JPS585383B2 - ヨウリヨウソクテイソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高損失材料等の容量を測定する容量測定装置
に関するものである。

一般に、植物体内の水分量を連続的に測定することは非
常に困難なことである。

通常、これらの水分量の測定は、水のもつ比誘電率と比
例関係にある容量を測定することによって行なわれてい
る。

この種の容量測定に用いられる装置として、特公昭４９
−１６６７８で示されているものがある。

この従来装置は、同調がとれた複数のＬＣ共振回路の１
つに試料を並列接続したときに、ＬＣ共振回路間に生ず
る位相変化が試料の等価並列容量に比例し等価並列抵抗
に無関係であることを利用したものである。

しかし、このような従来装置は、そのＬＣ共振回路間を
結ぶ結合コンデンサの容量を大きくすることによって、
等価並列抵抗の小さい試料に対しても感度一定な容量測
定を行なうようにしたものであるため、装置全体として
低感度なものであった。

また、直読形であるため測定時には同調がくずれた状態
で動作することになり、温度に対して不安定なものであ
った。

本発明の目的は、このような従来装置の欠点を除去した
容量測定装置を実現することにある。

以下図面により本発明を説明する。

第１図は本発明装置の一実施例を示す電気的接続図であ
る。

図において、Ｏ３は内部抵抗ｒなる高周波発振器で、そ
の一端は接地されている。

また、その発振振幅はｅ１発振周波数はωである。

Ｔａ、ＴｂおよびＴ。

は同調回路で、それぞれの−端は接地されている。

同調回路ＴａはコンデンサＣｏとコイルＬｏとの並列回
路でなり、その固有等価並列抵抗はＲｏである。

同調回路ＴｂはコンデンサＣ１とコイルＬ１との並列回
路でなり、その固有等価並列抵抗Ｒ１である。

同調回路ＴｃはコンデンサＣ２とコイルＬ２との並列回
路にコンデンサＣ３と可変容量ダイオードＤとの直列回
路を並列接続することによって構成されたものである。

ここで、コンデンサＣ３は直流阻止の働きをするもので
その容量は非常に太きい。

したがって、同調回路Ｔ。

の容量は、可変容量ダイオードＤ（容量Ｃｄ）とコンデ
ンサＣ２との和容量ｃｄ＋０２で示される。

また、この同調回路Ｔ。の固有等価並列抵抗はＲ２であ
る。

Ｃｏ１５Ｃｏ２は結合コンデンサで、結合コンデンサＣ
ｏ１は同調回路Ｔａ。

Ｔｂを結合し、結合コンデンサＣｏ２は同調回路Ｔｂ、
Ｔｏを結合している。

これら結合コンデンサＣｏ１．Ｃｏ２と同調回路Ｔｂと
は、 ω２Ｌ１（Ｃ１＋Ｃｏ１＋ｃｏ２）−１（１）なる関係
になっている。

ＳはコイルＬとコイルＬｘとでなる検出回路である。

コイルし は相互誘導係数ＭｏでもってコイルＬｏに結
合され、コイルＬｘは相互誘導係数Ｍ１をもってコイル
Ｌ１に結合されており、それぞれにコイルＬｏ、Ｌｌに
流れる電流に応じた位相を有する電圧が誘起されるよう
になっている。

また、コイルＬｎの一端は接地され他端はコイルＬｘの
センタタップに接続されている。

Ｒｅは検波回路で、ここでは検波器として一対の電界効
果トランジスタＦＥＴ１．ＦＥＴ２を用いたものを示し
た。

ＦＥＴ１．ＦＥＴ２の各ゲート端子はコイルＬｘの両端
子に接続され、各ドレイン端子は電源Ｖに接続されてい
る。

また、ＦＥＴ１のソース端子は、コンデンサＣ３と抵抗
Ｒ３とでなる並列回路を介して接地され、ＦＥＴ２のソ
ース端子は、コンデンサＣ６と抵抗Ｒ４とでなる並列回
路を介して接地されている。

