NO790298L - Maalekrets. - Google Patents

Description

"Målekrets"

Denne oppfinnelse angår en målekrets for kapasitetsdifferanse. Slike kretser er spesielt nyttige for bestemmelse av kapasiteten eller avstanden mellom platene i en kondensator.

I slike systemer av tidligere kjent utførelse måles kapasitet ved påtrykning av en tidsvarierende spenning, f.eks. en trekant- eller sagtann-bølgeform, på kondensatorplaten. Den resulterende strøm gjennom kondensatoren blir så brukt som et mål på kapasiteten eller avstanden mellom platene i kondensatoren. På grunn av at kapasiteten av kondensatoren varierer om-vendt i forhold til avstanden eller gapet mellom platene, vil imidlertid en endring i dette gap resultere i ulinearitet i ut-gangsstrømmen, hvilket under visse forhold og ved anvendelser av kapasitetsmålekretser, kan være av betydning. F.eks. vil en 10 % endring i gapet føre til mer enn 1 % ulinearitet, mens en 20 % endring i gapet vil medføre over 4 % ulinearitet og en endring på 50 % i. gapet vil resultere i 30 % ulinearitet. Da videre utgangsstrømmen av kondensatoren blir meget stor når gapet blir meget lite, kan det oppstå betydelige stabilitets-problemer når kondensatoren brukes som posisjonsføle-element i en servoregulert innretning. Kapasitive målekretser brukes i store antall ved instrumenteringsanvendelser, så som transdusere og akselerometre, og for visse meget følsomme servoregulerte akselerometre og transdusere hvor ulineariteter på grunn av betydelige endringer i kondensator-gap eller -avstand, kan være en betydelig feilkilde.

Dessuten er i praksis de tidligere kjente kapasitetsmålekretser i sin virkemåte begrenset til en informasjons-bånd-bredde mindre enn halvparten av bærefrekvensen eller den tidsvarierende spenning som påtrykkes kondensatorplatene. På grunn av at operasjonsforsterkere oftest ble brukt i målekretsene måtte bærefrekvensen vanligvis være på 20 kHz eller mindre.

Et primært trekk ved denne oppfinnelse er å tilveiebringe en målekrets for kapasitetsdifferanse som søker å elimi-nere ulineariteter som skyldes endringer i gapet eller avstanden mellom plater i måle- eller følekondensatoren, hvor det er anordnet en referansestrøm-generator for å påtrykke en firkant-bølge på kondensatoren og den resulterende spenning over føle-kondensatoren blir påtrykket en fast kondensator. Strømmen gjennom den .Æaste kondensator kan så brukes som et mål på kapasiteten eller avstanden mellom kondensatorplatene.

Et ytterligere trekk består i å tilveiebringe en målekrets for kapasitetsdifferanse som eliminerer ulineariteter på grunn av varierende avstander mellom platene i følekondensatorene, hvor en referansestrøm-generator brukes til å påtrykke et fir-kantbølge-signal på hver av følekondensatorene og de resulterende trekantformede spenninger over hver av følekondensatorene gjennom en forsterker påtrykkes en tilsvarende fast kondensator. Strømspeilekretser (current mirror circuits) er forbundet med hver av forsterkerne og tjener til å avstedkomme en strøm i en demodulatorkrets ekvivalent med den strøm som flyter gjennom hver av de faste kondensatorer.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor: Figur 1 er et blokkskjema for en målekrets ifølge oppfinnelsen,

og

figur 2 er et tidsdiagram for kretsen på figur 1.

I den viste utførelsesform ifølge oppfinnelsen inngår det måle- eller følekondensatorer Cp^og Cp2som kan brukes som posisjonsdetekterende elementer i et antall forskjellige typer instrumenteringer, inkludert transdusere, akselerometre og lig-nende. Som vist på figur 1, er det anordnet en referansestrøm-generator 10 som typisk styres av en klokke 12 og som påtrykker en strøm med konstant amplitude og firkantbølgeform på følekondensatorene Cplog Cp2over respektive ledninger 14 og 16.

