DE3519390A1 - Verfahren zur messung von kapazitaeten, insbesondere von kleinen kapazitaeten, unter verwendung zweier referenzen - Google Patents

Verfahren zur messung von kapazitaeten, insbesondere von kleinen kapazitaeten, unter verwendung zweier referenzen

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DE3519390A1 DE19853519390 DE3519390A DE3519390A1 DE 3519390 A1 DE3519390 A1 DE 3519390A1 DE 19853519390 DE19853519390 DE 19853519390 DE 3519390 A DE3519390 A DE 3519390A DE 3519390 A1 DE3519390 A1 DE 3519390A1
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    • G01R27/2605—Measuring capacitance

Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Kapazitäten, insbesondere von kleinen Kapazitäten, in welchem Verfahren eine Meßelektronik eingesetzt wird , zu der ein Meßoszillator gehört, dessen Abgabefrequenz·eine Funktion der an die Eingangspole des die Frequenz des Oszillators bestimmenden Kreises angeschlossenen Kapazität ist und in dem Verfahren zwei mit ihrem elektrischen Wert in den Meßbereich fallende Referenzkapazitäten verwendet werden, die der Reihe nach abwechselnd mit einer zu messenden Kapazität oder mehreren Kapazitäten unter Ausnutzung der Schaltungsanordnung des Meßoszillatoren zusammengeschaltet werden.
Einer der Ausgangspunkte der vorliegenden Erfindung war der Stand der Technik, der z. B. aus den FI-Patenten 54 664 und 57 319 (entsprechende US-Patente 4 295 090 und 4 295 091) der Anmelder in hervorgeht. In den genannten Patentschriften ist ein Verfahren zur Messung von kleinen Kapazitäten und ein in diesem Zusammenhang verwendeter elektronischer Wechselschalter, insbesondere für den Telemetrieeinsatz in Sonden beschrieben.
In Radiosonden werden für verschiedene Parameter , insbesondere bei der Messung von atmosphärischem Druck, Tempera-
tür und/oder Feuchtigkeit, kapazitive Geber verwendet, deren Kapazitätsgröße vom zu messenden Parameter abhängig ist. Die Kapazitäten dieser Geber sind oft verhältnismäßig klein, von wenigen bis zu einigen Dutzend pF oder höchstens ca. 100 pF.
Das Messen von kleinen Kapazitäten ist problematisch u. a. wegen Schwankungen und anderen Störungen. Außerdem weichen die genannten Geber seitens ihrer Eigenschaften in gewissem Maße voneinander ab derart, daß sie z. B. individuelle Nichtlinearitäten und Temperaturabhängigkeiten besitzen.
Bei der Messung insbesondere von Temperatur , Feuchtigkeit oder Druck im Telemetrieeinsatz oder von entsprechenden Größen mit elektrischen oder mechanischelektrischen Gebern ist bekannt, an der Meßelektronik eine oder mehrere Referenzen anzuordnen, die stabil und genau bekannt sind, und daß mit diesen Referenzen die individuellen Eigenschaften des Meßkreises und/oder Gebers und deren zeitliche Veränderungen kompensiert werden können.
In Verbindung mit kapazitiven Gebern wird in an sich bekannter Weise eine Referenzkapazität verwendet, die mit der zu messenden Kapazität abwechselnd an den Meßkreis, im allgemeinen an den die Frequenz des RC-Oszillators bestimmenden Eingangskreis, geschaltet wird. Durch passende Regelung oder auf andere Weise läßt sich die aus der Referenzkapazität hergeleitete Ausgangsgröße des Meßkreises jeweils richtig einstellen.
In an sich bekannter Weise werden Meßkreise mit einer Referenz, insbesondere Brückenschaltungen verwendet, bei denen die Messung jedoch nur dann genau ist, wenn der elektrische Wert der Referenz in Nähe des Geberwertes liegt, z. B. dann, wenn sich die Brücke im Gleichgewicht befindet. Je mehr der Geberwert von der Referenz abweicht, desto größer werden auch verschiedene Fehler, z. B. durch Veränderungen
in der Dynamik des elektronischen Meßkreises verursachte Fehler. Ein Vorteil der Schaltungen mit einer Referenz liegt in der Einfachheit des Meßkreises. Die Grundzüge dieses bekannten Verfahrens werden weiter unten unter Hinweis auf Fig. 1 genauer beschrieben.
