-
Elektronische Kapazitätsmeßeinrichtung
-
Es sind bereits Schaltungen zur Messung der Differenzkapazität zweier
Kondensatoren und darauffolgende Umwandlung des Meßergebnisses in elektrische Signale
bekannt geworden, bei welchen zwei HF-Generatoren Verwendung finden, deren Ausgangsfrequenz
von den beiden hinsichtlich der Differenz ihrer Kapazitätswerte zu überwachenden
Kondensatoren bestimmt werden, sowie weiters ein Superponierungs- und Demodulierungsnetzwerk
und ein von der Schwebungsfrequenz beaufschlagter Frequenz-Analogwandler, dessen
Ausgang ein Anzeigegerät speist.
-
Durch diese Schaltung können auch relativ geringe Kapazitätsunterschiede
sicher erfaßt werden.
-
Es ist auch bekannt, einen zu überwachenden Kondensator in einer Brückenschaltung
zu plazieren, wobei die Brückenausgangsspannung bei geeigneter Bemessung der Brücke
proportional der Differenzkapazität ist.
-
Bei diesen Anordnungen bestehen die Nachteile, daß bei Anordnungen
mit zwei HF-Generatoren mit Bildung der Differenzfrequenz die Schwierigkeit besteht,
eine ausreichend hohe Frequenzstabilität bei gleichzeitiger Verstimmbarkeit der
Oszillatoren zu erreichen, und weiters, daß an die feinmechanischen Qualitäten der
frequenzbestimmenden Bauteile extreme Anforderungen gestellt werden müssen, die
entsprechend hohe Herstellungskosten verursachen.
-
Bei Betrieb der veränderbaren Kondensatoren in einer Brückenschaltung
muß man für eine weitgehende Proportionalität der Brückenausgangsspannung zur Kapazitätsänderung
mit sehr kleinen Wechsel spannungen an den zu messenden Kondensatoren arbeiten.
Die genaue Weiterverarbeitung und Messung dieser kleinen Spannungen ist grundsätzlich
problematisch.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung zur Messung kleiner Kapazitäten
in der Größenordnung von Picofarad zu schaffen, und im besonderen eine Schaltung
zur vergleichsweisen Messung zweier variabler Kapazitäten, die sich in Abhängigkeit
von physikalischen Größen, wie z.B. Temperatur, Druck, Volumen einer Flüssigkeit
etc., ändern, und zwar wird die eine Kapazität von der zu messenden Größe
verändert,
die andere dient zur Kompensation von unerwünschten Effekten.
-
Die Erfindung betrifft somit eine elektronische Kapazitätsmeßeinrichtung,
insbesonders zur Messung kleiner Kapazitäten in der Größenordnung von Picofarad,
insbesonders zum Vergleich zweier gleichartiger Kapazitäten, bei welcher Kapazitätsänderungen
in proportionale Strom-bzw. Spannungsänderungen umgewandelt werden und wobei zur
Impulsformung eine durch Rechteckimpulse getrieggerte monostabile Multivibratorstufe
dient und jede der zu messenden Kapazitäten Teil des Ladekreises einer monostabilen
Kippstufe ist, deren abgegebene Impulse eine zur zu messenden Kapazität proportionale
Breite besitzen, wobei erfindungsgemäß diese Kippstufen von einer Wechselspannung
extrem konstanter Frequenz getriggert sind, und nach Integration des sich ergebenden
pulsdauermodulierten Signals konstanter Frequenz dieses Ausgangssignal einem Anzeigegerät
zugeführt ist, wobei zwei Monoflops, deren Impulsdauer in an sich bekannter Weise
in einem Fall von einem zu messenden Kondensator, im anderen Fall von einem Kompensationskondensator
bestimmt ist, gleichzeitig getriggert werden und zur Differenzbildung der Impulslängen
der beiden Monoflops die Impulse der beiden Monoflops einer Koinzidenzschaltung,
bestehend aus einem Invertierer und einer Und-Stufe mit gegebenenfalls nachfolgender
Siebung zugeführt werden, und zwar die Impulse des Monoflops in dessen Ladekreis
sich der zu messende Kondensator befindet, zunächst dem Invertierer und sodann die
Impulse dieses und die des Monoflops, in dessen Ladekreis sich der Kompensationskondensator
befindet, der Und-Stufe, wonach der Ausgangsimpuls, gegebenenfalls über einen Widerstand,
einem Anzeigegerät zugeführt wird.
-
Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann die Koinzidenzschaltung
aus der ausgangsseitigen Parallelschaltung eines invertierenden und eines nicht
invertierenden Transistorverstärkers mit "open-collector" Ausgang bestehen.
-
Zur genauen Kalibrierung der Höhe der Differenzimpulse kann gemäß
einem weiteren Vorschlag der Erfindung eine zu den Ausgängen des invertierenden
und des nicht invertierenden Transistorverstärkers parallel geschaltete Zenerdiode
vorgesehen sein.
-
Weiters kann erfindungsgemäß eine Widerstandskombination vorgesehen
sein zur Arbeitsbereichsverlegung bzw. Nullpunktsunterdrückung, die mit dem nicht
invertierenden Eingang des Integrierverstärkers verbunden ist.
