DE3028715A1

DE3028715A1 - Measuring effective impedance of capacitor from generator frequency - by using square-wave generator to eliminate residual capacitances

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Publication number: DE3028715A1
Application number: DE19803028715
Authority: DE
Inventors: Martin Prof. Dr.-Ing. 1000 Berlin Lambeck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-07-25
Filing date: 1980-07-25
Publication date: 1982-02-25

Abstract

The method overcomes the problems of capacitive components not influenced by the measurement parameter and of oscillator amplitude stabilisation. It gives information concerning the effective impedance component rather than just the apparent impedance. This is achieved by using a square wave generator. For measurement of the thickness of insulating layers on insulated metal bodies an earthed electrode is attached to the insulation so as to form an auxiliary capacitor with the metal body which is connected in series with the measurement capacitor. The capacitance is derived from a voltage measured against time. The method is applicable where the capacitor is used as a distance measurement transducer or for measuring the dielectric constant of the medium contained in the capacitor.

Description

Kapazitives Meßverfahren Capacitive measuring method

Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Kapazität eines Kondensators, der als kapazitiver Geber zur Wegmessung und/oder zur Messung der dielektrischen Eigenschaften des Mediums im Kondensator dient, bei dem die Frequenz eines den Kondensator enthaltenden Generators gemessen wird.Description The invention relates to a method for measuring the Capacity of a capacitor that acts as a capacitive transmitter for distance measurement and / or is used to measure the dielectric properties of the medium in the capacitor which the frequency of a generator containing the capacitor is measured.

Die Verwendung von Kondensatoren als kapazitive Weggeber und zur Messung der Dielektrizitätskonstante (DK) des Mediums im Kondensator ist in zahlreichen Ausführungsformen bekannt (Chr. The use of capacitors as capacitive displacement transducers and for Measurement of the dielectric constant (DK) of the medium in the capacitor is available in numerous Embodiments known (Chr.

Rohrbach, Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen, VDI-Verlag Düsseldorf, 1967, S. 149-167 und A. Rost, Messung dielektrischer Stoffeigenschaften, Verlag Vieweg, Braunschweig 1978, S. 27-96). Zur Messung der Kapazität werden meist aufwendige Brückenschaltungen verwendet. Es ist auch bekannt, die Kapazität mit einer Induktivität zu einem Schwingkreis zu ergänzen und dessen Frequenz zu messen. Dies hat den Nachteil, daß die Frequenz nur von der Wurzel der Kapazität abhängt. Dieser Nachteil wird in den RC-Sinusoszillatoren mit mehreren Kondensatoren vermieden, in denen die Frequenz proportional zur Kapazität ist.Rohrbach, manual for electrical measurement of mechanical quantities, VDI-Verlag Düsseldorf, 1967, pp. 149-167 and A. Rost, measurement of dielectric material properties, Vieweg Verlag, Braunschweig 1978, pp. 27-96). To measure the capacity are mostly complex bridge circuits are used. It is also known to have the capacity to add an inductance to a resonant circuit and to measure its frequency. This has the disadvantage that the frequency only depends on the square root of the capacitance. This disadvantage is avoided in the RC sine wave oscillators with several capacitors, in which the frequency is proportional to the capacitance.

Dies gilt jedoch nur, wenn die frequenzbestimmenden Kondensatoren gleichartig auf den kapazitiven Geber aufgeteilt sind, es müssen also alle frequenzbestimmenden Kondensatoren gleichartig an der zu messenden Bewegung teilnehmen (Rohrbach a.a.O. S. 158, 159).However, this only applies if the frequency-determining capacitors are distributed equally to the capacitive encoder, so all frequency-determining Capacitors participate equally in the movement to be measured (Rohrbach a.a.O. Pp. 158, 159).

Hierdurch entstehen Gleichlaufschwierigkeiten und schädliche, d.h.This results in synchronization difficulties and harmful, i.e.

von der zu messenden Bewegung nicht beeinflußte Kapazitäten, die die Meßgenauigkeit herabsetzen. Die genannten Oszillatoren erfordern Einrichtungen zur Amplitudenstabilisierung, und sie geben nur Information über den Scheinwiderstand der Kapazität, nicht jedoch über ihren Wirkanteil. Die Erfindung hat die Aufgabe, die genannten Nachteile zu überwinden.capacities not influenced by the movement to be measured, which the Reduce measurement accuracy. The oscillators mentioned require facilities for Amplitude stabilization, and they only give information about the impedance the capacity, but not via its active component. The invention has the task to overcome the disadvantages mentioned.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein RC-Rechteckgenerator verwendet wird. The object is achieved according to the invention in that an RC square wave generator is used.

RC-Rechteckgeneratoren mit nur einer frequenzbestimmenden Kapazität sind an sich bekannt (U. Tietze, Ch. Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1978, S. 444-453, F. Bergtold, Schaltungen mit Operationsverstärkern, Verlag R. Oldenbourg München, Wien 1975, Band II, S. 44-48, Electronics/July 5, 1973, S. 109). Es ist aber noch nicht vorgeschlagen worden, sie zur Wegmessung bzw. zur Messung dielektrischer Eigenschaften anzuwenden. RC square wave generators with only one frequency-determining capacity are known per se (U. Tietze, Ch. Schenk, semiconductor circuit technology, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1978, pp. 444-453, F. Bergtold, circuits with operational amplifiers, Verlag R. Oldenbourg Munich, Vienna 1975, Volume II, pp. 44-48, Electronics / July 5, 1973, p. 109). However, it has not yet been proposed to use them for distance measurement or to be used for measuring dielectric properties.

Fig. 1 zeigt die Grundschaltung eines RC-Rechteckgenerators. Fig. 1 shows the basic circuit of an RC square wave generator.

