DE3143114A1

DE3143114A1 - Verfahren und schaltung zur messung von kapazitaeten

Info

Publication number: DE3143114A1
Application number: DE19813143114
Authority: DE
Inventors: John Ernest Glyn Garth Isle of Anglesey Fielden; Robert Goronwy Bangor Gwynedd Lloyd
Original assignee: Mestra AG
Current assignee: Mestra AG
Priority date: 1980-11-07
Filing date: 1981-10-30
Publication date: 1982-07-15
Also published as: DE3143114C2; US4459541A; JPS57131072A

Description

Verfahren und Schaltung zur Messung von Kapazitäten

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Sc-haitung zur Messung von Kapazitäten.

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Es ist ein Verfahren und eine Schaltung zur Messung von Kapazitäten bekannt, die ein Paar von Transistoren aufweist, die von einem stabilen Frequenzoszillator getrieben werden. Die Schaltung arbeitet in der Weise, daß die Transistoren abwechselnd eingeschaltet werden, wobei der eine Transistor so angeordnet ist, daß er die zu messende Kapazität auf eine bekannte Spannung auflädt, während der andere Transistor so angeordnet ist, daß er die Kapazität auf eine Spannung Null entlädt, Der Entladungsstrom wird überwacht, um ein Maß für die Kapazität zu bilden.

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Bei der herkömmlichen Schaltung wird die Frequenz der Ladungs/Entladungs-Folge in Abhängigkeit von der erforderlichen Empfindlichkeit und dem Vermögen der Transistoren gewählt, um die zu messende Kapazität vollständig zu laden und zu entladen. Der Entladungsstrom wird geglättet, indem man einen großen Speicherkondensator verwendet, und der resultierende geglättete Strom wird mit einem vorgegebenen Referenzstrom verglichen, der von einer stabilisierten Stromquelle geliefert wird. ig Jede Differenz zwischen den Strömen wird verstärkt, um ein Ausgangssignal zu liefern, das in der Lage ist, beispielsweise ein Relais zu treiben.

Die herkömmliche Schaltung basiert auf der Gleichung:

I = CVf,

wobei I = Entladungsstrom

C = Kapazität
V-Versörgungsspanriung

f - Frequenz des Ladungs/Entladungszyklus.

Eine genaue Messung der Kapazität kann nur erhalten werden, indem man den Strom überwacht, wenn die Spannung und die Frequenz konstant gehalten werden. Eine Änderung der Spannung kann dadurch kompensiert werden, daß man die Referenzstrom-Spannung abhängig macht. Es ist jedoch schwierig, eine Frequenzkompensation zu erreichen,und somit ist eine Versorgungsquelle stabiler Frequenz erforderlich. Versorgungsquellen stabiler Frequenz, wie z.B. Kristal1oszi11atoren, stehen selbstverständlich zur Verfügung, jedoch sind sie kostspielig und können daher bei vielen Anwendungsfällen nicht verwendet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine genaue und wirtschaftliche Anordnung zur Messung von Kapazitäten anzugeben.

O I I

Ι Gemäß der Erfindung wird eine Schaltung zur Messung der Kapazität eines Schaltungselementes angegeben, die folgende Baugruppen aufweist: Einen Referenzkondensator, eine Schaltungsanordnung zum abwechselnden Laden und Entladen des Schaltungselementes und des Referenzkondensators mit der gleichen Frequenz, wobei das Laden des Schaltungselementes entweder mit dem Laden oder dem Entladen des Referenzkondensators synchronisiert ist, sowie eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen der

IQ Ströme des Schaltungselementes und des Freferenzkondensators, um ein Maß für die Differenz zwischen den Kapazitäten des Schaltungselementes und des Referenzkondensators zu liefern; die Schaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltungselement und der Referenzkonden-

T5 sator von einer gemeinsammen Spannungsquelle geladen werden und daß die Vergleichseinrichtung eine Speicherkondensatorschaltung, die die Ströme erhält, eine Rückkopplungsschaltung, die die von der Speicherkondensatorschaltung gespeicherte Ladung im wesentlichen konstant hält, sowie eine Überwachungseinrichtung aufweist, um den Betrieb der Rückkopplungsschaltung zu überwachen, um die Messung durchzuführen.

Die Verwendung eines Referenzkondensators und die Durchführung eines Vergleichs der Ströme macht die Unterscheidung ihrer Kapazitäten unabhängig von der Stabilität der Versorgungsspannung und der Betriebsfrequenz der Schaltungsanordnung. Wenn die Schaltung so ausgelegt wird, daß die verglichenen Ströme anfangs identisch sind, kann nur eine anschließende Änderung der Kapazität dafür sorgen, daß die verglichenen Ströme aus dem Gleichgewicht herauskommen. Die Genauigkeit der Messung beruht nur auf statischen Komponenten und ist somit unbegrenzt stabi1 .

