DE2804696A1 - Elektronische kapazitaetsmesseinrichtung - Google Patents
Elektronische kapazitaetsmesseinrichtungInfo
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
- G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
- G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
- G01R27/2605—Measuring capacitance
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Description
- Elektronische Kapazitätsmeßeinrichtung
- Es sind bereits Schaltungen zur Messung der Differenzkapazität zweier Kondensatoren und darauffolgende Umwandlung des Meßergebnisses in elektrische Signale bekannt geworden, bei welchen zwei HF-Generatoren Verwendung finden, deren Ausgangsfrequenz von den beiden hinsichtlich der Differenz ihrer Kapazitätswerte zu überwachenden Kondensatoren bestimmt werden, sowie weiters ein Superponierungs- und Demodulierungsnetzwerk und ein von der Schwebungsfrequenz beaufschlagter Frequenz-Analogwandler, dessen Ausgang ein Anzeigegerät speist.
- Durch diese Schaltung können auch relativ geringe Kapazitätsunterschiede sicher erfaßt werden.
- Es ist auch bekannt, einen zu überwachenden Kondensator in einer Brückenschaltung zu plazieren, wobei die Brückenausgangsspannung bei geeigneter Bemessung der Brücke proportional der Differenzkapazität ist.
- Bei diesen Anordnungen bestehen die Nachteile, daß bei Anordnungen mit zwei HF-Generatoren mit Bildung der Differenzfrequenz die Schwierigkeit besteht, eine ausreichend hohe Frequenzstabilität bei gleichzeitiger Verstimmbarkeit der Oszillatoren zu erreichen, und weiters, daß an die feinmechanischen Qualitäten der frequenzbestimmenden Bauteile extreme Anforderungen gestellt werden müssen, die entsprechend hohe Herstellungskosten verursachen.
- Bei Betrieb der veränderbaren Kondensatoren in einer Brückenschaltung muß man für eine weitgehende Proportionalität der Brückenausgangsspannung zur Kapazitätsänderung mit sehr kleinen Wechsel spannungen an den zu messenden Kondensatoren arbeiten. Die genaue Weiterverarbeitung und Messung dieser kleinen Spannungen ist grundsätzlich problematisch.
- Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung zur Messung kleiner Kapazitäten in der Größenordnung von Picofarad zu schaffen, und im besonderen eine Schaltung zur vergleichsweisen Messung zweier variabler Kapazitäten, die sich in Abhängigkeit von physikalischen Größen, wie z.B. Temperatur, Druck, Volumen einer Flüssigkeit etc., ändern, und zwar wird die eine Kapazität von der zu messenden Größe verändert, die andere dient zur Kompensation von unerwünschten Effekten.
- Die Erfindung betrifft somit eine elektronische Kapazitätsmeßeinrichtung, insbesonders zur Messung kleiner Kapazitäten in der Größenordnung von Picofarad, insbesonders zum Vergleich zweier gleichartiger Kapazitäten, bei welcher Kapazitätsänderungen in proportionale Strom-bzw. Spannungsänderungen umgewandelt werden und wobei zur Impulsformung eine durch Rechteckimpulse getrieggerte monostabile Multivibratorstufe dient und jede der zu messenden Kapazitäten Teil des Ladekreises einer monostabilen Kippstufe ist, deren abgegebene Impulse eine zur zu messenden Kapazität proportionale Breite besitzen, wobei erfindungsgemäß diese Kippstufen von einer Wechselspannung extrem konstanter Frequenz getriggert sind, und nach Integration des sich ergebenden pulsdauermodulierten Signals konstanter Frequenz dieses Ausgangssignal einem Anzeigegerät zugeführt ist, wobei zwei Monoflops, deren Impulsdauer in an sich bekannter Weise in einem Fall von einem zu messenden Kondensator, im anderen Fall von einem Kompensationskondensator bestimmt ist, gleichzeitig getriggert werden und zur Differenzbildung der Impulslängen der beiden Monoflops die Impulse der beiden Monoflops einer Koinzidenzschaltung, bestehend aus einem Invertierer und einer Und-Stufe mit gegebenenfalls nachfolgender Siebung zugeführt werden, und zwar die Impulse des Monoflops in dessen Ladekreis sich der zu messende Kondensator befindet, zunächst dem Invertierer und sodann die Impulse dieses und die des Monoflops, in dessen Ladekreis sich der Kompensationskondensator befindet, der Und-Stufe, wonach der Ausgangsimpuls, gegebenenfalls über einen Widerstand, einem Anzeigegerät zugeführt wird.
- Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann die Koinzidenzschaltung aus der ausgangsseitigen Parallelschaltung eines invertierenden und eines nicht invertierenden Transistorverstärkers mit "open-collector" Ausgang bestehen.
