DE2359527A1

DE2359527A1 - Verfahren und anordnung zur kapazitaetsmessung

Info

Publication number: DE2359527A1
Application number: DE2359527A
Authority: DE
Inventors: Patrick Delafon
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1972-11-29
Filing date: 1973-11-29
Publication date: 1974-05-30
Also published as: IT1009058B; FR2208121B1; US3896374A; GB1417681A; JPS506377A; NL7316123A; FR2208121A1

Description

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410-21.8l2P

COMMISSARIAT A L¹ENERGIE ATOMIQUE, Paris (Frankreich)

Verfahren und Anordnung zur Kapazitätsmessung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur analogen Messung einer Kapazität und/oder einer Kapazitätsänderung. Sie findet zahlreiche Anwendungsfälle, insbesondere in der Meßtechnik von Kondensatoren und bei der Messung aller physikalischer Erscheinungen, die durch eine Kapazität oder eine Kapazitätsänderung ausdrückbar sind.

^^"Öife^^Es sind zahlreiche Verfahren zur Kapazitätsmessung bekannt. Um . - . einen großen Meßbereich und ein direktes Ablesen zu erhalten, kann —; ; : .ν eine Impedanzmessung verwendet werden: Wenn der Kondensator, dessen

pWp-i^;:;:::5:S;^: ; "' ' *0982 2 / 0 94 5 ' ^V:--"' ''.-■ ■:Ψ_-. ~^: '-"-C ':'. ^7W "

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Kapazität C gemessen werden soll, an eine Schaltung angeschlossen ist, die in einer Reihe einerseits eine Spannungsquelle für eine Spannung e der Frequenz w und andererseits einen kleinen Widerstand r enthält, ist die Spannung u an den Klemmen dieses Widerstandes durch den Ausdruck u = j · e · r · w · c gegeben, wenn der ohmsche Spannungsabfall am Widerstand r vernachlässigt wird. Die Spitzenspannung an den Klemmen des Widerstandes ist also proportional zu der zu messenden Kapazität C. Ein derartiges Verfahren" führt notwendigerweise zu sehr geringen Spannungen u, da der Wi-. derstand r selbst sehr klein ist. Das Ausgangssignal muß somit verrtärkt werden, bevor es gleichgerichtet wird. Im übrigen ist die gemessene Spannung u proportional zu w, und folglich kann eine Ge-

—4 nauigkeit in der Größenordnung von 5 χ 10 nur erreicht werden, wenn ein Oszillator vorgesehen wird, dessen Frequenz nahezu auf

-4
einige 10 konstant ist. Da u proportional zu e ist, kann somit eine Genauigkeit dieser Größenordnung nur erzielt werden, wenn ein

_4 Oszillator vorgesehen wird, dessen Amplitude nahezu auf einige 10 konstant ist. Die Meßbereichsänderung wird bei diesem Verfahren durch eine Frequenzänderung erzielt, was voraussetzt, daß der Oszillator auch eine umschaltbare Frequenz hat. Dieses Verfahren führt jedoch zur Messung des Scheinwiderstandes des Kondensators und seiner Streuverluste. Wenn die Streuverluste hoch sind (Elektrolytkondensator oder Kapazität, deren Dielektrikum beschädigt ist), ist der auftretende Fehler nicht vernachlässigbar. Schließlich hat bei Schaltungen zur Durchführung eines derartigen Verfahrens der Kondensator, dessen Kapazität gemessen wird, keine Elektrode auf Masse. Dies ist vor allem bei kleinen Kapazitäten wenig praktisch: Die elektrischen

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Störwellen wirken sich sodann leicht auf die Messung aus. Die Nachteile dieses Verfahrens sind somit zahlreich.

Ein anderes bekanntes Verfahren verwendet eine Überlagerung: Es benötigt zwei Oszillatoren, von denen der eine eine konstante Frequenz F aufweist und der andere eine Frequenz F hat, die in linearer Beziehuncj zur Kapazität C des Kondensators steht, der mit diesem Oszillator verbunden ist. Die durch die beiden Oszillatoren aus gesandten Signale werden vervielfacht, was zwei Signale mit Frequenzen F + F -und F - F ergibt. Ein Filtern erlaubt, die Komponente

X £ 1 Ct - "

mit der Frequenz F₁ - F₅ auszuwählen. Diese Frequenz ist proportional zu dem zu messenden "Wert C= Es genügt also, insbesondere mittels einer Zähltechnik, die durch diese Frequenzdifferenz dargestellte Information zu verarbeiten, um daraus eine numerische Information zu gewinnen, die den Wert C darstellt. Die Nachteile eines derartigen Verfahrens und der Kapazitätsmesser zur Durchführung dieses Verfahrens liegen zum Teil darin, daß bei kleinen zu messenden Kapazitäten die Frequenzabweichungen F - F gering sind, so daß die Ver-

A dt

arbeitung des Signals bei dieser Frequenz langwierig ist und Drift- und Synchronisiergefahren der Oszillatoren vorhanden sind. Diese Anordnungen besitzen allgemein gesprochen nur einen einzigen Meßbereich für kleine Kapazitäten, wobei unterhalb von diesem sich die Oszillatoren synchronisieren. Eine andere, diesem Verfahren eigene Schwierigkeitbetrifft den Term F - F . "Es ist eine Multiplikation der Si-

J. Jmt -

gnale der Frequenzen F und F und sodann das Filtern des Ergebnisses erforderlich. Diese Operationen werden analog in schweren und sperrigen Geräten durchgeführt. Weite -hin erfordert der für F - F

1 dt

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erhaltene geringe Wert im allgemeinen eine zusätzliche Multiplikation, um die Frequenz auf einen leicht zu verarbeitenden Wert zu führen, was weiterhin den komplizierten Aufbau der Schaltung erhöht.