Die Schaltung spricht auf die Differenz zwischen den beiden Kapazitäten an, nicht auf das Verhältnis ihrer

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] Werte, und Änderungen der Versorgungsspannung und der Frequenz beeinflussen nur die Differenz, nicht die stehende Kapazität des Referenzkondensators. Somit kann eine Zunahme der Kapazität, die prozentual betrachtet klein ist, ohne weiteres aufgelöst werden. Außerdem kann die erforderliche Zuwachsmessung durchgeführt werden, indem man irgendeinen Wert der Referenzkapazitä't innerhalb des gewählten Betriebsbereiches der Schaltung verwendet.

Vorzugsweise besitzt die Schaltungsanordnung zwei Festkörperschal ter, die vom Ausgangssignal eines Oszillators gesteuert sind.

Bei einer Ausführungsform ist der eine Schalter in Reihe mit dem Schaltungselement parallel zur Versorgung geschaltet, und der andere Schalter ist in Reihe mit dem Referenzkondensator parallel zur Versorgung geschaltet. Die Schalter werden so gesteuert, daß sie ihre jeweiligen Kondensatoren gleichzeitig aufladen und sie dann in entsprechende größere Speicherkondensatoren entladen. Die Entladungsströme werden verglichen, indem man Rückkopplungsströme vergleicht, die erforderlich sind, um die Spannung parallel zu den Speicherkondensatoren konstant zu halten.

Bei einer anderen Ausführungsform sind die beiden Schalter in Reihe parallel zur Versorgung geschaltet und so gesteuert, daß sie eine Kapazität auf die Versorgungs-Spannung und die andere Kapazität auf eine feste Spannung proportional zur Versorgungsspannung aufladen. Die eine Kapazität wird dann auf die feste Spannung entladen, und die andere Kapazität wird vollständig entladen. Ein größerer Speicherkondensator ist so angeordnet, daß er von dem einen Entladungsstrom aufgeladen und vom anderen entladen wird. Der erforderliche Strom, um die Spannung parallel zum Speicherkondensator konstant

J 14ό I

-ΙΟΊ zu halten, wird überwacht, um ein Maß für die Differenz zwischen den beiden Entladungsströmen und somit der beiden zu vergleichenden Kapazitäten zu liefern.

Bei den oben angegebenen Ausführungsformen wird die Schaltfrequenz so gewählt, daß das Schaltungselement und der Ref ererrzkondensator vollständig geladen und dann im Laufe jedes Schaltungszyklus vollständig entladen werden.

Gemäß der Erfindung wird auch ein Verfahren zur Messung der Kapazität eines Schaltungselementes angegeben, bei dem das Schaltungselement und ein Referenzkondensator abwechselnd bei der gleichen Frequenz geladen und entladen werden, das Laden des Schaltungselementes entweder mit dem Laden oder dem Entladen des Referenzkondensators synchronisiert wird und die Ströme des Schaltungselementes und des Referenzkondensators verglichen werden, um ein Maß für die Differenz zwischen den Kapazitäten des Schaltungselementes und des Referenzkondensators zu liefern, und ist dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltungselement und der Referenzkondensator von einer gemeinsamen Spannungsquelle geladen werden, daß die Ströme einer Speicherkondensatorschaltung zugeführt werden, daß die von der Speicherkondensatorschaltung gespeicherte Ladung über eine Rückkopplungsschaltung im wesentlichen konstant gehalten wird, und daß der Betrieb der Rückkopplungsschaltung zur Durchführung der Messung überwacht wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

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- li -

Fig. 1 ein Schaltbild zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ein Schaltbild zur Erläuterung einer zweiten 5" Ausführungsform der Erfindung; und in

Fig.- 3 ein Schaltbild zur Erläuterung einer abgewandelten Ausführungsform der Schaltung gemäß Fig. 1 .

10' . '

Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. T wird die Leitung 1 auf einer konstanten Gleichspannung von +V gegenüber der Erdleitung 2 gehalten. Zwischen die Leitungen 1 und 2 sind Umschalter Sl und S2 paralIeIgeschaltet, die synchron mit dem Ausgangssignal eines nicht dargestellten Oszillators betätigt werden, um abwechselnd die Leitung 1 mit den Leitungen 3 bzw. 4 und die Leitungen 3 und 4 mit den Leitungen 5 bzw. 6 zu verbinden. Im ersten Zustand sind die Kondensatoren Cl und C2 para-11 el zur Versorgung geschaltet, und im zweiten Zustand sind die Kondensatoren Cl und C2 parallel zu den Kondensatoren C3 bzw. C4 geschaltet. Die Kondensatoren C3 und C4 haben im wesentlichen gleiche Kapazität, die um ein Vielfaches größer ist als die der Kondensatoren Cl und C2.

Der Kondensator Cl stellt das Schaltungselement dar, dessen Kapazität zu messen ist, während der Kondensator C2 einen Referenzkondensator bildet. Die Kondensatoren Cl und C2 haben im wesentlichen die gleiche Kapazität.

Die nicht-invertierenden Eingänge von ähnlichen Operationsverstärkern Al und A2 sind an die Erdleitung angeschlossen. Die invertierenden Eingänge der Operationsverstärker Al und A2 sind an die Leitungen 5 bzw. 6 angeschlossen. Die Ausgänge der Operationsverstärker Al

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und A2 sind an Ausgangs-Anschlüsse 7 bzw. 8 und über RUckkopplungs-Widerstände Rl und R2 an die Leitungen 5 bzw. 6 angeschlossen.

