DE3490412T

DE3490412T - Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen der Größe einer Kapazität

Info

Publication number: DE3490412T
Application number: DE19843490412
Authority: DE
Inventors: Steven John Elkhart Ind. Carusillo
Original assignee: Johnson Service Co., Milwaukee, Wis.
Priority date: 1983-09-14
Filing date: 1984-06-19
Publication date: 1985-09-05
Also published as: DK208585A; DK208585D0; GB2161280B; CA1222546A; EP0156811B1; WO1985001356A1; SE8502036D0; NO851873L; EP0156811A1; US4558274A; JPS60502227A; NL8420187A; GB8506391D0; GB2161280A; SE8502036L; SE447511B

Description

3AS0/.12

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der elektrischen Messung und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren, die verringerte

Empfindlichkeit für Änderungen der Umgebungstemperatur zeigen und dafür geeignet sind, mittels Zeitfolgesteuerung die Größe oder den Wert einer unbekannten Kapazität zu bestimmen.

In der Elektrotechnik ist es häufig wünschenswert, die Größe oder den Wert eines unbekannten Kondensators zu bestimmen. Für eine solche Bestimmung sind , zahlreiche Verfahren bekannt, beispielsweise dasjenige nach der US-PS 3 824 459, die eine Vorrich-

¹^ tung zum Auffinden der Größe einer Kapazität durch Erzeugung von dafür repräsentativen gezählten Impulsen oder Zählimpulsen beschreibt. Die Zahl der so erzeugten Impulse hängt von der Genauigkeit der bestimmten Werte zweier Widerstände ab. Ein anderes Beispiel findet sich in der US-PS 4 065 715, die eine Schaltung zum gleichzeitigen Aufladen eines Bezugskondensators eines bekannten Werts und eines zweiten Kondensators eines unbekannten Werts beschreibt. Jeder Kondensator ist (dabei) zu seinem eigenen

Widerstand parallelgeschaltet, und die Spannung über jeden Kondensator wird zu einem getrennten Schwellenwertdetektor geleitet. Die Größe der unbekannten Kapazität ist bestimmbar durch Messung des Unterschieds zwischen den zum Triggern des ersten Detektors und den zum Triggern des zweiten Detektors erforderlichen Zeiten.

Noch eine andere Art eines Kapazitätswandlers ist in der US-PS 4 227 419 beschrieben. Die darin beschriebene Schaltung verwendet eine gemeinsame Stromquelle zum Aufladen eines jeden von zwei Kondensatoren, und sie liefert eine Ausgangsimpulsreihe mit positiven und negativen Abschnitten, deren jeweilige

Dauer verglichen wird, um die Größe einer veränderbaren Kapazität in bezug auf eine bekannte, feste Kapazität zu bestimmen. Diese Anordnung verwendet zwei Komparator-Detektorkreise zum Triggern eines Flipflopkreises. Eine andere Schaltung für Kapazitätsmessung ist in der technischen Schrift "Capacitive Humidity Sensor, Technical Information 063", das von der Firma U.S. Philips Corp. veröffentlicht worden sein dürfte, dargestellt und beschrieben. Die in dieser Schrift offenbarte Schaltung benutzt einen frei schwingenden Multivibrator mit einem zweiten, ersterem nachgeführten (slaved) Multivibrator. Diese Taktschaltungen erzeugen für die Kapazitätsbestimmung brauchbare Impulse. Jeder Multivibrator benutzt einengetrennten (eigenen), aber nominell gleichen Triggerspannungspegel und besitzt eine charakteristische zyklische Periode, die vom Wert eines einem bestimmten Multivibrator ausschließlich zugeordneten Widerstands abhängt.

Obgleich sich diese bekannten Vorrichtungen und Verfahren bisher als im allgemeinen zufriedenstellend erwiesen haben, sind sie dennoch mit bestimmten, charakteristischen Nachteilen behaftet. Insbesondere verwenden sie verschiedentlich getrennte Komparatorkreise für Triggerzwecke, getrennte Triggerspannungs-Bezugsquellen und/oder getrennte Widerstandselemente für die Kapazitätsbestimmung. Dem Elektrofachmann ist bekannt, daß bestimmte Eigenschaften der meist deutlich hohen (notably) Umgebungstemperatur die Werte oder Größen dieser Bauteile beeinflussen und zu einer Minderung der Meßgenauigkeit führen können. Eine Vorrichtung und ein Verfahren, die für die Durchführung von Kapazitätsmessungen geeignet sind und die ein einziges, gemeinsames ohmsches Element oder Widerstandselement für Kondensatoraufladung so-

wie eine einzige Spannungsreferenz zum Erzeugen eines Trigger- oder Takt(Steuer)impulses verwenden, würden einen beträchtlichen Fortschritt auf diesem Fachgebiet darstellen. Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung werden als besonders nützlich für die Anwendung auf dem Gebiet von (einfach als "Klimaanlagen" bezeichneten) Beheizungs-, Belüftungsund Klimatisierungsanlagen (HVAC) angesehen, bei denen die Größe der gemessenen Kapazität für relative Luftfeuchtigkeit, Druck, Temperatur oder andere Einflußgrößen repräsentativ ist.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur Kapazitätsmessung, mit denen die Mangel des Stands der Technik vermieden werden.

