JPS62140073A - 静電容量測定回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の関連する技術分野 本発明は、測定容量を所定の切換周波数で周期的に交互
に、充電のために定電圧に接続するかまたは放電のため
に蓄積コンデンサに接続する切換装置を備えており、前
記蓄積コンデンサは測定容量より大きい静電容量を有し
ており、前記蓄積コンデンサの端子電圧は監視・側倒さ
れる放電電流によりほぼ一定の基準電位に保たれ、その
際放電電流の大きさが測定容量に比例し測定値を成して
いる、静電容量測定回路に関する。

従来技術 この形式の静電容量回路は、例えばドイツ連邦共和ｌ特
許出頭公開第３１４３１１４号公報力）ら公知であり、
スイッチドキャパシタの原理で動作する。静電容量」１
１定は、周期的に交互に一定の電圧に充電され且つ放電
される測定容量の平均放電電流の測定に関する。通常、
その平均放電電流が電流−電圧変換器により電圧に変換
される。この電圧が測定容量に比例する。２つの、同じ
原理で動作する回路分岐を用いることにより、殊に２つ
の測定容量の間の静電容量の差を、高い感度および精度
で測定することができ、これはそのような静電容量の差
が測定される静電容量に比べて極めて小さいときにも可
能である。

他方、容量測定回路または容量性センサでは、例えば米
国特許第３７８１６７２号明細書およびドイツ連邦共和
国特許出願公告第２７４４７８５号公報から、″能動じ
ゃへい１の原理が公知である。この原理は、被測定容量
またはセンサ容量に対して設けられたじゃへい装置の職
位が常にじやへいすべさ電極の電位に追従されるという
ものである。これにより、漂遊容量や妨害罎界の測定容
量またはセンサ容量への影響を遮断することができる。

しやへい装置例えば！Ｉ′ｌｌＩ足またはセンサ電極を
取巻くじやへい電極、または被測定またはセンナ容量を
静電容量測定回路に接続するケーブルのしゃへい装置で
もよい。従来技術によれば、能動じゃへいは、しやへい
された電極の電位が検出されてインピーダンス変換器を
介してしやへい装置に加えられるという方法で行われる
。この解決方法は、インピーダンス変換器として、高い
精度および高い入力キャパシタンスへの要求を満たすよ
うな演算増１＠器が必要なので高価につぐ。

発明が解決しようとする問題点 本発明の課題は、冒頭に述べた形式の静電容量測定回路
において、能動じゃへい全簡単かつ有効な方法で達成す
ることにある。

問題点を解決するための手段 この課題を解決するために、本発明による静電容量測定
回路は別の１つの切換装置を備えており、この切換装置
が、測定容量に対して設けられたじやへい装置？切換周
波数で周期的に、ほぼ一定の電圧に相応する電位または
基準電位に相応する電位に交互に接続する。

実施例 次に本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。

第１図は本発明による静電容量測定回路の実施例を示し
、この静電容量測定回路１ｏはドイツ連邦共和国特許出
願公開第３１４３１１４号公報から公知のスイッチドキ
ャパシタの原理に従って、被測定コンデンサ１１の静電
容量ＣＭに比例する出力信号を発生する。被測定コンデ
ンサ１１は静電容量測定回路１ｏがら比較的大きく隔っ
て設けることができ、この測定回路にじゃへいされたケ
ーブル１２を介して接続されている。しやへいされたケ
ーブルばしゃへいされた円部導体１３とケーブルしゃへ
い部１４とを有する。被測定コンデンサ１１の場所にじ
やへい電極１５が設けられているとき、このしやへい電
＠はケーブルしゃへい部１４に接続されている。