Die Schalter Sl und S2 arbeiten in der Weise, daß sie gleichzeitig die Kondensatoren Cl und C2 mit der Leitung 1 verbinden, und zwar für eine ausreichende Zeit, die es ermöglicht, daß beide Kondensatoren auf die Spannung +V aufgeladen werden. Dann schalten die Schalter gleichzeitig um, um den Kondensator Cl mit dem Kondensator C3 und den Kondensator C2 mit dem Kondensator C4 zu verbinden. Die Kondensatoren Cl und C2 entladen sich in die Kondensatoren C3 und C4 für eine ausreichende Zeitspanne, die eine vollständige Entladung erlaubt.

Dann schalten die Schalter Sl und S2 zurück, und die Kondensatoren Cl und C2 werden wieder geladen. Dieser Zyklus wird ständig wiederholt.

Die Verstärker Al und A2 halten die Ströme Il Und 12 durch die Widerstände Rl bzw. R2 aufrecht, wobei die Ströme ausreichend sind, um die Spannungen parallel zu den Kondensatoren C3 und C4 im wesentlichen auf Null zu halten. Diese Ströme Il und 12 sind gleich den und tatsächlich die Ströme, die von den Kondensatoren Cl und C2 entladen werden, und somit sind die Ausgangsspannungen Vl und V2, die an den Anschlüssen 7 bzw. 8 auftreten, jeweils Il χ Rl bzw. 12 x. R2. Somit sind die Ausgangsspannungen Vl und V2 exakt proportional zu der Kapazität der Kondensatoren Cl bzw. C2, da die Spannung +V und die Frequenz des Schaltbetriebes für beide Teile der Schaltung die gleichen sind. C3 und C4 haben die gleiche Kapazität, und Rl und R2 haben den gleichen Widerstandswert. Somit sind jegliche Differenzen zwischen den Spannungen Vl und V2 ein Maß für die Differenz zwisehen den Kapazitäten der Kondensatoren Cl und C2.

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] Wenn die Kapazitäten der Kondensatoren Cl und C2 gleich sind, dann gilt Vl = V2. Wenn die Kapazität des Kondensators Cl sich ändert, kann die Änderung gemessen werden, indem man den Wert von Vl beobachtet und ihn mit dem Wert von V2 vergleicht. Beispielsweise kann dieser Vergleich vorgenommen werden, indem man die Ausgänge mit den Eingängen eines Operationsverstärkers A3 verbindet, der dann ein Ausgangssignal liefert, das eine Funktion der Änderung der Kapazität des Kondensators Cl ist.

Dieses Ausgangssignal vom Operationsverstärker A3 kann beispielsweise einem Relais 9 zugeführt werden, das so eingestellt ist, daß es dann arbeitet, wenn das Ausgangssignal vom Operationsverstärker A3 einer vorgegebenen Änderung des Kondensators Cl entspricht, die abge- tastet oder gemessen werden soll. Der Punkt, bei dem das Relais 9 arbeitet, hat eine hohe Stabilität, und die Empfindlichkeit des Systems wird die gleiche für jeden Wert von Cl und C2 sein. Wenn beispielsweise die Verstärkung des Operationsverstärkers A3 so gewählt ist, daß das Relais 9 arbeitet, wenn der Wert von Cl den Wert von C2 um beispielsweise 0,1 pF überschreitet, wird das Relais einschalten, wenn diese Differenz erreicht wird, wenn z.B. C2 den Wert 10 pF hat und CT ursprünglich den Wert 10 pF hatte oder wenn C2 den Wert . 500 pF hat und Cl ursprünglich den Wert 500 pF besaß.

Eine zweite Ausführungsform des Systems ist in Fig. 2 dargestellt. Bauelemente, die den Bauelementen in Fig. 1 entsprechen, haben die gleichen Bezugszeichen.

Die Schalter Sl und S2 sind in Reihe zwischen die Leitungen 1 und 2 geschaltet. Wenn der Schalter Sl die Leitung 3 mit der Leitung 1 verbindet, verbindet der Schalter S2 den Kondensator C2 über die Leitung 4 mit dem Kondensator C3. Wenn der Schalter Sl den Kondensator Cl mit dem Kondensator C3 verbindet, schließt der Schalter S2 den Kondensator C2 kurz. Im ersten Zustand wird

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der Kondensator Cl auf die Spannung +V aufgeladen,und der Kondensator C2 wird auf die Spannung aufgeladen, die parallel zum Kondensator C3 liegt, während im zweiten Zustand sich der Kondensator Cl in den Kondensator C3 entlädt und der Kondensator C2 vollständig entladen wi rd.

Der Kondensator C3 ist an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers A4 angeschlossen, dessen anderer Eingang eine Spannung mit dem Wert + V/2 erhält, die von einem Teiler geliefert wird, der gleiche Widerstände R3 und R4 aufweist. Ein Rückkopplungs-Widerstand R5 ermöglicht es dem Verstärker A4, einen Rückkopplungsstrom zu liefern, um die Spannung parallel zum Kondensa- tor C3 konstant und gleich einem Wert von +V/2 zu halten.

