DE2848317A1

DE2848317A1 - Kapazitive messvorrichtung fuer kleine kapazitaetsaenderungen

Info

Publication number: DE2848317A1
Application number: DE19782848317
Authority: DE
Inventors: Bruce E Rohr
Original assignee: General Scanning Inc
Current assignee: General Scanning Inc
Priority date: 1977-11-07
Filing date: 1978-11-07
Publication date: 1979-06-07
Also published as: GB2007372A; JPS5476187A; US4142144A; GB2007372B

Description

DR. DIETER V. BEZOLD 2. U 4 U O I /

DIPL. ING. PETER SCHÜTZ DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLER

MARIA-THEItESIA-STRASSE 22

FOSTJB¹ACH 880608 D-8000 MUENCHEN 86

TELEFON 080/470906 176819

TELEX 522638 TELEOHAMM SOMBEZ

6. November 1978 10444 Dr.v.B/E

GENERAL SCANNING, INC.
150 Coolidge Avenue, Watertown, Massachusetts, V.St.A.

Kapazitive Meßvorrichtung für kleine Kapazitätsänderungen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine kapazitive Meßvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Insbesondere betrifft die Erfindung eine transformatorlose kapazitive Meßvorrichtung für Kapazitäten in der Größenordnung von Pikofarad, die zur Lagerückführung für ein Galvanometer verwendet werden kann.

In der Galvanometer-Meßtechnik wird bei vielen Anwendungen zwingend gefordert, daß die Lage des beweglichen Elementes ohne Temperaturdrift oder dgl. genau angezeigt wird. Diese Lageinformation kann zu einer Steuerschaltung zurückgeführt werden, um die Genauigkeit zu erhöhen. Die hohe Meßgenauigkeit soll mit niedrigen Kosten sowie kleinem Raumbedarf er^ reicht werden und nur niedrige Spannungen erfordern. Bisher ließen sich diese Forderungen nicht gleichzeitig erfüllen und man mußte unerwünschte Kompromisse eingehen.

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POSTSCHECK MÜNCHEN NH. 0 9148 800 · BANKKONTO HYPOBANK MÜNCHEN (BLZ 7OO20040) KTO. 6080257378

Es ist beispielsweise bekannt, für genaue Messungen Wandler mit veränderbarer Induktivität zu verwenden. Diese sind jedoch teuer, schwierig herzustellen und wegen der induktiven Bauteile verhältnismäßig groß. Es ist ferner bekannt, kapazitive Meßvorrichtungen zu verwenden, die jedoch im allgemeinen ähnliche Nachteile aufweisen. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung der bekannten kapazitiven Meßvorrichtung.

Kapazitätsmeßeinrichtungen der hier interessierenden Genauigkeiten, d.h. Kapazitätsmeßeinrichtungen für Kapazitäten zwischen insbesondere 1 und 10 pF, sind aus den US-PSen 3 694 741, 3 706 919, 3 771 061, 3 775 678, 3 775 679, 3 805 150 und 3 812 424 bekannt. Für das einwandfreie Arbeiten dieser bekannten Schaltungsanordnungen ist die Verwendung von Transformatoren notwendig, was aus Kosten-, Gewichts- und Platzgründen unerwünscht ist. Kommerzielle Ausführungsformen der oben genannten bekannten Schaltungsanordnungen benötigen ferner im allgemeinen eine verhältnismäßig hohe Anzahl von Bauelementen und komplizierte Schaltungsanordnungen, was die Kosten weiter erhöht und die Ermittlung von Fehlern während des Herstellungsprozesses und der Wartung schwierig macht. Es sind auch bereits Schaltungen zur Messung von Kapazitätsdifferenzen im Pikofaradbereich für schnelle optische Abtastanordnungen bekannt, diese Schaltungen haben jedoch ähnliche Nachteile, wie sie oben erwähnt wurden. Außerdem wurden diese Schaltungen bisher praktisch nur in Verbindung mit Schreibstiftantrieben von hochwertigen Streifenschreibern für medizinische Zwecke verwendet, wo Kosten eine große Rolle spielen und die hohen Spannungen, mit denen der Transformator arbeitet, eine echte Gefahr darstellen.