Es ist auch schon ein anderes Verfahren mit zwei Oszillatoren zur Kapazitätsmessung beschrieben worden. Dieses Verfahren besteht darin, daß während einer Zeit t die Anzahl der Nulldurchgänge des vom Oszillator der Frequenz F ausgesandten Signales gezählt wird, daß sodann die Anzahl der Nulldurchgänge während der gleichen Zeit t des von einem Oszillator der Frequenz F ausgesandten Signales ab-

el*

gezogen wird, die proportional zur Kapazität C ist, die an diesen zweiten Oszillator angeschlossen ist. Es wird also eine Zahl proportional zu F - F , d^ h. proportional zu C, erhalten. Im allgemeinen sind die verwendeten Oszillatoren LC-Schwingkreise, und ihre Frequenz ist mit C durch ein Gesetz der Form /LC verknüpft. Es kann nur als linear angesehen werden, solange sich C wenig ändert, was den Verwendungsbereich einschränkt. Der Hauptnachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß am Ausgang des Kapazitätsmessers keine analoge, sondern nur eine numerische Größe vorliegt.

Es soll schließlich noch an die Verfahren zur Kapazitätsmessung erinnert werden, die Brücken verwenden (Sauty-, Wien- und Maxwell-Brücke usw.).. Diese Verfahren sind schwierig durchzuführen und arbeiten langsam.

Es ist Aufgäbe der vorliegenden Erfindung, ein Kapazitätsmeßverfahren anzugeben, bei dem zwei elektrische Oszillatoren verwendet

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werden, deren Frequenz von den in ihren Stromkreisen gelegenen Kapazitäten abhängt; weiterhin soll ein Kapazitätsmesser zur Durchführung dieses Verfahrens angegeben werden, der die Nachteile der bekannten Anordnungen vermeidet und insbesondere lineare' Eigenschaften und eine beträchtliche Genauigkeit sowie den Vorteil eines analogen Ausgangssignals besitzt; der erfindungsgemäße · Kapazitätsmesser soll schließlich einen großen Meßbereich haben und wegen der Verwendung handelsüblicher Bauelemente einfach und billig herstellbar sein. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die folgenden Verfahrensschritte:

Auswählen von zwei Oszillatoren, deren Frequenz gleichzeitig von der in ihrem Stromkreis vorgesehenen Kapazität und einer Steuerspannung abhängt,

anfängliches Einstellen der beiden Oszillatoren, so daß ihre Frequenzen gleich sind,

Anschließen der zu messenden Kapazität in den Stromkreis des einen der Oszillatoren, was dessen Frequenz ändert,

Beeinflussen der Steuer spannung von einem der-beiden Oszillatoren, um die Frequenzabweichung zwischen diesen beiden Oszillatoren zu Null zu machen, und , ·

Messen der beeinflußten Steuer spannung,. woraus der Wert der zu messenden Kapazität abgeleitet wird.

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Vorzugsweise wird in den ersten Oszillator eine feste Steuerspannung eingespeist und in dessen Stromkreis eine Kalibrier kapazität angeschlossen; die Frequenz des ersten Oszillators ist also konstant und wird als Bezugspunkt genommen. Die zu messende Kapazität wird in den Stromkreis des zweiten Oszillators angeschlossen, und sodann wird die Steuer spannung des zweiten Oszillators so eingestellt, daß die Frequenz dieses Oszillators zur Bezugsfrequenz des ersten Oszillators geführt ist. Die Steuer spannungsmessung des zweiten Oszillators ergibt die analoge Messung der unbekannten Kapazität. Vorzugsweise wird eine Steuerung oder Regelung durchgeführt, um die Frequenzen beider Oszillatoren^aneinander anzugleichen.

Die Erfindung betrifft in gleicher Weise einen Kapazitätsmesser zur Durchführung des Verfahrens, mit zwei Oszillatoren, deren Frequenzen von den in ihren Stromkreisen vorhandenen Kapazitäten abhängen.

Dieser Kapazitätsmesser ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch zwei Oszillatoren, deren jeder mindestens zwei Eingänge, von denen einer ein Steuereingang für die Spannung und der andere ein Steuereingang für die Kapazität ist, und einen Ausgang hat, der ein Signal erzeugt, dessen Frequenz von der Spannung, die am Steuereingang für die Spannung liegt, und von der Kapazität abhängt, die an den Steuereingang für die Kapazität angeschlossen ist.

ein Frequenz-Stellglied, das die Frequenz jedes der Oszillatoren auf die Frequenz des anderen einstellt und am Ausgang der beiden Öszilla-

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_ 7 —

toren vorgesehen ist,- dessen Ausgang eine Spannung liefert, die die Steuerspannung für den Oszillator ist, dessen Frequenz gesteuert ist, und

ein Voltmeter zur Messung der vom Stellglied erzeugten Steuer- ->, spannung.

Vorzugsweise wird der erste Oszillator durch eine konstante .Spannungsquelle gesteuert, und eine Kalibrier kapazität ist an den entsprechenden Steuereingang angeschlossen; die Frequenz dieses Oszillators ist also konstant und bildet einen Bezugspunkt, auf den die Frequenz des zweiten Oszillatorseingestellt^oder-geregelt wird.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, bei dem der erste Oszillator durch konstante oder feste Bauelemente gesteuert ist und einen Bezugsoszillator bildet. Es'zeigen:

Fig. 1 ein Gesamtschaltbild des Kapazitätsmessers, .

