DE2904834C2

DE2904834C2 - Differenz-Kapazitätsmesser

Info

Publication number: DE2904834C2
Application number: DE2904834A
Authority: DE
Inventors: Joseph Paul Redmond Wash. Gerber
Original assignee: Sundstrand Data Control Inc
Current assignee: Sundstrand Data Control Inc
Priority date: 1978-02-10
Filing date: 1979-02-08
Publication date: 1981-12-17
Also published as: DE2904834A1; FR2417117A1; AU528772B2; AU4411979A; GB2015173B; SE7901195L; IT7947938A0; CH629311A5; IT1114522B; NO790414L; FR2417117B1; GB2015173A; CA1119253A; IL56640A; JPS54118880A; US4167697A

Description

Die Erfindung betrifft einen Differenz-Kapazitätsmesser nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es gibt bereits einen derartigen Differenz-Kapazitätsmesser (»Electronic Letters«, Vol. 11, Nr. 15, 1975, Seiten 333 und 334) zum Messen der relativen Kapazität eines ersten Kondensators und eines zweiten Kondensators. Dieser Differenz-Kapazitätsmesser hat eine Spannungsquelle für eine zeitlich veränderbare Spannung. Außerdem sind ein erster und ein zweiter Operationsverstärker jeweils einschließlich eines mit der Spannungsquelle verbundenen ersten Eingangsanschlusses und eines Ausgangsanschlusses vorhanden, wobei jeder Operationsverstärker eine Rückkopplungsschaltung besitzt. Schließlich ist auch noch eine Einrichtung zum Vereinigen der Ausgangssignale des ersten und des zweiten Operationsverstärkers vorhanden, die ein Signal erzeugt, das der zu messenden

ίο Kapazitätsdifferenz entspricht

Wenn die Kapazitäten des ersten und des zweiten Kondensators veränderlich sind, indem beispielsweise Plattenkondensatoren mit veränderbarem Plattenabstand verwendet werden, so wird die Meßgenauigkeit

is aufgrund nichtlinearer Auswirkungen des sich ändernden Plattenabstandes beeinträchtigt

Weiterhin gibt es bereits eine Vorrichtung zum Messen der Kapazität und des Leitwertes von Kondensatoren (vgl. US-PS 35 18 537); mit dieser Vorrichtung können aber nicht Kapazitätsdifferenzen von zwei Kondensatoren bzw. deren relativen Kapazitäten bestimmt werden.

Bei anderen herkömmlichen Kapazitätsmessern (vgl. DE-OS 27 23 244) wird die Kapazität gemessen, indem eine zeitlich veränderliche Spannung, wie z. B. ein Dreieck- oder ein Sägezahnsignal, an Kondensatorplatten gelegt wird. Der sich ergebende Strom durch die Kondensatoren wird dann als Maß der Kapazität oder des Abstandes zwischen den Kondensatorplatten des Kondensators verwendet Da sich jedoch die Kapazität des Kondensators in umgekehrter Beziehung mit der Entfernung oder dem Abstand zwischen den Kondensatorplatten verändert, führt eine Änderung in diesem Abstand zu den bereits erwähnten Nichtlinearitäten im Ausgangsstrom, die unter bestimmten Umständen und bei gewissen Anwendungen der Kapazitätsmesser beträchtliche Fehler bewirken. Z. B. führt eine Änderung von 10% im Abstand zu einer Nichtlinearität über 1%, eine Änderung von 20% im Abstand bewirkt eine Nichtlinearität von über 4%, V⁷Id eine Änderung im Abstand von 50% bedeutet eine Nichtlinearität von 30%. Da weiterhin der Ausgangsstrom des Kondensators mit sehr klein werdendem Plattenabstand beträchtlich anwächst, können merkliche Stabilitätsprobleme auftreten, wenn der Kondensator als Lagefühler in einer Servo-Einrichtung verwendet wird. Kapazitätsmesser werden bei zahlreichen Instrumenten, wie z. B. Wandlern und Beschleunigungsmessern, und für einige hochempfindliche Instrumente, wie z. B. Servo-Beschleunigungsmt'sser und -wandler, verwendet, wobei Nichtlinearitäten aufgrund merklicher Änderungen im Kondensatorplattenabstand eine beträchtliche Fehlerquelle sein können.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Differenz-Kapazitätsmesser anzugeben, der durch Nichtlinearitäten aufgrund sich ändernden Abstandes zwischen Kondensatorplatten nicht beeinträchtigt wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Differenz-Kapazitätsmesser nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil angegebenen Merkmale gelöst