静電容量測定回路１０は切換スイッチ１６を備えており
、この切換スイッチは第１図に示されている位置におい
て、被測定コンデンサ１１をケーブル１２の内部導体１
３を介して端子１γに接続し、この端子１７はアースに
対して一定の正の直流電圧＋Ｕ１例えば回路の動作電圧
を供給する。他のスイッチ位置において切換スイッチ１
６は被測定コンデンサ１１を蓄積コンデンサＣＯに接続
し、この蓄積コンデンサの静電容量Ｃ９は測定静電容量
ＣＭに比べ極めて大きい。切換スイッチ１６と蓄積コン
デンサ１８の相互に接続された端子には演算増幅器２０
の反転入力側も接続されており、該演算増幅器の非反転
入力側はアースされており、さらに演算増幅器の帰還回
路は出力側と入力側との間に抵抗２１を有する。

第１図の静電容量回路の動作を第２図の時間勝因を用い
て説明する。

第２図の波形Ａは切侠スイッチ１６を制御する制御信号
Ａの時間経過を示す。制御信号Ａは周期的に交互に２つ
の状態０または１になる。

その際、切換スイッチ１６は、制御信号゛Ａが値１のと
き第１図て示す位置にあり、このとき切換スイッチは被
測定コンデンサ１１を端子１７に接続し、他方制御信号
Ａの値０のとき被測定コンデンサ１１が端子１７から切
離されて、代わりに蓄、償コンデンサ１８に接続される
ものと仮定する。

第２図の波形Ｕ。１Ａは、被測定コンデンサ１１の電圧
の時間的経過を示し、ひいてはケーブル１２の内部導体
１３の電圧を示す。制御信号Ａの値１に対応する各時相
工において、被測定コンデンサ１１は電圧＋Ｕに充電さ
れる。充電は充電回路の不可避の時定数故に、遅延なし
には行なわれないが、時相工の長さは、被測定コンデン
サ１１の電圧Ｕ。Ｍが確実に完全な値＋Ｕに運するよう
に犬きく設定されている。

制御信号Ａの値０に対応する時相■に２いて、被測定コ
ンデンサ１１から相応の時定数で蓄積コンデンサ１８に
放電される。蓄積コンデンサ１８の静電容量Ｃ６はが１
］定容量ＣＭより非常に大きいので、これら両コンデン
サの電圧は電荷の均らしないし平均化の後ｕｔ圧＋Ｕに
比べて非常に小さい。有利には時相■と同じ長さの時相
■の持続時間は、完全な電荷の均らしないし平均化を確
実に行なえるように定められている。

次の時相■において、被測定コンデンサ１１は再び電圧
＋Ｕに充電され、他方蓄積コンデンサ１８の電荷は電流
−電圧変換器として作用する演算増幅器２０により緩慢
に放出される。電荷の均らしないし平均化は、抵抗２１
を介して流れる電流により行われ、この電流の作用シて
より、蓄積コンデンサ１８の電圧が平均直においてほぼ
値ゼロに保持される。抵抗２１を介して流れる電流は、
被測定のコンデンサ１１から放電される電流の平均直に
等しい。この電流の保持のために、演算増幅器２０の出
力電圧が、測定容量Ｃ１，４に正確に比例する値Ｕ。に
なる。

特別な構成を施こさなければ、しやへいされたケーブル
１２のケーブル静電容量ＣＫが測定容量へに加算され、
ケーブルの静電容量変化が測定に影響を及ぼす。このよ
うなケーブル静電容量の影響を除くために、第１図の静
電容量測定回路では、ケーブルしゃへい部１４の電位を
ケーブル１２のじやへいされた内部導体１３に追従させ
るという能動じゃへいを用いる。付加的にじゃへい用電
極１５が設けられていてケーブルしゃへい部１４に接続
されているとき、しやへい用電極１５の電位も、能動じ
ゃへいにより、それかじゃへいしているコンデンサ電極
の電位に追従する。これにより漂遊容量や妨害磁界の測
定容量への影響が遮断される。従来技術“によれば、そ
のような能動的じゃへいは、しやへいされた導体（しや
へい導体）の電位が持続的に検出されてインピーダンス
変換器を介してしやへい部に加えられることにより行な
える。

