FI69931B - Foerfarande foer maetning av kapacitanser speciellt smao kapacitanser - Google Patents

Description

69931

Menetelmä kapasitanssien, etenkin pienten kapasitanssien, mittaamiseksi Förfarande för mätning av kapacitanser, speciellt sma kapacitanser

Keksinnön kohteena on menetelmä kapasitanssien, etenkin pienten kapasitanssien, mittaamiseksi, jossa käytetään mittausoskillaattoria, jonka antama lähtötaajuus on mainitun oskillaattorin taajuuden määräävän piirin tulonapoihin kytkettävän kapasitanssin funktio ja jossa menetel-5 mässä käytetään tunnettuja referenssikapasitansseja, joita kytketään mitattavan kapasitanssin tai mitattavien kapasitanssien kanssa vaihdellen mittausoskillaattoriin käyttäen hyväksi kytkinjärjestelyä.

Esillä olevan keksinnön eräänä lähtökohtana on ollut se tekniikan taso, 10 joka selviää esim. hakijan FI-patenteista 54 664 ja 57 319 (vastaavat US-patentit 4 295 090 ja 4 295 091). Mainituissa patenteissa on esitetty menetelmä pienten kapasitanssien mittaamiseksi ja tässä yhteydessä käytettävä elektroninen vaihtokytkin etenkin telemetrikäyttöön sondeissa. Tekniikan tason suhteen viitataan lisäksi SE-kuulutusjulkaisuun 431683 15 ja DE-hakemusjulkaisuun 30 32 155.

Radiosondeissa käytetään eri parametrien etenkin, paineen, lämpötilan ja kosteuden mittauksessa kapasitiivisia antureita, joiden kapasitanssin suuruus on riippuvainen mitattavasta parametrista. Näiden antureiden 20 kapasitanssit ovat useasti verraten pieniä muutamista pF:stä muutamiin kymmeniin tai korkeintaan n. 100 pFtin. Pienten kapasitanssien mittaus on ongelmallista mm. hajakapasitanssien, syöttöjännitteen vaihteluiden ja muiden häiriöiden takia. Lisäksi mainitut anturit ovat jossain määrin yksilöllisiä niin, että niillä on esim. yksilöllinen epälineaarisuus ja 25 lämpötilariippuvuus.

Mitattaessa etenkin telemetrisovellutuksissa lämpötilaa, kosteutta tai 69931 painetta tai muita vastaavia suureita sähköisillä tai mekaanissähköi-sillä antureilla on ennestään tunnettua sijoittaa mittauselektroniikan yhteyteen yksi tai useampi referenssi, joka on tarkasti tunnettu niin, että mittauspiirin ja/tai anturin virheitä voidaan kompensoida.

5

Kapasitiivisten antureiden yhteydessä on ennestään tunnettua käyttää referenssikapasitanssia, joka kytketään mittavan kapasitanssin kanssa vuorotellen mittauspiirin, yleensä RC-oskillaattorin taajuuden määräävään tulopiiriin. Mittauspiiriä sopivasti säätämällä tai muulla tavalla 10 voidaan referenssikapasitanssin edustama mittauspiirin lähtösuure asettaa oikeaksi.

On ennestään tunnettua käyttää yhden referenssin mittauspiirejä, etenkin siltakytkentöjä, joissa mittaus on kuitenkin tarkka vain silloin, kun 15 referenssin sähköinen arvo on lähellä anturin arvoa, esim. silloin kun silta on tasapainossa. Mitä kauemmaksi anturin arvo referenssistä poikkeaa, sitä suuremmaksi tulevat myös eri virheet, esim. elektronisen mittapiirin dynamiikan muutoksista aiheutuvat virheet. Etuna yhden referenssin kytkennöissä on kuitenkin mittauspiirin yksinkertaisuus.

20

Kahden tai useamman referenssin mittausjärjestelyissä on etuna mittauksen tarkkuus laajallakin mittausalueella, mutta epäkohtana on rakenteen ja mittaukseen liittyvän laskennan mutkikkuus.

25 Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on kehittää edellään hakijan kehittämiä ennestään tunnettuja pienten esim. n. 0-100 pF:n kapasitanssien mittausmenetelmiä ja -piirejä niin, että niistä saadaan entistä tarkempia. Keksinnön lisätarkoituksena on aikaan saada sellainen mittaus-piiri, jossa voidaan eliminoida kytkentäilmiöiden vaikutukset. Keksinnön 30 eräänä ei välttämättömänä lisätarkoituksena on sellaisen mittauspiirin ja -menetelmän aikaansaaminen, jossa lähtösuureena on sopivasti lineari-soitu, kompensoitu ja skaalattu tasajännite ja johon tarvittaessa voidaan liittää yksinkertainen lämpötilakompensointi.