Fig. 2 die Eingangs- und Ausgangsverbindungen eines Funktionsgenerators oder -gebers, der in vorteilhafter Weise als Oszillator verwendbar ist,

Fig. 3 die tatsächliche Anordnung der Oszillatoren mit den Bauelementen, die eine Meßbereichsauswahl, eine Nullregelung der. Anordnung und eine Einstellung der Linearität erlauben, . ■

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Fig. 4 einen Integrator, der bei einem besonderen Ausführungsbeispiel der Steuer- oder Regelungsanordnung des Kapazitätsmessers verwendet wird,

Fig. 5 ein Gesamtschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des Kapazitätsmessers,

Fig. 6 Signalformen an zwei Punkten eines Oszillators,

Fig. 7 Signalformen der Steuerspannung Vc und entsprechende Signalformen der Klemmenspannung des Kondensators, und

Fig. 8 Oszillogramme zur Erläuterung des Betriebs der in der Fig. 5 gezeigten Anordnung.

Die Fig. 1 zeigt ein Gesamtschaltbild, das gleichzeitig eine Erläuterung des erfindungsgemäßen Kapazitätsmeßverfahrens und der Einrichtungen zur Durchführung eines nach diesem Verfahren arbeitenden Kapazitätsmessers erlaubt. Ein erster Oszillator ί besitzt zwei Eingangsklemmen 14 und 16 und eine Ausgangsklemme 18, an der ein Signal der Frequenz f auftritt, das eine insbesondere lineare Funktion der Spannung V , die an der Klemme 14 mittels einer Spannungsquelle 20 liegt, und des Kehrwertes der Kapazität C des Kondensators 17 ist, der zwischen der Klemme 16 und Masse angeschlossen ist. Ein zweiter Oszillator 2 besitzt in gleicher Weise zwei Eingangsklemmen 4 und 6 und eine Ausgangsklemme 8. Dieser Oszilla-

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tor erzeugt an seiner Ausgangsklemme 8 ein Signal, dessen Frequenz f_o eine insbesondere-lineare Punktion der Steuerspannung V₀, die an der Klemme 4 liegt, und der Kapazität C ist.,' die zwischen die Klemme 6 und Masse angeschlossen ist. Ein Stell- oder Regelglied 22 liegt zwischen.den Ausgängen der beiden Gszillatören 1 und 2 und dem Spannungssteuereingarig des Oszillators 2. Dieses Glied 22 empfängt die an den Klemmen 8 und 18 liegenden Signale mit Frequenzen f und f_ und erzeugt an seinem Ausgang 24 eine elektri- . sehe Spannung, die an die Klemme 4 des Oszillators 2 gelegt wird. Eine Einrichtung 26 von der Art eines Voltmessers mißt die an der Klemme 24 verfügbare Spannung und zeigt diesen Wert an- Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat das Glied 22 einen Phasenvergleicher 28 $ der die durch die beiden Oszillatoren erzeugten Signale empfängt und eine Spannung* e liefert, die in einem Integrator 30 integriert wird. Das Integrätionsergebnis ergibt die Steüerspannung -V^. -

Zur Vereinfachung soll angenomnien "werden·* daß die Kapazität C die unbekannte Kapazität ist, die gemessen werden soll, und' daß keine andere Kapazität im Oszillator 2 vorhanden ist. In gleicher Weise soll angenommen werden, daß die Funktion, die die Frequenz f„ mit den Steuer bauelementen -V« und, 1/C_O verknüpft, linear ist; unter dieser vereinfachenden Annahme gilt:

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mit k, k' = positive Proportionalitätskonstanten, die den Oszillator 2 charakterisieren. Der Phasenvergleicher 28 erzeugt eine Spannung e, die proportional zum Frequenzabstand f - f ist:

e = K Cf₁ - f₂)

mit K = eine Proportionalitätskonstante. Am Ausgang des Integrators 30 tritt im Zeitpunkt t somit eine Spannung V der Form:

.V₂= l/r e dt

auf, mit T = Zeitkonstante des Integrators. Alle diese Größen sind durch die folgende Differentialgleichung verknüpft:

dV₂/dt=(K/r) I-

^C2

Im abgeglichenen Zustand hat dV /dt den Wert Null, und die Spannung ist Voo mit:

f k'f
12

₌ pe

^kffi

4 0 9822/0945

Die Spannung V ist direkt proportional zu der zu messenden Kapazität. In diesem besonderen Fall ist das Einschwingverhalten durch die allgemeine Lösung der Differentialgleichung gegeben:

V = PC [l - exp (-t/T)]

2
^k'^C

mit T< - T

In der Praxis ändert sich f wie folgt:

k (V + V )
2 o_

k'(C + C )

Δ Ο

mit V = konstante Spannung
ο

C = konstante Kapazität,

was bei f einen Wert kV /k'C mit der Anfangsbedingung V_ =

£t OO dt

C = O ergibt, was natürlich den Ablauf der Ergebnisse nicht verändert.

