FI69932C - Maetningsfoerfarande foer kapacitanser speciellt foer smao kapacitanser vid vilker man anvaender tvao referenser - Google Patents

Description

69932

Kapasitanssien, etenkin pienten kapasitanssien mittausmenetelmä, jossa käytetään kahta referenssiä Mätningsförfarande för kapacitanser, speciellt för sma kapacitanser, vid vilket man använder tva referenser

Keksinnön kohteena on menetelmä kapasitanssien, etenkin pienten kapasitanssien mittaamiseksi, jossa menetelmässä käytetään mittauselektroniik-kaa, johon kuuluu mittausoskillaattori, jonka antama lähtötajuus on oskillaattorin taajuuden määräävän piirin tulonapoihin kytkettävän kapa-5 sitanssin funktio ja jossa menetelmässä käytetään kahta mittausalueelle sähköisiltä arvoiltaan sijoittuvaa referenssikapasitanssia, joita kytketään mitattavan kapasitanssin tai kapasitanssien kanssa vuorollaan vaihdellen mittausoskillaattoriin kytkinjärjestelyä hyväksi käyttäen.

10 Esillä olevan keksinnön eräänä lähtökohtana on ollut se tekniikan taso, 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.

15

Radiosondeissa käytetään eri parametrien etenkin amosfäärisen paineen, lämpötilan ja/tais kosteuden mittauksessa kapasitiivisia antureita, joiden kapasitanssin suuruus on riippuvainen mitattavasta parametrista. Näiden antureiden kapasitanssit ovat useasti verraten pieniä muutamista 20 pFtstä muutamiin kymmeniin tai korkeintaan n. 100 pF:in. Pienten kapasi tanssien mittaus on ongelmallista mm. hajakapasitanssien, syöttöjännit-teen vaihteluiden ja muiden häiriöiden takia. Lisäksi mainitut anturit ovat jossain määrin ominaisuuksiltaan vaihtelevia niin, että niillä on esim. yksilöllinen epälineaarisuus ja lämpötilariippuvuus.

25

Mitattaessa etenkin telemetrisovellutuksissa lämpötilaa, kosteutta tai painetta tai muita vastaavia suureita sähköisillä tai mekaanissähköi-sillä antureilla on ennestään tunnettua sijoittaa mittauselektroniikan yhteyteen yksi tai useampi referenssi, joka on stabiili ja tarkasti 30 tunnettu, ja jolla referenssillä mittauspiirin ja/tai anturin yksilölli siä ominaisuuksia ja niiden ajallisia vaihteluita voidaan kompensoida.

2 69932

Kapasitiivisten antureiden yhteydessä on ennestään tunnettua käyttää referenssikapasitanssia, joka kytketään mittavan kapasitanssi kanssa vuorotellen mittauspiirin, yleensä RC-oskillaattorin taajuuden määräävään tulopiiriin. Mittauspiiriä sopivasti säätämällä tai muulla tavalla 5 voidaan referenssikapasitanssista johdettu mittauspiirin lähtösuure asettaa kulloinkin oikeaksi.

On ennestään tunnettua käyttää yhden referenssin mittauspiirejä, etenkin siltakytkentöjä, joissa mittaus on kuitenkin tarkka vain silloin, kun 10 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. Tämän 15 tunnetun menetelmän perusteita selostetaan myöhemmin tarkemmin kuvioon 1 viitaten.

Kahden tai useamman referenssin mittausjärjestelyissä on etuna mittauksen tarkkuus laajallakin mittausalueella, mutta epäkohtana on rakenteen 20 ja mittaukseen liittyvän laskennan mutkikkuus. Kahden referenssin mittauksen perusteita selostetaan myöhemmin tarkemmin kuvioon 2 viitaten.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on kehittää edellään em. hakijan soveltamia ennestään tunnettuja pienten, esim. n. 0-100 pF:n, kapasi-25 tanssien mittausmenetelmiä ja -piirejä niin, että niistä saadaan entistä tarkempia.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on saada aikaan sellainen kahden referenssin mittausmenetelmä ja mittauspiiri, jossa vältetään kapasi-30 tanssin mittaustulosten määräämisessä aiemmin tarvitut mutkikkaat laskutoimitukset.

Keksinnön tarkoituksena on sellaisen mittausmenetelmän ja "itsesäätyvän" mittauselektroniikan aikaansaaminen, jossa referenssiantureita vastaavat 35 lähtösuureet pysyvät muuttumattomina, vaikka mittauselektroniikka esim. lämpötilan vaihteluiden tai muiden seikkojen vuoksi ryömisi.