Die Grundschaltung eines RC-Rechteckgenerators besteht darin, daß vom Ausgang des Verstärkers 1 ein ohmscher Widerstand 2 zum invertierenden Eingang des Verstärkers 1 führt, der über den Kondensator 3 mit Erde verbunden ist, während ein durch die Reihenschaltung der ohmschen Widerstände 4 und 5 bestimmter Bruchteil der Ausgangsspannung auf den nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 1 geleitet wird. Weitere Ausgestaltungen dieser Grundschaltung hinsichtlich Erhöhung der Frequenz, Verbesserung der Kurvenform sowie des Einsatzes elektronischer Bauelemente als Verstärker 1 sind der oben angegebenen Literatur zu entnehmen. The basic circuit of an RC square wave generator is that from the output of the amplifier 1 an ohmic resistor 2 to the inverting input of the amplifier 1, which is connected to ground via the capacitor 3, while a fraction determined by the series connection of the ohmic resistors 4 and 5 the output voltage is fed to the non-inverting input of amplifier 1 will. Further refinements of this basic circuit with regard to increasing the frequency, Improvement of the curve shape and the use of electronic components as amplifiers 1 can be found in the literature given above.

Der Bruchteil der Ausgangsspannung, der auf den nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 1 zurückgeführt wird, werde im folgenden als Rückkopplungsfaktor ß bezeichnet. Die Spannung am nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 1 folgt der Ausgangsspannung momentan. Im Gegensatz dazu folgt die Spannung am Kondensator 3, die dem invertierenden Eingang des Verstärkers 1 zugeleitet wird, dessen Ausgangsspannung nicht momentan, sondern verzögert entsprechend einer Exponentialfunktion mit der durch den Kondensator 3 und den Reihenwiderstand 2 gegebenen Zeitkonstante. Wenn im Lauf der Zeit die Spannung am Kondensator 3 gleich der Spannung am Widerstand 5 geworden ist, schaltet der Verstärker in den anderen Sättigungszustand, so daß am Verstärkerausgang eine Rechteckspannung entsteht. Darauf bewegt sich die Spannung am Kondensator mit derselben Zeitkonstante in die entgegengesetzte Polarität. Der zeitliche Verlauf der Spannung am Kondensator 3, mit dem die Schaltung von einem Zustand in den anderen übergeht, werde als übergangsfunktion bezeichnet. Die Zeit zwischen zwei Schaltvorgängen hängt sowohl von der genannten Zeitkonstante als auch von dem Rückkopplungsfaktor ß ab, denn dieser bestimmt die Schwelle, nach dessen Erreichen die Übergangsfunktion das Schalten auslöst. Die Rechnung ergibt T = 1/f = 2 RC ln 1 + ß (1) 1-ß mit T: Schwingungsdauer, f: Frequenz, R: Widerstand des Reihenwiderstandes 2, C: Kapazität des Kondensators 3. The fraction of the output voltage that is on the non-inverting Input of the amplifier 1 is fed back, will be used in the following as a feedback factor ß denotes. The voltage at the non-inverting input of amplifier 1 follows the output voltage momentarily. In contrast, the voltage on the capacitor follows 3, which is fed to the inverting input of amplifier 1, its output voltage not momentary, but delayed according to an exponential function with the time constant given by capacitor 3 and series resistor 2. if Over time, the voltage across the capacitor 3 equals the voltage across the resistor 5, the amplifier switches to the other state of saturation, so that a square wave voltage arises at the amplifier output. Then the tension moves at the capacitor with the same time constant in the opposite polarity. Of the Temporal course of the voltage across the capacitor 3, with which the circuit of a State passes into the other is called a transition function. The time between two switching operations depends on both of the said Time constant as well as the feedback factor ß, because this determines the threshold whose reaching the transition function triggers the switching. The calculation shows T = 1 / f = 2 RC ln 1 + ß (1) 1-ß with T: period of oscillation, f: frequency, R: resistance of series resistance 2, C: capacitance of capacitor 3.

Die Anwendung zur Wegmessung wird an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Die Frequenz ist umgekehrt proportional zur Kapazität. Die Kapazität ist umgekehrt proportional zum Abstand der Kondensatorplatten. Also ist die Frequenz proportional zum Abstand der Kondensatorplatten, sofern die schädlichen Kapazitäten klein sind. Es ist daher ein möglichst kompakter Aufbau anzustreben. Hierzu wird ein integrierter Verstärker (z. B. AD 507) gemäß Fig. 1 geschaltet. Die Schaltung befindet sich in einem kleinen geerdeten Kasten. An der Außenseite des Kastens ist isoliert von diesem im Abstand von 30 mm eine Metallplatte von 50 mm Durchmesser befestigt, die mittels einer Durchführung elektrisch leitend mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 1 in dem Kasten verbunden ist und so eine Platte des Kondensators 3 darstellt. Durch den geringen Abstand zwischen der Metallplatte und dem Verstärker sind die schädlichen Kapazitäten gering. Die übrigen Teile der Meßanordnung wie Stromversorgung des Verstärkers 1 und Frequenzzähler sind über ein flexibles Kabel mit dem Kasten verbunden. The application for distance measurement is explained using an exemplary embodiment. The frequency is inversely proportional to the capacitance. The capacity is reversed proportional to the distance between the capacitor plates. So the frequency is proportional to the distance between the capacitor plates, provided that the damaging capacities are small. A construction that is as compact as possible should therefore be aimed for. For this purpose, an integrated Amplifier (z. B. AD 507) switched according to FIG. The circuit is in a small grounded box. The outside of the box is insulated from it at a distance of 30 mm a metal plate of 50 mm diameter attached, which means a bushing electrically conductive to the inverting input of the amplifier 1 is connected in the box and thus represents a plate of the capacitor 3. By the small distance between the metal plate and the amplifier are the most damaging Capacity low. The remaining parts of the measuring arrangement such as the power supply for the amplifier 1 and the frequency counter are connected to the box via a flexible cable.

