DK159298B

DK159298B - Fremgangsmaade og apparat til maaling af navnlig lave kapacitetsvaerdier

Info

Publication number: DK159298B
Application number: DK242385A
Authority: DK
Inventors: Matti Lyyra
Original assignee: Vaisala Oy
Priority date: 1984-05-31
Filing date: 1985-05-30
Publication date: 1990-09-24
Also published as: EP0166706A1; FI842192A0; EP0166706B1; DK159298C; FI842192A; NO852170L; NO167830B; FI70753C; DK242385A; CA1268210A; JPS60262066A; NO167830C; FI70753B; US4775830A; DE3568493D1; DK242385D0

Description

DK 159298 B

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til måling af navnlig lave kapacitetsværdier, hvorved der anvendes en måleoscillator, hvis udgangsfrekvens er en funktion af den kapacitet, der skal forbindes med kredsløbets indgangsklemmer og be-5 stemmer oscillatorens frekvens, og hvorved der anvendes en kendt referencekapacitet, som skiftevis med den kapacitet, der skal måles, forbindes med måleoscillatorens indgangsklemmer under anvendelse af en kobleanordning.

Et af udgangspunkterne for opfindelsen er den tidligere 10 kendte teknik, der fremgår f.eks. af FI-patentskrifterne nr. 54.664 og 57.319 (svarende til US-patentskrifter nr.

4.295.090 og 4.295.091). I disse patentskrifter er der foreslået en fremgangsmåde til måling af lave kapaciteter.

I radiosonder anvendes der til måling af forskellige para-15 metre, især tryk, temperatur og fugtighedsgrad, kapacitive følere, hvis kapacitets størrelse afhænger af denne! parameter, som måles. Disse føleres kapaciteter er ofte forholdsvis lave, nemlig fra nogle få pF til nogle dusin pF, højst ca. 100 pF. Måling af lave kapaciteter er problema-20 tisk, f.eks. på grund af spredningskapaciteter, netspændingsvariationer og andre forstyrrelser. Desuden er de nævnte følere i en vis udstrækning "individuelle", så at de har hver deres ikke-linearitet og temperaturafhængighed.

Navnlig ved fjernmåling, f.eks. når temperatur, fugtigheds-25 grad eller tryk måles ved hjælp af elektriske eller meka-nisk-elektriske følere,er det almindelig praksis i forbindelse med måleelektronikken at tilvejebringe en eller flere referenceelementer, hvis størrelse kendes nøjagtigt, således at fejl i målekredsløbet og/eller føleren kan elimine-30 res.

Det er i den tidligere teknik kendt i forbindelse med kapacitive følere at anvende en referencekapacitet, der skiftevis med målekapaciteten forbindes med indgangen på måle- 2

DK 159298 B

kredsløbet, der i reglen er et kredsløb, der bestemmer en RC-oscillators frekvens. Ved passende indstilling af målekredsløbet eller på anden måde kan den tilsvarende udgangsvariable for målekredsløbets referencekapacitet bringes på 5 det korrekte niveau.

Det er i den tidligere teknik også kendt at anvende målekredsløb med én referencestørrelse, især brokoblinger, hvori målingen imidlertid kun er nøjagtig, når referencestørrelsens elektriske værdi ligger i nærheden af følerens 10 værdi, f.eks. når broen er i ligevægt. Jo længere detektorens værdi ligger fra referencestørrelsens, desto større vil også de forskellige fejl være, f.eks. fejl, der skyldes variationer i det elektroniske målekredsløbs dynamiske karakteristik. En fordel med koblinger med én referen-15 cestørrelse er målekredsløbets enkle udformning.

En fordel ved måleanordninger med to eller flere referencer er den høje målenøjagtighed, også indenfor udstrakte måleområder, men det er en ulempe, at måleprocessen og den dertil hørende beregning er kompliceret.

20 Det er et formål med opfindelsen at anvise en videreudvikling af de tidligere kendte målekredsløb for lave kapaciteter i området 0-100 pF på en sådan måde, at målekredsløbene bliver mere nøjagtige. Det er et yderligere formål med opfindelsen at anvise udformningen af et sådant måle-25 kredsløb, hvormed det er muligt at eliminere virkningerne af koblingsfænomener.

