SE447511B - Forfarande och krets for att bestemma en kondensators kapacitansverde - Google Patents

Description

15 20 25 447 511 _ _ 2 tisk cyklisk period, som är beroende av värdet hos ett mot- stand, som hör till en speciell multivibrator.

Ehuru dessa kända anordningar och förfaranden hittills har varit allmänt tillfredsställande sa är de dock behäftade med vissa nackdelar. Speciellt använder de pa olika sätt eeparta jämförelsekretsar för triggändamal, separata trigg- apänningsreferenskällor och/eller separata resistiva element för kapacitansbestämmande. För elektrotekniker är det känt att vissa egenskaper hos den omgivande miljön, speciellt temperaturen, kan paverka värdena hos dessa komponenter med en resulterande förlust i mätnoggrannhet. En apparat och ett förfarande, som är användbara vid utförande av kapacitansmät- ningar varvid ett enda gemensamt resistivt element användes för kondensatoruppladdning och en enda spänningsreferens an- vändes för generering av en trigg- eller klockpuls, skulle medföra ett betydande framsteg inom omradet. Apparaten och förfarandet enligt uppfinningen anses vara speciellt använd- bara vid applikationer avseende uppvärmning, ventilering och luftkonditionering (HVAC), där värdet av den uppmätta kapaci- tansen representerar relativ fuktighet, tryck, temperatur eller någon annan parameter.

Ett ändamål med uppfinningen är att astadkomma en apparat och ett förfarande för kapacitansmätning, varvid nackdelarna med den kända tekniken elimineras.

Ett annat ändamal med föreliggande uppfinning är att astadkomma en kapacitansmätapparat, som utnyttjar ett enda gemensamt resistivt element för kondensatoruppladdning. Ännu ett ändamål med uppfinningen är att astadkoma en apparat och ett förfarande för kapacitansmätning, varvid en enda gemensam triggreferens användes för att generera klock- pulser, vilka är användbara vid dessa mätningar. Ännu ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en apparat och ett förfarande för att bestämma kapacitansvärdet hos en kondensator, varvid verkningarna av ändringar i omgivningens temperatur reduceras.

Ett annat ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en apparat och ett förfarande för kapacitans- mätning, varvid integrerade kretsar med fördel användes.

Dessa och andra ändamål med uppfinningen kommer att framga närmare av den detaljerade beskrivningen i samband med den 10 15 20 25 35 40 447 511 bifogade ritningen.

Samm 'n v ' ' e .

I allmänhet inkluderar en apparat, som är användbar för att bestämma kspacitansvärdet hos en kondensator, en första dubbelriktad omkopplare för överföring av en laddningsström genom ett resistivt element till en fran början utarmad första kondensator med känt kapaoitansvärde. Den företa kon- densatorn uppladdas därigenom till spänningen hos en trigg- referens under en resulterande första tidsperiod. En andra dubbelriktad omkopplare är anordnad för överföring av en laddningeetröm vis samma reeistiva element till en fran början utarmad andra kondensator, varigenom denna uppladdas till potentialen hos samma triggreferens under en resul- terande andra tidsperíod. En anordning, t.ex. ett oscillo- skop eller en frekvensräknare, användes för att bestämma dessa tidsperioder och kapacitansvärdet för den okända andra kondensatorn kan därefter beräknas med användning av visade formler.

Ett förfarande för att bestämma kapacitansvärdet för en kondensator innefattar stegen att lata en lsddningsström passera genom ett resietivt element till en fran början utarmad första kondensator med känt kapacitsnsvärde, vari- genom denna kondensator uppladdas till potentialen hos en triggreferens under en resulterande första tidsperiod. En laddningsetröm bringae sedan att passera genom samma resis- tiva element till en fran början utarmad andra kondensator för uppladdning av denna till potentialen hos triggreferenlen under en resulterande andra tidsperiod. Den andra kondensa- torns kapacitansvärde beräknas sedan genom användning av den företa tidsperioden, den andra tidsperioden samt den första kondensatorns kapacitansvärde. ort s 'v ' v ' ' e .

Fig. 1 visar ett förenklat kopplingsschema för appara- ten enligt uppfinningen.

