FI84666B - Maetkoppling foer smao kapasitanser. - Google Patents

Description

5 84666

Pienten kapasitanssien raittauskytkentä Mätkoppling för smä kapasitanser

Keksinnön kohteena on kytkentä pienten kapasitanssien mittaamiseen, joka kytkentä käsittää oskillaattorin, kuten LC- tai RC-oskillaattorin, jonka antotaajuus on oskillaattorin ottonavan ja maan välille kytkettä-10 vän mitattavan kapasitanssin funktio, ja jonka oskillaattorin otto-napaan kytketään vuorotellen mitattavia kapasitansseja.

Ennestään tunnetaan useita erilaisia oskillaattorikytkentöjä, joissa on taajuuteen vaikuttavana osana LC- tai RC-piiri. Näitä oskillaattori-15 kytkentöjä käytetään ennestään tunnetusti kapasitanssin mittaukseen, koska oskillaattoritaajuudesta voidaan määrätä kunkin oskillaattori-kytkennän laskukaavoja käyttäen kapasitanssi, kun kytkennän muiden komponenttien arvot tunnetaan.

20 Ennestään tunnetaan myös erilaisia LC- ja RC-oskillaattoreita, joiden kapasitanssin C toinen napa on kytketty maahan. Pienten kapasitanssien mittauksessa on viimemainituissa kytkennöissä kuitenkin epäkohtana ja ongelmana se, että erilaiset hallitsemattomat hajakapasitanssit kytkeytyvät mittausoskillaattorin mainitun kapasitanssin C rinnalle, jolloin 25 mittaustarkkuus kärsii. Nämä ongelmat ovat sitä suurempia mitä pienempiä kapasitansseja mitataan.

Pienten kapasitanssien mittaus on varsin yleistä erilaisessa anturitekniikassa ja telemetriikassa esim. radiosondeissa, joissa käytetään 30 meteorologisten suureiden mittaukseen erilaisia kapasitiivisia antureita, joiden kapasitanssi on verraten pieni, tyypillisesti alueella 1-100 pF. Näiden tunnettujen mittausmenetelmien ja kytkentöjen osalta viitataan hakijan seuraaviin patentteihin: US-4.295.090, US-4.295.091, FI-54664 ja FI-57319.

35 2 84666 1 Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on edellä ilmenneiden epäkohtien välttäminen ja sellaisen mittausoskillaattorikytkennän aikaansaaminen, joka soveltuu hyvin pienten kapasitanssien mittaukseen ja myös sellaisiin mittausjärjestelyihin, joissa käytetään vaihtokytkintä, jolla eri 5 anturikapasitanssit ja referenssikapasitanssit kytketään vuoronperään sopivassa mittaussekvenssissä mittausoskillaattorin ottoon.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on saada aikaan mittausoskillaat-torikytkentä, jota käyttäen voidaan pienet kapasitanssit, tyypillisesti 10 luokkaa 0-100 pF olevat kapasitanssit mitata entistä tarkemmin ilman hajakapasitanssien ja vastaavien häiritsevää vaikutusta.

Esillä olevan keksinnön eritylsktarkoituksena on aikaansaada sellainen mittauskytkentä, joka soveltuu käytettäväksi radiosondeissa meteo-J5 rologisia suureita mittaavien kapasitiivisten anturien yhteydessä.

Edellä esitettyjen ja myöhemmin selviävien päämäärien saavuttamiseksi keksinnölle on pääasiallisesti tunnusomaista se, 20 että oskillaattorin ottonavan ja maan välille mitattavaksi kytkettävään kapasitanssiin nähden muut mitattavat kapasitanssit kytketään toisesta navastaan mitattaville kapasitansseille yhteiseen johtoon ja toisesta navastaan jänniteseuraajan antoon, 25 että mainitun jänniteseuraajan otto on kytketty oskillaattorikytkennän ottonapaan, ja että mainittuna jänniteseuraajana on operaatiovahvistin, jonka anto on kytketty sen invertoivaan ottoon, johon ei-mittauksen alaisena olevat 30 kapasitanssit on kytketty niin, että niiden navoissa ei ilmene jännite-eroja eikä täten latausvirtoja.

Kun keksinnön mukaisesti kytketään jänniteseuraajan otto, sopivimmin operaatiovahvistimen otto, niiden kapasitanssien napoihin, jotka eivät 35 ole mittauksen alaisena, näiden kapasitanssien vastakkaiset navat tulevat olemaan samassa potentiaalissa, joten kytkennässä ei esiinny kyseisten kapasitanssien sellaisia latausvirtoja, jotka vaikuttaisivat 84666 3 mittausoskillaattorin antotaajuuteen. Kytkennässä voi esiintyä erilaisia hajakapasitansseja ja DC-vuotovirtoja jänniteseuraajana toimivan operaatiovahvistimen tai vastaavan ominaisuuksien puitteissa.