Eine andere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung

einer Kapazitätsmeßvorrichtung, die ein einziges,

gemeinsames Widerstandselement (ohmsches Element) zur Kondensatoraufladung benutzt.

Noch eine andere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung und eines Verfahrens für Kapazitätsmessung unter Verwendung einer einzigen, gemeinsamen (common) Triggerreferenz zum Erzeugen von für die Durchführung solcher Messungen nützlichen Gleichlauf- oder Taktimpulsen.
30

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zum Bestimmen des Werts eines Kondensators unter Verringerung des Einflusses von Änderungen der Umgebungstemperatur. 35

Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur

Kapazitätsmessung, die sich in vorteilhafter Weise auf eine integrierte Schaltungsanordnung stützen. Diese und weitere Aufgaben der Erfindung ergeben sich noch deutlicher aus der folgenden genauen Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung.

Im allgemeinen enthält eine für die Bestimmung der Größe einer Kapazität bzw. des Werts eines Konden-

¹^ sators zweckmäßige Vorrichtung einen ersten Zweirichtungsschalter zum Leiten eines Ladestroms über ein Widerstandselement zu einem anfänglich erschöpften oder entladenen ersten Kondensator eines bekannten Werts. Der erste Kondensator wird dabei während einer resultierenden ersten Zeitspanne auf das Potential einer Triggerreferenz aufgeladen. Ein zweiter Zweirichtungsschalter dient dazu, einen Ladestrom über dasselbe Widerstandselement zu einem anfänglich erschöpften (depleted) bzw. entladenen zweiten Kondensator zu leiten und diesen während einer resultierenden zweiten Zeitspanne auf das Potential derselben Triggerreferenz aufzuladen. Ein Gerät, etwa ein Oszillograph oder ein Frequenzzähler, wird zur Bestimmung dieser Zeitspannen benutzt, und der Wert des unbekannten zweiten Kondensators kann daraufhin mittels offenbarter Formeln berechnet werden.

Bei einem Verfahren zum Bestimmen des Werts eines Kondensators wird ein Ladestrom über ein Widerstandselement zu einem anfänglich entladenen ersten Kondensator eines bekannten Werts geleitet, um damit diesen Kondensator während einer resultierenden ersten Zeitspanne auf das Potential einer Triggerreferenz aufzuladen. Sodann wird über dasselbe Widerstandselement ein Ladestrom zu einem anfänglich entladenen zweiten Kondensator geleitet, um diesen während einer resul-

3ASG412

tierenden zweiten Zeitspanne auf das Potential der Triggerreferenz aufzuladen. Die Größe bzw. der Wert, des zweiten Kondensators wird hierauf anhand der ersten Zeitspanne, der zweiten Zeitspanne und des Werts des ersten Kondensators berechnet.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2A bis 2H graphische Darstellungen von Spannungsspuren oder -kurven und logischen Signalzuständen, die an bestimmten Punkten

der Schaltung nach Fig. 1 auftreten,

Fig. 3 eine vereinfachte graphische Darstellung des Fehlererzeugungs-Einflusses von Änderungen der Umgebungstemperatur bei der

Kapazitätsmessung und

Fig. 4 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung, in integrierter Schaltkreistechnologie ausgeführt.

Gemäß Fig. 1 weist die erfindungsgemäße Schaltung oder Vorrichtung 10 eine Ladestromquelle 11 mit einem Widerstandselement (ohmsches Element) 13 und mehreren Schaltern 15 auf, wobei jeder Schalter nach Maßgabe von logischen Signalen zwischen einer ersten Offenstellung und einer zweiten Schließstellung umschaltbar ist. Die Schalter 15 sind auf diese Weise ansteuerbar, um sequentiell einen ersten Bezugskondensator 17 einer bekannten Größe und einen zweiten Kondensator 19 einer unbekannten Größe zum. Aufladen der Kondensatoren 17 und 19 auf ein Spannungspoten-

