DE2842028C3 - Vorrichtung zum Messen der Kapazität eines Kondensators - Google Patents
Vorrichtung zum Messen der Kapazität eines KondensatorsInfo
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Description
Diese Anmeldung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Kapazität eines Kondensators entsprechend
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Vorrichtung läßt sich ferner verwenden für Messungen einer physikalischen Größe, wie beispielsweise
einer Bewegung oder eines Drucks, die durch einen kapazitiven Meßfühler hervorgebracht wird, in
dem eine Änderung dieser Größe in eine Kapazitätsänderung umgewandelt wird.
Eine Kapazitätsmeßvorrichtung der beschriebenen
Art findet sich in der französischen Patentanmeldung PV 73-45271 vom 18. Dezember 1973. Die Zählschaltung
besteht im wesentlichen aus einem Zähler, dessen maximale Kapazität am Ende jeder Eichphase und
Meßphase erreicht wird. Also zählt dieser Zähler während jeder dieser Phasen dieselbe Anzahl impulse n,
jedoch im Verlauf unterschiedlicher Zeitspannen A und At χ, die gleich η Te und η Tx sind, wo Te und T
Perioden des Oszillators sind, wenn dessen Kapazität die des Eichkondensators Xe bzw. die des Meßkonden- κι sators X ist. Der Vorwärts- und Rückwärtszähler wird nach Beendigung der Eichphase AtE auf Rückwärtszählen umgeschaltet, und zwar durch diesen Zähler, der seine Maximalkapazität erreicht hat und automatisch wieder auf Null gestellt worden ist. Folglich hat der r, Vorwärts- und Rückwärtszähler im Verlauf eines Vergleichszyklus während einer Zeitspanne T = 2 Δ tu eine vorbestimmte Anzahl von Taktimpulsen vorwärts und rückwärts gezählt.
Perioden des Oszillators sind, wenn dessen Kapazität die des Eichkondensators Xe bzw. die des Meßkonden- κι sators X ist. Der Vorwärts- und Rückwärtszähler wird nach Beendigung der Eichphase AtE auf Rückwärtszählen umgeschaltet, und zwar durch diesen Zähler, der seine Maximalkapazität erreicht hat und automatisch wieder auf Null gestellt worden ist. Folglich hat der r, Vorwärts- und Rückwärtszähler im Verlauf eines Vergleichszyklus während einer Zeitspanne T = 2 Δ tu eine vorbestimmte Anzahl von Taktimpulsen vorwärts und rückwärts gezählt.
Bei dieser Art von Kapazitätsmeßvorrichtung erzeugen der Zähler und der Vorwärts- und Rückwärtszähler
während jedes Vergleichszyklus einen Impuls der Dauer
T = At,.. + A tx=n(TE+ Tx)
und einen Impuls der Dauer T' = 2 Δίε- Dann wird die 4 >
Phasenverschiebung (T- T) in einem Phasenvergleicher
errechnet, um die Kapazitätsdifferenz zwischen dem Eich- und dem Meßkondensator herzuleiten, so daß
die Meßvorrichtung als Nullanzeiger wirkt.
Daraus ergibt sich, daß die Kapazitätsmessung durch w
Driften des Oszillators und der Streukapazitäten, insbesondere zwischen den Kondensatorbelägen und
dem Bezugspotential, beeinträchtigt wird, da die Differenz (T- T) einem diese Störungen dεrstellenden
Faktor Xdirekt proportional ist:
T- T = η K(Xe+ X) - 2 η K XE
oder
oder
T-T=nK(X-XE)
m
Die Aufgabe der Fr'' ■>.&.■·:■.& besteht darin, eine
Kapazitätsmeßvorrichtung zu schaffen, deren Meßergebnis, das direkt als Kapazitätswert des Kondensators
oder Wert der anderen zu messenden Größe angezeigt wird, insbesondere durch parasitäre Störungen des tr>
Oszillators nicht beeinträchtigt wird. Infolgedessen ermöglicht die Unterdrückung des Einflusses von
Fehlern, die insbesondere auf Veränderungen der Kennwerte der Bestandteile der verschiedenen Kreise
der Vorrichtung durch Temperatureinflüsse und Alterung zurückzuführen s:nd, sehr genaue Kapazitätsmessungen.
Diese Aufgabe wird bei einer Kapazitätsmeßvorrichtung der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß
durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Es erscheint daher als vorteilhaft, daß im Gegensatz zum Stand der Technik die erfindungsgemäße Meßvorrichtung
keine Differenz zwischen den Zeitspannen ermittelt, die einer vorbestimmten Anzahl Impulsen des
Oszillators während der Eichphase und während der Messung entsprechen, sondern vielmehr ein Verhältnis
zwischen der der Anzahl Impulse des Oszillators während der in einem Verhältnis R zueinander
siehenden Eich- und Meßzeit ermittelt, so daß die dem Verhältnis dieser Zahlen innewohnende Berechnung ein
Einfluß der parasitären Störungen, die insbesondere vom Oszillator erzeugt werden, selbstverständlich
beseitigt. So ergibt bei einem Eichkondensaior mit der Kapazität Xe und einem gegebenen Verhältnis R das
Produkt Xe mal Verhältnis zwischen den Impuls/ahlen
direkt den Wert der Kapazität X des zu messenden Kondensators. Ergänzenderweise braucht beispielsweise
der Taktgeber, der die vom Vorwärts- und Rückwärtszähler gezählten Impulse seinerseits erzeugt,
keine große Stabilität zu haben, da man es mit einem Verhältnis von Kapazitäten zu tun hat, das alle
parasitären Effekte mit langsamer Veränderung der Bauelemente der Vorrichtung beseitigt. Der Taktgeber
braucht daher nur ein einfacher Multivibrator zu sein.
Ganz allgemein wird ein Kondensator mit der Kapazität X, der in den Relaxationsoszillator eingesetzt
ist, während einer Relaxaüonsschwingungsperiode T\ = VF\ während der ersten Halbperiode mit einer
ersten Polarität seiner Beläge entladen und geladen, während der zweiten Halbperiode mit einer zweiten,
der ersten entgegengesetzten Polarität seiner Beläge zwischen zwei vorbestimmten Spannungen V't und V'_
entladen und aufgeladen, und zwar mit Hilfe einer Quelle für stabilisierte Speisespannung £und über den
festen Widerstand des Relaxationsoszillators. Die vom Relaxationsoszillator erzeugte Frequenz Fx hat dann
die Form
f.v = f(Vu V2. EY(R -X) (1)
worin /"einer bekannten, von den Extrems|>;innungen V-,
und V2 und von der Speisespannung E abhangigen
logarithmischen Funktion umgekehrt proportional ist.
Nimmt man die Spannungen V| und V2 und damit
auch die Speisespannung £ sowie den Widerstand R als während eines Vergleichszyklus konstant an, so kann
die Gleichung (1) durch die folgende ersetzt werden:
Fx = IKX (2)
worin K die obenerwähnte Konstante ist.