Wird nun der Kasten mit der Metallplatte einer geerdeten Metallfläche genähert, so nimmt die Frequenz monoton - näherungsweise linear - mit sinkendem Abstand ab, so daß die Frequenz leicht als Maß für den Abstand verwendet werden kann. Vorteilhaft sind a) die Verwendung nur einer Metallplatte als Meßplatte, b) der einfache Aufbau, der in der Nähe der Meßplatte nur einen integrierten Verstärker und drei Widerstände erfordert, c) die geringe Leistungsaufnahme, die den Batteriebetrieb sowie den Einsatz in explosionsgefährdeter Umgebung erleichtert, d) der Fortfall von Einrichtungen zur Amplitudenstabilisierung, e) die geringe Abhängigkeit der Frequenz von Schwankungen der Versorgungsspannung. Als Anwendungen kommen die bei Rohrbach a.a.O. genannten Fälle in Frage, wie z. B. Wegmessung, Druckmessung und Niveauregelung. Now the box with the metal plate becomes a grounded metal surface approximated, the frequency increases monotonically - approximately linearly - with decreasing Distance from so that the frequency can easily be used as a measure of the distance can. Advantages are a) the use of only one metal plate as a measuring plate, b) the simple construction, the only one integrated amplifier in the vicinity of the measuring plate and requires three resistors; c) the low power consumption that requires battery operation as well as the use in potentially explosive environments, d) the elimination of devices for amplitude stabilization, e) the low dependence of the Frequency of fluctuations in the supply voltage. The applications come from Rohrbach loc. mentioned cases in question, such as B. Distance measurement, Pressure measurement and level control.

Sehr günstig ist auch die Anwendung zur Messung von Schichtdicken, z. B. von Lackschichten im Fahrzeugbau. Hierzu wird die Meßplatte auf die lackierte Seite eines Bleches aufgesetzt. Die Lackschicht bestimmt den Abstand der Meßplatte vom Blech und damit in Verbindung mit der DK des Lackes die Kapazität und damit die Frequenz. Die so bestimmte Frequenz wird mit der Frequenz verglichen, die sich bei der Messung an einem Meisterstück mit der gleichen Lacksorte und bekannter Dicke ergibt. The application for measuring layer thicknesses is also very favorable, z. B. of paint layers in vehicle construction. For this purpose, the measuring plate is painted on the Placed on the side of a sheet. The lacquer layer determines the distance between the measuring plate of the sheet metal and thus, in connection with the DK of the paint, the capacity and thus the frequency. The frequency determined in this way is compared with the frequency that is when measuring on a masterpiece with the same type of paint and known thickness results.

Das lackierte Blech muß gemäß Fig. 1 geerdet sein. Daher ist die Erdleitung an einer nichtlackierten Stelle des Bleches anzuschließen. Ist das nicht möglich, so kann man erfindungsgemäß das Verfahren anwenden, zur Dickenbestimmung der isolierenden Schicht auf einem Metallkörper eine geerdete Hilfselektrode zu verwenden, die mit dem Metallkörper einen Hilfskondensator bildet, der mit dem Meßkondensator in Reihe geschaltet ist. Als Hilfselektrode verwendet man z. B. eine geerdete Metallfolie, die an der lackierten Rückseite des Bleches befestigt wird, so daß sie mit dem Blech einen Hilfskondensator bildet. Somit sind die von dem Blech mit der Meßplatte bzw. der Hilfselektrode gebildeten Kondensatoren in Reihe geschaltet. Zweckmäßig wird die Fläche der Hilfselektrode groß gegen die der Meßplatte gewählt, so daß die Kapazität des Hilfskondensators groß gegen die des Meßkondensators ist. Die Kapazität der Kondensator-Reihenschaltung wird dann vorwiegend durch den Meßkondensator gebildet, so daß die Dicke der Lackschicht auch an einem isolierten Blech bestimmt werden kann. The painted sheet metal must be earthed as shown in FIG. Hence the Connect the earth line to an unpainted point on the sheet metal. Isn't that possible, the method according to the invention can be used for determining the thickness a grounded auxiliary electrode is attached to the insulating layer on a metal body use, which forms an auxiliary capacitor with the metal body, which with the measuring capacitor is connected in series. The auxiliary electrode is used, for. B. a grounded metal foil, which is attached to the painted back of the sheet metal so that it connects to the sheet metal forms an auxiliary capacitor. Thus, the from the sheet with the measuring plate or The capacitors formed by the auxiliary electrode are connected in series. Will be expedient the area of the auxiliary electrode chosen to be large compared to that of the measuring plate, so that the capacitance of the auxiliary capacitor is large compared to that of the measuring capacitor. The capacity of the Capacitor series connection is then mainly formed by the measuring capacitor, so that the thickness of the lacquer layer can also be determined on an insulated sheet metal can.

Sofern der Lack eine von Null verschiedene Leitfähigkeit besitzt, ist die Meßplatte des Kondensators 3 mit einem isolierenden überzug zu versehen. Das gleiche gilt für die Füllstandsanzeige von Flüssigkeiten. If the paint has a conductivity other than zero, the measuring plate of the capacitor 3 is to be provided with an insulating coating. The same applies to the level indicator of liquids.