Meßanordnungen für zwei oder mehr Referenzen haben den Vorteil, daß ihre Messung auch über einen weiten Meßbereich genau ist, aber der Nachteil liegt in der Kompliziertheit der Konstruktion und der mit der Messung verbundenen Berechnung. Die Grundzüge der Messung mit zwei Referenzen wird weiter unten unter Hinweis auf Fig. 2 genauer beschrieben.
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe , die genannten von der Anmelderin angewendeten bekannten Meßverfahren und -kreise für kleine Kapazitäten, z. B. in Größen von ca. 0-100 pF weiter zu entwickeln derart, daß diese genauer als bisher werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Zwei-Referenz-Meßverfahrens und -Meßkreises, mit dem die früher erforderlich gewesenen komplizierten Berechnungen zur Bestimmung der Kapazitätsmeßergebnisse vermieden werden.
Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Meßverfahrens und einer "selbstregelnden" Meßelektronik, mit denen die den Referenzgebern entsprechenden Ausgangsgrößen unverändert bleiben, selbst wenn die Meßelektronik z. B. wegen Temperaturänderungen oder anderen Umständen kriecht.
Zur Erreichung der angeführten und weiter unten deutlich werdenden Ziele ist für die Erfindung im wesentlichen charakteristisch,
daß in dem Verfahren zwei äußere Hilfsreferenzen verwendet
werden, deren von diesen erhältliche Hilfsreferenzsignale mit entsprechenden aus genannten Referenzkapazitäten abgeleiteten Ausgangssignalen 3er Meßelektronik verglichen werden,
daß die sich aus den genannten Ausgangssignalen und den aus genannten äußeren Hilfsreferenzen kommenden Signalen ergebenden Differenzen darstellende Signale gebildet werden, mit deren Hilfe den Kreis regelnde Rückkopplungssignale gebildet werden, mit denen die Meßelektronik in der Richtung gesteuert wird , daß genannte Differenzsignale oder dergleichen gegen Null oder einen vorher eingestellten Wert gehen, und
daß mit Hilfe der durch die im vorstehenden definierten Verfahrensphasen einregulierten Meßelektronik die Bestimmung des der zu messenden Kapazität entsprechenden Ausgangssignals vorgenommen wird.
Die Ziele der Erfindung werden dadurch erreicht, daß die den von den beiden eigentlichen Kapazitätsreferenzen als Frequenzgang erhältlichen Ausgangsgrößen entsprechenden äußeren. Hilf sref erenzen, die stabil und von der Meßelektronik und deren Kriechen sowie verschiedenen Strömungsquellen unabhängig sind, an den Meßkreis angepaßt werden. Die von diesen Hilfsreferenzen erhältlichen Größen werden mit den aus den eigentlichen Käpazitätsreferenzen hergeleiteten Ausgangsgrößen verglichen und aufgrund der genannten Referenzen werden Differenzsignale gebildet, die teils nach Art eines Standardterms auf die Meßelektronik und teils summierend als gewisser Iterationsprozeß für die Dauer von so vielen Meßzyklen auf die Steigung der Meßelektronik wirken, daß die Differenz zwischen der Kapazitätsreferenz und der äußeren Referenz Null wird oder genügend nahe gegen Null geht.
Am günstigsten erfolgt der genannte Vergleich derart, daß mit dem aus der ersten äußeren Hilfsreferenz hergeleite-
ten Differenzsignal nach Art eines Standardterms auf die Meßelektronik, d. h. auf das Off-set der Meßelektronik, eingewirkt wird. Mit dem aus der zweiten äußeren Hilfsreferenz ■ und der zweiten Kapazitätsreferenz hergeleiteten Differenzsignal wird in der im vorstehenden beschriebenen Weise auf die Steigung der Meßelektronik, z. B. auf deren Verstärkung, eingewirkt. Handelt es sich um einen Meßkreis oder ein Meßverfahren, als dessen Ausgangsgröße eine variierende Frequenz dient, wird mit dem einen genannten Differenzsignal auf die Grundfrequenz der Meßelektronik und mit dem anderen Differenzsignal auf deren Dynamik, d. h. die Frequenzänderung je bestimmte Kapazitatsanderungseinheit eingewirkt.
Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf die Figuren der beigefügten Zeichnung , in denen der Hintergrund der Erfindung und einige günstige Ausführungsbeispiele dargestellt sind, ausführlich beschrieben.
Fig. 1 verdeutlicht die charakteristischen Kurven (gerade) des Ein-Referenzverfahrens im
xy-Koordinatensystem.
Fig. 2 zeigt nach Art von Fig. 1 die charakteristischen Kurven des Zwei-Referenzverfahrens. 25
Fig. 3 zeigt das Meßverfahren und den Meßkreis der Erfindung im Blockschema.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens und des Kreises als Schaltschema.
Fig, 1 verdeutlicht das Ein-Referenzverfahren im xy-Koordinatensystem. Mit Hilfe der Referenz, z. B. Kapazität, deren elektrischer Wert im Mittelbereich des Meßbereichs Xj_ liegt, wird der Punkt xQ, y0 festgelegt, durch den die die
Meßelektronik darstellende Gerade kg läuft. Die Koordinate χ stellt die Aufnahmegröße dar, d. h. in diesem Fall die zu messende Kapazitätsgröße, und y stellt die Ausgangsgröße, d. h. in diesem Fall z. B. die Gleichspannung oder variierende Frequenz, dar. Wegen des Kriechens der Meßelektronik oder anderer Umstände weicht die die Eigenschaften des Systems wiedergebende Gerade jedoch zwischen den durch unterbrochene und strichpunktierte Linie darstellten Beispielgeraden ki und k2 von der Grundgeraden kp ab. Dabei wird der Meßbereich um Χχχη herum innerhalb der zulässigen Grenzen relativ eng.
Fig. 2 verdeutlicht nach Art von Fig. 1 das Zwei-Referenzmeßverfahren, das dieser Erfindung zugrunde liegt. In dem Verfahren kommen zwei Referenzen zur Anwendung, nämlich Referenz 1 und 2, die im Koordinatensystem durch zwei Punkte xl / Yl un<3 X2 / Y2 festgelegt sind, durch welche eine Gerade kn gelegt ist, die die lineare Hauptfunktionsgerade des Systems ist. In der Praxis variieren die charakteristischen Kurven des Systems aufgrund von Temperaturveränderungen und anderen Umstand auf beiden Seiten der Geraden kg zwischen den Kurven f]_ und f2· Dabei läßt sich innerhalb der Fehlergrenzen ein Meßbereich X2 realisieren, der größer als X2 ~ *1 ■ ist. Dadurch wird im Vergleich zum Ein-Referenzmeßverfahren ein wenigstens doppelt so weiter Meßbereich X2 erreicht.
Da nach der im folgenden genauer beschriebenen Erfindung die früher im Zusammenhang mit einem Zwei-Referenzmeßkreis aufgetretenen komplizierten Rechnungsabläufe eliminiert werden können, wird mit der Erfindung ein vorteilhaftes und äußerst einfach zu verwirklichendes Meßverfahren und ein Meßkreis geschaffen, wovon im folgenden unter Hinweis auf Fig. 3 und 4 ein Ausführungsbeispiel beschrieben wird.
Nach Fig. 3 besteht das System aus einer zu messenden
Kapazität (CM) 12 und zwei Referenzkapazitäten 10 und 11 (Cri und CR2). Die Werte zwischen den Referenzkapazitäten 10 und 11 entsprechen den in Fig. 2 dargestellten Punkten X1 und X2, zwischen denen sowie über diese hinaus sich der Meßbereich X2 erstreckt. Zum Meßkreis gehören ein elektronischer Wechselschalter 13 , dessen Steuerkreis 15, und eine Uhr 14, die letzteren steuert. Der Wechselschalter 13 , gesteuert von den· Steuersignalen a, v.\, t2 des Steuer kreises 15, schaltet die zu messende Kapazität CM und die Referenzkapazitäten Cri und Cr2 abwechselnd an die Meßelektronik 16.