So läuft also gemäß einem vorgezogenen Ausführungsbeispiel die Messung darauf hinaus, abwechselnd
die Anzahl der vom Relaxationsoszillator abgegebenen Impulse zu bestimmen, die gleich der Anzahl Perioden
der Relaxationsschwingung Nf bzw. Nx ist, wenn
während des Eichens bzw. während der Messung der Eichkondensator bzw. der Kondensator mit der zu
messenden Kapazität X im Schwingkreis liegt. Die vorbestimmte Dauer der Eich- und der Meßphase ist
vorzugsweise gleich den oder beträchtlich größer als die Relaxationsschwingungsperioden, die dem zu messenden
Kapazitätsbereich entsprechen. Hierbei kann die
Kapazität Xi des Eichkondensators so gewählt werden,
daß sie gleich einer der Grenzen dieses Bereiches ist, die dem Nullpunkt des Anzeigeinstruments der Digitalschaltung
oder der höchsten oder niedrigsten Frequenz Fi; = MK Xi r r Impulse entspricht, die vom Relaxationsoszillator
Aiihrend des Vergleichszyklus abgegeben werden.
Gemäß einer Ausgestaltung besteht der Kondensator mit der zu messenden Kapazität X aus zwei
beispielsweise zylindrischen und koaxialen Belägen, von denen der eine gegenüber dem anderen koaxial bewegt
werden kann. Folglich ist die Änderung der zu messenden Größe Gx der Veränderung der Oberfläche
des Kondensators proportional. Bezeichnet man den Wert der tatsächlich vom Zähler angezeigten Kapazität
mit Cn, und die gesamte Streukapazität mit Cn, die
ebenfalls, bezogen auf das Bezugspotential oder auf die Erde der Meßvorrichtung, gemessen wird, so erhält man
die folgende Beziehung
C,„ = .V + C„
Cx = ACn, + B = AX ->· AC1, + B
worin A und B Konstanten sind.
Ist Gr. die analaoge Größe, die der für die Eichkapazität Xi; repräsentativen, effektiv berechneten
Kapazität Ci entspricht, so geht aus der folgenden
Doppelgleichung
Ca - G1; == A (Cn, - Ci) = A(X- XE)
hervor, daß die Linearität der Messung unabhängig von
der Stcrkapazität Cn erhalten bleibt.
Gemäß dieser ersten Ausgestaltung sind die Zählungen dieser vom Oszillator im Verlauf der Ei.h- und der
Meßphase jedes Vergleichszyklus abgegebenen Impulse vorbestimmt bzw. der zu messenden physikalischen
Größe umgekehrt proportional.
Gernäij einer weiteren Ausgestaltung ist der Kondensator
mit der zu messenden Kapazität X ein Flachkondensator, bei dem sich der Abstand d zwischen
den Belägen proportional zur zu messenden pyhsikalischen Größe G\ verändert Folglich ist hier im
Gegensatz zur ersten Variantt die Kapazität X der Größe Ga umgekehrt proportional und ist durch die
folgende Beziehung gegeben:
,Y = .4 ' d
worin A' eine Konstante ist, deren Wert von der Oberfläche der Beläge und von der relativen, dielektrischen
Leitfähigkeit des Dielektrikums zwischen den
Belägen abhängt.
Schreibt man die Gesamt-Streukapazität Cp in der
folgenden Form:
C„ = A1U- (5)
worin e eine Cn definierende Länge ist, die gegenüber
dem Maximalwert de von d, der vorzugsweise dem Eich·
oder Mindestwert Xe des Bereiches der zu messenden
Kapazitäten entspricht, sehr groß ist, so erhält man gemäß den Beziehungen (2) bis (5):
Cn, = A\Md + Me)
oder
oder
Fn, = M(KCn,)= [MKA') ■ (dl{\ + d/e))
worin Fn, die Relaxationsschwingungsfrequenz ist, die
dem Kapa2:itätswert Cn, entspricht Es bringt also bei
dieser zweiten Variante ein im Nenner der vorstehenden Beziehung erscheinender Ausdruck d/e eine
nichtlineare Änderung des als Funktion von G\ angezeigten Wertes der Kapazität X mit sich und damit
einen Linearitätsfehler in den Kapazitätsmessungen.
In dieser Hinsicht umfaßt der Oszillator zweckmäßigerweise
eine Schaltung zum Neutralisieren des Eichbzw. Meßkondensators während der Meß- bzw.
Eichphase oder zum Unterdrücken der Auswirkungen von Streukapazitäten zwischen dem Bezugspotential
und den Kondensatorbelägen.
In einer Ausgestaltung umfaßt die Kapazitätsmeßvorrichtung als Neutralisierungsschaltung einen Verstärker
mit dem Verstärkungsfaktor Eins, der als Impedanz-Anpassungskreis geschaltet ist, dessen Ausgang mit dem
Vergleicher des Oszillators verbunden ist und, durch das Schaltglied gesteuert, während der Meß- bzw. Eichphase
abwechselnd mit dem ersten Belag des Eich- bzw. Meßkondensators verbunden wird, während sein
Eingang mit den /weiten Belägen dieser Kondensatoren und mit dem Schwingkreiswiderstand verbunden ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfaßt die Kapazitätsmeßvorrichtung als Schaltung zur Unterdrückung
von Streukapazitäten einen Verstärker mit hohem Verstärkungsfaktor, der als Integrationskreis
geschaltet ist, dessen Ausgang mit dem Vergleicher des Schwingkreises verbunden ist, und, durch das Schaltgiied
gesteuert, während der Eichphase und während der Messung abwechselnd mit dem ersten Belag des
Eich- bzw. des Meßkondensators verbunden wird, während sein Eingang mit den zwei Belägen dieser
Kondensatoren und mit dem Schwingkreiswiderstand verbunden ist.
Die Erfindung soll nun in Ausführungsformen anhand der entsprechenden Zeichnungen eingehend beschrieben
werden, von denen
Fig. I ein Blockschaltbild einer Kapazitatsmeßvorrichtung
ist. in dem die Analogschaltung einer ersten Ausführungsform detailliert dargestellt ist:
Fig. 2 ein zeitliches Diagramm von Signalen ist, von
denen die beiden ersten von der Analogschahung und das dritte von der Digitalschaltung der Meßvorrichtung
verarbeitet worden sind;
F i g. 3 eine vorgezogene Ausführungsform der Digitalschaltung detailliert dargestellt zeigt;
F i g. 4 ein F i g. 1 analoges Blockschaltbild ist. in dem eine zweite Ausführungsform der Analogschahung
detailliert dargestellt ist;
F i g. 5A und 5B eine ebene Meßkondensatoranordnung für die erste bzw. zweite Ausführungsform der
• I t i. J * "11" · J · II» * A
Anaicg5cna!tüng detailliert dargestellt zeigen und
F i g. 6A und 6B eine zylindrische Meßkondensatoranordnung gemäß der ersten bzw. zweiten Ausführungsform
detailliert dargestellt zeigen.