349CK12

tial mit dem Widerstandselement 13 zu verbinden. Eine Spannungsreferenz 21 mit einer vorbestimmten Eingangsspannung erzeugt einen Gleichlauf- oder Takt(Steuer)impuls auf einer Taktleitung 23, wenn das sequentiell erfaßte Ladungspotential jedes Kondensators 17 und 19 der von der Referenz 21 gelieferten vorbestimmten Triggerspannung gleich ist. Ein logisches Netz 25 ist vorgesehen zur Erzeugung der logischen Signale nach Maßgabe des Taktimpulses. Eine Zeitbestimmungseinrichtung 27, beispielsweise ein Oszillograph oder ein Ablauf(frequenz)zähler, kann mit dem logischen Netz 25 gekoppelt sein, um die erste Zeitspanne zu bestimmen, die nötig ist, um den ersten Kondensator 17 aus einem anfänglich entladenen (initially-depleted) Zustand auf das vorbestimmte Potential der Spannungsreferenz 21 aufzuladen. Der Oszillograph kann auch benutzt werden, um die zweite Zeitspanne zu bestimmen, die für das Aufladen des zweiten Kondensators 19 aus seinem anfänglich entladenen Zustand auf das vorbestimmte Potential nötig ist. Die erste Zeitspanne, die zweite Zeitspanne und die Größe bzw. der Wert des Bezugskondensators 17 können sodann zum Berechnen der Größe bzw. des Werts des unbekannten Kondensators 19 anhand offenbarter Formeln benutzt werden. Wahlweise kann anstelle des Oszillographen ein Filternetz 29 zum Filtern eines der logischen Signale auf seinen mittleren Gleichspannungswert, der für die Größe des unbekannten Kondensators 19 repräsentativ ist, benutzt werden. Mit dem ersten Kondensator 17 und dem zweiten Kondensator 19 sind Widerstände 31 bzw. 33 zur Begrenzung des resultierenden oder sich ergebenden Stroms während der Kondensatoraufladung in Reihe geschaltet. Obgleich die bevorzugte Ausführungsform der Schaltungsanordnung 10 in Fig. 4 veranschaulicht

349TÜ412

ist, gemäß welcher die Schalter 15 in Form eines integrierten CMOS-Chips und die Komparatoren 35, 37, 39 und 41 in Form eines einzigen integrierten Chips (Schaltkreises) ausgeführt sind, läßt sich die Arbeitsweise der Schaltung 10 einfacher anhand von Fig. 4 erläutern, in welcher die Schalter 15 als einfache Zweistellungsschalter des herkömmlichen,

mechanischen Typs dargestellt sind.
10

Insbesondere umfaßt die Ladestromquelle 11 eine Quelle 43 für eine Eingangsspannung eines konstanten Potentials und ein mit der Eingangsspannungsquelle 43 in Reihe geschaltetes Widerstandselement 13. In Abhängigkeit von der Stellung der Schalter 15 läßt diese Spannungsquelle 43 einen Ladestrom entweder zum ersten Kondensator 17 oder zum zweiten Kondensator 19 fließen. In bevorzugter Ausführungsform ist das Widerstandselement 13 mit einem Widerstandswert gewählt, der um mehrere hundert Mal größer ist als derjenige von jedem der Strombegrenzungswiderstände 31 und 33; bei der dargestellten Ausführungsform wird ein Widerstandsverhältnis von 470:1 angewandt.

Die Spannungsreferenz umfaßt einen Anschluß 45 zur Eingangsspannungsquelle 43 und einen als UND-Glied ausgeführten Bezugskomparator 35 zur Erzeugung eines Takt(Steuer)impulses auf der Taktleitung 23. Ein Widerstand 47 und ein Kondensator 49 sind vorgesehen zur Einführung einer geringfügigen Zeitverzögerung beim erstmaligen Anfahren (Betriebsbeginn), um die Taktleitung 23 auf einer logischen "0" zu halten, bis alle integrierten Schaltkreiskomponenten einen Gleichgewichtszustand erreicht haben. Der Komparator 35 mißt die Spannungsgröße der Eingangsijpannunqsquc 1 1 ο 43 an seiner ersten Klemme 51 und die Größe der Ladespannung entweder des ersten Kondensators 17 oder des zweiten Kondensators 19 an

34SÜ412

! AO

seiner zweiten Klemme 53, und er erzeugt einen Taktimpuls, sooft die Größe einer Kondensatorladespannung so ansteigt, daß sie derjenigen der Triggerbezugsspannung gleich ist. Bei der dargestellten Ausführungsform beträgt diese Triggerbezugsspannung etwa die Hälfte der Spannungsgröße der Eingangsspannungsquelle 43.

