DE4103433A1 - MEASURING CIRCUIT FOR SMALL CAPACITIES - Google Patents
MEASURING CIRCUIT FOR SMALL CAPACITIESInfo
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- G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Messen von kleinen Kapazitäten, bestehend aus einem Oszillator, wie LC- oder RC-Oszillator, dessen Ausgangsfrequenz eine Funktion der zwischen Eingangspol des Oszillators und Erde zu schaltenden zu messenden Kapazität ist, und an dessen Eingangspol abwech selnd zu messende Kapazitäten geschaltet werden.The invention relates to a circuit for measuring small capacities consisting of an oscillator, such as LC or RC oscillator whose output frequency is a function of to be switched between the input pole of the oscillator and earth capacitance to be measured, and alternate at its input pole capacities to be measured are switched.
Es sind mehrere verschiedene Oszillatorschaltungen be kannt, die einen LC- oder RC-Kreis beinhalten, der die Fre quenz beeinflußt. Diese Oszillatorschaltungen werden in an sich bekannter Weise zur Kapazitätsmessung verwendet, weil aus der Oszillatorfrequenz unter Verwendung der Berechnungs formeln der jeweiligen Oszillatorschaltung die Kapazität bestimmt werden kann, wenn die Werte der übrigen Komponenten der Schaltung bekannt sind.There are several different oscillator circuits knows that contain an LC or RC circuit that the Fre quenz influenced. These oscillator circuits are in on known way used for capacity measurement because from the oscillator frequency using the calculation formulate the capacitance of the respective oscillator circuit can be determined if the values of the other components the circuit are known.
Außerdem sind verschiedene LC- und RC-Oszillatoren be kannt, bei denen ein Pol der Kapazität C an Erde gelegt ist. Bei der Messung von kleinen Kapazitäten mit letztgenannten Schaltungen besteht jedoch ein Nachteil und Problem darin, daß sich verschiedene unbeherrschte Streukapazitäten mit der genannten Kapazität C des Meßoszillators parallelschalten, worunter die Meßgenauigkeit leidet. Diese Probleme werden umso größer je kleiner die zu messenden Kapazitäten werden. There are also various LC and RC oscillators knows, in which a pole of the capacitance C is grounded. When measuring small capacities with the latter Circuits, however, is a disadvantage and problem that various uncontrolled stray capacities with the connect the mentioned capacitance C of the measuring oscillator in parallel, what the measurement accuracy suffers from. These problems will be the smaller the capacities to be measured, the larger.
Das Messen kleiner Kapazitäten ist ziemlich verbreitet
in der Gebertechnik und Telemetrik, wie z. B. in Radiosonden,
in denen zum Messen von meteorologischen Größen verschiedene
kapazitive Geber verwendet werden, deren Kapazität verhält
nismäßig klein ist und typischerweise im Bereich 1-100 pF
liegt. Hinsichtlich dieser bekannten Meßverfahren und Schal
tungen wird auf folgende Patente der Anmelderin hingewiesen:
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
die im vorstehenden genannten Nachteile zu vermeiden und eine
Meßoszillatorschaltung zu schaffen, die sich gut zur Messung
von kleinen Kapazitäten und auch für solche Meßanordnungen
eignet, in denen ein Wechselschalter verwendet wird, mit dem
verschiedene Geberkapazitäten und Referenzkapazitäten der
Reihe nach in geeigneter Meßsequenz an den Eingang eines
Meßoszillators geschaltet werden.Measuring small capacities is quite common in encoder technology and telemetry, such as B. in radio probes in which various capacitive sensors are used to measure meteorological variables, the capacity of which is relatively small and is typically in the range 1-100 pF. With regard to these known measuring methods and circuits, reference is made to the following patents by the applicant:
The present invention has for its object to avoid the disadvantages mentioned above and to provide a measuring oscillator circuit which is well suited for measuring small capacitances and also for those measuring arrangements in which a two-way switch is used with which different encoder capacitances and reference capacitances are used Can be connected in sequence in a suitable measuring sequence to the input of a measuring oscillator.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, einen Meß oszillator zu schaffen, mit dem kleine Kapazitäten, vorzugs weise in der Größenordnung 0-100 pF, genauer als bisher ohne störenden Einfluß von Streukapazitäten und dergleichen gemes sen werden können.The present invention has the task of a measurement To create an oscillator with small capacities, preferred wise in the order of 0-100 pF, more precisely than before without disturbing influence of stray capacities and the like measured can be sen.
