DE2903688A1

DE2903688A1 - Kapazitaetsdifferenz-messer

Info

Publication number: DE2903688A1
Application number: DE19792903688
Authority: DE
Inventors: Fred V Holdren; Ii Rand H Hulsing; Kurt E Steinke
Original assignee: Sundstrand Data Control Inc
Current assignee: Sundstrand Data Control Inc
Priority date: 1978-01-31
Filing date: 1979-01-31
Publication date: 1979-08-02
Also published as: SE7900600L; FR2416476A1; US4165483A; GB2013352A; FR2416476B1; JPS54111383A; NO790298L; CH630178A5; GB2013352B; DE2903688B2; AU4329779A; DE2903688C3; AU518693B2; CA1119252A

Description

Sündstrand data control, inc. Pedmond (Washington)

V.St.A.

Kapazitätsdifferenz-Messer

Die Erfindung betrifft einen Kapazitätsdifferenz-Messer nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Kapazitätsdifferenz-Messer bzw. Kapazitäts-Messer dienen zum Bestimmen der Kapazität oder des Abstandes zwischen den Platten eines Kondensators.

Bei herkömmlichen Kapazitäts-Messern (vgl. z. B. DE-OS 27 23 244) wird die Kapazität gemessen, indem eine zeitveränderliche Spannung, wie z. B. ein Dreieck-Signal oder ein Sägezahn-Signal an die Kondensatorplatten gelegt wird. Der sich ergebende Strom durch den Kondensator dient dann als Maß für die Kapazität oder den Abstand zwischen den Platten des Kondensators. Da sich jedoch die Kapazität eines Kondensators umgekehrt

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proportional zur Entfernung oder zum Abstand zwischen den Platten ändert, führt eine Veränderung in diesem Abstand zu Nichtlinearitäten im Ausgangsstrom, die unter bestimmten umständen beim Einsatz des Kapazitäts-Messers bedeutsam sein können. Z. B. bewirkt eine Veränderung im Abstand von 10 % eine Nichtlinearität über 1 %, eine Veränderung im Abstand von 20 % eine Nichtlinearität über 4 % und eine Veränderung im Abstand von 50 % eine Nichtlinearität von 30 %. Da weiterhin der Ausgangsstffom des Kondensators bei sehr kleinem Abstand groß wird, können beträchtliche Stabilitätsprobleme auftreten, wenn der Kondensator als Lagefühler in einer Servo-Vorrichtung eingesetzt wird. Kapazitäts-Messer werden in zahlreichen Ausrüstungen eingesetzt, wie z. B. in Wandlern und in Beschleunigungsmessern, und in bestimmten hochempfindlichen Instrumenten, wie z. B. Servo-Beschleunigungsmessern und-Wandlern, in denen Nichtlinearitäten aufgrund merklicher Veränderungen im Kondensator-Abstand eine bedeutende Fehlerquelle sein können.

Zusätzlich sind die herkömmlichen Kapazitäts-Messer in der Praxis im Betrieb auf eine Informationsbandbreite kleiner als die Hälfte der Trägerfrequenz oder der zeitveränderlichen Spannung an den Kondensatorplatten begrenzt. Da Operationsverstärker in den meisten Fällen in den Messern verwendet werden, sollte die Trägerfrequenz im allgemeinen 20 kHz oder weniger betragen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Kapazitäts-Messer und insbesondere einen Kapazitätsdifferenz-Messer anzugeben, der Nichtlinearitäten aufgrund Änderungen im Ab-

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stand oder in der Entfernung zwischen den Messer-Kondensatorplatten ausschließen kann.

Beim erfindungsgemäßen Kapazitäts-Messer ist ein Bezugsstromgenerator vorgesehen, um ein Rechtecksignal an den Kondensator zu legen, und die sich ergebende Spannung am Messer-Kondensator liegt.an einem Festkondensator. Der Strom durch den Festkondensator kann dann als Maß für die Kapazität oder den Abstand zwischen den Kondensatorplatten verwendet werden.

Beim erfindungsgemäßen Kapazitätsdifferenz-Messer legt ein Bezugsstromgenerator ein Rechteckwellensignal an jeden der Messer-Kondensatoren, und die sich ergebenden Dreieck-Spannungen an jedem der Messer-Kondensatoren werden über einen Verstärker einem entsprechenden Festkondensator zugeführt. Stromspiegel sind mit jedem der Verstärker verbunden und geben einen Strom an einen Demodulator ab, der gleichwertig dem durch jeden der Festkondensatoren fließenden Strom ist.