Für die weitere Ausgestaltung der Erfindung kommt dem Rückkopplungsfaktor ß wesentliche Bedeutung zu. Der Rückkopplungsfaktor ist eine Größe zwischen Null und Eins. Liegt ß bei Null, kommt keine Schwingung zustande, weil der Verstärker Schwingungen mit unendlich hoher Frequenz nicht auszuführen vermag. Liegt ß bei Eins, kommt ebenfalls keine Schwingung zustande, weil die Übergangsfunktion die Schaltschwelle erst nach unendlich langer Zeit erreicht. In allen bisher bekannten Anwendungen - etwa als Rechteckgenerator oder als Timer - wurde ß stets im Bereich von etwa 0,2 bis 0,7 gewählt. Die übergangsfunktion löst das Schalten mit ihrem steil verlaufenden Teil aus; das Schalten erfolgt nach einer Zeit, die kleiner als oder gleich der Zeitkonstante ist, die Frequenz ist also hoch. Daher werde dieser Bereich als "schneller" Bereich bezeichnet. Liegt im Gegensatz dazu ß zwischen 0,7 und 1, so löst die übergangsfunktion das Schalten mit ihrem flach verlaufenden Teil aus; das Schalten erfolgt nach Ablauf mehrerer Zeitkonstanten, die Frequenz ist also niedrig, daher werde dieser Bereich als "langsam" bezeichnet. Eine Anwendung der Schaltung im langsamen Bereich ist in der bisherigen Lehre nicht berücksichtigt worden. The feedback factor is important for the further development of the invention ß essential importance. The feedback factor is a magnitude between zero and one. If ß is zero, there is no oscillation because the amplifier Can not perform vibrations with infinitely high frequency. Is ß at One, there is also no oscillation because the transition function is the Switching threshold only reached after an infinitely long time. In all previously known Applications - for example as a square wave generator or as a timer - have always been in the area chosen from about 0.2 to 0.7. The transition function solves the switching with your steep part from; switching takes place after a time that is less than or equal to the time constant, so the frequency is high. Hence become this Area referred to as the "fast" area. In contrast, ß lies between 0.7 and 1, the transition function solves the switching with its flat part the end; switching takes place after several time constants have elapsed; the frequency is so low, so this area is called "slow". An application the circuit in the slow range is not considered in the previous teaching been.

Die Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, die Frequenz als Funktion des Rückkopplungsfaktors und/oder des Reihenwiderstandes zu messen.Hierbei geht es nicht um eine quantitative Ausweitung des Frequenzbereiches, sondern um die Anwendung der Erkenntnis, daß der Rückkopplungsfaktor (bzw. der Reihenwiderstand 2) die Funktion besitzt, einen qualitativen Fortschritt des Informationsgehaltes zu ermöglichen. The embodiment of the invention consists in the frequency as a function the feedback factor and / or the series resistance it is not about a quantitative expansion of the frequency range, but about the application the knowledge that the feedback factor (or the series resistance 2) the function possesses to enable a qualitative advance of the information content.

Nach der bisherigen Lehre hätte es keinen Sinn, die Frequenz als Funktion von ß (oder des Reihenwiderstandes 2) zu messen, denn nach Gl. 1 liegt die Frequenz als Funktion von R, C und ß völlig fest; eine Messung der Frequenz als Funktion dieser Größen kann also keine höhere Information liefern als die Messung bei einem bekannten Wert. According to the previous teaching, it would make no sense to use the frequency as To measure the function of ß (or of the series resistance 2), because according to Eq. 1 lies the frequency as a function of R, C and ß completely fixed; a measurement of frequency as a function of these quantities, therefore, it cannot provide any higher information than the measurement at a known value.

In eigenen Versuchen wurde jedoch festgestellt, daß diese bisher als selbstverständlich geltende Annahme nicht zutrifft. In our own experiments, however, it was found that this has been the case so far assumption that is taken for granted does not apply.

Die erfindungsgemäß auszunutzende Funktion von ß, zusätzliche Information zu liefern, läßt sich folgendermaßen verstehen: Ein reales Dielektrikum besitzt eine von Null verschiedene Leitfähigkeit; der Kondensator 3 hat als nicht nur eine reine Kapazität, sondern auch einen Wirkwiderstand, den man sich parallel zum Kondensator 3 geschaltet vorstellen kann.The function of β to be used according to the invention, additional information to deliver can be understood as follows: Has a real dielectric a non-zero conductivity; the capacitor 3 has as not just one pure capacitance, but also an effective resistance that can be seen in parallel with the capacitor 3 switched can imagine.

An die Stelle des Kondensators tritt also die Parallelschaltung des Kondensators 3 und eines Wirkwiderstandes. Der Widerstand einer Parallelschaltung zweier Widerstände wird vornehmlich durch den kleineren der beiden bestimmt. Liegt ß im schnellen Bereich, so ändert sich die Spannung am Kondensator 3 schnell, daher ist sein kapazitiver Widerstand gering, somit bestimmt er allein die Übergangsfunktion, während der Wirkwiderstand keine Rolle spielt, woraus sich Gl. 1 ergibt. The parallel connection of the Capacitor 3 and an effective resistor. The resistance of a parallel circuit two resistances is primarily determined by the smaller of the two. Lies ß in the fast range, the voltage on the capacitor 3 changes quickly, therefore its capacitive resistance is low, so it alone determines the transition function, while the effective resistance plays no role, from which Eq. 1 results.