Eine spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung be steht darin, eine Meßschaltung zu schaffen, die sich zur Verwendung in Radiosonden an meteorologischen Größen messen den kapazitiven Gebern eignet.A specific object of the present invention be is to create a measuring circuit that is for Measure use in radio probes on meteorological parameters capacitive sensors.
Um die im vorstehenden erwähnten und weiter unten deut
lich werdenden Ziele zu erreichen, ist für die Erfindung im
wesentlichen charakteristisch,
daß die hinsichtlich der zur Messung zwischen Oszillatorein
gangspol und Erde zu schaltenden Kapazität übrigen zu messen
den Kapazitäten mit dem einen Pol an eine gemeinsame Leitung
für die zu messenden Kapazitäten und mit dem anderen Pol an
den Ausgang eines Spannungsbeobachters geschaltet werden,
daß der Eingang des genannten Spannungsbeobachters an den
Eingangspol der Oszillatorschaltung geschaltet ist, und
daß als genannter Spannungsbeobachter ein Operationsverstär
ker dient, dessen Ausgang an seinen invertierenden Eingang
geschaltet ist, an den Kapazitäten, die zur Messung nicht an
der Reihe sind, geschaltet sind derart, daß an deren Polen
keine Spannungsdifferenzen und somit auch keine Ladeströme
auftreten.In order to achieve the objectives mentioned above and which will become clear below, it is essentially characteristic of the invention that
that the remaining capacitance to be measured with regard to the capacitance to be switched between the oscillator input pole and earth are connected to the capacitances with one pole to a common line for the capacitances to be measured and with the other pole to the output of a voltage monitor,
that the input of said voltage monitor is connected to the input pole of the oscillator circuit, and
that an operational amplifier serves as said voltage observer, the output of which is connected to its inverting input, to the capacitances which are not in series for measurement, are switched such that no voltage differences and thus no charging currents occur at their poles.
Wenn erfindungsgemäß der Eingang des Spannungsbeobach ters, zweckmäßig der Eingang eines Operationsverstärkers, an die Pole derjenigen Kapazitäten geschaltet wird, die zur Messung nicht an der Reihe sind, sind die Gegenpole dieser Kapazitäten potentialgleich, so daß in der Schaltung keine Ladeströme der betreffenden Kapazitäten auftreten, die die Ausgangsfrequenz des Meßoszillators beeinflussen würden. In der Schaltung können im Rahmen der Eigenschaften des als Span nungsbeobachter dienen Operationsverstärkers oder einer ähn lichen Vorrichtung verschiedene Streukapazitäten und DC-Leck ströme auftreten.If, according to the invention, the input of the voltage monitor ters, expediently the input of an operational amplifier the poles of those capacities are switched, which for Measurement are not your turn, these are the opposite poles Capacities equipotential, so that none in the circuit Charging currents of the relevant capacities occur that the Output frequency of the measuring oscillator would affect. In the circuit can, within the properties of the as span voltage observers are used for operational amplifiers or the like Lichen device different stray capacities and DC leak currents occur.
Bei der Anwendung der Erfindung können auch auf der Seite der gemeinsamen Leitung zwischen den zu messenden Kapa zitäten und dem Eingang des Meßoszillators Streukapazitäten auftreten. Die Wirkung dieser Streukapazitäten kann elimi niert werden, indem diese Leitung mit einem Schutzmantel ver versehen wird, der an den Ausgang des Spannungsbeobachters gelegt wird. Hinsichtlich des genannten Schutzes können im übrigen die Prinzipien angewandt werden, die in der FI-Patent anmeldung Nr. beschrieben sind. When applying the invention can also on the Side of the common line between the Kapa to be measured capacities and the input of the measuring oscillator stray capacitances occur. The effect of these stray capacities can be elimi be nated by ver this line with a protective jacket is provided to the output of the voltage monitor is placed. With regard to the protection mentioned remaining the principles applied in the FI patent registration no.