Wie die F i g. 1 zeigt, umfaßt die Analogschaltung 1
der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung einen Relaxationsoszillator 10, der als Spannungs/Frequenz-Wandler
wirkt, und ein Schaltglied 11, das es bei der Ausführungsform von F i g. 1 ermöglicht, den Eichkon
densator 104 und den Meßkondensator 100, von der Digitalschaltung 2 gesteuert, abwechselnd mit Erde zu
verbinden.
Wie eingangs ausgeführt, ist die Erfindung nicht auf
die Wahl des Parameters d oder S, d. h. des Abstandes zwischen dem Belag oder der Oberfläche der Beläge des
Kondensators gerichtet, sondern ganz einfach auf die Messung der Kapazität X, die ein Maß für eine zu
messende physikalische Größe G.vsein kann.
Während der Meßphase hai — wie noch erläutert werden soll — der Kondensator 100 mit der Kapazität
X einen ersten, an Erde liegenden Belag 1000, währen^
sein zweiter Belag 1001 über einen hochohmigen Widerstand 101 mit dem Widerstandswert R mit dem
Ausgang eines Vergleichers 102 dauernd verbunden ist. Der direkte Eingang 1021 des Operationsverstärkers
1020 des Vergleichers 102 ist über eine Spannungsteilerbrücke 1023, die eine Spannung n>
festlegt, mit seinem Ausgang 1022 verbunden, während sein negierter
Eingang 1024 über einen Widerstand 1025 am Ausgang 1030 eines Impedanz-Anpassungskreises 103 liegt.
Dieser Kreis 103 besteht aus einem Operationsverstärker 1031 mit dem Verstärkungsfaktor Eins, dessen
Ausgang !030 in bekannter Weise mit dem direkten Eingang 1032 verbunden ist und dessen negierter
Eingang 1033 an den zweiten :;clag 1001 des
Kondensators 100 angeschlossen ist. Die Eingangsimpedanz des Verstärkers 1031 ist sehr hoch, um das
Aufladen und Entladen des Kondensators 100 über den Widerstand 101 nicht zu beeinflussen. Die Ausgangsimpedanz
des Verstärkers 1031 dagegen ist sehr niedrig, um bei dieser Ausführungsform eine Neutralisauon der
Abschirmung der Verbindung *05 zwischen dem Widerstand 101. dem negierten Eingang !033 und den
zweiten Belägen 1001 bzw. 1041 des Meßkondensators "00 bzw. de- Eichkondcnsators 104 sicherzustellen, wie
dies weiter unten beschrieben ist.
Nachstehend soil die Arbeitsweise des Relaxationsos-/.ülaiors
anhand des zeitlichen Schaubildes Fig 2 beschrieben ",erden.
Wird an dir Meßvornchtung die Speisepsannung E
angelegt, so lädt sich der Kondensator i00 mit einer ersten Polarität auf. bis -.ein zweiter Belag !001 sich auf
dem Potential Vi. befinde;, das der vorbestimmten
Spannung + ic entspricht. Das Potential der Ausgangsklemme
!022 des Vergleichers iO2. die sich zuvor au!
dem Potential -f E befand, kippt in aas Potentia' - £",
■Aas eine zweite, der ersten entgegengesetzte Polarität
au den Klemmen des Kondensators 100 hervorruft, der
Digitalschaltung 2 eingegeben, die aus ihrer Zählung während einer Meßphase At\ den Kapazitätswert X
ermittelt.
Der Einfluß von langsamen Veränderungen der Bauteile des Relaxationsoszillators 10 wird in der
Beziehung (6) durch den Wert der Konstanten K dargestellt, die eliminiert wird, wenn am Ende eines
Vergleichszyklus das Verhältnis der Anzahl Impulse Nr. und N\ berechnet wird, die vom Oszillator 10 während
der Eich- bzw. Meßphase mit der Dauer Atr bzw. At\
erzeugt wird, da die Kondensatoren 100 und 104, die durch Umschalten beispielsweise parallelgeschaltet
sind, wie dies die F i g. 1 zeigt, denselben Umwelteinflüssen
unterliegen, wie etwa der gleichen Temperatur.
W/ UL*' l·«' Q' 'TJ* I/ '«"■« V
\n/ l·* η π ti* η η #^ ι πι * » γλ ι (τ t^ η t-κ *-■ ι l ■■ ι ο ι /ι ι *j α. <λ t^ ι viii ι *^ rl χ
und Χι unter dein Einfluß der Temperatur Θ gemäß
derselben Funktion (F(O)) verändern, so daß
= -V1, ((I
λ,.η id - / ι^ιι
wobei Xh, ΛΌ und Xm. Χι ι, die Kapazitätswerte X und
V/bei der Meßtemperatur θ bzw. bei Absoluttemperatur darsteilen, so ist cu>
Verhältnis X/X'r und das Verhältnis Fy/F/.·temperaturabhängig.
Erfindungsgemäß ist beim Ausführungsbeispiel von Fig. I j er Relaxationsosziiiator auch noch mit dem
Eichkonuensaior 'Ö4 verbunden, dessen nichtveränderliche
Kapazität X1. gleich dem niedrigsten Wert des zu
--,essenden Bereiches von Kapazitäten X ist und dessen
zweiter Belag 1041 mit aem gemeinsamen Verbindungspunkt 105 verbunden ist.
Während leder der beiden Phasen des Vergleichszykius
zwischen der Anzahl impulse A/,- und Nx, deren Dauer gleich Δίι = Δι.\ ist, wird bei dem nachstehehend
beschriebenen Beispiel der eine der beiden Kondensatoren 100 und 104 mit dem Bezugspotential verbunden.
des negierten Eingangs 1024 des Operationsverstärkers ;02 den dem am Belag 1001 Hegenden Potential — Vc
entsprechenden Wert -t- i-u. so sehr das Potential der
«usgangsklemme 1022 zu seinem Anfangswert -f E
zurück, wodurch eine Entladung und eine Aufladung des Kondensators 100 auf die Spannung + Vn bei dieser
ersten Polarität herbeigeführt wird. Der Kondensator 100 wird während jeder der aufeinanderfolgenden,
positiven und negativen Polaritäten entladen, lädt sich jedoch zwischen den Spannungen (— V3, + Vo) oder
(-ί- V0. — V0) während einer Halbperiode mit der seiner
Kapazität X proportionalen Dsuer 1/(2 F\), so daß die
Schwingungsfrequenz F\ gegeben ist durch:
Fx = 1 {I-(RX In ((£ - V0)(E + I0))))
wobei
= MKX.
Die erste Zeile von F i g. 2 stellt das symmetrische Wechselspannungs-Dreieckssignai am Verbindungspunkt 105 und die zweite Zeile das Wechselspannungs-Rechtecksignal
oder Impulse mit der Periode 1/Fx an der Ausgangsklemme 1022 dar.