Zur Meßelektronik 16 gehört in an sich bekannter Weise z. B. ein RC-Oszillator , an dessen Frequenz bestimmenden Eingangskreis die zu messende Kapazität, die im allgemeinen zwischen 0 und 100 pF liegt, und die Referenzkapazitäten abwechselnd geschaltet werden. Zur Meßelektronik können auch Teiler und andere bekannte Schalteinrichtungen gehören, so daß von der Meßelektronik eine Ausgangsgröße, wie z. B. sich aufgrund des elektrischen Wertes der Kapazitat Cj5 im wesentlichen linear verändernde Gleichspannung oder Frequenz erhältlich ist.
Es wird die Annahme getroffen, daß als Ausgangsgröße der Meßelektronik 16 eine Spannung ϋχ dient. Diese Spannung U]_ wird in den ersten Vergleichskreis 19 und den zweiten Vergleichskreis 20 geleitet. Gemäß vorliegender Erfindung werden im Meßkreis und -verfahren zwei äußere Hilfsreferenzkreise 17 und 18 verwendet. Von diesen Hilfsreferenzen 17, 18 sind z. B. Gleichspannungen Uri und Ur2 erhältlich, die jeweils in ihren eigenen Vergleichskreis 19 und 20 geleitet werden. Die Differenzspannungen AU1 und-*£ü2 der genannten äußeren Hilf sref erenzspannungen UR1 und Ur2 un<3 der Ausgangsspannung U1 der Meßelektronik sind Eingangsspannungen der Vergleichskreise 19 und 20. Die Vergleichskreise 19 und 20
35. werden mit aus dem Steuerkreis 15 des Wechselschalters 13
erhältlichen Steuer Impulsfolgen R1 und R2 gesteuert derart, daß aus den Vergleichskreisen 19 und 20 Ausgangsspannungen Ucl und Uc2 erhalten werden, mit denen über die RC-Kreise 21 und 22 (Niederfrequenzsiebe) die Meßelektronik 16 gesteuert wird.
Die Erfindung ist zweckmäßig derart verwirklicht, daß mit dem ersten Steuersignal Ucl nach Art eines Standardterms auf die Meßelektronik, d. h. das sog. Off-set der Meßelektronik eingewirkt wird. Mit dem zweiten Steuersignal Ucl wird seinerseits die Steigung der Meßelektronik 16, z. B. deren Verstärkung beeinflußt.
Die Steuersignale Ucl und UC2 wirken auf die Meßelektronik in der Richtung, daß die genannten Differenzspannungen 4Ui und -ÄU2 stufenweise abnehmen und dieser Rückkopplungseinfluß wird z. B. zur Steuerung des Wechselschaltersteuerungskreises 15 für die Dauer von so vielen Meßzyklen wiederholt, daß die genannten Differenzspannungen^ U1 und Aü2 stufenweise gegen Null gehen. Wenn die genannten Differenzspannungen Au1 und ÄÜ2 eine genügende Nähe des Nullpunktes erreicht haben, ist die Meßelektronik 16 "eingestellt". Damit schaltet der Wechselschalter 13 unter Steuerung durch seinen Steuerkreis 15 die zu messende Kapazität 12 an die Meßelektronik.
Gleichzeitig wird mit dem Steuerkreis 15 des Wechselschalters 13 ein Haltekreis 23 oder eine ähnliche Komponente gesteuert, so daß das Abgabesignal U1 der Meßelektronik 16 als solches oder in geeigneter Form skaliert zum Ausgangssignal Uout wird.
