DE69931217T2

DE69931217T2 - Statischer kapazität-spannungsumwandler und umwandlungsverfahren

Info

Publication number: DE69931217T2
Application number: DE69931217T
Authority: DE
Inventors: Tatsuo Nishinomiya-shi Hiroshima; Koichi Nishinomiya-shi NAKANO; Muneo Nishinomiya-shi HARADA; Toshiyuki Sanda-shi Matsumoto; Yoshihiro Kyoto-shi HIROTA
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; Hokuto Electronics Inc
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; Hokuto Electronics Inc
Priority date: 1998-01-23
Filing date: 1999-01-22
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2019-01-23
Also published as: DK0970386T3; AU2074199A; DE69931104D1; WO1999038020A1; US6331780B1; CN1255974A; AU729354B2; EP0970386B1; DE69931104T2; JP2000515253A; KR20010005556A; EP0970386B8; KR100379622B1; EP0970387A1; DE69931217D1; EP0970386A1; AU1890099A; IL131891A0; CN1255975A; JP3302377B2

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG UND IN BETRACHT GEZOGENER STAND DER TECHNIK
Die Erfindung bezieht sich auf einen statischen Kapazitäts-Spannungswandler und ein zugehöriges Umsetzungsverfahren, die eine sehr genaue Umsetzung einer statischen Kapazität in eine entsprechende Spannung durch Unterdrückung des Einflusses einer an einer die statische Kapazität mit einem Operationsverstärker verbindenden Signalleitung auftretenden Streukapazität ermöglichen.
1 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus eines aus der japanischen Patent-Offenlegungsschrift 61-14 578 bekannten statischen Kapazitäts-Spannungswandlers, der zur Lösung des beim Stand der Technik auftretenden Problems einer ungenauen Spannungsumsetzung vorgeschlagen worden ist, die darauf beruht, dass sich eine Streukapazität eines zur Verbindung einer unbekannten statischen Kapazität dienenden Kabels der unbekannten statischen Kapazität überlagert und dass sich diese statischen Kapazitäten auf Grund von Bewegungen und Verbiegungen des Kabels oder dergleichen verändern können. Wie in 1 veranschaulicht ist, ist eine unbekannte Kapazität Cx zwischen einen Wechselstromsignalgenerator OS und einen Operationsverstärker OP geschaltet, wobei die Verbindungskabel zur Verringerung des Einflusses von Streukapazitäten Cs1, Cs2, Cs3 von Abschirmleitungen s umgeben sind. Hierbei sind der Ausgang und ein invertierender Eingang des Operationsverstärkers OP über einen Rückkopplungskreis miteinander verbunden, der von einer Parallelschaltung eines Widerstands Rf und eines Kondensators Cf gebildet wird. Ein Endanschluss der unbekannten Kapazität Cx ist über eine Abschirmleitung s mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP verbunden, während der andere Endanschluss über eine weitere Abschirmleitung s mit dem Wechselstromsignalgenerator OS verbunden ist. Hierbei liegen die beiden Abschirmleitungen sowie ein nichtinvertierender Eingang des Operationsverstärkers OP an Masse.
Da bei der vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnung im wesentlichen keine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Endanschlüssen der unbekannten Kapazität Cx besteht, erfolgt keine Aufladung der Streukapazität Cs2. Da die Streukapazität Cs3 als Koppelkapazität der beiden Abschirmleitungen s anzusehen ist, lässt sich die Streukapazität Cs3 unterdrücken, indem die Abschirmleitungen s an Masse gelegt werden. Auf diese Weise wird der von den Streukapazitäten der Verbindungskabel der unbekannten Kapazität Cx ausgeübte Einfluss durch Verwendung der Abschirmleitungen s verringert, sodass dem Kondensator Cf des Rückkopplungskreises eine der Ladung der unbekannten statischen Kapazität Cx entsprechende Ladung erteilt und demzufolge über den Operationsverstärker OP ein der unbekannten statischen Kapazität Cx proportionales Ausgangssignal erhalten werden. Wenn somit die Ausgangsspannung des Wechselstromsignalgenerators OS durch Vi gegeben ist, lässt sich die Ausgangsspannung Vo des Operationsverstärkers OP durch -(Cx/Cf)Vi ausdrücken, sodass der Wandler gemäß 1 zur Umsetzung der unbekannten statischen Kapazität Cx in die Spannung Vo verwendet werden kann, aus der sich dann die unbekannte statische Kapazität Cx in Verbindung mit den bekannten Werten Cf und Vi ableiten lässt.
Weiterhin ist aus der Literaturstelle Patent Abstracts of Japan (JP 09-280 806) ein elektrostatisches kapazitives Weg- oder Verstellungsmessgerät bekannt, das durch Erfassung der zwischen den Elektroden ausgebildeten Kapazität eine höhere Messgenauigkeit aufweist. Weiterhin ist aus der GB 2 020 816 ein Kapazitätsmesssystem mit einer automatischen Abgleicheinrichtung zur Signal-Driftkompensation bekannt, wobei auch eine Schaltungsanordnung zum automatischen Nullabgleich und zur automatischen Verstärkungsregelung angegeben ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei dem statischen Kapazitäts-Spannungswandler gemäß 1 tritt jedoch das Problem auf, dass im Falle einer kleineren unbekannten statischen Kapazität Cx der Einfluss der Streukapazitäten überwiegt, sodass sich die statische Kapazität Cx nicht genau in eine Spannung umsetzen lässt. Da ferner der Rückkopplungskreis des Operationsverstärkers OP aus einer den Widerstand Rf und den Kondensator Cf umfassenden Parallelschaltung besteht, sind getrennte Schritte zur Ausbildung eines Widerstands und eines Kondensators bei der Integration der erforderlichen Bauelemente in einen Einchip-Wandler erforderlich, was nachteiligerweise zu einem aufwendigeren Herstellungsverfahren und zu größeren Chipabmessungen führt. Da außerdem der Kondensator nicht mit einem Wechselspannungssignal beaufschlagt werden kann, wenn eine Elektrode der statischen Kapazität Cx auf eine bestimmte Spannung vorgespannt ist, kann in diesem Falle die statische Kapazität nicht in einer Ausgangsspannung umgesetzt werden.
Zur Lösung dieses Problems ist seitens der Anmelderin bereits ein in 2 veranschaulichter statischer Kapazitäts-Spannungswandler vorgeschlagen worden, der nachstehend unter Bezugnahme auf 2 näher beschrieben wird. Bei diesem statischen Kapazitäts-Spannungswandler besitzt ein Operationsverstärker 21 eine Spannungsverstärkung, die erheblich höher als die Kurzschlussverstärkung ist, sodass die Verstärkung den Wert unendlich aufzuweisen scheint. Zur Bildung einer Gegenkopplung für den Operationsverstärker 21 ist ein Rückkopplungswiderstand 23 zwischen einen Ausgang 22 und einen invertierenden Eingang (–) des Operationsverstärkers 21 geschaltet. Der Operationsverstärker 21 weist ferner einen mit einem Wechselstromsignalgenerator 24 verbundenen nichtinvertierenden Eingang (+) auf, während der invertierende Eingang (–) mit einem Ende einer Signalleitung 25 verbunden ist, deren anderes Ende wiederum mit einer Elektrode 26₁ eines eine unbekannte oder bekannte statische Kapazität aufweisenden Kondensators 26 verbunden ist. Die andere Elektrode 26₂ des Kondensators 26 liegt an Masse, an einer festen Gleichvorspannung oder nicht an Masse, wobei sie mit einer Wechselvorspannung beaufschlagt werden kann. In diesem Falle kann die Vorspannung eine Frequenz aufweisen, die der Frequenz eines von dem Wechselstromsignalgenerator 24 abgegebenen Wechselstromsignals entspricht oder unterschiedlich ist.
Die Signalleitung 25 ist von einer Abschirmleitung 27 umgeben, durch die eine externe Einstreuung unerwünschter Signalanteile wie Rauschen in die Signalleitung 25 verhindert werden soll. Die Abschirmleitung 27 liegt hierbei nicht an Masse, sondern ist mit dem nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers 21 verbunden.
Da der Operationsverstärker 21 mit einer über den Rückkopplungswiderstand 23 erfolgenden Gegenkopplung versehen ist und eine erheblich höhere Spannungsverstärkung als die Kurzschlussverstärkung aufweist, befindet sich der Operationsverstärker 21 in einem imaginären Kurzschlusszustand mit einer anscheinend dem Wert unendlich entsprechenden Verstärkung, d.h., die elektrische Potentialdifferenz zwischen dem invertierenden Eingang (–) und dem nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers 21 ist weitgehend Null. Da somit die Signalleitung 25 und die Abschirmleitung 27 an der gleichen Spannung liegen, kann eine gegebenenfalls zwischen der Signalleitung 25 und der Abschirmleitung 27 auftretende Streukapazität unterdrückt werden und zwar unabhängig von der Länge der Signalleitung 25 und auch unabhängig von Bewegungen, Verbiegungen, einem Knick und dergleichen der Signalleitung 25.