Die erfindungsgemäße Schaltung ist im allgemeinen am vorteilhaftesten, wenn als Meßoszillator ein Sinusoszillator dient, weil dann der Geschwindigkeitsanspruch des Spannungs beobachters am geringsten ist. Der Verstärker des Spannungs beobachters muß ausreichend verstärken, weil die Amplitude sonst im Ausgang kleiner bleibt als im Eingang und dabei die Streukapazitäten beginnen, die Meßgenauigkeit nachteilig zu beeinflussen.The circuit according to the invention is generally on most advantageous if a sine wave oscillator serves because then the voltage's demand for speed is the least observer. The amplifier of the voltage observer must amplify sufficiently because the amplitude otherwise it remains smaller in the exit than in the entrance and the Stray capacities begin to adversely affect the measurement accuracy influence.
Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf eini ge in den Figuren der beigefügten Zeichnung gezeigte Ausfüh rungsbeispiele, auf deren Einzelheiten die Erfindung jedoch in keiner Weise begrenzt ist, ausführlich beschrieben.In the following the invention with reference to a Execution shown in the figures of the accompanying drawing tion examples, the details of which, however, the invention is in no way limited.
Fig. 1 zeigt eine Oszillatorschaltung vom Stand der Technik, die Ausgangspunkt der Erfindung ist. Fig. 1 shows an oscillator circuit from the prior art, which is the starting point of the invention.
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Meßoszillator schaltung, mit der drei kleine Kapazitäten gemessen werden, die der Reihe nach an den Eingang des Meßoszillators geschaltet werden. Fig. 2 shows a measuring oscillator circuit according to the invention, with which three small capacitances are measured, which are connected in turn to the input of the measuring oscillator.
In Fig. 1 ist ein an sich bekannter RC-Oszillator gezeigt, in dem ein Inverter 10 mit Hysteresecharakter ver wendet wird. Hinsichtlich dieser Schaltung und deren Anwen dung zur Messung von kleinen Kapazitäten und bezüglich der Sondentelemetrie wird auf die FI- Patentschriften Nr. 54 664 und 57 319 sowie die US-Patentschriften Nr. 42 95 090 und 42 95 091 der Anmelderin hingewiesen. Im Eingangspol 16 des Oszillators nach Fig. 1 und somit in den C-Polen des Kondensa tors wirkt hinsichtlich der Erde eine Spannung Uo(t), deren Wellenform bei Fig. 1 aufgetragen ist.In Fig. 1, a known RC oscillator is shown, in which an inverter 10 with hysteresis character is used ver. With regard to this circuit and its application for measuring small capacitances and with respect to probe telemetry, reference is made to FI Patent Nos. 54 664 and 57 319 and US Pat. Nos. 42 95 090 and 42 95 091 by the applicant. In the input pole 16 of the oscillator according to FIG. 1 and thus in the C poles of the capacitor, a voltage U o (t) acts with respect to the earth, the waveform of which is plotted in FIG. 1.
Die Kurve der Spannung Uo(t) setzt sich aus Teilen des Kondensators C und der Entlade- und Ladekurven der zu diesem parallelgeschalteten Streukapazität CH zusammen, deren Zeit konstante to = 1/R (C+CH). Von den Ausgangspolen 18 der Oszil latorschaltung nach Fig. 1 ist eine rechtwinklige Welle U1(t) erhältlich, deren Frequenz fo = 1/T eine Funktion der in der Schaltung zwischen Eingangspol 16 der Oszillatorschaltung und Erde vorhandenen Kapazität C+CH ist.The curve of the voltage U o (t) is composed of parts of the capacitor C and the discharge and charge curves of the stray capacitance C H connected in parallel with it, the time of which is constant t o = 1 / R (C + C H ). From the output poles 18 of the oscillator circuit according to FIG. 1, a rectangular wave U 1 (t) is available, the frequency f o = 1 / T of which is a function of the capacitance C + C H present in the circuit between the input pole 16 of the oscillator circuit and earth .
Wie aus dem vorher gesagten deutlich wird, wirken die Streukapazitäten CH direkt auf die Ausgangsfrequenz fo der Oszillatorschaltung, was die Meßgenauigkeit der Messung klei ner Kapazitäten verdirbt. Diese Probleme werden noch deutli cher, wenn an der Eingangsseite der Schaltung nach Fig. 1 ein an sich bekannter Wechselschalter angebracht wird, über den einzelne kapazitive Geber und Referenzkapazitäten der Reihe nach an einen Meßoszillator geschaltet werden, dessen Aus gangsfrequenz eine Funktion fo = F(CM) der zu messenden Kapa zität CM ist.As is clear from the foregoing, the stray capacitances C H act directly on the output frequency f o of the oscillator circuit, which spoils the measurement accuracy of the measurement of small capacitances. These problems become clearer if a changeover switch known per se is attached to the input side of the circuit according to FIG. 1, via which individual capacitive sensors and reference capacitances are switched in sequence to a measuring oscillator whose output frequency is a function f o = F (C M ) of the capacitance C M to be measured.