Im Gegensatz dazu ändert sich im langsamen Bereich die Spannung am Kondensator nur noch langsam, so daß sein kapazitiver Widerstand hoch wird. Daher bestimmt jetzt der Wirkwiderstand zunehmend die Übergangsfunktion und damit die Frequenz. Je mehr also ß dem Wert Eins genähert wird, desto mehr weicht die Frequenz von dem durch Gl. 1 gegebenen Wert ab, desto mehr vermag also eine Messung der Frequenz als Funktion von ß Aufschluß über den Wirkwiderstand des Kondensators 3 zu geben. Dies gilt insbesondere für den Wert, bei dem die Frequenz Null wird, also die Schwingung abreißt. Dieser Wert werde als ßO bezeichnet. In contrast to this, the voltage on the changes in the slow range Capacitor only slowly, so that its capacitive resistance is high. Therefore Now the effective resistance increasingly determines the transition function and thus the Frequency. So the closer ß is to the value one, the more the frequency deviates from which by Eq. 1, the more a measurement of the frequency can do to give information about the effective resistance of the capacitor 3 as a function of ß. This applies in particular to the value at which the frequency becomes zero, i.e. the oscillation rips off. This value is called ßO.

Beim Vorhandensein eines endlichen Wirkwiderstandes kann die Spannung am Kondensator auch nach sehr langer Zeit nicht die Ausgangsspannung des Verstärkers 1 erreichen, und daher reißt die Schwingung ab, bevor ß den Wert Eins erreicht. Ein Zahlenbeispiel möge diese Aussage erläutern. Die Ausgangsspannung des Verstärkers 1 sei 10 V, sein Eingangswiderstand sei unendlich hoch. Der Reihenwiderstand 2 betrage 1 MOhm, der Wirkwiderstand des Kondensators 9 MOhm. Nach langer Zeit, d.h. nach Ablauf vieler Zeitkonstanten, ist der kapazitive Widerstand des Kondensators sehr hoch, somit wird die Übergangsfunktion nur noch von der Reihenschaltung des Reihenwiderstandes 2 und des Wirkwiderstandes des Kondensators 3 bestimmt. Im genannten Beispiel kann die übergangsfunktion nicht größer als 9 V werden, daher reißt die Schwingung bei ß = 0,9 ab. Beträgt hingegen der Wirkwiderstand des Kondensators 99 MOhm, so reißt die Schwingung erst bei ß = 0,99 ab.In the presence of a finite effective resistance, the voltage on the capacitor does not match the output voltage of the amplifier even after a very long time 1, and therefore the oscillation stops before ß reaches the value one. A numerical example should explain this statement. The output voltage of the amplifier 1 is 10 V, its input resistance is infinitely high. The series resistance is 2 1 MOhm, the effective resistance of the capacitor 9 MOhm. After a long time, i.e. after Lapse of many time constants, the capacitive resistance of the capacitor is very high high, so the transition function is only due to the series connection of the series resistance 2 and the effective resistance of the capacitor 3 are determined. In the example mentioned, the transition function cannot be greater than 9 V, which is why the oscillation begins ß = 0.9. On the other hand, if the effective resistance of the capacitor is 99 MOhm, it will tear the oscillation only decreases at ß = 0.99.

Daraus ergibt sich die Regel zu technischem Handeln: Durch die Aufnahme der Frequenz bei geringen Werten von ß ("schneller" Bereich) ergibt sich der Scheinwiderstand der Kapazität, durch die Messung der Frequenz bei hohen Werten von ß im langsamen Bereich, insbesondere aus der Messung von ßo, bei dem die Schwingung abreißt, ergibt sich der Wirkwiderstand der Kapazität. This gives rise to the rule of technical action: through the recording the frequency at low values of ß ("faster" range) results in the impedance the capacitance, by measuring the frequency at high values of ß in the slow Area, in particular from the measurement of ßo, at which the oscillation breaks off, the result is the effective resistance of the capacitance.

Außerdem sind sowohl Blindwiderstand als auch Wirkwiderstand des Kodensators 3 Funktionen der Frequenz. Es ist also zweckmäßig, das Abreißen der Schwingung durch Wahl eines geeigneten Reihenwiderstandes 2 in ein Frequenzgebiet zu legen, in dem die DK des zu untersuchenden Materials charakteristische Eigenschaften aufweist. Um die Informationsmöglichkeit des Verfahrens voll auszuschöpfen, ist es erforderlich und wesentlich, daß der Rückkopplungsfaktor im gesamten Bereich zwischen Null und Eins feinstufig variiert werden kann. In addition, both reactance and effective resistance are Kodensators 3 functions of frequency. So it is useful to tear off the Oscillation by choosing a suitable series resistor 2 in a frequency range in which the DC of the material to be examined has characteristic properties having. In order to make full use of the information provided by the procedure, it is necessary and essential that the feedback factor be in the entire range can be varied finely between zero and one.

Fig. 2 zeigt die Anordnung zur Messung der Frequenz als Funktion des Rückkopplungsfaktors und/oder des Reihenwiderstandes 2. Fig. 2 shows the arrangement for measuring the frequency as a function the feedback factor and / or the series resistance 2.

Die Achse des Potentiometers 6 ist mit der Achse des Potentiometers 7 verbunden, so daß die Schleifer synchron laufen. An den Enden des Potentiometers 7 liegt die Spannungsquelle 8, die zweckmäßig an ihrem Mittelabgriff geerdet ist. Die Spannung am Schleifer des Potentiometers 7 ist somit ein Maß für die Stellung des Potentiometers 6 und damit für den Rückkopplungsfaktor ß. The axis of the potentiometer 6 is with the axis of the potentiometer 7 connected so that the grinders run synchronously. At the ends of the potentiometer 7 is the voltage source 8, which is expediently grounded at its center tap. The voltage on the wiper of the potentiometer 7 is therefore a measure of the position of the potentiometer 6 and thus for the feedback factor ß.

