DE4208272A1 - Verfahren zur messung der kapazitaet eines kondensators nach der reflektometermethode und schalteinrichtung dazu - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Kapazität eines Kondensators nach der Reflektometermethode entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei vielen Meßverfahren, insbesondere Druckmeßverfahren, werden Kondensatoren mit Elektroden eingesetzt, deren Abstand veränder­ lich ist. In der Regel ist eine der beiden Elektroden des Kon­ densators als Membran ausgebildet. Der Abstand der Elektroden und damit die Kapazität des Kondensators hängen von der zu messenden Größe, beispielsweise von dem auf der Membran lastenden Druck, ab. Die Druckmessung kann deshalb über eine Kapazitätsmessung erfolgen. Die DE-A-40 31 791 beschreibt einen Sensor, der für Druckmessungen dieser Art geeignet ist.

Bei Meßverfahren der beschriebenen Art sind die Meßgrößen in der Regel sehr klein. Sie liegen häufig in der Größenordnung von 20 pF und weniger bei einer Auflösung von etwa 0,1 fF. Die störungs­ freie Messung derart kleiner Kapazitäten war bisher nur möglich, wenn der Abstand zwischen dem Kapazitätssensor und der Meßelek­ tronik klein gehalten werden konnte. Bei vielen Applikationen, beispielsweise bei Druckmessungen in Chemieanlagen, bei denen zwischen dem Kapazitätssensor und der Meßelektronik ein größerer Abstand gefordert wird, konnten deshalb Kapazitätsmanometer nicht eingesetzt werden.

Die Messung einer Kapazität nach der Reflektrometermethode ist bekannt. Die Auswertung der Ergebnisse anhand der reflektierten Signale erfolgt über eine spektrale Zerlegung der Signale, die durch Fourier- oder Laplace-Transformationen erreicht wird. Dieses Verfahren ist, wie allgemein bekannt, mit erheblichem Rechenaufwand verbunden. Oft sind Millionen von Rechenoperationen erforderlich, so daß zum einen ein leistungsfähiger Rechner erforderlich ist, zum anderen viel Zeit benötigt wird. Für ein schnelles, praktisch anwendbares Meßgerät scheidet diese Methode aus.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung einer Kapazität, vorzugsweise einer sehr kleinen Kapazität, sowie eine dafür geeignete Schaltungseinrich­ tung anzugeben, bei dem die störungsfreie Kapazitätsmessung bei einem relativ groben Abstand zwischen Kapazitätssensor und Meßelektronik ohne hohen Aufwand möglich ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Maßnahmen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Erfindung beruht darauf, daß ein kurzer, beispielsweise wenige ns breiter Impuls, der an einem Kondensator reflektiert wird, Formänderungen (Größe, Fläche) erfährt, die u. a. auch von der Größe der Kapazität des Kondensators abhängen. Die erfindungsgemäße Erkenntnis besteht darin, daß der interessierende Teil der Information (Größe der Kapazität) im Zeitbereich gewonnen werden kann. Impulse der be­ schriebenen Art pflanzen sich selbst auf sehr langen Leitungen relativ störungsfrei fort. Mit Torschaltungen, die die Laufzeit der Impulse berücksichtigen, können deshalb die reflektierten Impulse ausgekoppelt und zum Zwecke der Bildung von Spannungs­ werten, die der Größe der Kapazität des Kondensators entsprechen, ausgewertet werden. Infolge der Auswertung im Zeitbereich kann auf eine spektrale Zerlegung durch Fourier- oder Laplace-Trans­ formationen und damit auf einen hohen Software- und Hardware- Aufwand verzichtet werden.

Vorzugsweise wird der über die Verbindungsleitung zugeführte Impuls sowohl an dem zu messenden Kondensator als auch an einem dazu parallel angeordneten Referenzkondensator reflektiert, und zwar derart, daß die Reflexionen zu unterschiedlichen Zeiten erfolgen, und daß die Form der mit einem zeitlichen Abstand reflektierten Impulse zur Bildung von Meßspannungswerten verwen­ det wird, beispielsweise durch Quotientenbildung.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Verbindungsleitung zwischen einem Kondensator, der einen Kapazi­ tätssensor bildet, und der zugehörigen Meßelektronik sehr lang, beispielsweise 100 m und mehr, gewählt werden kann. Die Meßelek­ tronik erfordert keinen hohen Aufwand und kann weit entfernt vom Meßort angeordnet werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.