Pig. 2A-ZH innefattar diagram, som representerar fel- genereringseffekten av ändringar i omgivningens temperatur med avseende pa kapacitansmätning.

Fig. 3 visar ett förenklat diagram som representerar felgenereringseffekten av ändringar i omgivningens temperatur med avseende på kapacitansmätning. 10 15 20 25 30 §5 40 447 511 4 Fig. 4 visar en fördragen utföringsform av kretsen enligt uppfinningen, varvid integrerade kretsar användes.

Detal' a es i 'n av de " " ' .

Under hänvisning först till fig. 1 visas att apparat- kretsen 10 innefattar en laddningskälla 11 med ett resistivt element 13 och ett flertal omkopplare 15, varvid varje om- kopplare är omkopplingsbar mellan ett första, öppet läge och ett andra, slutet läge sasom svar pä logiska signaler.

Omkopplarna 15 är därigenom styrbara för sekventiell anslut- ning av en första referenskondensator 17 med känt kapacitans- värde och en andra kondensator 19 med okänt kapacitansvärde till det resistiva elementet för uppladdning av kondensa- torerna 17,19 till en spänning. En spänningsreferens 21, som har en förutbestämd inspänning, genererar en klockpuls vid klockledningen 23, när den sekventiellt detekterade ladd- ningspotentialen hos var och en av kondensatorerna 17, 19 är like med den förutbestämda triggspänning, som upprättas av referensen 21. Ett logiskt nät 25 ingar för gsnerering av de logiska signalerna saeom svar pa klockpulsen. Ett tidsbestäm- ningsorgan 27, exempelvis ett oscilloskop eller en räknare (frekvensräknare), kan vara kopplat till det logiska nätet 25 för att bestämma den första tid, som erfordras för att upp- ladda den första kondensatorn 17 från ett från början utarmat tillstànd till den förutbestämda potentialen hos referensen 21. Oscilloskopat kan även användas för att bestämma den andra tid, som erfordras för att uppladda den andra kondensa- torn 19 från ett fran början utarmat tillstànd till den förutbestämda potentialen. Den första tiden, den andra tiden ssamt kapacitansvärdet hos referenekondensatorn 17 kan sedan användas för att beräkna den okända kondensatorns 19 kapacitansvärde i överensstämmelse med visade formler.

Alternativt och i stället för oscilloskopet kan ett filtrer- nät användas för att filtrera en av de logiska signalerna till dess likströms-medelvärde, som kommer att representera den okända kondensatorns 19 kapacitansvärde. Hotstanden 31 och 33 är seriekopplade med den första kondensatorn 17 respektive den andra kondensatorn 19 för att begränsa den resulterande strömmen under kondensatorurladdning. Ehuru den föredragna utföringsformen av apparatkretsen 10 framgår av fig. 4, varvid omkopplarna 15 har formen av ett integrerat 10 15 20 25 30 35 40 447 511 - » s chip av komplementär HOS-typ och jämförarna 35,37,39 och 41 har formen av ett enda integrerat chip, kommer driften av kretsen 10 att lättare företas med hänvisning till fig. 1, där omkopplarna 15 representeras såsom enkla tvapositions- anordningar av den konventionella, mekaniska typen.

Närmare bestämt innefattar laddningekällan 11 en källa 43 för ingangsspänning med konstant potential samt ett resis- tivt element 13, som är seriskopplat med inspänningekällan 43. Denna källa 43 kommer att bringa en laddningsström att passera till antingen den första kondensatorn 17 eller den' andra kondensatorn 19 beroende pa omkopplarnas 15 läge. Vid en föredragen utföringsform väljas det resistiva elementet 13 så att det har ett resistansvärde, vilket är flera hundra gånger större än resistansvärdet hos något av strömbegräns~ ningemotstanden 31, 33, varvid ett resistivt förhållande av 470:1 användes vid den askadliggjorda utföringsformen.

