DE4334630A1 - Differentialkomparator - Google Patents

Description

Mit den konventionellen Gleichstromkomparatoren erfolgt ein Präzisionsvergleich zwischen zwei Spannungsquellen und den Teilspannungen eines von einem Strom durchflossenen rein ohmschen Widerstandsteiler, wobei mit Hilfe zweier Detektoren die Gleichheit der Spannungen der jeweiligen Zweige festgestellt wird. Bezeichnet U die Spannungen und R die Widerstände mit dem Index m für die Meßgröße und dem Index ref für die Referenzgröße, dann gilt bei Abgleich die bekannte Gleichung U_m/U_ref=R_m/R_ref. Ein besonderes Merkmal dieser Komparatoren ist, daß sie nur die als zeitlich konstant angenommenen endlichen ohmschen Widerstände und Gleichspannungen (LINDECK-ROTHE), bzw. zusätzlich eine Modulation mit Wechselspannung (KUSTERS) verwenden.

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Systemlösung für die in der Metrologie anstehenden Aufgabenstellungen auf dem Gebiet der Gleichstrommessung an komplexen Schaltkreisparametern angegeben. Durch die Verwendung speichernder Schaltungselemente in einem Komparator, wie vorzugsweise die Kapazität, ergeben sich neue Anwendungen über die klassische Präzisionsmeßtechnik hinaus. Als Beispiel aus der metrologischen Aufgabenstellung wird der sogenannte R/C-Vergleich zur Darstellung der Einheit des elektrischen Widerstandes, das Ohm herangezogen. Dieser Vergleich verläuft in mehreren Schritten mit Gleichstrom- und Wechselstrommeßbrücken. Dabei dient zur Ableitung des Widerstandes aus der Kapazität eines berechenbaren Kondensators eine spezielle Wechselstrombrücke. Anschließend muß für den Widerstand eine Frequenztransformation vorgenommen werden. In einer weiteren Stufe erfolgt dann schließlich der Abbau des Widerstandswertes in einer Gleichstrombrücke bis zum Wert von 1 Ω. Bei der erfindungsgemäßen Meßanordnung kann die spezielle Wechselstrombrücke für den Kapazitätsaufbau ebenso wie die Frequenztransformation entfaallen.

In der deutschen Patentliteratur, (DE 29 44 988 C2, OS 24 55 461 und OS 24 56 081), existieren Lösungen für die Spannungsmessung bei speziellen Aufgaben auf dem Gebiet der industriellen Meßtechnik einschließlich solcher unter Verwendung von Meßwertumformern. Das Meßsignal wird hierbei in einer ersten Verarbeitungsstufe grundsätzlich erst einmal verstärkt, wodurch außer dem Verstärkerrauschen auch zusätzliche Instabilitäten auftreten, die allerdings kompensiert werden. Trotzdem ist ein solches Verfahren bei Präzisionsmessungen wegen der noch verbleibenden Meßunsicherheiten ungeeignet.

Die erreichbare Meßunsicherheit ist von der Auflösung der Meßgröße und der Anpassung des Signalquellenwiderstands an den Detektoreingang abhängig. Insbesondere bei Präzisionsmeßeinrichtungen hat das Rauschen der realen Bauelemente einen Einfluß auf die Auflösung bzw. die Empfindlichkeit des Detektors. Als Größenordnungen gilt, daß z. B. ein Widerstand von 10 kΩ bei Raumtemperatur eine mittlere Rauschspannung von 12,8 nV/√, wobei f für die Bandbreite in Hertz steht, und eine Kapazität von 1 pF eine solche von etwa 0,4 mV erzeugt. Für die vorliegende Erfindung ist der Nachweis sehr kleiner Ladungsmengen auf einem Kondensator von Interesse. Wie die Rechnung zeigt, ist für eine Stromquelle die bezogene Rauschspannung oder die Rauschempfindlichkeit der Schaltung um so geringer, je kleiner die Kapazität und je größer der Widerstand ist. Beim Vorliegen einer Spannungsquelle gilt das umgekehrte. Moderne elektronische Vorverstärker auf Halbleiterbasis besitzen Rauschtemperaturen bis in den mK-Bereich bei hinreichend großem Eingangswiderstand, d. h. sie erfüllen diese Forderungen in einem großen Bereich des Signalquellenwiderstandes. Schwankungen der aktiven elektrischen Größen sind bei der erfindungsgemäßen Meßanordnung durch den brückenähnlichen Aufbau weitestgehend unwirksam.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die vom Meß- und Referenzzweig ausgehenden Ströme bzw. Ladungen gegeneinander zu kompensieren, indem sowohl die elektrische Meßgröße Spannung, Ladung oder ein abgeleiteter Strom als auch die Referenzgröße Spannung, Ladung oder ein abgeleiteter Strom zwecks verlustloser Zwischenspeicherung eines entsprechenden Energiebetrags, wie in Fig. 1 dargestellt, einem Kompensator zugeführt, das Ladungsgleichgewicht mit Hilfe eines Abgleichs über einen empfindlichen elektronischen Detektor herbeigeführt und - über das Funktional der resultierenden Ladungen bzw. Ladungsänderungen für den Knotenpunkt a im Falle des Abgleichs eine Bedingungsgleichung abgeleitet wird, die für einen gegebenen Zeitpunkt die Berechnung einer der Größen aus den restlichen ermöglicht.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind insbesondere:

• - der Differentialkomparator vereinigt die Merkmale eines Komparators und einer Meßbrücke und gestattet den direkten Vergleich aktiver wie passiver elektrischer Größen sowohl miteinander als auch untereinander
• - die meßtechnische Aufgabenstellung wird erweitert, indem z. B. die Gleichstrommessung von Widerstand R, Kapazität C und Induktivität L in einer Schaltungsausführung vorgenommen werden kann
• - Stromquellen mit verschwindender Suszeptanz können einbezogen und damit eine Spannungs-Ladungskonversion vorgenommen werden
• - die Empfindlichkeit der Messung kann durch eine Strom-Spannungs-Konversion erhöht werden, insbesondere bei der Detektion von Spannungen mit kleinem Signalquellenwiderstand
• - durch die vielseitige Verwendung des Differentialkomparators wird ein Minimum an Normalen benötigt
• - es wird nur ein Detektor benötigt

Aus den aufgeführten Merkmalen ergibt sich die vielseitige Anwendbarkeit des Differentialkomparators, wie z. B. die Gleichspannungsmessung über die gesamte Skala, die Parametermessung an Submikrostrukturen, der Kapazitätsvergleich mit Kryospannungsnormalen, die Präzisionsmessung mit kapazitiven Sensoren sowie spezielle Aufgaben der Präzisionsmetrologie, wie die R-C-Deduktion oder die Darstellung der elektrischen Einheiten und damit eine bemerkenswerte Erweiterung der metrologischen Basis.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 2 angegeben. Bei ihr besteht der eine Zweig aus einer Stromquelle 14 mit verschwindender Suszeptanz, Fig. 4, die eine bestimmte Ladungsmenge auf den verbleibenden Kondensator liefern möge. Das elektrische Potential dieser Ladungsmenge wird direkt mit einer Quellspannung verglichen.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. 1 bis 4 dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 die Grundschaltung;

Fig. 2 den Spannungsvergleich;

Fig. 3 den R-C-L-Vergleich;

Fig. 4 den Q-U-Vergleich.

Zur weiteren Erläuterung ist es zweckmäßig, die grundlegenden Beziehungen zwischen Ladestrom und -spannung des Kondensators einerseits und seiner Energiebilanz andererseits

Q=CU  i=dQ/dt=d(CU)/dt  W_el=1/2 QU=1/2 Q²/C=1/2 U²C

einzuführen. Hierbei bedeuten:

Q die elektrische Ladung
C die Kapazität
U die Spannung und
W_el die elektrische Feldenergie

Die dritte Gleichung ist, wie oben ausgeführt, für die Empfindlichkeit des Nachweises wichtig. Man erkennt, daß bei gegebener Ladung Q die für den Nachweis verfügbare Energie um so größer ist, je kleiner die Kapazität C, bei gegebener Spannung, um so größer die Kapazität C ist. Ausgehend von den beiden ersten Gleichungen wird zunächst der differentielle Ladungszuwachs dQ eines Kondensators als der während der differentiellen Zeit dt auf den Kondensator geflossene Strom i dem differentiellen Spannungszuwachs des Kondensators gleichgesetzt:

i dt=dQ=Cdu_c.

Hierbei bedeutet:

u_c den Augenblickswert der Kondensatorspannung.