ＡＭＰは増幅回路で、検波回路Ｒｅ内のＦＥＴ１．ＦＥ
Ｔ２の各ソース端子に現われる電圧の差ｅｄを入力とし
、これに応じた信号ｅ。

ｕｔを出力するものである。この出力信号は端子ｅ。

ｕｌならびに同調回路Ｔｍ内の可変容量ダイオードＤに
与えられるようになっている。

これら検出回路Ｓ１検波回路Ｒｅおよび増幅回路ＡＭＰ
は負帰還路を形成している。

Ｓｎは測定端子〇−Ｏ′間に接続された試料で、乙ＣＸ
、ＲＸはその等価並列容量、等価並列抵抗である。

このように構成された本発明装置の動作を述べる。

まず、コイルＬｐに誘起される電圧をｅｌ、コイルＬｘ
に誘起される電圧をｅｘ、ｅｘ’（ｅｘ’−−ｅｘ）と
すれば、検波回路Ｒｅ内のＦＥＴ１．ＦＥＴ２の各ゲー
ト端子には、それぞれ第２図に示されるように、ｅｎと
ｅｘのベクトル合成された電圧ｅｒ、ｅ、とｅｘ′のベ
クトル合成された電圧ｅｒ′が印加される。

このため、ｅｒ、ｅｒ′の大きさの差に対応した電圧ｅ
ｄが増幅回路ＡＭＰに入り、増幅回路ＡＭＰからｅｄ≒
Ｏとなるような電圧ｅｏＵ１が可変容量ダイオードＤに
出力される。

したがって、定常状態においてはｅｄ＝０が保たれ、第
２図からもわかるように、ｅｐとｅｘ、ｅｘ′とのＴｂ
、Ｔｏ間の同調がとられていることになる。

このことは、前記（１）式の他に次式が成り立っている
ことを意味する。

ω２Ｌ２（Ｃ２＋Ｃｄ十△Ｃｘ十Ｃｏ２）＝１ （２
）ここで、ω、Ｌ２．Ｃ２およびＣｏ２は一定であるか
ら、（２）式は次のように書き換えることができる。

ｃｄ−Ｃｏｏｎ−Ｃｘ（Ｃｏｏｎニ一定）（３）結局、
本発明装置はこの（３）式を満足するように動作してい
ることになる。

次に第３図の可変容量ダイオードＤの特性曲線を参照し
ながら出力電圧ｅ。

ｕｔについて述べる。まず試料Ｓｎが接続されていない
状態では△Ｃｘ＝０であるから、（３）式よりＣｄ−ｃ
ｏｏｎが得られる。

したがって、出力電圧ｅ。ｕｔは第３図のＣｄ−Ｃｏｏ
ｎに対応した電圧ｅ。

で平衡状態になり、出力端子Ｔｍには出力電圧ｅ。

ｏｌとしてｅ。が現われる。

測定端子０−Ｏ′に乙ＣＸ−ΔＣなる試料Ｓｎが接続さ
れると、（３）式よりＣｄ−ｃｏｏｏ−△Ｃが得られる
。

したがって、出力電圧ｅｏｕｔは第３図のＣｄ＝Ｃｏｏ
ｎ−△Ｃに対応した第圧ｅ１で平衡状態になり、出力端
子Ｔｍには出力電圧ｅ。

ｕｌとしてｅｌが現われる。

ここで、出力電圧ｅ。ｕｏの変化分△ｅ＝ｅ１−ｅｏを
考えると、明らかに、この変化分△ｅは接続された試料
Ｓ、の等価並列容量△Ｃに対応したものとなる。

したがって、出力電圧ｅｏｕｔを求めれば容易に試料Ｓ
ｐの等価並列容量△Ｃｘを測定することができる。

ここで、可変容量ダイオードの１電圧−容量特性」の非
直線性を補正する必要がある場合には、可変容量ダイオ
ードＤの前段に非直線回路（たとえばリニアライザ）を
挿入すればよい。

第４図は、上記のような本発明装置に一定の△Ｃｘを与
えた場合における、Ｒｘとｅ。

ｕｔとの関係を示す特性図である。

この第４図から明らかなように、本発明装置はＲｘ≧２
にΩの広範囲においては全＜Ｒｘの影響を受けない。

しかしながら、Ｒｘ＜２にΩでは、前述の従来装置と同
様に、その感度がＲｘによって変化する。

したがって、このＲｘの範囲においては、ＲＸの変化が
見かけ上Ｃｘの相違として出力電圧ｅ。

ｕｔに現われ、測定誤差となる。

第５図は、このような場合の対策として、一定値以下の
Ｒｘを有する試料Ｓｐに対してはその旨の警報信号を発
生するような回路を設けた実施例を示す電気的接続図で
ある（第１図装置と対応する部分には同一符号を付す）
。