Spânningsrefereneen innefattar en anslutning 45 till inepänningskällan 43 samt en referenejämförare 35 i form av en AND-grind för generering av en klockpuls vid klockled- ningen 23. Ett motstånd 47 samt en kondensator 49 är anord- nade för àstadkommande av en obetydlig tidsfördröjning vid initialuppstartning för att bibehålla klockledningen 23 vid det logiska tillståndet "0", till dess alla integrerade kretskomponentsr har uppnått jämnvikt. Jämföraren 35 avkännsr spänningsvärdet hos inspänningskällan 43 vid dessa första klämma 51 och värdet av laddningsspänningen hos antingen den första kondensatorn 17 eller den andra kondensatorn 19 vid dess andra klämma 53 och genererar en klockpuls, närhelst värdet av en kondensatoruppladdningsspänning stiger, sa att det är lika med värdet av triggreferensspänningen. Vid den ' askàdliggjorda utföringsformen kommer denna triggreferens- spänning att vara approximativt hälften av ingangskällans 43 spänningsvärde.

Det logiska nätet 25 innefattar företrädesvis en JK- -vippkrets 55 i form av ett integrerat chip av komplementär MOS-typ med utformning sasom en till-fran-vippa genom koppling av JK-ingangsklämmorna till den gemensamma källan 43 för ínapänning. Vippan 55 innefattar en pulsingangsklämma S7, en första logisk utgangsklämma 59 samt en andra logisk komplementutgangsklämma 61. Dessa utgangsklämmor 59, 61 är 10 15 20 25 30 35 40 447_ 511 6 kopplade till en första logisk grind 39 respektive en andra logisk grind 37. Eftersom var och en av de logiska grindarnas 37, 39 ingångsklämmor är sammankopplade kommer de logiska tillstånden för,de respektive grindutgångsklämmorna 63 och 65 att vara identisktwlikadana som det logiska tillståndet för deras ingångsklämmor. De logiska grindarna 37, 39 och deras tillhörande, motsvarande kondensatorer 67,69 åstadkommer en viss tidsfördröjning för att exempelvis förhindra samtidig slutning av omkopplarna 1 och 2, vilket skulle förstöra resultatet av kapacitansmätningen. Inkluderandet av dessa tidsfördröjningsanordningar är lämpligt, eftersom en lätt tillgänglig integrerad AND-grindjämförelsekrets innefattar fyra sådana jämförare, vilka dock i själva verket skulle kunna ersättas med motstånd. Vid den visade konstruktionen och arrangemanget definierar vippan 55 och de logiska grind- utgangarna ett flertal logiska ledningar, inkluderande den första, den andra, den tredje och den fjärde logiska led- ningen 71, 73, 75 respektive 77. Det torde inses att momen- tanläget för varje omkopplare regleras av det då förekommande logiska tillståndet hos dess tillhörande logiska ledning. Om, exempelvis, den logiska ledningen 71 har det logiska till- ståndet "O" kommer omkopplaren med beteckningen “1“ att be- finna sig i det öppna läget, såsom visas.

Innan driften av apparatkretsen 10 beskrives kommer flera kretsegenskaper och antagna initialförhallanden att anges. Vid den föredragna utföringsformen är det inre resis- tiva värdet för var och en av omkopplarna 15 av storleksord- ningen 80 ohm. Vidare väljas det resistiva elementets 13 värde på sådant sätt, att det är väsentligt större än värdet av vilket som helst av strömbsgränsningsmotstånden 31, 33, såsom beskrivits ovan, och värdet av vilket som helst av strömbegränsningsmotstanden 31, 33 är i sin tur väsentligt större än det inre motståndet hos nagon omkopplare. Hed avseende på initialtillstånden antages inspänningskällan 43 hållas vid en konstant spänningsnivå, exempelvis 10 volt likspänning, varvid de logiska ledningarna 71 och 73 har det logiska tillståndet “1", de logiska ledningarna 73 och 75 har det logiska tillståndet “0“, den första kondensatorn 17 har ett laddningsutarmat_tillstånd O volt likspänning och den andra kondensatorn 19 är uppladdad till sn spänning, som 10 15 20 25 30 35 447 511 7 nominellt är lika med triggreferensspänningsn hos referens- jämföraren 35, exempelvis 5 volt likspänning.