In allen Figuren ist der Kondensator, der beispielsweise den Kapazitätssensor eines Kapazitätsmanometers bildet, mit 1 und die den Kondensator 1 mit der Meßelektronik verbindende Leitung, beispielsweise ein 50 Ω-Koaxialkabel mit 2 bezeichnet. Die Meßelektronik umfalt den Impulsgenerator 3, der mit dem Kabel 2 in Verbindung steht und kurze, steile, z. B. 2 ns breite positive Impulse 4 erzeugt. Diese werden z. B. mit einer Wiederholungsfre­ quenz von 10 MHz dem Kondensator 1 über die Leitung 2 zugeführt. Am Kondensator 1 findet eine Reflexion statt, bei der der Impuls 4 eine Formänderung erfährt. Der reflektierte Impuls 5 hat infolge der aufgetretenen Differenzierung einen negativen und einen positiven Anteil. Er wandert zur Meßelektronik zurück und wird zunächst einer Begrenzungsstufe 6 zugeführt. Diese schneidet den positiven Impulsanteil ab. Nur der negative Impulsanteil wird einer allgemein mit 7 bezeichneten Auswerteelektronik zugeführt.

Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Ausgangsimpuls 4 ein positives Signal, das nach der Reflexion einen negativen und einen positiven Anteil hat. Zur Auswertung der reflektierten Signale 5 im Zeitbereich kann entweder der positive oder der negative Anteil verwendet werden. Zweckmäßig ist, wenn der negative Anteil der Auswertung zugrunde gelegt wird. Natürlich besteht auch die Möglichkeit, von negativen Ausgangsimpulsen 4 auszugehen, die ebenfalls nach der Reflexion einer negativen und einen positiven, der Auswertung im Zeitbereich zur Verfügung stehenden Anteil haben.

Am Ausgang 8 der Auswerteelektronik kann eine Meßspannung ent­ nommen werden, die der Größe der Kapazität des Kondensators 1 entspricht. Ist der Kondensator 1 der Sensor eines Kapazitätsma­ nometers, dann entspricht das am Ausgang 8 der Auswerteelektronik 7 anliegende Meßsignal dem Druck, der mit Hilfe des Kapazitäts­ manometers gemessen werden soll.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist dem Kondensator 1 eine Referenzkapazität parallel geschaltet, die vom Kondensator 11 gebildet wird. Die Leitungslängen zwischen dem Verzweigungspunkt 12 und den beiden Kondensatoren 1 und 11 sind unterschiedlich, so daß der Impuls 4 zu unterschiedlichen Zeiten an beiden Kondensa­ toren 1 und 11 reflektiert wird. Die Leitungslängen zwischen dem Verzweigungspunkt 12 und den Kondensatoren 1 und 11 sind bei­ spielsweise derart gewählt, daß die einfache Impulslaufzeit 2,5 bzw. 5 ns beträgt. Die reflektierten Impulse erreichen den Verzweigungspunkt 12 zu unterschiedlichen Zeiten (beim angege­ benen Beispiel mit einem zeitlichen Abstand von 5 ns). Das reflektierte Signal ist dargestellt und mit 13 bezeichnet. Es wird - wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 - der Begren­ zungsstufe 6 zugeführt, so daß nur die negativen Impulsanteile, ebenfalls mit einem Abstand von 5 ns, diese Stufe verlassen. Sie werden einem Abtasttor 14 zugeführt, das derart gesteuert wird, daß entweder nur die negativen Impulsanteile der am Kondensator 1 reflektierten Signale (beim dargestellten Ausführungsbeispiel der obere Ausgang 15 der Torstufe 14) oder nur die am Kondensator 11 reflektierten Signale (unterer Ausgang 16) durchgelassen werden.

Die Torimpulse werden ebenfalls vom Generator 3 erzeugt, der über die Leitung 18 mit der Verzögerungsstufe 17 mit dem Abtasttor in Verbindung steht. Die Verzögerung läßt sich mit Hilfe der Verzö­ gerungsstufe 17 derart einstellen, daß zum einen die Laufzeiten der Impulse vom Impulsgenerator 3 zu den Kapazitäten 1 und 11 und zurück berücksichtigt werden; außerdem erfolgt mit Hilfe des Abtasttores 14 die Ausblendung der reflektierten Signale, die beim beschriebenen Ausführungsbeispiel einen Abstand von 5 ns haben. Mit einer Verschiebung des Fensters um 5 ns kann diese Wirkung erreicht werden.