Die Erfindung sieht also einen Kapazitäts-Messer vor, bei dem ein Bezugsstromgenerator ein Rechtecksianal zu einem Messer-Kondensator speist, und die sich ergebende Spannung am Kondensator wird dann einem Festkondensator zugeführt. Der entstehende Festkondensator-Strom bildet dann ein Maß für die Kapazität des Messer-Kondensators. Ein Kapazitätsdifferenz-Messer entsteht, indem der Bezugsstrom jedem Messer-Kondensator zugeführt und ein Festkondensator für jeden Messer-Kondensator vorgesehen wird. Die sich ergebenden Festkondensator-Ströme werden vereinigt, und der sich ergebende Differenzstrom dient als Maß für die Differenz der Kapazität oder die Differenz in den Abständen zwischen den

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Platten der Kondensatoren.

Der erfindungsgemäße Kapazitäts-Messer zum Messen der Kapazität eines Kondensators hat also:

einen Bezugsstromgenerator, der betriebsmäßig mit dem Kondensator verbunden ist, um diesem einen zeitveränderlichen Bezugsstrom zuzuführen, der zu einer zeitveränderlichen Spannung am Kondensator führt,

einen Pestkondensator,

eine Verbindungseinrichtung zum Verbinden des Kondensators mit dem Festkondensator, so daß die zeitveränderliche Spannung am Festkondensator liegt, was zu einem Strom durch den Festkondensator führt, und

einen Umsetzer zum Umsetzen des Festkondensator-Stromes in ein die Kapazität des Kondensators darstellendes Signal.

Die Verbindungseinrichtung kann dabei einen Spannungsverstärker hoher Impedanz aufweisen.

Weiterhin kann die Verbindungseinrichtung zusätzlich einen mit dem Verstärker und dem Umsetzer verbundenen Stromspiegel besitzen, um den Umsetzer mit einem Strom zu versorgen, der in funktioneller Beziehung zum Festkondensator-Strom steht.

Schließlich kann der Bezugsstrom ein Rechteckwellen-Strom konstanter Amplitude sein.

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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Differenzkapazitäts-Messers, und

Fig. 2 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Schaltung der Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kapazitätsdifferenz-Messers gezeigt, wobei Messer-Kondensatoren C_p1 und Cp₂ als Lagefühler in einer Anzahl verschiedenartiger Ausrüstungen einschließlich Wandlern, Beschleunigungsmessern u. dgl. verwendbar sind. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, speist ein insbesondere durch einen Taktgeber 12 gesteuerter Bezugsstromgenerator 10 einen Rechteckwellenstrom konstanter Amplitude zu den Messer-Kondensatoren C_p1 und C_p2 über eine Leitung 14 bzw. 16. Eine vorzugsweise Rechteckwelle mit Amplituden gleicher, aber entgegengesetzter Polaritäten ist durch ein Signal 18 in Fig. 2 gezeigt. Es sei darauf hingewiesen, daß ein symmetrischer Bezugsstrom der vorz-ugsweise an die Messer-Kondensatoren C_p1 und C_p2 abzugebende Strom ist; wie jedoch weiter unten näher erläutert wird, ist es nicht immer erforderlich, für einen genauen Betrieb des in Fig. 1 gezeigten Messers einen symmetrischen Bezugsstrom zu haben.

Die Bezugsströme I₀₁ und I_n- fließen durch die Messer-

K I KZ

Kondensatoren C_p. und C_p2 nach Masse (vgl. das Bezugszeichen 20). Wie durch ein Signal 22 in Fig. 2 gezeigt ist, sind die Spannungen V„ an den Messer-Kondensatoren C_p1 und C_p2 dreieckförmig. Diese Spannungen werden dann mittels Leitungen 24 und 26 an zwei Spannungs-Folgeglieder hoher Eingangs-

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impedanz abgegeben, wie ζ. B. an Verstärker 28 und 30. Die Verstärker 28 und 30 legen die Messer-Kondensator-Spannungen an zwei Festkondensatoren Cp₁ und C_₂ über eine Leitung 32 bzw. 34. Die sich ergebenden Ströme I₀₁ und I_Q2 durch die Festkondensatoren Cp₁ und C_p2 sind durch ein Signal 36 •in Fig. 2 gezeigt. Wie dem Signal 36 entnommen werden kann, ist der sich ergebende Strom durch die Festkondensatoren C_F1 und Cp₂ i-^m wesentlichen eine Rechteckwelle, wobei die. Amplitude dieses Stromes die Kapazität oder den Abstand zwischen den Platten der Messer-Kondensatoren Cp₁ und C_p2 darstellt.