Das logische Netz (die Logikschaltung) 25 enthält bevorzugt einen als integrierter CMOS-Chip bzw. -Schaltkreis ausgeführten J-K-Flipflopkreis 55, der als Kipp-Flipflop ausgeführt ist, indem seine J-K-Eingangsklemmen an die gemeinsame Quelle der Eingangsspannung 43 angeschlossen sind. Das Flipflop 55 weist eine Impulseingangsklemme 57, eine erste logische Ausgangsklemme 59 und eine zweite logische Komplement-Ausgangsklemme 61 auf. Diese Ausgangsklemmen 59 und 61 sind mit einer ersten logischen Torschaltung 39 bzw. einer zweiten logischen Torschaltung 37 verbunden. Da die Eingangsklemmen der logischen Torschaltungen 37, 39 jeweils zusammengeschaltet sind, sind die logischen Zustände der Torschaltungs-Ausgangsklemmen 63 bzw. 65 jeweils dem logischen Zustand der betreffenden Eingangsklemme gleich. Die logischen Torschaltungen 37, 39 und ihre zugeordneten Kondensatoren 67 bzw. 69 gewährleisten eine geringe Zeitverzögerung, um z.B. das gleichzeitige Schließen der Schalter 1 und 2 zu verhindern, welches das Ergebnis der Kapazitätsmessung verderben bzw. beeinträchtigen würde. Die Anordnung dieser Zeitverzögerungs- oder Laufzeitvorrichtungen ist deshalb zweckmäßig, weil ein ohne weiteres (handelsüblich) erhältlicher integrierter UND-Glied-Komparatorschaltkreis vier derartige Komparatoren enthält, jedoch effektiv auch durch Widerstände ersetzt werden könnte. Bei der dargestellten Ausbildung und

340Ό4Ί2

Anordnung bilden das Flipflop 55 und die Ausgänge der logischen Torschaltung eine Anzahl von logischen Leitungen oder Logikleitungen, einschließlich der ° ersten, zweiten, dritten und vierten Logikleitung 71, 73, 75 bzw. 77. Ersichtlicherweise wird die augenblickliche Stellung jedes Schalters durch den jeweils (zu diesem Zeitpunkt) vorliegenden logischen Zustand der zugeordneten Logikleitung bestimmt. Wenn beispielsweise an der Logikleitung 71 eine logische "0" anliegt, befindet sich der mit "1" bezeichnete Schalter, wie dargestellt, in der Offenstellung.

Vor der Beschreibung der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung 10 sollen zunächst verschiedene Schaltungseigenschaften bzw. -charakteristika und angenommene Anfangszustände oder -bedingungen erläutert werden. In bevorzugter Ausführungsform liegt der Innen- oder Eigenwiderstandswert jedes der Schalter 15 in der Größenordnung von 80 Ohm. Weiterhin ist, wie beschrieben, die Größe bzw. der Wert des Widerstandselements 13 wesentlich größer gewählt als die Größe bzw. der Wert jedes der Strombegrenzungswiderstände 31 und 33, deren Größe wiederum wesentlich größer ist als der Innen- oder Eigenwiderstand jedes Schalters. Bezüglich der Anfangsbedingungen oder -zustände sei angenommen, daß die Eingangsspannungsquelle 43 auf einem konstanten Spannungspegel gehalten wird, beispielsweise auf 10 V Gleichspannung, an den Logikleitungen 71 und 77 eine logische "1" anliegt, an den Logikleitungen 73 und 75 eine logische "0" anliegt, der erste Kondensator 17 sich in einem ladungserschöpften bzw. entladenen Zustand von 0 V (Gleichspannung) befindet und der zweite Kondensator 19 auf eine Spannung aufgeladen ist, die nominell der Triggerbezugsspannung des Bezugskomparators 35, z.B. 5 V Gleichspannung, gleich ist.

Unter diesen Anfangsbedingungen und zu einem ersten Zeitpunkt, willkürlich als Nullzeit bezeichnet, beginnt sich der erste Kondensator 17 exponentiell auf die Größe der Eingangsspannungsquelle aufzuladen, und zwar in Übereinstimmung mit einer Zeitkonstante, die sich durch die Formel oder Gleichung TC = C2(Rl + R2 + RSl) darstellen läßt, in welcher RSl für den Widerstandswert des Schalters "1" steht. Gleichzeitig beginnt sich der zweite Kondensator 19 zu entladen, und zwar gemäß einer Zeitkonstante entsprechend der Formel oder Gleichung TD = C3(R3 + RS4), mit RS4 = Widerstandswert des Schalters "4". Im Hinblick auf die angegebenen Widerstandsverhältnisse bestimmt sich

die Ladezeitkonstante des ersten Kondensators 17 nahezu vollständig durch die Größe bzw. den Wert des Widerstandselement 13 (Rl) gemäß der Formel oder Gleichung TC = C2(R1), während sich die Entladezeitkonstante des zweiten Kondensators 19 nahezu ausschließlich durch die Größe bzw. den Wert des zweiten Strombegrenzungswiderstands 33 (R3) gemäß der Formel oder Gleichung TD = C3(R3) bestimmt. Da für die Größe des zweiten Kondensators 19 bekannt ist, daß sie sich allgemein derjenigen des ersten Kondensators 17 nähert, und da der Wert des Widerstandselements 13 wesentlich größer ist als derjenige des zweiten Strombegrenzungswiderstands 33, ist die für das Aufladen des ersten Kondensators 17 nötige Zeit wesentlich größer als die Zeit für das Entladen des

^ou zweiten Kondensators 19, wie dies in den Fig. 2B und 2C dargestellt ist, in denen die Ladekurve 79 für den ersten Kondensator 17 gegen die Entladekurve 81 des zweiten Kondensators 19 unmittelbar im Anschluß an die angegebenen Anfangsbedingungen aufgetragen

ist.