I! 3 69932

Edellä esitettyihin ja myöhemmin selviäviin päämääriin pääsemiseksi keksinnölle on pääasiallisesti tunnusomaista se, että menetelmässä käytetään kahta ulkoista apureferenssiä, joista saata-5 via apureferenssisignaaleja verrataan mainituista referenssikapasitans-seista johtuviin vastaaviin mittauselektroniikan antosignaaleihin, että muodostetaan mainittujen antosignaalien ja mainittuja ulkoisista apureferensseistä tulevien signaalien erotuksia kuvaavat signaalit, 10 joiden avulla muodostetaan piiriä säätävät takaisinkytkentäsignaalit, joilla mittauselektroniikkaa ohjataan siihen suuntaan, että mainitut erosignaalit tai vastaavat lähestyvät nollaa tai ennalta asetettua vastaavaa arvoa, ja 15 että edellä määritellyin menetelmävaihein kohdalleen säädetyn mittaus-elektroniikan avulla suoritetaan mitattavaa kapasitanssia vastaavan antosignaalin määritys.

Keksinnön päämäärät saavutetaan sovittamalla mittauspiiriin molempien 20 varsinaista kapasitanssireferenssien vasteena saatavia antosuureita vastaavat ulkoiset apureferenssit, jotka ovat stabiileja ja mittaus-elektroniikasta ja sen ryömimisestä sekä erilaisista häiriölähteistä riippumattomat. Näistä apureferensseistä saatavia suureita verrataan varsinaisista kapasitanssireferensseistä johtuviin antosuureisiin ja 25 muodostetaan mainittujen referenssien perusteella erosignaalit, joiden annetaan osaltaan vaikuttaa vakiotermin luontaisesti mittauselektroniik-kaan ja osaltaan mittauselektroniikan jyrkkyyteen summautuvasti niin monen mittauskierroksen ajan eräänlaisena interointiprosessina, niin että kapasitanssireferenssin ja ulkoisen referenssin erotus saadaan 30 nollaksi tai riittävän lähelle sitä.

Edullisimmin mainittu vertailu tapahtuu niin, että ensimmäisestä ulkoisesta apureferenssistä ja ensimmäisestä kapasitanssireferenssistä johdetulla erosignaalilla vaikutetaan mittauselektroniikkaan vakiotermin 35 luontoisesti, toisinsanoen vaikutetaan mittauselektroniikan off-settiin. Toisesta ulkoisesta apureferenssistä ja toisesta kapasitanssireferenssistä johdetulla erosignaalilla vaikutetaan edellä esitetyllä tavalla 4 69932 mittauselektroniikan jyrkkyyteen esim. sen vahvistukseen. Jos kyseessä on mittauspiiri tai -menetelmästä, jonka antosuureena on vaihteleva taajuus, toisella mainitulla erosignaalilla vaikutetaan mittauselektroniikan perustaajuuteen ja toisella erosignaalilla sen dynamiikkaan eli 5 taajuuden muutokseen tiettyä kapasitanssimuutosyksikköä kohti.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisen piirustuksen kuviohin, joissa on esitetty keksinnön taustaa ja sen eräitä edullisia toteutusesimerkkejä.

10

Kuvio 1 havainnollistaa xy-koordinaatistossa yhden referenssin mittausmenetelmän omainaiskäyriä (suoria).

Kuvio 2 esittää kuviota 1 vastaavalla tavalla kahden referenssin mittaus-15 menetelmän ominaiskäyriä.

Kuvio 3 esittää lohkokaaviona keksinnön mukaista mittausmenetelmää ja -piiriä.

20 Kuvio 4 esittää kytkinkaavana erästä esimerkkiä keksinnön menetelmän ja piirin toteutusta.

Kuvio 1 havainnollistaa yhden referenssin mittausmenetelmää xy-koordi- naatistossa. Referenssin, esim. kapasitanssin, joka sähköinen arvo on 25 mittausalueen keskikohdalla, avulla kiinnitetään piste X0»Y0» jonka kautta mittauselektroniikkaa kuvaava suora k kulkee. Koordinaatti x o kuvaa ottosuuretta, siis tässä tapauksessa mitattavaa kapasitanssi-suuruutta ja y kuvaa antosuuretta, siis tässä tapauksessa esim. tasa-jännitettä tai vaihtelevaa taajuutta. Mittauselektroniikan ryömimisen 30 ja muiden seikkojen johdosta kuitenkin järjestelmän ominaisuuksia kuvaava suora poikkeaa perussuorasta kQ katkoviivalle ja pistekatko-viivalla esitettyjen esimerkkisuorien k^ ja k^ välillä. Tällöin sallituissa virherajoissa muodostuu mittausalue X^ xD:n ympärillä verraten ahtaaksi.

