DE3143114C2

DE3143114C2 -

Info

Publication number: DE3143114C2
Application number: DE3143114A
Authority: DE
Inventors: John Ernest Glyn Garth Isle Of Anglesey Gb Fielden; Robert Goronwy Bangor Gwynedd Gb Lloyd
Original assignee: Mestra AG
Current assignee: Mestra AG
Priority date: 1980-11-07
Filing date: 1981-10-30
Publication date: 1989-02-02
Also published as: DE3143114A1; JPS57131072A; US4459541A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Kapazität eines Probenkondensators nach dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1 sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Ver fahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2. Hierbei sei erwähnt, daß unter dem Begriff "Probenkondensator" ein beliebi ges Schaltungselement zu verstehen ist, das eine meßbare Kapa zität aufweist.

Aus der Druckschrift "Electronic Engineering", Vol. 47, Oktober 1975, Seiten 17, 19, sind ein Verfahren und eine Vorrich tung der eingangs genannten Art bekannt; eine wirkungs ähnliche Anordnung ist aus der DE 28 19 516 A1 bekannt. In beiden Fällen hängt die Amplitude des dort vorgesehen ka pazitätsproportionalen Ausgangssignals von der Frequenz eines Generators ab, so daß exakte Meßergebnisse sehr auf wendige Schaltungen erfordern.

Aus der DE-OS 23 47 450 ist ferner eine Meßschaltung bekannt, deren Genauigkeit ausschließlich von der Genauigkeit eines dort vorgesehenen Impulsgenerators abhängt.

Die herkömmliche Schaltung basiert auf der Gleichung:

I = CVf

wobei

I = Entladungsstrom
C = Kapazität
V = Versorgungsspannung
f = Frequenz des Ladungs-/Entladungszyklus

Eine genaue Messung der Kapazität kann nur erhalten wer den, indem man den Strom überwacht, wenn die Spannung und die Frequenz konstant gehalten werden. Eine Änderung der Spannung kann dadurch kompensiert werden, daß man die Re ferenzstrom-Spannung abhängig macht. Es ist jedoch schwie rig, eine Frequenzkompensation zu erreichen, und somit ist eine Versorgungsquelle stabiler Frequenz erforderlich. Versorgungsquellen stabiler Frequenz, wie z. B. Kristall oszillatoren, stehen selbstverständlich zur Verfügung, je doch sind sie kostspielig und können daher bei vielen An wendungsfällen nicht verwendet werden.

Ausgehend vom obengenannten Stand der Technik, ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß eine exakte Kapazitäts messung mit geringem Schaltungsaufwand ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 gelöst.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein vollständig ande rer Weg beschritten, als dieser bisher gegangen wurde. Es wird nämlich gemäß der Erfindung die im gemessenen Konden sator gespeicherte Ladung und die im Referenzkondensator gespeicherte Ladung in einem oder zwei Kondensator(en) zwischengespeichert und die zum Konstanthalten der zwi schengespeicherten Ladungen benötigten Ströme gemessen und miteinander verglichen.

Die Verwendung eines Referenzkondensators und die Durch führung eines Vergleichs der Ströme macht die Unterschei dung ihrer Kapazitäten unabhängig von der Stabilität der Versorgungsspannung und der Betriebsfrequenz der Schal tungsanordnung. Wenn die Schaltung so ausgelegt wird, daß die verglichenen Ströme anfangs identisch sind, kann nur eine anschließende Änderung der Kapazität dafür sorgen, daß die verglichenen Ströme aus dem Gleichgewicht heraus kommen. Die Genauigkeit der Messung beruht nur auf stati schen Komponenten und ist somit unbegrenzt stabil.

Die Schaltung spricht auf die Differenz zwischen den bei den Kapazitäten an, nicht auf das Verhältnis ihrer Werte, und Änderungen der Versorgungsspannung und der Frequenz beeinflussen nur die Differenz, nicht die stehende Kapazi tät des Referenzkondensators. Somit kann eine Zunahme der Kapazität, die prozentual betrachtet klein ist, ohne wei teres aufgelöst werden. Außerdem kann die erforderliche Zuwachsmessung durchgeführt werden, indem man irgendeinen Wert der Referenzkapazität innerhalb des gewählten Be triebsbereichs der Schaltung verwendet.

Vorzugsweise besitzt die Schalteranordnung zwei Festkör perschalter, die vom Ausgangssignal eines Oszillators ge steuert sind.

Bei einer Ausführungsform ist der eine Schalter in Reihe mit dem Probenkondensator parallel zur Versorgung geschal tet. Die Schalter werden so gesteuert, daß sie ihre jewei ligen Kondensatoren gleichzeitig aufladen und sie dann in entsprechende größere Speicherkondensatoren entladen. Die Entladungsströme werden verglichen, indem man Rückkopp lungsströme vergleicht, die erforderlich sind, um die Spannung parallel zu den Speicherkondensatoren konstant zu halten.

