 51.

Wenn die Eingangswechselspannung Vi_n aus dem Generator 10 konstant ist, ist auch die Emitterspannung Ve im wesentlichen konstant. Dann hat der Emitterstrom U den Wert

ie = Ve JO) (C_x + Ck) + G_x

Jω Lp

Die Drosselspule 55 stellt die in ihrer Wirksamkeit von der Größe ihrer Induktivität L_v unabhängige Gleichstromverbindung zwischen Emitter 51a und Erde her. Darum wird die Induktivität L_p genügend groß gewählt, damit das sie enthaltende Glied der vorstehenden Gleichung gegenüber den anderen Gliedern vernachlässigt werden kann. Um ferner den Einfluß der durch die Leitwerte G_x und G_v des Meßobjekts bzw. der Drosselspule bedingten Ströme zu verringern oder zu beseitigen, erhält der Kondensator 56 einen so großen Kapazitätswert Ck, daß in obiger Gleichung die genannten Leitwerte G_x und Gp gegenüber dem Glied mit der Summe (C_x+Ch) vernachlässigt werden können.

Unter den vorgenannten Voraussetzungen für die ausreichende Größe von L_p und Ck nimmt die Gleichung für den Emitterstrom i_e die folgende Näherungsform an:

i_e = Ve -J(O(C_x + C_k).

Sie kann auch geschrieben werden
U = Ve-JwC_x + K₁,

wo K₁ eine Konstante mit dem Wert V_e -jco Ck ist.

Der Kollektorstrom i_e ist bekanntermaßen dem Emitterstrom i_e proportional, wobei der Proportionalitätsfaktor der Stromverstärkungsfaktor <x ist:

ic = Oi · i_e = (X · V_ej(O C_x + OC-K₁.

Die am Kollektorwiderstand Rl abfallende Ausgangswechselspannung V_out an den Klemmen 53a und 53 b beträgt dann

V₀Ut = ic- Rl— ac · V_e· JwC_x- Rl + oi· K₁- Rl-

Claims (3)