Im Laufe jedes Schaltungszyklus' wird der Kondensator Cl zu Beginn auf eine Spannung von +V aufgeladen, und gleichzeitig wird der Kondensator C2 auf eine Spannung von V/2 aufgeladen. Die Schalter Sl und S2 schalten dann um, und der Kondensator Cl wird auf V/2 entladen und der Kondensator C2 wird auf Erdpotential entladen. Wenn die Kondensatoren Cl und C2 die gleiche Kapazität haben, wird die Energie, die von dem einen entladen wird, gleich der vom anderen entladenen Energie sein, und die Ladung im Kondensator C3 wird unverändert sein. Die Spannung parallel zum Kondensator C3 wird somit auf einem Wert von +V/2 bleiben, es wird kein Strom durch den Rückkopplungs-Widerstand R5 fließen, und der Ausgang des Verstärkers A3 wird auf dem Wert +V/2 bleiben.

Wenn Cl größer als C2 ist, wird C3 mit mehr Energie geladen, als über C2 entladen wird. Der Verstärker A4 spricht in der Weise an, daß er die Spannung parallel zu Kondensator C3 auf dem Wert +V/2 durch eine negative

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Rückkopplung aufrechterhält, wobei die Ausgangsspannung des Verstärkers A4 so abfällt, daß eine Spannungsdifferenz V3 zwischen dem Ausgang und dem +V/2-Eingang auftritt.

Sollte C2 größer als Cl sein, dann wird C3 mit weniger Energie von Cl geladen als sie über den Kondensator Cl entladen wird, und die Ausgangsspannung des Verstärkers A4 steigt an, um eine positive Rückkopplung zu erzeugen.

Die Ausgangsspannung V3 ist eine Funktion der Entladungsströme von Cl und C2 und ist somit ein Maß für die Differenz der Kapazitäten zwischen den Kondensatoren Cl und C2.

Wenn man abtasten oder messen will, wenn sich der Wert des Kondensators Cl ändert, wobei der Wert von C2 festgehalten ist und die Kondensatoren Cl und C2 zu Beginn die gleiche Kapazität haben, dann kann die der Änderung entsprechende Ausgangsspannung V3 verwendet werden, um beispielsweise ein Relais 9 zu betätigen, um anzuzeigen, daß die Änderung erfolgt ist.

Die Schaltung gemäß Fig. 2 ist insofern wirtschaftlicher als die gemäß Fig. 1, da sie nur einen Verstärker erfordert. Dies deswegen, weil bei der Anordnung-gemäß Fig. 2 die Entladungsströme vor der Verstärkung vergleichen werden, während bei der Anordnung gemäß Fig. 1 der Vergleich nach der Verstärkung erfolgt.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist die Stabilität der Schaltung, wenn Cl gleich C2 ist, abhängig von der Stabilität der Widerstände Rl und R2 bei der Anordnung gemäß Fig. 1 bzw. der Stabilität der Widerstände R3 und R4 bei der Anordnung gemäß Fig. 2.

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Wenn diese VJi der stände die gleichen Temperaturkoeffizienten haben, werden die Schaltungen vollständig stabil sein.

Vorzugsweise sind beide Schalter Sl und S2 CMOS-Anordnungen auf dem gleichen Siliziumchip. Beide Schalter werden von derselben Frequenzquelle und in der Weise getrieben, daß sie Umschalter mit Unterbrechung darstellen, um Stromlecks während der Schaltungsübergänge zu eliminieren. Unter Verwendung derartiger Schalter sollte kein statisches Leck auftreten, wenn aber ein kleines Leck vorhanden ist, hebt es sich im ausgeglichenen System auf, wobei dies für sämtliche Temperaturen gel ten sol I .

Wie oben bereits angegeben, haben, wenn Cl = C2 ist, Schwankungen oder Änderungen der Versorgungsspannung oder der Schaltfrequenz keinerlei Konsequenz. Wenn gewünscht ist, die Größe der Differenz zwischen Cl und C2 zu messen, ist der Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal und der Größe der Differenz abhängig von der Spannung und Frequenz, jedoch können diese beiden Parameter leicht überwacht und kontrolliert werden, um eine Stabilität zu liefern, die eine Ablesung von 3 1/2 Stellen (1 Teil von 2000) ermöglicht. Beispielsweise liefert ein billiger Keramikresonator eine adäquate Freuqenzstabilität für die beschriebenen Anordnungen.

Die Schaltfrequenz ist so gewählt, daß die Zeit es jedem Kondensator ermöglicht, eine vollständige Ladung und vollständige Entladung während jedes Schaltungszyklus¹ durchzuführen, der abwechselnd die beiden Kondensatoren mit der gleichen Spannung und mit der gleichen Frequenz lädt bzw. entlädt. Dies gewährleistet, daß jeder der beiden Ströme, die von den beiden Kondensatoren entladen werden, eine perfekte lineare Relation zur Kapazität des jeweiligen Kondensators besitzt.

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] Da sämtliche Messungen gegenüber Erde durchgeführt werden, z.B. ist die Platte des Meßkondensators geerdet, kann es erforderlich sein, in einigen Anwendungsfällen jegliche möglichen Lecks gegenüber Erde zu verhindern, damit die hohe Genauigkeit des Systems aufrechterhalten bleibt.