5 Keksintöä sovellettaessa hajakapasitansseja voi esiintyä myös mitattavien kapasitanssien ja mittausoskillaattorin oton välisen yhteisen johdon puolella. Näiden hajakapasitanssien vaikutus voidaan eliminoida käyttämällä tässä johdossa suojavaippaa, joka kytketään jänniteseuraa-jan antoon. Mainitussa suojauksessa voidaan käyttää muutoin niitä peri-10 aatteita, jotka on esitetty hakijan FI-patentissa nro 57319.

Keksinnön mukainen kytkentä on yleensä edullisimmillaan silloin, kun mittausoskillaattorina on sinioskillaattori, koska tällöin jännite-seuraajan nopeusvaatimus on vähäisin. Jänniteseuraajan vahvistimen on 15 vahvistettava riittävästi, koska muutoin amplitudi jää pienemmäksi annossa kuin mitä se on otossa ja tällöin hajakapasitanssit alkavat haitallisesti vaikuttaa mittaustarkkuuteen.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla 20 oheisen piirustuksen kuvioissa esitettyihin keksinnön eräisiin sovel-lusesimerkkeihin, joiden yksityiskohtiin keksintöä ei ole mitenkään ahtaasti rajoitettu.

Kuvio 1 esittää keksinnön lähtökohtana olevaa tekniikan tason mukaista 25 oskillaattorikytkentää.

Kuvio 2 esittää keksinnön mukaista mittausoskillaattorikytkentää, jolla mitataan kolmea pientä kapasitanssia, jotka vuoronperään kytketään mittausoskillaattorin ottoon.

30

Kuviossa 1 on esitetty sinänsä tunnettu RC-oskillaattori, jossa käytetään hystereesiä omaavaa invertteriä 10. Tämän kytkennän ja sen sovelluksen pienten kapasitanssien mittaukseen ja sonditelemetriaan osalta viitataan hakijan FI-patentteihin nrot 54664 ja 57319 ja US-patent-35 teihin nrot 4,295,090 ja 4,295,091. Kuvion 1 mukaisen oskillaattorin ottonavassa 16 ja siis kondensaattorin C-navoissa vaikuttaa maahan nähden jännite Ue(t), jonka aaltomuoto on piirretty kuvion 1 yhteyteen.

« 84666 1 Jännitteen UQ(t) käyrä koostuu kondensaattorin C ja sen rinnalle kytkeytyvän hajakapasitanssin C purkautumis- ja latautumiskäyrien

H

osista, joiden aikavakio t = 1/R (C+C„). Kuvion 1 oskillaattori-

o H

kytkennän antonavoista 18 saadaan suorakulma-aalto U^(t), jonka taajuus 5 f 1/T on oskillaattorikytkennän ottonavan 16 ja maan väliin kytkettynä olevan kapasitanssin C+C funktio.

H

Kuten edellä esitetystä selviää, vaikuttavat hajakapasitanssit suoraan oskillaattorikytkennän antotaajuuteen f^, mikä pilaa pienten kapasi- jQ tanssien mittaustarkkuuden. Nämä ongelmat vielä korostuvat, jos kuvion 1 mukaisen kytkennän ottopuolelle sijoitetaan ennestään tunnettu vaihto- kytkin, jolla eri kapasitiivisia antureita ja referenssikapasitansseja kytketään vuoronperään mittausoskillaattoriin, jonka lähtötaajuus on mitattavan kapasitanssin funktio f = F(C.,).

M o M

15

Kuviossa 2 on esitetty esimerkki keksinnön mukaisesta mittaus-kytkennästä, jolla edellä esitetyt ongelmat ratkaistaan.

Kuvion 2 mukainen kytkentä käsittää kapasitanssit C^,C^ ja C^, joista 20 esim. Cj on tarkoin tunnettu referenssikapasitanssi ja ja mitattavia kapasitansseja esim. radlosondin painetta (F), lämpötilaa (T) ja/tal suhteellista kosteutta (U) mittaavia antureita. Kapasitanssien Cj,C2 ja toiset navat on kytketty yhteen ja yhteisesti johdolla 19 edelleen invertterin 10 ottonapaan 16. Kapasitanssien ^^>^2 Ja ^3 25 vastakkaiset navat on liitetty kytkimiin 11,12 ja 13. Mainitut kytkimet 11,12 ja 13 ovat kaksi-asentoiset ja niiden toisessa asennossa kapasitanssit 3a ^3 kydetään kontaktin 15 välityksellä maahan ja kytkinten 11,12 ja 13 toisessa asennossa kapasitanssit C^,C2 ja kytketään johtimeen 21 tai kontaktiin, joka on kytketty jännite-30 seuraajana toimivan operaatiovahvistimen 20 antonapaan. Jänniteseuraajan 20 oton +napa on kytketty invertterin 10 ottonapaan 16.