Es wird ferner in bestimmten Typen von Streifenschreibern eine andere, mit veränderlicher Kapazität arbeitende Meß- oder Detektorvorrichtung verwendet. Diese enthält die Kombination eines Transistors in Basisschaltung mit einem Transformator. Der Transformator liegt im Emitterkreis des Transistors und speist einen veränderbaren Kondensator mit einer "schwimmenden", d.h. einer auf kein festes Potential bezogenen sinusförmigen Spannung von einem Oszillator. Ein Belag des veränderbaren Kondensators ist über

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den Transformator mit dem Emitter verbunden, während der andere Belag an Masse liegt. Der in Basisschaltung arbeitende Transistor oder Verstärker hat den Zweck, an den Kondensator über eine Klemme, den Emitter, eine niedrige Spannung anlegen zu können. Die andere Klemme, der Kollektor, weist eine hohe Impedanz auf. Bei der einen Auswanderung oder Halbwelle der Sinusschwingung wird der Kondensator durch den Strom vom Kollektor aufgeladen und der Kollektorstrom ist daher ein Maß für die Kapazität des veränderlichen Kondensators. Bei der entgegengesetzten Auswanderung oder Halbwelle wird der Kondensator über eine Diode zur Basis des Transistors entladen.

Der Transformator sowie der bei dieser Schaltungsanordnung erforderliche große Kondensator tragen erheblich zu den Kosten, dem Gewicht und dem Raumbedarf bei und ergeben außerdem eine die Arbeitsfrequenz begrenzende Trägheit. Außerdem ist die Empfindlichkeit dieser Schaltungsanordnung in der Praxis auf relativ hohe Kapazitätswerte beschränkt, z.B. 50 bis 100 pF₅ da sonst die Temperaturdrift übermäßige Störungen verursacht.

Aus der US-PS 3 012 192 ist ferner eine Meßvorrichtung für veränderliche Kapazitäten bekannt, die ohne Transformator auskommt. Das Ausgangssignal dieser Schaltungsanordnung hängt jedoch von einem Verhältnis ab, in das die Summe der beiden Kapazitäten in der Kapazitätsdifferenzschaltung eingeht, so daß relativ große Instabilitäten durch gleichsinnige Temperatureinflüsse (Gleichtakt-Temperaturstörungen) auftreten. Diese Schal tungsarW' Ordnung eignet sich also nicht für den Pikofaradbereich.

Der vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, die obigen Schwierigkeiten zu vermeiden und eine transformatorlose, stabile Kapazitätsmeßvorrichtung anzugeben, die bis herunter in den Pikofaradbereich verwendet werden kann. Insbesondere soll durch die Erfindung eireim Pikofaradbereich arbeitende Galvanometerlagemeßvorrichtung angegeben werden, die einfach und mit geringen Kosten hergestellt werden kann, betriebssicher ist und sich durch äußerste Kompaktheit auszeichnet, so daß die Probleme, die in der Industrie bisher hinsichtlich der Konstruktion hochwertiger Galvanometersysteme bestanden, vermieden werden.

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Diese Aufgabe wird bei einer Meßvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und Ausgestaltungen gemäß der Erfindung.

Durch die vorliegende Erfindung wird also eine transformatorlose Kapazitätsmeßvorrichtung geschaffen, die einen Emitterfolger-Transistorverstärker enthält, in dem ein auf Masse bezogener Oszillator seine Schwingungen an die Basis der Transistorschaltung und über den Transistorübergang an den Emitter liefert. Der veränderliche Kondensator liegt im Emitterzweig, wobei ein Belag mit Masse verbunden ist. Während die eine Seite oder Halbwelle der Spannungsauswanderung oder Schwingung der Basis des Transistors zugeführt wird, lädt der Kollektorstrom den Kondensator auf. Der Kollektorstrom hängt dabei von der Kapazität des Kondensators ab, wie es bei der oben erwähnten bekannten Streifenschreiberschaltung der Fall ist, gegenüber der jedoch einige äußerst wesentliche Unterschiede bestehen: Da der Transformator und dessen Eigenkapazität zwischen Primär- und Sekundärwicklung fehlen, entfällt eine wesentliche Ursache für die Temperaturdrift und die vorliegende Schaltungsanordnung kann daher im Pikofaradbereich betrieben werden. Bei der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung entfallen ferner auch die anderen Nachteile der bekannten Transformatorschaltungen, nämlich hohe Kosten, große Abmessungen und große Trägheit sowie die schwierige Herstellung.

Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung, insbesondere in ihrer bevorzugten, Kapazitätsdifferenzen messenden Ausführungsform mit Unterdrückung von Gleichtaktstörungen läßt sich mit besonderem Vorteil als Galvanometerlagegeberschaltung verwenden, die 'lim ganzen mechanischen Auslenkungsbereich Kapazitätsänderungen in der Größenordnung von einem Pikofarad und weniger zu erfassen vermag.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

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Fig. 1 einen Längsschnitt eines Galvanometers mit einer Lagegeber- und Steuerschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 und 3 Querschnittsansichten des Galvanometers in Ebenen 2-2 bzw. 3-3 der Fig. 1;

Fig. 4 eine Grundschaltung der Kapazitätsmeßvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 5 eine bevorzugte Ausführungsform der Grundschaltung gemäß Fig. 4 und

Fig. 6 eine Ausführungsform einer different!eil en Kapazitätsmeßvorrichtung, die sich für die Feststellung der Winkellage eines Galvanometers oder anderen beweglichen Bauteils eignet.

In den Figuren 1 bis 3 sind ein Galvanometer und eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung und Steuerung der winkelmäßigen Einstellung des Galvanometers dargestellt.

Das Galvanometer 10 enthält einen Rotor 12, der auf einer Welle 32 frei drehbar gelagert ist. Die Drehlage oder Winkelstellung des Rotors und damit der Welle 32 wird durch den Strom bestimmt, der Spulen 38 des Galvanometers 10 vom Ausgang 14 eines Lage- oder Stellungskomparators 16 zugeführt wird. Die Anordnung enthält ferner einen Lagegeber 18, welcher einen ebenfalls auf der Welle 32 montierten Rotorabschnitt 48 enthält, der sich mit dem Rotor 12 dreht. Der Lagegeber 18 ist ein Kapazitätsdifferenz-Geber, bei dem die an Ausgangsleitungen 22 und 24 des Gebers 18 liegenden Kapazitäten von der Winkellage des Rotorabschnitts 48 und damit der Stellung des Rotors 12 abhängen. Die Ausgangsleitungen 22 und 24 sind mit einer Lagegeberschaltung 26 verbunden, die eine Kapazitätsdifferenzmeßschaltung darstellt, welche die Kapazitäten an den Ausgangs!eitungen 22 und 24 mißt und an einem Ausgang ein Ausgangssignal liefert, welches die Winkellage des Rotorabschnitts 48 und des Rotors 12 angibt. Dem Lagekomparator 16 wird über einen zweiten

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Eingang 30 ein Sollwert-Signal zugeführt, das die Soll-Winkel lage des Rotors 12 angibt und mit dem Signal auf der Leitung 28 verglichen wird, um etwaige Abweichungen zwischen der Ist- und Soll-Lage des Rotors 12 zu ermitteln. Der Lagekomparator liefert auf einer Ausgangsleitung 14 ein Ausgangssignal, das den Rotor 12 veranlaßt, die durch das So 11 wert-Signal 30 angegebene Winkellage einzunehmen.

Der auf der Welle 32 montierte Rotor 12 (Fig. 1 und 2) besteht aus einem magnetischen Material. Durch Permanentmagnete 34 wird auf den Rotor 12 ein Drehmoment ausgeübt, das ihn veranlaßt, die dargestellte Lage einzunehmen. Der Strom in den Spulen 38 erzeugt dann ein Magnetfeld, das den Rotor 12 aus der dargestellten Lage herausdreht. Der Rotor 12 stellt sich dabei in eine Winkellage ein, bei der die durch die Spulen 38 und die Magnete 34 ausgeübten Kräfte im Gleichgewicht sind und, da die von den Magneten 34 ausgeübten Kräfte unveränderlich sind, wird die Stellung des Rotors also von dem Strom in den Spulen 38 bestimmt.

Weitere Einzelheiten der Konstruktion und Arbeitsweise solcher Galvanometer sind aus den US-PSen 3 624 574 und 3 753 106 bekannt, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird, so daß auf weitere Erläuterungen verzichtet werden kann.