Wenn nun die Wechselausgangsspannung des Wechselstromsignalgenerators 24 durch Vi, deren Kreisfrequenz durch ω, die statische Kapazität des Kondensators 26 durch Cx, der über die Kapazität 26 fließende Strom durch i₁, der Widerstandswert des Rückkopplungswiderstands 23 durch Rf, der über den Rückkopplungswiderstand 23 fließende Strom durch i₂, die Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 21 durch Vm und die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 21 durch V gegeben sind, so entspricht die Spannung Vm am invertierenden Eingang (–) der Signal-Wechselausgangsspannung Vi des Wechselstromsignalgenerators 24, da sich der Operationsverstärker 21 in der vorstehend beschriebenen Weise in einem imaginären Kurzschlusszustand befindet, d.h., folgende Gleichung ist erfüllt: Vi = Vm
Außerdem sind die nachstehenden Gleichungen ebenfalls erfüllt: i1 = –Vm/(1/jωCx) = –Vi/(1/jωCx) i2 = (Vm – V)/Rf = (Vi = V)/Rf
Da hierbei i₁ = i₂ gilt, lässt sich die Ausgangsspannung V des Operationsverstärkers 21 in Form der nachstehenden Gleichung ausdrücken: V = Vi(1 + jωRf·Cx)
Diese Gleichung gibt an, dass die Ausgangsspannung V des Operationsverstärkers 21 eine der statischen Kapazität Cx proportionale Wechselspannungskomponente umfasst. Durch entsprechende Verarbeitung der Ausgangsspannung V kann somit eine der statischen Kapazität Cx proportionale Gleichspannung abgeleitet werden.
Da sich der Operationsverstärker 21 in der vorstehend beschriebenen Weise in einem imaginären Kurzschlusszustand befindet, sodass eine zwischen der Signalleitung 25 und der Abschirmleitung 27 auftretende Streukapazität nicht zwischen dem invertierenden Eingang (–) und dem nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers 21 auftritt, beinhaltet die die Ausgangsspannung V des Operationsverstärkers 21 angebende Gleichung keinen Term, der sich auf die zwischen der Signalleitung 25 und der Abschirmleitung 27 auftretende Streukapazität bezieht. Aus diesem Grund kann auch eine sehr kleine statische Kapazität Cx in eine Spannung umgesetzt werden. Weiterhin kann auch bei einer geringen Kreisfrequenz ω der Ausgangswechselspannung Vi eine Spannung V abgegeben werden, die genau der statischen Kapazität Cx entspricht.
Da bei dem statischen Kapazitäts-Spannungswandler gemäß 2 die Signalleitung 25 und ein Endanschluss des Rückkopplungswiderstands 23 mit dem invertierenden Eingang (–) des Operationsverstärkers 21 verbunden sind, umfasst die Signalleitung 25 zwangsläufig in dem mit dem invertierenden Eingang verbundenen Endbereich einen von der Abschirmleitung 27 nicht umgebenen und damit nicht abgeschirmten Abschnitt. Aufgrund des Umstands, dass sich die Streukapazität zwischen diesem nicht abgeschirmten Bereich der Signalleitung 25 und ihrer Umgebung bildet, überwiegt bei einer kleineren statischen Kapazität Cx manchmal der Einfluss dieser Streukapazität, wodurch das Problem entsteht, dass eine genaue Erfassung der statischen Kapazität Cx nicht mehr möglich ist.
Die Erfindung ist zur Lösung der vorstehend beschriebenen Probleme konzipiert worden, sodass ihr die Aufgabe zu Grunde liegt, einen Impedanz-Spannungswandler und ein zugehöriges Umsetzungsverfahren anzugeben, die eine sehr genaue Umsetzung der Impedanz eines Messobjekts in eine entsprechende Spannung ermöglichen, indem ein Operationsverstärker in einem imaginären Kurzschlusszustand zur Unterdrückung des Einflusses einer Streukapazität zwischen einer mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbundenen Leitung und einer diese Leitung umgebenden Abschirmleitung Verwendung findet und hierbei der Einfluss einer von einem nicht abgeschirmten Bereich der Signalleitung gebildeten Streukapazität unterdrückt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen statischen Kapazitäts-Spannungswandler, mit:
einem einen invertierenden Eingang, einen nichtinvertierenden Eingang und einen Ausgang aufweisenden Operationsverstärker, dessen Ausgang und dessen invertierender Eingang über einen Rückkopplungswiderstand miteinander verbunden sind,
einer Signalleitung, die über ein Ende mit dem invertierenden Eingang verbunden und über das andere Ende mit einem eine statische Kapazität aufweisendem statischen Kapazitätselement verbindbar ist,
einer Abschirmung, die zumindest einen Teil der Signalleitung umgibt und mit dem nichtinvertierenden Eingang verbunden ist,
einem Wechselstromsignalgenerator zum Anlegen eines Wechselstromsignals an den nichtinvertierenden Eingang, und
einer mit dem Ausgang des Operationsverstärkers und einem Ausgang des Wechselstromsignalgenerators verbundenen Einstelleinrichtung zur Einstellung des Ausgangssignals des statischen Kapazitäts-Spannungswandlers auf ein (annähernd 0 betragendes) Minimum, wenn kein statisches Kapazitätselement mit der Signalleitung verbunden ist.
Die Einstelleinrichtung umfasst hierbei einen abstimmbaren Frequenzgenerator für das Wechselstromsignal und eine Einstellschaltung, durch die die Amplituden und Phasen des Ausgangssignals des Operationsverstärkers und des Wechselstromsignals derart einstellbar sind, dass sie sich gegenseitig aufheben.
Vorzugsweise umfasst die Einstelleinrichtung
eine erste Einstelleinrichtung zur Einstellung der Amplitude des Wechselstromsignals
eine zweite Einstelleinrichtung zur Herbeiführung einer derartigen Einstellung der Phase und Amplitude einer von dem Operationsverstärker abgegebenen Ausgangsspannung, dass die Ausgangsspannung die gleiche Amplitude und die entgegengesetzte Phase in Bezug auf das Ausgangssignal der ersten Einstelleinrichtung aufweist, und
einen Addierer zur Addition des Ausgangssignals der ersten Einstelleinrichtung und des Ausgangssignals der zweiten Einstelleinrichtung.
Alternativ umfasst die Einstelleinrichtung vorzugsweise
eine dritte Einstelleinrichtung zur Einstellung der Amplitude der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers,
eine vierte Einstelleinrichtung zur Herbeiführung einer derartigen Einstellung der Phase und Amplitude des Wechselstromsignals, dass das Wechselstromsignal die gleiche Amplitude und die entgegengesetzte Phase in Bezug auf das Ausgangssignal der dritten Einstelleinrichtung aufweist, und
einen Addierer zur Addition des Ausgangssignals der dritten Einstelleinrichtung und des Ausgangssignals der vierten Einstelleinrichtung.
Ferner kann zusätzlich ein Integrator zur Integration des Ausgangssignals der Einstelleinrichtung vorgesehen sein, sodass bei Verbindung einer statischen Kapazität mit dem anderen Ende der Signalleitung ein dem statischen Kapazitätswert der statischen Kapazität entsprechendes Signal als Ausgangssignal des Integrators erzeugt werden kann. Darüber hinaus kann ein Vergleicher zum Vergleichen der Phase des Ausgangssignals des Integrators mit der Phase des Wechselstromsignals vorgesehen sein. Wenn hierbei eine statische Kapazität mit dem anderen Ende der Signalleitung verbunden ist, kann ein den dielektrischen Verlustfaktor für die statische Kapazität des statischen Kapazitätselements angebendes Signal als Ausgangssignal des Vergleichers erzeugt werden.
Außerdem können ein erster und ein zweiter Synchrondetektor vorgesehen sein, denen das Ausgangssignal des Integrators und das Wechselstromsignal zugeführt werden, sodass der erste Synchrondetektor ein den statischen Kapazitätswert der statischen Kapazität angebendes Signal und der zweite Synchrondetektor ein den dielektrischen Verlustfaktor für den statischen Kapazitätswert der statischen Kapazität angebendes Signal abgeben.
Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Umsetzung einer statischen Kapazität in eine Spannung angegeben, mit den Schritten:
Erzeugung eines imaginären Kurzschlusszustands zwischen einem invertierenden Eingang und einem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers,
Verbinden eines Endes einer Signalleitung mit dem invertierenden Eingang, wobei zumindest ein Teil der Signalleitung von einer Abschirmung umgeben ist,
Anlegen der gleichen Spannung an die Abschirmung und den nichtinvertierenden Eingang,
Anlegen eines Wechselstromsignals an den nichtinvertierenden Eingang,
Vornahme einer derartigen Einstellung des Ausgangssignals des Operationsverstärkers und des Wechselstromsignals, dass das Ausgangssignal und das Wechselstromsignal einander aufheben, wenn mit dem anderen Ende der Signalleitung keine statische Kapazität verbunden ist, und
Verbinden einer statischen Kapazität mit dem anderen Ende der Signalleitung nach Einstellung des Ausgangssignals des Operationsverstärkers und des Wechselstromsignals dahingehend, dass das Ausgangssignal und das Wechselstromsignal einander aufheben, wenn mit dem anderen Ende der Signalleitung keine statische Kapazität verbunden ist, um ein dem statischen Kapazitätswert der statischen Kapazität entsprechendes Spannungssignal abzuleiten.
Vorzugsweise umfasst die dahingehende Einstellung des Ausgangssignals des Operationsverstärkers und des Wechselstromsignals, dass sich das Ausgangssignal und das Wechselstromsignal gegenseitig aufheben, wenn keine statische Kapazität mit dem anderen Ende der Signalleitung verbunden ist,
eine Veränderung der Frequenz des Wechselstromsignals und
eine derartige Einstellung des Ausgangssignals des Operationsverstärkers und des Wechselstromsignals in Phase und Amplitude, dass das Ausgangssignal und das Wechselstromsignal einander aufheben.
Weiterhin kann die dahingehende Einstellung des Ausgangssignals des Operationsverstärkers und des Wechselstromsignals, dass das Ausgangssignal und das Wechselstromsignal einander aufheben, wenn keine statische Kapazität mit dem anderen Ende der Signalleitung verbunden ist,
eine Einstellung der Amplitude des Wechselstromsignals,
eine derartige Einstellung der Phase und Amplitude der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers, dass die Ausgangsspannung die gleiche Amplitude und die entgegengesetzte Phase in Bezug auf das amplitudenmäßig eingestellte Wechselstromsignal aufweist, und
eine Addition des amplitudenmäßig eingestellten Wechselstromsignals und der phasenmäßig und amplitudenmäßig eingestellten Ausgangsspannung des Operationsverstärkers umfassen.