Diese Spannung wird der Horizontalablenkung des Oszillographen 9 zugeführt. Der Frequenz-Spannungs-Wandler 10 wird vom Ausgang des Verstärkers 1 angesteuert und liefert eine frequenzproportionale Spannung an die Vertikalablenkung des Oszillographen 9. Der Oszillograph stellt also die Frequenz als Funktion von ß dar. In der Skizze ist die Frequenz nach oben steigend, ß nach rechts abnehmend dargestellt.This voltage is fed to the horizontal deflection of the oscilloscope 9. The frequency-voltage converter 10 is controlled by the output of the amplifier 1 and supplies a frequency proportional voltage to the vertical deflection of the oscilloscope 9. The oscilloscope shows the frequency as a function of ß. In the sketch the frequency is shown increasing upwards, ß decreasing to the right.

Um erfindungsgemäß den Rückkopplungsfaktor im gesamten Bereich von Null bis Eins feinstufig variieren zu können, ist das Potentiometer mit den Trimmern 11 und 12 in Reihe geschaltet. According to the invention, the feedback factor in the entire range of The potentiometer with the trimmers is able to vary between zero and one 11 and 12 connected in series.

Zweckmäßig wird zuerst das Potentiometer 6 in Mittelstellung gebracht und mit den Trimmern 11 und 12 der interessierende Frequenzbereich aufgesucht. Danach erfolgt die genaue Aufnahme der Funktion durch Variation des Potentiometers 6. Der Reihenwiderstand 2 ist durch einen Schalter gegen die Widerstände 13 und 14 austauschbar.Appropriately, the potentiometer 6 is first brought to the middle position and with the trimmers 11 and 12 the frequency range of interest is searched. Thereafter the exact recording of the function is carried out by varying the potentiometer 6. The Series resistor 2 can be exchanged for resistors 13 and 14 by means of a switch.

Das Verfahren werde an einem Anwendungsbeispiel erläutert. The process will be explained using an application example.

Als Verstärker dient Tektronix AM 501, als Kondensator ein Plattenkondensator aus zwei Platten 30 mal 150 mm in 22 mm Abstand, der direkt an den Klemmen des Verstärkers 1 befestigt ist. Der Reihenwiderstand 2 ist 15 kOhm. Das Potentiometer 6 ist ein Zehngangdrehpotentiometer von 25 Ohm, der Trimmer 11 hat Null Ohm, der Trimmer 12 hat 10 kOhm.Der Rückkopplungsfaktor wird also feinstufig im Bereich von 0,9975 bis 1,0 variiert. Werden nun Reagenzgläser mit verschiedenen Flüssigkeiten in den Kondensator gebracht, ergeben sich beim Durchdrehen des Potentiometers 6 Kurven der Art a, b und c, die für Wasser, Methylalkohol und Äthylalkohol charakteristisch sind. Das Verfahren ermöglicht also die Unterscheidung verschiedener Flüssigkeiten sogar in geschlossenen Gefäßen.Tektronix AM 501 is used as an amplifier and a capacitor Plate capacitor from two plates 30 by 150 mm with a distance of 22 mm, which are attached directly to the terminals of the amplifier 1 is attached. The series resistance 2 is 15 kOhm. The potentiometer 6 is a Ten-turn rotary potentiometer of 25 ohms, trimmer 11 has zero ohms, trimmer 12 has 10 kOhm. The feedback factor is therefore finely stepped in the range from 0.9975 to 1.0 varies. Now are test tubes with different liquids in the condenser brought, when turning the potentiometer 6 curves of the type a, b result and c, which are characteristic of water, methyl alcohol and ethyl alcohol. That This method enables different liquids to be distinguished even in closed vessels.

Durch Variation der Reihenwiderstände 2, 13 und 14 mittels eines Schalters und der Trimmer 11 und 12 lassen sich die Frequenzbereiche dem jeweils vorliegenden Meßproblem anpassen. Ebenso kann auch die Frequenz als Funktion des Reihenwiderstandes 2 ermittelt werden, indem dieser feinstufig variiert wird. In gleicher Weise wie bei der Kopplung zweier Potentiometer ist vorzugehen, wenn die Variation des Rückkopplungsfaktors und/oder des Reihenwiderstandes durch licht- oder magnetfeldempfindliche Bauelemente vorgenommen wird. Die Horizontalablenkung des Oszillographen 9 ist dann proportional zum Lichtstrom bzw. Magnetfeld vorzunehmen.By varying the series resistances 2, 13 and 14 by means of a switch and the trimmers 11 and 12 can adjust the frequency ranges to the given Adapt measurement problem. The frequency can also be used as a function of the series resistance 2 can be determined by varying it in fine steps. In the same way as when coupling two potentiometers, proceed if the variation of the feedback factor and / or the series resistance through light or magnetic field sensitive components is made. The horizontal deflection of the oscilloscope 9 is then proportional to the luminous flux or magnetic field.

Fig. 3 zeigt eine Ausgestaltung der Schaltung nach Fig. 2. FIG. 3 shows an embodiment of the circuit according to FIG. 2.

Zur Vermeidung bewegter Teile und zur Verbesserung der Automatisierbarkeit wird eine weitere Ausgestaltung angegeben. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung geht von der überlegung aus, daß die Realisierung des Rückkopplungsfaktors durch einen Spannungsteiler gleichbedeutend ist mit einer Multiplikation der Ausgangsspannung des Verstärkers 1 mit einem Faktor kleiner als Eins. Daher wird die Ausgangsspannung des Verstärkers 1 als ein Faktor einem Multiplizierer 15 zugeführt, der die Spannung des Sägezahngenerators 16 als zweiten Faktor erhält, während das Produkt an den nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 1 gegeben wird. To avoid moving parts and to improve automation a further embodiment is specified. The embodiment according to the invention works based on the consideration that the feedback factor can be realized by a Voltage divider is synonymous with a multiplication of the output voltage of amplifier 1 with a factor less than one. Hence the output voltage of the amplifier 1 is fed as a factor to a multiplier 15, which the voltage of the sawtooth generator 16 as a second factor, while the product to the non-inverting input of amplifier 1 is given.