35 Edellä esitettyihin ja myöhemmin selviäviin päämääriin pääsemiseksi keksinnölle on pääasiallisesti tunnusomaista se,

II

3 69931 että menetelmässä käytetään sellaista mittausoskillaattoria, jonka signaalin jaksoaika on suoraan verrannollinen oskillaattorin taajuuden määräävän piirin tulonapoihin vuorotellen kytkettäviin mitattavaan kapasitanssiin ja referenssikapasitansseihin, joita viimemainittuja menetel-5 mässä on käytössä kaksi keskenään erisuuruista, että mainitun mittausoskillaattorin lähtö on kytketty keskenään kaskadiin kytkettyyn ainakin kahteen jakajaan, joista ensimmäisessä oskillaattorin taajuus jaetaan ensimmäisellä luvulla ja joista toisessa oskillaattorin 10 edellä jaettu taajuus jaetaan edelleen toisella luvulla, että ensimmäisellä luvulla jaetulla taajuudella ohjataan logiikkaosaa, joka ohjaa mittausoskillaattoriin mainitut kapasitanssit parittaln vuorotellen kytkeviä kytkimiä siten, että mainitun jakosuhteen määräämän 15 ensimmäisen pulssijonon puolijakson välein vuorotellen kytketään ensimmäistä referenssikapasitanssia ja mitattavaa kapasitanssia ja että toisen jakajan pulssijonolla ohjataan mainittua logiikkaosaa siten, että viimemainitun pulssijonon puolijakson välein vaihdetaan mittaus-20 oskillaattoriin kytkettäväksi mitattavan kapasitanssin tilalle toinen referenssikapasitanssi ensimmäisen pulssijonon puolijakson määräämin väliajoin ensimmäisen referenssikapasitanssin kanssa vaihdeltavaksi.

Keksinnössä sovelletaan kahta kaskadiin kytkettyä jakajaa, joista jaka-25 jista ensimmäisen jälkeen saatavalla pulssijonolla ohjataan logiikka- osaa. Tämän ensimmäisen pulssijonon puolijakson pituus määrää keskenään vaihdeltavien kapasitanssien kytkemis- ja vaihtovälit. Toisen jakajan jälkeen saatavan pulssijonon puolijakson määräämin aikavälein mainitun logiikkaosan ohjaamana vaihdetaan mitattavan kapasitanssin paikalle 30 toinen referenssikapasitanssi ja päinvastoin, minkä jälkeen referenssi-kapasitansseja vaihdellaan keskenään ensimmäisen pulssijonon määräämin aikavälein. Näin voidaan toteuttaa kahden referenssin kytkentä, toisin sanoen voidaan määrätä järjestelmän kalibrointisuoran sekä kulmakerroin että vakiotermi (off-set).

69931

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisen piirustuksen kuvioissa esitettyyn keksinnön erääseen sovellutusesimerkkiin, jonka yksityiskohtiin keksintöä ei ole mitenkään ahtaasti rajoitettu.

5

Kuvio 1 esittää lohkokaaviona erästä keksinnön mukaisen menetelmän toteutusesimerkkiä.

Kuvio 2 esittää kuvion 1 mukaisen piirin ensimmäisestä ja toisesta 10 jakajasta saatavia pulssijonoja.

Kuvion esittämässä kytkennässä käytetään esim. RC-oskillaattoria 10, jonka lähtöjakson aika on suoraan verrannollinen ja täten taajuus f = 1/Tq kääntäen verrannollisen oskillaattorin 10 taajuuden määräävän 15 piirin tulonapoihin a ja b kytkettyyn kapasitanssiin C^, CRj tai CR2·

Oskillaattorin 10 tuloon a, b kapasitanssiksi kytketään keksinnön mukaisesti parlttain vuorotellen anturikapasitanssi C^, sitä pienempi refe-renssikapasitanssi ja C^:ä suurempi referenssikapasitanssi C^2· 20 Mainitut kapasitanssit kytketään oskillaattoriin 10 puolijohdekytkimillä AS (13a,13b ja 13c), joita ohjaa logiikkaosa 14. Kytkimet AS ovat esim. ns. analogikytkimiä, siis kaupallisesti saatavia komponentteja.