Alternativ kann die dahingehende Einstellung des Ausgangssignals des Operationsverstärkers und des Wechselstromsignals, dass sich das Ausgangssignal und das Wechselstromsignal gegenseitig aufheben, wenn keine statische Kapazität mit dem anderen Ende der Signalleitung verbunden ist,
eine Einstellung der Amplitude der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers,
eine derartige Einstellung der Phase und Amplitude des Wechselstromsignals, dass das Wechselstromsignal die gleiche Amplitude und die entgegengesetzte Phase in Bezug auf die amplitudenmäßig eingestellte Ausgangsspannung des Operationsverstärkers aufweist, und
eine Addition der amplitudenmäßig eingestellten Ausgangsspannung und des phasenmäßig und amplitudenmäßig eingestellten Wechselstromsignals umfassen.
Das Umsetzungsverfahren kann auch eine Integration des Spannungssignals zur Abgabe eines der statischen Kapazität entsprechenden Signals und/oder einen Vergleich der Phase des integrierten Signals mit der Phase des Wechselstromsignals zur Abgabe eines den dielektrischen Verlustfaktor für die statische Kapazität angebenden Signals umfassen.
Weiterhin kann eine synchrone Detektion des integrierten Signals mit dem Wechselstromsignal zur Abgabe eines die statische Kapazität des statischen Kapazitätselements angebenden Signals und eines den dielektrischen Verlustfaktor für die statische Kapazität des statischen Kapazitätselements angebenden Signals vorgenommen werden.
Die Abschirmung wird vorzugsweise von einer Abschirmleitung gebildet, die die Signalleitung über deren gesamte Länge hinweg umgibt. Weiterhin kann die statische Kapazität von einem kapazitiven Sensor gebildet werden. Darüber hinaus kann die statische Kapazität eine Messelektrode umfassen, sodass zwischen einem Messobjekt und der Messelektrode eine statische Kapazität gebildet wird.
Hierbei kann die Messelektrode während einer Messungs-Wartezeit in einem Gehäuse angeordnet werden, das an die gleiche Spannung wie der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers gelegt wird, wobei ein Nullabgleich zur Unterdrückung einer zwischen der Messelektrode und ihrer Umgebung gebildeten Streukapazität vorgenommen wird.
Da der Operationsverstärker in einen imaginären Kurzschlusszustand zwischen dem invertierenden Eingang und dem nichtinvertierenden Eingang versetzt wird, wird somit eine zwischen der Signalleitung und der Abschirmleitung entstehende Streukapazität unterdrückt. Durch Einstellung des Ausgangssignals des statischen Kapazitäts-Spannungswandlers auf ein (annähernd 0 betragendes) Minimum, wenn keine statische Kapazität mit der Signalleitung verbunden ist, wird der statische Kapazitäts-Spannungswandler außerdem auch nicht von einer im nicht abgeschirmten Bereich der Signalleitung entstehenden Streukapazität beeinflusst. Auf diese Weise wird eine einer statischen Kapazität entsprechende Spannung erhalten, die unabhängig von der Länge der Signalleitung und der Abschirmung von Streukapazitäten unbeeinflusst bleibt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein schematisches Schaltbild, das ein Ausführungsbeispiel eines statischen Kapazitäts-Spannungswandlers des Standes der Technik veranschaulicht,
2 ein schematisches Schaltbild, das einen von der Anmelderin zur Beseitigung von Nachteilen des statischen Kapazitäts-Spannungswandlers gemäß 1 vorgeschlagenen statischen Kapazitäts-Spannungswandler veranschaulicht,
3 ein Blockschaltbild, das den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen statischen Kapazitäts-Spannungswandlers schematisch veranschaulicht,
4 ein Schaltbild, das ein Ausführungsbeispiel für eine spezifische Konfiguration des statischen Kapazitäts-Spannungswandlers gemäß 3 veranschaulicht,
5 ein Blockschaltbild, das den Aufbau eines Kapazitätsmessgeräts veranschaulicht, bei dem der statische Kapazitäts-Spannungswandler gemäß 3 Verwendung findet,
6 ein Blockschaltbild eines Beispiels für eine Modifikation des Kapazitätsmessgeräts gemäß 5,
7 ein Blockschaltbild, das den Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen statischen Kapazitäts-Spannungswandlers schematisch veranschaulicht,
8 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels für eine spezifische Konfiguration des statischen Kapazitäts-Spannungswandlers gemäß 7,
9 ein Blockschaltbild, das die Konfiguration eines Kapazitätsmessgerätes veranschaulicht, bei dem der statische Kapazitäts-Spannungswandler gemäß 7 Verwendung findet,
10 ein Blockschaltbild, das ein Beispiel für eine Modifikation des Kapazitätsmessgeräts gemäß 9 veranschaulicht, und
11 experimentelle Ergebnisse, die bei dem Ausführungsbeispiel des statischen Kapazitäts-Spannungswandlers gemäß 4 erhalten wurden, wobei für die elektrischen Schaltungsanordnungen geeignete elektrische Bauelemente gewählt wurden.
Beste Ausführungsformen der Erfindung
3 zeigt ein Blockschaltbild, das schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen statischen Kapazitäts-Spannungswandlers veranschaulicht. Wie 3 zu entnehmen ist, umfasst der statische Kapazitäts-Spannungswandler eine Kapazitäts-Spannungswandlereinheit 1, eine Phasen-Einstelleinrichtung 2 zur Einstellung der Phase der Ausgangsspannung der Kapazitäts-Spannungswandlereinheit 1, eine erste Amplituden-Einstelleinrichtung 3 zur Einstellung der Amplitude der phasenmäßig eingestellten Spannung, einen Wechselstromsignalgenerator 4 mit einem abstimmbaren Frequenzgenerator, eine zweite Amplituden-Einstelleinrichtung 5 zur Einstellung der Amplitude des von dem Wechselstromsignalgenerator 4 abgegebenen Wechselstromsignals sowie einen Addierer 6 zur Addition der von der ersten Amplituden-Einstelleinrichtung 3 und der zweiten Amplituden-Einstelleinrichtung 5 abgegebenen Spannungen.
Die Kapazitäts-Spannungswandlereinheit 1 umfasst einen Operationsverstärker 11, der als Verstärker mit einer erheblich höheren Spannungsverstärkung als die Kurzschlussverstärkung ausgestaltet sein kann, sodass die Verstärkung fast unendlich zu sein scheint. Zwischen den Ausgang und einen invertierenden Eingang (–) des Operationsverstärkers 11 ist ein Rückkopplungswiderstand 12 zur Bildung einer Gegenkopplung für den Operationsverstärker 11 geschaltet. Weiterhin umfasst der Operationsverstärker 11 einen nichtinvertierenden Eingang (+), der von dem Wechselstromsignalgenerator 4 mit einem Wechselstromsignal beaufschlagt wird, wobei der invertierende Eingang (–) mit einem Ende einer Signalleitung 13 verbunden ist. Das andere Ende der Signalleitung 13 kann mit einem eine statische Kapazität Cx aufweisenden statischen Kapazitätselement 14 wie einem Kondensator oder dergleichen verbunden werden. Das statische Kapazitätselement 14 umfasst eine Elektrode 14₁ sowie eine weitere Elektrode 14₂ , die an Masse, an einer festen Gleichvorspannung oder nicht an Masse liegt. Alternativ kann die andere Elektrode 14₂ mit einer Wechselvorspannung beaufschlagt werden, deren Frequenz der Frequenz des von dem Wechselstromsignalgenerator 4 abgegebenen Wechselstromsignals entspricht oder unterschiedlich ist. Außerdem wird der invertierende Eingang (–) über eine Streukapazität Cp mit einem Umgebungs-Wechselspannungssignal beaufschlagt, das im allgemeinen eine andere Frequenz als das von dem Wechselstromsignalgenerator 4 abgegebene Wechselstromsignal und die der Elektrode 14₂ zugeführte Wechselvorspannung aufweist.
Die Signalleitung 13 ist von einer Abschirmleitung 15 zur Verhinderung einer externen Einstreuung von unerwünschten Signalen wie Rauschen in die Signalleitung 13 umgeben. Die Abschirmleitung 15 liegt hierbei nicht an Masse, sondern ist mit dem nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers 11 verbunden.
Die Kapazitäts-Spannungswandlereinheit 1 besitzt im wesentlichen den gleichen Aufbau wie im Falle des Kapazitäts-Spannungswandlers gemäß 7. Da der Operationsverstärker 11 über den Rückkopplungswiderstand 12 mit einer Gegenkopplung versehen ist, besitzt der Operationsverstärker 11 eine erheblich höhere Spannungsverstärkung als die Kurzschlussverstärkung, sodass seine Verstärkung annähernd unendlich zu sein scheint und zwischen den beiden Eingängen des Operationsverstärkers 11 ein imaginärer Kurzschlusszustand vorliegt, bei dem die Spannungsdifferenz zwischen dem invertierenden Eingang (–) und dem nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers 11 im wesentlichen 0 ist. Da somit die Signalleitung 13 und die Abschirmleitung 15 an dem gleichen elektrischen Potential (Spannung) liegen, kann eine zwischen der Signalleitung 13 und der Abschirmleitung 15 gegebenenfalls auftretende Streukapazität unabhängig von der Länge der Signalleitung 13 und auch unabhängig von Bewegungen, Verbiegungen, Knicken und dergleichen der Signalleitung 13 unterdrückt werden.