Somit kann in Anwendungsfällen, wo ein Leck bei der Isolation auftreten kann, die die stromführende Platte

IQ des Kondensators trägt, ein Faraday'scher Käfig verwendet werden, um sämtliche möglichen Lecks aufgrund von Kondensation oder anderen Verunreinigungen zu eliminieren. Zu diesem Zweck kann eine zusätzliche Elektrode geeigneter Gestalt auf der Oberfläche des Isolators angeordnet werden, so daß sie die Meßelektrode gegenüber Erde isoliert, wobei die Elektrode mit einer Spannung beaufschlagt wird, die in Größe und Phase gleich der Spannung ist, die an der Meßelektrode und dem Schutzring anliegt, so daß kein Strom an der Oberfläche des Isolators und somit keine Fehler bei der Messung auftreten. Der Strom kann nun vom Schutzring zur Erde fliessen, jedoch ist die Quelle dieses Stromes vollständig getrennt von der Meßschaltung.

Wie oben beschrieben, ermöglichen es die dargestellten Schaltungen, eine Kapazitätsdifferenz mit einem Grad an Genauigkeit zu messen, die sich bislang nicht erreichen ließ. Wenn es beispielsweise erforderlich ist, eine Zunahme von etwa 5 pF bei einer Kapazität von z.B.

500 pF zu messen, kann eine herkömmliche genaue Präzisionsbrücke verwendet werden, die auf der 10 000 pF-Skala ein Auflösungsvermögen von 0,1% oder 0,01% hat, so daß man 10 pF im ersten Falle oder 1 pF im zweiten Falle unterscheiden kann. Eine Brücke ist aber nur in der Lage, die Zunahme oder das Inkrement in der Gesamtskala aufzulösen und liefert eine Verhältnis-Messung.

Die beschriebenen Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind lineare Anordnungen, keine Verhältnis-Anordnungen. Die lineare Anordnung subtrahiert 4 995 pF und mißt die übrigen 5 pF mit einer Genauigkeit von beispielsweise vier Stellen. Somit ist es möglich, beispielsweise 0,001 pF zu messen. Wie oben bereits erläutert, ist die Subtraktion von 4 995 pF unbegrenzt stabil. Nur das Inkrement von 5 pF unterliegt dem Erfordernis einer stabilen Spannung und Frequenz, und diese können mit akzeptabler Genauigkeit stabilisiert werden.

Wenn die Schaltung als Meßinstrument eingesetzt wird, erhöht die Abhängigkeit von der Frequenz die Flexibilität der Anordnung und ermöglicht eine genaue Eichung bei niedrigen Kapazitätswerten von bekannten Standards hoher Werte.

Die Grundfrequenz der Anordnung kann mit einem Quarzkristall oder einem Keramikresonator fixiert werden, und die Frequenz kann auf irgendein Unter-Vielfaches der Grundfrequenz umgeschaltet werden. Wenn somit die Anordnung eine Teilung hat, daß der volle Skalenausschlag beispielsweise 5 000 pF beträgt, wenn die Schalter mit einer Frequenz F betrieben werden, dann wird sich bei F χ 10 ein voller Skalenausschlag von 500 pF und bei F χ 100 ein voller Skalenausschlag von 50 pF ergeben. Der Strom, der aus der Entladung von beiden Kondensatoren fließt ist exakt proportional zur Anzahl der Zeiten, die sie geladen und entladen werden.

Die oben beschriebenen Schaltungen können bei Kapazitätsanordnungen verwendet werden, um den Pegel zu messen, der von einem flüssigen oder granulatförmigen Material erreicht wird. Beispielsweise kann ein Paar von im Abstand angeordneten Platten oder Stangen eine horizontale Sonde in einer Höhe bilden, von der man wissen will, wenn das flüssige oder granulatförmige Material sie

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erreicht hat. Die Kapazität der Sonde ändert sich, wenn sie von einem Material mit einer anderen Dielektrizitätskonstante gegenüber Luft berührt wird« Die Sonde und ein Verbindungs-Koaxialkabel bilden den Kondensator Cl, der überwacht werden soll, und ein fester Kondensator und/oder ein Doppelkabel bilden den Referenzkondensator C2. Die Zuwachsänderung wird die Änderung der Kapazität des Kondensators Cl aufgrund des die Sonde berührenden Materials sein^und dieses Inkrement kann den Betrieb eines Relais 9 hervorrufen.

Wenn die Sonde im wesentlichen vertikal in einem Behälter angeordnet ist, wird die Kapazität des Kondensators Cl linear zunehmen, wenn das Material in dem Behälter bis zur Sonde hochsteigt. Die Kapazität der Sonde· und des Verbindungskabels, wenn sich das Material auf dem niedrigsten Pegel im Behälter befindet, wird durch die Kapazität des Kondensators C2 ausgeglichen, der ein fester Kondensator und/oder Doppelkabel ist. Das Inkrement oder der Zuwachs ist nun die Differenz zwischen CT und C2, die durch das Material hervorgerufen wird, das vom Bodenpegel, wo Cl = C2 ist, zum oberen Pegel ansteigt, wo Cl größer als C2 ist.