Der Differenz-Kapazitätsmesser hat zwei Operationsverstärker mit Rückkopplungsschaltungen, die die Kondensatoren einschließen. Jeder Kondensator steuert den Verstärkungsfaktor eines Operationsverstärkers, und die an den Eingängen der Operationsverstärker liegende zeitlich veränderliche Spannung führt zu Ausgangsspannungen für jeden Operationsverstär-

ker, die ihrerseits an der Einrichtung liegen, die eine Ausgangsspannung abgibt, die die Differenz in der Kapazität der Kondensatoren darstellt Durch einen derartigen Schaltungsaufbau werden Auswirkungen von Nichtlinearitäten aufgrund des sich ändernden Plattenabstandes ausgeschlossen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 4 angegeben.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, ''r< deren einziger Figur ein Schaltbild des erfindungsgemäßen Differenz-Kapazitätsmessers gezeigt ist

In der Figur ist ein schematisches Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung für einen Differenz-Kapazitätsmesser mit zwei Kondensatoren Cpi und Cp₂ dargestellt Kapazkätsmesser-Kondensatoren, wie z. B. die Kondensatoren CW und Cp2, werden insbesondere als Lagefühler in verschiedenen Arten von Instrumenten einschließlich Wandlern, Beschleunigungsmessern u. dgl. verwendet Wie in der Figur gezeigt ist, legt eine Spannungsquelle 10 einer zeitlich veränderlichen Spannung eine Sinus-Spannung Vis über Leitungen 12 und 14 und Widerstände 16 und 18 an einen invertierenden Eingang von zwei Operationsverstärkern 20 und 22. Jeder der Operationsverstärker 20 und 22 hat eine Rückkopplungsschaltung 24 bzw. 26, die die Kondensatoren Cpi und Cp2 aufweist Da die Kondensatoren Cp; und Cp₂In den Gegenkopplungsschleifen der Verstärker 20 und 22 liegen, sind sie zusammen mit den Widerständen 16 und 18 wirksam, um den Verstärkungsfaktor der Ausgangsspannungen Vi und Vi der Operationsverstärker 20 und 22 zu steuern. Da die Operationsverstärker 20 und 22 tatsächlich die Kondensatorplatten der Kondensatoren Cpi und Cp2 als Rückkopplungselemente verwenden, ist der Verstärker-Verstärkungsfaktor eine umgekehrte Funktion der Kapazität der Kondensatoren Cpi und Cp₂, und die Ausgangsspannungen Vj und Vt der Operationsverstärker 20 und 22 sind lineare Funktionen der Kondensatorplatten-Abstände.

Bei di;m bevorzugten Ausführungsbeispiel der Figur sind nichtinvertierende Eingänge jedes Operationsverstärkers 20 und 22 mit Erde über Widerstände 28 bzw. 30 verbunden. Zusätzlich sind Kondensatoren 32 und 34 rückgekoppelt zwischen den Ausgangsanschlüssen und den nichtinvertierenden Anschlüssen der Operationsverstärker 20 und 22 vorgesehen. Die Kondensatoren 32 und 34 können zum Auskompensieren von Streukapazitäten in der Schaltung verwendet werden.

Ein Differenzverstärker 36 bildet eine Einrichtung zum Mischen oder Vereinigen der Ausgangssignale der Operationsverstärker 20 und 22, um ein Signal zu erzeug-jn, das die Kapazitätsdifferenz zwischen den Kondensatoren Cpi und Cp₂ angibt. Das Ausgangssignal Vi des Operationsverstärkers 20 liegt über einen Widerstand 38 an einem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 36. Auf ähnliche Weise liegt das Ausgangssignal Vi des Operationsverstärkers 22 über einen Widerstand 40 an einem nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Differenzverstärkers 36. Der nichtinvertierende Eingangsanschluß des Differenzverstärkers 36 ist mit Erde über einen Widerstand 42 verbunden, und eine Rückkopplungsschaltung einschließlich eines Widerstandes oder einer Impedanz 44 verbindet den Ausging des Differenzverstärkers 36 mit derrt invertierende»! Eingang. Der Ausgangsanschluß des Kapazitätsme^sers der Figur ist über einen Kondensator 46 mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 36 verbunden und erzeugt dort die Ausgangsspannung Vo.