Da jedoch die Signalleitung 13 in der Nähe des mit dem invertierenden Eingang (–) des Operationsverstärkers 11 verbundenen Endbereichs einen von der Abschirmleitung 15 nicht abgeschirmten Abschnitt aufweist, bildet sich eine Streukapazität Cp zwischen diesem nicht abgeschirmten Abschnitt der Signalleitung 13 und dessen Umgebung. Diese Streukapazität Cp beeinträchtigt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 11 und damit die Ausgangsspannung V' der Kapazitäts-Spannungswandlereinheit 1 mit der Folge, dass die Ausgangsspannung V' die statische Kapazität des statischen Kapazitätselements 14 nicht genau wiedergibt.
Zur Unterdrückung des Einflusses der Streukapazität Cp wird bei diesem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung die Frequenz des von dem Wechselstromsignalgenerator 4 abgegebenen Wechselstromsignals zur Verringerung der Ausgangsspannung Vout des Addierers 6 im wesentlichen auf den Wert 0 eingestellt, wenn das statische Kapazitätselement 14 nicht mit dem anderen Ende der Signalleitung 13 verbunden ist, während die Phase und Amplitude der Ausgangsspannung V' von der Phasen-Einstelleinrichtung 2 bzw. der ersten Amplituden-Einstelleinrichtung 3 und die Amplitude des von dem Wechselstromsignalgenerator 4 abgegebenen Wechselstromsignals von der zweiten Amplituden-Einstelleinrichtung 5 dahingehend eingestellt werden, dass das Ausgangssignal der ersten Amplituden-Einstelleinrichtung 3 in Bezug auf das Ausgangssignal der zweiten Amplituden-Einstelleinrichtung 5 die gleiche Amplitude und entgegengesetzte Phase aufweist. Sodann werden diese beiden Ausgangssignale von dem Addierer 6 addiert, wodurch sich die Ausgangssignale der ersten Amplituden-Einstelleinrichtung 3 und der zweiten Amplituden-Einstelleinrichtung 5 gegenseitig aufheben.
Mit Hilfe des abstimmbaren Frequenzgenerators des Wechselstromsignalgenerators 4, der Phasen-Einstelleinrichtung 2, der ersten Amplituden-Einstelleinrichtung 3, der zweiten Amplituden-Einstelleinrichtung 5 und des Addierers 6 wird somit eine Einstelleinrichtung gebildet, durch die die elektrische Potentialdifferenz minimiert bzw. eingestellt wird. Wenn das statische Kapazitätselement 14 nach dieser Minimierung oder nach Durchführung dieses Nullabgleichs mit dem anderen Ende der Signalleitung 13 verbunden wird, wird von dem Addierer 6 eine der statischen Kapazität des statischen Kapazitätselements 14 genau entsprechende Spannung Vout abgegeben, bei der keine Beeinträchtigung durch die Streukapazität Cp und eine zwischen der Signalleitung 13 und der Abschirmleitung 15 auftretende Streukapazität vorliegt.
4 zeigt ein Schaltbild, das ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau und die Verbindungen zwischen verschiedenen Komponenten des statischen Kapazitäts-Spannungswandlers gemäß 3 veranschaulicht. 4 zeigt Widerstände R1 bis R13, einen Kondensator C1, Operationsverstärker AMP1 bis AMP6, ein Wechselspannungssignal Vin mit einer Kreisfrequenz ω sowie eine Wechselvorspannung Vs, die den nichtinvertierenden Eingängen von jeweiligen Operationsverstärkern in der Phasen-Einstelleinrichtung 2, der ersten Amplituden-Einstelleinrichtung 3, der zweiten Amplituden-Einstelleinrichtung 5 und dem Addierer 6 zugeführt wird. Die Kapazitäts-Spannungswandlereinheit 1 gemäß 4 besteht hierbei aus dem dem Rückkopplungswiderstand 12 entsprechenden Widerstand R1 und dem dem Operationsverstärker 11 entsprechenden Operationsverstärker AMP1. Der Wechselstromsignalgenerator 4 ist wiederum dahingehend ausgestaltet, die Ausgangsspannung Vin eines Oszillators einem den Operationsverstärker AMP4 umfassenden Pufferverstärker zur Bildung einer Ausgangsspannung Vd (= Vin) zuzuführen.
Nachstehend werden Betrieb und Wirkungsweise des statischen Kapazitäts-Spannungswandlers gemäß 4 unter mathematischen Gesichtspunkten näher beschrieben. Es sei hierbei angenommen, dass die Ausgangsspannung der Kapazitäts-Spannungswandlereinheit 1 durch Va, die Ausgangsspannung der Phasen-Einstelleinrichtung 2 durch Vb, die Ausgangsspannung der ersten Amplituden-Einstelleinrichtung 3 durch Vc, die Ausgangsspannung des Wechselstromsignalgenerators 4 durch Vd und, die Ausgangsspannung der zweiten Amplituden-Einstelleinrichtung 5 durch Ve gegeben sind und dass R3 = R4 gilt. Wenn weiterhin aus Vereinfachungsgründen angenommen wird, dass Vs = 0 gilt, werden die nachstehenden Gleichungen erhalten: Va = Vin[1 + R1·jω(Cx + Cp)] Vb = Va(1 – R5·jωC1)/(1 + r5·jωC1) Vc = (R7/R6)Vb Vd = Vin Ve = (R11/R10)Vin Vout = –(R9/R8)Vc + [1 + (R9/R8)] × [R13/(R12 + R13)]Ve
Die Ausgangsspannung Vout des Addierers 6 lässt sich somit durch die nachstehende Gleichung ausdrücken: Vout = (R9/R8)(R7/R6) × {[1 + R1·jω(Cx + Cp)](1 – R5·jωC1)/(1 + R5jωC1)}Vin – {1 + (R9/R8)[R13/(R12 + R13)]} × (R11/R10)Vin
Wenn hierbei die Widerstandswerte derart gewählt werden, dass R1 = R2, R6 = R7, R8 = R9, R10 = 2R11 und R12 = R13 gelten, wird die Ausgangsspannung Vout des Addierers 6 in folgender Form erhalten: Vout = {[1 + R1·jω(Cx + Cp)](1 – R5·jωC1)/(1 + R5·jωC1)}Vin – 2Vin (1)
Wenn erfindungsgemäß das statische Kapazitätselement 14 zunächst nicht mit der Signalleitung 13 verbunden ist, d.h., wenn Cx = 0 gilt, werden die Phase und Amplitude der Ausgangsspannung der Kapazitäts-Spannungswandlereinheit 1 und die Kreisfrequenz und Amplitude des von dem Wechselstromsignalgenerator 4 abgegebenen Wechselspannungssignals dahingehend eingestellt, dass Vout in Gleichung (1) den Wert Null aufweist. Wenn in Gleichung (1) Vout = 0 gesetzt wird, um eine Bedingung zu ermitteln, bei der Vout den Wert 0 aufweist, wird die folgende Gleichung erhalten: {[1 + R1·jω(Cp)](1 – R5·jωC1)/(1 + R5·jωC1)} – 2 = 0
Diese Gleichung lässt sich folgendermaßen umschreiben: R1R5ω2C1Cp – 1 + (R1Cp – 3R5C1)jω = 0
Zur Erfüllung dieser Gleichung müssen folgende Bedingungen gegeben sein: R1R5ω2C1Cp = 1 (2) R1Cp = 3R5C1 (3)
Durch Einsetzen von Gleichung (3) in Gleichung (2) und Lösen von Gleichung (2) für ω wird dann erhalten: ω = 1/(R1CpR5C1)1/2 = 1/[(3)1/2R5C1] (4)
Wie aus der vorstehenden Betrachtung ersichtlich ist, werden erfindungsgemäß R5, C1 und ω dahingehend eingestellt, dass die Gleichungen (3) und (4) in einem Zustand erfüllt sind, bei dem das statische Kapazitätselement 14 nicht mit der Signalleitung 13 verbunden ist, sodass die Ausgangsspannung Vout des Addierers 6 den Wert Null annimmt.
Wenn sodann das statische Kapazitätselement 14 mit der Signalleitung 13 verbunden wird, ist in der vorstehend beschriebenen Weise die folgende Gleichung erfüllt: {[1 + R1·jω(Cp)](1 – R5·jωC1)/(1 + R5·jωC1)}Vin – 2Vin = 0
Da die Gleichungen (3) und (4) erfüllt sind, lässt sich Gleichung (1) folgendermaßen wiedergeben: Vout = R1·jωCx(1 – R5·jωC1)/(1 + R5·jωC1)
Durch Einsetzen dieses Ausdrucks in Gleichung (4) lässt sich Vout folgendermaßen ausdrücken: Vout = (4/3)VinR1·jωCx (5)
Gleichung (5) gibt nunmehr an, dass die Ausgangsspannung Vout des Addierers 6 in keiner Weise von einer anderen statischen Kapazität als der statischen Kapazität Cx des statischen Kapazitätselements 14 bestimmt wird.
Da bei dem statischen Kapazitäts-Spannungswandler gemäß den 3 und 4 in der vorstehend beschriebenen Weise somit eine Unterdrückung einer zwischen der Signalleitung 13 und der Abschirmleitung 15 gebildeten Streukapazität sowie einer zwischen dem nicht abgeschirmten Abschnitt der Signalleitung 13 und dessen Umgebung gebildeten Streukapazität erfolgt, kann eine Spannung abgegeben werden, die unbeeinträchtigt von diesen Streukapazitäten genau der statischen Kapazität Cx des statischen Kapazitätselements 14 entspricht.
Wie vorstehend beschrieben, entspricht die Verbindung des die statische Kapazität Cx aufweisenden statischen Kapazitätselements 14 mit der Signalleitung 13 einer Änderung der an dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers AMP1 anliegenden statischen Kapazität um den Wert Cx. Der statische Kapazitäts-Spannungswandler gemäß den 3 und 4 kann somit auch eine Spannung abgeben, die genau dem Wert ΔCx entspricht, wenn sich die statische Kapazität Cx des mit der Signalleitung 13 verbundenen statischen Kapazitätselements 14 um den Wert ΔCx verändert. Nachstehend wird dieser Vorgang in Verbindung mit dem statischen Kapazitäts-Spannungswandler gemäß 4 näher beschrieben.