Et yderligere, men ikke ubetinget nødvendigt formål med opfindelsen er at anvise udformningen af et sådant målekredsløb, hvori den udgangsvariable er en på passende måde 30 lineariseret, kompenseret og målestoksjusteret jævnspænding, og hvormed der efter behov kan forbindes en enkel temperaturkompensationskreds .

3

DK 15929SB

Ovenstående formål og yderligere formål, der vil fremgå af det følgende opnås ved en fremgangsmåde af den indledningsvis angivne art, som ifølge opfindelsen er ejendommelig ved, at den kapacitet, der skal måles, og referencekapaciteten 5 forbindes skiftevis med den ene efter den anden til den samme måleoscillators indgangsklemmer i tidsrum svarende til et lige stort antal af måleoscillatorens perioder.

Oscillatorens frekvens divideres fortrinsvis ved hjælp af en asynkron eller synkron fordeler, og firkantbølgen i 10 dennes udgang anvendes til styring af analogkoblere, der skifter mellem den kapacitet, der skal måles, og referencekapaciteten .

I en foretrukket udførelsesform for opfindelsen styrer fordelerens udgang også uddatabufferne, af hvis arbejds-15 spændingsklemmer én er blevet ført ud særskilt. Derved kan amplituden af den af uddatabufferne leverede firkantbølge indstilles og anvendes til linearisering, kompensation og målestoksindstilling.

Ifølge opfindelsen kan en enkel temperaturkompensation op-20 nås ved hjælp af en med oscillatoren parallelforbundet kapacitet, hvis temperaturkoefficient til dette formål er passende valgt. Virkningerne af koblingsfænomenerne kan elimineres, dersom den nævnte fordelers fordelingsbrøk N er tilstrækkelig stor, i reglen N > 10.

25 Oscillatorens temperaturafhængigheder påvirker varighederne af begge halvperioderne på samme måde, og kompenserer for det meste af elektronikkens temperaturafhængighed. Omdannelsen af impuls/pause-forholdet til jævnspænding, linearise-ringen, kompensationen og målestoksjusteringen kan opnås på 30 forholdsvis måde ved hjælp af uddatabuffere og RO-lavpas-filtre.

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere under 4

DK 159298 B

henvisning til de på tegningen viste udførelseseksempler på apparater til udøvelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen, idet fig. 1, delvis i blokform,viser et første udførelseseksempel 5 på apparatet, fig. 2 viser bølgeformen for spændingen V^n, der indeholder måleinformationen, fig. 3 viser et andet udførelseseksempel på apparatet, der omfatter udstyr til linearisering af udgangsspændin-10 gen, fig. 4 viser forskellige bølgeformer i det i fig. 3 viste kredsløb, og fig. 5 viser udgangsspændingen fra den enhed, der omdanner impuls/pause-forholdet til en jævnspænding som 15 funktion af den målte kapacitet.

I overensstemmelse med fig. 1 udøves fremgangsmåden ifølge opfindelsen ved anvendelse af en oscillator 10, idet den kapacitet CM, der skal måles, og en nøjagtigt kendt referencekapacitet CL, skiftevis forbindes mellem indgangsklemmerne 20 a og b på det kredsløb, der bestemmer frekvensen af oscillatoren 10. Mellem indgangsklemmerne på oscillatoren 10 er der forbundet en parallelkapacitet Cq, hvormed referencekapaciteten CR og den kapacitet CM, der skal måles, skiftevis forbindes i parallel. Fra oscillatoren 10 fremkommer en fre-25 kvens f som en udgangsvariabel, idet frekvensen f er en funktion af den med indgangsklemmerne forbundne kapacitet

Cin: f = P <cin) (1) f = --- (2)

B (C0 + Cin> + T

30 hvori A og B er kendte konstanter, og τ = en kendt tidskonstant, og

C, = C eller CL. in r M

DK 159298 B

5

Det signal, der fremkommer på udgangsklemmen C på oscillatoren 10, føres til en asynkron eller synkron fordeler 11, hvis fordelingsbrøk er N. Fra fordeleren 11 fremkommer en udgangsspænding \Λβ, hvis bølgeform fremgår af fig. 2.