Es kann allerdings technisch ungünstig sein, ausschließlich einen Multiplizierer zur Frequenzvariation zu verwenden. Wie im obigen Ausführungsbeispiel gezeigt, wird ß nur um einen sehr geringen Betrag variiert. Würde diese Maßnahme nur mit einem Multiplizierer vorgenommen, so würde dieser nur in einem sehr geringen Bereich ausgesteuert, so daß geringe technisch unvermeidbare Schwankungen des Multiplizierers und des Sägezahngenerators stören würden.However, it can be technically inconvenient to only use one To use multipliers for frequency variation. As in the above embodiment shown, ß is varied only by a very small amount. Would this measure only done with one multiplier, this would only be a very small one Range controlled so that low technically unavoidable Fluctuations the multiplier and the sawtooth generator would interfere.

Daher wird zweckmäßig der größte Teil des Rückkopplungsfaktors durch das Potentiometer 6 (erforderlichenfalls in Reihenschaltung mit den Trimmern 11 und 12) gewonnen. Zu dieser Spannung wird die Ausgangsspannung des Multiplizierers 15 addiert. Therefore, most of the feedback factor is expediently through the potentiometer 6 (if necessary in series with the trimmers 11 and 12) won. The output voltage of the multiplier becomes this voltage 15 added.

Hierzu wird die bekannte Additionsschaltung aus dem Operationsverstärker 17 und den Widerständen 18 und 19 verwendet. Das Verhältnis der Eingangswiderstände 20 und 21 bestimmt das Gewicht, mit dem die Ausgangsspannung des Multiplizierers 15 zur Spannung am Schleifer des Potentiometers 6 addiert wird. Beträgt es beispielsweise 100:1, so geht die Ausgangsspannung des Muliplizierers 15 nur mit 1 % in die gewichtete Addition ein. Somit können Multiplizierer 15 und Sägezahngenerator 16 voll ausgenutzt werden, so daß ihre Schwankungen keine Rolle spielen. Der Sägezahngenerator wird auf beispielsweise 0,1 Hz eingestellt.For this purpose, the known addition circuit from the operational amplifier is used 17 and resistors 18 and 19 are used. The ratio of the input resistances 20 and 21 determines the weight with which the output voltage of the multiplier 15 is added to the voltage on the wiper of the potentiometer 6. Is it for example 100: 1, the output voltage of the multiplier 15 only goes into the weighted one with 1% Addition a. Thus, the multiplier 15 and the sawtooth generator 16 can be fully utilized so that their fluctuations do not matter. The sawtooth generator will set to 0.1 Hz, for example.

Die Ausgangsspannung des Sägezahngenerators 16 wird der Horizontalablenkung des Oszillographen 9 zugeführt, dessen Vertikalablenkung über den Frequenz-Spannungs-Wandler proportional zur Frequenz ist. Der Oszillograph schreibt also die Frequenz als Funktion von ß. Die Skizze zeigt die Einstellung auf den besonders empfindlichen Teil, bei dem die Schwingung abreißt, für den Fall a (Wasser), b (50 % Wasser-Äthylalkohol) und c (reiner Äthylalkohol). Die Funktionen unbekannter Proben lassen sich mit einem Speicheroszillographen leicht mit den Funktionen von Standardproben vergleichen bzw. rechnerisch auswerten. Die Variation des Reihenwiderstandes kann ebenso wie in Fig. 2 erfolgen. An Stelle des Multiplizierers kann beispielsweise auch ein Operationsverstärker mit extern programmierbarer Verstärkung verwendet werden. The output voltage of the sawtooth generator 16 becomes the horizontal deflection of the oscilloscope 9 supplied, its vertical deflection via the frequency-voltage converter is proportional to the frequency. The oscilloscope writes the frequency as a function from ß. The sketch shows the setting for the particularly sensitive part which the oscillation breaks off, for the case a (water), b (50% water-ethyl alcohol) and c (pure ethyl alcohol). The functions of unknown samples can be checked with a Easily compare storage oscilloscopes with the functions of standard samples or evaluate mathematically. The variation of the series resistance can as well as in FIG. 2. Instead of the multiplier, an operational amplifier can also be used, for example with externally programmable gain.