Die Meßwertbildung erfolgt in der Weise, daß eine feste Vielzahl der beiden Reflexionssignale in sich an die Ausgänge 15, 16 des Tores 14 anschließenden Summenstufen 21, 22 zu Summensignalen addiert und dort so lange gespeichert werden, daß zwei zueinander korrespondierende Summensignale gleichzeitig zur Vergleichsstufe 23 gelangen. Zweckmäßig erfolgt der Vergleich durch Differenz­ bildung, insbesondere Quotientenbildung.

Fig. 3 zeigt eine Kurve, welche bei der Anwendung der Erfindung bei einem Kapazitätsmanometer aufgenommen wurde. Dargestellt ist das Spannungsaufgangssignal der Stufe 23, und zwar das Verhältnis der Signale, die am Kondensator 1 reflektiert wurden, zu den Signalen, die am Referenzkondensator 11 reflektiert wurden, in Abhängigkeit zum Druck p im Bereich des Kapazitätssensors. Eine Kurve dieser Art kann in einfacher Weise z. B. elektronisch linearisiert oder logarithmiert werden, je nachdem, welche Anzeige erwünscht ist.

Bei Kapazitätsmanometern werden in der Regel Sensoren mit zwei Kondensatoren verwendet. Eine Elektrode des ersten Kondensators befindet sich im zentralbereich der Membran und erzeugt zusammen mit der feststehenden Elektrode das druckabhängige Meßsignal. Der weitere Kondensator liefert Signale, die der Temperaturkompensa­ tion dienen. Es hat sich gezeigt, daß dieser weitere Kondensator gleichzeitig als Referenzkondensator 11 im Sinne der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Es ist also nicht erforderlich, zusätzliche Referenzkondensatoren vorzusehen.

Claims (12)

1. Verfahren zur Messung der Kapazität eines Kondensators (1) nach der Reflektometermethode, bei der am Kondensator (1), der sich am Ende einer den Kondensator mit der Meßelektronik verbindenden Leitung (2) befindet, über die Leitung zuge­ führte Impulse reflektiert werden und infolge der Reflexion auftretende Änderungen der Impulsform als Meßgröße für die Kapazitätsmessung verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung im Zeitbereich erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß positive Ausgangsimpulse (4) verwendet werden und daß der Auswertung im Zeitbereich nur die negativen Anteile der reflektierten Impulse (5) zugrundegelegt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß negative Ausgangsimpulse (4) verwendet werden und daß der Auswertung im Zeitbereich nur die positiven Anteile der reflektierten Impulse (5) zugrundegelegt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über die Verbindungsleitung (2) zugeführte Impulse sowohl an dem zu messenden Kondensator (1) als auch an einem dazu parallel angeordneten Referenzkondensator (11) reflektiert werden, und zwar derart, daß die jeweiligen Reflexionen eines Impulses zu unterschiedlichen Zeiten erfolgen, und daß die Form der mit einem zeitlichen Abstand reflektierten Impulse der Bildung von Meßgrößen dienen.

5. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte durch Quotientenbildung entstehen, indem die an dem zu messenden Kondensator (1) reflektierten Impulse in Relation zu den am Referenzkondensator (11) reflektierten Impulse gesetzt werden.

6. Anwendung der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5 bei einem Kapazitätsmanometer.

7. Schaltungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Messung der Kapazität eines Kondensators (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Impulsgenerator (3) zur Erzeugung der dem Kondensator (1) über die Verbindungsleitung (2) zuzuführenden Impulse (4) und elektronische Mittel zur Verarbeitung und Auswertung der reflektierenden Impulse im Zeitbereich (5, 13) umfaßt.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Begrenzungsstufe (6) für die reflektierten Impulse vorgesehen ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abtasttor (14) vorgesehen ist, das über eine Verzö­ gerungsstufe (17) mit dem Impulsgenerator (3) verbunden ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich an das Abtasttor (14) Summenstufen (21, 22) sowie eine Vergleichsstufe (23) anschließen.

11. Kapazitätsmanometer mit einem Kondensator (1) als Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einer Schaltungseinrich­ tung nach einem der Ansprüche 7 bis 10 ausgerüstet ist.

12. Kapazitätsmanometer nach Anspruch 11 mit einem ersten Kondensator (1) als Sensor und mit einem zweiten, der Temperaturkompensation dienenden Kondensator (11), dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kondensator (11) die Refe­ renzkapazität bildet.