NO790414L - Maalekrets for kapasitets-differanse - Google Patents

Description

"Målekrets for kapasitets-differanse"

Denne oppfinnelse angår en målekrets for kapasitets-differanse med sikte på å måle de relative kapasiteter av en første kondensator og en annen 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 i visse anvendel-ser av kapasitetsmålekretser, kan føre til betydelige feil. 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 øker vesent-lig når plateavstanden blir meget liten, kan det oppstå betydelige stabilitetsproblemer 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 instru-menter så som servoregulerte akselerometre og transdusere hvor unlineariteter på grunn av betydelige endringer i kondensatorens plateavstand kan være en betydelig feilkilde.

Det er derfor et formål med denne oppfinnelse å tilveiebringe en kapasitetsmålekrets som er egnet til å eliminere ulineariteter som skyldes endringer i gapet eller avstanden mellom følekondensatorplater, hvor en følekondensator utgjør en del av en tilbakekoblingskrets for en operasjonsforsterker og hvor forsterkningen i operasjonsforsterkeren står i direkte forhold til kapasiteten av følekondensatoren. En kilde for tidsvarierende spenning forbindes med operasjonsforsterkeren og den resulterende utgangsspenning fra denne utgjør et mål på følekonden-satorens kapasitet.

Det er ytterligere et formål med denne oppfinnelse å tilveiebringe en føle- elier målekrets for kapasitetsdifferanse som eliminerer ulineariteter som skyldes den varierende avstand mellom platene i følekondensatorene, hvor kretsen omfatter to operasjonsforsterkere med tilbakekoblingskretser som innbefat-ter f ølekondensatorene. Hver følekondensator tjener til å styre forsterkningen av en av operasjonsforsterkerne, og en tidsvarierende spenning påtrykt på inngangene av operasjonsforsterkerne resulterer i utgangsspenninger fra hver av disse, som på sin side påtrykkes en differensialforsterker som avgir en utgangsspenning som representerer kapasitetsdifferansen mellom følekondensatorene .

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til tegningen, som viser et skjema for en dif-ferensialfølekrets i henhold til denne oppfinnelse.

På figur 1 er det vist en foretrukken utførelsesform av oppfinnelsen hvor en differensial-kapasitetsmålekrets omfatter . to følekondensatorer Cp^og Cp2. Disse kondensatorer blir typisk brukt som posisjonsdetekterende elementer i forskjellige typer instrumentering, inkludert transdusere, akselerometre og lignende. Som vist på figur 1 er det anordnet en spenningskilde 10 for en tidsvarierende spenning påtrykt som en sinus-spenning v"lN over ledninger 12 og 14 samt motstander 16 og 18 til en inverterende inngang på to operasjonsforsterkere 20 og 22. Hver av disse omfatter en tilbakekobiingskrets henholdsvis 24 og 26, som omfatter f ølekondensatorene Cp-^og Cp2 • Da disse er plassert i sløyfer for negativ tilbakekobling rundt forsterkerne 20 og 22, tjener de i kombinasjon med motstandene 16 og 18 til å regulere forsterkningen av utgangsspenningene V, og V2fra operasjonsforsterkerne 20 og 22. Som følge av at disse forsterkere i virke-ligheten utnytter kondensatorplatene i følekondensatorene Cp^ og C p2 som tilbakekoblingselementer, vil forsterkningsgraden være en invers funksjon av kapasiteten av følekondensatorene C p, og Cp2, slik at utgangsspenningene V-, ogV^fra forsterkerne 20 og 22 vil være lineære funksjoner av plateavstanden eller -gapet i kondensatorene.

I den foretrukne utførelsesform av oppfinnelsen som vist på figur 1, er ikke-inverterende innganger på hver av operasjonsforsterkerne 20 og 22 koblet til jord gjennom respektive motstander 28 og 30. Dessuten er det anordnet kondensatorer 32 og 34 for tilbakekobling mellom utgangsklemmene og de ikke-inverterende inngangsklemmer på operasjonsforsterkerne 20 og 22. Kondensatorene 3 2 og 34 kan brukes til å utbalansere sprede-kapasiteter i kretsen.

En differensialforsterker 36 utgjør et middel til å kombinere utgangene av operasjonsforsterkerne 20 og 22 for å

generere et signal som representerer differansen i kapasitet mellom kondensatorene Cp-^og Cp2. Utgangsspenningen fra forsterkeren 20 påtrykkes gjennom en motstand 38 på en inverterende inngang på forsterkeren 36. På lignende måte blir utgangsspenningen V"2 fra forsterkeren 22 påtrykt gjennom en motstand 40 på en ikke-inverterende inngang på forsterkeren 36. Den ikke-inverterende inngang på forsterkeren 36 er koblet til jord gjennom en motstand 42 og en tilbakekoblingskrets omfattende en motstand eller impe-dans 4 4 forbinder utgangen av forsterkeren 3 6 med den inverterende inngang. Utgangsklemmen av den kapasitive følekrets på figur 1 er gjennom en kondensator 4 6 forbundet med utgangen av forsterkeren 36 og leverer utgangsspenningen VQ.

Virkemåten av kretsen på figur 1 skal i det følgende beskrives ved hjelp av ligninger hvor inngangsspenningen V TN representeres ved:

Utgangsspenningene og V"2 fra forsterkerne 20 og 22 er da representert ved:

Da utgangsspenningen fra differensialforsterkeren 36 er lik vil innføring av ligningene (2) og (3) i ligning (4)- resultere i følgende uttrykk for utgangsspenningen VQ: Ved å innføre formelen for kapasiteten av en kondensator med parallelle plater hvor A er arealet av kondensatorplatene, D er gapet eller avstanden mellom platene og eQer dielektrisitetskonstanten, vil nedenstående relasjon fremkomme for følekondensatorene Cplog Cp2i ligning (5):

Hvis nå motstandene R^g og R-^g er like og hvis arealene A^ og

A2av følekondensatorene likeledes er like, vil utgangsspenningen Vq være direkte avhengig av avstanden mellom platene slik som det fremgår av følgende ligning:

Det.vil derfor innsees at utgangsspenningen V^av kretsen på figur 1 på lineær måte vil representere differansen i avstand mellom platene i kondensatorene Cp^og Cp2.

Claims (7)

1. Målekrets for kapasitetsdifferanse for måling av de relative kapasiteter av en første kondensator og en annen kondensator, omfattende en kilde for tidsvarierende spenning, karakterisert ved at en første operasjonsforsterker med en første inngangsklemme er forbundet med spenningskilden og en utgangsklemme, en første tilbakekoblingskrets omfattende den første kondensator forbinder den første forsterkers første inngangsklemme med den første forsterkers utgangsklemme, hvor den første kondensator tjener til å styre eller regulere forsterkningen i den første forsterker, en annen operasjonsforsterker omfattende en første inngangsklemme er forbundet med spenningskilden og en utgangsklemme, en annen tilbakekoblingskrets omfattende den annen kondensator forbinder den annen forsterkers første inngangsklemme med den annen forsterkers utgangsklemme, hvor den annen kondensator tjener til å regulere forsterkningen av den annen forsterker, og en anordning for å kombinere utgangene av den første og den annen forsterker for å generere et signal som representerer differansen i kapasitet mellom den første og den annen kondensator.

2. Målekrets ifølge krav 1, karakterisert ved at den tidsvarierende spenning er en sinus-spenning.

3. Målekrets ifølge krav 1, karakterisert ved at både den første og den annen forsterker omfatter en annen inngangsklemme som er forbundet med jord.

4. Målekrets ifølge kravv3, karakterisert ved en tredje tilbakekoblingskrets som omfatter en tredje kondensator og er koblet mellom den første forsterkers utgangsklemme og den annen inngangsklemme, og en fjerde tilbakekoblingskrets som omfatter en fjerde kondensator, er koblet mellom den annen forsterkers utgangsklemme og den annen inngangsklemme.

5. Målekrets ifølge krav 1, karakterisert ved at den første og den annen forsterkers første inngangsklemmer er inverterende inngangsklemmer.

6. Målekrets ifølge krav 1,. karakterisert ved at kombineringsanordningen omfatter en tredje operasjons forsterker med en inverterende og en ikke-inverterende inngang hvor den første forsterkers utgangsklemme er forbundet med den tredje forsterkers inverterende inngang og den annen forsterkers utgangsklemme er forbundet med den tredje forsterkers ikke-inverterende inngang.

7. Målekrets ifølge krav 6, karakterisert ved at en femte tilbakekoblingskrets er forbundet mellom en ut-gang fra den tredje forsterker og den tredje forsterkers inverterende inngang.