Bei einer anderen Ausführungsform sind die beiden Schalter in Reihe parallel zur Versorgung geschaltet und so gesteu ert, daß sie die eine Kapazität auf die Versorgungsspan nung und die andere Kapazität auf eine feste Spannung pro portional zur Versorgungsspannung aufladen. Die eine Kapa zität wird dann auf die feste Spannung entladen, und die andere Kapazität wird vollständig entladen. Ein größerer Speicherkondensator ist so angeordnet, daß er von dem ei nen Entladestrom aufgeladen und von dem anderen entladen wird. Der erforderliche Strom, um die Spannung parallel zum Speicherkondensator konstant zu halten, wird überwacht und liefert ein Maß für die Differenz zwischen den beiden Entladungsströmen und somit für die beiden zu vergleichen den Kapazitäten.

Bei den oben angegebenen Ausführungsformen wird die Takt- oder Schaltfrequenz so gewählt, daß der Probenkondensator und der Referenzkondensator vollständig geladen und dann im Laufe jedes Schaltzyklus vollständig entladen werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ein Schaltbild zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und in

Fig. 3 ein Schaltbild zur Erläuterung einer abge wandelten Ausführungsform der Schaltung ge mäß Fig. 1.

Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 wird die Leitung 1 auf einer konstanten Gleichspannung von +V gegenüber der Erdleitung 2 gehalten. Zwischen die Leitungen 1 und 2 sind Umschalter S 1 und S 2 als Schalteranordnung parallelgeschaltet, die synchron mit dem Ausgangssignal eines nicht darge stellten Oszillators betätigt werden, um abwechselnd die Leitung 1 mit den Leitungen 3 bzw. 4 und die Lei tungen 3 und 4 mit den Leitungen 5 bzw. 6 zu verbinden. Im ersten Zustand sind die Kondensatoren C 1 und C 2 para llel zur Versorgung geschaltet, und im zweiten Zustand sind die Kondensatoren C 1 und C 2 parallel zu den Konden satoren C 3 bzw. C 4 als Speicherkondensatoren geschaltet. Die Kondensatoren C 3 und C 4 haben im wesentlichen gleiche Kapazität, die um ein Vielfaches größer ist als die der Kondensatoren C 1 und C 2.

Der Kondensator C 1 stellt als Probenkondensator das Schaltungselement dar, dessen Kapazität zu messen ist, während der Kondensator C 2 einen Referenzkondensator bildet. Die Kondensatoren C 1 und C 2 haben im wesentlichen die gleiche Kapazität.

Die nicht-invertierenden Eingänge von ähnlichen Opera tionsverstärkern A 1 und A 2 sind an die Erdleitung 2 ange schlossen. Die invertierenden Eingänge der Operationsver stärker A 1 und A 2 sind an die Leitungen 5 bzw. 6 ange schlossen. Die Ausgänge der Operationsverstärker A 1 und A 2 sind an Ausgangs-Anschlüsse 7 bzw. 8 und über Rückkopplungs-Widerstände R 1 und R 2 an die Leitungen 5 bzw. 6 angeschlossen.

Die Schalter S 1 und S 2 arbeiten in der Weise, daß sie gleichzeitig die Kondensatoren C 1 und C 2 mit der Leitung 1 verbinden, und zwar für eine ausreichende Zeit, die es ermöglicht, daß beide Kondensatoren auf die Spannung +V aufgeladen werden. Dann schalten die Schalter gleich zeitig um, um den Kondensator C 1 mit dem Kondensator C 3 und den Kondensator C 2 mit dem Kondensator C 4 zu verbinden. Die Kondensatoren C 1 und C 2 entladen sich in die Kondensatoren C 3 und C 4 für eine ausreichende Zeitspanne, die eine vollständige Entladung erlaubt. Dann schalten die Schalter S 1 und S 2 zurück, und die Kondensatoren C 1 und C 2 werden wieder geladen. Dieser Zyklus wird ständig wiederholt.

Die Verstärker A 1 und A 2 halten die Ströme I 1 und I 2 durch die Widerstände R 1 bzw. R 2 aufrecht, wobei die Ströme ausreichend sind, um die Spannungen parallel zu den Kondensatoren C 3 und C 4 im wesentlichen auf Null zu halten. Diese Ströme I 1 und I 2 sind gleich den und tatsächlich die Ströme, die von den Kondensatoren C 1 und C 2 entladen werden, und somit sind die Ausgangsspan nungen V 1 und V 2, die an den Anschlüssen 7 bzw. 8 auf treten, jeweils I 1 × R 1 bzw. I 2 × R 2. Somit sind die Ausgangsspannungen V 1 und V 2 exakt proportional zu der Kapazität der Kondensatoren C 1 bzw. C 2, da die Spannung +V und die Frequenz des Schaltbetriebes für beide Teile der Schaltung die gleichen sind. C 3 und C 4 haben die gleiche Kapazität, und R 1 und R 2 haben den gleichen Widerstandswert. Somit sind jegliche Differenzen zwischen den Spannungen V 1 und V 2 ein Maß für die Differenz zwi schen den Kapazitäten der Kondensatoren C 1 und C 2.