Wenn das statische Kapazitätselement 14 mit der Signalleitung 13 verbunden ist, lässt sich die Ausgangsspannung Vout des Addierers 6 in Form der vorstehenden Gleichung (1) ausdrücken. Es sei nun angenommen, dass in diesem Zustand Vout den Wert Null aufweist. Die hierfür erforderlichen Bedingungen ergeben sich aus Gleichung (1), indem Vout = 0 gesetzt wird: R5C1 = (1/3)R1(Cx + Cp) (6) ω = 1/(3)1/2R5C1 (7)
Die Ausgangsspannung Vout des Addierers 6 kann somit den Wert Null annehmen, indem die Kreisfrequenz ω des von dem Wechselstromsignalgenerator 4 abgegebenen Wechselstrom- bzw. Wechselspannungssignals sowie die Werte von R5 und C1 zur Erfüllung der Gleichungen (6) und (7) eingestellt werden.
Wenn sich die statische Kapazität Cx des statischen Kapazitätselements 14 um ΔCx verändert hat, lässt sich sodann die Ausgangsspannung Vout des Addierers 6 ausdrücken, indem in Gleichung (1) der Wert Cx durch Cx + ΔCx ersetzt wird: Vout = {[1 + R1·jω(Cx + ΔCx + Cp)] × (1 – R5·jωC1)/(1 + R5·jωC1)}Vin – 2Vin (8)
Durch Einsetzen der Gleichungen (6) und (7) in Gleichung (8) und Verwendung von V = 0 in Gleichung (1) ergibt sich dann: Vout = (4/3)VinR1·jωΔCx (9)
Diese Gleichung gibt an, dass Vout genau dem Wert ΔCx entspricht, was wiederum beinhaltet, dass der statische Kapazitäts-Spannungswandler gemäß 4 eine Spannung abgeben kann, die genau einer Kapazitätsänderung des mit der Signalleitung 13 verbundenen statischen Kapazitätselements 14 entspricht.
Obwohl im Rahmen der vorstehenden Beschreibung von der Annahme ausgegangen worden ist, dass Vs = 0 erfüllt ist, werden die gleichen Ergebnisse auch im Falle von Vs ≠ 0 erhalten, wobei lediglich die entsprechenden Berechnungen komplizierter sind. Alternativ kann bei der Schaltungsanordnung gemäß den 3 und 4 auch ein Subtrahierer anstelle des Addierers 6 Verwendung finden, wobei dem Subtrahierer dann das Ausgangssignal der ersten Amplituden-Einstelleinrichtung 3 und das Ausgangssignal der zweiten Amplituden-Einstelleinrichtung 5 zugeführt werden, die dahingehend eingestellt sind, dass sie die gleiche Amplitude und Phase aufweisen.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 5 ein Kapazitätsmessgerät näher beschrieben, das ein Ausführungsbeispiel für die Anwendung des statischen Kapazitäts-Spannungswandlers gemäß 3 darstellt. Dieses Kapazitätsmessgerät ist dahingehend ausgestaltet, dass mit dem Addierer gemäß 3 zusätzlich ein Integrator 16 verbunden ist, wobei die Ausgänge des Integrators 16 und des Wechselstromsignalgenerators 4 mit einem Phasenvergleicher 17 verbunden sind.
Wie vorstehend beschrieben, lässt sich die Ausgangsspannung Vout des Addierers 6 durch die Gleichungen (5) und (9) ausdrücken. Durch Integration dieser Spannung mit Hilfe des Integrators 16 kann dann eine Spannung E erzeugt werden, die der statischen Kapazität Cx des statischen Kapazitätselements 14 oder einer Änderung ΔCx der statischen Kapazität Cx proportional ist. Durch Verwendung des Phasenvergleichers 17 zur Bildung einer Phasendifferenz zwischen der von dem Integrator 16 abgegebenen Spannung E und dem von dem Wechselstromsignalgenerator 4 abgegebenen Wechselspannungssignal Vin kann außerdem ein dielektrischer Verlustfaktor für das statische Kapazitätselement 14 abgeleitet werden.
In ähnlicher Weise kann das Kapazitätsmessgerät gemäß 5 auch dahingehend ausgestaltet werden, dass eine Elektrode 14₁ des statischen Kapazitätselements 14 als Messelektrode dient, während die andere Elektrode 14₂ als Messobjekt Verwendung findet, bei dem auf der Basis der Größe der zwischen der einen Elektrode 14₁ und der anderen Elektrode 14₂ gebildeten statischen Kapazität Cx bestimmt wird, ob ein guter oder schlechter Zustand vorliegt. Hierbei ist ein Gehäuse für das Kapazitätsmessgerät vorgesehen, das an dem gleichen elektrischen Potential (Spannung) wie der Operationsverstärker 11 liegt. Nach Anordnung der Messelektrode in diesem Gehäuse wird dann die Ausgangsspannung Vout des Addierers 6 auf einen Minimalwert bzw. Null eingestellt. Wenn die Messelektrode bei einer Messung dem Gehäuse entnommen wird, tritt bei dem Addierer 6 eine Driftspannung auf, die der Streukapazität zwischen der Messelektrode und ihrer Umgebung proportional ist. Eine statische Kapazität zwischen der Messelektrode und dem Messobjekt kann daher genauer gemessen werden, indem die Phasen-Einstelleinrichtung 2, die erste Amplituden-Einstelleinrichtung 3 und die zweite Amplituden-Einstelleinrichtung 5 dahingehend korrigiert werden, dass der Driftwert minimal oder Null wird. Bei einer in der Praxis durchgeführten Messung unter Verwendung eines Silicium-Halbleiterelements konnte mit Hilfe dieses Kapazitätsmessgerätes eine sehr kleine statische Kapazität in der Größenordnung von 1 bis 2 Femtofarad gemessen und auf diese Weise die Effektivität der Erfindung eindrucksvoll demonstriert werden.
6 zeigt ein Blockschaltbild, das schematisch ein modifiziertes Ausführungsbeispiel des Kapazitätsmessgerätes gemäß 5 veranschaulicht, bei dem der Ausgang des Integrators 16 gemäß 5 mit einem ersten Synchrondetektor 18 und einem zweiten Synchrondetektor 19 verbunden ist, wobei diesen Synchrondetektoren 18, 19 gleichzeitig das von dem Wechselstromsignalgenerator 4 abgegebene Wechselspannungssignal zugeführt wird. Wenn der erste Synchrondetektor 18 die von dem Integrator 16 abgegebene Spannung E synchron mit dem in Bezug auf die Spannung E phasengleichen Wechselspannungssignal Vin erfasst, lässt sich die statische Kapazität Cx des statischen Kapazitätselements 14 oder eine Änderung ΔCx der statischen Kapazität Cx als Ausgangssignal des ersten Synchrondetektors 18 ableiten. Wenn der zweite Synchrondetektor 19 die von dem Integrator 16 abgegebene Spannung E synchron mit dem in Bezug auf die Spannung E um 90° phasenverschobenen Wechselspannungssignal Vin erfasst, lässt sich der dielektrische Verlustfaktor für das statische Kapazitätselement 14 in Form des Ausgangssignals des zweiten Synchrondetektors 19 ableiten.
Die statische Kapazität Cx des statischen Kapazitätselements 14 kann somit mit Hilfe des ersten Synchrondetektors 18 als Mittelwert oder als integrierter Wert der Spannung E über einen Bereich von 0° bis 180° in Bezug auf die Phase des von dem Wechselstromsignalgenerator 4 abgegebenen Wechselspannungssignals Vin erhalten werden. Ferner kann der dielektrische Verlustfaktor für die statische Kapazität Cx des statischen Kapazitätselements 14 mit Hilfe des zweiten Synchrondetektors 19 als Mittelwert oder als integrierter Wert der Spannung E über einen Bereich von 90° bis 270° in Bezug auf die Phase des von dem Wechselstromsignalgenerator 14 abgegebenen Wechselspannungssignals Vin erhalten werden.
Nachstehend wird der Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen statischen Kapazitäts-Spannungswandlers unter Bezugnahme auf 7 näher beschrieben. Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß 7 unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 3 dahingehend, dass die Phasen-Einstelleinrichtung 2 nicht zwischen die Kapazitäts-Spannungswandlereinheit 1 und die erste Amplituden-Einstelleinrichtung 3, sondern zwischen den Wechselstromsignalgenerator 4 und die zweite Amplituden-Einstelleinrichtung 5 geschaltet ist. Während bei der Schaltungsanordnung gemäß den 3 und 4 hohe Oberwellenanteile des von dem Wechselstromsignalgenerator 4 abgegebenen Wechselspannungssignals Vin in die Phasen-Einstelleinrichtung 2 oder die erste Amplituden-Einstelleinrichtung 3 gelangen können, lässt sich dies in der in 7 veranschaulichten Weise effektiv verhindern, indem die Phasen-Einstelleinrichtung 2 zwischen den Wechselstromsignalgenerator 4 und die zweite Amplituden-Einstelleinrichtung 5 geschaltet wird.
8 zeigt ein Schaltbild, das ein Ausführungsbeispiel für die Konfiguration einer jeden Komponente des statischen Kapazitäts-Spannungswandlers gemäß 7 sowie die Verbindungen zwischen diesen Komponenten veranschaulicht, wobei den Komponenten gemäß 4 entsprechende oder ähnliche Komponenten mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind. Hierbei ist jedoch der Aufbau der ersten Amplituden-Einstelleinrichtung 3 dahingehend modifiziert, dass der Ausgang der Kapazitäts-Spannungswandlereinheit 1 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers AMP3 über einen Widerstand R6' verbunden ist und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers AMP3 über einen Widerstand R7' eine Wechselvorspannung Vs zugeführt wird.