5 Det er et uomgængeligt nødvendigt træk ved opfindelsen, at den kapacitet C^, der skal måles, og referencekapaciteten C forbindes skiftevis med den samme oscillator i nøjag-tigt lige mange perioder hver. Dette er opnået ved at dividere frekvensen f fra oscillatoren 10 ved hjælp af oven- 10 nævnte fordeler 11, hvis fordelingsbrøk er betegnet med N, og som ved hjælp af firkantbølgen i udgangen fra fordeleren 11 styrer koblerne k^ og gennem en inverter 12. Koblerne k^ og k2 er f.eks. udformet som analogkoblere, der repræsenteres af blokkene 13a og 13b. Koblerne k^ og 15 k2 arbejder skiftevis, så når kobleren k^ er ledende, er kobleren k2 ikke-ledende, og omvendt.

I det i fig. 1 viste kredsløb styrer udgangsspændingen v^n fra fordeleren 11 også uddatabuffere 15a og 15b, af hvis driftsspændingsklemmer én e (V^) er blevet ført ud særskilt.

20 Derved kan amplituden af den firkantbølge, der frembringes af uddatabufferne 15a og 15b, justeres og anvendes til line-arisering, kompensation og indstilling af "målestok", hvad der vil fremgå nærmere i det følgende under henvisning til fig. 3, 4 og 5.

25 Informationen om den kapacitet, der skal måles, er indeholdt i halvperioderne og T2 af udgangsspændingen V^n fra fordeleren 11, på den måde, der fremgår af følgende ligninger (3) til (6) .

N(B(C. + C ) + τ) T = -5-M-- (3)

1 A

N(B(Cn + C ) + τ) 30 T9 = ----- (4)

Z A

6

DK 159298 B

T1 X = -±- (5) T1 + T2 X = -—- (6) T + T l2

Som allerede angivet i det foregående, forbindes den kapacitet CM, der skal måles, og referencekapaciteten CR, skifte-5 vis til det samme oscillatorkredsløb 10 i et lige stort antal perioder, idet dette antal hensigtsmæssigt er lig med fordelingsbrøken N for fordeleren 11. Således er koblingstidsrummene og T2 proportionale med antallet N af perioder og med den forbundne kapacitet C^n- Under disse betingel-10 ser bestemmes halvperioderne og T^ på firkantbølgen i udgangen på fordeleren af fordelingsbrøken N og af kapaciteterne CM og CR. De fremkomne impulsforhold og X£, der er defineret ovenfor i ligningerne (5) og (6), er proportionale med størrelsen af den kapacitet CM, der skal måles, 15 mens frekvensen f er omvendt proportional med kapaciteten CM*

Ifølge en foretrukken udførelsesform for opfindelsen fremkommer en udgangsspænding, der svarer til den kapacitet C ,

M

der skal måles, fra udgangsklemmerne g^ og/eller g 2 på ud-20 databufferkredsløbet eller omsætteren 16, idet denne udgangsspænding er lineariseret, temperaturkompenseret og målestoksjusteret under anvendelse af følgende løsningseksempler .

Omsætteren 16 kan bestå af en enkelt del, og i så fald om-25 fatter den af komponenterne 15a og 15b alene transistorerne Alternativt kan omsætteren 16 bestå af to dele, og i så fald omfatter den udover de nævnte transistorer M^/M^ også en inverter 14 og transistorer og .

7

DK 159298E

Udgangsspænding med en omsætter i én del: V01 = X1 · V1 (4a)' hvori T1 X = -- (5) X T + T 1 2 5 Ri ' ci >> T1+T2 (R± = R2, Cx = C2) (5a).

Svarende hertil med en omsætter i to dele: T2 X = - , og X-, som ovenfor (6) 1 T1 + T2 1 V0l“V02 = (Xl"X2) * V1 = ~ 2‘ * V1 (6a) L1 2

Ved at variere spændingen V^, der gennem klemmen e til-10 føres omsætteren 16, er det muligt at indstille firkantbølgens amplitude i overensstemmelse med ligning (6a) og derved tilvejebringe en hensigtsmæssig kompensation, linea-risering og målestoksjustering af udgangsspændingen.

Begyndelsespunktet for kompensationen består i overens-15 stemmelse med ovenstående formler (4a) og (6a) i, at udgangsspændingerne, enten V eller ^oi~^02' ^an ^ompense-res med hensyn til den ønskede parameter, f.eks. temperaturen, ved at anordne spændingen som en tilbagekoblingsspænding, der på passende måde afhænger af den parameter, 20 der skal kompenseres.