Es ist offensichtlich, daß die Rollen von C und C vertauscht

1 .Cd

werden können, indem beispielsweise die unbekannte Kapazität C^ in den Stromkreis des Oszillators 1 und der Kondensator C in den Stromkreis des Oszillators 2 angeschlossen werden. Der Anschluß von C (oder die Veränderung von C_) .beeinflußt sodann die Fre-

d» <L -

quenz f . Die Frequenzänderung des Oszillators 2 ist im entgegen-

4 0 98 22/0945,

gesetzten Sinn zur Frequenzänderung bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel. Die Steuer spannung V arbeitet so, daß sich die Frequenz f auf die Frequenz f einstellt, jedoch ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweist. Das erste Ausführungsbeispiel, bei dem der Oszillator 1 eine Frequenz f besitzt, die durch feste oder konstante Spannungs- und Kapazitätsbauelemente festgelegt ist, weist jedoch einen Vorteil gegenüber dem zweiten Ausführungsbeispiel auf, da dadurch ein Kalibrieroszillator gebildet ist. Selbstverständlich gehört es noch zur Erfindung, wenn der Oszillator 1 ein Bezugsoszillator mit einem vom Aufbau des Steuer- oder Regeloszillators 2 abweichenden Aufbau ist. Jedoch ist es vorzuziehen, daß sich die beiden Oszillatoren gleichen, da dies die nichtlinearen Eigenschaften und ein Driften des Kapazitätsmessers verhindert.

Die Frequenz f muß nicht linear von der Spannung V abhängen. Vielmehr gilt allgemein:

	^£2=^£	<^V2·	' ^C2	)	2 '	^C2
dV	= (Κ/Γ)	i^fl	- f	(V
dt

was im Gleichgewicht-zu einer Beziehung der Form f - f(V°o, C) = ο zwischen der Spannung Vco _uncj d_er unbekannten Kapazität C-. führt. Das Einschwingverhalten ist sodann im allgemeinen wesentlich verwickelter als bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel.

Einer der Vorteile des erfindungsgemäßen Kapazitätsmessers,

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dessen allgemeines Prinzip soeben beschrieben wurde, liegt darin, daß er ander Klemme 24 ein analoges Ausgangssignal erzeugt, das sich gut an mögliche weitere Einstellungen der zu messenden Größe anpaßt (z. B.: bei einem Kapazitätsmesser mit einer kapazitiven Sonde zur Feuchtigkeitsmessung an die Einstellung eines bestimmten Feuchtigkeitsgrades). \

Ein weiterer Vorteil des Kapazitätsmessers liegt darin, daß er leicht herstellbar ist und zu einem kompakten Gerät führt, denn er benötigt wenig Bauelemente, die im übrigen im Handel als integrierte Schaltungen erhältlich sind. So ist es vorteilhaft, für die Oszillatoren 1 und 2 integrierte Funktionsgeneratoren zu verwenden, wie dies

* ■ ■

schematisch in der Fig. 2 gezeigt ist. Derartige Funktionsgeneratoren 31 besitzen drei Eingangsklemmen 32, 34 und 36 und eine Ausgangsklemme 38. Die Klemme 32 entspricht dem Steuereingang für die Spannung Ve der Frequenz des vom Generator 31 ausgesandten «- Signals. Die Klemme 34 entspricht dem Steuereingang der Kapazität, und die Klemme 36, die auf einem Potential V liegt, entspricht über einen einstellbaren Widerstand R dem Hilfssteuereingang für die Spannung. Ein derartiger Generator 30 erzeugt an seiner Ausgangsklemme 38 ein elektrisches Signal 40 mit einem beispielsweise rechteckförmigen Spannungsverlauf, dessen Frequenz f linear gleichzeitig von der Steuerspannung Vc, dem Kehrwert der gesamten an die Klemme 34 angeschlossenen Kapazität und dem Kehrwert des Widerstandes R abhängt.

Beispielsweise können Oszillatoren des Typs NE 566 der Firma Signetics oder des Typs 8038 der Firma Intersil verwendet werden.

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Am Oszillator NE 566 der Firma Signetics sind beispielsweise zwei Ausgänge vorgesehen, die sägezahnförmige oder rechteckförmige Signale liefern. Es wird lediglich der Ausgang mit einem rechteckförmigen Signal verwendet. Die Schwingungsfrequenz ist durch drei Parameter festgelegt:

- einen Außenwiderstand, der eine Änderung in einem Verhältnis von 1 bis IQ erlaubt,

- eine Steuerspannung, die eine Änderung in einem Verhältnis von 1 bis 10 erlaubt,

- eine Außenkapazität, die eine Änderung in einem Verhältnis von

1 bis 100000 erlaubt (C kann einige pF bis mehrere uF betragen).

Alle Parameter beeinflussen die Schwingungsfrequenz linear.

Ohne das Betriebsverhalten dieses bekannten Oszillators in Einzelheiten näher zu erläutern, kann festgestellt werden, daß dieser (vgl. Fig. 2) einen Stromerzeuger 70, einen Schmitt-Trigger 72 und zwei Verstärker 74 und 76 aufweist. Der Stromerzeuger 70 lädt die durch die Parallelschaltung von 2C und C gebildete Kapazität C auf.

Im Kapazitätsmesser erfüllen die beiden Oszillatoren verschiedene Funktionen. Der Oszillator 1, der den Bezugsoszillator darstellt, kann über eine Verbindung zur Masse an eine Null-Bezugsspannung angeschlossen sein. Der am Hilfssteuereingang gelegene einstell-

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bare Widerstand hat einen konstanten und so ausgewählten Wert R'.. ? daß hinsichtlich der Linearität und des Driftens optimale Eigenschaften erhalten werden. Der Steuereingang für die Kapazität ist mit einem Kondensator des'Wertes 2C verbunden, wenn C die für den

ο ο

Kapazitätsmesser vorgesehene Kalibrierung darstellt: beispielsweise

2C = 200OpF, wenn eine Kapazitätsmessung zwischen 0 und 1000 pF ο . .

durchgeführt werden soll. Für den Oszillator 2 kann die Steuerspannung beispielsweise zwischen 0 und 10 V schwanken. Die entsprechende Frequenzänderung liegt im Verhältnis von 1 bis 1,5. Der einstellbare Widerstand R. des Oszillators 2 liegt nahe bei R' . Damit ist eine erneute Nullpunkteinstellung der Anordnung möglich. Ein Kondensator des Wertes 2C ist an der entsprechenden Klemme am Steuereingang für die Kapazität angeschlossen. Die zu messende Kapazität C liegt parallel zu diesem Kondensator des Wertes 2C . Die so angeschlossene Gesamtkapazität schwankt also zwischen 2C

und 3C , wenn sich C zwischen 0 und C ändert. Folglich ändert ο χ ο "

sich die Oszillatorfrequenz im Verhältnis zwischen 1,5 und 1. Es ist also ersichtlich, daß sich beim Anschluß von C die Frequenz des Oszillators 2 ändert und insgesamt durch eine einzige Betätigung auf die Steuerspannung Vc zurückgeführt werden kann.