-
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung ist es, die weiter oben
genannten Schwierigkeiten zu vermeiden. Außerdem wird durch die reichliche Verwendung
digitaler Schaltungen eine hohe Genauigkeit bei relativer Einfachheit erzielt.
-
Dz bereits integrierte Schaltungen am Markt angeboten werden die eine
Vielzahl von Funktionen in sich vereinen, ist der Aufwand bei der Realisierung der
der Erfindung zugrunde liegenden Idee relativ gering, verglichen mit den bisher
bekannt gewordenen Methoden großer Genauigkeit.
-
Die nähere Erläuterung der Erfindung erfolgt an Hand der beiliegenden
Zeichnung, in der Fig. 1 eine prinzipielle Schaltung in schematischer Weise, Fig.
2 eine Schaltung für den Vergleich der Kapazitätswerte zweier gleichartiger Kondensatoren,
Fig. 3 das Innenschaltbild einer bei den Fig. 1 und 2 verwendeten monostabilen Kippstufe,
Fig. 4 die Schaltung der monostabilen Kippstufe zur erfindungsgemäßen Umwandlung
der zu messenden Kapazität in eine impulsbreitenmodulierte Rechteck-Wechselspannung,
und Fig. 5 die Ausführung der Koinzidenz schaltung gemäß Fig. 2 darstellen.
-
In Fig.1 befindet sich der zu messende Kondensator Cx im Ladekreis
der monostabilen Kippstufe MF. Diese wird durch die konstante Frequenz f z.B. eines
HF-Generators oder NF-Generators getriggert. Der Ausgangsimpuls der monostabilen
Kippstufe MF wird nach Integration über den Länge-Widerstand R und den Querkondensator
C dem Ausgang A, an den z.B. ein Anzeigeinstrument angeschlossen werden kann, zugeführt
In Fig. 2 wird die zu messende Kapazität und eine Vergleichskapazität je in den
Ladekreis einer monostabilen Kippstufe (Monoflop) geschaltet. Im besonderen findet
diese Schaltung zur vergleichsweisen Messung zweier gleichartiger Kapazitäten Anwendung,
wobei die eine durch äußere Einflüsse, wie Druck, Temperatur1 Volumsänderung usw.
verändert wird und die andere Kapazität zu Kompensationszwecken dient. Die Ausgangsimpulse
der monostabilen Kippstufen MF werden einer Koinsidentschaltung zugeführt, bestehend
aus einen Invertierer 1 und einem
Und-Gatter U, und zwar werden
die Ausgangsimpulse der dem zu messenden Kondensator C zugeordneten monostabilen
Kippstufe dem Invertierer I zugeführt, x wonach dessen Ausgangsimpulse und diejenigen
der dem Kompensationskondensator Ccomp zugeordneten monostabilen Kippstufe parallel
dem Und-Gatter U zugeführt werden. Über den Integrator (Längs-Widerstand R und Querkondensator
C) wird der Ausgang des Und-Gatters dem Anzeigegerät zugefuhrt (Ausgangsklemme A).
-
Fig. 3 zeigt das Innenschaltbild einer monostabilen Kippstufe MF.
Sämtliche dargestellten Bauteile, mit Ausnahme der Bauteile Cc, R4, und R5, sind
als integrierte Schaltung (IC) handelsüblich. Das gleiche Schaltschema wird auch
zur Erzeugung einer konstanten Frequenz herangezogen (fo).
-
Das Ausgangssignal ist eine Rechteck-Wechselspannung fo mit relativ
geringem Tastverhältnis.
-
Fig. 4 zeigt die Schaltung der monostabilen Kippstufe zur Umwandlung
der zu messenden Kapazität in eine impulsbreitenmkodulierte Rechteck-Wechselspannung.
-
Die Triggerung der monostabilen Kippstufe erfolgt über den Kondensator
C1 und den Spannungsteiler R6, R7. P1 dient zum Feinabgleich der Eigenzeit der monostabilen
Kippstufe.
-
Fig. 5 zeigt die praktische Ausführung der Koinzidenzschaltung. Die
Eingänge E1, E2 entsprechen den Ausgängen A1, A2 der Fig. 2. Die Schaltung besteht
aus deh drei Transistoren T2, T3, T4, wobei T3 die Invertierung und die Parallelschaltung
von T3 und T4 die Und-Verknüpfung bewirkt. R8 und R9 dienen zur Strombegrenzung,
R7 ist der Arbeitswiderstand für den Transistor T2.
-
Die genaue Kalibrierung der Höhe der Differenzimpulse wird von der
Zenerdiode Z1 zusammen mit R10 bewirkt. Der nachgeschaltete Verstärker V arbeitet
mit dem Kondensator C als Integrator, dessen Verstärkung durch das Potentiometer
P3 im Zusammenwirken mit R11 und R14 eingestellt werden kann. Das Potentiometer
p2 dient zur Verschiebung des Arbeitsbereiches bzw. zur Nullpunktsunterdrückung.
-
Die Zenerdiode Z2 dient zum Schutz des Verstärkers gegen Störspannungen
von außen.