Wenn die Kapazitäten der Kondensatoren C 1 und C 2 gleich sind, dann gilt V 1 = V 2. Wenn die Kapazität des Konden sators C 1 abweicht, kann die Abweichung gemessen werden, indem man den Wert von V 1 beobachtet und ihn mit dem Wert von V 2 vergleicht. Beispielsweise kann dieser Ver gleich vorgenommen werden, indem man die Ausgänge mit den Eingängen eines Operationsverstärkers A 3 als Überwachungseinrichtung verbindet, der dann ein Ausgangssignal liefert, das eine Funktion der Abweichung der Kapazität des Kondensators C 1 ist. Dieses Ausgangssignal vom Operationsverstärker A 3 kann beispielsweise einem Relais 9 zugeführt werden, das so eingestellt ist, daß es dann anspricht, wenn das Aus gangssignal vom Operationsverstärker A 3 einer vorgege benen Abweichung des Kondensators C 1 entspricht, die abge tastet oder gemessen werden soll. Der Punkt, bei dem das Relais 9 anspricht, hat eine hohe Stabilität, und die Empfindlichkeit des Systems wird die gleiche für jeden Wert von C 1 und C 2 sein. Wenn beispielsweise die Verstärkung des Operationsverstärkers A 3 so gewählt ist, daß das Relais 9 anspricht, wenn der Wert von C 1 den Wert von C 2 um beispielsweise 0,1 pF überschreitet, so wird das Relais immer dann schalten, wenn diese Differenz er reicht wird, u. zw. sowohl wenn z. B. C 2 den Wert 10 pF hat und C 1 ursprünglich den Wert 10 pF hatte als auch wenn C 2 den Wert 500 pF hat und C 1 ursprünglich den Wert 500 pF besaß.

Eine zweite Ausführungsform des Systems ist in Fig. 2 dargestellt. Bauelemente, die den Bauelementen in Fig. 1 entsprechen, haben die gleichen Bezugszeichen. Die Schalter S 1 und S 2 sind in Reihe zwischen den Lei tungen 1 und 2 geschaltet. Wenn der Schalter S 1 die Leitung 3 mit der Leitung 1 verbindet, verbindet der Schalter S 2 den Kondensator C 2 über die Leitung 4 mit dem Kondensator C 3. Wenn der Schalter S 1 den Kondensator C 1 mit dem Kondensator C 3 verbindet, schließt der Schal ter S 2 den Kondensator C 2 kurz. Im ersten Zustand wird der Kondensator C 1 auf die Spannung +V aufgeladen, und der Kondensator C 2 wird auf die Spannung aufgeladen, die parallel zum Kondensator C 3 liegt, während im zweiten Zustand sich der Kondensator C 1 in den Kondensator C 3 entlädt und der Kondensator C 2 vollständig entladen wird.

Der Kondensator C 3 ist an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers A 4 angeschlossen, dessen anderer Eingang eine Spannung mit dem Wert +V/2 erhält, die von einem Teiler geliefert wird, der gleiche Wider stände R 3 und R 4 aufweist. Ein Rückkopplungs-Widerstand R 5 ermöglicht es dem Verstärker A 4 einen Rückkopplungs strom zu liefern, um die Spannung parallel zum Kondensa tor C 3 konstant und gleich einem Wert von +V/2 zu halten.

Im Laufe jedes Schaltungszyklus' wird der Kondensator C 1 zu Beginn auf eine Spannung von +V aufgeladen, und gleichzeitig wird der Kondensator C 2 auf eine Spannung von V/2 aufgeladen. Die Schalter S 1 und S 2 schalten dann um, und der Kondensator C 1 wird auf V/2 entladen und der Kondensator C 2 wird auf Erdpotential entladen. Wenn die Kondensatoren C 1 und C 2 die gleiche Kapazität haben, wird die Ladung, die von dem einen entladen wird, gleich der vom anderen entladenen Ladung sein, und die Ladung im Kondensator C 3 bleibt unverändert. Die Spannung parallel zum Kondensator C 3 wird somit auf einem Wert von +V/2 bleiben, es wird kein Strom durch den Rückkopplungs-Widerstand R 5 fließen, und der Ausgang des Verstärkers A 3 wird auf dem Wert +V/2 blei ben.

Wenn C 1 größer als C 2 ist, wird C 3 mit mehr Energie geladen, als über C 2 entladen wird. Der Verstärker A 4 spricht in der Weise an, daß er die Spannung parallel zu Kondensator C 3 auf dem Wert +V/2 durch eine negative Rückkopplung aufrechterhält, wobei die Ausgangsspannung des Verstärkers A 4 so abfällt, daß eine Spannungsdiffe renz V 3 zwischen dem Ausgang und dem +V/2-Eingang auf tritt.