Das System kann bei der Messung veränderlicher physikalischer Größe verwendet werden, z.B. bei Druck, Belastung, Zug, Gewicht oder Relativstellungen, bei denen eine Änderung einer charakteristischen Größe eine proproportionale relative Bewegung von einer Platte eines Kondensators relativ zur anderen Platte bewirkt, welche fest sein kann. Die Kapazität von C2 wird so ausgelegt, daß sie die gleiche wie Cl ist, wenn die Kondensatorplatten sich in einer Ausgangsposition befinden. C2 kann ein fester Kondensator sein, wird jedoch eine- vollständige Duplizierung der Anordnung von CT sein, so daß irgendwelche Effekte von Umgebungsänderungen ausge-

glichen werden. Das zu messende Inkrement ist nun die sich ändernde Kapazität aufgrund der sich ändernden Position einer Kondensatorplatte im Verhältnis zur anderen Kondensatorplatte.

Das System kann auch verwendet werden, um die Dielektrizitätskonstanten von zwei Substanzen zu vergleichen. Bei einer derartigen Anordnung besteht die Kapazität Cl aus einem ersten Kondensator und die Kapazität C2

IQ aus einem zweiten Kondensator von im wesentlichen identischem Aufbau. Wenn sich nur Luft zwischen den Platten der Kondensatoren befindet, ist die Kapazität des Kondensators Cl gleich der Kapazität des Kondensators C2. Wenn dann Substanzen zwischen die Platten der jeweiligen Kondensatoren eingebracht werden, z.B. durch Eintauchen der Kondensatoren in die Substanzen, sind irgendwelche resultierenden Differenzen, die zwischen Cl und C2 beobachtet werden, eine Funktion der Differenz der Dielektrizitätskonstanten dieser Substanzen. Dies kann bei der Prüfung der Reinheit oder einer Qualitätskontrolle der Substanzen verwendet werden. Die Referenzsubstanz der gewünschten Reinheit oder Qualität wird zwischen den Platten des zweiten Kondensators angeordnet, und eine Probe der Substanz, deren Reinheit oder Qualitat untersucht werden soll, wird zwischen den Platten des ersten Kondensators angeordnet. Wenn die beiden Substanzen von gleicher Reinheit oder Qualität sind, werden ihre Dielektrizitätskonstanten gleich sein und Cl und C2 werden gleiche Werte haben, sonst aber nicht.

Beispielsweise kann eine derartige Technik verwendet werden, um festzustellen, ob Flugzeugtreibstoff z.B. mit Wasser verunreinigt worden ist, wenn man den zweiten Kondensator in eine Probe von reinem Treibstoff ei ntaucht.

Die Schaltungen gemäß Fig. 1 oder 2 können in einem Meßinstrument zu Testzwecken oder zur Benutzung im Labor verwendet werden. Zu Beginn werden lange Koaxialkabel

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an die Anschlüsse des Instrumentes angeschlossen, um
die Kapazitäten Cl und C2 zu bilden, die auf gleiche
Werte gebracht werden, indem man geeignete Kabellängen verwendet. Dann wird eine Kapazität, die gemessen werden soll, parallel zu Cl geschaltet und die resultierende Zunahme der Kapazität gemessen.

Nachstehend wird, unter Bezugnahme auf Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform der Schaltung gemäß Fig. 1

beschrieben. Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 enthält
Zusätze zur Basisschaltung gemäß Fig. 1«, um bestimmten Anwendungsfällen Rechnung zu tragen. Bei der Messung
der Dielektrizitätskonstanten von bestimmten Flüssigkeiten oder Festkörpern ist es wünschenswert, wenn man in der Lage ist, jeglichen Fehler aufgrund einer Widerstandskomponente auszuscheiden, die auf einem Schaltungsleck oder irgendeiner leichten Leitfähigkeit der in
der Prüfung befindlichen Substanz beruhen kann.

Die Schaltung gemäß Fig.! ist besonders geeignet, diesem Erfordernis zu genügen. Der in der Prüfung befindliche Kondensator Cl wird auf eine feste Spannungsquelle umgeschaltet und auf diese Spannung vollständig aufgeladen. Er wird somit auf dieser Spannung von der Span-

nungsquelle gehalten, unabhängig von irgendeinem Leckwiderstand, der in Fig. 3 schematisch mit Rx bezeichnet ist. Er wird dann von der Spannunsquelle auf den
Speicherkondensator C3 umgeschaltet, und der resultierende Rückkopplungsstrom ist gleich der im Kondensator Cl gespeicherten Energie.

In der Praxis ist jedoch der Schalter eine Festkörperanordnung, die sich nicht von einem NuI1-Widerstand
auf einen Widerstand mit unbegrenztem Wert ändert; in
Wirklichkeit erfolgt eine Änderung von einigen hundert Ohm auf einige Megohm. Wenn infolgedessen irgendein
Leckstrom aufgrund eines Leckwiderstandes Rx auftritt,

■j Ί 4 ό Ί Ί 4

dann wird ein kleiner Potentialabfal 1 am Schalter in geschlossenem Zustand auftreten. Der Kondensator Cl wird somit auf ein kleineres Potential als die erforderliche feste Spannung aufgeladen.