Damit werden für den Knoten a, Fig. 1, mit der allgemeinen Indizierung "1" und "2" die Ladungsdifferentiale der Zweige des Meßkreises summiert:

δQ=dQ₂+(-dQ₁)=d(Q₂-Q₁)=d(C₂u_c2-C₁u_c1) (i)

Nach Einsetzen der bekannten Lösung für die Kondensatorspannung u_c(t) beim Einschaltvorgang mit der Zeit t als Variable

u_c(t)=U[1-exp(-t/τ)],

wobei τ=RC die Zeitkonstante bedeutet, ergibt sich für die Ladungsdifferenz δQ in Punkt a:

δQ(t)=d{C₂U₂[1-exp(-t/τ₂)]-C₁U₁[1-exp(-t/τ₁)]} (ii)

Für den Abgleich gilt δQ=0; und es folgt für genügend lange Beobachtungszeiten, d. h. t=T<<τ₁, τ₂ für die auf die Kondensatoren C₁ und C₂ geflossenen Ladungen

Q=C₁U₁=C₂U₂ (iii)

Für das Spannungsverhältnis folgt in diesem einfachen Falle

U₁/U₂=C₂/C₁ (iv)

Das ist die Gleichung eines kapazitiven Komparators. Er geht aus Fig. 1 für verschwindende Widerstände 3 und 4 hervor.

In der Ausführung Fig. 2 setzt sich, mit der allgemeineren Notation i=1,2 für die beiden Zweige, die Spannung U_i jedes Zweiges aus der Quellspannung U′_i und der entgegengesetzt gerichteten Spannung IR′_i des Stroms I der Stromquelle 10 über den Widerständen 8 und 9 zusammen, so daß nachfolgende Beziehungen gelten

U_i=U′_i-IR′_i

U′₁+U′₂=I(R′₁+R′₂).

Dies in Gl. (iii) eingesetzt, ergibt nach einigen Umformungen sowie nochmaliger Umbenennung

U₁/U₂=R₁/R₂ (v)

Bei dieser Schaltung ergibt sich die Abhängigkeit des Spannungsverhältnisses allein vom Widerstandsverhältnis und damit die gleiche Bedingungsgleichung wie beim klassischen Komparator unabhängig von den Koppelkondensatoren 1 und 2.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist die Ableitung des Wertes für einen Widerstand in Ohm aus dem Wert einer Kapazität in Farad eines berechenbaren Kondensators nach der in Fig. 3 angegebenen Anordnung, die sich aus der Grundschaltung Fig. 1 ergibt, wenn die Spannungen U_i durch die Spannungsabfälle Ir_i über den Widerständen 11 und 12 ersetzt werden. Anstatt der Ladungen wird hier der zeitliche Verlauf der Ladungsänderungen, also der Strom auf die Kondensatoren, benötigt. Dazu wird die zeitliche Ableitung von Gl. (ii) gebildet. Das ergibt für die Stromdifferenz δi im Knotenpunkt a wegen

δi(t)=d/dt(δQ)=d(dQ₂/dt-dQ₁/dt)

nach Einsetzen von Gl. (ii) und Differentiation des Ausdrucks in der geschweiften Klammer nach der Zeit:

δi(t)=d{(C₂U₂/τ₂)[exp(-t/τ₂)]-(C₁U₁/τ₁)[exp(-t/τ₁)]} (vi)

Der Strom wird Null, wenn der Ausdruck in der geschweiften Klammer verschwindet:

0=(C₂U₂/τ₂)[exp(-t/τ₂)]-(C₁U₁/τ₁)[exp(-t/τ₁)].

Für t=0 ergibt sich mit U₂=Ir₂ und U₁=Ir₁ und, wenn die Zeitkonstanten vor der Exponentialfunktion durch τ=RC ersetzt werden,

r₂/R₂=r₁/R₁ (vii)

Für alle anderen Zeiten t≠0 ergibt sich

τ₂=τ₁ (viii)

d. h., die Zeitkonstanten der beiden Zweige müssen gleich sein. Da die Kapazität aus den SI-Einheiten berechnet werden kann, lassen sich die beiden Bedingungsgleichungen zur Ableitung des Widerstandes aus der Kapazität wie im Folgenden beschrieben nutzen. Zwischen den SI- und Laboreinheiten gilt die Beziehung

τ₁/τ₂ | _Lab=τ₁/τ₂ | _SI.