Nachstehend werden Betrieb und Wirkungsweise des statischen Kapazitäts-Spannungswandlers gemäß 8 unter mathematischen Gesichtspunkten näher beschrieben. Bei der Schaltungsanordnung gemäß 8 sind die nachstehenden Gleichungen erfüllt: Va = Vin[1 + R1·jω(Cx + Cp) Vb = Vin Vc = (R7/R6)Vin + [1 + (R7/R6)] × [R7'/(R6' + R7')]Va Vd = [(1 + R4/R3)/(1 + R5·jωC1) – R4/R3]Vb Ve = (R11/R10)Vd Vout = –(R9/R8)Vc + [1 + (R9/R8)] × [R13/(R12 + R13)]Ve]
Die Ausgangsspannung Vout des Addierers 6 lässt sich somit durch folgende Gleichung ausdrücken: Vout = (R9/R8)(R7/R6)Vin – {[1 + R7/R6)] × [R7'/(R6' + R7')][1 + R1·jω(Cx + Cp)]}Vin – {[1 + (R9/R8)] × [R15/(R12/R3)](R11/R10) × [1 + (R4/R3)]/(1 + R5·jωC1) – (R4/R3)}Vin
Wenn hierbei die Widerstandswerte derart gewählt werden, dass R3 = R4, R6 = R7, R6' = R7', R8 = R9, R10 = R11 und R12 = R13 gelten, lässt sich die Ausgangsspannung Vout des Addierers 6 folgendermaßen ausdrücken Vout = {[R5·jωC1 – 1)/(1 + R5·jωC1)] – R1·jω(Cx + Cp)}Vin (10)
Wenn das statische Kapazitätselement 14 nicht mit der Signalleitung 13 verbunden ist, d.h., wenn Cx = 0 gilt, sind die Amplitude der Ausgangsspannung der Kapazitäts-Spannungswandlereinheit 1 und die Kreisfrequenz, Amplitude und Phase des von dem Wechselstromsignalgenerator 4 abgegebenen Wechselspannungssignals dahingehend eingestellt, dass Vout in der Gleichung (10) den Wert 0 hat. Wenn zur Ermittlung einer Bedingung, für die Vout den Wert 0 hat, in Gleichung (10) der Wert 0 für Vout (Vout = 0) und der Wert Null für Cx (Cx = 0) eingesetzt werden, lässt sich Gleichung (10) folgendermaßen ausdrücken: [(R5·jωC1 – 1)/(1 + R5·jωC1)] – R1·jωCp = 0 (11)
Aus dieser Gleichung lassen sich ableiten: R5C1 = R1Cp (12) ω = 1/(R5C1R1Cp)1/2 (13)
Vout kann somit auf den Wert Null gebracht werden, indem R5, C1 und ω zur Erfüllung der Gleichungen (12) und (13) in einem Zustand eingestellt werden, bei dem das statische Kapazitätselement 14 nicht mit der Signalleitung 13 verbunden ist.
Wenn sodann das statische Kapazitätselement 14 mit der Signalleitung 13 verbunden wird, lässt sich bei Erfüllung der Gleichungen (11), (12) und (13) die Gleichung (10) nunmehr folgendermaßen ausdrücken: Vout = VinR1·jωCx (14)
Gleichung (14) lässt sich entnehmen, dass die Ausgangsspannung Vout des Addierers 6 in keiner Weise von einer anderen statischen Kapazität als der statischen Kapazität Cx des statischen Kapazitätselements 14 bestimmt wird.
Da auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel des statischen Kapazitäts-Spannungswandlers gemäß den 7 und 8 eine zwischen der Signalleitung 13 und der Abschirmleitung 15 auftretende Streukapazität sowie eine zwischen dem nicht abgeschirmten Abschnitt der Signalleitung 13 und dessen Umgebung auftretende Streukapazität in der vorstehend im einzelnen beschriebenen Weise unterdrückt werden, kann eine Spannung abgegeben werden, die ohne Beeinträchtigungen durch solche Streukapazitäten genau der statischen Kapazität Cx des statischen Kapazitätselements 14 entspricht.
Bei dem vorstehend in Verbindung mit 8 beschriebenen statischen Kapazitäts-Spannungswandler ist die Verbindung des die statische Kapazität Cx aufweisenden statischen Kapazitätselements 14 mit der Signalleitung 13 einer Änderung der mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers AMP1 verbundenen statischen Kapazität um den Wert Cx gleichzusetzen. Der statische Kapazitäts-Spannungswandler gemäß 8 kann somit auch eine Spannung abgeben, die genau einem Wert ΔCx entspricht, wenn sich die statische Kapazität Cx des mit der Signalleitung 13 verbundenen statischen Kapazitätselements 14 um diesen Wert ΔCx verändert. Nachstehend wird auf diesen Vorgang näher eingegangen.
Bei Verbindung des statischen Kapazitätselements 14 mit der Signalleitung 13 lässt sich die Ausgangsspannung Vout des Addierers 6 durch die vorstehend beschriebene Gleichung (10) ausdrücken. Es sei nun angenommen, dass Vout in diesem Zustand den Wert Null aufweist. Die hierfür erforderlichen Bedingungen ergeben sich durch Einsetzen von 0 für Vout (Vout = 0) in Gleichung (10): R5C1 = R1(Cx + Cp) (15) ω = 1/[R5C1R1(Cx + Cp)1/2 = 1/R5C1 (16)
Die Ausgangsspannung Vout des Addierers 6 kann somit auf den Wert Null gebracht werden, indem die Kreisfrequenz ω des von dem Wechselstromsignalgenerator 4 abgegebenen Wechselspannungssignals sowie die Werte R5 und C1 zur Erfüllung der Gleichungen (15) und (16) eingestellt werden.
Wenn sich sodann die statische Kapazität Cx des statischen Kapazitätselements 14 um ΔCx verändert, lässt sich dies durch Einsetzen von Cx + ΔCx für Cx in Gleichung (10) ausdrücken: Vout = {[R5·jωC1 – 1)/(1 + R5·jωC1)] – R1·jω(Cx + ΔCx + Cp)}Vin (17)
Durch Einsetzen der Gleichungen (15) und (16) und von Vout = 0 in Gleichung (17) ergibt sich sodann: Vout = –VinR1·jωΔCx (18)
Diese Gleichung gibt an, dass Vout genau ΔCx entspricht, was beinhaltet, dass der statische Kapazitäts-Spannungswandler gemäß 8 eine Spannung abgeben kann, die genau einer Änderung der Kapazität des mit der Signalleitung 13 verbundenen statischen Kapazitätselements 14 entspricht.
Obwohl die vorstehende Beschreibung unter der Annahme erfolgt ist, dass Vs = 0 erfüllt ist, ergeben sich die gleichen Ergebnisse auch bei Vs ≠ 0, wobei lediglich die zugehörigen Gleichungen bzw. Berechnungen komplizierter sind. Alternativ kann bei den Schaltungsanordnungen gemäß den 7 und 8 auch ein Subtrahierer anstelle des Addierers 6 Verwendung finden, wobei diesem Subtrahierer dann die Ausgangssignale der ersten Amplituden-Einstelleinrichtung 3 und der zweiten Amplituden-Einstelleinrichtung 5 zugeführt werden, die dahingehend eingestellt sind, dass sie die gleiche Amplitude und Phase aufweisen.
9 veranschaulicht den Aufbau eines Kapazitätsmessgerätes, bei dem der statische Kapazitäts-Spannungswandler gemäß 7 Anwendung findet. Dieses dem Kapazitätsmessgerät gemäß 5 ähnliche Kapazitätsmessgerät umfasst einen mit dem Addierer 6 verbundenen Integrator 16, wobei die Ausgänge des Integrators 16 und des Wechselstromsignalgenerators 4 mit einem Phasenvergleicher 17 verbunden sind. Während bei der Schaltungsanordnung gemäß den 3 und 4 hohe Oberwellenanteile des von dem Wechselstromsignalgenerator 4 abgegebenen Wechselspannungssignals Vin in die Phasen-Einstelleinrichtung 2 oder die erste Amplituden-Einstelleinrichtung 3 gelangen können, lässt sich durch Anordnung der Phasen-Einstelleinrichtung 2 in der in 9 veranschaulichten Position die Einstreuung von solchen hohen Oberwellenanteilen effektiv verhindern.
Wie vorstehend beschrieben, lässt sich die Ausgangsspannung Vout des Addierers 6 durch die Gleichungen (14) und (18) ausdrücken. Durch Integration dieser Spannung mit Hilfe des Integrators 16 kann dann eine Spannung E erhalten werden, die der statischen Kapazität Cx des statischen Kapazitätselements 14 oder einer Änderung ΔCx der statischen Kapazität Cx proportional ist. Ferner kann durch Verwendung des Phasenvergleichers 17 eine Phasendifferenz zwischen der von dem Integrator 16 abgegebenen Spannung E und dem von dem Wechselstromsignalgenerator 4 abgegebenen Wechselspannungssignal Vin erhalten und auf diese Weise der dielektrische Verlustfaktor für das statische Kapazitätselement 14 abgeleitet werden.