. 34SO412

Der erste Kondensator 17 (C2) lädt sich weiter auf, bis die Spannung an der zweiten Eingangsklemme 53 der Triggerbezugsspannung gleich ist, woraufhin die Komparatortorschaltung 35 ein logisches Signal "1" in Form einer Anstiegsflanke 83 eines Takt(Steuer)impulses gemäß Fig. 2D erzeugt. Die Zeit Tl, die der erste Kondensator 17 bis zum Erreichen einer der Triggerbezugsspannung gleichen Ladung benötigt, läßt sich durch die Formel oder Gleichung Tl = -C2(R1) ln(l/2) gut angenähert wiedergeben. Beim Auftreten der Anstiegsflanke 83 des Taktimpulses werden die logischen Zustände der ersten Ausgangsklemme 59 und der zweiten Ausgangsklemme 61 zum Kippen gebracht (are caused to toggle) bzw. gewechselt, wobei der logische Zustand der ersten Ausgangsklemme 59 von einer logischen "0" auf eine logische "1" und derjenige der zweiten Ausgangsklemme 61 von einer logischen "1" auf eine logische "0" übergeht. Auf das Kippen oder Wechseln hin werden die Schalter "1" und "3" geschlossen und die Schalter "2" und "4" geöffnet, worauf sich der erste Kondensator 17 zu entladen beginnt, wie dies durch den abfallenden Abschnitt der Kurve gemäß Fig. 2B dargestellt ist.

Dies trifft unabhängig davon zu, daß der erste Kondensator 17 immer noch mit dem Widerstandselement 13 verbunden ist, weil dieses Widerstandselement 13 einen Wert besitzt, der erheblich größer ist als derjenige des ersten Strombegrenzungswiderstands 31.

Nach dem oder beim Kippen oder Wechseln wird der zweite Kondensator 19 in einem entladenen Zustand gehalten. Nahezu augenblicklich (gleichzeitig) fällt die Spannung an der zweiten Eingangsklemme 53 unter den Triggerreferenzpegel, und die Ausgangsklemme oder die Taktleitung 23 der Torschaltung 35 geht auf eine logische "0" über, wie dies durch die abfallende Flanke 85 in Fig. 2D dargestellt ist. Es ist darauf

hinzuweisen, daß die scheinbare Zeit für das Entladen des zweiten Kondensators 19, wie im abfallenden Abschnitt der Kurve gemäß Fig. 2C dargestellt, und die in Fig. 2D veranschaulichte Zeitbreite des Takt impulses zu Erläuterungszwecken stark übertrieben dargestellt sind.

Da das Flipflop 55 so ausgelegt ist, daß es nur auf , eine Anstiegsflanke 83 eines Taktimpulses hin kippt, ist die einzige Änderung, die durch das Entladen des ersten Kondensators 17 unter den Triggerreferenzpegel hervorgerufen wird, die, daß der Zustand der Taktleitung 23 auf eine logische "0" wechselt. Die Zustände der Logikleitungen 71, 73 gehen von einer logischen "1" auf eine logische "0" bzw. von einer logischen "0" auf eine logische "1" nach einer kurzen Zeitverzögerung aufgrund der Entladung der beiden Torschaltungskondensatoren 67, 6 9 über, von denen jeweils einer mit jeder logischen Torschaltung 37 bzw. 39 verbunden ist. Bei den beschriebenen Zustandsänderungen der Logikleitungen 71, 73, 75 und 77 sind die Schalter "1" und "4" offen und die Schalter "2" und "3" geschlossen; diese Stellungen bilden das Komplement des vorausgesetzten Anfangszustands. Daraufhin beginnt sich der zweite Kondensator 19 (C3) in Übereinstimmung mit einer Ladezeit T2 aufzuladen, die sich gut angenähert durch die Formel oder Gleichung T2 = -Rl(C3) In(1/2) ausdrücken läßt. Hierauf wiederholt sich der Zyklus.

In den Fig. 2E und 2F sind die jeweiligen logischen Zustände der ersten logischen Klemme 59 und der zweiten logischen Klemme 61 graphisch dargestellt, während die Fig. 2G und 2H in graphischer Darstellung die logischen Zustände der Logikleitungen 71 bzw. 73 veranschaulichen. Eine Betrachtung des Zeitsteuerdiagramms gemäß Fig. 2E zeigt, daß dann, wenn der

IS"

Wert des zweiten Kondensators 19 dem Wert des ersten Kondensators 17 gleich ist, das Signal an der ersten logischen Klemme 59 ein Tastverhältnis D von 50% besitzt, d.h. während äquivalenter Zeitspannen (Tl = T2) den logischen Zustand "0" und den logischen Zustand "1" aufweist. Wenn der Wert des zweiten Kondensators 19 von dem des ersten Kondensators 17 verschieden ist, läßt sich das Tastverhältnis D anhand der Formel D = T2 dividiert durch (Tl + T2) berechnen. Im Anschluß hieran kann der Wert des unbekannten zweiten Kondensators 19 unter Verwendung eines Oszillographen oder eines ähnlichen Geräts zur Zeitmessung berechnet werden.