Med dessa initialtillstand och vid det första tidsögon- blick, godtyckligt betecknat tidpunkten noll, kommer den första kondensatorn 17 att påbörja exponentiell uppladdning till spänningskälllans värde i överensstämmelse med en tids- konstant, som representeras av formeln TC = C2(R1 + R2 + RSI) där RS1 är omkopplarens “1“ resistiva värde. Samtidigt kommer den andra kondensatorn 19 att påbörja urladdning i överens- stämmelse med en tidskonstant, som representeras av formeln TD = C3(R3 + RS4) där RS4 är omkopplarens "4" resistiva värde. I betraktande av de ovannämnda resistiva sambanden be- stämmas den första kondensatorns 17 laddningstidskonstant nästan helt och hallet av det resistiva elementets 13 (R1) värde i enlighet med formeln TC = C2(R1), under det att den andra kondensatorns 19 urladdningstidskonstant bestämmas nästan helt och hållet av det andra strömbegränsningsmot- standets 33 (R3) värde i enlighet med formeln TD = C3(R3).

Eftersom det är känt att den andra kondensatorns 19 värde generellt approximarar den första kondensatorns 17 värde och eftersom det resistiva elementets 13 värde är mycket större än det andra strömbegränsningsmotstandets 33 värde är den tid, som erfordras för uppladdning av den första kondensatorn 17, mycket längre än den, som erfordras för att urladda den andra kondensatorn 19, såsom àskadliggöres i fig. 28 och 2C, där den första kondensatorns 17 laddningskurva 79 är uppritad i förhållande till den andra kondensatorn: 19 urladdningskurva 81 omedelbart efter de ovannämnda initialtillstánden.

Den företa kondensatorn 1? (C2) fortsätter att ladda till dess spänningen vid den andra ingangsklämman 53 är lika med triggreferensspänningen, varefter jämförargrinden 35 genererar en logisk "1“-signal i form av en stigkant 83 hos en klockpuls, såsom visas i fig. 2 D. Den tid T1, som erford- ras för den första kondensatorn 17 att uppna en laddning, som är lika med triggrefsrensspänningen, approximeras noggrant genom formeln T1 = -C2(R1) ln(1/2). Da klockpulsens stigkant 83 förekommer bringas de logiska tillstånden hos den första utgangsklämman S9 och den andra utgangsklämman 61 att om- koppla, varvid det logiska tillståndet hos den första ut- gangsklämman 59 ändras fran det logiska tillståndet "O" till 10 15 20 25 30 55 447 511 _ _ 8 det logiska tillstandet “1" och det logiska tillståndet hos den andra utgangsklïmman 61 ändras fran det logiska tilletan- det ”i” till det logiska tillståndet "O". Vid omkopplingen slutes omkopplarna ”1" och “3“ och omkepplarna ”2“ och “4“ öppnas, varefter den första kondensatorn 17 börjar urladda, såsom visas i den avtagande delen av kuran i fig. 28. Detta gäller oberoende av det förhallandet att den första kondensa- torn 17 fortfarande är ansluten till det resistiva elementet 13, eftersom detta element 13 har ett mycket högre värde än värdet hos det första strömbegränaningsmotstandet 31. Vid om- koppling bibshalles den andra kondensatorn 19 i ett ladd- ningsutarmat tillstànd. Nästan momentant sjunker spänningen vid den andra ingangeklämman 53 under triggrsferensnivan och utgangsklämman eller klockledningen 23 hos grinden 35 kommer att övergå till det logiska tillståndet "0“, sasom represen- teras av den fallande kanten 85 i fig. 2D. Det torde insee att den märkbara tiden för urladdning av den andra kondensa- torn 19, saeom visas i den avtagande delen av kurvan i fig. 2C, samt klockpulsens tidsbredd, representerad i fig. 2D, i hög grad har överdrivits för förklarande syften.

Eftersom vippan 55 har utformats för att omkoppla endast vid en stigkant B3 hos klookpulsen är den enda änd- ring, som orsakas av urladdningen av den förta kondensatorn 17 under triggreferensnivan, att klockledningens 23 tillstànd ändras till det logiska tillståndet "O". De logiska led- ningarnas 71, 73 tillstànd ändras fran det logiska tillstàn- det "1“ till det logiska tillståndet "O" respektive från det logiska tillståndet "O" till det logiska tillståndet “1" efter en kort tidsfördröjning, som förorsakas av uppladd- ningen av de tva grindkondensatorerna 67, 69, som är kopplade till den logiska grinden 37 respektive 39. Med de beskrivna ändringarna av tillstànd hos logiska ledningar 71, 73, 75 och 77 är_omkopplarna "1" och "4“ öppna och omkopplarna "2" och “3“ slutna, varvid dessa lägen utgör komplementst till det ursprungliga, antagna tillståndet. Därefter börjar den andra kondensatorn 19 (C3> att uppladda i överensstämmelse med en laddningstid T2, som noggrant approximerae av formen T2 = -R1(C3) ln(1/2). Cykeln upprepas sedan.