Ähnlich wie das Kapazitätsmessgerät gemäß 5 kann auch das Kapazitätsmessgerät gemäß 9 dahingehend ausgestaltet werden, dass eine Elektrode 14₁ des statischen Kapazitätselements 14 als Messelektrode dient, während die andere Elektrode 14₂ ein Messobjekt bildet, bei dem auf der Basis der Größe einer zwischen der einen Elektrode 14₁ und der anderen Elektrode 14₂ gebildeten statischen Kapazität Cx bestimmt wird, ob ein guter oder schlechter Zustand vorliegt. Hierbei ist ein Gehäuse für das Kapazitätsmessgerät vorgesehen, das an dem gleichen elektrischen Potential (Spannung) wie der Operationsverstärker 11 liegt. Nach Anordnung der Messelektrode in diesem Gehäuse wird dann die Ausgangsspannung Vout des Addierers 6 auf einen Minimalwert oder Null eingestellt. Wenn die Messelektrode bei einer Messung dem Gehäuse entnommen wird, tritt bei dem Addierer 6 eine Driftspannung auf, die der Streukapazität zwischen der Messelektrode und ihrer Umgebung proportional ist. Eine statische Kapazität zwischen der Messelektrode und dem Messobjekt kann daher genauer gemessen werden, indem die Phasen-Einstelleinrichtung 2, die erste Amplituden-Einstelleinrichtung 3 und die zweite Amplituden-Einstelleinrichtung 5 dahingehend korrigiert werden, dass der Driftwert minimal oder Null wird. Aus der vorstehenden Beschreibung ist somit ersichtlich, dass mit Hilfe des Kapazitätsmessgerätes gemäß 9 wie im Falle des Kapazitätsmessgerätes gemäß 5 eine sehr kleine statische Kapazität gemessen werden kann.
10 zeigt ein Blockschaltbild, das schematisch ein modifiziertes Ausführungsbeispiel des Kapazitätsmessgerätes gemäß 9 veranschaulicht, bei dem der Ausgang des Integrators 16 gemäß 9 mit einem ersten Synchrondetektor 18 und einem zweiten Synchrondetektor 19 verbunden ist, wobei diesen Synchrondetektoren 18, 19 gleichzeitig das von dem Wechselstromsignalgenerator 4 abgegebene Wechselspannungssignal Vin zugeführt wird. Wenn der erste Synchrondetektor 18 die von dem Integrator 16 abgegebene Spannung E synchron mit dem in Bezug auf die Spannung E phasengleichen Wechselspannungssignal Vin erfasst, kann die statische Kapazität Cx eines statischen Kapazitätselements 14 oder eine Änderung ΔCx der statischen Kapazität Cx in Form des Ausgangssignals des ersten Synchrondetektors 18 erhalten werden. Wenn der zweite Synchrondetektor 19 die von dem Integrator 16 abgegebene Spannung E synchron mit dem in Bezug auf die Spannung E um 90° phasenverschobenen Wechselspannungssignal Vin erfasst, kann in ähnlicher Weise der dielektrische Verlustfaktor für das statische Kapazitätselement 14 in Form des Ausgangssignals des zweiten Synchrondetektors 19 erhalten werden.
Hierbei kann die statische Kapazität Cx des statischen Kapazitätselements 14 mit Hilfe des ersten Synchrondetektors 18 in Form eines Mittelwertes oder eines integrierten Wertes der Spannung E über einen Bereich von 0° bis 180° in Bezug auf die Phase des von dem Wechselstromsignalgenerator 4 abgegebenen Wechselspannungssignals Vin erhalten werden. Ferner kann der dielektrische Verlustfaktor für die statische Kapazität Cx des statischen Kapazitätselements 14 mit Hilfe des zweiten Synchrondetektors 19 in Form eines Mittelwertes oder eines integrierten Wertes der Spannung E über einen Bereich von 90° bis 270° in Bezug auf die Phase des von dem Wechselstromsignalgenerator 4 abgegebenen Wechselspannungssignals Vin erhalten werden.
Bei den vorstehend beschriebenen beiden Ausführungsbeispielen kann das statische Kapazitätselement 14, dessen statische Kapazität in eine Spannung umzusetzen ist, ein kapazitiver Sensor sein, der über eine Elektrode mit dem invertierenden Eingang (–) des Operationsverstärkers AMP1 der Kapazitäts-Spannungswandlereinheit 1 über die Signalleitung 13 verbunden ist, während die andere Elektrode (oder ein entsprechendes Gegenstück) an Masse liegt, an ein geeignetes elektrisches Vorspannungspotential (eine Vorspannung) gelegt ist oder frei im Raum angeordnet ist, ohne hierbei an Masse zu liegen. Derartige kapazitive Sensoren können sämtliche Einrichtungen zur Ermittlung einer statischen Kapazität sowie bekannte kapazitive Sensoren in Form von Beschleunigungssensoren, Seismometern, Drucksensoren, Weg- oder Positionssensoren, Weg- bzw. Verstellungsmessgeräten, Näherungssensoren, Berührungssensoren, Ionensensoren, Feuchtesensoren, Regensensoren, Schneesensoren, Beleuchtungs- oder Einschaltsensoren, Ausrichtungssensoren, Kontaktfehlersensoren, Form- oder Profilsensoren, Endpunkt-Erfassungssensoren, Vibrationssensoren, Ultraschallsensoren, Winkelgeschwindigkeitssensoren, Flüssigkeitsmengensensoren, Gassensoren, Infrarotsensoren, Strahlungssensoren, Niveau- oder Füllstandsmessgeräten, Frostsensoren, Feuchtemessgeräten, Vibrationsmessgeräten, Ladungssensoren und Leiterplatten- oder Platinentestern umfassen. Außerdem kann die Erfindung auch bei einem Voltmeter oder dergleichen des Zangentyps Verwendung finden, bei dem eine Spannung kontaktlos gemessen wird.
Außerdem kann bei dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel die eine Elektrode 14₁ des statischen Kapazitätselements 14 als Messelektrode dienen, während die andere Elektrode 14₂ als Messobjekt Verwendung findet, bei dem auf der Basis der Größe einer zwischen der einen Elektrode 14₁ und der anderen Elektrode 14₂ gebildeten statischen Kapazität Cx bestimmt wird, ob ein guter oder schlechter Zustand vorliegt.
Zur Verifizierung der Leistung des statischen Kapazitäts-Spannungswandlers wurde ein statischer Kapazitäts-Spannungswandler in der in 4 veranschaulichten Weise aufgebaut und die erhaltene Beziehung zwischen der Ausgangsspannung Vout (mV) und der statischen Kapazität Cx (fF) ausgewertet. Hierbei ergab sich in der in 11 veranschaulichten Weise, dass eine lineare Beziehung zwischen Cx und Vout erhalten werden konnte, wobei die Messung einen Bereich von 1 bis 3 Femtofarad nicht überschritt.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Aus der vorstehenden Beschreibung ist in Bezug auf die veranschaulichten Ausführungsbeispiele ersichtlich, dass mit Hilfe der Erfindung die nachstehenden Vorteile erzielbar sind:

(1) Die statische Kapazität eines mit einer Signalleitung verbundenen statischen Kapazitätselements kann in eine Spannung ohne Beeinträchtigungen durch eine zwischen der Signalleitung und einer die Signalleitung umgebenden Abschirmleitung auftretende Streukapazität oder eine zwischen einem nicht abgeschirmten Abschnitt der Signalleitung und dessen Umgebung auftretende Streukapazität umgesetzt werden, sodass eine der statischen Kapazität genau entsprechende Spannung abgeleitet werden kann und auf diese Weise eine sehr genaue Umsetzung der statischen Kapazität eines statischen Kapazitätselements in eine Spannung und Erfassung der Spannung auch bei einer sehr kleinen statischen Kapazität z.B. in der Größenordnung von Femtofarad (1/1000 Picofarad) ermöglicht wird.
(2) Auch wenn eine nicht mit einer Signalleitung verbundene Elektrode eines statischen Kapazitätselements auf ein bestimmtes elektrisches Potential (eine Spannung) vorgespannt ist, kann eine der statischen Kapazität des statischen Kapazitätselements genau entsprechende Spannung abgeleitet werden.
(3) Da die statische Kapazität eines statischen Kapazitätselements in ein Signal umgesetzt werden kann, das den statischen Kapazitätswert und die Frequenz eines Wechselstrom- bzw. Wechselspannungssignals umfasst, kann die Umsetzung der statischen Kapazität in eine Spannung und die Erfassung der Spannung auch bei einer unter ungefähr 10 MHz liegenden niedrigen Frequenz des Wechselspannungssignals erfolgen.

Claims

Statischer Kapazitäts-Spannungswandler, mit einem einen invertierenden Eingang (–), einen nichtinvertierenden Eingang (+) und einen Ausgang aufweisenden Operationsverstärker (11), dessen Ausgang und dessen invertierender Eingang über einen Rückkopplungswiderstand (12) miteinander verbunden sind, einer Signalleitung (13), die über ein Ende mit dem invertierenden Eingang (–) verbunden und über das andere Ende mit einem eine statische Kapazität aufweisenden statischen Kapazitätselement (14) verbindbar ist, einer Abschirmung (15), die zumindest einen Teil der Signalleitung (13) umgibt und mit dem nichtinvertierenden Eingang (+) verbunden ist, und einem Wechselstromsignalgenerator (4) zum Anlegen eines Wechselstromsignals an den nichtinvertierenden Eingang (+), gekennzeichnet durch eine mit dem Ausgang des Operationsverstärkers (11) und einem Ausgang des Wechselstromsignalgenerators (4) verbundene Einstelleinrichtung (2, 3, 5, 6) zur Einstellung des Ausgangssignals des statischen Kapazitäts-Spannungswandlers (1) auf ein Minimum, wenn das statische Kapazitätselement (14) nicht mit der Signalleitung (13) verbunden ist.
Statischer Kapazitäts-Spannungswandler nach Anspruch 1, bei dem die Einstelleinrichtung (2, 3, 5, 6) einen abstimmbaren Frequenzgenerator (4) für das Wechselstromsignal und eine Einstellschaltung (2, 3, 5, 6) umfasst, durch die die Amplituden und Phasen des Ausgangssignals des Operationsverstärkers (11) und des Wechselstromsignals derart einstellbar sind, dass sie sich gegenseitig aufheben.
