DE2903688C3

DE2903688C3 - Kapazitätsdifferenz-Messer

Info

Publication number: DE2903688C3
Application number: DE2903688A
Authority: DE
Inventors: Rand H. Redmond Wash. Hulsing II
Original assignee: Sundstrand Data Control Inc
Current assignee: Sundstrand Data Control Inc
Priority date: 1978-01-31
Filing date: 1979-01-31
Publication date: 1981-11-26
Also published as: NO790298L; AU518693B2; GB2013352A; AU4329779A; JPS54111383A; DE2903688B2; US4165483A; CH630178A5; FR2416476B1; SE7900600L; DE2903688A1; GB2013352B; FR2416476A1; CA1119252A

Description

Die Erfindung betrifft einen Kapazitätsdifferenz-Messer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Kapazitätsdifferenz-Messer dienen u. a. zum Bestimmen der Kapazität oder des Abstandes zwischen den Platten eines Kondensators.

Bei einem herkömmlichen Kapazitätsdifferenz-Messer der eingangs genannten Art (vergleiche 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 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 Kapazitätsdifferenz-Messers bedeutsam sein können. Zum Beispiel 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 56% eine Nichtlinearität von 30%. Da weiterhin der Ausgangsstrom des Kondensators bei sehr kleinem Abstand groß wird, können beträchtlliche Stabilitätsprobleme auftreten, wenn der Kondensator als Lagefühler in einer Servo-Vorrichtung eingesetzt wird. Kapazitätsdifferenz-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 auf Grund merklicher Veränderungen im Kondensator-Abstand eine bedeutende Fehlerquelle sein können.

Zusätzlich sind die herkömmlichen Kapazitätsdifferenz-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 «neisten Fällen in den Kapazitätsdifferenz-Messern verwendet werden, sollte die Trägerfrequenz im allgemeinen 20 kHz oder weniger betragen.

Es ist'daher Aufgabe der Erfindung, einen Kapazitätsdifferenz-Messer anzugeben, der Nichtlinearitäten auf Grund Änderungen im Abstand oder in der Entfernung zwischen den Kondensatorplatten ausschließen kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Kapazitätsdifferenz-Messer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil angegebenen Merkmale gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Kapazitätsdifferenz-Messer ist also ein Bezügsströmgenefätör vorgesehen, Um ein Rechtecksignal an den ersten und zweiten Kondensator bzw. an jeden Kondensator zu legen, und die sich ergebende Spannung am Kondensator liegt an einem Festkondensator. Der Strom durch den Festkonto densator kann dann als Maß für die Kapazität oder den Abstand zwischen den Kondensatorplatten verwendet werden.
Beim erfindungsgemäßen Kapazitätsdifferenz-Mes-

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

Die Erfindung sieht also einen Kapazitätsdifferenz-Messer vor, bei dem ein Bezugsstromgenerator ein Rechtecksignal zu einem Kondensator speist, und die sich ergebende Spannung am Kondensator wird dann einem Festkondensator zugeführt Der entstehende Festkondensator-Strom bildet ein Maß für die Kapazität des Kondensators. Ein Kapazitätsdifferenz-Messer entsteht indem der Bezugsstrom jedem Kondensator zugeführt und ein Festkondensator für jeden 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 dei« Abständen zwischen den Platten der Kondensatorea

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend beispielsweise näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Kapazitätsdifferenz-Messers und

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

In F i g. 1 ist ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kapazitätsdifferenz-Messers gezeigt wobei Kondensatoren Cp ι und Cp2 als Lagefühler in einer Anzahl verschiedenartiger Ausrüstungen einschließlich Wandlern, Beschleunigungsmessern u.dgl. verwendbar sind. Wie in F i g. 1 gezeigt ist speist ein insbesondere durch einen Taktgeber 12 gesteuerter Bezugsstromgenerator 10 einen Rechteckwellenstrom konstanter Amplitude zu den Kondensatoren Cp \ und Cpi 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 vorzugsweise an die Kondensatoren Cp₁ und Cp₂ abzugebende Strom ist; wie jedoch weiter unten näher erläutert wird, ist es nicht immer erforderlich, für einen genauen Betrieb des in F i g. 1 gezeigten Messers einen symmetrischen Bezugsstrom zu haben.