En typisk firkantbølge med amplituder som er like, men har mot-satt polaritet, er illustrert ved bølgeformen 18 på figur 2.

Det skal bemerkes at en symmetrisk referansestrøm er foretrukket til påtrykning på følekondensatorene Cplog Cp2, men som det skal forklares i det følgende, er det ikke alltid nødvendig å ha en

•symmetrisk referansestrøm for korrekt virkemåte av kretsen på

figur 1.

Referansestrømmen Ip^og Ip2flyter gjennom følekondensatorene Cp-^og Cp2til jord angitt ved 20. Som illustrert ved bølgeformen 22 på figur 2, vil spenningene V^, over'følekondensatorene Cp-^og Cp2være trekantformet. Disse spenninger blir så gjennom ledninger 24 og 26 påtrykket to spenningsfølgere med høy inngangsimpedans som representert ved forsterkere 28 og 30. Forsterkerne 28 og 30 tjener til å påtrykke følekondensa-torenes spenninger på to faste kondensatorer Cplog Cp2gjennom ledninger 32 og 34. De resulterende strømmer Iq^og Iq2gjennom de faste kondensatorer Cp^og Cp2er illustrert ved bølgeformen 36 på figur 2. Som det fremgår av denne bølgeform, vil den resulterende strøm gjennom de faste kondensatorer Cp-^ og<C>p2 være i. det vesentlige en firkantbølge, hvor amplituden av denne strøm representerer kapasiteten eller gapet mellom platene i følekondensatorene Cp-^og Cp2.

Ved hjelp av ledninger 3 8 og 40 er det til hver av spenningsforsterkerne 28 og 30 koblet to strømspeilekretser 42 og 44. I tillegg til å utgjøre en strømkilde for forsterkerne 28 og 30 utgjør strømspeilekretsene 42 og 44 en kilde for strøm-mer 1qj_' og Iq2' på respektive ledninger 46 og 48, som er lik eller står i funksjonell relasjon til strømmene IQ1og IQ2som flyter gjennom de faste kondensatorer Cplog Cp2.. I kretsen på figur 1 blir den strøm som flyter i ledningen 48, invertert av en strøminverteringskrets 50 slik at dens polaritet vil være den motsatte av den strøm Iq2' som flyter i ledningen 48. Utgangs-strømmen Iq-^' på ledningen 46 og den inverterte utgangsstrøm Iq2' fra inverteringskretsen 50 blir så kombinert i et sammen-koblingspunkt 52 og påtrykket en demodulatorkrets 54. Funk-sjonen av demodulatorkretsen 54 er å frembringe et signal Vq på en utgangsklemme 56 som representerer forskjellen i gjennom-snittsamplitude av strømmene Ig^ og Iq2som flyter gjennom de faste kondensatorer<Cp>l og Cp2. Det vil innsees at når kapa-sitetene av Cplog Cp2er like og selvsagt under den antagelse at de øvrige elementer i kretsen på figur 1 er like, slik at:<C>p^<=><Cp>2,IR-^= IR2og forsterkningsgraden i forsterkerne 28

og 30 er like, vil utgangssignalet VQ fra demodulatoren være lik null. Når kapasiteten av kondensatorene Cp^og Cp2ikke er like, f.eks. på grunn av en differanse i kondensatorenes gap,

vil utgangssignalet VQ angi denne differanse som en lineær funksjon av differansen i gap eller avstand. Demodulatoren 54 kan ha form av hvilken som helst type velkjent demodulatorkrets, inkludert halvbølge- eller helbølge-demodulatorer eller synkrone demodulatorer.

Virkemåten av kretsen og spesielt det lineære forhold mellom gapet eller avstanden mellom platene i følekondensatoren og utgangssignalet, vil fremgå av følgende diskusjon. Neden-stående ligning (1) illustrerer den grunnleggende relasjon mellom endringen i spenning over følekondensatoren og referanse-strømmen IR samt kapasiteten av følekondensatoren Cp.

