DE4103433A1

DE4103433A1 - Messschaltung fuer kleine kapazitaeten

Info

Publication number: DE4103433A1
Application number: DE4103433A
Authority: DE
Inventors: Jorma Ponkala
Original assignee: Vaisala Oy
Current assignee: Vaisala Oy
Priority date: 1990-02-07
Filing date: 1991-02-05
Publication date: 1991-08-08
Also published as: IT1245137B; GB9101869D0; BR9100486A; ITMI910300A1; FI900592A0; AU6949191A; CA2035909A1; FI84666C; FI84666B; FI900592A; ITMI910300A0; FR2657963A1; ZA91506B; GB2242279A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Messen von kleinen Kapazitäten, bestehend aus einem Oszillator, wie LC- oder RC-Oszillator, dessen Ausgangsfrequenz eine Funktion der zwischen Eingangspol des Oszillators und Erde zu schaltenden zu messenden Kapazität ist, und an dessen Eingangspol abwech selnd zu messende Kapazitäten geschaltet werden.

Es sind mehrere verschiedene Oszillatorschaltungen be kannt, die einen LC- oder RC-Kreis beinhalten, der die Fre quenz beeinflußt. Diese Oszillatorschaltungen werden in an sich bekannter Weise zur Kapazitätsmessung verwendet, weil aus der Oszillatorfrequenz unter Verwendung der Berechnungs formeln der jeweiligen Oszillatorschaltung die Kapazität bestimmt werden kann, wenn die Werte der übrigen Komponenten der Schaltung bekannt sind.

Außerdem sind verschiedene LC- und RC-Oszillatoren be kannt, bei denen ein Pol der Kapazität C an Erde gelegt ist. Bei der Messung von kleinen Kapazitäten mit letztgenannten Schaltungen besteht jedoch ein Nachteil und Problem darin, daß sich verschiedene unbeherrschte Streukapazitäten mit der genannten Kapazität C des Meßoszillators parallelschalten, worunter die Meßgenauigkeit leidet. Diese Probleme werden umso größer je kleiner die zu messenden Kapazitäten werden.

Das Messen kleiner Kapazitäten ist ziemlich verbreitet in der Gebertechnik und Telemetrik, wie z. B. in Radiosonden, in denen zum Messen von meteorologischen Größen verschiedene kapazitive Geber verwendet werden, deren Kapazität verhält nismäßig klein ist und typischerweise im Bereich 1-100 pF liegt. Hinsichtlich dieser bekannten Meßverfahren und Schal tungen wird auf folgende Patente der Anmelderin hingewiesen:
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im vorstehenden genannten Nachteile zu vermeiden und eine Meßoszillatorschaltung zu schaffen, die sich gut zur Messung von kleinen Kapazitäten und auch für solche Meßanordnungen eignet, in denen ein Wechselschalter verwendet wird, mit dem verschiedene Geberkapazitäten und Referenzkapazitäten der Reihe nach in geeigneter Meßsequenz an den Eingang eines Meßoszillators geschaltet werden.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, einen Meß oszillator zu schaffen, mit dem kleine Kapazitäten, vorzugs weise in der Größenordnung 0-100 pF, genauer als bisher ohne störenden Einfluß von Streukapazitäten und dergleichen gemes sen werden können.

Eine spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung be steht darin, eine Meßschaltung zu schaffen, die sich zur Verwendung in Radiosonden an meteorologischen Größen messen den kapazitiven Gebern eignet.

Um die im vorstehenden erwähnten und weiter unten deut lich werdenden Ziele zu erreichen, ist für die Erfindung im wesentlichen charakteristisch,
daß die hinsichtlich der zur Messung zwischen Oszillatorein gangspol und Erde zu schaltenden Kapazität übrigen zu messen den Kapazitäten mit dem einen Pol an eine gemeinsame Leitung für die zu messenden Kapazitäten und mit dem anderen Pol an den Ausgang eines Spannungsbeobachters geschaltet werden,
daß der Eingang des genannten Spannungsbeobachters an den Eingangspol der Oszillatorschaltung geschaltet ist, und
daß als genannter Spannungsbeobachter ein Operationsverstär ker dient, dessen Ausgang an seinen invertierenden Eingang geschaltet ist, an den Kapazitäten, die zur Messung nicht an der Reihe sind, geschaltet sind derart, daß an deren Polen keine Spannungsdifferenzen und somit auch keine Ladeströme auftreten.

Wenn erfindungsgemäß der Eingang des Spannungsbeobach ters, zweckmäßig der Eingang eines Operationsverstärkers, an die Pole derjenigen Kapazitäten geschaltet wird, die zur Messung nicht an der Reihe sind, sind die Gegenpole dieser Kapazitäten potentialgleich, so daß in der Schaltung keine Ladeströme der betreffenden Kapazitäten auftreten, die die Ausgangsfrequenz des Meßoszillators beeinflussen würden. In der Schaltung können im Rahmen der Eigenschaften des als Span nungsbeobachter dienen Operationsverstärkers oder einer ähn lichen Vorrichtung verschiedene Streukapazitäten und DC-Leck ströme auftreten.

