DE2322411C3

DE2322411C3 - KapazitätsmeBgerät

Info

Publication number: DE2322411C3
Application number: DE19732322411
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Filing date: 1973-05-04
Publication date: 1977-02-17

Description

Kondensator C_n, Schwingkreis I den Kondensator C_x die beiden Ausgangsspannungen seien U/¹' un<

U₀

- 1

gp
65 U₁ ¹"', so daß am Abschlußwiderstand SR₀ die beidei

auftretenden Spannungen U₁*"*, U₁*¹* sich zu NuI aufgetragen. Zwecks Vereinheitlichung der Benennun- überlagern: gen wird die nahezu ebene Kuppe der Resonanzkurve U₁^* — Ui⁽ⁿ⁾ = 0.

Wird nun die Kapazität des Kondensators C_x des einen Schwingkreises, z. B. durch Änderungen des (gasförmigen) Dielektrikums, verändert, so wird die elektrische Symmetrie der Anordnung gestört und die Übergangskurve / > /₂ verschiebt sich parallel zu kleineren oder größeren Frequenzen wie in F i g. 6 gezeichnet Es tritt infolge davon bei konstant gehaltener EingangsspannungU₀ und —Frequenz/' am Abschlußwiderstand JR_S eine Spannung

auf, die angenähert proportional der genannten Kapazitätsänderung ist. Diese Spannung kann einem Meßinstrument zugeführt oder einem Rechner eingegeben werden. Wenn die Kapazität des Kondensators C_n des zweiten Schwingkreises konstant und genau bekannt (z. B. aus ihren Abmessungen) ist, so ist damit auch die veränderliche Kapazität des Kondensators C_x bekannt.

Zum Zweck der Eichung wird der Kondensator C_x durch einen einstellbaren Präzisionskondensator (mit Feinsteinstellung) ersetzt, und zu jeder Einstellung desselben wird die auftretende Spannung

in einer Tabelle oder in Kurvenform registriert. C_n wird dabei als Kondensator mit unverändr.barem Kapazitätswert etwa in der Mitte des Gesamtbereichs der voraussichtlich zu messenden Kapazitätswerte gewählt.

Die beiden Schwingkreise werden erfindungsgemäß nicht zu aktiven Schwingungen angeregt, sondern wirken als passive Bauelemente der Schaltung mit komplexen Widerständen nach bekannten Gesetzen.

Die Anordnung ist in F i g. 2 beispielsweise dargestellt. S₁, S₂ sind Oszillatoren mit hohem Innenwiderstand. Der Schwingkreis I enthält den zu messenden Kondensator C_x, der Schwingkreis II einen genau bekannten Normalkondensator C_n. Beide Kreise werden auf gleiche Resonanzfrequenz /₀ (z. B. etwa 3,5 MHz) abgestimmt, welche nahe bei der Arbeitsfrequenz /' der Oszillatoren S₁, S₂ liegt. Diese sind über je zwei Koppelungskondensatoren (nicht gezeichnet) lose gekoppelt. Symmetrisch zu I und II ist über das induktive Kopplungsglied L₃ = jy₃ der Abschlußwiderstand JHo angeschlossen.

Die Induktionsspulen L₁, L₂ der Kreise I, II haben gleiche Windungszahlen und Induktivitäten, jedoch entweder entgegengesetzten Wicklungssinn oder werden bei gleichem Wicklungssinn im Gegentakt gespeist. Schwingen S₁ und S_t in gleicher Frequenz und ist C_x = C_n, so ist die Summe der am Abschlußwiderstand fRa auftretenden Spannungen U^, U₁*"* gleich O.

Wird dagegen der Kreis I durch Änderung der Kapazität des Kondensators C_x verstimmt, so ist die resultierende Wirkung auf ίΝ_Λ nicht mehr 0, und die an ihm auftretende Spannung ist ein Maß für die eingetretene Änderung AC_x = C_n — C_x der Kapazität des Kondensators C_x bzw. für den Unterschied gegen die bekannte Kapazität des Normalkonden· sators C_n des Kreises II, wodurch C_x ebenfalls bekannt ist.
3ί_α kann beispielsweise bestehen aus dem Koppelungsglied L₃ = jy₃, Gleichrichter 1, Speicherkondensator 2, Glättungsspule 3 und Gleichspannungsver stärker 4 (F i g. 3).

Der gemeinsame Abschlußwiderstand 3ϊ_α kann auch galvanisch zwischen den beiden Kreisen I und Il

ίο (F i g. 4) angekoppelt werden.

Zur bestmöglichen Anpassung der Generatoren S₁ S₂ an den Wellenwiderstand der Schaltung, zur Einstellung der elektrischen Symmetrie und zur Abstimmung auf die Frequenz des Generators sind ir Fig. 2, 4, 5 an sich bekannte Bauelemente (nicht gezeichnet) vorzusehen.