Wenn in den. Oszillator Stromkreisen eine Innenkapazität C. vorliegt, muß der am Steuereingang liegende Kondensator mit bekanntem Wert einen Kapazitätswert von 2C - C. aufweisen. Obwohl es nicht einfach ist, Kapazitäten großer Genauigkeit mit den erforderlichen Werten herzustellen, kann dennoch eine große Genauigkeit erzielt werden, da die Widerstände: R und R' immer so einstellbar sind, daß die auf

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■ - 16 -

Ungenauigkeiten der Kapazitäten beruhenden Fehler beseitigt sind. Der Erfinder hat ermittelt, daß mit den gegenwärtig im Handel erhältlichen Oszillatoren eine Gesamtgenauigkeit in der Größenordnung

—3
von 10 mittels des erfindungsgemäßen Kapazitätsmessers in einen weiten Temperaturbereich leicht erhalten werden kann.

Die oben beschriebenen Schaltungen sind für einen praktischen Gebrauch noch geeigneter, wenn der Kapazitätsmesser Einrichtungen hat, die eine Meßbereicheinstellung der Anordnung erlauben. Der tatsächliche Aufbau der Oszillatoren, der diese Einrichtungen berücksichtigt , ist in der Fig. 3 dargestellt. In dieser Figur ist ein Oszillator für einen Fall gezeigt, in dem ein Funktionsgenerator so verwendet wird, wie dies oben anhand der Fig. 2 erläutert wurde. Die zu dieser Figur gemeinsamen Bauelemente haben die gleichen Bezugszeichen, nämlich den Funktionsgenerator 31, dessen drei Eingangsklemmen 32, 34 und 36 und dessen Ausgangsklemme 38, wobei an den Eingangsklemmen jeweils eine Steuerspannung V , eine Gesamtkapazität C' und eine Spannung V über einen Gesamtwiderstand R¹ liegen. Die

Kapazität C hat einen Wert 2C - C. + C , wenn C noch den ge^v ο ι χ ο ^a

wünschten Meßbereich, C. die Innenkapazität des Funktionsgenerators

30 und C die zu messende Kapazität bezeichnen. Die Klemme 32 x

des Steuereingangs ist einem Steuerwiderstand R' = R + r zugeordnet, wobei r mittels eines Umschalters 43 durch mehrere umschaltbare Widerstände 42 gebildet ist. Die Gesamtkapazität C' hat eine Gruppe von N parallel geschalteten Kondensatoren 40, die mittels eines Umschalters 41 umschaltbar sind, der eine Festlegung der Kalibrierun g erlaubt. Der Widerstand R' besteht aus einem festen

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Widerstand 47 des Wertes R und einem. Widerstand des einstellbaren Wertes r , der aus einer Gruppe von mittels eines Umschalters 45 umschaltbaren Widerständen 44 gebildet ist. '

Der Widerstand R¹ erlaubt eine erneute Nulleinstellung der Anordnung, und der Widerstand R¹ erlaubt es, die Empfindlichkeit der

c ■ . . : ■

Spannungssteuerung des Oszillators 30 einzustellen. Durch den Umschalter 41 kann der Meßbereich des Kapazitätsmessers festgelegt werden. Dieser Meßbereich erstreckt sich von Null bis C , wenn 2C

ο ο

der Wert der Kapazität C - C ist. Unter diesen Umständen kann die Frequenzänderung des durch den Generator 30 erzeugten Signals vollständig durch die Änderung der Steüerspannung V rückgeführt werden. Mit den gegenwärtig verfügbaren Generatoren 30 ist es möglich, eine Frequenzänderung des ausgesandten Signals im Verhältnis von 1 zu 100 000 zu erhalten, so daß mittels des Umschalters 41 der Meßbereich im gleichen Verhältnis, beispielsweise von einigen pF bis zu mehreren uF, eingestellt werden kann: Der erfindungsgemäße Kapazitätsmesser hat somit einen großen Meßbereich.

Ein zusätzlicher Vorteil des Kapazitätsmessers, der im folgenden beschrieben wird, liegt darin, daß das analoge Ausgangssignal unabhängig von dem gewählten Meßbereich in nur einem Bereich liegt, was insbesondere dann wichtig ist, wenn der Kapazitätsmesser einer Steuer- oder Regelvorrichtung der gemessenen Größe zugeordnet ist.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat das Stellglied 22 einen herkömmlichen Phasenvergleicher 28 (beispielsweise kann dieser

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Vergleicher eine logische Schaltung des Typs MC 4044/4344 der Firma Motorola sein) und einen Integrator 30. Die Proportionalitätskonstante K, die für den Vergleicher charakteristisch ist, kann immer ausreichend groß gewählt werden, damit die Zeitkonstante der Stell- oder Regelperiode, beispielsweise T¹ = Tk¹C /Kk, klein ist, so daß das Lesen schnell erfolgt. Die Spannung erreicht 99,9 % ihres Grenzwertes am Ende einer Zeit, die ungefähr fünfmal die Zeitdauer der Konstante T¹ beträgt, was ungefähr die Meßdauer für eine Genauigkeit von 0,1 % festlegt.