Sollte C 2 größer als C 1 sein, dann wird C 3 mit weniger Energie von C 1 geladen als sie über den Kondensator C 1 entladen wird, und die Ausgangsspannung des Verstär kers A 4 steigt an, um eine positive Rückkopplung zu erzeugen.

Die Ausgangsspannung V 3 ist eine Funktion der Entladungs ströme von C 1 und C 2 und ist somit ein Maß für die Diffe renz der Kapazitäten zwischen den Kondensatoren C 1 und C 2.

Wenn man abtasten oder messen will, wenn sich der Wert des Kondensators C 1 ändert, wobei der Wert von C 2 festge halten ist und die Kondensatoren C 1 und C 2 zu Beginn die gleiche Kapazität haben, dann kann die der Änderung entsprechende Ausgangsspannung V 3 verwendet werden, um beispielsweise ein Relais 9 zu betätigen, um anzuzei gen, daß die Änderung erfolgt ist.

Die Schaltung gemäß Fig. 2 ist insofern wirtschaftlicher als die gemäß Fig. 1, als sie nur einen Verstärker er fordert. Dies deswegen, weil bei der Anordnung gemäß Fig. 2 die Entladeströme vor der Verstärkung ver glichen werden, während bei der Anordnung gemäß Fig. 1 der Vergleich nach der Verstärkung erfolgt.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist die Stabilität der Schaltung, wenn C 1 gleich C 2 ist, ab hängig von der Stabilität der Widerstände R 1 und R 2 bei der Anordnung gemäß Fig. 1 bzw. der Stabilität der Widerstände R 3 und R 4 bei der Anordnung gemäß Fig. 2.

Wenn diese Widerstände die gleichen Temperaturkoeffizi enten haben, werden die Schaltungen vollständig stabil sein.

Vorzugsweise sind beide Schalter S 1 und S 2 als Festkörperschalter, nämlich als CMOS-Anord nungen auf dem gleichen Siliziumchip ausgebildet. Beide Schalter werden vom selben Oszillator und in der Weise gesteuert, daß sie Umschalter mit Unterbrechung dar stellen, um Stromlecks während der Schaltungsübergänge zu eliminieren. Unter Verwendung derartiger Schalter sollte kein statisches Leck auftreten. Wenn aber ein kleines Leck vorhanden ist, hebt es sich im ausgegli chenen System auf, wobei dies für sämtliche Temperaturen gelten soll.

Wie oben bereits angegeben, haben, wenn C 1 = C 2 ist, Schwankungen oder Änderungen der Versorgungsspannung oder der Schaltfrequenz keinerlei Konsequenz. Wenn ge wünscht ist, die Größe der Differenz zwischen C 1 und C 2 zu messen, ist der Zusammenhang zwischen dem Ausgangs signal und der Größe der Differenz abhängig von der Spannung und Frequenz, jedoch können diese beiden Para meter leicht überwacht und kontrolliert werden, um eine Stabilität zu liefern, die eine Ablesung von 3 ¹/₂ Stellen (1 Teil von 2000) ermöglicht. Beispiels weise liefert ein billiger Keramikresonator eine ädaquate Frequenzstabilität für die beschriebenen Anordnungen.

Die Schaltfrequenz ist so gewählt, daß die Zeit es jedem Kondensator ermöglicht, eine vollständige Ladung und vollständige Entladung während jedes Schaltungszyklus' durchzuführen, der abwechselnd die beiden Kondensatoren mit der gleichen Spannung und mit der gleichen Frequenz lädt bzw. entlädt. Dies gewährleistet, daß jeder der beiden Ströme, die von den beiden Kondensatoren entladen werden, eine perfekte lineare Relation zur Kapazität des jeweiligen Kondensators besitzt.

Da sämtliche Messungen gegenüber Erde durchgeführt wer den, z. B. ist die eine Platte des Probenkondensators geerdet, kann es erforderlich sein, in einigen Anwendungsfällen jegliche möglichen Lecks gegenüber Erde zu verhindern, damit die hohe Genauigkeit des Systems aufrechterhalten bleibt.

Somit kann in Anwendungsfällen, wo ein Leck bei der Isolation auftreten kann, die die stromführende Platte des Probenkondensators trägt, ein Faraday'scher Käfig ver wendet werden, um sämtliche möglichen Lecks aufgrund von Kondensation oder anderen Verunreinigungen zu eli minieren. Zu diesem Zweck kann eine zusätzliche Elek trode geeigneter Gestalt - z. B. ein Schutzring - auf der Oberfläche des Isola tors angeordnet werden, so daß sie die Meßelektrode gegenüber Erde isoliert, wobei die Elektrode mit einer Spannung beaufschlagt wird, die in Größe und Phase gleich der Spannung ist, die an der Meßelektrode und dem Schutz ring anliegt, so daß kein Strom an der Oberfläche des Isolators und somit keine Fehler bei der Messung auf treten. Der Strom kann nun vom Schutzring zur Erde flie ßen, jedoch ist die Quelle dieses Stromes vollständig getrennt von der Meßschaltung.