これに対して第１図の静電容量測定回路では能動的じゃ
へいは制御信号已により操作される切換スイッチ２３を
用いて極めて簡単かつ有効て行なわれ、しやへい導体の
電位のフィーにバンク調整が不要である。

第２図の波形Ｂは制御信号Ｂの時間経過を示し、この制
御信号も、制御信号Ａと同じ繰返周波数で周期的に交互
に値０および１を有する。

第２図の波形ＵＫは、切換スイッチ２３によりケーブル
しゃへい部１４に加えられる電圧の時間経過を示す。制
御信号Ｂが値１のとき、ケーブルしゃへい部１４は電圧
＋ＵＫ接続され、電圧ＵＫは時定数により規定される反
転充電時間ＴＫ後に電圧値＋ＵＫ達する。制御信号Ｂは
値口のトキ、ケーブルしゃへい部１４はアース電位に接
続され、電圧工ＪＫは再び反転充電時間ＴＫＯ後に電圧
値０に達する。

第２図の波形図から、次のことがわかる。即ち、制御信
号ＡおよびＢが正確に同相のとき、電圧Ｕ。１□および
ＵＫも互いにほぼ同じ時間経過？有する。従って、しや
へい部の電位かじゃへいされた電悌の電位に當に追従す
るようにする、という能動的じゃへいの条件が満たされ
る。し力・し第２図において制御信号ＡおよびＢはあえ
て互いに位相をずらして示されている。これは正確な時
間的関係が保持されていないことを示すためである。こ
のとき確かに各時相■の初めに、測定コンデンサ１１の
電圧が既に蓄積コンデンサ１８に放電されているのにケ
ルプルじゃへい部はまた電圧＋Ｕに接続されている期間
１１ａが生ずるので、ケーブル静電容量ＣＫが充電され
、相応の電荷鮮が蓄積コンデンサ１８に流入する。し７
１））ｔ、引続いて同じ時相■の期間ｎｂにおいて、ケ
ーブルしゃへい部１４がアースされる一方でじやへい導
体１３が蓄積コンデンサ１８に接続されているので、ほ
ぼ同じ電荷鮮か再び蓄積コンデンサ１８からケーブル静
電容量ＣＫに流入する。この電荷の移動は平均値におい
て相殺されるので、蓄積コ・ンデンサ１８には被測定コ
ンデンサ１１の検出子べき電荷ＱＭだけが有効に残る。

従って電荷ＱＭだけが、抵抗２１を介して流れる電流ひ
いては演算増殖器２０の出力側の′低圧Ｕ。に対する尺
度となる。

つテり制御信号Ａに対する制御信号Ｂの時間的位置への
要求は厳密ではない。単に、しやへい電圧ＵＫが各時相
■の初めに電圧値＋ＵＫ達し、かつ各時相Ｉの初めに値
Ｏに達しなければならないという時間的条件を満たせば
よい。これは、反転充電時間ＴＫを考慮すると、制御信
号Ｂが＠時相■の開始より遅くとも期間ＴＫぶん早く値
１になり、かつ各時相Ｉの開始より遅くとも期間ＴＫぶ
ん早く値０にならなければならないことを意味する。そ
こから、波形Ｂ′に示されるような時間的条件が生ずる
。即ち、制御信号Ｂは格子線をつけられた領域において
は任意の値を有することができるが「１」ないし「０」
でマークされた持続時間ＴＫの領域においてだけは、そ
のマークによって指定されている信号イ直を有しなけれ
ばならない。

既述のように、蓄積コンデンサ１日の静電容量Ｃ８は測
定容量ＣＭに比べて可及的に大きくすべきである。その
比Ｃ６／ｃＭは実際には（［１００に達してもよい。し
かしこの比は任意に犬さくすることはできないので、被
測定コンデンサ１１から蓄積コンデンサ１日に反転充電
するとき、時相１１において蓄積コンデンサ１８の電圧
が被測定コンデンサ１１からの電荷ＱＭによりやや上昇
する。これに応じて、時相■の期間１ｆｂにおいても、
全電荷師がケーブル静電容量糖に正確には戻されず、や
や少なくなる。有効なケーブル静電容量録の低？ｆｊ、
は従って一次近似において比ＣＯ／ＣＭに相応するので
あるが、残留誤差は無視できる程度である。

