DE4103433A1 - Messschaltung fuer kleine kapazitaeten - Google Patents
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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.
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.
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 Uo(t), deren
Wellenform bei Fig. 1 aufgetragen ist.
Die Kurve der Spannung Uo(t) setzt sich aus Teilen des
Kondensators C und der Entlade- und Ladekurven der zu diesem
parallelgeschalteten Streukapazität CH zusammen, deren Zeit
konstante to = 1/R (C+CH). Von den Ausgangspolen 18 der Oszil
latorschaltung nach Fig. 1 ist eine rechtwinklige Welle U1(t)
erhältlich, deren Frequenz fo = 1/T eine Funktion der in der
Schaltung zwischen Eingangspol 16 der Oszillatorschaltung und
Erde vorhandenen Kapazität C+CH ist.
Wie aus dem vorher gesagten deutlich wird, wirken die
Streukapazitäten CH direkt auf die Ausgangsfrequenz fo 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 fo = F(CM) der zu messenden Kapa
zität CM 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 Rin≈∞ und sein Aus
gangswiderstand Rout≈0. Dabei ergibt sich als Ausgangsspan
nung des Spannungsbeobachters U2 = Uo.
Nach Fig. 2 ist die Kapazität C₁ zwischen Erde und
Eingangspol 16 des Inverters 10 geschaltet, wobei die Aus
gangsfrequenz des Meßoszillators Fo = 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 =
Uo 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 (8)
1. Schaltung zum Messen von kleinen Kapazitäten (C1,
C2, C3), bestehend aus einem Oszillator, wie LC- oder RC-Os
zillator, dessen Ausgangsfrequenz (fo) 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.
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.
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