Dieses Rechtecksignal aus Impulsen mit der Folgefrequenz
Fv wird durch den Relaxationsoszr.ator 10 in die
Digitalschaitung 2 gesteuert, neutralisiert wird, so daß
das Schaltgiied logische Komplementärsignale in seine beiden Ausgangsieitungen 2H? und 2Ii4 abgibt, wie es
nachstehend anhand von F i g. 3 erläutert wird.
Zu diesem Zweck umfaßt das mit dem ersten Belag 1000 oder 1040 der Kondensatoren i00 oder 104
verbundene Schaltgiied 11 zwei Schaltelemente 110 —
111 oder 112 — i ί3. die aus je zwei Feldeffekt-Transistören
bestehen. Der erste Transistor IiO wird leitend, wenn er an seiner Basis das entsprechende Signal der
Meßphase mit der Dauer Δίχ empfängt, um den ersten
Belag !000 des MeSkondensators 100 mit dem Bezugspotentiat zu verbinden, während der zweite
zugehörige Transistor 1 ί ί gesperrt ist. Der andere erste
Transistor Π2 ist während dieser Meßphase Δίχ
gesperrt und der andere zugehörige zweite Transistor 113 auf Durchlaß geschaltet, um den anderen, den
Eichkondensator 104, zu neutralisieren. Im Verlauf der folgenden Eichphase mit der Dauer AtE werden die
Zustände der Transistoren 110 bis 113 umgekehrt, so daß jetzt der Meßkondensator 100 neutralisiert wird,
während der andere, der Eichkondensator 104 mit seinem ersten Belag 1040, mit dem Bezugspotential
verbunden ist.
Wie die F i g. 1 zeigt, wird der erfindungsgemäße Neutralisierungskreis durch zweite Transistoren 11 und
113 gesteuert, deren Abfluß an den Ausgang 1030 der
Stufe 103 angeschlossen sind, während ihre Quellen mit
den ersten Belägen 1000 und 1040 der Kondensatoren 100 und 104 sowie mit den Abflüssen der ersten
Transistoren 110 und 112 verbunden sind. Die Neutralisation andererseits erfolgt mit Hilfe einer
koaxialen Abschirmung 106 der Verbindungsleitungen, die in ihrer Gesamtheit mit 105 bezeichnet sind, die auch
die zweiten Beläge 1001 und 1041 der Kondensatoren umgibt und mit dem Ausgang 1030 des Verstärkers 1031
verbunden ist. Das hat zur Folge, daß unabhängig davon, welcher der beiden Kondensatoren 100 und 104 mit dem
Bezugspotential verbunden ist und sich damit während einer Phase des Vergleichszyklus lädt oder entlädt, die
beiden Beläge des anderen Kondensators sowie die Abschirmung 106 auf ein Potential gebracht werden, das
sich genauso verändert wie das Potential des zweiten Belages des im Laden oder Entladen begriffenen
Kondensators. Folglich haben die Gesamt-Körperkapazitäten Cn in Beziehung auf jeden Kondensator keinen
Einfluß mehr.
Nun soll eine vorgezogene Ausführungsform der Digitalschaltung 2 beschrieben werden, die es ermöglicht,
die Anzahl Impulse Nr und Nx zu zählen, die
während eines Vergleichszyklus vom Ausgang 1022 der Analogschaltung 1 abgegeben werden.
Die Digitalschaltung 2 besteht gemäß Fig. 2 und F i g. 3 im wesentlichen aus folgendem:
— Einer Steuerschaltung 21, die die fünf Stufen eines
Vergleichszyklus startet, die nachstehend noch beschrieben werden,
— einem Taktgeber 22 in Form eines Multivibrators, der Taktimpulse mit einer Frequenz abgibt, die
deutlich unter der liegt, die vom Oszillator i0 erzeugt wird,
— einem Zähler 23, der eine vorbestimmte Anzahl Ne
der Impulse zählt, die vom Oszillator 10 während jeder Eichphase erzeugt werden und infolgedessen
die Dauer Δ r^der Eichphase bestimmt,
— einem Vorwärts- und Rückwärtszähler 24, der die Dauer der Meßphase Δ tx zu bestimmen vermag, die
exakt gleich der Dauer der Eichphase ist, oder, respektive, in einem vorbestimmten Verhältnis
R = Δΐε/Δίχζ\ΐΓ letzteren steht,und
— einer Rechner- und Anzeige-Einheit 25, die es ermöglicht, den Wert der Kapazität X des zu
messenden Kondensators 104 zu berechnen und direkt anzuzeigen, und zwar als Funktion der
vorbestimmten Anzahl Ne und des vorbestimmten
Verhältnisses R und der Anzahl Nx von Impulsen, die vom Oszillator 10 während der Meßphase Δίχ
erzeugt und vom Zähler 23 gezählt werden; der Wert von λ wird dann mit Hilfe der folgenden
Beziehungen ermittelt:
tE= RAtx
oder
Ne/Fe=RNxZFx
oder
NeXe- K= RNxX-K
oder
X=(Xe-Ne)Z(R-Nx)
Dabei kann die Einheit 25 den Wert AOder !/AOder
eine einem der Werte X und 11X proportionale Größe
errechnen und anzeigen, je nachdem, ob die zu messende Größe Gx der Kapazität direkt oder
umgekehrt proportional ist.
Nachstehend sollen anhand der die Digitalschaltung 2 detailliert zeigenden Fig. 3 die fünf Stufen eines
Vergleichszyklus beschrieben werden.
1) Wird zu Beginn einer Messung die Spannungsver-")
sorgung der Meßvorrichtung eingeschaltet, so wird mit Hilfe einer geeigneten Nullstellvorrichtung 26 das
Schieberegister 210 mit den fünf Stufen 21Oi bis 21O5 der
Steuerschaltung 21 automatisch auf Null gestellt. Dadurch geht die Kippschaltung der ersten Stufe 210i in
κι den Zustand »1« über und steuert über die Leitung 211,
die Nullrückstellung des Vorwärts- und Rückwärtszählers 240 der Vorwärts- und Rückwärtszählschaltung 24
und eines als Vorzähler bezeichneten ersten Zählers 230 der Zählschaltung 23. Diese Rückstellung auf Null
ι "> schaltet den Vorwärts- und Rückwärtszähler 240 auf »Zählen« und steuert außerdem über ein ODER-Tor
213 eine monostabile Kippschaltung 212 an, die mit dem Ausgang des Taktgebers 22 verbunden ist. Infolgedessen
bewirkt die monostabile Kippstufe 21Oi über eine
-<> Schaltung aus drei UND-Toren 214, daß das Schieberegister
210 um einen Schritt vorrückt und daß dessen Kippschaltung der zweisten Stufe 21I2 in den Zustand
»1« übergeht.
2) Die Kippstufe 21O2 startet die zweite Etappe des
2') Vergleichszyklus, indem sie über die Leitung 21I2 den
Befehl zum Beginn der eigentlichen Eichung 4 ^ gibt.