Wie oben beschrieben, ermöglichen es die dargestellten Schaltungen, eine Kapazitätsdifferenz mit einem Grad an Genauigkeit zu messen, der sich bislang nicht er reichen ließ. Wenn es beispielsweise erforderlich ist, eine Zunahme von etwa 5 pF bei einer Kapazität von z. B. 500 pF zu messen, kann eine herkömmliche genaue Präzi sionsbrücke verwendet werden, die auf der 10 000 pF-Skala ein Auflösungsvermögen von 0,1% oder 0,01% hat, so daß man 10 pF im ersten Falle oder 1 pF im zweite Falle unterscheiden kann. Eine Brücke ist aber nur in der Lage, die Zunahme oder das Inkrement in der Gesamtskala aufzulösen und liefert eine Verhältnis-Messung.

Die beschriebenen Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind lineare Anordnungen, keine Verhältnis-Anordnungen. Die lineare Anordnung subtrahiert 4995 pF und mißt die übrigen 5 pF mit einer Genauigkeit von beispiels weise vier Stellen. Somit ist es möglich, beispielsweise 0,001 pF zu messen. Wie oben bereits erläutert, ist die Subtraktion von 4995 pF unbegrenzt stabil. Nur das Inkrement von 5 pF unterliegt dem Erfordernis einer stabilen Spannung und Frequenz, und diese können mit abzeptabler Genauigkeit stabilisiert werden.

Wenn die Schaltung als Meßinstrument eingesetzt wird, erhöht die Abhängigkeit von der Frequenz die Flexibili tät der Anordnung und ermöglicht eine genaue Eichung bei niedrigen Kapazitätswerten von bekannten Standards hoher Werte.

Die Grundfrequenz der Anordnung kann mit einem Quarz kristall oder einem Keramikresonator fixiert werden, und die Frequenz kann auf irgendein Unter-Vielfaches der Grundfrequenz umgeschaltet werden. Wenn somit die Anordnung eine Teilung derart hat, daß der volle Skalenaus schlag beispielsweise 5000 pF beträgt, wenn die Schal ter mit einer Frequenz F betrieben werden, dann wird sich bei F × 10 ein voller Skalenausschlag von 500 pF und bei F × 100 ein voller Skalenausschlag von 50 pF ergeben. Der Strom, der aus der Entladung von beiden Kondensatoren fließt ist exakt proportional zur Zeit, die sie geladen und entladen werden.

Die oben beschriebenen Schaltungen können bei Kapazitäts anordnungen verwendet werden, um den Pegel zu messen, der von einem flüssigen oder granulatförmigen Material erreicht wird. Beispielsweise kann ein Paar von im Ab stand angeordneten Platten oder Stangen eine horizontale Sonde in einer Höhe bilden, von der man wissen will, wenn das flüssige oder granulatförmige Material sie erreicht hat. Die Kapazität der Sonde ändert sich, wenn sie von einem Material mit einer anderen Dielektrizi tätskonstate als Luft berührt wird. Die Sonde und ein Verbindungs-Koaxialkabel bilden den Probenkondensator C 1, der überwacht werden soll, und ein fester Konden sator und/oder ein Doppelkabel bilden den Referenzkon densator C 2. Die Zuwachsänderung wird die Änderung der Kapazität des Kondensators C 1 aufgrund des die Sonde berührenden Materials sein, und dieses Inkrement kann das Ansprechen eines Relais 9 hervorrufen.

Wenn die Sonde im wesentlichen vertikal in einem Behäl ter angeordnet ist, wird die Kapazität des Kondensators C 1 linear zunehmen, wenn das Material in dem Behälter bis zur Sonde hochsteigt. Die Kapazität der Sonde und des Verbindungskabels, wenn sich das Material auf dem niedrigsten Pegel im Behälter befindet, wird durch die Kapazität des Kondensators C 2 ausgeglichen, der ein fester Kondensator und/oder Doppelkabel ist. Das Inkre ment oder der Zuwachs ist nun die Differenz zwischen C 1 und C 2, die durch das Material hervorgerufen wird, das vom Bodenpegel, wo C 1 = C 2 ist, zum oberen Pegel ansteigt, wo C 1 größer als C 2 ist.