Die Bezugsströme Ir\ und Ir-i fließen durch die Kondensatoren Cp \ und Cp₂ nach Masse (vgl. das Bezugszeichen 20). Wie durch ein Signal 22 in F i g. 2 gezeigt ist sind die Spannungen Vc an den Kondensatoren Cpi und Cp2 dreieckförmig. Diese Spannungen werden dann mittels Leitungen 24 und 26 an zwei Spannungs-Folgeglieder hoher Eingangsimpedanz; abgegeben, wie z.B. an Verstärker 28 und 30. Die Verstärker 28 und 30 legen die Kondensator-Spannungen an zwei Festkondensatoren C_F\ und CV₂ über eine Leitung 32 bzw. 34. Die sich ergebenden Ströme Io ι und Ich durch die Festkondensatoren Oi und Oj sind durch ein Signal 36 in Fig.2 gezeigt Wie dem Signal 36 entnommen werden kann, ist der sich ergebende Strom durch die Festkondensatoren Cf\ und C_F2 im wesentlichen eine Rechteckwelle, wobei die Amplitude dieses Stromes die Kapazität oder den Abstand zwischen den Platten der Kondensatoren Cp ι und Cp₂ darstellt.

Über Leitungen 36 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 fo\' bzw. Ιοί' in einer Leitung 46 bzw, 48, wobei diese Ströme Io\' und Ιοί' jeweils mit den durch die Festkondensatoren C_F\' und Cf₂' fließenden Ströme Jo \ und Im gleich sind oder zu diesen in einer funktionellen Beziehung stehen. Bei dem in F i g. 1 gezeigten Kapazitätsdifferenz-Messer wird der in der Leitung 48 fließende Strom durch einen

to Stromumkehrer 50 so umgekehrt, daß seine Polarität entgegengesetzt zur Polarität des in der Leitung 48 fließenden Stromes /02' ist Der Ausgangsstrom Io\ in der Leitung 46 und der umgekehrte Ausgangsstrom I02 vom Umkehrer 50 werden dann an einer aus einem Knotenpunkt bestehenden Summiereinrichtung 52 vereinigt und an einen Umsetzer 54 abgegeben. Der Umsetzer 54 erzeugt ein Signal Vo an einem Ausgangsanschluß 56, das die Differenz in der mittleren Amplitude der Ströme Io 1 und I01 durch die Festkon densatoren Cf 1 und Cf2 darstellt ⁷Venn die Kapazitäten der Kondensatoren Cpi und Cp2 gleich sind und angenommen wird, daß die übrigen Bauteile der Schaltung der F i g. 1 gleich sind, wie z. B. Cn = C_Fi, Ir 1 = Iri, was auch für die Verstärkungsfaktoren der Verstärker 28 und 30 gilt dann hat das Ausgangssignal Vbdes Umsetzers den Wert Null. Wenn die Kapazitäten der Kondensatoren Cpi und Cp₂ auf Grund z. B. einer Differenz in den Abständen der Kondensatoren nicht gleich sind, gibt das Ausgangssignal Vb diese Differenz als eine lineare Funktion des Unterschiedes in den Abständen zurück. Der Umsetzer 54 kann ein herkömmlicher Demodulator sein, einschließlich eines Halbwellen-, Ganzwellen- oder Synchron-Demodulators.