In Fig. 2 ist ein Beispiel der erfindungsgemäßen Meß schaltung dargestellt, mit der die beschriebenen Probleme gelöst werden.In Fig. 2 an example of the measuring circuit according to the invention is shown with which the problems described are solved.
Die Schaltung nach Fig. 2 besteht aus den Kapazitäten C₁, C₂ und C₃, von denen z. B. C₁ eine genau bekannte Referenz kapazität ist und C2 sowie C3 zu messende Kapazitäten sind, z. B. Druck (P), Temperatur (T) und/oder relative Feuchte (U) messende Geber einer Radiosonde. Die einen Pole der Kapazitä ten C₁, C₂ und C₃ sind zusammengeschaltet und gemeinsam über die Leitung 19 weiter an den Eingangspol 16 des Inverters 10 gelegt. Die entgegengesetzten Pole der Kapazitäten C₁, C₂ und C₃ sind an die Schalter 11, 12 und 13 gelegt. Die genannten Schalter 11, 12 und 13 sind Zweilagenschalter, wobei die Kapazitäten C1, C₂ und C₃ in der einen Lage über einen Kon takt 15 an Erde und die Kapazitäten C1, C2 und C3 in der anderen Lage an die Leitung 21 oder einen Kontakt geschaltet werden, der an den Ausgangspol des als Spannungsbeobachter dienenden Operationsverstärkers 20 gelegt ist. Der +Pol des Eingangs des Spannungsbeobachters 20 ist an den Eingangspol 16 des Inverters 10 gelegt.The circuit of Fig. 2 consists of the capacities C₁, C₂ and C₃, of which z. B. C₁ is a well-known reference capacity and C 2 and C 3 capacities to be measured, z. B. pressure (P), temperature (T) and / or relative humidity (U) measuring transmitter of a radio probe. The one pole of the capacitances C₁, C₂ and C₃ are interconnected and together via line 19 to the input pole 16 of the inverter 10 . The opposite poles of the capacitances C₁, C₂ and C₃ are placed on the switches 11 , 12 and 13 . Said switches 11 , 12 and 13 are two-layer switches, the capacitances C1, C₂ and C₃ in one position via a contact 15 to earth and the capacitances C 1 , C 2 and C 3 in the other position on line 21 or a contact can be switched, which is connected to the output pole of the operational amplifier 20 serving as a voltage monitor. The + pole of the input of the voltage monitor 20 is connected to the input pole 16 of the inverter 10 .
Gemäß der an sich bekannten Schaltungsweise des Span nungsbeobachters ist der Ausgang des Operationsverstärkers 20 an den Pol dessen Eingangs geschaltet, was durch die Leitung 22 dargestellt wird. Zu den Eigenschaften des Spannungsbeob achters und dessen Operationsverstärkers 20 oder einer ande ren ähnlichen Komponente gehört, daß im Idealfall der Ein gangswiderstand des Spannungsbeobachters Rin≈∞ und sein Aus gangswiderstand Rout≈0. Dabei ergibt sich als Ausgangsspan nung des Spannungsbeobachters U2 = Uo.According to the known manner of switching the voltage observer, the output of the operational amplifier 20 is connected to the pole of its input, which is represented by the line 22 . One of the properties of the voltage monitor and its operational amplifier 20 or another similar component is that ideally the input resistance of the voltage monitor R in ≈ and its output resistance R out ≈0. This results in the output voltage of the voltage monitor U 2 = U o .
Nach Fig. 2 ist die Kapazität C₁ zwischen Erde und Eingangspol 16 des Inverters 10 geschaltet, wobei die Aus gangsfrequenz des Meßoszillators Fo = F(C₁) ist. Die Kapazi täten C₂ und C₃ sind über die Leitungen 14 und 21 an den Aus gang des Spannungsbeobachters 20 gelegt, wo die Spannung U2 = Uo herrscht. Damit treten in den Polen der Kapazitäten C2 und C3 überhaupt keine Spannungsdifferenzen und somit auch keine Ladeströme auf.According to Fig. 2, the capacitance C₁ between earth and input pole 16 of the inverter 10 is connected, the output frequency from the measuring oscillator F o = F (C₁). The capacities C₂ and C₃ are on lines 14 and 21 to the output of the voltage monitor 20 , where the voltage U 2 = U o prevails. This means that there are no voltage differences at all in the poles of capacitances C 2 and C 3 and therefore no charging currents.