Die Meßgenauigkeit und Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Anordnung kann noch bedeutena erhöht und der Meßbereich erweitert werden, indem

so die beiden Resonanzkreise durch je ein selektives Netzwerk ersetzt werden, dessen einzelne Teile aus Schwingkreisen sowie Kopplungsgliedern, Verstärkerröhre!] bestehen können. In dem einen der beiden Netzwerke wird die zu messende Kapazität des Kondensators C₁ untergebracht (F i g. 5).

Die Bemessung ist so zu wählen, daß die Ausgangsspannung Ui bei konstanter Eingangsspannung U₀ in Abhängigkeit vor. der Frequenz einen Sperrbereich und einen Durchlaßbereich aufweist (F i g. 1 B, 1 C), wobei der Übergang zwischen beiden Bereichen (F i g. 1 B, 1 C) einen möglichst großen Gradienten erhalten soll. Dies ist in bekannter Weisemöglich durch zweckmäßige Wahl der elektrischen, mechanischen sowie geometrischen Bestimmungsstücke.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Schaltung ist in F i g. 5 dargestellt: 1,1; 2,2 sind Parallelschwingkreise, jy_u Jy₁, jy₃ Koppelungsglieder mit imaginärer Widerständen, 5,5 Verstärkerstufen (z. B. Röhren oder Transistoren), C_n sind unveränderliche bekannte Kondensatoren, C_x unbekannte und veränderliche Kondensatoren.

Mit steileren Gradienten wird auch der mittlere Übergangsbereich nahezu linear, dadurch erhält man proportionale Meßskala und größeren Meßbereich.

Diese obigen konstruktiven Maßnahmen können zwar zur Folge haben, daß der Durchlaßbereich der Selektionskurve nicht »eben« bleibt, sondern eb?nsoviele »Hocker« aufweist, wie die Anzahl der Glieder beträgt (F i g. 1 C: 3 Glieder). Da aber für die Wir-

kungsweise der Schaltung nur die Übergangskurven /₂ ... /₃ zwischen Sperrbereich J₁ > f > /₂ und Durchgangsbereich / < /_t ... / > /₂ maßgebend sind,, auf welchen der Arbeitspunkt liegt, können beliebig viele Hocker zugelassen werden.

Der Abschlußwiderstand JR« ist dem Wellenwiderstand der Netzwerke anzupassen. Er kann beispielsweise wie in F i g. 3 aufgebaut sein.

Wesentlich ist höchste Konstanz der Frequenz (quarzgesteuerter Generator), elektrische und magnetische Abschirmung nach außen sowie mechanische Stabilität des Aufbaus.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

zwischen den Frequenzen Z1 und /2 als »Sperrbereich« Patentansprüche: und der Frequenzbereich / < Z1 und f > f2 als »Durchlaßbereich« benannt.

1. Kapazitätsmeßgerät mit zwei auf gleiche Die »Arbeitsfrequenz« Z' wird am besten so ge-Eigenfrequenz abgestimmten und symmetrisch 5 wählt, daß Kondensatoren und Spulen als »konzenangeordneten Schwingkreisen, von denen der eine I frierte Bauelemente« behandelt werden können. Jeden zu messenden Kondensator (C₁), der andere II doch ist trotz solcher an sich bekannter Hilfsmaßeinen Normalkondensator (C_n) enthält, da- nahmen die Genauigkeit der so vorgenommenen durch gekennzeichnet, daß die Schwing- Messungen begrenzt durch die erreichbare »Güte« des kreise miteinander und mit einem gemeinsamen io Schwingkreises, die gering ist und bestenfalls bei etwa Abschlußwiderstand (SR_n) rückwirkungsfrei ge- 300 liegt. Die Resonanzkurve hat daher im Maximum koppelt sind und mit konstanter Frequenz (f ) ^{nur einen} flachen Verlauf (F i g. 1 A, Bereich Z₁ ... und konstanter Eingangsspannung (U₀,-U₀) Z₂ ··■)■ Phasensprünge des Röhrengenerators od. dgl. gegenphasig gespeist werden, derart, daß die am verbreitern die Resonanzkurve noch mehr, so daß die Abschlußwiderstand (Si₀) liegenden Ausgangs- 15 Resonanzfrequenz nicht mit der nötigen Genauigkeit spannungen (U₁ <*>, U<ⁿ>) sich im Falle C_x = C_n festgestellt werden kann.