35

Kuvio 2 havainnollistaa 1 vastaavalla tavalla kahden referenssin mittausmenetelmää, joka on tämän keksinnön lähtökohtana kuviota 1 vastaavalla

II

5 69932 Ί tavalla. Menetelmässä sovelletaan kahta referenssiä, nimittäin referenssejä 1. ja 2. jotka kiinnittävät kaksi pistettä xy-koordinaatistossa, nimittäin pisteet Ja χ2’^2’ J°^en ^autta asetettu suora k^ on järjestelmän lineaarinen perustoimintasuora. Käytännössä lämpötilamuutos-5 ten tai muiden seikkojen johdosta järjestelmän ominaiskäyrät vaihtelevat suoran kQ molemmin puolin käyrien fj ja f 2 välillä. Tällöin virherajoissa voidaan toteuttaa mittausalue X2» joka on suurempi kuin x^-x^. Täten saadaan toteutetuksi yhden referenssin mittausmenetelmään verrattuna ainakin kertaluokkaa laajempi mittausalue X^.

10

Kun seuraavassa tarkemmin selostettavan keksinnön mukaisesti voidaan eliminoida aikaisemmin kahden referenssin mittauspiirin yhteydessä ilmenneet monimutkaiset laskutoimitukset, saadaan keksinnöllä aikaan edullinen ja varsin yksinkertaisesti toteutettava mittausmenetelmä ja 15 mittauspiiri, jonka eräs toteutusesimerkki selostetaan seuraavassa kuvioihin 3 ja 4 viitaten.

Kuvion 3 mukaisesti järjestelmä käsittää mitattavan kapasitanssin (C^) 12 ja kaksi referenssikapasitanssia 10 ja 11 (CR^ ja C^)* Referenssi-20 kapasitanssien 10 ja 11 väliset arvot vastaavat kuviossa 2 esitettyjä pisteitä ja x^, joiden väliin ja ulkopuolellekin mittaus-alue X2 ulottuu. Mittauspiiriin kuuluu elektroninen vaihtokytkin 13, sen ohjaus-piiri 15, jota viimemainittua ohjaa kello 14. Vaihtokytkin 13 kytkee ohjauspiirin 15 ohjaussignaalien a.r^,^ ohjaamana vuorotellen mitatta-25 van kapasitanssin ja referenssikapasitanssit CR^ ja C £ mittauselekt-roniikkaan 16.

Mittauselektroniikkaan 16 kuuluu sinänsä tunnetusti esim. RC-oskillaat-tori, jonka taajuuden määräävään tulopiiriin mitattava kapasitanssi, 30 joka on yleensä välillä 0-100 pF, ja referenssikapasitanssit vuorotellen kytketään. Mittauselektroniikkaan 16 voi kuulua myös jakajia ja muita tunnettuja kytkentäjärjestelyjä, niin että mittauselektroniikasta saadaan antosuure, esim. kapasitanssin sähköisen arvon perusteella olennaisesti lineaarisesti muuttuva tasajännite tai taajuus.

35

Oletetaan, että mittauselektroniikan 16 antosuureena on jännite U^. Tämä jännite ohjataan ensimmäiseen vertailupiiriin 19 ja toiseen vertailu- 69932 1 piiriin 20. Tämän keksinnön mukaisesti mittauspiirissä ja -menetelmässä käytetään kahta ulkoista apureferenssipiiriä 17 ja 18. Näistä referenssi-piireistä 17,18 saadaan esim. tasajännitteet ja UR2> Jot^a johdetaan kumpikin omaan vertailupiiriinsä 19 tai 20. Mainittujen ulkoisten apu-5 referenssijännitteiden UR^ ja UR2 ja mittauselektroniikan antojännitteen erojännitteet ja aU2 ovat vertailupiirien 19 ja 20 ottojännitteitä. Vertailupiirejä 19 ja 20 ohjataan vaihtokytkimen 13 ohjauspiiristä 15 saatavilla ohjauspulssijonoilla ja R2 siten, että vertailupiireistä 19 ja 20 saadaan antojännitteet U ^ ja Uc9, joilla ohjataan RC-piirien 10 21 ja 22 (alipäästösuodattimien) kautta mittauselektroniikkaa 36.