Das System kann bei der Messung veränderlicher physi kalischer Größe verwendet werden, z. B. bei Druck, Be lastung, Zug, Gewicht oder Relativstellungen, bei denen eine Änderung einer charakteristischen Größe eine pro portionale relative Bewegung von einer Platte eines Kondensators relativ zur anderen Platte bewirkt, welche fest sein kann. Die Kapazität von C 2 wird so ausgelegt, daß sie gleich der von C 1 ist, wenn die Kondensator platten sich in einer Ausgangsposition befinden. C 2 kann ein fester Kondensator sein, wird jedoch eine voll ständige Duplizierung der Anordnung von C 1 sein, so daß irgendwelche Effekte von Umgebungsänderungen ausge glichen werden. Das zu messende Inkrement ist nun die sich ändernde Kapazität aufgrund der sich ändernden Position einer Kondensatorplatte im Verhältnis zur an deren Kondensatorplatte.

Das System kann auch verwendet werden, um die Dielektri zitätskonstanten von zwei Substanzen zu vergleichen. Bei einer derartigen Anordnung besteht die Kapazität C 1 aus einem ersten Kondensator und die Kapazität C 2 aus einem zweiten Kondensator von im wesentlichen iden tischem Aufbau. Wenn sich nur Luft zwischen den Platten der Kondensatoren befindet, ist die Kapazität des Konden sators C 1 gleich der Kapazität des Kondensators C 2. Wenn dann Substanzen zwischen die Platten der jeweili gen Kondensatoren eingebracht werden, z. B. durch Ein tauchen der Kondensatoren in die Substanzen, sind irgend welche resultierenden Differenzen, die zwischen C 1 und C 2 beobachtet werden, eine Funktion der Differenz der Dielektrizitätskonstanten dieser Substanzen. Dies kann bei der Prüfung der Reinheit oder einer Qualitätskon trolle der Substanzen verwendet werden. Die Referenz substanz der gewünschten Reinheit oder Qualität wird zwischen den Platten des zweiten Kondensators angeordnet, und eine Probe der Substanz, deren Reinheit oder Quali tät untersucht werden soll, wird zwischen den Platten des ersten Kondensators angeordnet. Wenn die beiden Substanzen von gleicher Reinheit oder Qualität sind, sind ihre Dielektrizitätskonstanten gleich und C 1 und C 2 haben gleiche Werte, sonst aber nicht. Beispielsweise kann eine derartige Technik verwendet werden, um festzustellen, ob Flugzeugtreibstoff z. B. mit Wasser verunreinigt worden ist, wenn man den zwei ten Kondensator in eine Probe von reinem Treibstoff eintaucht.

Die Schaltungen gemäß Fig. 1 oder 2 können in einem Meßinstrument zu Testzwecken oder zur Benutzung im Labor verwendet werden. Zu Beginn werden lange Koaxialkabel an die Anschlüsse des Instrumentes angeschlossen, um die Kapazitäten C 1 und C 2 zu bilden, die auf gleiche Werte gebracht werden, indem man geeignete Kabellängen verwendet. Dann wird eine Kapazität, die gemessen wer den soll, parallel zu C 1 geschaltet und die resultie rende Zunahme der Kapazität gemessen.

Nachstehend wird, unter Bezugnahme auf Fig. 3 eine abge wandelte Ausführungsform der Schaltung gemäß Fig. 1 beschrieben. Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 enthält Zusätze zur Basisschaltung gemäß Fig. 1, um bestimmten Anwendungsfällen Rechnung zu tragen. Bei der Messung der Dielektrizitätskonstanten von bestimmten Flüssig keiten oder Festkörpern ist es wünschenswert, wenn man in der Lage ist, jeglichen Fehler aufgrund einer Wider standskomponente auszuscheiden, die auf einem Schaltungs leck oder irgendeiner leichten Leitfähigkeit der in Prüfung befindlichen Substanz beruhen kann.

Die Schaltung gemäß Fig. 1 ist besonders geeignet, die sem Erfordernis zu genügen. Der Probenkondensator C 1 wird auf eine feste Spannungsquelle umgeschaltet und auf diese Spannung vollständig aufgela den. Er wird somit auf dieser Spannung von der Span nungsquelle gehalten, unabhängig von irgendeinem Leck widerstand, der in Fig. 3 schematisch mit Rx bezeich net ist. Er wird dann von der Spannungsquelle auf den Speicherkondensator C 3 umgeschaltet, und der resultie rende Rückkopplungsstrom ist gleich der im Kondensator C 1 gespeicherten Energie.

In der Praxis ist jedoch der Schalter ein Festkörperschalter, der sich nicht von einem Null-Widerstand auf einen Widerstand mit unbegrenztem Wert ändert; in Wirklichkeit erfolgt eine Änderung von einigen hundert Ohm auf einige Megohm. Wenn infolgedessen irgendein Leckstrom aufgrund eines Leckwiderstandes Rx auftritt, wird ein kleiner Potentialabfall am Schalter in geschlossenem Zustand auftreten. Der Kondensator C 1 wird somit auf ein kleineres Potential als die erforder liche feste Spannung aufgeladen.