Beispielsweise liegt die Integrationszeit T mit einem von K entsprechend Kk = k'C eingestelltem Vert, was T' = T entspricht, und mit einem Meßbereich von 0 bis 10 η F in der Größenordnung von

—2
2 ' 10 s, und die Meßzeit hat eine Größenordnung von 0,1 s, was nahezu als augenblicklich zu bezeichnen ist.

Es kann auf gleiche Weise ein Integrator vorgesehen werden, dessen Integrationszeit einstellbar ist, indem beispielsweise die aus der Fig. 4 ersichtliche Schaltung verwendet wird. Diese Schaltung besteht aus einem Operationsverstärker 50, der rückgekoppelten Kondensatoren 52, 54 und 56 zugeordnet ist, und aus einem Widerstand 62 mit dem Wert R. Schalter 58 und 60 ermöglichen eine Änderung des Wertes C der Gesamtkapazität, die an den Klemmen des Verstärkers 50 liegt, und folglich eine Änderung der Integrationskonstanten RC der entsprechenden Schaltung. Für alle Bereiche geringer Amplituden kann eine einzige Integrationskonstante vorgesehen werden, die nur durch den Kondensator 52 festgelegt ist, wobei die Schalter 58

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und 6 O geöffnet sind. Für höhere Bereiche kann der Kapazitätswert vergrößert werden, wenn nacheinander die Schalter 58 und 60 geschlossen werden. ·

Die Fig. 5 zeigt ein Gesamtschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des Kapazitätsmessers. In dieser Schaltung sind ein erster Oszillator 80 und ein zweiter Oszillator 82 vorgesehen.' Der Oszillator 82 hat eine konstante Frequenz. Der Oszillator 80 wird gesteuert durch die Kapazität C, die den parallel geschalteten Kapazitäten C und C entspricht, und durch die Steuerspannung V . Der Ausgang der Oszillator ei ist mit einem Phasenvergleich'er 84 verbunden, dem ein Signalformer 86 für das durch den Vergleicher 84 erzeugte Signal folgt. Ein Gerät 90 mißt den Mittelwert der Spannung, die am Ausgangsanschluß 88 auftritt.

Das Betriebsprinzip dieser Anordnung entspricht, im wesentlichen dem Betriebsprinzip der in der Fig. 1 gezeigten Anordnung, mit dem Unterschied, daß das durch den Vergleicher ausgesandto? Signal nicht mittels des Integrators 30 integriert wird, wie dies bei der Schaltung der Fig. 1 der Fall ist, sondern daß dieses. Signal in der weiter unten näher erläuterten Weise geformt wird.

Hinsichtlich des Oszillators' der Fig. 2 würde ermittelt, daß sich die Steuerspannung und der Wert der angeschlossenen Kapazität auf die Ladegeschwindigkeit des · angeschlossenen Kondensators auswirken. Eine im Oszillator enthaltene Schwellenschaltung verwandelt das Lade-Sägezatm-Signal in ein Rechtecksignal. Die Fig. 6 zeigt die

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spielsweise beider Untersuchung der Bewegung von Wellen auf einer Wasseroberfläche der Fall ist.

Da bei den beiden beschriebenen Ausführungsbeispielen der Abstand zwischen der zu messenden Kapazität und dem Kapazitätsmesser wichtig ist, kann die Kapazität an dem Kapazitätsmesser mittels eines Koaxialkabels mit drei Leitern angeschlossen werden, von denen der Außenleiter mit Masse und der Innenleiter einerseits am Kondensator und andererseits am Eingang eines Folgeverstärkers des Verstärkungsfaktors +1 angeschlossen sind, dessen Ausgang mit dem mittleren Leiter verbunden ist. Das Eingangssignal des Kapazitätsmessers wird also in den Eingang des Folgeverstärkers eingespeist.

Der oben beschriebene Kapazitätsmesser ist in zahlreichen Fällen verwendbar, die in zwei Gruppen einteilbar sind:

a) Anwendung auf die Meßtechnik vori Kondensatoren: Der erfindungsgemäße Kapazitätsmesser besitzt zahlreiche Vorteile, die weiter oben näher erläutert wurden: Genauigkeit, Linearität, großer Meßbereich, analoges Ausgangssignal. Dieses Ausgangssignal kann im übrigen nach Bedarf leicht numerisch gemacht werden, indem an die Anordnung ein numerisches Meßgerät für die Spannung angeschlossen wird, die an der Klemme 24 der Fig. 1 auftritt, wobei beispielsweise das analoge Voltmeter 26 durch einen bekannten numerischen Voltmeter ersetzt wird. Der erfindungsgemäße Kapazitätsmesser ist somit allgemein auf analoge oder numerische Vielfachmeßgeräte anwendbar .

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b) Anwendung auf die Messung von allen physikalischen Erscheinungen, die in einer Kapazität oder einer Kapazitätsänderung ausdrückbar sind: Es können hierzu beispielsweise die Feuchtigkeitsmessung in Papier, oder anderen Materialien, die Pegelmessung einer Flüssigkeit, die Durchflüßleistung eines Fluids, die (berührungslose) Messung von Linear- oder WinkelverSchiebungen, die Untersuchung von Bewegungen einer Flüssigkeit, die Abstandserfassung usw. genannt werden.

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Spannungsformen an den Klemmen des Kondensators C (Strichlinie Veh) und am Ausgang des Rechteckoszillators (Rechtecklinie S).