Wie bereits erklärt, werden die beiden Transistoren 111
und 112 gesättigt, während die Transistoren 110 und 113
gesperrt werden, damit der Kondensator 104 mit
)ii bekannter Kapazität Xr im Meßkreis liegt. Unter diesen
Bedingungen gibt der Relaxationsoszillator 10 über ein UND-Glied 231, das zuvor, durch die Kippschaltung
21O2 gesteuert, über das ODER-Glied 232 auf Durchlaß geschaltet wurde, Impulse rr.!'. der Frequenz
ij Fe = MKXe an den Vorzähler 230 ab. Gleichzeitig mit
dem UND-Glied 231 wird das mit dem Zähleingang des Vorwärts- und Rückwärtszählers 240 ebenfalls verbundene
UND-Glied 241 auf Durchlaß geschaltet; im Zähler 240 können während der Eichung die Taktimpulse
gezählt werden. Für diese Gleichzeitigkeit sorgt eine D-Synchronisierschaltung 215, deren Taktgebereingang
mit dem Ausgang des UND-Gliedes 231 und deren Ausgang Q mit einem der Eingänge der UND-Glieder
241 und 242 verbunden ist, die ihrerseits mit dem
« Vorwärts- und dem Rückwärtszähleingang des Vorwärts-
und Rückwärtszählers 240 verbunden sind.
So zählt also während der Eichung der Vorzähler Nk
Impulse mit der Frequenz Fe, und der Vorwärts- und
Rückwärtszähler 240 zählt die Taktgeberimpulse, bis
so der Vorzähler bis zu seiner maximalen Kapazität Abgezählt
hat. Dieser Augenblick bestimmt das Ende der Eichung, deren Dauer damit gegeben ist durch
Δ Ie
Der Ausgang des Zählers 230 versetzt die Leitung 233
in den Zustand »1«, wobei die letztere das Vorrücken des Schieberegisters 210 um einen Schritt und über das
UND-Glied 234 die Rückstellung des Zählers 235 der Zählschaltung 23 auf Null veranlaßt.
3) Im Verlauf der dritten Etappe des Vergleichszyklus befindet sich die dritte Kippschaltung 2IO3 des
Schieberegisters 210 im Zustand »1« und veranlaßt über die Leitung 2113 folgendes
— die Sperrung des UND-Gliedes 241 und damit den Vorwärts- und Rückwärtszähler 240 zum Einstellen
seiner Tätigkeit;
- über die aus den beiden NOR-Gliedern bestehende Schaltung 243 die Negierung des Steuereingangs
für Vorwärtszählen/Rückwärtszählen, damit dieser sich im Zustand »Rückwärtszählen« befindet;
- über das ODER-Glied 216 die Rückstellung des Vorzählcrs 230 und der Synchronisier-Kippschaltung
215 auf Null und
- Ansteuerung der monostabilen Kippschaltung 212, damit diese nach Beendigung der vorstehenden
Vorgänge das Schieberegister 210 um einen Schritt vorrücken läßt.
4) Dann wird die Meßphase dadurch eingeleitet, daß die Kippschaltung 21O4 in den Zustand »!«übergeht. Da,
wie bereits gesagt, die Komplementärsignale in den Leitungen 21h und 21I4 gegenüber der Eichphase
umgekehrt werden, wird der erste Belag 1000 des Meßkondensators 100 über den gesättigten Transistor
110 ans Erdpotential gelegt, während der Eichkondensator
104 über den gesättigten Transistor 113 neutralisiert
wird.
In diesem Fall gibt der Ausgang 1022 des Oszillators
10 über das UND-Glied 231 Impulse mit der Frequenz F\ = MKX-ab, und gleichzeitig zählt der Vorwärts- und
Rückwärtszähler 240 die Taktgeberimpulse rückwärts. Erreicht der Vorzähler 230 seine Maximalkapazität Nr,
so startet er über das Tor 234 das Zählen der Impulse mit der Frequenz Fa durch den Zähler 235. Die von
diesem Augenblick an vergangene Zeit liegt bei dieser Ausführungsform unter Δ ιΕ = Atx, da die Kapazität XL
so gewählt ist, daß sie gleich dem Höchstwert der zu messenden Kapazitäten ist. Und da die Frequenz F/
niedriger ist als die Frequenzen Fx. hat der Vor/ähler
230 seine Maximalkapazität erreicht, bevor der Vorwärts- und Rückwärtszähler 240 bei Null angekommen
ist. Folglich hat, wenn der Vorwärts- und Rückwärtszähler bei Null angekommen ist, der wähler
235 eine Anzahl ρ von Impulsen mit der Frequenz Fx
verbucht, wobei
p= Nx- Ne
ist. Unter diesen Bedingungen befiehlt der Vorwärts- und Rückwärtszähler 240 dem Zähler 235, das Zählen
einzustellen, indem er einen Impuls zum Sperren des UND-Gliedes 234 über den Umkehrschalter 245 in die
Leitung 244 schickt. Dieser Sperrimpuls steuert auch über das ODER-Glied 213 die monostabile Kippschaltung
212 an, damit das Schieberegister 210 um einen Schritt vorrückt, und zwar entsprechend der folgenden
und letzten Etappe des Vergleichszyklus.
5) Bei diesem als Übertragungs- und Berechnungsschritt bezeichneten Schritt hat die fünfte Kippschaltung
21O5 des Schieberegisters an ihrem Ausgang 21h
den Zustand »1«. Das bewirkt die Übertragung des Inhalts ρ des Zählers 235 in einen Speicher 251 der
Rechner- und Anzeigeeinheit 25. Die Berechnung des Verhältnisses
X =
oder von
MX
MX
+ p)
verändern zu können bis der Meßbereich ebenfalls geändert wird. Das Rechenergebnis X wird dann am
Ende des Vergleichszyklus in der Anzeige 253 angezeigt.
Gleichzeitig bewirkt auf Befehl der Rechner- und Anzeigeeinheit 25 das Auslösen der monostabilen
Kippschaltung 212 durch Versetzen des Ausgangs 21 Ii der ersten Kippschaltung 21Oi in den Zustand »1« die
Rückkehr zur ersten Etappe des folgenden Vergleichszyklus.
Vorstehend ist zwar die Digitalschaltung gemäß einer Ausführungsform beschrieben, es sind für den Fachmann
jedoch auch andere Organisationsformen durchaus vorstellbar, die je nach den Werten des zu
messenden Kapazitätsbereiches und des Kapazitä'tsnnrmals
gewählt werden können. Stellt etwa die Eichkapazität die untere Grenze der zu messenden Kapazitätswerte dar, so werden die während der Eichphase Au
vom Oszillator abgegebenen Impulse von einem Vorzähler mit der Kapazität p<
und einem damit in Serie geschalteten Zähler mit der Kapazität p: gezählt, damit
diese ihre zusätzliche Maximalkapazität N/ = p, + p:
erreichen. Während der Meßphase jedoch erreicht nur der Vorzähler seine maximale Kapazität p\. während die
Zählung des Zählers am Ende der Meßphasc At\ gleich
p'ist, was unter seiner maximalen Kapazität p> liegt und gegeben ist durch
p' = /Vx - p,
Aus der folgenden Beziehung
(p' + ρ·,) X = (pi + pi) Xr = Ni Xi
(p' + ρ·,) X = (pi + pi) Xr = Ni Xi
wird dann der Wen Xder zu messenden Kapazität oder
dessen Kehrwert ermittelt.