Als Anwendungsmöglichkeiten seien beispielhaft genannt: Prüfung des Alkoholgehalts im Brennereibetrieb, die auch in geschlossenen Gefäßen bzw. in Leitungen ohne Störung des Produktionsvorgangs erfolgen kann, Prüfung des Inhalts von geschlossenen Ampullen in der pharmazeutischen Industrie, Kontrolle des Kondenswassers in Treibstofftanks, des Wassergehaltes von Textilien, Holz und Baustoffen. Durch Ausnutzung des bekannten Temperaturverlaufs der DK von Wasser und Eis sowie des sprunghaften übergangs zwischen beiden Bereichen ergibt sich die Möglichkeit der Überwachung von tiefgekühlten Lebensmitteln sowie der Kontrolle der Eisbildung in Kühlanlagen und der Flugzeugvereisung. Es lassen sich auch für das Auge unsichtbare Flüssigkeitsschichten auf Gläsern nachweisen, die zwar auf Grund ihrer geringen Dicke keinen Einfluß auf die Kapazität, wohl aber auf Grund von Maxwell-Wagner-Relaxation Einfluß auf den Wirkwiderstand haben (Kontrolle des Trocknungsprozesses}. Ebenso läßt sich die Korrosion von Kunststoffen überwachen, wenn sich durch Wasseraufnahme bzw. chemische Änderung deren DK ändert Ebenso bietet sich das Verfahren an zur Kontrolle von Kondensatoren hinsichtlich Kapazität und Verlustfaktor, da sich der Wirkwiderstand durch die Messung von ß, leicht und schnell automatisch messen läßt, also zur Kontrolle einzelner Produktionsschritte und der Endprodukte geeignet ist Das gleiche gilt für die Kontrolle isolierter Wicklungen, die gegeneinander Kapazitäten und Wirkwiderstände besitzen, z.B. in Transformatoren und Tonköpfen Wie weiter oben ausgeführt, wird die Übergangsfunktion durch die Werte des Blind- und Scheinwiderstandes es Kondensators 3 beeinflußt. Die Messung der Übergangsfunktion kann beispielsweise mit einem Transienten-Speicher während einer einzigen Periode der Rechteckschwingung erfolgen, bietet also den Vorteil einer besonders schnellen Messung Mit einem Zweikanal-Transienten-Speicher kann z.B. die Ubergangsfunktion eines Kondensators aus der Produktion mit der eines Meisterstücks verglichen werden. The following are examples of possible applications: Checking the Alcohol content in the distillery, also in closed vessels or in pipes can take place without disrupting the production process, checking the content of closed Ampoules in the pharmaceutical industry, control of condensation in fuel tanks, the water content of textiles, wood and building materials. By taking advantage of the known Temperature profile of the DK of water and ice as well as the abrupt transition between the possibility of both areas arises Monitoring of frozen foods as well as the control of ice formation in refrigeration systems and the aircraft icing. Liquid layers that are invisible to the eye can also be created on glasses which, due to their small thickness, have no effect on the capacity, but probably due to Maxwell-Wagner relaxation influence on the Have effective resistance (control of the drying process). Corrosion Monitor of plastics when due to water absorption or chemical change whose DK changes The procedure for checking capacitors can also be used in terms of capacity and loss factor, since the effective resistance is determined by the measurement of ß, can be measured easily and quickly automatically, i.e. for checking individual items Production steps and the end product is suitable The same goes for control isolated windings that have capacities and resistances to each other, e.g. in transformers and tape heads As explained above, the transition function influenced by the values of the reactance and impedance of the capacitor 3. The measurement of the transition function can be done, for example, with a transient memory take place during a single period of the square wave, so offers the Advantage of a particularly fast measurement With a two-channel transient memory For example, the transition function of a capacitor from production with that of a Masterpiece can be compared.

Die erfindungsgemäß ausgenutzte Abhängigkeit der Übergangsfunktion und damit der Frequenz vom Wirkwiderstand des Kondensators 3 setzt voraus, daß der invertierende Eingang des Verstärkers 1 sehr hochohmig gegenüber dem genannten Wirkwiderstand ist. Sofern diese Bedingung nicht von dem gewählten Verstärker selbst in ausreichendem Maß erfüllt wird, kann die Spannung am Kondensator 3 dem invertierenden Eingang des Verstärkers 1 über eine an sich bekannte Folgeschaltung zugeführt werden. The dependence of the transition function used according to the invention and thus the frequency of the effective resistance of the capacitor 3 assumes that the inverting input of the amplifier 1 has a very high impedance compared to the aforementioned effective resistance is. Unless this condition is sufficient by the chosen amplifier itself Measure is met, the voltage on capacitor 3 can be the inverting input of the amplifier 1 are supplied via a sequence circuit known per se.

Claims

Claims 1. Method for measuring the capacitance of a capacitor, as a capacitive transmitter for distance measurement and / or for measuring the dielectric Properties of the medium in the capacitor is used in which the frequency of the capacitor containing generator is measured, characterized in that an RC square wave generator is used.

2. The method according to claim 1, characterized in that for determining the thickness insulating layers on an insulated metal body on this one grounded Auxiliary electrode is attached, which with the metal body an auxiliary capacitor forms, which is connected in series with the measuring capacitor.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the Voltage across the capacitor measured as a function of time and with that of a masterpiece is compared.

4. Apparatus for carrying out the foregoing methods, thereby characterized in that the output of the amplifier (1) is an ohmic series resistor (2) leads to the inverting input of the amplifier (1) via the capacitor (3) is connected to ground while one is through the series connection of the ohmic resistors (4) and (5) a certain fraction (feedback factor) of the output voltage the non-inverting input of the amplifier (1).

5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the voltage at the capacitor (3) to the inverting input of the amplifier (1) via a per se known voltage follower circuit is supplied.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in, that the frequency as a function of the feedback factor and / or the series resistance (2) is measured and / or represented graphically or evaluated by calculation.

7. Apparatus for carrying out the method according to claim 6, characterized characterized in that on the oscilloscope (9) by means of the frequency-voltage converter (10) the frequency as a function of the voltage on the wiper of the potentiometer (7), at the ends of which the voltage source (8) is shown, which with synchronously connected to the potentiometer (6), which is connected to the trimmers (11) and (12) is connected in series, while the series resistor (2) is connected to the resistors (13) and (14) can be switched.

8. Apparatus for carrying out the method according to claim 6, characterized characterized in that the feedback factor by means of the multiplier (15) and of the sawtooth generator (16) is varied by changing the output voltage of the multiplier (15), the output voltage of the amplifier (1) and the output voltage of the Sawtooth generator (16) obtained as factors, by means of the known per se the amplifier (17) and the resistors (18) and (19) existing addition circuit added weighted in the inverse ratio of resistors (20) and (21) and the non-inverting input of the amplifier (1) is fed while the oscilloscope (9) the frequency as a function of the output voltage by means of the frequency-voltage converter (10) of the sawtooth generator (16).