- Zur genauen Kalibrierung der Höhe der Differenzimpulse kann gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung eine zu den Ausgängen des invertierenden und des nicht invertierenden Transistorverstärkers parallel geschaltete Zenerdiode vorgesehen sein.
- Weiters kann erfindungsgemäß eine Widerstandskombination vorgesehen sein zur Arbeitsbereichsverlegung bzw. Nullpunktsunterdrückung, die mit dem nicht invertierenden Eingang des Integrierverstärkers verbunden ist.
- Der Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung ist es, die weiter oben genannten Schwierigkeiten zu vermeiden. Außerdem wird durch die reichliche Verwendung digitaler Schaltungen eine hohe Genauigkeit bei relativer Einfachheit erzielt.
- Dz bereits integrierte Schaltungen am Markt angeboten werden die eine Vielzahl von Funktionen in sich vereinen, ist der Aufwand bei der Realisierung der der Erfindung zugrunde liegenden Idee relativ gering, verglichen mit den bisher bekannt gewordenen Methoden großer Genauigkeit.
- Die nähere Erläuterung der Erfindung erfolgt an Hand der beiliegenden Zeichnung, in der Fig. 1 eine prinzipielle Schaltung in schematischer Weise, Fig. 2 eine Schaltung für den Vergleich der Kapazitätswerte zweier gleichartiger Kondensatoren, Fig. 3 das Innenschaltbild einer bei den Fig. 1 und 2 verwendeten monostabilen Kippstufe, Fig. 4 die Schaltung der monostabilen Kippstufe zur erfindungsgemäßen Umwandlung der zu messenden Kapazität in eine impulsbreitenmodulierte Rechteck-Wechselspannung, und Fig. 5 die Ausführung der Koinzidenz schaltung gemäß Fig. 2 darstellen.
- In Fig.1 befindet sich der zu messende Kondensator Cx im Ladekreis der monostabilen Kippstufe MF. Diese wird durch die konstante Frequenz f z.B. eines HF-Generators oder NF-Generators getriggert. Der Ausgangsimpuls der monostabilen Kippstufe MF wird nach Integration über den Länge-Widerstand R und den Querkondensator C dem Ausgang A, an den z.B. ein Anzeigeinstrument angeschlossen werden kann, zugeführt In Fig. 2 wird die zu messende Kapazität und eine Vergleichskapazität je in den Ladekreis einer monostabilen Kippstufe (Monoflop) geschaltet. Im besonderen findet diese Schaltung zur vergleichsweisen Messung zweier gleichartiger Kapazitäten Anwendung, wobei die eine durch äußere Einflüsse, wie Druck, Temperatur1 Volumsänderung usw. verändert wird und die andere Kapazität zu Kompensationszwecken dient. Die Ausgangsimpulse der monostabilen Kippstufen MF werden einer Koinsidentschaltung zugeführt, bestehend aus einen Invertierer 1 und einem Und-Gatter U, und zwar werden die Ausgangsimpulse der dem zu messenden Kondensator C zugeordneten monostabilen Kippstufe dem Invertierer I zugeführt, x wonach dessen Ausgangsimpulse und diejenigen der dem Kompensationskondensator Ccomp zugeordneten monostabilen Kippstufe parallel dem Und-Gatter U zugeführt werden. Über den Integrator (Längs-Widerstand R und Querkondensator C) wird der Ausgang des Und-Gatters dem Anzeigegerät zugefuhrt (Ausgangsklemme A).
- Fig. 3 zeigt das Innenschaltbild einer monostabilen Kippstufe MF. Sämtliche dargestellten Bauteile, mit Ausnahme der Bauteile Cc, R4, und R5, sind als integrierte Schaltung (IC) handelsüblich. Das gleiche Schaltschema wird auch zur Erzeugung einer konstanten Frequenz herangezogen (fo).
- Das Ausgangssignal ist eine Rechteck-Wechselspannung fo mit relativ geringem Tastverhältnis.
- Fig. 4 zeigt die Schaltung der monostabilen Kippstufe zur Umwandlung der zu messenden Kapazität in eine impulsbreitenmkodulierte Rechteck-Wechselspannung.
- Die Triggerung der monostabilen Kippstufe erfolgt über den Kondensator C1 und den Spannungsteiler R6, R7. P1 dient zum Feinabgleich der Eigenzeit der monostabilen Kippstufe.
- Fig. 5 zeigt die praktische Ausführung der Koinzidenzschaltung. Die Eingänge E1, E2 entsprechen den Ausgängen A1, A2 der Fig. 2. Die Schaltung besteht aus deh drei Transistoren T2, T3, T4, wobei T3 die Invertierung und die Parallelschaltung von T3 und T4 die Und-Verknüpfung bewirkt. R8 und R9 dienen zur Strombegrenzung, R7 ist der Arbeitswiderstand für den Transistor T2.