Fig. 4 zeigt als Schaltschema eine für die Praxis ausgeführte Schaltung, die eine Meßelektronik für kleine kapazitive Geber (0-100 pF) darstellt. Die Meßfrequenz beträgt ca. 100 kHz, die als solche nicht behandelt, sondern
in Kreisen 25 und 26 genügend klein aufgeteilt ist, damit Verzögerungen von Pforten und anderem und deren Veränderungen nicht das Meßergebnis beeinflussen. Bezüglich der Konstruktion und Funktion des in der Schaltung als wesentlicher Bestandteil verwendeten Multicap-Kreises 27, der ein speziell für die Messung kapazitiver Geber patentierter Spezialkreis ist, wird auf die genannten FI-Patente 57 664 und 57 319 (entsprechende US-Patente 4 295 090 und 4 295 091) verwiesen. Die Größe, die kontrolliert wird, ist dip Zeit. Als Hilfsreferenz dient die Zeit, die aus dem Kristalloszillator 24 und weiter aus dem Stecker 3 der integrierten Schaltung 25 des Verteilers erhalten wird. Die Nullung erfolgt etwas später (Einser von Stecker 3 und 6). Eine zweite Hilfsreferenz ist nicht erforderlich, weil mit den Referenzen Cr1 und verschiedene- Teilermengen abgenommen wurden.
Den Vergleich der Zeitdifferenzen führen Pforten 31 und 32 aus. Die Pforten 31 und 32 sorgen dafür, daß die Korrekturströme auf die Spannungen der 47 nF Kondensatoren C1 nur einwirken , wenn die Referenzen Cr1 und Cr2 gemessen werden. Das Ausgangssignal Uout ist in der Schaltung nach Fig. 4 ein Frequenzburst, dessen Frequenz Information über die elektrische Größe der zu messenden Geber kapazität C1^ enthält. Der Ausgang kann ebenso geschaltet werden, wie bei den Referenzen Cr1 und Cr2 verfahren wurde, womit ein Impuls erhalten wird, dessen Breite (Dauer der Halbperiode) Information über den elektrischen Wert der Geberkapazität enthält.
Mit der Schaltung nach Fig. 4 kann die Menge der Frequenzburstimpulse gezählt werden oder mit geringen Änderungen ist ein Burst erhältlich, der um eine Impulsmenge, die dem Wert der zweiten Referenz CRl; Cr2 entspricht, verkleinert wurde. Die letztgenannten Ausführungsalternativen erfordern keinen Kristalloszillator , da die Impulsmengen qualitätslose Zahlen sind.
- Leerseite -

Claims (10)

VOSSIUS · VOSSIUS -TAuiCH til ER ^H EUNEMANN ■ RAUH PATENTANWÄLTE SI EB ERTSTRASS E A- · SOOO MÜNCHEN 86 · PHONE: (O89) 4-7 4O7J _ -" _ CABLE: BENZOLPATENT MÖNCHEN'· TELEX 5-29453 VOPATjpü 1 9 3 D U.Z.: T 824 Case: FI 842193 30. Mai 1985 Vaisala Oy Helsinki, Finnland . Verfahren zur Messung von Kapazitäten/ insbesondere von kleinen Kapazitäten, unter Verwendung zweier Referenzen Patentansprüche
1. Verfahren zur'Messung von Kapazitäten, insbesondere von kleinen Kapazitäten, in welchem Verfahren eine Meßelektronik (16) eingesetzt wird, zu der ein Meßoszillator gehört, dessen Abgabefrequenz eine Funktion der an die Eingängspole des die Frequenz des Oszillators bestimmenden Kreises angeschlossenen Kapazität ist und in dem Verfahren zwei mit ihrem elektrischen Wert (χχ , X2) in den Meßbereich (X2) fallende Referenzkapazitäten (CRx, CR2) verwendet werden, die der Reihe nach abwechselnd mit einer zu messenden Kapazität (CM) oder mehreren Kapazitäten unter Ausnutzung der Schaltungsanordnung (13, 14, 15) des Meßoszillatoren zusammengeschaltet werden, dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Verfahren zwei äußere Hilfsreferenzen (R^, R2) verwendet werden, deren von diesen erhältliche Hilfsreferenzsignale (URx, ür2) mit entsprechenden, aus genannten Referenzkapazitäten (CRi, Cr2) abgeleiteten Ausgangssignalen (ϋχ) der Meßelektronik verglichen werden,
daß die sich aus den genannten Ausgangssignalen (U1) und den aus genannten äußeren Hilfsreferenzen kommenden Signalen (UR1/ Ur2) ergebenden Differenzen darstellende Signale (dUi, Δϋ2) gebildet werden, mit deren Hilfe den Kreis (16) regelnde
Rückkopplungssignale (Ucl, uC2) gebildet werden, mit denen die Meßelektronik (16) in der Richtung gesteuert wird, daß genannte Differenzsignale (4U1, Δν2) oder dergleichen gegen Null oder einen vorher eingestellten Wert gehen, und
daß mit Hilfe der durch die im vorstehenden definierten Verfahrensphasen einregulierten Meßelektronik (16) die Bestimmung des der zu messenden Kapazität (C^) entsprechenden Ausgangssignals (U1, Uout) vorgenommen wird.