I figurerna 23 och ZF representeras de respektive logiska tillstandsn hos den första logiska klämman 59 och den 10 15 20 25 30 35 40 447 511 _ _ 9 andra logiska klämman 61 grafiskt, under det att figurerna 26 och 2H grafiskt representerar de logiska tillständen hos den logiska ledningen 71 respektive 73. En granskning av tids- diagrammet i fig. 22 visar att, när den andra kondensatorns 19 värde är lika med den första kondensatorns 17 värde, sä har signalen vid den första logiska klämman 59 en relativ pulslängd D av S01, dvs. den har ett logiskt tillstånd "O" och ett logiskt tillstànd “1“ för ekvivalenta tidsperioder; T1 = T2. När den andra kondensatorns 19 kapacitansvärde skiljer sig från den första kondensatorns 17 kapacitansvärde kan den relativa pulslängden D beräknas med användning av formen D = T2 delat med (T1 + T2). Därefter kan värdet av den okända, andra kondensatorn 19 beräknas med användning av ett oscilloskop eller en liknande anordning för mätning av tid.

Vid ett alternativt utförande och istället för att använda ett oscilloskop kan den logiska signalen omvandlas till sitt likströmsmedelvärde genom att den far passera genom en buffertjämförare 41 och ett filter, som består av ett mot- stånd 87 och en kondensator 89. Liketrömemedelvärdet kan sedan mätas över utgangsklämmorna. Fackmannen inom omradet torde inse att kondensatorns C2 värde även kan bestämmas genom frekvenemätningar, som utföres vid utgangsklämmorna med användning av en frekvensräknare eller en mikroprooessor. Det är även möjligt att koppla en räknare till klockledningen för räkning av omväxlande pulser. Om medelvärdesutlikspänningen användes för kapsoitansmätning kan den andra kondensatorns 19 kapacitansvärde beräknas i enlighet med formeln C3 = (C2) (VAO)/(VI-VAC), där VAO är medelvärdet av utlikspänningen och VI är värdet av ingàngskällana 43 spänning. Om, a andra sidan, frekvensen skall användas för kapacitansmätning kan den andra kondensatorns 19 värde beräknas enligt formeln C3 = - C2 + 1 f R1 ln 1 - VTR VI där f är frekvensen Hz och VTR är triggreferensspänningens värde. Kapaoitanser är i pikofarad, spänningar i volt och motstånd i Ohm.

I fig. 3 visas en normal driftledning 93 för apparaten 10 15 20 25 35 40 447 511 -- 10 10 samt ett förfarande enligt uppfinningen. Ett fel i för- stärkning, förorsakat genom ändringar i omgivningens tempera- tur samt resulterande temperaturkoefficientfelanpassningar, skulle representeras av ledningen 95, under det att ett nollfel skulle representeras av kurvan 97. Under antagande att kondensatorne 19 fullskaleomrade är av storleksordningen 150-180 pikcfarad och att en växling i temperatur hos den miljö, som omger apparaten 10, uppgår till 100°F har det visat sig att apparaten 10 samt förfarandet enligt uppfin- ningen medför en väeentlig förbättring i mätnoggrannhet ut~ över den, som erhålles med mätapparaturen enligt ovannämnda “Technical Information 063". Såsom exempel och med avseende på fel beroende pà ändringar i resistans över den beskrivna temperaturväxlingen gav apparaten enligt nämnda “Information“ approximativt plus eller minus 5% nollfel och plus eller minus 1% förstärkningsfel. I motsatte härtill gav apparaten 10 enligt uppfinningen mindre än 1% nollfel respektive mindre än 0,11 förstärkningsfel. Pa samma eätt var den resulterande ändringen i inspänningskällans 43 niva approximativt plus eller minus 3% nollfel och plus eller minus 0,61 företärkningsfel för apparaten enligt nämnda "Information" och nominellt 0% nollfel och 0% företärkningsfel för appara- “ ,-ten 10 enligt uppfinningen.