Wenn schließlich das Kapazitätsnormal AV einen Wert hat, der außerhalb des zu messenden Kapazitätsbereiches liegt, so muß dem Ausgang des Taktgebers 22
ein Frequenzteiler oder -vervielfacher 220 während einer der als Eichung und als Messung bezeichneten
Phasen nachgeschaltet werden, wie es die F i g. 3 zeigt. Liegt beispielsweise die Kapazität Xr beträchtlich über
dem Bereich der zu messenden kapazitäten X. so dauert die Eichphase Δ ti; langer als die Meßphase Δΐ\. liegt
jedoch innerhalb eines vorbestimmten Wertes des Verhältnisses R = AtriAix. In diesem Fall zählt beim
Beispiel von F i g. 3 der Vorwärts- und Rückwärtsz-ihler
240 Impulse mit einer ersten Taktgeberfrequenz während der Eichphase vorwärts und wahrend der
Meßphase Impulse mit einer zweiten Taktgeberfri-quenz.
die zur ersten Taktgeberfrequenz im Yerhäkn.^
R steht, rückwärts. Im übrigeri hai sich die Arbeitsweise
von Vorzähler und Zähler 230 und 235 nicht geändert. In diesem Fall ist der Wert von Λ' durch eic folgende
Beziehung gegeben:
ergibt direkt den realen Wert oder den Kehrwert der Kapazität des zu messenden Kondensators 100, wobei
der Koeffizient K selbstverständlich eliminiert wird. In dieser Hinsicht erfolgt diese Berechnung in einer Logik
252, die einen Arbeitsspeicher enthält, der vorher die Werte Λ/ε und ^gespeichert hat, um den Wert von Xr
Im Speicher der Logik 252 wird außerdem der Wert des Verhältnisses ,^gespeichert.
Es können auch noch andere bekannte Parameter in den Rechner eingegeben werden, um die zu messende
physikalische Größe G\ direkt anzuzeigen.
Nun soll anhand von F i g. 4 eine zweite Ausführungsform der Analogschaltung 1 a beschrieben werden, die es
wie der Neutralisationskreis 106—103 von Fig. 1 ermöglicht, die Körperkapazitäten zu eliminieren, die
jedoch durch sehr niedrige Kosten und eine größere Meßgenauigkeil gekennzeichnet ist. Mit dem Index a
sind die in Fig.4 modifizierten Bestandteile gekennzeichnet,
die bereits in-der Fig. 1 dargestellt worden
sind.
Man findet in Fig. 4 die drei Hauptkreist der Kapazitätsmeßvorrichtung wieder, nämlich einen Relaxationsoszillator
10a und ein Schaltglied 11a in der Analogschaltung la und die Digitalschaitung 2, die nicht
detailliert dargestellt worden ist. da sie mit der identisch ist, die beispielsweise anhand von Fig. 3 beschrieben
wurde.
Der die Rolle des Spannungs/Frequenz-Wandlers spielende Oszillator 10a umfaßt wie in F i g. 1 den
Meßkondensator 100 mit der Kapazität λ', den Eichkondensator 104 mit der Kapazität Xn, den
hochohmigen Widerstand 101 mit dem Widerstandswert R und den Vergleicher 102. Dagegen enthält der
Oszillator 1Ou keinen Impe^idnz-Anpassungskreis mehr
wie ;n der Fig. 1. sondern umfaßt einen integrationskreis
107. der durch einen Operationsverstärker 1070 mit hohem Verstärkungsgrad in der Größenordnung
von 2000 dargestellt wird. Der negierte Eingang 1071 des Verstärkers 1070 ist mit dem Verbindungspunkt
!05a verbunden, der dem Widerstand 101 und den zweiten Belägen 1001 und 1041 der Kondensatoren 100
,■ηά Ί04 gemeinsam ist. Die Ausgangsklemme 1072 des
Verstärkers Ϊ070 ist mit dem Widerstand 1025 des
\egationscin.L-L.ngs !024 des Operationsverstärkers
1C20 verbunden, der hauptsächlich den Vergleicher 102 oes Oszillators lOa darsteiit sowie über das Schaltgiied
'' :· ir.it i,;n ersten Belägen iÖOO und 1040 der
i'--;naepsatoren !00 und 104. Wie die F i g. 4 zeigt, wird
!:e Abschirmung 106a. die den gemeinsamen Anschluß
05a und beiue Beläge der Kondensatoren 100 und !04
umgibt, nicht mehr mit einem hr.pedanz-Änpassungs-';:eis
neutralisiert, sondern einfach mit dem Bezugspo-
; .n'.ial der Vorrichtung verbunden.
r>;;S Schaltgiied Ua besteht nur aus zwei Festkörper-
;. !-.altern in Gestalt der Feldeffekt-Transistoren 110a
und 112a. Die Basis des Transistors 110a wird durch das
logische Steuersignal angesteuert, da: ihr über die Leitung 21Ij von der Digitalschaitung 2 zugeführt wird,
damit der Transistor HOa wäh -end der Dauer Δίχ der
Messung der Kapazität Xauf D irchlaß geschaltet ist. In
gleicher Weise wird die Basis des Transistors 112a durch
das logische Steuersignal angesteuert, das ein Komplementärsignal zum obigen Signal ist und von der
Digitalschaltung 2 über die Leitung 21I2 zugeführt wird,
Humit der Transistor \\2a während der Dauer Alu der
N'jj'sung der Kapazität Xt auf Durchlaß geschaltet ist.
Vi;ic auch bei Fig. ! sind die Meß- und die Eichphase
Ai; und Δ ti: gleich oder stehen in einem vorbestimmten
Verhältnis R zueinander. Die Zuflüsse der beiden Transistoren 110a bzw. 112a sind mit dem ersten Belag
iOOO bzw. 1040 des entsprechenden Kondensators 100 bzw. 104 verbunden. Während jedoch beim Schaltglied
11 die Zuflüsse der entsprechenden Transistoren UO und 112 abwechselnd mit dem Bezugspotential verbunden
wurden, werden die Zuflüsse der Transistoren 110a und 112a während der Zeil A tx bzw. Δ tt abwechselnd an
die Ausgangsklemme 1072 des Integrationskreises 107 gelegt.
Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß der Relaxationsoszillator einen Integrationskreis umfaßt,
der aus dem Operationsverstärker 1070. dem Widerstand 101 und. je nachdem, ob die über die
Leitungen 2114 und 21I2 übertragenen logischen Signale
den Transistor 110a suitigen und den Transistor 112a sperren oder den Transistor 110a sperren und den
Transistor 112a sättigen, aus dem Kondensator 100 ode dem Kondensator 104 besteht.