切換スイッチ１６および２３は第１図において単に象徴
的に機械スイッチとして示されている。実際には電子的
高速スイッチ、例えばＭＯ３電界効果トランジスタであ
る。そのような電子スイッチは切換スイッチとしてでは
なく、簡単なオン・オフ・スイッチとして作用するので
、第１図の各切換スイッチは、その糧の２つの電子スイ
ッチで置き侠えなけれはならない。第６図には電子スイ
ッチを用いて構成された静電容量測定回路が示されてお
り、第４図には対応する時間線図が示されている。

第６図の静電容量測定回路の構成部分は、第１図の実施
例のそれと一致する限り、同じ参照記号が用いられてい
る。第３図の静電容量測定回路は第１図の実施例と先ず
第一に次の点で異なる、即ち、切換スイッチ１６が２つ
のＭＯ８電界効果トランジスタ２４および２５に置き換
えられていることであり、これらのトランジスタは、制
御回路２２から供給される制御信号ＣないしＤにより制
御される。制御信号Ｃ，Ｄの時間経過は第４図の波形Ｃ
，Ｄに示されている。

両制御信号ＣおよびＤは各々信号値Ｏおよび信号値１を
交番的に有し、その際、両制御信号は実質的に互いに逆
相である。各ＭＯ８電界効果トランジスタ２４．２５は
加えられた制御信号の値が１のとき導通し、加えられた
制御信号の値が０のとき遮断される。時相Ｉにおいて、
制御信号Ｃは値１であり、制御信号りは値りである。

従って、被測定コンデンサ１１は時相Ｉにおいて端子１
７に煮炊され且つ蓄積コンデンサ１８から遮断される。

これは、第１図の切換スイッチ１６が第２図の時相■に
おいて取る第１のスイッチ位置に相当する。第４図の時
相■にυいて、制御１百号Ｃは値０を有し、制御信号り
は値１を有するので、仮測定コンデンサ１１は端子１７
から切離され且つ蓄積コンデンサ１８に接続されている
。これは、第１図の切換スイッチ１６が第２図の時相■
において取るスイッチ位置に相当する。従って第６図の
回路装置は、被測定コンデンサ１１の充−放電に関して
時相Ｉおよび■において第１図の回路装置と同じ作用を
する。

しかし第４図の時間線図によれば、各時相■と後続の時
相■との間に中間時相Ｉ′が挿入されており、また各時
相■と後続の時相Ｉとの間に中間時相■′が挿入されて
いる。これら中間時相において両制御信号ＣおよびＤが
値０を有するので、画ＭＯ３％界効果トランジスタ２４
．２５は同時に遮断されている。これら中間時相に比較
約合くかつ画ＭＯ８電界効果トランジスタが確実に同時
に電離を導通させないようにする定めだけのものである
。というのも、両トランジスタが同時に導通すると蓄積
コンデンサ１８が直接電圧＋Ｕに接続されてしまうであ
ろうからである。