Som det fremgår av Ligning (1) og det signal som er illustrert på figur 2, vil en firkantbølge I., med konstant amplitude når den påtrykkes en følekondensator Cp resultere i en trekant-spenning over kondensatoren Cp med helning:

Da kapasiteten av en platekondensator er lik hvor Eg er dielektrisitetskonstanten, A er platearealet og D er plateavstanden eller -gapet, gjelder følgende relasjoner: dv Nar så spenningsbølgeformen ^— påtrykkes de faste.kondensatorer Cp, vil resultatet være oppladnings/utladnings-strømmer Iq med følgende karakteristikker:

Som det fremgår av ligning (5) er utgangsstrømmen IQ direkte proporsjonal med gapet mellom kondensatorplatene i følekondensa torene Cp som vist ved bølgeformen 36 på figur 2. I differen-sialmålekretsen på figur. 1 er således endringen i utgangsstrøm-mer Iq^og Iq2direkte proporsjonal med enhver endring i gapet mellom kondensatorplatene i f ølekondensatorene Cp^eller Cp2 •

Virkemåten av den differensielle følekrets på figur 1 beskrives ved følgende ligning:

Hvis derfor Cp-^ er lik Cp2og IRler lik IR2og arealene og A2er like, gjelder følgende relasjon for kretsen på figur 1:

Følgelig vil differansestrømmen 1^^være lik differansen i gapene for følekondensatorene Cp^ og Cp2idet polariteten av signalet angir hvilken som har det største gap, hvilket resulterer i en bipolar virkemåte av kapasitetsmålekretsen.

Som ovenfor angitt, er det foretrukket at referanse-strømmen IR^og IR2har firkantform med samme amplitude, men dette er ikke nødvendig for effektiv funksjon av den kapasitive målekrets. En referansestrøm med firkantbølgeform er foretrukket i praksis for å holde spenningen V^over følekondensatorene innenfor begrensninger av strømforsyningen til kretsen inkludert'forsterkerne 28 og 30.

Claims (5)

1. Målekrets for kapasitetsdifferanse for å måle forskjellen i kapasitet mellom en første og en annen kondensator, omfattende en referansestrøm-generatorkrets som er funksjonelt forbundet med den første og den annen kondensator for å påtrykke en tidsvarierende strøm på hver av kondensatorene, hvilket resulterer i en tidsvarierende spenning over hver av kondensatorene, karakterisert ved at kretsen omfatter en første fast kondensator, en annen fast kondensator, en første anordning til å forbinde den første kondensator med den første faste kondensator, hvilket resulterer i at den tidsvarierende spenning over den første kondensator påtrykkes den første faste kondensator, hvilket resulterer i en strøm gjennom den første faste kondensator, en annen anordning til å forbinde den annen kondensator med den annen faste kondensator, hvilket resulterer i at den tidsvarierende spenning over den annen kondensator påtrykkes den annen faste kondensator, hvilket resulterer i en strøm gjennom den annen faste kondensator, en anordning som er funksjonelt forbundet med den første og den annen forbindelsesanordning for å kombinere i det minste en funksjon av strømmen i den første faste kondensator med i det minste en funksjon av strømmen i den annen faste kondensator, og en anordning som er funksjonelt forbundet med kombineringsanordningen, for å omdanne den kombinerte strøm.til et signal som representerer, differansen i kondensator-gap eller -avstand.

2. Målekrets ifølge krav 1, karakterisert ved at den tidsvarierende strøm ver en firkantbølgestrøm med konstant amplitude..

3. Målekrets ifølge krav 1, karakterisert ved at den første og den annen forbindelsesanordning omfatter en spenningsforsterker med høy inngangsimpedans.

4. Målekrets ifølge krav 3, karakterisert ved at den første og den annen forbindelsesanordning omfatter en strømspeilekrets (current mirror circuit) forbundet med for-sterkeren og med kombineringsanordningen for a forsyne kombineringsanordningen med strømmer som står i funksjonelt forhold til strømmene i den første og den annen faste kondensator.

5. Målekrets ifølge krav 4, karakterisert ved at en strøminverteringskrets eir funksjonelt innsatt mellom strømspeilekretsen i den annen forbindelsesanordning og kombineringsanordningen.