Keksinnön toteutus on sopivimmin sellainen, että ensimmäisellä ohjaussignaalilla U vaikutetaan vakiotermin luontoisesti mittauselektroniik-kaan 16, siis mittauselektroniikan ns. off-settiin. Toisella ohjaussig- 15 naalilla U „ vaikutetaan puolestaan mittauselektroniikan 16 jyrkkyyteen, cz esim. sen vahvistukseen.

Ohjaussignaalit U ^ ja υ^2 vaikuttavat mittauselektroniikkaan siihen suuntaan, että mainitut erojännitteef AU^ ja AU2 portaittain pienenevät 20 ja tätä takaisinkytkent«vaikutusta toistetaan esim. vaihtokytkimen ohjauspiirin 15 ohjaaman niin monen mittauskierron ajan, että mainitut erojännitteet AU^ ja AU2 saadaan portaittain lähestymään nollaa. Kun mainitut erojännitteet ja U2 on saatu riittävän lähelle nollapis tettä, on mittauselektroniikka 16 tullut säädetyksi "kohdalleen".

25 Tällöin vaihtokytkimen 13 ohjauspiirin 15 ohjauksella vaihtokytkin 13 kytkee mitattavan kapasitanssin 12 mittauselektroniikkaan.

Samalla ohjataan vaihtokytkimen 13 ohjauspiirillä 15 pitopiiriä 23 tai muuta vastaavaa komponenttia, niin että mittauselektroniikan 16 anto-30 signaali kytkeytyy sellaisenaan tai sopivasti skaalattuna ulostulosignaaliksi U

out

Kuvio 4 esittää kytkinkaavana erästä toteutusta käytännön kytkennästä, joka on pienten kapasitiivisten anturien (0-100pF) mittauselektroniikka. 35 Mittaustaajuus noin 100 kHz, jota taajuutta ei ole käsitelty sellaisenaan, vaan sitä on riittävästi piireillä 25 ja 26 jaettu pienemmäksi, jotta porttien ym. viiveet ja niiden muutokset eivät vaikuttaisi mittaus-

II

69932 1 tulokseen. Kytkennässä olennaisena osana olevan multicap-piirin 27, joka on patentoitu erikoispiiri nimenomaan kapasitiivisten anturien mittaukseen, rakenteen ja toiminna osalta viitataan em. FI-patentteihin 54 664 ja 57 319 (vast. US-patentit 4 295 090 ja 4 295 091). Suure, mitä tarkas-5 teilaan, on aika. Apureferenssinä on aika, joka saadaan kideoskillaatto-rista 24 ja edelleen jakajamikropiirin 25 (4024) nastasta 3. Nollaus tapahtuu vähän myöhemmin (nastat 3 ja 6 ykkösiä). Toista apureferenssiä ei tarvita, koska toisesta jakajamikropiiristä 26 (4040) on otettu eri jakomäärä referensseillä CR^ ja C^· 10

Aikaerojen vertailun suorittavat portit 31 ja 32. Portit 33 ja 34 huolehtivat siitä, että korjausvirrat saavat vaikuttaa 47 nF:n kondensaat-toreiden jännitteisiin vain kun referenssejä CRj ja mitataan. Antosignaali U on kuvion 4 kytkennässä taajuusbursti, jonka taajuu- 15 dessa on tieto mitattavan anturikapasitanssin sähköisestä suuruudesta. Anto voidaan myös kytkeä samoin kuin referenssien CRj ja CR^ osalta on menetelty, jolloin saadaan pulssi, jonka leveydessä (puolijakson kestossa) on tieto anturikapasitanssin sähköisestä arvosta.

20 Kuvion 4 kytkennästä voidaan laskea taajuusburstin pulssien määrä tai pienillä muutoksilla saadaan hursti, josta on vähennetty toisen referenssin CR^;C 2 arvoa vastaava määrä pulsseja, viime mainitut toteutusvaihtoehdot eivät vaadi kideoskillaattoria, koska pulssimäärät ovat laaduttomia lukuja.