Wie aus den Figuren 1 und 3 ersichtlich ist, enthält der Lagegeber 18 den Rotorteil 48 und Statoren 50, 52, 54 und 56. Die Statoren 52 und 54 sind miteinander verbunden und bilden eine Platte oder einen Belag des Kondensators oder der Kapazität, die an der Ausgangsleitung 22 wirksam ist. Die Statoren 50 und 54 sind ebenfalls miteinander verbunden und bilden eine Platte oder einen Belag des Kondensators oder der Kapazität, die an der Ausgangsleitung 24 wirksam ist. Der Rotorteil 48 bildet die andere Platte oder den anderen Belag der beiden Kondensatoren oder Kapazitäten und ist mit Masse verbunden. Die Kapazitäten bender Kondensatoren hängen von den Flächen der Statoren, die dem Rotorteil 48 gegenüberliegen oder von diesem abgedeckt werden, ab, wie den Flächen 60 und 62 der Statoren 52 und 56 (Fig. 3). Die

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Kapazitäten an den Ausgangsleitungen 22 und 24 sind gleich, wenn sich der Rotorteil 48 in der dargestellten Lage befindet und die eine Kapazität nimmt zu, während die andere abnimmt, wenn der Rotorteil 48 durch die Welle 42 in der einen Richtung gedreht wird; bei einer Drehung in der umgekehrten Richtung treten offensichtlich entsprechende entgegengesetzte Kapazitätsänderungen auf.

Fig. 4 zeigt das Prinzip einer Kapazitätsmeßschaltung, wie sie bevorzugt in dem Lagegeber 26 verwendet wird. Es handelt sich um eine Emitterfolger- oder Emitterverstärkerschaltung, in der ein veränderlicher Kondensator 64 zwischen den Emitter 66 eines Transistors 68 und Masse geschaltet ist. Als Steuerspannungsquelle 70 dient ein auf Masse bezogener, d.h. mit seiner einen Ausgangskiemme an Masse angeschlossener Oszillator, der an seiner anderen Ausgangsklemme eine veränderliche Spannung liefert, die der Basis 72 des Transistors 68 zugeführt ist. Ferner ist eine Kondensatorentladeanordnung 74 zwischen den Emitter 66 und eine Entladespannungsquelle 76 geschaltet. Das Ausgangssignal der Spannungsquelle 70 ist vorzugsweise eine sich sinusförmig ändernde Spannung mit einer Frequenz in der Größenordnung von 1 MHz. Die sinusförmige Spannung, die der Basis 72 des Transistors 68 zugeführt wird, erscheint am Emitter 66 und damit am Kondensator 64. Die sinusförmige Spannung steuert den Transistor 68 ferner abwechselnd in den durchgeschalteten und den gesperrten Zustand aus, je nachdem ob die Amplitude der sinusförmigen Spannung an der Basis 72 größer oder kleiner als die sinusförmige Spannung am Emitter 66 ist. Wenn der Transistor 68 nicht leitet, fließt ein Entladestrom vom Kondensator 64 über die Entladeanordnung 74 zur Stromquelle 76. Die Spannung am Emitter 66 wird daher der an der Basis 62 liegenden sinusförmigen Spannung während einer nach unten gerichteten Auswanderung dieser Spannung folgen und der Transistor 68 wird nichtleitend, d.h. gesperrt bleiben, so lange der vom Kondensator 64 durch die Entladeanordnung 74 fließende Entladestrom nicht so groß ist, daß die Spannung am Emitter 66 unter die der Basis 72 zugeführte Spannung absinkt. Bei nach oben gerichteten Auswanderungen der sinusförmigen Spannung steigt die Spannung an der Basis 72 über die am Emitter 66 auftretende Spannung so weit an, daß der Transistor 68 in den leitenden Zustand durchgeschaltet wird

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und Strom vom Kollektor 78 des Transistors 68 in den Kondensator 64 fließt, wodurch letzterer aufgeladen wird. Der Strom, der im Kollektor 78 während dieser Hälfte des Zyklus der sinusförmigen Spannung fließt, hängt von der Kapazität C des Kondensators 64 ab. Diese Abhängigkeit läßt sich durch die folgende Gleichung ausdrücken:

I = 2,22 CAf

wobei C die Kapazität des Kondensators 64

A die Amplitude der sinusförmigen Spannund und f die Frequenz der sinusförmigen Spannung

bedeuten. Der Strom I im Kollektor 78 ist also direkt proportional zur Kapazität C des Kondensators 64.

Bei einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 besteht die Entladeanordnung 74 aus einem Widerstand und die Entladespannungsquelle 76 liefert eine feste Spannung, die gleich Massepotential ist oder unter Massepotential liegt.