Die von den beiden Oszillatoren 80 und 82 ausgesandten 'Signale werden in den Vergleicher 84 eingespeist. Dieser Vergleicher ist von bekannter Bauart. Er kann beispielsweise zu den Vergleichern gehören, die Übergänge in einem bestimmten Richtungssinn berücksichtigen und einen Speicher effekt aufweisen. Das Ausgangssignal des Vergleichers wird durch ein Glied 86 verstärkt und geformt, das an seinem Ausgang 88 Rechtecksignale der Pegel +V und -V liefert . Diese Pegelsignale werden in den Steuereingang für die Spannung V des Oszillators 80 eingespeist. Diese Pegelsignale steuern die Steigung des Sägezahnsignals, das die Spannung an den Klemmen von C und C darstellt. Dies ist in der Fig. 7 gezeigt. Weiteroben nimmt die Rechteckspannung V die beiden Werte +V und -V an. Für den Wert +V ist die Steigung der Spannungsänderung an den Klemmen von C und C groß. Für den Wert -V ist diese Steigung schwach. Aus dieser Ungleichheit in den Steigungswerten folgt, daß die Rechteckspannung des Ausgangssignals des Oszillators 80 langer auf einem unteren Pegel als auf einem oberen Pegel verbleibt, da die Steigung der Aufladung des Kondensators für -V geringer ist als für +V, was bewirkt, daß die Aufladung im ersten Fall viel langsamer erfolgt.

Damit ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung immer eine Steuerung oder Regelung der Frequenzen möglich, obwohl gleiche Frequenzen (und also Perioden) erhalten werden. Es wird somit notwendigerweise die gleiche Signalform am Ausgang der Oszillatoren

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erhalten. Genauer ausgedrückt, es werden die in der Fig. 8 gezeigten

Signale erzeugt. In der ersten Zeile ist eine Spannung V darge- - . , 1-82

stellt, die am Ausgang des konstanten Oszillators 82 auftritt. Die Periode dieses symmetrischen Signales beträgt T , und das perio-

82.

dische Verhältnis des Rechtecksignales beträgt 1/2. In der zweiten Zeile ist die Spannung V_Q dargestellt, die am Ausgang des Oszillä-

80

tors 80 mit veränderbarer Frequenz auftritt. Diese Spannung liegt unter der Annahme eines bestimmten Einschwing Verhaltens, der Steuerung oder Regelung vor, wobei die Oszillatorfrequenzen gleich sind.

Die Periode T des Signajes V_ort entspricht also der Periode T des 80 80 82

Signals V_„, aber das periodische Verhältnis dieses Rechtecksi-

82

gnales liegt nicht mehr bei 1/2; es hängt von der Kapazität C und· damit von C ab. In der ,dritten Zeile ist die Spannung am Ausgang

V₀₀ des Kapazitätsmessers dargestellt, die gleichzeitig die Steuer-

spannung V des Oszillators 80 ist. Der Mittelwert V dieser Span-

nung V₀ ist proportional zum Wert von C .Inder letzten Zeileist 88 X

die Ladespannung Veh an den Klemmen v.on C dargestellt, wobei die Steigungsänderungen immer auftreten, wenn V von einem Pegel zum anderen schwankt.

Eine Einrichtung 90 kann auf einfache Weise ein Zeigergerät mit veränderlichem Bereich oder ein Integrator sein.

Der Vorteil der in der Fig ■. 5 gezeigten Anordnung liegt darin, daß sie sich nach einigen Öszillatorperioden stabilisiert. Demgemäß wird die Messung sehr schnell,' was insbesondere bei der Untersuchung von sich schnell verändernden Kapazitäten wichtig ist, wie dies bei-

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur analogen Messung einer Kapazität und/oder einer Kapazitätsänderung, bei dem zwei elektrische Oszillatoren verwendet werden, deren Frequenz von einer an diese angeschlossenen Kapazität abhängt, wobei die zu messende Kapazität im Stromkreis des einen der Oszillatoren vorgesehen wird,

gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

Auswählen von zwei Oszillatoren (1, 2), deren Frequenz gleichzeitig von der in ihrem Stromkreis vorgesehenen Kapazität und einer Steuerspannung abhängt,

anfängliches Einstellen der beiden Oszillatoren (l, 2), so daß ihre Frequenzen gleich sind,

Anschließen der zu messenden Kapazität (C ) in den Stromkreis

des einen der Oszillatoren, was dessen Frequenz ändert,

Beeinflussen der Steuer spannung von einem der beiden Oszillatoren (1, 2), um die Frequenzabweichung zwischen diesen beiden Oszillatoren (1, 2) zu Null zu machen, und

Messen der beeinflußten Steuerspannung, woraus der Wert der zu messenden Kapazität (C ) abgeleitet wird.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Oszillatoren (1,2) ausgewählt werden, deren Frequenz linear vom Kehrwert der mit ihnen Verbundenen Kapazität und linear von der Steuerspannung abhängt.