Wahlweise und anstelle der Verwendung eines Oszillographen kann das logische Signal in seine mittlere
Gleichspannungsgröße umgewandelt werden, indem es durch einen Pufferkomparator 41 und ein Filter aus einem Widerstand 87 und einem Kondensator 89 geleitet wird. Die mittlere (oder durchschnittliche) Gleichspannungsgröße kann dann über die Ausgangsklemmen gemessen werden. Für den Fachmann ist offensichtlich, daß der Wert des Kondensators C2 auch durch an den Ausgangsklemmen erfolgende Freqoenzmessungen bestimmt werden kann, wozu ein Frequenzzähler oder ein Mikroprozessor benutzt wird. Ebenso ist es möglich, an die Taktleitung einen Zähler zum Zählen abwechselnder Impulse anzuschließen. Wenn das mittlere Gleichspannungsausgangssignal für die Kapazitätsmessung benutzt wird, läßt sich die Größe oder der Wert des zweiten Kondensators 19 nach der Formel bzw. Gleichung C3 = (C2)(VAO) : (VI-VAO) berechnen, in welcher VAO die mittlere Ausgangsgleichspannung und VI die Größe des Potentials an der Eingangsspannungsquelle 43 bedeuten. Wenn andererseits zur Kapazitätsmessung die Frequenz herangezogen werden soll, läßt sich der Wert des zweiten Kondensators

19 nach folgender Formel bzw. Gleichung berechnen:

C3 = -C2 +

fRl In 1 - VTR
VI

Darin bedeuten: f = Frequenz in Hz; VTR = Größe der Triggerbezugs- oder -referenzspannung. Kapazitäten sind in pF, Spannungen in V und Widerstandswerte in Ohm angegeben.

Fig. 3 veranschaulicht eine typische Betriebskennlinie 93 für die Vorrichtung 10 und das Verfahren

Ig gemäß der Erfindung. Ein durch Änderungen der Umgebungstemperatur und resultierende Temperaturkoeffizient-Fehlanpassungen hervorgerufener Fehler im Gewinn (gain) würde dabei der Kennlinie 95 entsprechen, während sich ein Null-Fehler durch die Kennlinie 97 darstellen ließe. Für den Fall, daß der volle Skalenbereich des Kondensators 19 in der Größenordnung von 150 - 180 pF liegt, und unter der Voraussetzung einer Verschiebung der Temperatur in der Umgebung um die Vorrichtung 10 von 100⁰F (56°C) hat es sich erwiesen, daß die Vorrichtung 10 und das Verfahren gemäß der Erfindung eine erhebliche Verbesserung der Meßgenauigkeit im Vergleich zu derjenigen bei der Meßvorrichtung nach der eingangs genannten technischen Schrift 063 gewährleisten. Be-

oQ züglich der Fehler aufgrund von Änderungen im Widerstandswert über den angegebenen Temperaturverschiebungsbereich gewährleistet die Vorrichtung nach der eingangs genannten Schrift einen Null-Fehler von etwa + 5% und einen Gewinnfehler von + 1%. Im Gegensatz

„,. dazu gewährleistet die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 einen Nullfehler von weniger als 1% und einen Gewinnfehler (gain error) von weniger als 0,1%. Auf

ähnliche Weise beträgt die resultierende Änderung des Pegels der Eingangsspannungsquelle 43 etwa +_ 3% für Nullfehler und +_ 0,6% für Gewinnfehler bei der Vorrichtung gemäß der eingangs genannten Schrift, während bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 der Null- und der Gewinnfehler nominell 0% betragen.

Die im folgenden angegebenen Bauteilwerte oder -größen haben sich bei der Erfindung als zweckmäßig erwiesen (dabei sind der Widerstand in Ohm, Toleranz 1%, die Kapazität in μ¥, Toleranz 20%, angegeben, soweit nicht anders bezeichnet):

Figur 1	und 4	R2, R3	1 kil
Rl	470 kfl	R5	100 k/I
R4	560 kil , 5%	C3	150 pF, angepaßt an
Cl	0,1		Temp.-Koeff. von C2
C4, C5	0,001	C6	0,01
Ul	4066	U2	4027
U3-U6	4081

Obgleich vorstehend nur ein einziges bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung 10 und des Verfahrens gemäß der Erfindung zur Bestimmung einer Kapazitätsgröße dargestellt und beschrieben sind, soll die Erfindung keineswegs dadurch, sondern nur durch den Umfang der folgenden Patentansprüche begrenzt sein.