Der Betrieb des in der Figur gezeigten Differenz-Kapazitätsmessers wird durch die folgenden Gleichungen beschrieben, wobei die Eingangsspannung Vw gegeben ist durch:

V_n = V₄ sin ω ι

Die Ausgangsspannungen V₁ und V₂ der Operationsverstärker 20 und 22 sind dann gegeben durch:

V, =

und

. Cp

cos ω ·

V-, = — cos ω ι

- R_nC_n

Da die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 36 gegeben ist durch:

V₀ =

folgt durch Einsetzen der Gleichungen (2) und (3) in Gleichung (4) der folgende Ausdruck für die Ausgangsspannung V_b:

Mittels der Formel für die Kapazität eines Parallel-Plattenkondensators

C₀ A
D

mit

A = Fläche der Kondensatorplatten,

D = Abstand oder Entfernung zwischen den Platten,

und
εο = Dielektrizitätskonstante,

ergibt sich für die Kondensatoren Cp, und Cp₂ in Gleichung (5) die folgende Beziehung:

D₂

cos ω ι

(7)

Wenn dann die Widerstandswerte der Widerstände Äi6 und /?i8 gleich und ebenso die Rächen A\ und A₂ der Kondensatoren gleich sind, ist die Autgangsspannung Vo in direkter Beziehung zur Entfernung zwischen Hen Platten:

V_n =

RAe_n

(£>i -D₂) cos ω ι

(8)

Daraus folgt, daß die Ausgangsspannung V₀ der in der Figur dargestellten Schaltung linear die Differenz in den Abständen zwischen den Platten der Kondensatoren

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Differenz-Kapazitätsmesser zum Messen der relativen Kapazitäten eines ersten und eines zweiten Kondensators, mit

einer Spannungsquelle für eine zeitlich veränderliche Spannung,

einem ersten und einem zweiten Operationsverstärker einschließlich jeweils eines mit der Spannungsquelle verbundenen ersten Eingangsanschlusses und eines Ausgangsanschlusses,

einer ersten bzw. zweiten Rückkopplungsschaltung, die einen Eingangsanschluß des ersten bzw. zweiten Operationsverstärkers mit dem Ausgangsanschluß des ersten bzw. zweiten Operationsverstärkers verbindet, und

einer Einrichtung zum Vereinigen der Ausgangssignale des ersten und des zweiten Operationsverstärkers, um ein Signal zu erzeugen, das die KapazitätsdiffereEü zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensator darstellt,

dadurch gekennzeichnet, daß der erste bzw. zweite Kondensator CCw, Cp₂) in der ersten bzw. zweiten Rückkopplungsschaltung (24, 26) enthalten ist

2. Differenz-Kapazitätsmesser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

— eine dritte Rückkopplungsschaltung mit einem dritten Kondensator (32) zwischen dem Ausgangsanschluß des ersten Operationsverstärkers (TU) und dessen zweitem Eingangsanschluß, und

— eine vierte Rückkopplungsschaltung mit einem vierten Kondensator (34) zwischen dem Ausgangsanschluß des zweiten Operationsverstärkers (22) und dessen zweitem Eingangsanschluß.

3. Differenz-Kapazitätsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

— daß die Einrichtung einen dritten Operationsverstärker (36) mit einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Eingang aufweis;,

— wobei der Ausgangsanschluß des ersten Operationsverstärkers (20) mit dem invertierenden Eingang des dritten Verstärkers (36) und der Ausgangsanschluß des zweiten Operationsverstärkers (22) mit dem nichtinvertierenden Eingang des dritten Verstärkers (36) verbunden sind.

4. Differenz-Kapazitätsmesser nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch

— eine fünfte Rückkopplungsschaltung (44) zwischen einem Ausgang des dritten Verstärkers (36) und dessen invertierendem Eingang.