zu Null überlagern, andererseits bei Veränderun- Ferner ist aus der DT-OS 22 30 621 bekannt, daß

gen des zu messenden Kondensators (C_x) eine end- zur Kapazitätsmessung zwei Schwingkreise (sog. liehe Spannung an dem Abschlußwiderstand (JR₀) Oszillatoren) verwendet werden können, welche nur ergeben, die der Kapazitätsänderung des zu 20 Ohmsche Widerstände und Kondensatoren enthalten, messenden Kondensators proportional ist und Bei dieser Schaltung kommen jedoch Oberwellen voll einem Meßinstrument (6) zugeführt oder einem zur Gekung, so daß keine sinusförmigen, sondern Rechner eingegeben werden kann. Kippschwingungen entstehen. Es ist aber schwierig,

2. Kapazitätsmeßgerät nach Anspruch 1, da- den Beginn und das Erlöschen von Kippschwindurch gekennzeichnet, daß die zwei Schwingkreise 15 gungen in vollkommen gleichen Zeitabständen mit (I, 11) selektive Netzwerke, bestehend aus gleich Sicherheit festzulegen. Da aber eine konstante Zahl oder ungleich abgestimmten Einzelkreisen, sind. von Schwingungen gezählt werden und die Zählzeit

gemessen werden muß, ist die damit verbundene Ka-

pazitätsmessung mit einer Unsicherheit behaftet,

30 zu deren Beseitigung besondere Maßnahmen getroffen

weiden müssen.

Gegenstand der Erfindung ist ein Gerät zur Mes- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe einer Ka-

sung der Kapazität eines Kondensators mit sehr hoher pazitätsmessung höherer Genauigkeit unter Vermei-Genauigkeit in kontinuierlichem Betrieb, der auch dung der angegebenen Mangel zugrunde, schnelle zeitliche Schwankungen erfaßt, ohne Hand- 35 Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Kabedienung, wobei die Meßwerte digital oder analog pazitätsmeßgerät mit zwei auf gleiche Eigenfrequenz angezeigt oder einem Rechner eingegeben werden abgestimmten und symmetrisch angeordneten Schwingkönnen, kreisen, von denen der eine I den zu messenden Kon-Es, ist bekannt, zur Messung der Kapazität C_x densator (C*), der andere II einen Normalkondeneines Kondensators denselben in einen Hochfrequenz- 40 sator (C-.) enthält, erfindungsgemäß dadurch gelöst, schwingkreis mit bekannter Selbstinduktion L ein- daß die Schwingkreise miteinander und mit einem zuschalten und die Resonanzfrequenz/₀ desselben gemeinsamen Abschlußwiderstand rückwirkungsfrei zu bestimmen. Dann ist, wenn die Dielektrizitäts- gekoppelt sind und mit konstanter Frequenz (J') und konstante des Dielektrikums = 1 ist, konstanter Eingangsspannung gegenphasig gespeist

45 werden, derart, daß die am Abschlußwiderstand lie-

Q _ 1 genden Ausgangsspannungen sich im Falle C_x — C_n

^x f 2£ zu Null überlagern, andererseits bei Verände rungen

des zu messenden Kondensators eine endliche Span-Die dabei auftretenden meßtechnischen Probleme nung an dem Abschlußwiderstand ergeben, die dei werden erheblich vereinfacht, wenn in bekannter Weise 50 Kapazitätsänderung des zu messenden Ko. >ensators Kondensator und Spulen mit den besten Güten und proportional ist und einem Meßinstrument zugeführt geringsten Verlusten hergestellt sind, Streukapazi- oder einem Rechner eingegeben werden kann, täten und -Induktivitäten vermieden werden, und der Die Kopplung kann induktiv (F i g. 3), kapazith

Schwingkreis in einem Thermostaten untergebracht oder galvanisch erfolgen. Die Kreise werden irr ist und auf konstanter Temperatur gehalten wird. 55 Gegentakt mit konstanter Spannung U₀ und einei Die Verhältnisse an einem einfachen Parallel- Frequenz /' gespeist, die nahezu, jedoch nicht genau schwingkreis mit der Eigenfrequenz /₀ sind in F i g. 1 mit der Resonanzfrequenz Zo übereinstimmt, und au! dargestellt. Der Oszillator S liefert die Eingangs- die Übergangskurve zwischen Sperrbereich Λ ... / spannung U₀; an dem Abschlußwiderstand <R„ liegt und Durchlaßbereich /< Zn /> Zs> nämlich /₂ ... /₃ die Ausgangsspannung U₁, beide gegen Erde ge- 60 fällt (»Arbeitspunkt« in F i g. 1 A). messen. Die Resonanzkurve ist in F i g. 1 A dar- Die elektrische Anordnung wird vollkommen sym

gestellt, und zwar ist als Ordinate metrisch getroffen. Der Schwingkreis II enthalte dei