Diese Gleichung kann auch geschrieben werden Vout = λ· Ve -jco Cx- Rl + Ki, wo K2 = <x ■ K1 - RL konstant ist. Die Differentiation dieser Gleichung nach Cx ergibt schließlich -^ = CC-Ve-JCO-RL, was besagt, daß die durch Hinzufügung der Meßobjektkapazität Cx hervorgerufene Änderung der Ausgangs-Wechselspannung V0^t dann dieser zu messenden Kapazität Cx proportional ist, wenn die rechte Seite der Gleichung während der Messung konstant gehalten wird, d. h., wenn Amplitude und Frequenz der Emitterwechselspannung Ve sowie der Stromverstärkungsfaktor λ konstant gehalten werden, da der Widerstand Rl sowieso konstant ist. Diese Bedingung ist jedoch, wie bereits ausgeführt wurde, erfüllt, wenn voraussetzungsgemäß Frequenz und Amplitude der Eingangswechselspannung Fin aus dem Generator 10 konstant gehalten werden. Außerdem müssen die schon genannten Größenbedingungen für die konstanten Werte der Induktivität Lp der Spule 55 sowie der Kapazität Ck des Kondensators 56 eingehalten werden, damit in der ersten Gleichung für den Emitterwechselstrom ie die Summe des zweiten bis vierten Gliedes in der Klammer gegenüber dem ersten Glied vernachlässigt werden kann, damit also die Ungleichung Jw(Cx j ω Lp erfüllt ist. Sind alle Bedingungen erfüllt, so ist außer der Ausgangswechselspannung V0Ut der Meßschaltung50 wegen der voraussetzungsgemäß linearen Arbeitsweise des Umsetzers 20 auch dessen Ausgangsgleichspannung und somit auch die Anzeige des Ziffern-Voltmeters 30 der zu messenden Kapazität Cx proportional. Infolgedessen kann das Voltmesser 30 direkt in Kapazitätswerten Cx geeicht werden. Der Fehler dieser Anzeige des Voltmeters 30, bedingt durch die Vernachlässigung der rechten Seite der vorstehenden Ungleichung, beträgt dann in Prozenten F = jco (Cx + Ck) + Gx + Gp + j ω Lp Man erkennt, daß tatsächlich durch genügend große Bemessung der Kapazität Cs des Kondensators 56, der Induktivität Lp der Drosselspule 55 und der Frequenz / der Eingangswechselspannung Vm der Genauigkeitsgrad der Anzeigeproportionalität dem Wert 100% stark angenähert werden kann. Die vorstehenden Überlegungen gelten in gleicher Weise auch bei Verwendung des Transistors 51 in Kollektorschaltung oder Basisschaltung anstatt in der beschriebenen Emitterschaltung, da sich an der grundsätzlichen Anordnung von Eingangs- und Ausgangskreis sowie der Spule 55 und der Kondensatoren 56 und 60 im gemeinsamen Schaltungszweig nicht ändert. Aus diesen Überlegungen über die Genauigkeitsbedingungen für die Meßschaltung 50 ergibt sich auch die für die Meßpraxis wichtige Folgerung, daß bei entsprechender Auslegung der Meßschaltung auch mäßige Verlustfaktoren der Meßobjekte die Genauigkeit der Kapazitätsmessung nicht beeinträchtigen, sofern der entsprechende Leitwert Gx vernachlässigbar bleibt. ίο Zur Erleichterung der Messung, z. B. zur Anpassung der gewünschten Meßgenauigkeit entsprechend den genannten Beziehungen an verschiedene Kapazitätsmeßbereiche und Isolationswiderstände (bzw. Ableitungen) der Meßobjekte 60, kann es vorteilhaft sein, die Induktivität der Spule 55 und bzw. oder dieKapazität des Kondensators 56 veränderbar zu machen. Patentansprüche:

1. Direkt anzeigendes Kapazitätsmeßgerät, bei dem das Meßobjekt mit konstanter Wechselspannung gespeist wird und der das Meßobjekt durchfließende, dessen Kapazität weitgehend proportionale Meßwechselstrom nach Verstärkung zur Kapazitätsanzeige dient, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt (60) zu einem Kondensator (56) bekannter Kapazität und einer Spule (55) bekannter Induktivität parallel geschaltet ist, daß diese Parallelschaltung im Stromkreis der sowohl zum Eingangskreis (Klemmen 52a, 52b) als auch zum Ausgangskreis (Klemmen 53 a, 53 b) gehörenden Elektrode (51 a) des Transistors (51) eines Transistorverstärkers (50) liegt und daß die Frequenz der Meßspannung sowie die Kapazität des Kondensators (56) und die Induktivität der Spule (55) so groß sowie der Leitwert der Spule (55) so klein bemessen sind, daß dieser Leitwert und der Reziprokwert des induktiven Widerstandes der Spule, zusammen mit dem Leitwert des Meßobjekts (60) im Rahmen der gewünschten Meßgenauigkeit vernachlässigbar sind gegenüber der reziproken Summe der kapazitiven Widerstände des Kondensators (56) und des Meßobjekts (60).

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Umsetzer (20), durch den die dem Meßwechselstrom proportionale Ausgangsspannung des Transistors (51) gleichgerichtet wird und durch einen in Kapazitätswerten eichbaren Gleichspannungsmesser (30), vorzugsweise ein Ziffern-Voltmesser, zur Anzeige.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Kondensators (56) und bzw. oder die Induktivität der Spule (55) veränderbar sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1 341 507;
britische Patentschrift Nr. 889 450;
»Funkschau«, 35 (1963), S. 375 bis 378, und 36 (1964), S. 517 und 518;

»J.E.E.E.trans.,« JM-13 (1964), S. 65 bis 71.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen