NO167830B - Fremgangsmaate for maaling av kapasitanser, saerlig lave kapasitanser. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for måling av kapasitanser, særlig av lave kapasitanser, hvor en måleoscillator anvendes, hvis utgangsfrekvens er en funksjon av kapasitansen som skal koples til inngangsterminalene hos den krets som bestemmer frekvensen for nevnte oscillator, og hvor en kjent referansekapasitans anvendes, hvilken vekselvis omkoples med kapasitansen som skal måles, til inngangsterminalene hos måleoscillatoren, idet det gjøres bruk av en omkop1ings innretning.

Et utgangspunkt for den foreliggende oppfinnelse har vært den tidligere kjente teknologi som kommer eksempelvis fra de finske patenter 54.664 og 57.319 (tilsvarende US-patentene 4.295.090 og 4.295.091). Finsk patent 54.664 vedrører en elektronisk omkopler, særlig for telemetrianvendelse i sonder, ved hjelp av hvilket et antall impedanser som skal måles blir koplet til en målingskrets. Som elektronisk strømbryter blir det anvendt en CMOS-inverterpakke eller tilsvarende, hvis forskjellige forsterkeres utganger er koplet hver og en til en impedans som skal måles og innganger til en trinnkrets. Det signal som skal måles føres til målingskretsens inngang fra CMOS-pakkens eller fra tilsvarende annens spenningsmatning. Finsk patent 57.319 omhandler en fremgangsmåte for måling av små kapasitanser på slik måte, at innvirkning av lekkasjekapasitanser blir eliminert. Ved fremgangsmåten anvendes en RC-oscillator-krets, hvis utgangsfrekvens er avhengig, hensiktsmessig omvendt proporsjonalt av kapasitansen som skal måles. Ved fremgangsmåten koples kapasitansen som skal måles mellom en generator med liten impedans og krets som kun måler strøm, eksempelvis mellom inngangen og utgangen av en inverterende forsterker. Utgangen av den iverterende forsterkeren kan koples til inngangen av en bistabil svingekrets. Den bistabile svingekretsens utgang, fra hvilken det fåes en frekvens som er et mål på kapasitansen som skal måles, er resistivt tilbakekoplet til inngangen av nevnte inverterende forsterker.

I radiosonder, for målingen av forskjellige parametere, særlig av trykk, temperatur og fuktighet, anvendes kapasitive detektorer, hvor størrelsen av deres kapasitans avhenger av den målte parameter. Kapasitansen hos disse detektorer er ofte relativt lav, fra noen få pikofarad til noen dusin pikofarad, høyst ca. 100 pikofarad. Målingen av lave kapasitanser er problematisk, f.eks. p.g.a. strø-kapasitanser, variasjoner i tilførselsspenning og andre forstyrrelser. Videre er de nevnte detektorer i en viss grad individuelle, slik at de har en individuell ulinearitet og temperaturavhengighet.

Særlig med telemetrianvendelser, når eksempelvis temperatur, fuktighet eller trykk skal måles ved hjelp av elektriske eller mekanisk-elektriske detektorer, ér det vanlig at, i forbindelse med måleelektronikken, en eller flere referanser tilveiebringes som er nøyaktig kjent, slik at feil i målekretsen og/eller i detektoren kan elimineres.

I forbindelse med kapasitive detektorer, ér det kjent innenfor teknikken å anvende en referansekapasitans som, vekselsvis med målekapasitansen, forbindes med inngangen til målekretsen, vanligvis en krets som bestemmer frekvensen hos en RC-oscillator. Ved på riktig måte å justere målekretsen eller på en annen måte, kan den korresponderende utgangsvariabel av referansekapasitansen i målekretsen bringes til det riktige nivået.

Det er kjent innenfor teknikken å anvende målekretser med en referanse, særlig broforbindelser, i hvilke målingen imidlertid er nøyaktig kun når den elektriske Verdien av referansen er nær detektorens verdi, f.eks. når broen er i likevekt. Jo lenger verdien i detektoren ligger fra referansen, desto større vil også de forskjellige feil være, f.eks. feil bevirket av endringer i den elektroniske målekretsens dynamikk. En fordel med forbindelser med en referanse er enkelheten av målekretsen.

En fordel ved måleinnretningene med to eller flere referanser er nøyaktigheten ved målingen endog innenfor brede måleområder, men en ulempe er kompleksiteten ved målemetoden og ved den relaterte beregning.

Et formål ved den foreliggende oppfinnelse er en ytterligere utvikling av de tidligere kjente målekretser for lave kapasitanser (0 til 100 pikofarad) slik at målekretsene blir mer nøyaktige. Det er et ytterligere formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en slik målekrets hvor det er mulig å eliminere virkningene av omvekslingsfenomener.

Et uvesentlig ytterligere formål ved oppfinnelsen er å tilveiebringe en slik målekrets i hvilken utgangsvariabelen er en passende linearisert, kompensert og gradert likespenning og til hvilken, hvis ønskelig, en enkel temperaturkompensering kan tilkoples. I betraktning av at man ønsker å oppnå de ovenfor nevnte formål og de som vil fremgå av det etterfølgende, er fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen hovedsaklig kjennetegnet ved at kapasitansen som skal måles og referansekapasitansen tilkoples vekselsvis etter hver-andre, til inngangsterminalene på den samme måleoscillator under tiden av et likt antall sykluser for måleoscillatoren.

Oscillatorens frekvens fordeles fortrinnsvis ved hjelp av en asynkron eller synkrondeler, og firkantbølgen fra delerens utgang anvendes til å styre analoge brytere, hvilket omkopler kapasitansen som skal måles med referansekapasitansen.

I en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen styrer delerens utgang også utdatabufferene, hvor en av disses driftsspenningsterminaler er blitt ført ut separat. Derved kan amplituden av firkantbølgen som tilføres av ut-databuff- erene justeres og anvendes for linearisering, kompensering og gradering.

Ifølge oppfinnelsen, ved hjelp av en parallell kapasitans i oscillatoren, kan en enkel temperaturkompensering tilveiebringes ved å velge dens temperaturkoeffisient på passende måte. Virkningene av omkoplingsfenomenet kan elimineres hvis delingsforholdet N i nevnte deler er tilstrekkelig høyt, som en regel N > 10.

Temperaturavhengighetene i oscillatoren påvirker lengdene av begge halvsykluser på samme måte, og kompenserer det meste av temperaturavhengigheten i elektronikken. Omdanningen av pulsforholdet til likespenning, lineariseringen, kompenseringen og graderingen kan utføres relativt enkelt ved hjelp av utdata-buffere og RC-lavpassfilter.

I det etterfølgende vil oppfinnelsen bli beskrevet i detalj med henvisning til visse eksemplifiserende utførelsesformer av oppfinnelsen, illustrert i figurene på vedlagte tegn-inger, idet oppfinnelsen på ingen måte er utelukkende begrenset til de detaljer som fremgår av nevnte utførelses-former.

Fig. 1 viser fremgangsmåten, ifølge oppfinnelsen, som

et oppkoplings og blokkskjema.

Fig. 2 viser bølgeformen for spenningen Vin, hvilken

inneholder informasjonen som skal måles.

Fig. 3 viser, som et koplingsskjerna, linearisering av utgangsspenningen, med fordel anvendbart i forbindelse med fremgangsmåten, ifølge oppfinnelsen. Fig.4viser ulike bølgeformer i koplingsskjemaet vist i fig. 3. Fig. 5 illustrerer utgangsspenningen fra pulsforholds-likespenningsomformeren som en funksjon av den kapasitans som skal måles.

Ifølge fig. 1 utføres fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ved å gjøre bruk av en oscillator 10, idet kapasitansen CM som skal måles og en nøyaktig kjent referansekapasitans CR koples vekselsvis mellom inngangsterminalene a og b hos kretsen som bestemmer frekvensen for nevnte oscillator 10. Mellom inngangsterminalene til oscillatoren 10 er det koplet en parallell kapasitans CQ, med hvilken referansekapasitansen Cr og CM vekselsvis koples i parallell. Fra oscillatoren 10 oppnås en frekvens som en utgangsvariabel, hvilken frekvens f er en funksjon av kapasitansen C^ n forbundet med inngangsterminalene:

hvor A og B er kjente konstanter, og

og t er en kjent tidskonstant;

<c>in " CR eller CM-

Den frekvens som oppnås fra utgangsterminalen C på oscillatoren 10 føres til deleren 11, som er en asynkron eller synkrondeler, hvis delingsforhold er stort N. Fra deleren 11 oppnås utgangsspenningen Vin, hvis bølgeform fremgår av fig. 2.

Et vesentlig trekk ved oppfinnelsen er at kapasitanten CM som skal måles og referansekapasitansen Cr vekselsvis tilkoples den samme oscillatoren 10 uttrykkelig for et likt antall sykluser. Dette er blitt gjort ved å dele frekvensen f fra oscillatoren 10 med deleren 11 nevnt ovenfor, hvis delingsf orholdet er angitt med N, og ved, ved hjelp av firkantbølgen V£nfra delerens 11 utgang, å styre bryterene ki og k2via en inverterer 12. Bryterene k^og k2er utført eksempelvis som analoge brytere, hvilket er vist ved blokkene 13a og 13b. Bryterene k^og k2opererer vekselsesvis slik at når bryteren k]_ er lukket er bryteren k2åpen, og omvendt.

Ifølge fig. 1 styrer utgangsspenningen V^nfra fordeleren 11 også utdatabufferene 15a og 15b, hvor en av deres drifts-spennings (V^) terminaler e er blitt ført ut separat. Derved kan den firkantbølgeamplitude som tilføres av utdatabufferene 15a og 15b justeres og anvendes til linearisering, kompensering og gradering, slik det vil fremgå nærmere i det etterfølgende i forbindelse med beskrivelsen av fig. 3, 4 og 5.

Informasjonen på kapasitansen som skal måles befinner seg i halvsyklustidene T^og T2av utgangsspenningen V^nfra deleren 11, og på den måte som fremgår av de etterfølgende ligninger (3) til (6).

Slik det allerede ble angitt ovenfor, blir kapasitanten CM som skal måles og referansekapasitansen Cr vekselsvis forbundet med den samme oscillatorkretsen 10 over et likt antall sykluser, idet antallet av nevnte sykluser med fordel er lik delingsf orholdet N i deleren 11. Således er koplingstidene T^og T2proporsjonale med antallet sykluser og den tilkoplede kapasitansen C^n. Under disse omstendig-heter blir ha lvsyk lus lengdene T±og T2av f irkantbølgen Vin fra delerens 11 utgang bestemt av delingsforholdet N og kapasitansene Cr og Cjj. Pulsforholdene og X2oppnådd som utmatning, hvilke ble definert ovenfor i ligningene (5) og (6) , er proporsjonale med størrelsen av kapasitansen Cjj som

skal måles.

Ifølge en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen, oppnås en utgangsspenning som illustrerer kapasitansen CM som skal måles fra utgangsterminalen gi og/eller g2hos ut-data-bufferkretsen eller hos omformeren 16, hvilken nevnte utgangsspenning lineariseres, temperatur-kompenseres og graderes, idet man gjør bruk av etterfølgende eksemplifiserende løsninger.

Den nevnte omformeren 16 kan lages av en del, i hvilket tilfelle, bestående av komponentene 15a og 15b, den innbefatter kun transistorene M1/M2. Alternativt kan omformeren 16 lages av to deler, i hvilket tilfelle, foruten nevnte transistorer M1/M2, den også innbefatter en inverterer 14 og transistorer M3og M4.

Utgangsspenningen med en-dels omformer:

På tilsvarende måte med en to-dels omformer:

Ved variering av spenningen V^som skal tilføres igjennom terminalen e til omformeren 16, er det mulig å justere amplituden av firkantbølgen ifølge ligning (6a) og derved å tilveiebringe en fordelaktig kompensering, linearisering og gradering av utgangsspenningen.

Utgangspunktet for kompenseringen er at, ifølge ovennevnte uttrykk (4a) og (6a), kan utgangsspenningene, enten V0ieller<V>oi~<V>ø2 kompenseres med hensyn til den ønskede parameter, f.eks. temperaturen, ved å innrette spenningen V^som en tilbakekoplingsspenning og sistnevnte som på hensiktsmessig måte avhengig av den parameter som skal kompenseres. Hovedprinsippet ved lineariseringen er at utgangsspenningen blir tilbakekoplet via terminalen e til omformeren 16 som en tilbakekoplingsspenning V]_. Derved virker bryteren 15a, 15b som en ulineær komponent, og som et resultat av dette oppnås en ulineær avhengighet av utgangsspenningen på pulsforholdene X^og X2som ovenfor definerer (ligningene (5) og (6)).

Hovedprinsippet ved gradering er at, ved justering av spenningen V^, ifølge fremgangsmåten ved oppfinnelsen, kan variasjonsområdet for utgangsspenningen, som danner utgangsvariabelen som er avhengig av kapasitansen Cjj som skal måles (ligningene 4a og/eller 6a), dvs. graderingen, innstilles på et passende nivå.

I det etterfølgende, med henvisning til figurene 3, 4 og 5, vil en nærmere detaljert eksemplifiserende utførelsesform av lineariseringen, temperaturkompenseringen og graderingen av utgangsspenningen anvendt i forbindelse med fremgangsmåten ved oppfinnelsen vil bli beskrevet.

Ifølge fig. 3 er inngangen til en operasjonsforsterker 17, hvis forsterkning er betegnet G, koplet til utgangsterminal-ene g^og g2hos omformeren 16 som ovenfor beskrevet. Utgangen fra operasjonsforsterkeren 17 er koplet til en motstandsmessig tilbakekoplet operasjonsforsterker 18. Fra operasjonsforsterkeren 18 oppnås utgangsspenningen V2.

De forskjellige bølgeformer V^n, V^n' og<V>in" på forbindel-sene vist i fig. 3 fremgår av fig. 4. Med ulike parametere for koplingsskjemaet ifølge fig. 3, vil de etterfølgende ligninger gjelde, idet X^og X2som er tilstede i disse er definert i ligningene (5) og (6) som ovenfor definert.

hvorved, innpasset i ligning (9), og, innpasset i ligning (8) oppnås

Når ligning (15) studeres, vil man bemerke at med å endre fortegn i forsterkningen G hos operasjonsforsterkeren, kan krumningsretningen for den karakteristiske kurven til kretsen endres, og ved hjelp av uttrykket k2(ligning 12) , kan krumningsstørrelsen justeres.

I det etterfølgende, med henvisning til fig. 5, vil bruken av en parallell motstand Cg for temperaturkompensering av kretsen bli beskrevet. Frekvensen av en RC-oscillator:

Temperaturen har en typisk virkning på uttrykkene B og nr. B innbefatter temperaturavhengighetene av likespenning og lav frekvens samt temperaturavhengighet av forsinkelsen av nr.

På basis av (1) , (3) og (4) , er lengdene T^_ og T2av halv-syklusene av pulsforholdutmatningen V£nlik:

Ifølge ovennevnte ligning (7) er utmatningen fra puls-forhold-likespenningsomformeren 16 lik:

Ved passende valg av temperaturkoeffisienten for CQer det mulig å kompensere temperaturavhengigheten av 2t/<p>delvis.

Med henvisning til fig. 5, bemerkes det at temperaturavhengigheten av 2T/P forsøker å endre vinkelfaktoren i fig. 5 ved høye driftsfrekvenser, hvorved andelen av t i tiden for halv-syklusen er viktig. Denne kan kompenseres ved hjelp av Co-