Bei der Anwendung der Erfindung können auch auf der Seite der gemeinsamen Leitung zwischen den zu messenden Kapa zitäten und dem Eingang des Meßoszillators Streukapazitäten auftreten. Die Wirkung dieser Streukapazitäten kann elimi niert werden, indem diese Leitung mit einem Schutzmantel ver versehen wird, der an den Ausgang des Spannungsbeobachters gelegt wird. Hinsichtlich des genannten Schutzes können im übrigen die Prinzipien angewandt werden, die in der FI-Patent anmeldung Nr. beschrieben sind.

Die erfindungsgemäße Schaltung ist im allgemeinen am vorteilhaftesten, wenn als Meßoszillator ein Sinusoszillator dient, weil dann der Geschwindigkeitsanspruch des Spannungs beobachters am geringsten ist. Der Verstärker des Spannungs beobachters muß ausreichend verstärken, weil die Amplitude sonst im Ausgang kleiner bleibt als im Eingang und dabei die Streukapazitäten beginnen, die Meßgenauigkeit nachteilig zu beeinflussen.

Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf eini ge in den Figuren der beigefügten Zeichnung gezeigte Ausfüh rungsbeispiele, auf deren Einzelheiten die Erfindung jedoch in keiner Weise begrenzt ist, ausführlich beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Oszillatorschaltung vom Stand der Technik, die Ausgangspunkt der Erfindung ist.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Meßoszillator schaltung, mit der drei kleine Kapazitäten gemessen werden, die der Reihe nach an den Eingang des Meßoszillators geschaltet werden.

In Fig. 1 ist ein an sich bekannter RC-Oszillator gezeigt, in dem ein Inverter 10 mit Hysteresecharakter ver wendet wird. Hinsichtlich dieser Schaltung und deren Anwen dung zur Messung von kleinen Kapazitäten und bezüglich der Sondentelemetrie wird auf die FI- Patentschriften Nr. 54 664 und 57 319 sowie die US-Patentschriften Nr. 42 95 090 und 42 95 091 der Anmelderin hingewiesen. Im Eingangspol 16 des Oszillators nach Fig. 1 und somit in den C-Polen des Kondensa tors wirkt hinsichtlich der Erde eine Spannung U_o(t), deren Wellenform bei Fig. 1 aufgetragen ist.

Die Kurve der Spannung U_o(t) setzt sich aus Teilen des Kondensators C und der Entlade- und Ladekurven der zu diesem parallelgeschalteten Streukapazität C_H zusammen, deren Zeit konstante t_o = 1/R (C+C_H). Von den Ausgangspolen 18 der Oszil latorschaltung nach Fig. 1 ist eine rechtwinklige Welle U₁(t) erhältlich, deren Frequenz f_o = 1/T eine Funktion der in der Schaltung zwischen Eingangspol 16 der Oszillatorschaltung und Erde vorhandenen Kapazität C+C_H ist.

Wie aus dem vorher gesagten deutlich wird, wirken die Streukapazitäten C_H direkt auf die Ausgangsfrequenz f_o der Oszillatorschaltung, was die Meßgenauigkeit der Messung klei ner Kapazitäten verdirbt. Diese Probleme werden noch deutli cher, wenn an der Eingangsseite der Schaltung nach Fig. 1 ein an sich bekannter Wechselschalter angebracht wird, über den einzelne kapazitive Geber und Referenzkapazitäten der Reihe nach an einen Meßoszillator geschaltet werden, dessen Aus gangsfrequenz eine Funktion f_o = F(C_M) der zu messenden Kapa zität C_M ist.

In Fig. 2 ist ein Beispiel der erfindungsgemäßen Meß schaltung dargestellt, mit der die beschriebenen Probleme gelöst werden.

Die Schaltung nach Fig. 2 besteht aus den Kapazitäten C₁, C₂ und C₃, von denen z. B. C₁ eine genau bekannte Referenz kapazität ist und C₂ sowie C₃ zu messende Kapazitäten sind, z. B. Druck (P), Temperatur (T) und/oder relative Feuchte (U) messende Geber einer Radiosonde. Die einen Pole der Kapazitä ten C₁, C₂ und C₃ sind zusammengeschaltet und gemeinsam über die Leitung 19 weiter an den Eingangspol 16 des Inverters 10 gelegt. Die entgegengesetzten Pole der Kapazitäten C₁, C₂ und C₃ sind an die Schalter 11, 12 und 13 gelegt. Die genannten Schalter 11, 12 und 13 sind Zweilagenschalter, wobei die Kapazitäten C1, C₂ und C₃ in der einen Lage über einen Kon takt 15 an Erde und die Kapazitäten C₁, C₂ und C₃ in der anderen Lage an die Leitung 21 oder einen Kontakt geschaltet werden, der an den Ausgangspol des als Spannungsbeobachter dienenden Operationsverstärkers 20 gelegt ist. Der +Pol des Eingangs des Spannungsbeobachters 20 ist an den Eingangspol 16 des Inverters 10 gelegt.

Gemäß der an sich bekannten Schaltungsweise des Span nungsbeobachters ist der Ausgang des Operationsverstärkers 20 an den Pol dessen Eingangs geschaltet, was durch die Leitung 22 dargestellt wird. Zu den Eigenschaften des Spannungsbeob achters und dessen Operationsverstärkers 20 oder einer ande ren ähnlichen Komponente gehört, daß im Idealfall der Ein gangswiderstand des Spannungsbeobachters R_in≈∞ und sein Aus gangswiderstand R_out≈0. Dabei ergibt sich als Ausgangsspan nung des Spannungsbeobachters U₂ = U_o.

Nach Fig. 2 ist die Kapazität C₁ zwischen Erde und Eingangspol 16 des Inverters 10 geschaltet, wobei die Aus gangsfrequenz des Meßoszillators F_o = F(C₁) ist. Die Kapazi täten C₂ und C₃ sind über die Leitungen 14 und 21 an den Aus gang des Spannungsbeobachters 20 gelegt, wo die Spannung U₂ = U_o herrscht. Damit treten in den Polen der Kapazitäten C₂ und C₃ überhaupt keine Spannungsdifferenzen und somit auch keine Ladeströme auf.

Die Schalter 11, 12 und 13 werden von der Steuerungsein heit 17 gesteuert derart, daß die einen Pole der Kapazitäten C₁, C₂ und C₃ der Reihe nach an Erde geschaltet werden und demzufolge auf den Eingang des Meßoszillators wirken, in welcher Phase die übrigen Kapazitäten zwischen den +Pol des Eingangs und den Ausgang des Spannungsbeobachters 20 geschal tet sind.

Streukapazität kann auch auf der Seite der gemeinsamen Leitung 19 der zu messenden Kapazitäten C₁, C₂, C₃ auftreten. Die Wirkungen dieser Streukapazitäten können vermieden wer den, indem die Leitung 19 mit Schutzmantel 19a versehen wird, der über eine Leitung 23 an den Ausgang des Spannungsbeobach ters gelegt wird.

Die Erfindung wurde im vorstehenden nur anhand einer Ausführung beschrieben, in der ein RC-Oszillator verwendet wird. Im Rahmen der Erfindung kann jedoch jede beliebige geeignete an sich bekannte Oszillatorschaltung, wie z. B. LC- Oszillator, verwendet werden, der wegen der von ihm gelie ferten guten Sinuswelle vorteilhaft ist.

Claims

1. Schaltung zum Messen von kleinen Kapazitäten (C₁, C₂, C₃), bestehend aus einem Oszillator, wie LC- oder RC-Os zillator, dessen Ausgangsfrequenz (f_o) eine Funktion der zwi schen Eingangspol (16) des Oszillators und Erde zu schalten den zu messenden Kapazität ist, und an dessen Eingangspol (16) abwechselnd zu messende Kapazitäten (C₁, C₂, C₃) geschal tet werden, dadurch gekennzeichnet,
daß die hinsichtlich der zur Messung zwischen Oszillatorein gangspol (16) und Erde zu schaltenden Kapazität übrigen zu messenden Kapazitäten mit dem einen Pol an eine gemeinsame Leitung (19) für die zu messenden Kapazitäten (C₁, C₂, C₃) und mit dem anderen Pol an den Ausgang eines Spannungsbeobach ters geschaltet werden,
daß der Eingang des genannten Spannungsbeobachters an den Eingangspol (16) der Oszillatorschaltung geschaltet ist, und
daß als genannter Spannungsbeobachter ein Operationsverstär ker (20) dient, dessen Ausgang an seinen invertierenden Ein gang geschaltet ist, an den Kapazitäten (C₂, C₃), die zur Messung nicht an der Reihe sind, geschaltet sind derart, daß an deren Polen keine Spannungsdifferenzen und somit auch keine Ladeströme auftreten.

2. Meßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die eine Elektrode der zu messenden Kapazität (C₁) für die Dauer der Messung über einen Schalter (11) an Erde (15) geschaltet ist.

3. Meßschaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß in der Meßoszillatorschaltung ein invertieren der Verstärker (10) mit Hysteresecharakter verwendet wird, der über einen Widerstand (R) rückgekoppelt ist.

4. Meßschaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß als Meßoszillator ein Sinusoszillator dient.

5. Meßschaltung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die gemeinsame Leitung (19) der zu messenden Kapazitäten (C₁, C₂, C₃) mit Schutz (19a), wie zum Beispiel Schutzmantel, ausgerüstet ist, der an den Ausgang des Span nungsbeobachters (20) gelegt ist.

6. Meßschaltung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Meßschaltung zwei oder mehr zu messende Kapazitäten (C₁, C₂, C₃) umfaßt, von denen wenigstens eine eine Referenzkapazität ist und die übrigen zu messende Geber kapazitäten sind.

7. Meßschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß die zu messenden Kapazitäten kapazitive Geber sind, die die meteorologischen Größen einer Radiosonde, wie Druck (P), Temperatur (T) und/oder relative Feuchte (U) messen.

8. Meßschaltung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die zu messenden Kapazitäten in der Größenord nung von 0-100 pF liegen.