Bei der in Fig. 5 dargestellten bevorzugten Ausführungsform werden die Kondensator-Entladeanordnung 74 und die Entladespannungsquelle 76 durch eine Diode 80 realisiert, die zwischen den Emitter 66 und die Basis 72 des Transistors 68 mit einer Polung geschaltet ist, die der Polung der internen Basis-Emitter- Diode 82 des Transistors 68 entgegengesetzt ist. Bei dieser Ausführungsform entlädt sich der Kondensator 64 während der nach unten gerichteten Auswanderungen der sinusförmigen Spannung durch die Diode 80 zur Sinusspannungsquelle 70, wenn der Transistor 68 gesperrt ist. Die am Emitter 66 auftretende Spannung folgt der Spannung an der Basis 72, ohne daß es hierfür erforderlich ist, den Entladestrom so einzujustieren, daß ein zu starkes Absinken der Spannung am Emitter 66 und damit eine Aussteuerung des Transistors 68 in den leitenden Zustand vermieden wird.

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Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 5 enthält einen npn-Transistor. Sie kann selbstverständlich auch mit einem pnp-Transistor realisiert werden.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Lagegeberschaltung in Form einer Kapazitätsdifferenzmeßvorrichtung mit dem Ladegeber 26 und der bevorzugten Ausführungsform der Kapazitätsmeßschaltung gemäß Fig. 5. Ein Transistor 84 und eine Diode 86 bilden eine Kapazitätsmeßvorrichtung des in Fig. 5 dargestellten Typs, wobei in diesem Falle ein npn-Transistor verwendet wird, während ein pnp-Transistor 88 und eine Diode 90 eine zweite Kapazitätsmeßschaltung bilden. Die Emitter 92 und 94 der Transistoren 84 bzw. 88 sind mit den Ausgangsleitungen 22 bzw. 24 des Lagegebers 18 verbunden. Der Rotorteil 48 des Lagegebers 18 ist, wie erwähnt, mit Masse verbunden. Die Absteuerung der Basiselektroden 96 und 98 der Transistoren erfolgt durch eine Wechselspannungsquelle 70. Da die Transistoren 84 und 88 entgegengesetzte Leitungstypen (Spannungspolaritäten) aufweisen, leitet der Transistor 84 während nach oben gerichteter Auswanderungen der sinusförmigen Spannung und sperrt während der nach unten gerichteten Auswanderungen der sinusförmigen Spannung, während der Transistor 88 gerade umgekehrt arbeitet. Der in den Kollektoren 100 und 102 fließende Strom hängt von den Kapazitäten des Lagegebers 18 ab. Die Kollektoren 100 und 102 sind miteinander und der Ausgangsleitung 28 verbunden, die mit dem Lagekomparator 16 verbunden ist, so daß die Ströme in den Kollektoren 100 und 102 das Ausgangssignal auf der Leitung 28 bilden. Da es sich bei der Meßvorrichtung gemäß Fig. 6 um eine Differenz-Meßvorrichtung handelt, gilt für den in der Ausgangsleitung 28 fließenden Strom I die folgende Beziehung:

I = Af(C₂ - C₁)

wobei A und f die oben angegebenen Bedeutungen haben und C. sowie C„ die Kapazitäten der Kondensatoren des Lagegebers 18 sind. Da diese Kapazitäten von der Winkellage des Galvanometers 10 abhängen, stellt das Ausgangssignal auf der Leitung 28 die Einstellung des Galvanometers 10 dar.