über Leitungen 38 und 40 ist mit jedem der Spannungsverstärker 28 und 30 ein Stromspiegel 42 bzw. 44 verbunden. Die Stromspiegel 42 und 44 bilden zusätzlich zu einer Stromquelle für die Verstärker 28 und 30 eine Stromquelle für Ströme Iq₁' bzw. I₀₂' i-ⁿ einer Leitung 46 bzw. 48, wobei diese Ströme I₀₁ ¹ und I₀₂' jeweils mit den durch die Festkondensatoren C_pl' und Cp₂' fließenden Ströme I_Q1 und I₀₂ gleich sind oder zu diesen in einer funktioneilen Beziehung stehen. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Differenz-Messer wird der in der Leitung 48 fließende Strom durch einen Stromumkehrer 50 so umgekehrt, daß seine Polarität entgegengesetzt zur Polarität des in der Leitung 48 fließenden Stromes Iq₂" ist. Der Ausgangsstrom I_Q1' in der Leitung 46 und der umgekehrte Ausgangsstrom Iq₂' vom Umkehrer 50 werden dann an einem Knotenpunkt 52 vereinigt und an einen Demodulator 54 abgegeben. Der Demodulator 54 erzeugt ein Signal V₀ an einem Ausgangsanschluß 56, das die Differenz in der mittleren Amplitude der Ströme I₀-. und I₀₂ durch die Festkondensatoren Cp. und Cp₂ darstellt. Wenn die Kapazitäten der Messer-Kondensatoren Cp₁ und Cp₂ gleich sind und angenommen wird, daß die übrigen Bauteile der Schaltung der Fig. 1 gleich sind, wie z. B. Cp₁ =

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C_p2, I_R1 = I_R2' ^{was aucn} für die Verstärkungsfaktoren der Verstärker 28 und 30 gilt, dann hat das Ausgangssignal V_Q des Demodulators den Wert Null. Wenn die Kapazitäten der Messer-Kondensatoren C_p1 und C_p„ aufgrund z. B. einer Differenz in den Abständen der Kondensatoren nicht gleich sind, gibt das Ausgangssignal V_Q diese Differenz als eine lineare Funktion des Unterschiedes in den Abständen zurück. Der Demodulator 54 kann ein herkömmlicher Demodulator sein, einschließlich eines Halbwellen-, Ganzwellen- oder Synchron-Demodulators.

Der Betrieb des Messers und insbesondere die lineare Beziehung zwischen dem Abstand oder der Entfernung zwischen den Messer-Kondensatorplatten und dem Ausgangssignal werden im folgenden diskutiert. Die Gleichung (1) beschreibt die Grundbeziehung zwischen der Änderung in der Messer-Kondensator-Spannung und dem Bezugsstrom I₁-. sowie der Kapazität des Messer-Kondensators C_p:

dV

i_R = c —^- (D.

dt

Wie aus Gleichung (1) und dem in Fig. 2 dargestellten Signal folgt, führt eine Rechteckwelle I_R konstanter Amplitude bei Einspeisung in den Messer-Kondensator C_p zu einer Dreieckwellen-Spannung am Kondensator C_p mit der Neigung:

dt C_p

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Da die Kapazität eines Plattenkondensators gegeben ist durch:

C = 2_

mit £_n = Dielektrizitätskonstante,
A = Plattenfläche, und
D = Plattenabstand,

gilt die folgende Beziehung:

¹R

ε α ι

° ^R - D (4)

dt D ε ₀ a

^dvc

Wenn dann das Spannungssignal —3-r— an die Festkondensatoren Gp₁ gelegt wird, entstehen Lade/Entlade-Ströme I_Q mit den folgenden Eigenschaften:

dV I
— r — ρ η fRI

Wie aus Gleichung (5) gefolgert werden kann, ist der Ausgangsstrom I_Q direkt proportional zum Abstand zwischen den Kondensatorplatten der Messer-Kondensatoren C_p, wie dies durch das Signal 36 in Fig. 2 gezeigt ist. Damit ist im Differenz-Messer der Fig. 1 die Änderung in den Ausgangs-

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strömen I₀₁ und I₀₂ direkt proportional zu jeder Änderung im Abstand zwischen den Kondensatorplatten in den Messer-Kondensatoren Cp- oder C_p~·

Der Betrieb des in Fig. 1 gezeigten Differenz-Messers kann durch die folgende Gleichung beschrieben werden:

τ - c RI1 c ^r22

DO T¹I _c " F2 _

^£ 0 ^A1 ^£ O ^A2

Wenn daher für die Kapazitäten C_F1 = C_F2, für die Ströme ¹RI ⁼ "^2 ^un^ ^^ur ^^e ^Fl^^{cnen A}i ^{= A}2 V^t' liegt die folgende Beziehung für die Schaltung der Fig. 1 vor:

Damit ist der Differenzstrom Ι~_ο gleich der Differenz in den Abständen der Messer-Kondensatoren C_p.. und C_p2, wobei die Polarität des Signales anzeigt, welcher Kondensator den größeren Abstand aufweist, was zu einem bipolaren Betrieb des Kapazitäts-Messers führt.

Wie oben erläutert wurde, sind die bevorzugten Bezugsströme I_R1 und I_R2 Rechteckwellen mit gleichen Amplituden; dies ist aber für einen wirksamen Betrieb des Kapazitäts-Messers nicht erforderlich. Ein Rechteck'wellen-Bezugsstrom wird in der Praxis bevorzugt, um die Messer-Kondensatorspannungen V_ innerhalb der Versorgungsspannungsgrenzen der Schaltung einschließlich der Verstärker 28 und 30 zu halten.

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Claims

Ansprüche

1. / Differenzkapazitäts-Messer zum Messen der Kapazitätsdifferenz zwischen einem ersten und einem zweiten Kondensator ,

durch

bzw. C_p2)

gekennzeichnet

einen Bezugsstromgenerator (10), der betriebsmäßig mit dem ersten und dem zweiten Kondensator ( verbunden ist, um an jeden der Kondensatoren (Cp₁ , ^cp9^ ^e^-~ nen zeitveränderlichen Strom abzugeben, der zu einer zeitveränderlichen Spannung an jedem der Kondensatoren (Cp.., C_p2) führt,

einen ersten Festkondensator (Cp₁), einen zweiten Festkondensator (Cp₂)'

eine erste Verbindungseinrichtung (24, 28, 32) zum Verbinden des ersten Kondensators (Cp..) mit dem ersten Festkondensator (C_p1), so daß die zeitveränderliche Spannung am ersten Kondensator (Cp₁) am ersten Festkondensator (Cp₁) liegt, was zu einem Strom durch den ersten Festkondensator (C_F1) führt,

eine zweite Verbindungseinrxchtung (26_r 30, 34) zum Verbinden des zweiten Kondensators (C_p2) mit dem zweiten Festkondensator (Cp₂), so daß die zeitveränderliche Spannung am zweiten Kondensator (C_p2) am zweiten Festkondensator (Cp₉) liegt, was zu einem Strom durch den zweiten Festkondensator (Cp₂) führt,

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eine Summiereinrichtung (52), die betriebsmäßig mit der ersten und der zweiten Verbindungseinrichtung (24, 28, 32; 26, 30, 34) verbunden ist, um wenigstens eine Funktion des ersten Festkondensator-Stromes mit wenigstens einer Funktion des zweiten Festkondensator-Stromes zu vereinigen, und

einen mit der Summiereinrichtung betriebsmäßig verbundenen Umsetzer (54), um den vereinigten Strom in ein die Differenz der Kondensator-Abstände darstellendes Signal umzusetzen.

2. Kapazitätsdifferenz-Messer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der zeitveränderliche Strom ein Rechteckwellen-Strom konstanter Amplitude ist.

3. Kapazitätsdifferenz-Messer nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichnet,

daß die erste und die zweite Verbindungseinrichtung (24, 28, 32; 26, 30, 34) jeweils einen Spannungsverstärker (28; 30) hoher Eingangsimpedanz aufweist.

4. Kapazitätsdifferenz-Messer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die erste und die zweite Verbindungseinrichtung (24, 28, 32; 26, 30, 34) jeweils einen Stromspiegel (42, 44) hat, der mit dem Verstärker (28; 30) und der Summiereinrichtung (52) verbunden ist, um die Summiereinrichtung (52) mit Strömen zu versorgen, die in funktioneller Beziehung zum ersten und zum zweiten Festkondensator-Strom (!/-.-j/ I_n^) sind.

5. Kapazitätsdifferenz-Messer nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch

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einen Stromumsetzer (50), der betriebsmäßig zwischen dem Stromspiegel (44) der zweiten Verbindungseinrichtung (26, 30, 34) und der Summiereinrichtung (52) liegt.

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