Logiikkaosaa 14 ohjataan pulsseilla, jotka saadaan jakamalla oskillaat-25 torin 10 taajuutta f määrätyllä ensimäisellä luvulla n ja edelleen määrätyllä toisella luvulla m, jotka luvut n ja m ovat sopivimmin kokonaislukuja. Kuviossa mainitut jaot toteuttavia yksiköitä on esitetty lohkoin 11 ja 12, jotka on kytketty kaskadiin. Oskillaattorin 10 pulssi-jonosta luvulla n jaettu pulssijono = f/n viedään logiikkaosaan 14, 30 joka ohjaa kapasitanssien C^, ja C^2 kytkimiä 13a, 13b ja 13c, jotka vaihtavat pareittain kapasitansseja ja keskenään tai kapasitansseja ja C^2 keskenään. Sen, kumpaa kapasitanssia vai CR2 vaihdellaan kapasitanssin kanssa, määrää oskillaattorin 10 antamasta pulssijonoista f luvuilla sekä n että m jaetun pulssijonon V - f/n · m 35 pulssin tila (kuvio 2). Pulssijonon V puolijaksoa on merkitty kuviossa 2 T2:lla.

Il 69931

Koska oskillaattorin 10 jakson aika T on verrannollinen oskillaattoriin 10 kytkettyyn kapasitanssiin C^, CR^, CR^ ja koska mainittuja kapasitansseja vaihdellaan keskenään jokaisen oskillaattorin antamasta pulssi-jonosta n:llä jaetun pulssijonon f/n pulssin puolijakson (kuvio 2) 5 alussa, on myös puolijakson pituus suoraan verrannollinen saman puolijakson ajan oskillaattoriin 10 kytkettyyn kapasitanssiin.

C^.ttä ia Cw:ä keskenään vertailtaessa (vaihdettaessa), saadaan C.ä Rl M M

kytkevältä kytkimeltä 13b se ohjauspulssijono, jonka pulssisuhde muuttuu 10 Sfn rouuttu6553 (CR^ = vakio). CR^:ä kytkevän kytkimen 13a ohjauspulssijono on tällöin vastakkaisvaiheinen C^:n kytkimen 13b ohjauspulssijonoon verrattuna.

Kun oskillaattorin 10 pulssijonosta m:llä ja n:llä jaetun pulssijonon 15 pulssi on esim. alhaalla, ovat kytkimet 16b ja 22 johtavassa tilassa. CR^:ä ja C^:ä kytkevien kytkinten 13a ja 13b ohjauspulssijonot pääsevät nyt RC-suotimille 17a ja 17b. Suotimet 17a ja 17b toimivat sinänsä tunnetusti alipäästösuotimina (integraattoreina), kun RC >> T^. Näin saadaan kaksi jännitettä ja , joiden erotus johdetaan diff- 20 vahvistimeen 19, jonka lähtöjännite ilmaisee C^in ja CR^:n erotuksen.

Differentiaalivahvistimen 19 lähtöjännite mitataan maata vastaan.

Edellä esitetyllä tavalla on toteutunut jo yhden referenssin kytkentä, ts. on saatu määrätyksi järjestelmän kaiibrointisuora y - kx-b, joka 25 kulkee x-akselilla olevan tunnetun, edellä esitetyllä tavalla määritellyn pisteen (o,b) kautta (off-set = b). Jotta myös em. suoran kulmakerroin k voitaisiin määrätä ja lukita, tulee määrätä myös toinen piste (xq, y ), jonka kautta em. suora kulkee. Tämän vuoksi keksinnön mukaisessa kytkennässä käytetään toista tunnettua referenssikapasitanssia 30 CR2, joka vastaa tunnettua x-akselin pistettä ja referenssijännitettä, joka vastaa tunnettua y-akselin pistettä. Säätämällä mainittua kulmakerrointa k voidaan em. suora saattaa kulkemaan mittauselektroniikan lämpöryöminnöistä huolimatta em. pisteen (x^, y ) kautta. Kulmakertoimen k vakavoiminen tapahtuu siten, että kun oskillaattorin 10 antamasta 35 pulssijonosta sekä m:llä että n:llä, siis n m:11a jaetun pulssijonon pulssi on ylhäällä, vaihdellaan vuorostaan kapasitansseja CR^ ja 6 69931 C^2« Tällöin kytkimet 16b ja 22 ovat auki (johtamattomina) ja kytkimet 16a ja 21 kiinni (johtavana). Kun nyt kytkimiä 13a ja 13c ohjaavat pulssijonot viedään RC-suotimille 17a ja 17b, saadaan diff-vahvistimen 19 lähtöön jännite joka ilmaisee referenssikapasitanssien 5 ja C ^ erotuksen. Jotta tämä jännite pysyisi vakiona lämpö tilasta tai muista häiriötekijöistä riippumatta, se viedään kytkimen 21 ja pitopiirin 20 kautta integroituvalle komparaattorille 24, johon viedään myös ulkoinen referenssljännite Komparaattorin 24 lähtö- jännite Uc viedään vahvistusketjuun sijoitettuun, lineaarisella alueella 10 toimivaan analogiakytkimeen 18, jonka resistanssia voidaan näin muuttaa ja siten säätää piirin vahvistusta muuttamalla logiikkaosan käyttöjännitettä, differentiaalivahvistimen vahvistusta tai kuten kuviossa on esitetty, RC-suodattimen 17a kuormitusta tai muuta vastaavaa parametria. Järjestelmän vahvistus säätyy näin ollen sellaiseksi, että vaihdeltaessa 15 kapasitansseja CR^ ja CR2» diff-vahvistimen 19 lähtöjännite = U .