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Die in Fig. 1 dargestellte bevorzugte Ausführungsform der Lagegeberschaltung 26 ist eine Kapazitätsdifferenzmeßvorrichtung, die wieder mit dem Lagegeber 18 und der in Fig. 5 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Kapazitätsmeßschaltung arbeitet. Der Transistor 84 mit der Diode 86 und der Transistor 88 mit der Diode 90 bilden zwei Kapazitätsmeßschaltungen der in Fig. 5 dargestellten Art. Bei der bevorzugten AusfUhrungsform gemäß Fig. haben die Transistoren 84 und 88 jedoch den gleichen Leitungstyp (Spannungspolarität), insbesondere handelt es sich um npn-Transistören. Die Emitter 92 und 94 sind mit den beiden Ausgangsleitungen 22 und 24 des Lagegebers 18 verbunden, während der Rotorteil 48 des Lagegebers 18 an Masse liegt, wie es oben erläutert worden ist. Die Basiselektroden 96 und 98 werden durch die Spannungsquelle 70 gesteuert. Da die Transistoren 84 und 88 dem gleichen Leitungstyp angehören, leiten und sperren sie jeweils zur gleichen Zeit. Die in den Kollektoren 100 und 102 fließenden Ströme hängen wieder von den Kapazitäten des Lagegebers aa 18 ab. Die Kollektoren 100 und 102 sind mit Eingängen 104 bzw. 106 eines Differenz-Komparators 108, z.B. einem Differenzverstärker, verbunden. Der Komparator 108 vergleicht die Ströme von den Kollektoren 100 und 102 und erzeugt auf der Ausgangsleitung 28 ein Ausgangssignal, das Differenz der Ströme von den Kollektoren 100 und 102 darstellt. Da die Kapazitäten im Lagegeber 18 von der Winkellage des Rotors 12 des Galvanometers 10 abhängen, stellt das Ausgangssignal auf der Leitung 28 daher diese Winkellage dar.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist sehr unempfindlich gegen Gleichtaktstörungen, die in der Schaltungsanordnung auftreten, insbesondere gegen gleichphasige Störungen auf den Ausgangsleitungen 22 und 24 des Lagegebers 18. Störungen auf den Ausgangsleitungen 22 und 24, können, wenn sie eine niedrigere Frequenz als die von der Spannungsquelle 70 gelieferte Spannung haben, die eine Kapazität des Lagegebers 18 größer erscheinen lassen als die aftdere und dadurch einen Lagefehler des Galvanometers verursachen.

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Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 werden solche gleichphasigen Störungen unwirksam gemacht, so daß die erwähnten Fehler nicht auftreten können.

Für die Transistoren 84 und 88 werden vorzugsweise sogenannte Hochfrequenztransistoren verwendet, z.B. Motorola 2N5210 und für die Dioden 86 und 90 eine Type ähnlich 1N4148.

Bei einer speziellen Anwendung steuert das Galvanometer einen Schreibstiftantrieb eines Streifenschreibers, mit dem Frequenzen bis zu 150 Hz aufgezeichnet werden können. Bei diesem Ausflihrungsbei spiel ist der Rotor 12 etwa 45 mm lang und hat einen Außendurchmesser von etwa 12,5 mm. Der Rotorabschnitt hat eine axiale Länge von etwa 9,5 mm und einen Außendurchmesser von ebenfalls etwa 9,5 mm. Das gesamte Trägheitsmoment des Rotors 12 mit dem Rotorteil 48 beträgt etwa 3 g cm. Die Spannungsquelle 70 ist ein üblicher Colpitts-Oszillator, der mit einer Klemme an Masse liegt und an den Kondensator eine Spannung von maximal 15 V liefert. Die zu messende Kapazitätsdifferenz beträgt für die maximale mechanische Auslenkung 1,0 pF.

Bei einer anderen Anwendung steuert das Galvanometer einen Abtast- oder Ablenkspiegel, z.B. für einen Laserstrahl, mit Frequenzen in der Größenordnung von 1 KHz. Die höhere Arbeitsfrequenz ergibt sich hier durch das geringere Trägheitsmoment des bewegten Spiegels.

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Claims

Patentansprüche

MJKapazitive Meßvorrichtung für Kapazitätsänderungen, insbesondere in der Größenordnung von Pikofarad, einer veränderbaren Kapazität, mit

einem Oszillator, der eine veränderliche Spannung liefert,

einem Transistor, der durch die veränderliche Spannung des Oszillators abwechselnd durchgeschaltet und gesperrt wird, und dessen Kollektorstrom die Kapazität im durchgeschalteten Zustand des Transistors auflädt, vom Momentanwert der Kapazität abhängt und daher diesen darstellt, und

einer Entladeanordnung, durch die sich die Kapazität entlädt, wenn sich der Transistor im gesperrten Zustand befindet,

dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (70) zur Vermeidung eines Transformators in der Meßvorrichtung auf Masse bezogen ist und die veränderliche Spannung vom Oszillator der Basis (72, 96) des Transistors (68, 84) direkt zugeführt ist.