Claims

Patentansprüche

^b 1. Elektrische Schaltung zum Bestimmen des Werts eines Kondensators (bzw. der Größe einer Kapazität), gekennzeichnet durch

einen ersten Zweirichtungsschalter zum Leiten eines Ladestroms über ein Widerstandselement zu einem anfänglich entladenen ersten Kondensator eines bekannten Werts, um damit den ersten Kondensator während einer resultierenden ersten Zeit-(spanne) auf das Potential einer Spannungsreferenz aufzuladen,

einen zweiten Zweirichtungsschalter zum Leiten eines Ladestroms über das Widerstandselement zu einem anfänglich entladenen zweiten Kondensator, um damit den zweiten Kondensator während einer resultierenden zweiten Zeit(spanne) auf das genannte Potential aufzuladen, und

eine Einrichtung zur Bestimmung der Zeiten (Zeitspannen ) .
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsreferenz einen Referenzkomparator zur Bestimmung einer Trifferreferenz- oder -bezugsspannung, eine erste Komparator-Eingangsklemme zum Abgreifen einer Spannungsquelle auf einem Potential, eine zweite Eingangsklemme zum sequentiellen Abgreifen des Ladepotentials der Kondensatoren und eine Einrichtung zum Erzeugen eines Gleichlauf- oder Takt(Steuer)impulses, wenn das Ladepotential der Triggerbezugsspannung gleich ist, aufweist.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein logisches (Schaltkreis-)Netz zum Er-

zeugen logischer Signale nach Maßgabe des Taktimpulses vorgesehen ist und daß die Zweirichtungsschalter in Abhängigkeit von den logischen Signalen umschaltbar sind.
4. Schaltung zum Bestimmen des Werts eines Kondensators, gekennzeichnet durch
eine Lade (spannungs)quelle mit einem Widerstandselement,

mehrere Schalter, die jeweils in Abhängigkeit von logischen Signalen zwischen einer ersten Offenstellung und einer zweiten Schließstellung umschaltbar sind, wobei die Schalter dabei ansteuerbar sind, um sequentiell einen ersten Bezugsoder Referenzkondensator eines bekannten Werts und einen zweiten Kondensator zum Aufladen dieser Kondensatoren auf ein Potential mit dem Widerstandselement zu verbinden,

eine Spannungsreferenz zum Bestimmen einer Triggerreferenz- oder -bezugsspannung und zum Erzeugen eines Gleichlauf- oder Takt(Steuer)impulses, wenn das sequentiell abgegriffene oder gemessene Ladepotential der Kondensatoren der Triggerbezugsspannung gleich ist,

ein logisches (Schaltkreis-)Netz zum Erzeugen der logischen Signale in Abhängigkeit vom Taktimpuls und

eine Einrichtung zum Bestimmen einer für das Aufladen des ersten Kondensators aus einem anfänglich entladenen Zustand auf die Triggerbezugsspannung nötigen ersten Zeit und zum Bestimmen einer zum Aufladen des zweiten Kondensators aus einem anfänglich entladenen Zustand auf die Triggerbezugsspannung nötigen zweiten Zeit.

2ο
5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktimpuls eine Anstiegsflanke aufweist und daß die Anzahl der Schalter zwei Schal-

terpaare umfaßt, von denen das eine Paar beim Auftreten der Anstiegsflanke rückstellbar ist, während das andere Paar zu einem auf das Auftreten der Anstiegsflanke folgenden Zeitpunkt

rückstellbar ist.
10
6. Verfahren zum Bestimmen des Werts eines Kondensators (bzw. der Größe einer Kapazität), dadurch gekennzeichnet, daß

ein Ladestrom über ein Widerstandselement zu einem anfänglich entladenen ersten Kondensator eines bekannten Werts geleitet wird, um den ersten Kondensator während einer resultierenden ersten Zeit(spanne) auf das Potential einer Spannungsreferenz aufzuladen,

ein Ladestrom über das Widerstandselement zu einem anfänglich entladenen zweiten Kondensator geleitet wird, um den zweiten Kondensator während einer resultierenden zweiten Zeit(spanne) auf das Potential der Spannungsreferenz aufzuladen, und

der Wert des zweiten Kondensators anhand der ersten Zeit(spanne), der zweiten Zeit(spanne) und des Werts des ersten Kondensators berechnet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsreferenz einen Referenzkomparator zur Bestimmung einer Triggerreferenzoder -bezugsspannung, eine erste Komparator-Eingangsklemme zum Abgreifen einer Spannungsquelle auf einem bekannten Potential, eine zweite Komparator-Eingangsklemme zum sequentiellen Abgreifen des Ladepotentials der Kondensatoren und eine Ein-