Weiter wird vorausgesetzt, daß sich bei Änderung des Widerstands oder der Kapazität, z. B. R₁ bzw. C₁, die Zeitkonstante τ₁ insgesamt nicht ändert

τ*₁=τ₁.

Mit n als Maßstabsfaktor gilt für die Kapazität voraussetzungsgemäß

C*₁ | _Lab=C*₁ | _SI=C₁/n.

Somit ergibt sich für den Widerstand im SI

R*₁ | _SI=nR₁ | _SI=nR₁

und für die Laboreinheit

R*₁ | _Lab=n′R₁ | _SI

mit einem von n abweichenden, unbekanntem Maßstabsfaktor n′. Damit lautet die Bedingung für die Zeitkonstanten ausführlich

τ*₁= | R*₁C*₁ | _Lab=n′R₁C₁/n=R₁C₁=τ₁.

Wegen der Bedingung Gl. (vii) geht dabei noch der Widerstand r₁ des Zweiges 1 des Spannungsteilers über in

r*₁=n′r₁

Dies ermöglicht, n′ experimentell zu bestimmen, und es folgt hieraus die SI-Widerstandseinheit R₁ | _SI durch Multiplikation der Labor-Widerstandseinheit R₁ | _Lab mit dem Faktor n/n′ oder allgemein

R | _SI=(n/n′)R | _Lab (ix)

mit einem i. a. von n abweichendem n′

n′=(R*₁ | _Lab)/R₁.

Um Gl (vi) und Gl. (vii) gleichzeitig zu erfüllen, wird der Gleichstrom moduliert, was in Fig. 3 durch die Reihenschaltung einer Wechselstromquelle 13 mit der Gleichstromquelle 10 dargestellt ist. Damit ergibt sich für den Abgleich die erweiterte Gleichung für den Differenzstrom

δi(t)=r₁/R₁[exp(-t/τ₁)]-r₂/R₂[exp(-t/τ₂)]-2I₀{sin[ωt-(α₁+α₂)]} · [sin(α₂-α₁)/2].

Hier bedeuten

I=I₀cos(ωt-α) den Modulationsstrom

ω=2πf_m die Modulationsfrequenz

α₁, α₂ die arctan-Funktion von 1/ωR_iC_i

Die Gültigkeit der Abgleichbedingungen ist noch an die Forderung 1/f_m<τ für die Modulationsfrequenz geknüpft. Mit einer ähnlichen Substitution läßt sich die Induktivität bestimmen.

Beim Q-U-Vergleich oder Ladungskomparator wird ein Zweig des Meßkreises der Grundschaltung, Fig. 1, durch eine Stromquelle mit verschwindender Suszeptanz ersetzt. Von dieser Stromquelle fließe während einer Zeitspanne δt eine kleine Ladungsmenge q auf die eine Belegung des Kondensators 1 mit der als bekannt vorausgesetzten Kapazität C. Sie erzeuge hier gemeinsam mit der Quellspannung U ein elektrisches Feld mit dem Potential u_c. Das Ladungsgleichgewicht des Kondensators 1 ergibt sich demzufolge aus Gl. (i), wenn dort für die entsprechende Ladungsänderung dq(t) der einen Belegung des Kondensators 1

dQ₂=dq(t)

und für die Ladungsänderung dQ₁ der anderen Belegung

-dQ₁=Cdu_c

gesetzt wird. Damit ergibt sich aus Gl. (i) und der Forderung δQ=0 die Bedingung

δQ(t)=dq(t)+Cdu_c=0 (x)

Bei Vernachlässigung des Widerstandes 3, d. h. für die Zeitkonstante τ=0 des Zweigs 1, ergibt sich für die Kondensatorspannung

du_c=-dU.

Nach Umstellung von Gl. (x) und Division durch C ergibt sich

du_c=-dU=-(1/C)dq(t).

Die Integration ergibt für den ersten Term

u_c=-∫dU=-U (xi)

und somit für die Spannung U für eine Ladungsänderung 0→Q die Bestimmungsgleichung

worin I(t′) der zur Zeit t′ auf den Kondensator geflossene Strom bedeutet. Zu den Eigenschaften der Gl. (xii) zählt insbesondere, daß es für den Abgleich ausreicht, wenn zu einem gegebenen Zeitpunkt die Spannung U gleich gegebenen Integral über die Gesamtladung unabhängig vom zeitlichen Verlauf ist.

Beim direkten Vergleich einer bekannten, quantisierten Ladungsmenge mit einer Quellspannung über eine berechenbare Kapazität muß die Auflösung den Wert entsprechend einer Elementarladung besitzen. Da dieser Wert unterhalb jeder durch Wärmeschwingungen aufgeprägten Schranke liegt, muß der Meßkondensator und der Eingangskreis des Detektors theoretisch auf null Kelvin gekühlt werden. Bei dem hier vorliegenden Beispiel wird jedoch statt dessen die Auflösung eines Ladungsquants von dem bekannten, mit der Temperatur T veränderlichen Wert der spezifischen thermischen Energie W≈kT abgeleitet. Für die kleinste nachweisbare Energie des Kondensators ergibt sich somit die Bedingung

1/2(Q²/C)=1/2[(Iτ)²/C]=kT (xiii)

worin

k=1,38 · 10^-23JK die Boltzmannkonstante
T die absolute Temperatur
τ die Zeit, während der die Ladung Q auf den Meßkondensator 1 fließt.

bedeutet. Hiermit wird bei vorgegebener Genauigkeit und Temperatur T eine Schranke für die kleinste Anzahl nachweisbarer Elektronen abgeleitet. Um die Streuung durch zufällige Elektronenübergänge klein zu halten, wird der Strom durch gesteuertes Tunneln quantisiert. Erfolgt die Steuerung mit der Pulsfolgefrequenz f_p, ergibt sich für die während eines gegebenen Zeitintervalls τ auf den Kondensator 1 geflossene Ladung Q

Q=eρf_pτ=eρm (xiv)

Hier bedeuten

Q die quantisierte Stromsumme
e=1,602 · 10^-19As die Elementarladung
ρ die Elektronenrate [Elektronen/Puls]
f_p die Pulsfrequenz
m=f_pτ die Anzahl der während der Beobachtungszeit τ auf den Kondensator gelangten Pulse.

Die Gl. (xiv) in Gl. (xiii) eingesetzt ergibt

(1/2)[eρf_pτ)²]/C=kT.

Bezieht man in die rechte Seite die gleichfalls bekannte Kapazität des Meßkondensators sowie die Elementarladung mit ein, so ergibt sich ohne Berücksichtigung des Detektors - für ihn gelte, daß sein Rauschen gegenüber dem des Meßkondensators klein ist, was sich durch Miniaturisierung des Eingangsbausteins des Detektors erreichen läßt - wegen Gl. (xiii) als untere Schranke n für die nachweisbare Elektronenzahl

nΔQ/e=[(2kTC)^1/2]/e (xv)

worin

n die untere Schranke für die Anzahl der Ladungsträger beim Signal/Rauschverhältnis = 1
ΔQ die dem Signal/Rauschverhältnis=1 (vgl. Gl. (xiii)) entsprechende Ladung.

Die spannungsseitige Auflösung ergibt sich wegen ΔU=ΔQ/C und Einsetzen von Gl. (xv) und Gl. (xiv) zu

ΔU=ΔQ/C=en/C=(eρ*m*)/C (xvi)

mit

n=ρ*m*.

Hierbei bedeuten

ρ* die Elektronenrate für ΔQ
m* die Anzahl der Pulse ″.

Mit T=4K und C=10^-13 F ergibt sich als nachweisbare Ladungsträgerzahl für den Meßkondensator n≅20 und eine Spannungsauflösung von ΔU=33,2 µV. Für das vorliegende Beispiel beträgt die Auflösung des Ladungskomparators bei der Temperatur des flüssigen He (T≈4 K) demzufolge etwa 20 Elektronen.

Die Grundgleichung für die Präzisionsladungsmessung ergibt sich, wenn anstatt des Integrals in Gl. (xii) die Summe über die Ladungsbeträge ΔQ, Gl. (xvi), gebildet wird

U=(1/C)Σ_iΔQ_i=(1/C)Σ_ienΣm_i=(1/C)enΣm_i  i=1,2, . . . , f_pτ

Hierbei ist Σm_i gleich der Anzahl der Pulse. Wegen Gl. (xiv) gilt für sie

Σm_i=m=f_pτ.

Damit folgt

U=(1/C)enf_pτ (xvii)

In dieser Gleichung besitzt die untere Schranke n in der Elektronenrate ρ*, Gl. (xvi), die größte Fehlerquelle. Sie wird durch die Vorgabe einer Elektronenrate ρ=1 (exact) beseitigt. Dazu werden spezielle Halbleitertunnelstrecken, bestehend vorzugsweise aus sogenannten künstlichen Atomen oder "quantum dots" [Marc A. Kastner, Artificial Atoms, Physics Today, January 1993, p. 24] verwendet. Um bei der jeweiligen Temperatur und damit vorgegebenem n die Quantisierung des elektrischen Stroms mit moderater Frequenz und Spannung mit ausreichender Genauigkeit vornehmen zu können, werden N=n Tunnelstrecken 14, wie in Fig. 4 dargestellt, parallelgeschaltet. Damit folgt bei Abgleich des Komparators, d. h. U+u_c=0, wegen Gl. (xv) und Gl. (xvii) endgültig

U=(eN/C)f_pτ,  Nn=[(2kTC)^1/2]/e (xviii)

Zusammenfassend ergibt sich damit die nachfolgende, an Hand der Fig. 4 beschriebene Vorgehensweise für den Meßvorgang: Die Stromquelle, bestehend aus den N Tunnelelementen 14, deren Ansteuerung individuell über die Koppelkondensatoren 19 mit der Spannung U_g des Frequenzgenerators 18 erfolgt, liefert bei geschlossenem Schalter 16 während einer vorgegebenen Beobachtungszeit τNf_pτ Elektronen auf die eine Belegung des Kondensators 1. Gleichzeitig wird mit einer Regelspannung, abgeleitet vom Operationsverstärker 17 des Detektorzweigs die entsprechende Komplementärladung mit Hilfe der Quellspannung 15 auf die andere Belegung des Kondensators 1 gebracht. Mit der Abschaltung des Stroms mit dem Schalter 16 wird die Zusatzspannung über dem Meßkreis entfernt und die Zeit gemessen. Das durch eine etwaige Überschußladung auf dem Kondensator 1 erzeugte Zusatzpotential wird danach durch einen neuerlichen Abgleich der Spannungsquelle 15 eliminiert.

Will man mit den Werten von oben bei vorgegebenem N=20 eine Spannung mit einer Genauigkeit von 1 in 10⁷ darstellen, benötigt man m=10⁷ Pulse, entsprechend einer Pulsfrequenz f_p=10 MHz bei einer Meßzeit von τ′=1 s und eine Quellspannung von annähernd U=332 V.

Die Anzahl der Pulse besitzt die Unsicherheit 1, so daß sich die Gesamtmeßunsicherheit aus dem Wert 1/f_p und der Meßunsicherheit der Kapazität, bei Anschluß an einen berechenbaren Kondensator weniger als 1 · 10^-8, zusammensetzt. Bei gleicher Pulsfrequenz kann die Genauigkeit durch die Verwendung von N<n Tunnelstrecken und der Meßzeit τ erhöht werden. Des weiteren kann der Rauschanteil beim Meßkondensator durch geeignete Maßnahmen, wie z. B. die Autokorrelation, vermindert werden. Damit kann schließlich eine Gesamtmeßunsicherheit von wenigen · 10^-8 erreicht werden.

Mit einer Genauigkeit der aufgezeigten Größenordnung wird ein Beitrag zur unabhängigen Darstellung der elektrischen Einheiten bei der relativ leicht zu realisierenden Temperatur des flüssigen Heliums geleistet. Dieses Verfahren eignet sich prinzipiell auch für die Darstellung der Spannungseinheit bei höheren Temperaturen.

Claims (4)

1. Vorrichtung, bestehend aus zwei offenen Stromkreisen, dem Meßzweig und dem Referenzzweig, von denen jeder wenigstens eine Gleichstrom-/Gleichspannungsquelle und mindestens ein Zweig einen Kondensator enthält, und die über einen Detektor als gemeinsamen Zweig verbunden sind, um einen Meßkreis, den Differentialkomparator, mit den nachfolgend aufgeführten Merkmalen zu bilden:
Nachweis einer Ladungsdifferenz der im Meßzweig und im Referenzzweig befindlichen Kondensatoren (1) und (2), Fig. 1, zu einem beliebigen Zeitpunkt als Folge der Änderung eines oder mehrerer Parameter des Meßzweigs und entsprechende Kompensation durch Änderung eines oder mehrerer Parameter des Referenzzweiges zwecks Berechnung einer der Größen des Meßzweigs aus den restlichen, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der Differentialkomparator zwei Knotenpunkte a und b, Fig. 1, enthält, von denen der eine vorzugsweise von je einem Pol der zwei Kondensatoren (1) und (2) und einem Pol des Detektors (7) gebildet wird, und der andere Pol des Detektors das gemeinsame Bezugspotential von Meß- und Referenzzweig bildet
• b) Meß- und Referenzzweig zusätzlich weitere passive und/oder aktive Bauelemente enthalten, z. B. die Widerstände (3) und (4), Fig. 1
• c) die Kondensatoren (1) und (2) eine andere Position im Meß- oder Referenzzweig als in Fig. 1 einnehmen
• d) die Spannungsquellen (5) und (6) gleichsinnig geschaltet sind
• e) die Spannungsquellen (5) und (6), Fig. 3, durch eine Stromquelle, bestehend aus der Spannungsquelle (10) und den Widerständen (11) und (12) ersetzt wird, wobei der Detektor an die Verbindungsstelle b zwischen den zwei Widerständen angeschlossen ist
• f) wenigstens einer der Parameter der aktiven oder/und passiven Bauelemente so verändert werden kann, daß die Summe der Ladungen im Knotenpunkt a zu Null wird
• g) in Reihe mit der Stromquelle gemäß Anspruch e) zwecks Moodulation eine Wechselstromquelle in Reihe geschaltet ist
• h) der Prüfling im Meßzweig aus einer Kombination von Widerstand, Kapazität und Induktivität besteht

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Ladungs- und Strommessung, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) Kondensator und Spannungsquelle eines Zweigs durch eine Stromquelle (14), Fig. 4, mit verschwindender Suszeptanz ersetzt wird
• b) die Stromquelle einen Strom auf die eine Belegung des verbleibenden Kondensators liefert
• c) die auf den Kondensator von der Stromquelle geflossene Ladungsmenge des einen Vorzeichens gemeinsam mit einer gleichgroßen Ladung entgegengesetzten Vorzeichens der Spannungsquelle das Kondensatorpotential bildet
• d) das Ladungsgleichgewicht mit einer Detektionseinrichtung, vorzugsweise bestehend aus einem Operationsverstärker (17) und dem Anzeigeinstrument (7), angezeigt und gleichzeitig eine Regelspannung für die Spannungsstelleinrichtung (15) abgeleitet wird
• e) der Strom als eine Folge von diskreten Elektronen durch das Tunneln durch eine Potentialbarriere erzeugt wird
• f) der Tunnelstrom zwecks Quantelung des Stromes bis hin zu sehr kleinen Elektronenraten von 1 pro Sekunde mit der Frequenz f_p gepulst wird
• g) ein Schalter (16), Fig. 4, den Stromfluß zum Zwecke des Feinabgleichs mit der Spannungsquelle (15) unterbricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Bestimmung eines Kapazitätsverhältnisses bzw. eines Spannungsverhältnisses dadurch gekennzeichnet, daß

• a) Meß- und Referenzzweig aus je einem Kondensator (1) und (2) und einer Gleichspannungsquelle (5) und (6) bestehen
• b) ein Gleichstrom aus einer Quelle (10) zwei Widerstände (8) und (9) durchfließt, die einen Spannungsteiler bilden, der wie in Fig. 2 mit dem Meß- und dem Referenzzweig und mit der gemeinsamen Leitung mit dem Detektor (7) verbunden ist
• c) die Spannungen über den Widerständen (8) und (9) den Spannungen (5) und (6) entgegengerichtet sind
• d) die Gleichspannungsquellen durch ein Kryopotentiometer ersetzt werden

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3 zum Nachweis von (sehr kleinen) Längenänderungen, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die eine Belegung des Kondensators des Meßzweigs, Fig. 1, in ihrer Lage relativ zur anderen verändert werden kann und somit einen hochempfindlichen kapazitiven Sensor bildet
• b) die daraus folgende Ladungsänderung durch eine entsprechende Spannungsänderung im Referenzzweig rückgängig gemacht wird
• c) die Längenänderung sich als Kapazitätsänderung aus der Spannungsdifferenz des Referenzzweigs berechnen läßt