10
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß genannte Differenzsignale (Au1^ Ü2) für die Dauer mehrerer und so vieler Meßzyklen gebildet werden, daß die Differenzsignale (AU1, Λ U2) stufenweise gegen oder genügend nahe Null gehen, wonach die Bestimmung der der zu messenden Kapazität (Cm) entsprechenden Ausgangsgröße (U1, UOut) durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, 20
daß mit dem aufgrund des einen genannten Differenzsignals (AU1) im Vergleicher (19) oder dergleichen gebildeten Regelungssignal (Ucl) der Standardterm, d. h. das sog. Off-set der Meßelektronik gesteuert wird,
25
daß mit dem aufgrund des anderen Differenzsignals {AU2) z. B. aus dem Vergleicher (20) erhältlichen Regelungssignal (UC2) die Steigung der Meßelektronik (16), z. B. die Verstärkung der Meßelektronik (16), gesteuert wird, und
30
daß genannte Regelung summierend als Iterationsprozeß über so viele Meßzyklen durchgeführt wird, daß die die Differenz zwischen den Kapazitätsreferenzen (CR1, Cr2) und den äußeren Referenzen (R1, R2) darstellenden Größen Null werden oder die Größe der eingestellten Konstante erreichen.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, in dem die zu messende Kapazität ".(C11) und beide Referenzkapazitäten (Cri Cr2) mit Hilfe eines Wechselschalters (13) abwechselnd an die Meßelektronik (16) geschaltet werden, und in dem Verfahren der genannte Wechselschalter (13) mit einem Wechselschalter-Steuerungskreis (15) , den eine Uhr (14) steuert, gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem einen (x±) der die Referenzkapazitäten (CR1, Cr2) des Steuer kreises (15) des Wechselschalters (13) schaltenden Steuersignale [r±, Z2) > äer eine Vergleicher (19) und mit dem anderen (r2) der andere Vergleicher (20) gesteuert wird.
5. Verfahren nach .Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßfrequenz eine Grundfrequenz in der Größe von ca. 100 kHz verwendet wird, die mit Teilern (25, 26) so weit herabgesetzt wird, daß die Verzögerungen von Pforten usw. und deren Veränderungen das Meßergebnis nicht störend, beeinflussen.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangssignal (Cou-t) des Kreises Gleichspannung dient.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangssignal des das Verfahren anwendenden Kreises ein Frequenzburst dient, dessen Frequenz Information über die Größe der zu messenden Geberkapazität (CM)- enthält.
8. Verfahren nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet, daß in dem Verfahren die Impulsmenge des Frequenzburstes gezählt wird , wobei das Ergebnis der Zählung als Maß der zu messenden Kapazität (CM) verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß von der Impulsmenge des genannten Frequenzburstes die dem Wert der einen Referenz entsprechende Impulsmenge abgezogen wird und das so erhaltene Rechnungsergebnis zur Bestimmung der zu messenden Kapazität genutzt wird.
10. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche bis 9 oder einer diesem Verfahren arbeitenden Anordnung in der Radiosondentelemetrie bei der Messung von atmosphärischem Druck, Temperatur und/oder Feuchtigkeit.
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