Die Schaltung gemäß Fig. 3, die nur die eine Hälfte einer vollständigen Schaltung zeigt, wie sich im Ver gleich mit Fig. 1 ergibt, ist dahingehend modifiziert, daß sie die Ladungsspannung des Kondensators auf einem konstanten Wert hält, indem man die an den Schalter angelegte Spannung einstellt. Dies wird er reicht, indem man zwei Spitzengleichrichter verwendet, von denen nur einer in Fig. 3 dargestellt ist. Die Spit zengleichrichter messen die Spitzenladungsspannung in den Kondensatoren C 1 und C 2 und sind an zwei Operations verstärker angeschlossen, die die Spitzenspannungen in den jeweiligen Kondensatoren mit einer festen Refe renzspannung vergleichen. Diese Verstärker liefern die Schalterspannungen und halten die Kondensator-Ladespan nung konstant, unabhängig vom Schalterwiderstand.

Fig. 3 zeigt diese zusätzliche Ausführungsform gemäß der Erfindung. Der Deutlichkeit halber ist nur die eine Hälfte der vollständigen Schaltung dargestellt, während die andere Hälfte identisch aufgebaut ist und auch den Verstärker A 3 und die Überwachungseinheit 9 gemäß Fig. 1 enthält.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 3 bezeichnen gleiche Bezugs zeichen wie in Fig. 1 und 2 identische Baugruppen. Es ist ein weiterer Schalter S 3 vorgesehen, der synchron mit dem Schalter S 1 betrieben wird, so daß dann, wenn die Leitung 3 über den Schalter S 1 an die Leitung 14 angeschlossen ist, die Leitung 3 auch über die Leitung 10 mit der Leitung 12 verbunden und somit an den inver tierenden Eingang eines Verstärkers A 4 über den Wider stand R 3 angeschlossen ist. Diese Konfiguration der Schaltung bildet eine Spannung auf der Leitung 3 wäh rend der Ladungsperiode aus, die gleich der Spannung auf der Leitung 13 ist, wobei letztere an eine feste Referenzspannung angeschlossen ist. Welchen Serienwi derstand der Schalter S 1 zum Kondensator C 1 mit einem parallel dazu liegenden Leckwiderstand Rx auch haben mag, der Verstärker A 4 stellt die Spannung auf der Lei tung 14 so ein, daß der Spannungsabfall parallel zur Widerstandskomponente von S 1 kompensiert wird, was dazu führt, daß die Spannung, auf welche der Kondensator C 1 aufgeladen wird, gleich der Referenzspannung auf der Leitung 13 ist.

Der Widerstand des Schalters S 3 ist von geringer Be deutung, da der Eingangsstrom zum Ver stärker A 4 über den Widerstand R 3 vernachlässigbar ist. Das parallel zum Verstärker A 4 geschaltete Bauelement C 5 gewährleistet eine Schaltungsstabilität und wirkt auch als Integrationskondensator, um die Spannungen auf den Leitungen 12 und 14 sehr dicht bei ihren Nor malwerten zu halten, wenn der Kondensator C 1 über die Leitungen 3 bzw. 5 sowie den Schalter S 1 zusammen mit den Leitungen 10 und 11 um den Schalter S 3 zum Konden sator C 3 und dem Meßverstärker A 1 entladen wird.

Claims

1. Verfahren zum Messen der Kapazität eines Probenkondensators durch Vergleich des zum Auf-/Entladen des Probenkondensators benötigten Stroms mit dem Strom, der zum Auf-/Entladen eines Referenzkondensators benötigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die im Probenkondensator gespeicherte Ladung und die im Referenzkondensator gespeicherte Ladung entweder nacheinander auf einen Speicherkondensator oder gleichzeitig auf jeweils einen Speicherkondensator übertragen werden, daß die in dem Speicher kondensator bzw. den Speicherkondensatoren gespeicherte Ladung durch Einspeisen von Strömen weitgehend konstant gehalten wird und daß die zum Konstanthalten benötigten Ströme aus der Rückkopplungsschaltung gemessen und miteinander verglichen werden.