Kun vaihdellaan kapasitansseja ja C^, ovat analogiakytkimet 16b ja 22 kiinni (johtavassa tilassa), ja analogiakytkimet 16a ja 21 auki (johtamattomassa tilassa). Tällöin kytkimen 21 ja integroivan koropa-20 raattorin 24 välillä oleva pitopiiri 20 pitää vahvistuksen vakiona, ja kytkimen 22 kautta saadaan mittaustulos lähdössä olevalle pitopiirille 23. Pitopiiri 23 pitää lähtöjännitteen vakiona analogiakytkimen 22 ollessa auki (johtamattomassa tilassa).

25 Koska nyt C0„ - C_,, r* U r niin R2 Rl ref „ CM - CR1 U , U = - · ref out C - C R2 Rl 30

Kuten edellä esitetystä yhtälöstä nähdään, saadaan järjestelmästä lähtö-jännite U (tasajännite), joka on riippuvainen mitattavasta kapasitanssista tavalla, joka voidaan määrätä referensslkapasltanssl ja sopivasti asettamalla.

Lähtöjännitteenä UQut saadaan edullisesti tasajännite, joka on jännitettä U säätämällä myös skaalattavissa sopivasti.

35

II

7 69931

Eräänä esimerkkinä keksinnön toteutuksesta on sellainen mittauspiiri, jossa

CR1 -40pF

5 CR2 = 60 pF

CM = 45 pF - 55 pF

f = 500 kHz n =16 m = 256 10 RC = 0,5 ms

U , = 2 V

ref U = 0,5 V - 1,5 V out

Seuraavassa esitetään patenttivaatimukset, joiden määrittelemän keksin-15 nöllisen ajatuksen puitteissa keksinnön eri yksityiskohdat voivat vaihdella ja poiketa edellä esitetystä.

Claims (7)