Jänniteseuraajan sinänsä tunnetun kytkentätavan mukaisesti operaatio-vahvistimen 20 anto on kytketty sen oton -napaan, mitä kuvaa johdin 22. 35 Jänniteseuraajan ja sen operaatiovahvistimen 20 tai muun vastaavan komponentin ominaisuuksiin kuuluu, että jänniteseuraajan sisäänmeno- 5 8 4 6 6 6 1 vastus R. Ä ® la ulostulovastus R *0 Ideaalisessa tapauksessa.

out

Talloin jänniteseuraajan antojännitteeksi muodostuu IJ^ = U .

Kuvion 2 mukaisesti kapasitanssi Cj on kytketty maan ja lnvertterin 10 g ottonavan 16 välille, jolloin mittausoskillaattorin lähtötaajuus Fq F(Cj^). Kapasitanssit C^ ja on kytketty johtimien IA ja 21 välityksellä jänniteseuraajan 20 antoon, jossa vallitsee jännite = Uq. Täten kapasitanssien ja navoissa ei esiinny lainkaan jännite-eroa, joten mitään niiden latausvirtoja ei ilmene.

10

Kytkimiä 11,12 ja 13 ohjaa ohjausyksikkö 17 niin, että kunkin kapasitanssin ja toinen napa vuorollaan kytketään maahan ja siis vaikuttamaan mittausoskillaattorin ottoon, missä vaiheessa muut kapasitanssit ovat kytkettyinä jänniteseuraajan 20 oton +navan annon välille.

15

Hajakapasitanssia voi esiintyä myös mitattavien kapasitanssien yhteisen johdon 19 puolella. Näiden hajakapasitanssien vaikutukset ovat ehkäistävissä varustamalla johto 19 suojavaipalla 19a, joka kytketään jänniteseuraajan antoon johtimella 23.

20

Edellä on keksintöä selostettu vain sellaisessa sovelluksessa, jossa käytetään RC-oskillaattoria. Keksinnön puitteissa voidaan kuitenkin käyttää mitä muuta sopivaa sinänsä tunnettua oskillaattorikytkentää tahansa, esim. LC-oskillaattoria, joka on edullinen antamansa hyvän 25 siniaallon vuoksi.

Seuraavassa esitetään patenttivaatimukset, joiden määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa eri yksityiskohdat voivat vaihdella ja poiketa edellä vain esimerkinomaisesti esitetyistä.

30 35

Claims (8)

1. Kytkentä pienten kapasitanssien mittaamiseen, joka kytkentä käsittää oskillaattorin, kuten LC- tai RC-oskillaattorin, jonka 5 antotaajuus (fQ) on oskillaattorin ottonavan (16) ja maan välille kytkettävän mitattavan kapasitanssin funktio, ja jonka oskillaattorin otto-napaan (16) kytketään vuorotellen mitattavia kapasitansseja (C^.C^.C^), tunnettu siitä, 10 että oskillaattorin ottonavan (16) ja maan välille mitattavaksi kytkettävään kapasitanssiin nähden muut mitattavat kapasitanssit kytketään toisesta navastaan mitattaville kapasitansseille (Cj,C2»C^) yhteiseen johtoon (19) ja toisesta navastaan jänniteseuraajan antoon, 15 että mainitun jänniteseuraajan otto on kytketty oskillaattorikytkennän ottonapaan (16), ja että mainittuna jänniteseuraajana on operaatiovahvistin (20), jonka anto on kytketty sen invertoivaan ottoon, johon ei-mittauksen alaisena olevat 20 kapasitanssit (C2»C^) on kytketty niin, että niiden navoissa ei ilmene jännite-eroja eikä täten latausvirtoja.

1 Patenttivaatimukset

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen mittauskytkentä, tunnettu siitä, että mitattavana olevan kapasitanssin (C^) toinen elektrodi on 25 mittauksen ajaksi kytketty kytkimen (11) välityksellä maahan (15).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen mittauskytkentä, tunnet-t u siitä, että mittausoskillaattorikytkennässä käytetään hystereesistä omaavaa invertoivaa vahvistinta (10), joka on vastuksella (R) takaisin- 30 kytketty.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen mittauskytkentä, tunnet-t u siitä, että mittausoskillaattorina on sinioskillaattori.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen mittauskytkentä, tun nettu siitä, että mitattavien kapasitanssien (C^,0^,0^) yhteinen 7 8 4 6 66 1 johto (19) on varustettu suojauksella (19a) esim. suojavaipalla, joka on kytketty jännlteseuraajan (20) antoon.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen mittauskytkentä, t u n -g n e t t u siitä, että mittauskytkentä käsittää kaksi tai useampia mitattavia kapasitansseja (0^,02.0^)> joista ainakin yksi on referenssi-kapasitanssi ja muut mitattavia anturikapasitansseja.

6 84666

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen mittauskytkentä, tunnettu jQ siitä, että mitattavat kapasitanssit ovat radiosondin meteorologisia suurelta kuten painetta (P), lämpötilaa (T) ja/tai suhteellista kosteutta (U) mittaavia kapasitiivisia antureita.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen mittauskytkentä, t u n -15 n e t t u siitä, että mitattavat kapasitanssit ovat luokkaa 0-100 pF. 20 25 30 35 8 84666