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach An spruch 1 mit einem Referenzkondensator, mit einer Schalteran ordnung zum abwechselnden Laden und Entladen des Probenkon densators und des Referenzkondensators mit gleicher Takt rate, wobei das Laden des Probenkondensators entweder mit dem Laden oder dem Entladen des Referenzkondensators synchronisiert ist, und mit einer Vergleichseinrichtung zum Vergleichen der Lade-/Entlade-Ströme des Probenkon densators und des Referenzkondensators, um eine Messung der Differenz zwischen den Kapazitäten des Referenzkon densators und des Probenkondensators vorzunehmen, wobei der Probenkondensator und der Referenzkondensator von einer gemeinsamen Spannungsquelle geladen werden, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vergleichseinrichtung mindestens einen Speicher kondensator (C ₃; C ₃, C ₄) aufweist,
daß die Schalteranordnung (S ₁, S ₂; S ₁, S ₃) den Probenkon densator (C ₁) und den Referenzkondensator (C ₂) entweder nacheinander dem einen Speicherkondensator (C ₃) parallel schaltet oder gleichzeitig zu jeweils einem Speicherkon densator (C ₃, C ₄) abwechselnd parallel schaltet und ab koppelt,
daß eine Rückkopplungsschaltung (A ₁/R ₁, A ₂/R ₂; A ₄/R ₅) vor gesehen ist, um die von dem mindestens einen Speicherkon densator (C ₃; C ₃, C ₄) gespeicherte Ladung (Q ₁; Q ₂) durch Einspeisen von Strömen (I ₁, I ₂) im wesentlichen konstant zu halten und
daß eine Überwachungseinrichtung (A ₃, 9) vorgesehen ist, in der die zum Konstanthalten der Ladung der Speicherkon densatoren benötigten Ströme (I ₁, I ₂) aus der Rückkopp lungsschaltung gemessen und verglichen werden.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteranordnung zwei Festkörperschalter (S ₁, S ₂) aufweist, die vom Ausgangssignal eines Oszillators gesteuert sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Schalter (S ₁) in Reihe mit dem Probenkonden sator (C ₁) parallel zur gemeinsamen Spannungsquelle (+V) geschaltet ist, daß der andere Schalter (S ₂) in Reihe mit dem Referenzkondensator (C ₂) parallel zur gemeinsamen Spannungsquelle (+V) geschaltet ist, daß eine Steuerein richtung die Schalter (S ₁, S ₂) steuert, um ihre jeweili gen Kondensatoren (C ₁, C ₂) von der gemeinsamen Spannungs quelle (+V) gleichzeitig aufzuladen und sie dann in die jeweiligen Speicherkondensatoren (C ₃, C ₄) zu entladen, wobei die Kapazitäten der Speicherkondensatoren (C ₃, C ₄) größer sind als die Kapazitäten des Probenkondensators (C ₁) und des Referenzkondensators (C ₂) und wobei die den Speicherkondensatoren (C ₃, C ₄) zugeführten Rückkopplungs ströme (I ₁, I ₂) von den jeweiligen Rückkopplungsschaltun gen (R ₁, R ₂) verglichen werden, indem sie die Spannungen parallel zu den Speicherkondensatoren (C ₃, C ₄) konstant halten.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schalter (S ₁, S ₂) in Reihe parallel zur gemeinsamen Spannungsquelle (+V) geschaltet sind, daß eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Schalter (S ₁, S ₂) vorgesehen ist, um erst den einen Kondensator (C ₁) parallel zur gemeinsamen Spannungsquelle (+V) und den anderen Kondensator (C ₂) parallel zu einem Speicher kondensator (C ₃) zu schalten, wobei eine von der gemein samen Spannungsquelle (+V) versorgte Rückkopplungsschal tung (A ₄, R ₅) vorgesehen ist, um die Spannung über dem Speicherkondensator (C ₃) auf einer festen Spannung propor tional zu der gemeinsamen Spannungsquelle (+V) zu halten und um dann den einen Kondensator (C ₁) parallel zum Spei cherkondensator (C ₃) zu schalten und den anderen Konden sator (C ₂) vollständig zu entladen.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz der Schalteranordnung (S ₁, S ₂) ei nen solchen Wert hat, daß der Probenkondensator (C ₁) und der Referenzkondensator (C ₂) vollständig geladen und dann im Laufe jedes Schaltzyklus vollständig entladen werden.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie aufweist eine Meßeinrichtung zum Messen der Spitzenladungsspannung im Probenkondensator (C ₁) und im Referenzkondensator (C ₂), eine Vergleichseinrichtung zum Vergleich der gemessenen Spitzenladungsspannungen mit einer festen Referenzspannung und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der an die Schalteranordnung (S ₁, S ₂) an gelegten Spannungen, um die Spitzenladungsspannungen un abhängig von Widerständen der Schalteranordnungen (S ₁, S ₂) konstant zu halten.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenkondensator (C ₁) eine Meßplatte umfaßt, die gegenüber Erde durch einen Faradayschen Käfig, bestehend aus einer Scheibe oder einem Ring isoliert ist, und daß die Scheibe oder der Ring über eine Spannungsquelle gerin ger Impedanz, die von der Meßschaltung isoliert ist, mit einer Spannung versorgt wird, welche die gleiche Amplitude und Phase aufweist wie die am Probenkondensator (C ₁) an liegende Spannung.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktrate der Schalteranordnung (S ₁, S ₂) durch ei nen Keramikresonator stabilisiert ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (S ₁, S ₂) einen CMOS-Bilateralschalter umfassen, der so ausgebildet ist, daß beide Schalter auf demselben Siliziumchip angeordnet sind, während der Oszillator und die ihm zugeordneten Schaltungen so aus gebildet sind, daß bei beiden Schaltern zwischen dem Auf trennen der alten Verbindung und dem Schließen der neuen Ver bindung eine merkliche Zeit vergeht, um Leckströme beim Schaltübergang zu eliminieren.