Die Schalter 11, 12 und 13 werden von der Steuerungsein heit 17 gesteuert derart, daß die einen Pole der Kapazitäten C1, C2 und C3 der Reihe nach an Erde geschaltet werden und demzufolge auf den Eingang des Meßoszillators wirken, in welcher Phase die übrigen Kapazitäten zwischen den +Pol des Eingangs und den Ausgang des Spannungsbeobachters 20 geschal tet sind.The switches 11 , 12 and 13 are controlled by the control unit 17 in such a way that the one poles of the capacitances C 1 , C 2 and C 3 are connected in series to earth and consequently act on the input of the measuring oscillator, in which phase the remaining capacitances between the + pole of the input and the output of the voltage monitor 20 are switched.
Streukapazität kann auch auf der Seite der gemeinsamen Leitung 19 der zu messenden Kapazitäten C1, C2, C3 auftreten. Die Wirkungen dieser Streukapazitäten können vermieden wer den, indem die Leitung 19 mit Schutzmantel 19a versehen wird, der über eine Leitung 23 an den Ausgang des Spannungsbeobach ters gelegt wird.Stray capacitance can also occur on the common line 19 side of the capacitances C 1 , C 2 , C 3 to be measured. The effects of this stray capacitance can be avoided by providing the line 19 with a protective jacket 19 a, which is placed over a line 23 at the output of the voltage observer.
Die Erfindung wurde im vorstehenden nur anhand einer Ausführung beschrieben, in der ein RC-Oszillator verwendet wird. Im Rahmen der Erfindung kann jedoch jede beliebige geeignete an sich bekannte Oszillatorschaltung, wie z. B. LC- Oszillator, verwendet werden, der wegen der von ihm gelie ferten guten Sinuswelle vorteilhaft ist.The invention was only in the above on the basis of Execution described in which an RC oscillator is used becomes. In the context of the invention, however, any suitable known oscillator circuit, such as. B. LC Oscillator, used because of the gelie of it good sine wave is advantageous.
Claims (8)
daß die hinsichtlich der zur Messung zwischen Oszillatorein gangspol (16) und Erde zu schaltenden Kapazität übrigen zu messenden Kapazitäten mit dem einen Pol an eine gemeinsame Leitung (19) für die zu messenden Kapazitäten (C1, C2, C3) und mit dem anderen Pol an den Ausgang eines Spannungsbeobach ters geschaltet werden,
daß der Eingang des genannten Spannungsbeobachters an den Eingangspol (16) der Oszillatorschaltung geschaltet ist, und
daß als genannter Spannungsbeobachter ein Operationsverstär ker (20) dient, dessen Ausgang an seinen invertierenden Ein gang geschaltet ist, an den Kapazitäten (C2, C3), die zur Messung nicht an der Reihe sind, geschaltet sind derart, daß an deren Polen keine Spannungsdifferenzen und somit auch keine Ladeströme auftreten. 1. Circuit for measuring small capacitances (C 1 , C 2 , C 3 ), consisting of an oscillator, such as LC or RC Os zillator, the output frequency (f o ) a function of the inter mediate input pole ( 16 ) of the oscillator and to switch earth to the capacitance to be measured, and at its input pole ( 16 ) alternately capacitances (C 1 , C 2 , C 3 ) to be measured, characterized in that
that the capacitance to be measured with regard to the capacitance to be switched between the oscillator input pole ( 16 ) and earth is to be measured with the one pole to a common line ( 19 ) for the capacitances to be measured (C 1 , C 2 , C 3 ) and with the other pole are connected to the output of a voltage monitor,
that the input of said voltage monitor is connected to the input pole ( 16 ) of the oscillator circuit, and
that serves as a voltage observer an operational amplifier ker ( 20 ), the output of which is connected to its inverting input, to the capacitances (C 2 , C 3 ), which are not in turn for measurement, are switched such that at their poles no voltage differences and thus no charging currents occur.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| 8131 | Rejection |