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2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität (18, 64) zwischen den Emitter (66, 92) des Transistors (68, 84) und Masse geschaltet ist,

daß die Entladeanordnung (74, 80, 86) zwischen den Emitter und einen auf einem vorgegebenen Spannungswert liegenden Schaltungspunkt geschaltet ist, und

daß der Kollektor (78, 100) ein Ausgangssignal liefert.
3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

eine zweite veränderliche Kapazität, ein zweiter Transistor (88), und eine zweite Kondensatorentladeanordnung (90) vorgesehen sind,

daß die veränderbare Spannung direkt mit den Basiselektroden (96, 98) des ersten und zweiten Transistors (84, 88) derart verbunden ist, daß die beiden Transistoren abwechselnd in den durchgeschalteten und den gesperrten Zustand ausgesteuert werden, so daß die Ströme, die in den Kollektoren (100, 102) des ersten und zweiten Transistors während der Aufladung der ersten bzw. zweiten Kapazität fließen, von diesen abhängen und damit die Momentanwerte dieser ersten bzw. zweiten Kapazität angeben.
4. Meßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kapazität zwischen den Emitter (94) des zweiten Transistors (88) und Masse geschaltet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die zweite

Kondensatorentladeanordnung (90) zwischen den Emitter (94) des zweiten Transistors und einen auf einem vorgegebenen Spannungswert liegenden Schaltungspunkt geschaltet ist, und

daß die Kollektoren (100, 102) des ersten bzw. zweiten Transistors ein erstes bzw. zweites Ausgangssignal liefern.

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5. Meßvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Transistoren (84, 88) der gleichen Spannungspolarität angehören, so daß sie immer im gleichen Zustand arbeiten und in einem vorgegebenen Punkt des Zyklus der veränderlichen Spannung entweder beide leiten oder nicht leiten.
6. Meßvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Transistoren (84, 88; Fig.6) der entgegengesetzten Spannungspolarität angehören, so daß sie immer in entgegengesetztem Zuständen arbeiten und in einem vorgegebenen Punkt des Zyklus der veränderlichen Spannung einer der Transistoren leitet URd der andere sperrt,

daß der KoTlektor des ersten Transistors mit dem Kollektor des zweiten Transistors verbunden ist, so daß ein einziges Ausgangssignal auftritt, das von der Differenz zwischen den Kapazitätswerten der ersten und zweiten Kapazität abhängt und diese daher darstellt.
7. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis S> g ekennzeichnet durch einen Verstärker (108), dessen Eingängen (104, 106) das erste bzw. zweite Ausgangssignal von den: Kollektoren des ersten bzw. zweiten Transistors zugeführt sind und der diese beiden Ausgangssignale vergleicht sowie ein drittes Ausgangssignal (Ausgang 28) erzeugt, das von der Differenz des ersten und zweiten Ausgangssignals abhängt und damit die Differenz zwischen den Kapazitätswerten der erstenund zweiten Kapazität angibt.
8. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Kapazität derart miteinander mechanisch gekoppelt sind, daß der Kapazitätswert der ersten Kapazität zunimmt bzw. abnimmt, wenn der Kapazitätswert der zweiten Kapazität abnimmt bzw. zunimmt.

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9. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite veränderliche Kapazität einen Rotor (48) und vier Statoren (50, 52, 54 und 56) enthalten,

daß der Rotor um sein Zentrum drehbar und mit einem Galvanometer (10) derart gekoppelt ist, daß die Winkellage des Rotors durch die winkelmäßige Einstellung des Galvanometers bestimmt ist,

daß die Statoren (50, 52, 54 und 56) paarweise einander gegenüberliegend in Umfangsrichtung des Rotors verteilt angeordnet sind, daß die gegenüberliegenden Paare jeweils miteinander verbunden sind und eine erste Platte eines ersten bzw. zweiten Kondensators bilden,

daß der Rotor eine gemeinsame zweite Platte für die beiden Kondensatoren bildet, so daß die Kapazität der beiden Kondensatoren von den jeweils eingeschlossenen bzw. einander gegenüberliegenden Flächen des Rotors und die ersten Platten der Kondensatoren darstellenden Platten abhängt und die Kapazitäten von der Winkellage des Galvanometers abhängen, wobei die Kapazitäten des ersten und zweiten Kondensators in der einen Drehrichtung zunehmerjbzw. abnehmen bzw. in der entgegengesetzten Drehrichtung abnehmen bzw. zunehmen.
10. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Entladeanordnung eine Diode (80, 86, 90) enthält, die zwischen die Basis (72, 96, 98) und den Emitter (82, 92, 94) eines zugehörigen Transistors (68, 84, 88) geschaltet und in Gegenrichtung zur Basis-Emitter-Diode des Transistors gepolt ist.
11. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kapazität einen maximalen Kapazitätswert im Bereich von etwa 0,5 pF bis etwa 10 pF hat.

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