I det etterfølgende vil patentkravene fremgå, idet forskjellige detaljer ved oppfinnelsen kan oppvise variasjoner og avvike fra de detaljer som er beskrevet ovenfor, innenfor den oppfinneriske ide's„ omfang som angitt i nevnte patent-krav.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte for måling av kapasitanser, særlig av lave kapasitanser, hvor en måleoscillator (10) anvendes, hvis utgangsfrekvens (f) er en funksjon (f = F(cin)) av kapasitansen (Cin) som skal tilkoples inngangsterminalene (a,b) i den krets som bestemmer frekvensen for nevnte oscillator, og hvor en kjent referansekapasitans (CR) anvendes, hvilken vekselsvis omkoples med den kapasitans (CM) som skal måles, til inngangsterminalene (a,b) hos måleoscillatoren (10) idet man gjør bruk av en omkoplingsinnretning,karakterisert vedat kapasitansen (Cjj) som skal måles og referansekapasitansen (CR) tilkoples, vekselsvis etter hver-andre, til inngangsterminalene (a,b) på samme nevnte måleoscillator (10) under tiden ( T± og T2) av et likt antall sykluser (T = l/f) for måleoscillatoren (10).

2. Fremgangsmåte som angitt i krav l,karakterisert vedat frekvensen (f) som er avhengig av kapasitansene (Cg, CR, CM) forbundet med måleoscillatorens (10) inngangsterminaler (a, b) blir ført til en deler (11) , hvis delingsforhold (N) direkte bestemmer antallet av nevnte omkoplingssykluser.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2,karakterisert vedat f irkantbølgen (V^n) som fåes fra utgangen (d) hos nevnte deler (11) anvendes til å styre bryterene (ki, k2) som vekselsvis omkopler den kjente referansekapasitansen (CR) og kapasitansen (C^) som skal måles, hver i sin tur, til inngangsterminalen (a,b) på måleoscillatoren (10), slik at en omveksling av nivået (vdd»°) av nevnte firkantbølge (V^n) frembringer en operasjon av de nevnte brytere (k^, k2) på en slik måte at kapasitansen (CM) som er den neste i rekkefølgen og den som skal måles koples istedet for referansekapasitansen (CR), og omvendt.

4. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 1 til 3,karakterisert vedat forbindelses-tidene (T^og T2) for de forskjellige kapasitanser (CR og CM) er proporsjonale med antallet av forbindelsessykluser og den tilkoplede kapasitans (CM eller CR).

5. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 2 til 4,karakterisert vedat for å eliminere virkningen av omkoplingsfenomener, er nevnte delingsforhold (N) blitt valgt som N > 10.

6. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 1 til 5,karakterisert vedat en omformer (16) anvendes, hvis inngangssignal er den firkantbølge (V^n) som fåes fra nevnte deler (11) , og hvor det fra omformerens utgangsterminaler ( g± og/eller g2) en likespenning som representerer kapasitansen som skal måles oppnåes, hvilken likespenning lineariseres, temperaturkompenseres og/eller graderes.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 6,karakterisert vedat en tilbakekoplingsspenning (1) mates gjennom en bestemt terminal (e) hos nevnte omformer (16) , idet amplituden av nevnte firkantbølge (V^) justeres, ved å variere nevnte tilbakekoplingsspenning, i den hensikt å kompensere, linearisere og/eller gradere utgangsspenningen fra omformeren.

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 7,karakterisert vedat, i den hensikt å linearisere utgangsspenningen fra nevnte omformer (16) , nevnte utgangsspenning føres som nevnte tilbakekoplingsspenning ( V^) til den ulineære komponenten av omformeren slik at en styrt ulineær avhengighet av utgangsspenningen på pulsforhoIdene (XlfX2) hos nevnte firkantbølge (ligningene (5) og (6)) frembringes.

9. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 7 eller 8,karakterisert vedat for å kunne gradere utgangsvariabelen, justeres nivået av nevnte tilbakekoplingsspenning ( V^).

10. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 6 til 8,karakterisert vedat for temperaturkompensering av målekretsen, anvendes en parallell kapasitans (CQ) koplet til inngangsterminalene (a,b) hos måleoscillatoren (10), idet temperaturkoeffisienten for nevnte parallelle kapasitans (CQ) er tilpasset slik at temperaturavhengighetene for oscillatoren (10) idet minste delvis kompenseres (fig. 5).

11. Anvendelse av en fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 1 til 9 i radiosonder, i telemetrimåling av trykk, temperatur og/eller fuktighet.