25

Seuraavassa esitetään patenttivaatimukset, joiden määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa keksinnön eri yksityiskohdat voivat vaihdella ja poiketa edellä esitetystä.

30 35

Claims (5)

8

1. Menetelmä kapasitanssien, etenkin pienten kapasitanssien mittaamiseksi, jossa menetelmässä käytetään mittauselektroniikkaa (16), johon 5 kuuluu mittausoskillaattori, jonka antama lähtötajuus on oskillaattorin taajuuden määräävän piirin tulonapoihin kytkettävän kapasitanssin funktio ja jossa menetelmässä käytetään kahta mittausalueelle (X2) sähköisiltä arvoiltaan (x^,X2) sijoittuvaa referenssikapasitanssia (C^.C^)» joita kytketään mitattavan kapasitanssin (C^) tai kapasitanssien kanssa 10 vuorollaan vaihdellen mittausoskillaattoriin kytkinjärjestelyä (13,14,15) hyväksi käyttäen, tunnettu siitä, että menetelmässä käytetään kahta ulkoista apureferenssiä (R^.R^), joista saatavia apureferenssisignaaleja (ϋ^,ϋ j) verrataan mainituista 15 referenssikapasitansseista johtuviin vastaaviin mittauselektro- niikan antosignaaleihin (U^) , että muodostetaan mainittujen antosignaalien (U^) ja mainittuja ulkoisista apureferensseistä tulevien signaalien (U^,U 2) erotuksia kuvaavat 20 signaalit (-4U^,AU0), joiden avulla muodostetaan piiriä (16) säätävät takaisinkytkentäsignaalit joilla mittauselektroniikkaa (16) ohjataan siihen suuntaan, että mainitut erosignaalit (ιυ^,Δΐ^) tai vastaavat lähestyvät nollaa tai ennalta asetettua vastaavaa arvoa, ja 25 että edellä määritellyin menetelmävaihein kohdalleen säädetyn mittaus-elektroniikan (16) avulla suoritetaan mitattavaa kapasitanssia (C„) vastaavan antosignaalin (U^,U ) määritys.

1 Patenttivaatimukset 6 9 9 3 2

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 30 että mainittuja erosignaaleja (Δϋ^,Λΐ^) muodostetaan usean ja niin monen mittauskierron ajan, että mainitut erosignaalit (AU^,ΑΙ^) saadaan portaittain lähestymään nollaa tai riittävän lähelle sitä, minkä jälkeen suoritetaan mitattavan kapasitanssin (C„) vastaavan antosuureen (U,, M 1 U ) määrääminen, out 35

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että toisen mainitun erosignaalin (AU^) perusteella vertailijassa (19) II 69932 1 tai vastaavassa muodostetulla säätosignaalilla (lT ) ohjataan mittaus-elektroniikan vakiotermiä eli ns. off-settiä, että toisen erosignaalin (^t^) perusteella esim. vertailijasta (20) 5 saatavalla säätosignaalilla (U^) ohjataan mittauselektroniikan (16) jyrkkyyttä, esim. mittauselektroniikan (16) vahvistusta, ja että mainittu säätö suoritetaan summautuvasti niin monen mittauskierron ajan iterointiprosessina, että kapasitanssireferenssien (C . ,C „) ja R i K /. 10 ulkoisten referenssien (Rj,!^) erotusta kuvaavat suureet saadaan nollaksi tai asetetun vakion suuruiseksi.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, jossa mitattava kapasitanssi (C ) ja molemmat referenssikapasitanssit (C .,C _) kytketään M Rl Rz 15 vuorotellen elektronisen vaihtokytkimen (13) avulla mittauselektroniikkaan (16), ia jossa menetelmässä mainittua vaihtokytkintä (13) ohjataan vaihto-kytkimen ohjauspiirillä (15), jota kello (14) ohjaa, tunnettu siitä, että vaihtokytkimen (13) ohjauspiirin (15) referenssikapasitanssit ^CR1’^R2^ kytkevillä ohjaussignaaleilla (r^.r^) ohjataan toisella (rp 20 toista vertailijaa (19) ja toisella (τ^) toista vertailijaa (20).

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mittaustaajuutena käytetään noin 100 kHz luokkaa olevaa perustaajuutta, jota perustaajuutta alennetaan jakajilla (25,26) niin 25 alhaiseksi, että porttien ym. viiveet ja niiden muutokset eivät vaikuta häiritsevästi mittaustulokseen. 30 35 69932 10