Bei der hohen Eingangsimpedanz des Operationsver stärkers 1070, seiner niedrigen Ausgangsimpedanz um
auf Grund der Tatsache, daß sich sein Eingang praktiscl auf Bezugspotential befindet, ist es möglich, dii
Streukapazitäten zwischen dem Belag 1041 de Kondensators 104. dem feststehenden Belag 1001 de
Kondensators 100 und dem negierten Eingang 1071 de Verstärkers 1070 auf der einen Seite und den
Bezugspotential auf der anderen Seite zu hemmen. Wei die Spannung am negierten Eingang 1071 sehr niedrij
ist. d. h. fast gleich dem Bezugspotential ist, wird dei durch den Ladewiderstand 101 fließende Stron
vollständig zu den Belägen 1001 und 1041 geleitet, vot denen einer mit einem RX oder RXe proportionaler
Strom aufgeladen wird, wenn der zugehörige Transisto
110a bzw. 112a gesättigt wird. Daher werden di< Streukapazitäten so gering, daß sie vernachlässig
werden können, da sie durch den Verstärkungsfaktoi des Operationsverstärkers 1070 geteilt werden und die
Linearität der Messungen nicht beeinträchtigen, insbe solidere dann nicht, wenn die zu messende physikalisch«
Größe Ga dem veränderlichen Abstand zwischen der
Belägen des Meiikondensators 100 proportional ist, wii
dies in der Einführung bereits auseinandergesetz
worden ist. Es können also die in der Streukapazitä zwischen dem Verbindungspunkt 105a und der mil den
Bezugspotential verbundenen Abschirmung 106a kreis enden Störladungen im Vergleich zu der von der
Kapazitäten Xoder Abgespeicherten Ladung vernach
iässigt werden, was dazu beiträgt, die Genauigkeit de; Messungen zu erhohen. An der ersten Klemme 100(
oder 1040 des Kondensators 100 bzw. 104 hingeger treten, durch den Vergleicher 102 gesteuert, Spannungs
änderungen auf. wenn der zugehörige Transistor 110; oder 112a gesättigt wird. Der hier jeweils andere
Kondensator 104 oder 100, dessen erster Belag 104( bzw. 1000 nicht geladen wird, weil der andere Transistoi
1!2ü oder 110a gesperrt ist, erzeugt ebenfalls keinerle
Sireukapazität, weil die Abschirmung !<>6a die Beläge
dieses Kondensators vollständig umgibt.
Im übrigen sei darauf hingewisen, daß es bei der beiden in F i g. 1 und F i g. 4 dargestellten Ausführungs
formen erforderlich ist, daß das elektrische Feie zwischen dem beweglichen Belag iOOO und den
feststehenden Belag 1001 des Meßkondensators !(Λ
wenn er veränderlich ist. unabhängig von „w Verschiebungen des beweglichen Belages 1000 gleich
förmig ist, damit die Kanteneffekte vermieden werder und die Genauigkeit der Kapazitätsmessung nich
beeinträchtigen. Um das zu erreichen, ist die Abschir
mung des Meßkondensators 100 mit gutem Erfolg mii
flachen bzw. zylindrischen Belägen so ausgeführt, wie dies die F i g. 5A und 5B bzw. 6A und 6B zeigen.
Beim veränderlichen Meßkondensator 100 kann e; sich um eine der an sich bekannten A.usführunger
handeln, nämlich
— mit ebenen Elektroden und paralleler odei winkelmäßiger Verschiebung des beweglicher
Belages gegenüber der feststehenden Elektrode iOOl, oder, wie in den Fig. 5A und 5 B gezeigt,
— mit zylindrischen Elektroden, wobei die eine dei
Elektroden ins Innere der anderen Elektrode eindringt, wie es in F i g. 6A und Fig. 6B für die
beiden in F i g. 1 bzw. F i g. 4 dargestellten Ausfüh rungsformen gezeigt ist.
Im ersten Fall der Flachausführung beeinflussen die Kanteneffekte an den Enden der Beläge die Genauigkeit
der Messungen, während im zweiten Fall der zylindrischen Ausführung dieser Effekt an den Enden
der beiden Beläge kompensiert wird.
Dazu ist erfindungsgemäß bei einem veränderlichen Flachkondensator 100, wie ihn F i g. 5A und F i g. 5B für
die beiden Ausführungsformen von F i g. 1 bzw. F i g. 4 zeigen, der feststehende Belag 1001 von einem flachen
Schutzring 108 umgeben, dessen Innenrand sehr nahe an den des Belages 1001 herankommt und in derselben
Ebene wie dieser liegt, während sein Außenrand parallel zum und oberhalb des Außenrandes des beweglichen
Belages 1000 angeordnet ist. Der Schutzring 108 steht oberhalb des Belages in Kontakt mit der Abschirmung
106 bzw. 106a und hält daher ein Potential aufrecht, das gleich dem Erdpotential ist und fast gleich dem des
Belages 1001. Wenn sich dann der bewegliche Belag 1000 rechtwinklig oder winkelmäßig zur Ebene des
feststehenden Belages 1001 verschiebt, so daß die Veränderung der zu messenden Größe Cv dem Abstand
zwischen den Belägen direkt proportional ist und damit der Kapazität X umgekehrt proportional, ist das
elektrische Feld, das zwischen den Belägen herrscht, nahezu gleichförmig verteilt, und das gilt insbesondere
in Höhe des Außenrandes des Belages 1001, d. h. für die Stelle, die in den F i g. 5A und 5B mit 109 bezeichnet ist.
In diesem Fall verändert sich die zu messende physikalische Größe in linearer Abhängigkeit von der
an den beweglichen Belag 1000 angelegten Ladespannung, d. h., sie ändert sich als strikte Funktion des
Kehrwertes der Kapazität des Meßkondensators.
Schließlich sei noch bemerkt, daß die Anordnung der Kondensatoren 100 und 104 zum Messen einer von
einer veränderlichen Kapazität abhängigen physikali-
H) sehen Größe nicht auf die in Fig. 1 und Fig.4
dargestellte beschränkt ist, vielmehr kann der Ausbau des Schaltgliedes 11 oder lla so gestaltet werden, daß
eine leichte Montage der Kondensatoren, d.h. der Meßfühler, ermöglicht wird. So werden beispielsweise
ij während der Messung der Eichkondensator und der
Meßkondensator mit dem Bezugspotential parallelgeschaltet, während zur Eichung nur der Eichkondensator
mit Erde verbunden wird. Oder es wird beim Messen der Meßkondensator mit Erde verbunden, während beim
Eichen der Eichkondensator und der Meßkondensator parallel mit Erde verbunden werden. Schließlich können
der Eich- und der Meßkondensator während einer der Phasen in Reihe angeschlossen werden, in einer
Anordnung, die analog der ist, die vorstehend für die
Parallelverbindungen dieser Kondensatoren beschrieben wurde.