図において、Ｌｙはコイルで、このコイルＬｙは同調回
路Ｔ。

内のコイルＬ２と一定の相互誘導係数Ｍ２でもって結合
されている。

Ｄ２はダイオード、Ｃ７はコンデンサ、Ｒ５は抵抗で、
これらはコイルＬｙに誘起された電圧ｅ、を入力とする
検波回路Ｒｅ１を形成する。

Ａはコンパレータで、検波回路Ｒｅｌ出力ｅｋが一定レ
ベルより低くなったときに警報信号を発生するものであ
る。

このような構成の本発明装置において、検波回路Ｒｅ１
の出力ｅｋは次式で示される。

この（４）式かられかるように、ｅｋはＲｘに関して単
純増加であるから、許容できるＲｘの最小値Ｒｘｏを（
４）式に代入して得られるｅｋの値出力端子Ｔｎから警
報信号が出力される。

したがって、たとえばこの警報信号でランプ等を点灯さ
せるようにすれば、容易に、ＲＸくＲＸｏの試料Ｓ、が
測定端子〇−Ｏ′に接続されたことを知ることができる
。

また、ｅｋは（４）式で示されるようにＲｘの関数であ
るから、第５図の出力端子Ｔｅで得られるｅｋを適当に
変換すれば、ＲＸそのものの値を知ることもできる。

第６図は本発明装置の他の実施例を示す電気的接続図で
ある（第１図装置と対応する部分には同一符号を付す）
。

この実施例は、第１図に示した実施例の出力電圧ｅ。

ｏｌにＲｘに関連した電圧を加えることによって、ＲＸ
＜２にΩにおいてもＲｘの影響を受けないような最終的
な出力電圧Ｅｏｕｔを得るようにしたものである。

この第６図において、Ｒ２はコイルで、このコイルＬ２
は同調回路Ｔｂ内のコイルＬ１と一定の相互誘導係数Ｍ
３で結合されている。

Ｄ３はコイルＬ２の一端と接続されたダイオード、Ｃ８
，Ｒ６はそれぞれこのダイオードＤ３の他端を接地点と
の間に接続されたコンデンサ、抵抗で、これらはコイル
Ｌｚに誘起された電圧ｅ２を入力とする検波回路Ｒｅ２
を形成している。

Ａ１は演算増幅器、Ｒ７，Ｒ８は演算増幅器Ａ１の入力
抵抗、Ｒｏは帰還抵抗である。

抵抗Ｒ７は検波回路Ｒｅ２の出力電圧ｅ・を受けるため
のもの、抵抗Ｒ８は増幅回路ＡＭＰの出力電圧ｅ。

ｕｔを受けるためのものである。

これら抵抗Ｒ７〜Ｒ９および演算増幅器Ａ１が補正回路
Ｈｏを形成している。

Ｔｐは出力端子で、この出力端子Ｔｐには補正回路Ｈｏ
を経た最終的な出力電圧Ｅ。

Ｕｌが現われる。

このように構成された装置において、検波回路Ｒｅ２の
出力電圧ｅ・および装置全体の出力電圧Ｅｏｕｔは、そ
れぞれ次式で示される。

ただし、Ｋ１：定数 第７図は上記（５）式の関係をグラフで示したものであ
る。

この図から明らかなように、ｅ、はＲｘ≧Ｒｘ１におい
ては一定であり、ＲＸ＜ＲＸｌにおいては第４図に示さ
れるｅ。

ｕｌとほぼ逆の特性をもっている。

ここで、ＲＸｌは結合コンデンサＣｏ２等の大きさによ
って決まるものであり、この実施例ではＲｘ１＝２にΩ
となっている。

したがって、第４図、第７図および（６）式かられかる
ように、Ｒ７〜Ｒ０を適当な値に選べばｅ。

Ｕｌの変化をｅｌで補正でき、Ｒｘ＜２に与るの影響を
も受けない出力電圧Ｅ。

Ｕｌを得ることができる。すなわち、出力電圧Ｅ。

ｕｌは容量△Ｃｘのみに関連したものとなる。

なお、第１図、第５図および第６図の各実施例において
は、同調回路を３つ用いたものを示したが、これに限定
されるものではない。

たとえば、同調回路Ｔｂ１コンデンサＣｏ２を省略し、
コイルＬｘとコイルＬ２とをならびにコイルＬｚとコイ
ルＬｏとをそれぞれ一定の相互誘導係数でもって結合す
ることもできる。