8 69931 Patentt ivaat imukse t

1. Menetelmä kapasitanssien, etenkin pienten kapasitanssien, mittaamiseksi, jossa käytetään mittausoskillaattoria (10), jonka antama lähtö-taajuus (f) on mainitun oskillaattorin taajuuden määrävän piirin tulo-napoihin (a,b) kytkettävän kapasitanssin funktio ja jossa menetelmässä 5 käytetään tunnettuja referenssikapasitansseja, joita kytketään mitattavan kapasitanssin (C„) tai mitattavien kapasitanssien kanssa vaihdellen mit-tausoskillaattoriin käyttäen hyväksi kytkinjärjestelyä, tunnettu siitä, 10 että menetelmässä käytetään sellaista mittausoskillaattoria (10), jonka signaalin jaksoaika (T ) on suoraan verrannollinen oskillaattorin (10) taajuuden (f) määräävän piirin tulonapoihin (a,b) vuorotellen kytkettäviin mitattavaan kapasitanssiin (CM) ja referenssikapasitansseihin (CR^ ja CI^), joita viimemainittuja menetelmässä on käytössä kaksi keskenään 15 erisuuruista, että mainitun mittausoskillaattorin (10) lähtö on kytketty keskenään kaskadiin kytkettyyn ainakin kahteen jakajaan (11,12), joista ensimmäisessä (11) oskillaattorin taajuus (f) jaetaan ensimmäisellä luvulla (n) 20 ja joista toisessa (12) oskillaattorin edellä jaettu taajuus (f/n) jaetaan edelleen toisella luvulla (m), että ensimmäisellä luvulla (n) jaetulla taajuudella (f/n) ohjataan logiikkaosaa (14), joka ohjaa mittausoskillaattoriin (10) mainitut 25 kapasitanssit (C ,C .,C „) parittain vuorotellen kytkeviä kytkimiä (13a, 13b , 13c) siten, että mainitun jakosuhteen (n) määräämän ensimmäisen pulssijonon (V^) puolijakson (T^ = n · T ) välein vuorotellen kytketään ensimmäistä referenssikapasitanssia (C^) ja mitattavaa kapasitanssia (CM) ja 30 että toisen jakajan (12) pulssijonolla (V^) ohjataan mainittua logiikkaosaa (14) siten, että viimemainitun pulssijonon puolijakson (T„ ** m · T, n · m · T ) välein vaihdetaan mittausoskillaattoriin (10) /1 o kytkettäväksi mitattavan kapasitanssin (CM) tilalle toinen referenssi- 9 69931 kapasitanssi (CD_) ensimmäisen pulssijonon (V ) puolilakson (T ) mää-kz n l räämin väliajoin ensimmäisen referenssikapasitanssin (C ,) kanssa R1 vaihdeltavaksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitattavaa kapasitanssia (C^) kytkevältä kytkimeltä (13b) on otettu ohjauspulssijono, jonka pulsslsuhteen muutoksia käytetään mitattavan kapasitanssin (C„) mittana.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mittauspiiriin kuuluvat kytkimet (16b ja 22), jotka on järjestetty ohjattavaksi toisesta jakajasta (12) saatavalla pulssi-jonolla (V ) siten, että viime mainitun pulssin ollessa esim. alhaalla, ovat mainitut kytkimet (16b ja 22) johtavassa tilassa (kiinni) ja 15 tällöin ensimmäistä referenssikapasitanssia (C^) ja mittattavaa kapasitanssia (CM) kytkevien kytkinten (13a,13b) ohjauspulssijonot on ohjattu pääsemään mittauspiiriin kuuluville RC-alipäästösuotimille (17a ja 17b), joista saadaan kaksi jännitettä (U^ ja U^), ja että mainituista RC-suotimista (17a,17b) saadut kaksi jännitettä (U^.U^) johdetaan diff-20 vahvistimeen (19), jonka lähdöstä saatava jännite (U^) ilmaisee mitattavan kapasitanssin (C^) ja ensimmäisen referenssikapasitanssin (C^) erotuksen siten, että on saatu määritellyksi järjestelmän kalibrointi-suoran vakiotermi (b) (off-set) .

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ohjauspulssijonot viedään toisesta jakajasta (12) saatavan toisen pulssijonon (V ) ohjaamien kytkimien (16a,21) ohjaamana RC- nm suotimille (17a,17b), joista saadaan piiriin kuuluvan diff-vahvistimen (19) lähtöjännite (U^ - U^), joka ilmaisee referenssikapasitanssien 30 (C ja C ) erotuksen siten, että saadaan määrätyksi ja vakavoiduksi HZ Rl järjestelmän kalibrointisuoran kulmakerroin (k).

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mittausjärjestelmään kuuluvan diff-vahvistimen (19) tulo-35 jännitteen (U^ - U^) vakioimiseksi lämpötilan muutoksista tai muista häiriötekijöistä riippumattomaksi, viedään mainittu jännite kytkimen (21) ja pitopiirin tai vastaavan kautta integroituvalle komparaattorille 10 69931 (24), jonka toiseen tulonapaan johdetaan järjestelmän referenssijMnnite (Uref) ja että mainitun komparaattorin (24) lähtöjännite (Uc) viedään takaisinkytkentäjännitteenä ohjaamaan analogiakytkintä (18) tai muuta vastaavaa komponenttia, joka vaikuttaa mainitun diff-vahvistimen (19) 5 tulojännitteeseen (U^ - U^).

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siltä, että järjestelmän vahvistus on sovitettu säätymään sellaiseksi, että referenssikapasitansseja (C^ ja C^) keskenään vaihdeltaessa on diff- 10 vahvistimen (19) lähtöjännite mainitun referenssijännitteen (U ^) suuruinen.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että edellä mainittu lähtöjännite (U ) saadaan pitopiiristä 15 (23), joka pitää lähtöjännitteen (U ) vakiona pitopiiriä (23) edeltä vän analogiakytkimen (22) auki ollessa. Il 11 Patentkrav 6 9 9 3 ”1