_r ·■ 3A90/.12

richtung zum Erzeugen eines Ausgangssignals,
wenn das Ladepotential der Triggerbezugsspannung gleich ist, aufweist.
5
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Berechnungsschritt eine Berechnung des Tastverhältnisses durch Dividieren der ersten Zeit(spanne) durch die Summe aus erster und zweiter Zeit(spanne) vorgenommen wird.
9. Verfahren zum Bestimmen des Werts eines Kondensators, dadurch gekennzeichnet, daß

eine Ladespannungsquelle mit einem mit ihr in Reihe geschalteten Widerstandselement vorgesehen wird,

ein anfänglich entladener Bezugs- oder Referenzkondensator zu einer ersten Zeit an das Widerstandselement angeschaltet wird, um den Referenzkondensator auf eine Bezugs- oder Referenzspannung aufzuladen,

ein erster Gleichlauf- oder Takt(Steuer)impuls erzeugt wird, wenn der Referenzkondensator auf die Referenzspannung aufgeladen ist,

ein anfänglich entladener zweiter Kondensator zu einer zweiten Zeit an das Widerstandselement angeschaltet wird, um den zweiten Kondensator auf die Referenzspannung aufzuladen,
ein zweiter Taktimpuls erzeugt wird, wenn der zweite Kondensator auf die Referenzspannung aufgeladen ist,

die verstrichenen Zeiten zwischen der ersten Zeit und dem ersten Taktimpuls sowie zwischen dem ersten Taktimpuls und dem zweiten Taktimpuls gemessen werden und

r> j n T.Tst. Vp t h.H 1 t η i s anhand liirvwi vot st ι irlii'inui Zeiten bei¹ sehnet wild.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die sequentielle Anschaltung der Kondensatoren an das Widerstandselement über mehrere steuerbar umschaltbare Schalter erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktimpulse jeweils eine Anstiegsund eine Abfallflanke aufweisen und daß die An-Stiegsflanken zur Messung der verstrichenen Zeiten herangezogen werden.
12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschaltungen nach Maßgabe eines Takt(Steuer)impulses erfolgen.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschaltungen nach Maßgabe einer Anstiegsflanke eines Takt(Steuer)impulses erfolgen.
14. Verfahren zum Bestimmen des Werts eines Kondensators, dadurch gekennzeichnet, daß

ein erster, anfänglich entladener Bezugs- oder Referenzkondensator eines bekannten Werts und ein zweiter Kondensator eines unbekannten Werts vorgesehen werden,

eine Ladespannung(squelle) mit einem Widerstandselement zum sequentiellen Aufladen der Kondensatoren auf das Potential einer Spannungsreferenz vorgesehen wird,

eine Spannungsreferenz einer vorbestimmten Triggerreferenzspannung zur Erzeugung eines Gleichlauf- oder Takt ( Steuer ) impulses , wenn das Ladepotential eines der Kondensatoren der Triggerreferenzspannung gleich ist, vorgesehen wird, wobei der Taktimpuls eine Anstiegsflanke aufweist,

ein logisches (Schaltkreis-)Netz zum Erzeugen von logischen Signalen in Abhängigkeit vom Taktimpuls vorgesehen wird,

mehrere Zweirichtungsschalter, die jeweils auf ein logisches Signal ansprechend umschaltbar sind, vorgesehen werden,

ein erster Zweirichtungsschalter zum Anschalten des Referenzkondensators an das Widerstandselement zu einer ersten Zeit geschlossen wird und praktisch gleichzeitig ein vierter Zweirichtungsschalter zum Anschalten des zweiten Kondensators an einen Massepotentialpunkt geschlossen wird,
ein erster Taktimpuls erzeugt wird, wenn das Lade- ° potential des Referenzkondensators der Triggerreferenzspannung gleich ist,

die verstrichene Zeit (Tl) zwischen der ersten Zeit und der Anstiegsflanke des ersten Taktimpulses bestimmt wird,

erste logische Signale in Abhängigkeit von der Anstiegsflanke des ersten Taktimpulses erzeugt werden,

ein dritter Zweirichtungsschalter zum Anschalten des Referenzkondensators an den Massepotentialpunkt geschlossen und praktisch gleichzeitig der vierte Zweirichtungsschalter, jeweils in Abhängigkeit von den ersten logischen Signalen, geöffnet werden,
jeweils in Abhängigkeit von den ersten logischen Signalen der erste Zweirichtungsschalter geöffnet und praktisch gleichzeitig ein zweiter Zweirichtungsschalter geschlossen werden, wobei durch das Schließen des zweiten Schalters der zweite Kondensator mit dem Widerstandselement verbunden wird,

ein zweiter Taktimpuls erzeugt wird, wenn das

Ladepotential des zweiten Kondensators der Triggerreferenzspannung gleich ist, die verstrichene Zeit (T2) zwischen der Anstiegsflanke des ersten Taktimpulses und der Anstiegsflanke des zweiten Taktimpulses bestimmt wird, ein Tastverhältnis (D) nach der Formel oder Gleichung D = T2 : (Tl + T2) berechnet wird und der Wert oder die Größe des zweiten Kondensators nach der Formel oder Gleichung
C3 = (D)(C2) : (1-D) berechnet wird.