Hovedprincippet ved linearisering består i at udgangsspændingen i tilbagekobling gennem klemmen e føres til omsætteren 16 som en tilbagekoblingsspænding V^. Derved fungerer omskifteren 15a/15b som en ikke-lineær komponent, og som 8

DK 159298 B

følge heraf opnås, at udgangsspændingen afhænger ulineært af de ovenfor i ligningerne (5) og (6) ovenfor definerede impulsforhold og

Hovedprincippet for målestoksjusteringen består i, at ved 5 at indstille spændingen kan variationsområdet for udgangsspændingen, der udgør den udgangsvariable, der afhænger af den kapacitet CM, der skal måles (ligninger 4a og/ eller 6a), d.v.s. målestokken eller skalaområdet,indstilles til et passende niveau.

10 I det følgende skal under henvisning til fig. 3, 4 og 5 beskrives et mere detaljeret udførelseseksempel på den linearisering, temperaturkompensation og målestoksjustering af udgangsspændingen, der anvendes i forbindelse med fremgangsmåden ifølge opfindelsen.

15 Fig. 3 viser, hvorledes indgangen på en operationsforstærker 17, hvis forstærkningsfaktor er betegnet med G, er forbundet med udgangsklemmerne g^ og g2 for den ovenfor beskrevne omsætter 16. Udgangen på operationsforstærkeren 17 er forbundet med indgangen på en operationsforstærker 18 20 med en resistiv tilbagekoblingskreds. Fra operationsforstærkeren 18 fremkommer udgangsspændingen

De forskellige bølgeformer V^n, V^n' og V^n" i det i fig.

3 viste kredsløb er vist i fig. 4. Ved forskellige parametre i det i fig. 3 viste kredsløb gælder følgende lig-25 ninger, idet de deri nævnte værdier X^ og X2 er defineret af ovenstående ligninger (5) og (6).

V01-V02 - (ΧΓΧ2> · V1 <7> V0 = G · <ΧΓΧ2) · νχ (8) V2 = G-(Xi-X2)-Vi-k2 - ki‘vdd (9) 9

DK 159298 B

v2 = νχ (10) k, - ^LO (11, r9 k2 = — (12) R11 hvorved, ved substitution i ligning (9), 5 νχ (1 + G (X1-X2)-k2) = - ki * Vdd (13) “kT * V,, V.--i-^- (14) 1 + G (X1-X2)*k2 og, ved substitution i ligning (8) fremkommer G*k -V,, (X,-X,) V---—i_2_ (15) 1 + G* (X^X^ -k2

Ved undersøgelse af ligning (15) vil det bemærkes, at ved 10 at skifte fortegn på forstærkningsfaktoren G for operationsforstærkeren 17 kan krumningsretningen for kredsløbets karakteristiske kurve ændres,og ved hjælp af leddet k2 (ligning 12) kan krumningens størrelse indstilles.

I det følgende skal under henvisning til fig. 5 anvendel-15 sen af en parallelkapacitet til temperaturkompensation af kredsløbet beskrives.

Frekvensen for en RC-oscillator: fosc ^ --- (16) OSC B (C0 + Ck) +

Temperaturen har typisk en virkning på leddene B og 20 B omfatter temperaturafhængighederne af jævnspænding

DK 159298 B

10 og lav frekvens så vel som temperaturafhængighederne af forsinkelsen af På grundlag af ligningerne (1) , (3) og (4) er varighederne og for halvperioderne i udgangsspændingen V : N(B(C0-C ) + τ 5 TL = -- (17)

A

N(B(Cn-C_J + τ T = -^—£- (18)

A

I overensstemmelse med ovenstående ligning (7) er udgangsspændingen fra omsætteren 16 for impulsforhold til jævnspænding som følger: 10 ν0Γν02 = ~^·νΐ-- V, (19) Τχ+Τ2 x 2Cq+Cm+Cr+(2t/B) x

Ved passende valg af temperaturkoefficienten for Cg (1) er det muligt at opnå en delvis kompensation for temperaturafhængigheden af 2τ/Β.

Af fig. 5 vil det kunne ses, at temperaturafhængigheden 15 af 2τ/Β søger at ændre vinkelfaktoren i fig. 5 ved høje driftsfrekvenser, hvorfor andelen af τ i halvperioden er vigtig; dette kan kompenseres ved hjælp af Cq.