3. Verfahren nach Anspruch, !,gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

Anschließen einer konstanten Kapazität in den Stromkreis des ersten Oszillators (1) und Anlegen einer festen Steuerspannung an den ersten Oszillator Cl),

Anschließen der zu messenden Kapazität (C) in den Stromkreis des zweiten Oszillators (2), zu dessen Frequenzänderung, und

Einwirken auf die Steuer spannung des zweiten Oszillators (2), um die Frequenz des zweiten Oszillators (2) zur Frequenz des ersten Oszillators (l) zu führen, der als Bezugspunkt genommen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

Vergleichen, der Frequenzen der beiden Oszillatoren (1,- 2),

Erzeugen einer zum Unterschied der beiden Frequenzen proportionalen Fehlerspannung, und

Integrieren der Fehlerspannung, was die Steuerspannung für den zweiten Oszillator (2) ergibt. "'

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5. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

Verwendung von Oszillatoren, die Rechtecksignale erzeugen, Vergleichen der Frequenzen der Rechtecksignale,

Ausgehend von diesem Vergleich Erzeugen eines Signales mit rechteckförmigem Spannungsverlauf zwischen unterschiedlichen Pegeln (+V, -V),

Verwenden der Rechteckspannung als Steuerspannung des zweiten Oszillators (2), und

Messen des Mittelwertes der Steuer spannung, was den Wert der in den Stromkreis des Steueroszillators angeschlossenen Kapazität ergibt.

6. Analoger Kapazitätsmesser zur Durchführung des Aferfahrens nach Anspruch 1, mit zwei Oszillatoren, deren Frequenzen von den in ihren Stromkreis vorgesehenen Kapazitäten abhängen,

gekennzeichnet durch:

zwei Oszillatoren (l, 2), deren jeder mindestens zwei Eingänge, von denen einer ein Steuereingang für die Spannung und der andere ein Steuereingang für die Kapazität ist, und einen Ausgang hat, der ein Signal erzeugt, dessen Frequenz von der Spannung, die am Steuereingang für die Spannung liegt, und von der Kapazität abhängt, die an den Steuereingang für die Kapazität angeschlossen ist,

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ein Frequenz-Stellglied (22), das die Frequenz jedes der Oszillatoren (1, 2) auf die Frequenz des anderen einstellt und am Ausgang der beiden Oszillatoren (l, 2) vorgesehen ist, dessen Ausgang eine Spannung liefert, die die Steuerspannung für den Oszillator ist, dessen Frequenz gesteuert ist, und -

ein Voltmeter (-26) zur Messung der vom Stellglied (22) erzeugten Steuerspannung.

7. Kapazitätsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim ersten Oszillator (l) der Steuereingang für die Spannung auf einem festen Potential liegt und der Steuereingang für die Kapazität mit einem konstanten Kondensator verbunden ist, und daß beim zweiten Oszillator (2) der Steuere ingang für die Kapazität mit der zu messenden Kapazität (C-) und der Steuereingang für die Spannung mit dem Ausgang des Stellgliedes (22) verbunden ist.

8. Kapazitätsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Oszillatoren (1, 2) ein Signal erzeugt, dessen Frequenz linear von der Spannung und vom Kehrwert der Steuerkapazität abhängt, wobei die Anzeige des Voltmeters (2.6) ebenfalls linear von der gemessenen Kapazität abhängt.

9. Kapazitätsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (22) aufweist einerseits einen Phasen vergleicher (28), der die von den beiden Oszillatoren (1, 2) ausgesandten Signale empr fängt und eine zur Frequenzabweichung der beiden Oszillatoren (l, 2)

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proportionale Spannung erzeugt, und andererseits einen Integrator (30), der am Ausgang des Phasenvergleichers (28) liegt und dessen Ausgang mit dem Steuereingang für die Spannung des Steueroszillators (2) verbunden ist.

10. Kapazitätsmesser nach den Ansprüchen 7 und 8, gekennzeichnet durch:

einen ersten Kondensator des Wertes 2C , der am Steuereingang für die Kapazität des ersten Oszillators (l) liegt, wobei der Steuereingang für die Spannung des ersten Oszillators (1) mit Masse verbunden ist, und

einen zweiten Kondensator des Wertes 2C , der am Steuereingang

für die Kapazität des zweiten Oszillators (2) liegt, wobei die zu messende Kapazität (C ) parallel, zum zweiten Kondensator geschaltet ist und der Kapazitätsmesser so einen Meßbereich von C aufweist.

11. Kapazitätsmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Oszillatoren (1, 2) weiterhin einen dritten Eingang auf einer konstanten Spannung und mit einem einstellbaren Widerstand aufweist, wobei die Periode des Oszillators linear vom Wert des Widerstandes abhängt.

12. Kapazitätsmesser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Kondensator des Wertes 2C aus N par-

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allel geschalteten Kondensatoren besteht, die mittels eines Umschalters umschaltbar sind und N. Meßbereiche für den Kapazitätsmesser festlegen. .

13- Kapazitätsmesser nach An spruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuereingang für die Spannung des Oszillators, dessen Frequenz gesteuert ist, einen'einstellbaren Widerstand zur Einstel-' lung der Empfindlichkeit der Spannungssteuerung besitzt.

14. Kapazitätsmesser nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatoren (l, 2) periodische Funktionsgeneratoren sind.

15. Kapazitätsmesser nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatoren eine Rechteckspannung-erzeugen.

16. Kapazitätsmesser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator (30) einen Operationsverstärker mit P umschaltbaren Kondensatoren in Rückkopplungsschaltung hat, die P Werte für die Integrationszeit darstellen. -

17. Kapazitätsmesser nach Anspruch 7, "dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatoren (l, 2) Rechtecksignale aussenden, daß das Stellglied (22) einen Phasenvergleicher (28) für Rechtecksignale und einen durch den Phasenvergleicher (28) gesteuerten Signalformer aufweist,

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der eine Rechteckspannung erzeugt, die zwischen Pegeln +V und -V wechselt, und daß die Spannung in den Steuereingang für die Spannung des zweiten Oszillators (2) einspeisbar ist, wobei das Voltmeter (26) zur Messung ein Mittelwert-Meßgerät ist und am Ausgang des Signalformers angeschlossen ist.

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