Statischer Kapazitäts-Spannungswandler nach Anspruch 2, bei dem die Einstellschaltung eine erste Einstelleinrichtung (3) zur Einstellung der Amplitude des Wechselstromsignals, eine zweite Einstelleinrichtung (2, 5) zur Herbeiführung einer derartigen Einstellung der Phase und Amplitude einer von dem Operationsverstärker (11) abgegebenen Ausgangsspannung, dass die Ausgangsspannung die gleiche Amplitude und die entgegengesetzte Phase in Bezug auf das Ausgangssignal der ersten Einstelleinrichtung (3) aufweist, und einen Addierer (6) zur Addition des Ausgangssignals der ersten Einstelleinrichtung (3) und des Ausgangssignals der zweiten Einstelleinrichtung (2, 5) umfasst.
Statischer Kapazitäts-Spannungswandler nach Anspruch 2, bei dem die Einstellschaltung eine dritte Einstelleinrichtung zur Einstellung der Amplitude der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers (11), eine vierte Einstelleinrichtung zur Herbeiführung einer derartigen Einstellung der Phase und Amplitude des Wechselstromsignals, dass das Wechselstromsignal die gleiche Amplitude und die entgegengesetzte Phase in Bezug auf das Ausgangssignal der dritten Einstelleinrichtung aufweist, und einen Addierer zur Addition des Ausgangssignals der dritten Einstelleinrichtung und des Ausgangssignals der vierten Einstelleinrichtung umfasst.
Statischer Kapazitäts-Spannungswandler nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Integrator (16) zur Integration des Ausgangssignals der Einstelleinrichtung (2, 3, 5, 6), wobei bei Verbindung einer statischen Kapazität mit dem anderen Ende der Signalleitung (13) ein dem statischen Kapazitätswert der statischen Kapazität entsprechendes Signal als Ausgangssignal des Integrators (16) erzeugt wird.
Statischer Kapazitäts-Spannungswandler nach Anspruch 5, mit einem Vergleicher (17) zum Vergleichen der Phase des Ausgangssignals des Integrators (16) mit der Phase des Wechselstromsignals, wobei bei Verbindung einer statischen Kapazität mit dem anderen Ende der Signalleitung (13) ein den dielektrischen Verlustfaktor für die statische Kapazität des statischen Kapazitätselementes (14) angebendes Signal als Ausgangssignal des Vergleichers (17) erzeugt wird.
Statischer Kapazitäts-Spannungswandler nach Anspruch 5, mit einem ersten und einem zweiten Synchrondetektor (18, 19), denen das Ausgangssignal des Integrators (16) und das Wechselstromsignal zugeführt werden, wobei der erste Synchrondetektor (18) ein den statischen Kapazitätswert der statischen Kapazität angebendes Signal und der zweite Synchrondetektor (19) ein den dielektrischen Verlustfaktor für den statischen Kapazitätswert der statischen Kapazität angebendes Signal abgeben.
Statischer Kapazitäts-Spannungswandler nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Abschirmung (15) die Signalleitung (13) über deren gesamte Länge hinweg umgibt.
Statischer Kapazitäts-Spannungswandler nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die statische Kapazität ein kapazitiver Sensor ist.
Statischer Kapazitäts-Spannungswandler nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die statische Kapazität eine Messelektrode (141) umfasst, die mit dem anderen Ende der Signalleitung (13) derart verbunden ist, dass sich zwischen einem Messobjekt und der Messelektrode (141) eine statische Kapazität bildet.
Statischer Kapazitäts-Spannungswandler nach Anspruch 10, mit einem an der gleichen Spannung wie der nichtinvertierende Eingang (+) des Operationsverstärkers (11) liegenden Gehäuse zur Aufnahme der Messelektrode, wenn keine statische Kapazität mit der Signalleitung (13) verbunden ist, wobei die Einstelleinrichtung (2, 3, 5, 6) das Ausgangssignal des statischen Kapazitäts-Spannungswandlers auf ein Minimum einstellt, wenn sich die Messelektrode (141) in dem Gehäuse befindet.
Verfahren zur Umsetzung einer statischen Kapazität in eine Spannung unter Verwendung eines Operationsverstärkers (11), der einen invertierenden Eingang (–) und einen nichtinvertierenden Eingang (+) aufweist, mit den Schritten: Verbinden eines Endes einer Signalleitung (13) mit einem invertierenden Eingang (–), wobei zumindest ein Teil der Signalleitung (13) von einer Abschirmung (15) umgeben ist, Anlegen des gleichen Potentials an die Abschirmung (15) und einen nichtinvertierenden Eingang (+), und Anlegen eines Wechselstromsignals an den nichtinvertierenden Eingang (+), gekennzeichnet durch die Schritte: Vornahme einer derartigen Einstellung des Ausgangssignals eines Operationsverstärkers (11) und des Wechselstromsignals, dass das Ausgangssignal und das Wechselstromsignal einander aufheben, wenn mit dem anderen Ende der Signalleitung (13) keine statische Kapazität verbunden ist, und Verbinden einer statischen Kapazität mit dem anderen Ende der Signalleitung (13) nach dieser Einstellung, um ein dem statischen Kapazitätswert der statischen Kapazität entsprechendes Spannungssignal abzuleiten.
Verfahren zur Umsetzung einer statischen Kapazität in eine Spannung nach Anspruch 12, bei dem die Einstellung des Ausgangssignals des Operationsverstärkers (11) und des Wechselstromsignals derart, dass das Ausgangssignal und das Wechselstromsignal einander aufheben, wenn keine statische Kapazität mit dem anderen Ende der Signalleitung (13) verbunden ist, eine Veränderung der Frequenz des Wechselstromsignals und eine derartige Einstellung des Ausgangssignals des Operationsverstärkers (11) und des Wechselstromsignals in Phase und Amplitude umfasst, dass das Ausgangssignal und das Wechselstromsignal einander aufheben.
Verfahren zur Umsetzung einer statischen Kapazität in eine Spannung nach Anspruch 13, bei dem die Einstellung des Ausgangssignals des Operationsverstärkers (11) und des Wechselstromsignals derart, dass das Ausgangssignal und das Wechselstromsignal einander aufheben, wenn keine statische Kapazität mit dem anderen Ende der Signalleitung (13) verbunden ist, eine Einstellung der Amplitude des Wechselstromsignals, eine derartige Einstellung der Phase und Amplitude der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers (11), dass die Ausgangsspannung die gleiche Amplitude und die entgegengesetzte Phase in Bezug auf das amplitudenmäßig eingestellte Wechselstromsignal aufweist, und eine Addition des amplitudenmäßig eingestellten Wechselstromsignals und der phasenmäßig und amplitudenmäßig eingestellten Ausgangsspannung des Operationsverstärkers (11) umfasst.
Verfahren zur Umsetzung einer statischen Kapazität in eine Spannung nach Anspruch 13, bei dem die Einstellung des Ausgangssignals des Operationsverstärkers (11) und des Wechselstromsignals derart, dass das Ausgangssignal und das Wechselstromsignal einander aufheben, wenn keine statische Kapazität mit dem anderen Ende der Signalleitung (13) verbunden ist, eine Einstellung der Amplitude der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers (11), eine derartige Einstellung der Phase und Amplitude des Wechselstromsignals, dass das Wechselstromsignal die gleiche Amplitude und die entgegengesetzte Phase in Bezug auf die amplitudenmäßig eingestellte Ausgangsspannung des Operationsverstärkers (11) aufweist, und eine Addition der amplitudenmäßig eingestellten Ausgangsspannung und des phasenmäßig und amplitudenmäßig eingestellten Wechselstromsignals umfasst.
Verfahren zur Umsetzung einer statischen Kapazität in eine Spannung nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 15, das außerdem eine Integration des Spannungssignals zur Abgabe eines der statischen Kapazität entsprechenden Signals umfasst.
Verfahren zur Umsetzung einer statischen Kapazität in eine Spannung nach Anspruch 16, das außerdem einen Vergleich der Phase des integrierten Signals mit der Phase des Wechselstromsignals zur Abgabe eines den dielektrischen Verlustfaktor für die statische Kapazität angebenden Signals umfasst.
Verfahren zur Umsetzung einer statischen Kapazität in eine Spannung nach Anspruch 16, das außerdem eine synchrone Detektion des integrierten Signals mit dem Wechselstromsignal zur Abgabe eines die statische Kapazität angebenden Signals und eines den dielektrischen Verlustfaktor für die statische Kapazität angebenden Signals umfasst.
Verfahren zur Umsetzung einer statischen Kapazität in eine Spannung nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 18, bei dem die Abschirmung (15) eine Abschirmleitung darstellt, die die Signalleitung (13) über deren gesamte Länge hinweg umgibt.
Verfahren zur Umsetzung einer statischen Kapazität in eine Spannung nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 19, bei dem die statische Kapazität ein kapazitiver Sensor ist.
Verfahren zur Umsetzung einer statischen Kapazität in eine Spannung nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 20, bei dem die statische Kapazität eine Messelektrode (141) umfasst, so dass zwischen einem Messobjekt und der Messelektrode (141) eine statische Kapazität gebildet wird.
Verfahren zur Umsetzung einer statischen Kapazität in eine Spannung nach Anspruch 21, mit den Schritten: Anordnung der Messelektrode (141) während einer Messungs-Wartezeit in einem Gehäuse, das an die gleiche Spannung wie der nichtinvertierende Eingang (+) des Operationsverstärkers (11) gelegt wird, und Durchführung eines Nullabgleichs zur Unterdrückung einer zwischen der Messelektrode (141) und ihrer Umgebung gebildeten Streukapazität.