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

dV_c
~dT

Wie aus Gleichung (1) und dem in F i g. 2 dargestellten Signal folgt führt eine Rechteckwelle Ir konstanter Amplitude bei Einspeisung in den Kondensator C_P zu

so einer Dreieckwellen-Spannung am Kondensator Cp mit der Neigung:

di Cp '

Da die Kapazität eines Plattenkondensätors gegeben ist durch:

Mit εο = Dielektrizitätskonstante, A = Plattenfläche und D = Plattenabstand,

gilt die folgende Beziehung:

df D >_nA

Wenn dann das Spannungssignal -^y an die Festkondensatoren Cf gelegt wird, entstehen Lade/Entlade-Ströme /omit den folgenden Eigenschaften:

i,„ = G

/„,D,

C_f

Wenn daher für die Kapazitäten Cf \ = Cp₂, für die Ströme/«i = Ir₂ und für die Flächen A\ = A₂ gilt, liegt die folgende Beziehung für die Schaltung der F i g. 1 vor:

Wie aus Gleichung (5) gefolgert werden kann, ist der Ausgangsstrom Io direkt proportional zum Abstand zwischen den Kondensatorplatten der Kondensatoren Cn wie dies durch das Signal 36 in F i g. 2 gezeigt ist. Damit ist im Kapazitätsdifferenz-Messer der Fig. 1 die Änderung in den Ausgangsströmen ln\ und Ia₂ direkt proportional zu jeder Änderung im Abstand zwischen den Kondensatorplatten in den Kondensatoren Cp 1 oder Cp₂.

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

I no = -''-(D₁-D₂).

Damit ist der Differenzstrom /_O0 gleich der Differenz in den Abständen der Kondensatoren Cp\ und Cp₂, wobei die Polarität des Signals anzeigt, welcher Kondensator den größeren Abstand aufweist, was zu einem bipolaren Betrieb des Kapazitätsdifferenz-Messers führt.

ι ·, Wie oben erläutert wurde, sind die bevorzugten Bezugsströme Ir \ und Ir2 Rechteckwellen mit gleichen Amplituden; dies ist aber für einen wirksamen Betrieb des Kapazitätsdifferenz-Messers nicht erforderlich. Ein Rechteckwellen-Bezugsstrom wird in der Praxis bevor- >n zugt, um die Kondensatorspannungen V₁ innerhalb der Versorgungsspannungsgrenzen der Schaltung einschließlich der Verstärker 28 und 30 /u halten.

Hierzu I Blatt/oichiiuiiucn

Claims

Patentansprüche:

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

— einem Bezugssignalgenerator, der betriebsmäßig mit dem ersten und dem zweiten Kondensator verbunden ist, um an jeden der Kondensatoren ein zeitveränderliches erstes Signal abzugeben, das zu einem zeitveränderlichen zweiten Signal an jedem der Kondensatoren führt, und

— einer Einrichtung zum Erzeugen eines die Kapazitätsdifferenz darstellenden Signals,

dadurch gekennzeichnet,

— daß der Bezugssignalgenerator ein Bezugsstromgenerator (10) ist,

— daß das erste und das zweite Signal ein Strombzw, ei:? Spannungssignal ist,

— daß außerdem vorgesehen sind:

— ein erster Festkondensator (Cn),

— ein zweiter Festkondensator (Cf 2),

— eine erste Verbindungseinrichtung (24, 28, 32) zum Verbinden des ersten Kondensators (Cp \) mit dem ersten Fest-Kondensator (Cf t), so daß die zeitveränderliche Spannung am ersten Kondensator (Cn) am zweiten Festkondensator (Cf 1) liegt, was zu einem Strom durch den ersten Festkondensator (C_F\) führt,

— eine zweite Verbindungseinrichtung (26, 30, 34) zum Veroinden des zweiten Kondensators (Cp₂) mit dem zweiten Festkondensator {Cfi), so daß die zeitveränderliche Spannung am zweiten Kondensator (Cp₂) am zw«- ien Festkondensator (Cf2) liegt, was zu einem Strom durch den zweiten Fest-Kondensator (Cf 2) führt,

— 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) als die Einrichtung, um den vereinigten Strom in das die Kapazitätsdifferenz darstellende 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 gekennzeichnet, 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 (Io 1; h 2) sind.

5. Kapazitätsdifferenz-Messer nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Stromumsetzer (50), der betriebsmäßig zwischen dem Stromspiegel (44) der zweiten Verbindungseinrichtung (26,30,34) und der Summiereinrichtung (52) liegt