Hierzu 5 Hhitt Zeichnungen
Claims (11)
1. Vorrichtung zum Messen der Kapazität eines Kondensators mit Hilfe eines Zyklus, bei dem die
Lade- und Entladezeiten dieses ersten oder Meßkondensators bzw. eines zweiten oder Eichkondensators
während zweier aufeinanderfolgender, als erste oder Meßphase und zweite oder Eichphase
bezeichneter Phasen miteinander verglichen wer- ι ο den, die aus einem hochstabilen Oszillatorkreis
besteht, der einen dieser Kondensatoren enthält und dessen Schwingungsperiode der Kapazität des darin
enthaltenen Kondensators proportional ist, ein Schaltglied aufweist, das die Aufgabe hat, den ersten
bzw. den zweiten Kondensator zu Beginn dieser Phasen so anzuschließen, daß er als Kapazität X
Dzw. als Kapazität Xe im Schwingkries liegt, einen
Zähler enthält, der eine vorbestimmte Anzahl Ne von während der zweiten Phase vom Schwingkreis 2»
erzeugten Impulsen zählt, um eine vorbestimmte Dauer der zweiten Phase festzulegen, einen
Taktgeber aufweist, der Impulse mit mindestens einer Taktperiode erzeugt, einen Vorwärts- und
Rückwärtszähler enthält, der Taktimpulse während Ji der ersten bzw. zweiten Phase vorwärts bzw.
rückwärts zählt und den Befehl zum Übergang von Vorwärts- auf Rückwärtszählen durch den Zähler
erhält, wenn er bis NE gezählt hat, und aus einer
Einheit zum Berechnen und Anzeigen des Meßergebnisses am Ende jedes Vergleichszyklus besteht,
dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwärts- und Rückwärtszähler (24), wenn er beim
Rückwärtszählen bei Nuil angekommen ist, dem Zähler (23) den Befehl gibt, das Zählen einzustellen, r>
damit die Dauer der ersten Phase (Δίχ) gleich der
zweiten Phase (Δίε) ist oder in einem bestimmten
Verhältnis R zur letzterer steht, und — da die Anzahl Impulse Nx, die der Oszillator (10, iOa)
während der Messung erzeugt hat und die vom Zähler (23) während dieser Phase gezählt wurde, zu
dieser vorbestimmten Anzahl /Vfin einem Verhältnis
steht, das den Kapazitäten X und Xe des ersten
Kondensators (100) und des zweiten Kondensators (104) umgekehrt proportional ist — weiterhin v,
dadurch, daß die Rechen- und Anzeigeeinheit (25) Einrichtungen (252) zum Berechnen einer Größe
umfaßt, die dem Quotienten (NE Xe)Z(R Nx) direkt
oder umgekehrt proportional ist, der gleich dem Wert der tatsächlichen Kapazität X des ersten jo
Kondensators (100) ist.
2. Kapazitätsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgeber (22)
dann, wenn dieses vorbestimmte Verhältnis R nichl gleich Eins ist, außerdem noch einen Frequenzteiler
oder -vervielfacher (220) umfaßt, der während der Messung oder während des Eichens tätig ist, damit
der Vorwärts- und Rückwärtszähler (24) Impulse mit einer ersten Taktfrequenz während der zweiten
Phase vorwärts und Impulse mit einer zweiten t>o Taktfrequenz, die zur ersten Taktfrequenz in diesem
Verhältnis steht, während der ersten Phase rückwärts zählt. 1
3. Kapazitätsmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei >>-,
diesem Oszillator (10) um einen Relaxationsoszillator mit einer während der Dauer jedes Vergleichszyklus
konstanten Kippschwelle handelt, der außerdem eine Schaltung (103, 106) zum Neutralisieren
des ersten bzw. des zweiten Kondensators während der zweiten bzw. während der ersten Phase umfaßt.
4. Kapazitätsmeßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Neutralisierungsschaltung
einen Verstärker (103) mit dem Verstärkungsfaktor Eins umfaßt, der als Impedanz-Anpassungskreis
geschaltet ist und dessen Ausgang \1030) mit dem Vergleicher (102) des Oszillators (10)
verbunden ist und, durch das Schaltglied (11) gesteuert, während der ersten Phase bzw. während
der zweiten Phase abwechselnd mit den ersten Belägen (1000 bis 1040) des zweiten Kondensators
bzw. ersten Kondensators verbunden wird, während sein Eingang (1033) mit den zweiten Belägen (1001
bis 1041) dieser Kondensatoren und mit dem Widerstand (101) des Oszillators (10) verbunden ist.
5. Kapazitätsmeßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (10) eine
Abschirmung (106) umfaßt, die mindestens die zweiten Beläge der Kondensatoren (100, 104) und
die gemeinsame Verbindung (105) dieser Beläge mit dem Eingang (1033) des Verstärkers (103) umgibt
und mit dem Ausgang (1030) des Verstärkers verbunden ist.
6. Kapazitätsmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Schwingkreis (lOa) ein Relaxationsoszillator mit
während der Dauer jedes Vergleichszyklus konstanter Kippschwelle ist und außerdem eine Schaltung
(106a, 107) zum Unterdrücken der Auswirkungen von Streukapazitäten zwischen dem Bezugspotential
und den Kondensatorbelägen umfaßt.
7. Kapazitätsmeßvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Schaltung zum
Unterdrücken von Streukapazitäten einen als Integrationskreis geschalteten Verstärker (107) mit
hohem Verstärkungsgrad umfaßt, dessen Ausgang (1072) mit dem Vergleicher (102) des Oszillators
(1Oa^ verbunden ist und, durch das Schaltglied (Wa) gesteuert, während der ersten Phase bzw. der
zweiten Phase abwechselnd mit den ersten Belägen des ersten bzw. des zweiten Kondensators verbunden
wird, während sein Eingang (1071) mit den zweiten Belägen (1001 bis 1041) dieser Kondensatoren
und mit dem Widerstand (101) im Schwingkreis (lOajverbunden ist.
8. Kapazitätsmeßvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (10) eine
Abschirmung (106a,/ umfaßt, die mindestens die zweiten Beläge der Kondensatoren (100 bis 104) und
den gemeinsamen Verbindungspunkt (105a,/ dieser Beläge mit dem Eingang (1071) des Verstärkers (107)
umgibt und mit dem Bezugspotential verbunden ist.
9. Kapazitätsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der
erste Kondensator (100) veränderlich ist.
10. Kapazitätsmeßvorrichtung nach den Ansprüchen 5 oder 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß
der erste Kondensator ebene Beläge hat, deren feststehender dieser zweite Belag (1001) ist und mit
einem Schutzring (108) umgeben ist, der mit dem feststehenden Belag in derselben Ebene liegt und mit
der Abschirmung (106, 106aj verbunden ist, damit das elektrische Feld zwischen dem ersten beweglichen
Belag (1000) und der Einheit zweiter Belag/ Schutzring auch bei starken Schwankungen des
Abstandes zwischen den Belägen (1000 bis 1001)
praktisch gleichförmig bleibt
11. Kapazitätsmeßvorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß sich der erste Belag (1000) gegenüber dem feststehenden Belag winkelmäßig
so bewegt, daß er einen veränderlichen Flächenwinkel bildet
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