Die Schaltung gemäß Fig. 3, die nur die eine Hälfte einer vollständigen Schaltung zeigt, wie sich im Vergleich mit Fig. 1 ergibt, ist dahingehend modifiziert worden, daß sie die Ladungsspannung des Kondensators auf einem konstanten Wert hält, indem man die an den Schalter angelegte Spannung einstellt. Dies wird erreicht, indem man zwei Spitzengleichrichter verwendet, von denen nur einer in Fig. 3 dargestellt ist. Die Spitzengleichrichter messen die Spitzenladungsspannung in

!5 den Kondensatoren Cl und C2 und sind an zwei Operationsverstärker angeschlossen, die die Spitzenspannungen in den jeweiligen Kondensatoren mit einer festen Referenzspannung vergleichen. Diese Verstärker liefern die Schalterspannungen und halten die Kondensator-Ladespannung konstant, unabhängig vom Schalterwiderstand.

Fig. 3 zeigt diese zusätzliche Ausführungsform gemäß der' Erfindung. Der Deutlichkeit halber ist nur die eine Hälfte der vollständigen Schaltung dargestellt, während die andere Hälfte identisch aufgebaut ist und auch den Verstärker A3 und die Überwachungseinheit 9 gemäß Fig. 1 enthält.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 3 bezeichnen gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 und 2 identische Baugruppen. Es ist ein weiterer Schalter S3 vorgesehen, der synchron mit dem Schalter Sl betrieben wird, so daß dann, wenn die Leitung 3 über den Schalter Sl an die Leitung 14 angeschlossen ist, die Leitung 3 auch über die Leitung 10 mit der Leitung 12 verbunden und somit an den invertierenden Eingang eines Verstärkers A4 über den Widerstand R3 angeschlossen ist. Diese Konfiguration der

Schaltung bildet eine Spannung auf der Leitung 3 während der Ladungsperiode aus, die gleich der Spannung auf der Leitung 13 ist, wobei letztere an eine feste Referenzspannung angeschlossen ist. Welchen Serienwiderstand der Schalter Sl zum Kondensator Cl mit einem parallel dazu liegenden Leckwiderstand Rx auch haben mag, der Verstärker A4 stellt die Spannung auf der Leitung 14 so ein, daß der Spannung-abfal 1 parallel zur Widerstandskomponente von Sl kompensiert wird, was dazu führt, daß die Spannung, auf welche der Kondensator Cl aufgeladen wird, gleich der Referenzspannung auf der Leitung 13 ist.

Der Widerstand des Schalters S3 ist von geringer Bedeutung und Konsequenz, da der Eingangsstrom zum Verstärker A4 über den Widerstand R3 vernachlässigbar ist. Das parallel zum Verstärker A4 geschaltete Bauelement C5 gewährleistet eine Schaltungsstabilität und wirkt auch als Integrationskondensator, um die Spannungen ^auf den Leitungen 12 und 14 sehr dicht bei ihren Normalwerten zu halten, wenn der Kondensator Cl über die Leitungen 3 und 5 sowie den Schalter Sl zusammen mit den Leitungen 10 und 11 um den Schalter S3 zum Kondensator C3 und dem Meßverstärker Al entladen wird.

Meissner & BoI te Patentanwälte

Claims

Ansprüche

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(l. Verfahren zur Messung der Kapazität eines

Schaltungselementes, bei dem das Schaltungselement und ein Referenzkondensator abwechselnd mit der gleichen Frequenz geladen und entladen werden, das Laden des Schaltungselementes entweder mit dem Laden oder dem Entladen des Referenzkondensators synchronisiert wird, und die Ströme des Schaltungselementes und des Referenzkondensators verglichen werden, um ein Maß der Differenz zwischen den Kapazitäten des Schaltungselementes und des Referenzkondensators zu liefern, dadurch gekennzeichnet, daß das Schal tungsel oniont und tlor Refcron/-kondensator von einer gemeinsamen Spannungsquelle ge-

-z-

laden werden, daß die Ströme einer Speicherkondensatorschaltung zugeführt werden, daß die von der Speicherkondensatorschaltung gespeicherte Ladung über eine Rückkopplungsschaltung im wesentlichen konstant gehalten wird, und daß der Betrieb der Rückkopplungsschaltung zur Durchführung der Messung überwacht wird.
2. Schaltung zur Messung der Kapazität eines Schaltungselementes, mit einem Referanzkondensator, mit einer Schaltungsanordnung zum abwechselnden Laden und Entladen des Schaltungselementes und des Referenzkondensators mit der gleichen Frequenz, wobei das Laden des Schaltungselementes entweder mit dem Laden oder dem Entladen des Referenzkondensators synchronisiert ist, und mit einer Vergleichseinrichtung zum Vergleichen der Ströme des Schaltungselementes und des Referenzkondensators, um eine Messung der Differenz zwischen den Kapazitäten des Schaltungselementes und des Referenzkondensators vorzunehmen, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltungselement (Cl) und der Referenzkondensator (C2) von einer gemeinsamen Spannungsquelle (+V) geladen werden, daß die Vergleichseinrichtung eine Speicherkondensatorschaltung (C3, C4) aufweist, die zur Aufnahme der Ströme angeschlossen j st , daß eine Rückkopplungsschaltung (Al, A2, Rl, R2) vorgesehen ist, um die von der Speicherkondensatorschaltung (C3, C4) gespeicherte Ladung im wesentlichen konstant zu halten, und daß eine Überwachungseinrichtung (A3, 9) vorgesehen ist, um den Betrieb der Rückkopplungsschaltung (Al, A2, Rl, R2) zur Durchführung der Messung zu überwachen .
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung zwei Festkörperschalter (Sl, S2) aufweist, die vom Ausgangssignal eines Oszillators gesteuert sind.