また、同調回路Ｔｃの可変容量素子として可変容量ダイ
オードを使用したものを示したが、バリコンや電子回路
で構成したもの等容量を変えられるものであればいかな
るものでもよい。

さらに、第５図実施例において、ＲＸに関連した信号を
同調回路Ｔｃから取り出すものを示したが、他の同調回
路Ｔａ、Ｔ４．にもＲｘに関連した信号が現われるので
、同様の回路構成で同調回路ＴａやＴｂからＲｘに関連
した信号を取り出すこともできる。

また、ＲＸの値に応じて警報信号を発生するものを示し
たが、測定範囲外の容量△Ｃｘをもつ試料Ｓｐに対して
も警報信号を発生するように構成するには、一般の測定
器と同様、容量△Ｃｘに応じた信号（たとえばｅ。

ｕｔ）に応じて警報信号を発生するような回路をさらに
付加すればよい。

以上説明したように、本発明装置は、可変容量素子を含
む第１同調回路Ｔｃと、この第１同調回路Ｔｃと結合コ
ンデンサＣｏ２で結合された第２同調回路Ｔｂと、第１
同調回路Ｔｃと第２同調回路Ｔｂとの間の同調が保たれ
るような信号を第１同調回路Ｔｃ内の可変容量素子に与
える負帰還路とを有するものであり、結合コンデンサＣ
ｏ２の容量を大きく選ぶ必要がないので非常に高感度な
ものとなる。

また、常に同調がとれた状態で動作するので温度変化に
対して安定なものとなる。

さらに、同調が保たれていることから、いつでも正確に
、試料Ｓ、の等価並列抵抗Ｒｘに応じて、警報信号を発
生することができる。

また、適当な補正回路の付加により１００Ω程度の等価
並列抵抗Ｒｘを有する試料Ｓ、の測定も可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一実施例を示す電気的接続図、第
２図は検波回路Ｒｅに加えられる電圧を説明するための
説明図、第３図は可変容量ダイオードＤの特性図、第４
図は△Ｃｘが一定のときのＲＸ−ｅｏｕｔの関係を示す
特性図、第５図および第６図は本発明装置の他の実施例
を示す電気的接続図、第７図は検波回路Ｒｅ２の出力電
圧ｅｊを示す特性図である。 Ｏｓ・・・・・・高周波発振器、ＴａｔＴｂ＋Ｔｃ・・
・・・・同調回路、Ｃｏ１．Ｃｏ２・・・・・・結合コ
ンデンサ、Ｓ・・・・・・検出回路、Ｒｅ、Ｒｅ１．Ｒ
ｅ２・・・・・・検波回路、ＡＭＰ・・・・・・増幅回
路、Ｄ・・・・・・可変容量ダイオード、Ｌｙ。 Ｌｚ・・・・・・コイル、Ａ・・・・・・コンパレータ
、Ｈｏ・・・・・・補正回路、Ｓｐ・・・・・・試料。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 可変容量素子を含む第１同調回路と、この第１同調
   回路と第１の結合コンデンサＣ８２を介して接続された
   第２同調回路と、この第２同調回路と第２の結合コンデ
   ンサＣ８１を介して接続された第３同調回路と、この第
   ２同調回路と第３同調回路に流れる電流の位相をそれぞ
   れ検出する位相検出手段Ｌｐ、Ｌｘと、この位相検出手
   段Ｌｐ、Ｌｘからの信号を基にして前記第１同調回路と
   第２同調回路と第３同調回路との間の同調が保たれるよ
   うな信号を前記第１同調回路内の可変容量素子に与える
   負帰還路とを具備し、前記第１同調回路に試料を接続し
   たときに前記負帰還路で得られる信号から前記試料の等
   価並列容量を求めるようにした容量測定装置。 ２ 前記第１同調回路又は第２同調回路又は第３同調回
   路に流れる電流を検出する検出手段Ｌｙどこの検出手段
   Ｌｙからの信号を設定値と比較するコンパレータとを備
   え、試料の等価並列抵抗値に応じて警報信号を発生する
   ようにした特許請求の範囲第１項記載の容量測定装置。 ３ 前記位相検出手段Ｌｘに流れる電流を検出する手段
   Ｌｚと、この手段Ｌｚで得られた信号を検波する検波回
   路とを備え、この検波回路の出力信号と前記負帰還路で
   得られる信号とを加算することにより、前記試料の等価
   並列容量に対応した信号を得るようにした特許請求の範
   囲第１項記載の容量測定装置。