第４図の波形Ｕ。Ｍは被測定コンデンサ１１の電圧Ｕ。

Ｍの時間経過を示し、この時間経過は、前述のようにＭ
Ｏ８電界効果トランジスタ２４．２５ｆｔ制御信号Ｃ，
Ｄを用いて制御することにより達成される。

第１図の切換スイッチ２３も同様に２つの電界効果トラ
ンジスタに置き換えることができる。

しかし第６図には、より一層簡単な解決法が示されてい
る。切換スイッチ２３はここでは閾値ディスクリミネー
タとして作用するインバータ２６に置き換えられており
、このインバータ２６の給電端子は゛延圧＋Ｕないしア
ースに接続されている。インバータ２６の信号入力側に
は制御信号１３が加えられ、インバータ２６の出力側は
ケーブルしゃへい部１４に接続されている。インバータ
２６は通常、その入力信号が所定の閾値を下回っている
ときつまり例えば値口のとき、その出力電圧が高い給電
電圧電位になるように構成されている。またインバータ
２８はその入力信号が閾値を上回ったとき例えば値１の
とき、その出力信分が低い方の給電電位になるように構
成されている。実際には対で切換スイッチを構成してい
る両電子スイッチは、インバータの中に含まれており、
インバータの出力側を一方の給電端子かまたは他方の給
電端子のいずれかに接続する。第３図の静電容量測定回
路は従って制御信号Ｂが値０′ｆ：有するとき、インバ
ータ２ビの出力側が値＋Ｕを有し、制御信号Ｂが値１を
有するときアース電位になる。

従ってインバータ２６の出力側に接続されたケーブルし
ゃへい部１４の電圧ＵＫは第４図の波形ＵＫに示された
時間、隆過を有する。このような時間経過により、イン
バータ２６の制御に対する、またはインバータの応動速
度に対する狭い時間的許容偏差を珠持しなくても、上述
のような能動じゃへいのための条件が調たされているこ
とが明らかである。

発明の効果 本発明の静電容量測定では、遮蔽すべき電極の電位が単
に２２の交番する値、すなわち基準電位または測定容量
の充電される一定電圧の電位にしかならないという事実
を利用している。

従って、しやへいすべき電位の検出および後侃整が省か
れる。その代りに、切換周波数のタイミングで簡単に両
電位値をしやへい装置に交互に加える。このためには簡
単な形式の別の１つの切換装置があれば十分である。特
に有利な点は、別の切換装置の制菌および応動速度のた
めの時間許容偏差が狭くないことである。というのも、
スイッチドキャパシタの原理により、しやへいされた電
極の電位変化とじやへい装置の電位変化との間の１寺間
ずれが著しいときでさえ、容易に講たせる条件を設定し
ておけば、誤測定か起きないからである。

【図面の簡単な説明】

第１スは不発明の靜′亀容量測定回路の１つの実施例の
原理回路図、第２図は、第１図の静電容量測定回路の動
作説明に供する時間線図、第６図は本発明による別の静
電容量測定回路の１つの実施例の原理回路図、第４図は
第６図の静電容量測定回路の動作説明に供する時間線図
である。 １１・・被測定コンデンサ、１２・・・ケーブル、１３
・・ケーブル内部導体、１４・・・ケーブルしゃへい部
、１５・・しやへい電極、１６．２３・・・切換スイッ
チ、２２・・・制御回路。 ＦＩＧ、２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、測定容量を所定の切換周波数で周期的に交互に、充
   電のために定電圧に接続するかまたは放電のために蓄積
   コンデンサに接続する切換装置を備えており、前記蓄積
   コンデンサは測定容量より大きい静電容量を有しており
   、前記蓄積コンデンサの端子電圧は監視、制御される放
   電電流によりほぼ一定の基準電位に保たれ、その際放電
   電流の大きさが測定容量に比例し測定値を成している、
   静電容量測定回路において、別の１つの切換装置を備え
   ており、この切換装置が、測定容量に対して設けられた
   しやへい装置を切換周波数で周期的に、ほぼ一定の電圧
   に相応する電位または基準電位に相応する電位に交互に
   接続することを特徴とする静電容量測定回路。 ２、各切換装置が２つの電子スイツチにより構成されて
   おり、これらの電子スイツチが逆相の制御信号により導
   通ないし遮断される特許請求の範囲第１項記載の静電容
   量測定回路。 ３、前記別の切換装置が閾値デイスクリミネータにより
   構成されており、該閾値デイスクリミネータが逆相の制
   御信号の１つを受信する特許請求の範囲第２項記載の静
   電容量測定回路。