Följande komponentvärden har visat sig användbara i samband med föreliggande uppfinning, varvid resistansen är i ohm med toleraneen 1%, kapacitansen i mikrofarad med toleran- sen 201, allt sa vida inte annat angivits.

I Figuregga 1 och 4.

R1 470K R,2 R3 1K R4 560K, 5% R5 100K C1 0,1 C3 150 pF anpassat till C4,5 0,001 temp.koeff. hos C2U1 4066 CS 0,01 U3-U6 4061 U2 4027 Ehuru endast en enda föredragen utföringsform av apparaten 10 och förfarandet för bestämmande av kapacitsns- värde enligt uppfinningen har visats och beskrivits sa är inte avsikten att uppfinningen därigenom skall begränsas utan ramarna bestämmas av de efterföjande patentkraven.

Claims (5)

H 447 511 Patentkrav

1. Förfarande för att bestämma en kondensators (19) kapacitansvärde, k ä n n e t e c k n a t av att det innefat- tar följande steg; att bringa en laddningsström att passera genom ett resistivt element (13) till en från början utarmad första kondensator (17) med känt värde för uppladdning av denna till potentialen hos en spänningsreferens (21) under en resulterande första tid; att bringa en laddningsström att passera genom det resistiva elementet (13) till en från början utarmad andra kondensator (19) för uppladdning av denna till potentialen hos spänningsreferensen (21) under en resulterande andra tid; samt att beräkna den andra kondensatorns (19) kapacitansvärde genom utnyttjande avden första tiden, den andra tiden samt den första kondensatorns (17) kapacitansvärde.

2. Förfarande enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a t av att spänningsreferensen (21) innefattar en enda referensjäm~ förare (35) för upprättande av en triggreferensspänning, en första jämföraringångsklämma (51) för avkänning av en spän- ningskälla (43) med en känd potential, en andra-jämförarín- gångsklämma (53) för att sekventíellt avkänna kondensatorernas (17,19) laddningspotential samt organ för att generera en ut- signal, när laddningspotentialen är lika med nämnda trigg- referensspänning.

3. Förfarande enligt kravet 2, k ä n n e t e c k n a t av att beräkningssteget utför en beräkning av relativ pulslängd genom delning av den första tiden med summan av den första tiden och den andra tiden.

4. Krets för att bestämma en kondensators kapacitansvärde för att utföra förfarandet enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att den innefattar! en laddningskälla (11), som inkluderar ett resistivt element (13); ett flertal omkopplare (15), varvid varje omkopplare är omkopplings- bar mellan ett första, öppet läge och ett andra, slutet läge såsom svar på logiska signaler, varvid omkopplarna därigenom är styrbara för att sekventiellt ansluta en första referens- kondensator (17) med känt kapacitansvärde samt en andra kondensator (19) till det resístíva elementet (13) för uppladd- ning av kondensatorerna (17,19) till en potential; en spän- ningsreferens (21), inkluderande en enda jämförare, för upp- rättande av en triggreferensspänning och genererande av en klockpuls, när den sekventiellt detekterade laddningspotentia- 447 511 12 len hos nämnda kondensatorer (17,19) är lika med nämnda trigg- referensspänning; ett logiskt nät (25) för att generera de logiska signalerna såsom svar på klockpulsen; och organ (27) för att bestämma en första tid, som erfordras för att ladda den första kondensatorn (17) från ett från början utarmat tillstånd till triggreferensspänníngen, samt för att bestämma en andra tid, som erfordras för att ladda den andra kondensa- torn (19) från ett från början utarmat tillstånd till trigg- referensspänníngen.

5. Krets enligt kravet 4, k ä n n e t e c k n a d av att spänningsreferensen (21) genererar en klockpuls med en stig- kant (83) samt att omkopplarna (15) innefattar två par av om- kopplare, varvid det ena av nämnda par omkopplas vid förekomst av stigkanten (83) och det andra paret vid en tid efter före- komsten av stigkanten (83).