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4. Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch

gekennzeichnet, daß der eine Schalter (Sl) in Reihe mit dem Schaltungselement (Cl) parallel zur gemeinsamen Spannungsquelle (+V) geschaltet ist, daß der andere Schalter (S2) in Reihe mit dem Referenzkondensator (C2) parallel zur gemeinsamen Spannungsquelle (+V) geschaltet ist, daß eine Steuereinrichtung die Schalter (Sl, S2) steuert, um ihre jeweiligen Kondensatoren (Cl, C2) von der gemeinsamen Spannungsquelle (+V) gleichzeitig aufzuladen und sie dann in die jeweiligen Speicherkondensatoren (C3, C4) zu entladen, wobei die Kapazitäten der Speicherkondensatoren (C3, C4) größer sind als die Kapazitäten des Schaltungselementes (Cl) und des Referenzkondensators (C2), und daß eine Vergleichseinrichtung (A3, 9) zum Vergleich der Entladungsströme vorgesehen ist, wobei die den Speicherkondensatoren (C3, C4) zugeführten- Rückkopplungsströme (II, 12) von den jeweiligen Rückkopplungsschaltungen (Rl, R2) verglichen werden, indem sie die Spannungen parallel zu den Speicherkondensatoren (C3, C4) konstant halten.
5. Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch

gekennzeichnet, daß die beiden Schalter (Sl, S2) in Reihe parallel zur gemeinsamen Spannungsquelle (+V) geschaltet sind, daß eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Schalter (Sl, S2) vorgesehen ist, um erst den einen Kondensator (Cl) parallel zur gemeinsamen Spannungsquelle (+V) und den anderen Kondensator (C2) parallel zu einem Speicherkondensator (C3) zu schalten, wobei eine von der gemeinsamen Spannungsquelle (+V) versorgte Rückkopplungsschaltung (A4, R5) vorgesehen ist, um die Spannung über dem Speicherkondensator (C3) auf einer festen Spannung proportional zu der gemeinsamen Spannungsquelle (+V) zu halten, und um dann den einen Kondensator (Cl) parallel zum Speicherkondensator (C3) zu schalten und den anderen Kondensator (C2) vollständig zu entladen, und daß eine Vergleichseinrichtung

ό I

(9) zum Vergleich der Entladungsströme vorgesehen ist, mit der der erforderliche Rückkopplungsstrom überwacht wird, um die Spannung über dem Speicherkondensator (C3) konstant zu halten.
6. Schaltung nach einem der Ansprüche

2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsfrequenz der Schaltungsanordnung (Sl, S2) einen solchen Wert hat, daß das Schaltungselement (Cl) und der Referenzkondensator (C2) vollständig geladen und dann im Laufe jedes Schaltungszyklus' vollständig entladen werden.
7. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung zum Messen der Spitzenladungsspannung im Schaltungselement (Cl) und im Referenzkondensator (C2), durch eine Vergleichseinrichtung zum Vergleich der gemessenen Spitzenladungsspannungen mit einer festen Referenzspannung, und mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung der an die Schaltungsanordnung (Sl, S2) angelegten Spannungen, um die Spitzenladungsspannungen unabhängig von Widerständen der Schaltungsanordnung (Sl, S2) konstant zu halten.
8. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, gekennzeichnet durch einen Faraday'sehen Käfig, bestehend aus einer Scheibe oder einem Ring, der die Meßplatte des Kondensators gegenüber Erde isoliert, indem er von einer Spannungsquelle geringer Impedanz, die von der Meßschaltung isoliert ist, mit einer Spannung versorgt wird, die die gleiche Spannung und Phase wie die am Meßkondensator (Cl) vorhandene Spannung besitzt.
9. Schaltung nach einem der Ansprüche

2 bis 8, gekennzeichnet durch einen Keramikresonator zur Stabilisierung der Betriebsfrequenz der Schal-

-δ-tungsanordnung (Sl, S2).

TO. Schaltung nach einem der Ansprüche

2 bis 9, gekennzeichnet durch einen CMOS Bilateral schalter, der so ausgebildet ist, daß beide Schalter (Sl, S2) auf demselben Siliziumchip angeordnet sind, während der Oszillator und die ihm zugeordneten Schaltungen so aufgebaut sind, daß beide Schalter (Sl, S2) als Umschaltekontakte mit Unterbrechung ausgebildet sind.

Meissner & Bolte

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