- Die genaue Kalibrierung der Höhe der Differenzimpulse wird von der Zenerdiode Z1 zusammen mit R10 bewirkt. Der nachgeschaltete Verstärker V arbeitet mit dem Kondensator C als Integrator, dessen Verstärkung durch das Potentiometer P3 im Zusammenwirken mit R11 und R14 eingestellt werden kann. Das Potentiometer p2 dient zur Verschiebung des Arbeitsbereiches bzw. zur Nullpunktsunterdrückung.
- Die Zenerdiode Z2 dient zum Schutz des Verstärkers gegen Störspannungen von außen.
Claims (4)
- Neue Patentansprüche 1. Elektronische Kapazitätsmeßeinrichtung, insbesondere zur Messung kleiner Kapazitäten in der Größenordnung von Picofarad, insbesonders zum Vergleich zweier gleichartiger Kapazitäten, bei welcher Kapazitätsänderungen in proportionale Strom- bzw. Spannungsänderungen umgewandelt werden und wobei zur Impulsformung eine durch Recheckimpule getriggerte monostabile Multivibratorstufe dient und jede der zu messenden Kapazitäten Teil des Ladekreises einer monostabilen Kippstufe ist deren abgegebene Impulse eine zur messenden Kapazität proportionale Breite besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß diese Kippstufen (MF) von einer Wechsel spannung extrem konstanter Frequenz (fo) getriggert sind, und nach Integration des sich ergebenden pulsdauermodulierten Signals konstanter Frequenz dieses Ausgangssignal einem Anzeigegerät (Klemme A) zugeführt ist, wobei zwei Monoflops (MF), deren Impulsdauer in an sich bekannter Weise in einem Fall von einem zu messenden Kondensator (Cx), im anderen Fall von einem Kompensations kondensator (Ccomp) bestimmt ist, gleichzeitig getriggert werden und zur Differenzbildung der Impulslängen der beiden Monoflops (MF) die Impulse der beiden Monoflops einer Koinzidenzschaltung, bestehend aus einem Invertierer (I) und einer Und-Stufe (U) mit gegebenenfalls nachfolgender Siebung (Querkondensator C) zugeführt werden, und zwar die Impulse des Monoflops in dessen Ladekreis sich der zu messende Kondensator (Cx) befindet zunächst dem Invertierer (I) und sodann die Impulse dieses und die des Monoflops in dessen Ladekreis sich der Kompensationskondensator (Ccomp), befindet, der Und-Stufe (U), wonach der Ausgangsimpuls, gegebenenfalls über einen Widerstand (R), eInem Anzeigegerät zugeführt wi r.
- 2. Elektronische Kapazitätsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dad. gek., daß die Koinzidenzschaltung aus der ausgangsseitigen Parallelschaltung eines invertierenden (Transistor T,, Fig. 5) und eines nicht invertierenden Transistorverstärkers (Transistoren T2, T4, Fig.5) mit "open - collector"-Ausgang besteht.
- Elektronische Kapazitätsrneßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur genauen Kalibrierung der Höhe der Differenzimpulse eine zu den Ausgängen des invertierenden und des nicht invertierenden Transistorverstärkers parallel geschaltete Zenerdiode (Z1) vorgesehen ist.
- 4. Elektronische Kapazitätsmeßeinrichtung nach Anspruch 2-3, dad.gekennzeichnet, daß eine Widerstandskombination (F2, R12, R13) vorgesehen ist zur Arbeitsbereichsverlegung bzw. Nullpunktsunterdrückung, die mit dem nicht invertierenden Eingang des Integrierverstärkers (V, Fig. 5) verbunden ist.
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DE3014657A1 (de) * | 1979-04-19 | 1980-11-06 | Motorola Inc | Anordnung und verfahren zur erzeugung einer spannung |
EP0166705A2 (de) * | 1984-05-31 | 1986-01-02 | Vaisala Oy | Verfahren zur Messung von Kapazitäten, insbesondere niedriger Kapazitäten |
EP0166706A1 (de) * | 1984-05-31 | 1986-01-02 | Vaisala Oy | Verfahren zur Messung von Kapazitäten, insbesondere niedrigen Kapazitäten |
CN101087826B (zh) * | 2004-12-23 | 2011-08-17 | 巴斯福股份公司 | 使用含有碳二亚胺基的特殊交联剂的层压方法 |
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- 1977-02-03 AT AT67577A patent/AT359599B/de not_active IP Right Cessation
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1978
- 1978-02-01 SE SE7801208A patent/SE424776B/sv unknown
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- 1978-02-03 DE DE19782804696 patent/DE2804696A1/de not_active Withdrawn
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Also Published As
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