Claims

1. Fremgangsmåde til måling af navnlig lave kapacitetsværdier, hvorved der anvendes en måleoscillator (10), hvis udgangsfrekvens (f) er en funktion (f = F(C£n)) af ^en kapa- 5 citet (CL R), der skal forbindes med kredsløbets indgangsklemmer (a,b) og bestemmer oscillatorens (10) frekvens, og hvorved der anvendes en kendt referencekapacitet (C ), som skiftevis med den kapacitet (C^), der skal måles, forbindes med måleoscillatorens indgangsklemmer (a,b) under anvendel-10 se af en kobleanordning, kendetegnet ved, at den kapacitet (C ), der skal måles, og referencekapaciteten (C ) forbindes skiftevis med den ene efter den anden til den samme måleoscillators (10) indgangsklemmer (a,b) i tidsrum (T^ og T2) svarende til et lige stort antal (N) af måleoscilla-15 torens (10) perioder (T = 1/f).

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at frekvensen (f), der afhænger af de til måleoscillatorens (10) indgangsklemmer (a,b) forbundne kapaciteter (Cq, CR,CM), føres til en fordeler, hvis fordelingsbrøk (N) lige- 20 frem bestemmer antallet (N) af de nævnte koblingsperioder.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 2, kendetegnet ved, at den firkantsbølge (V. ), der fremkommer fra udgangen (d) på fordeleren (11), anvendes til styring af koblere (k^k ), der skiftevis og efter tur forbinder den kendte 25 referencekapacitet (CR) og den kapacitet (CM), der skal måles, med måleoscillatorens (10) indgangsklemmer (a,b), så at et skift i niveauet i firkantbølgen (V, ) aktiverer koblerne (k1,k2) på en sådan måde, at den kapacitet (CM), der er den næste i rækkefølgen og skal måles, 30 forbindes i stedet for referencekapaciteten (C_), og om-vendt.

4. Fremgangsmåde ifølge et eller flere af kravene 1-3, kendetegnet ved, at de forskellige kapaciteters DK 159298B * (CR og CM) tilkoblingstidsrum og T2) er proportionale med antallet (N) af tilkoblingsperioderne og med den forbundne kapacitet (CM eller CR).

5. Fremgangsmåde ifølge et eller flere af kravene 2-4, 5 kendetegnet ved, at med henblik på at eliminere virkningen af koblingsfænomener er fordelingsbrøken (N) valgt som N > 10.

6. Fremgangsmåde ifølge et eller flere af kravene 1-5, kendetegnet ved, at der anvendes en omsætter (16), 10 til hvis indgang den fra fordeleren (11) fremkomne firkantbølge (V. ) føres og fra hvis udgangsklemmer (g og/eller g_) der fremkommer en jævnspænding svarende til den målte kapacitet, hvilken jævnspænding er lineariseret, temperaturkompenseret og/eller målestoksjusteret.

7. Fremgangsmåde ifølge krav 6, kendetegnet ved, at der gennem en klemme (e) på omsætteren (16) føres en tilbagekoblingsspænding (V^), hvilken firkantbølges (V^) amplitude justeres med henblik på kompensering, linearise-ring og/eller målestoksjustering af omsætterens udgangsspæn-20 ding ved at ændre den nævnte tilbagekoblingsspænding.

8. Fremgangsmåde ifølge krav 7, kendetegnet ved, at med henblik på linearisering af omsætterens (16) udgangsspænding føres den nævnte udgangsspænding som den nævnte tilbagekoblingsspænding til omsætterens ikke-lineære 25 komposant, således at der frembringes en styret, ikke-lineær afhængighed af udgangsspændingen af den nævnte firkantbølges impulsforhold (X^,X2) (ligning (5) og (6)).

9. Fremgangsmåde ifølge krav 7 eller 8, kendetegnet ved, at den nævnte tilbagekoblingsspændings (V^) 30 niveau indstilles med henblik på målestoksindstilling af den udgangsvariable. DK 159298 B

10. Fremgangsmåde ifølge et eller flere af kravene 6-8, kendetegnet ved, at med henblik på temperaturkompensering af målekredsløbet anvendes en parallelkapacitet (CQ), der er forbundet med måleoscillatorens (10) ind-5 gangsklemmer (a,b), og hvis temperaturkoefficient er således tilpasset, at oscillatorens (10) temperaturafhængigheder i det mindste delvis kompenseres (fig. 5).