DE970798C

DE970798C - Anordnung zur Messung von vorzugsweise sehr kleinen Kapazitaeten bzw. Kapazitaetsaenderungen

Info

Publication number: DE970798C
Application number: DESCH12562A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Rolf Scheunert
Original assignee: ROLF SCHEUNERT DR ING
Current assignee: ROLF SCHEUNERT DR ING
Priority date: 1953-05-16
Filing date: 1953-05-16
Publication date: 1958-10-30

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von vorzugsweise sehr kleinen Kapazitäten bzw. Kapazitätsänderungen unter Verwendung eines Oszillators für eine feste Vergleichsfrequenz und eines Oszillators mit einer veränderbaren, durch das Meßobjekt mitbestimmten Frequenz, einer Mischstufe und einer Diskriminatorschaltung mit Spannungsmesser als Anzeigemittel. Es wird hierbei die Schwebungsmethode angewendet.

Ordnet man eine zu messende Kapazität im Schwingkreis eines Oszillators an, dessen Schwingung mit der Schwingung eines Oszillators mit fester Frequenzeinstellung überlagert wird, so erfolgt üblicherweise die Kapazitätsmessung dadurch, daß zu Beginn der Vergleichsoszillator auf die Frequenz des Untersuchungsoszillators abgeglichen •wird, z. B. durch Einstellung der Schwebungsfrequenz Null mittels Kopfhörer. Nach Erreichung der zu messenden Kapazitätsänderung hat sich die ao Frequenz des Untersuchungsoszillators entsprechend geändert. Es wird nun mit dem Kondensator im Schwingkreis des Vergleichsoszillators dessen Frequenz so weit nachgestellt, daß wieder die Schwebungsfrequenz Null entsteht. Die hierzu notwendige Änderung dieses Meßkondensators ist gleich der zu messenden Kapazitätsänderung des zu untersuchenden Kondensators.

Die bekannte Methode hat erhebliche Nachteile. Zunächst bereitet die Einstellung der Schwebungsfrequenz Null gewisse Schwierigkeiten, die eine ziemliche Übung voraussetzen. Außerdem ist es

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dabei nicht möglich, eine zeitliche Änderung des zu untersuchenden Wertes ständig messend zu verfolgen.

Auch mit anderen bekannten Verfahren war es bislang nicht möglidh, mit einfachen Mitteln eine lineare Anzeige von Kapazitäten bzw. Kapazitätsänderungen zu erreichen.

Die bekannte unmittelbare Erfassung der Kapazitätsänderung durch eine Messung des Stromes im ίο Anodenkreis einer Röhre bzw. in einem Schwingkreis kann nicht zu einem Erfolg führen, da diese Stromänderung grundsätzlich nicht proportional der Kapazitätsänderung ist.

Es ist des weiteren eine Schaltungsanordnung bekanntgeworden, die zwei Oszillatorkreise enthält, die so gegeneinander verstimmt sind, daß die Sdhwebung im Hochfrequenzgebiet liegt. Die Schwebung wird gleichgerichtet, die Scihwebungswelle herausgesiebt und einem Hochfrequenzverstärker zugeführt. Nach Verstärkung wird sie über einem Gleichrichter einem Oszillographen zugeführt. Die Beziehung zwischen Stromstärke und Frequenz ist hierbei jedodh keine lineare. Außerdem erfolgt auch keine direkte Anzeige zur Kapazitätsänderung, sondern lediglich die graphische Aufzeichnung eines akustischen Spektrums. Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Anordnung aufzubauein, mit der es möglich ist, die Änderung der zu untersuchenden Größe stets direkt an einem anzeigenden Meßinstrument zu verfolgen.

Während jedoch bei bekannten Anordnungen die Diskriminatoranordnung in Verbindung mit dem Spannungsmesser lediglich zur Nullanzeige dient, ist erfindungsgemäß der Aufbau so zu treffen, daß die Mischfrequenz im gesamten Änderungsbereich auf die auf eine bestimmte Grundfrequenz abstimmbare Diskriminatorschaltung derart einwirkt, daß die zu messende Kapazität bzw. Kapazitätsänderung am Spannungsmesser unmittelbar in linearer Anzeige ablesbar ist.

Beim Oszillator mit der veränderbaren Frequenz sind insbesondere zu- bzw. abschaltbare frequenzbestimmende Elemente vorgesehen, durch die der Nullpunkt für die Spannungsanzeige festgelegt wird.

Die Erfindung sieht weiter vor, beim Oszillator

mit der veränderbaren, Frequenz auch noch zu- bzw. abschaltbare frequenzbestimmende Elemente vorzusehen, durch die die Empfindlichkeit für die Spannungsanzeige festgelegt wird. Zur Eichung der Anzeige muß eine Eichmöglichkeit vorhanden sein. Zu diesem Zweck ordnet man insbesondere parallel zum Meßobjekt einen einstellbaren Eichkondensator an.

Ein besonderer Vorzug der Anordnung nach der Erfindung ist noch darin zu sehen, daß die Anzeige innerhalb des geraden Teiles der Diskriminatorkennlinie vollkommen linear ist. Die Erfindung wird: an Hand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles noch näher erläutert. In dieser Figur ist mit 1 der Oszillator mit der festen Vergleichsfrequenz bezeichnet, mit 2 der Oszillator mit der veränderbaren Frequenz, mit 3 die Mischstufe, mit 4 die Diskriminatorschaltung und mit 5 der Spannungsanzeigerteil. Der Vergleichsoszillator kann in üblicher Weise aufgebaut sein, so daß eine nähere Beschreibung sich erübrigt. Der Untersuchungsoszillator 2 enthält in seinem Schwingkreis den zu untersuchenden Kondensator C₁₁, den Meßkondensator C^, Vorschaltkondensatoren Cy und Trimmerkondensatoren Cp₁ und Cp₂. Der Meßkondensator C_M, ein Plattenkondensator nach Kohlrausch, gibt eine Eichkurve, die sehr stark nach oben gekrümmt ist. Durch Eichung mit einem derartigen Meß kondensator wird es möglich, im flachen Teil der Eichkurve ganz geringe Kapazitätsänderungen genau, einzustellen, im steilen Teil mit dem gleichen Kondensator aber auch verhältnismäßig große Kapazitätsänderungen. Auf diese Weise wird es möglich, die Skala des Spannungsmessers entsprechend den jeweiligen Erfordernissen zu eichen.

Die in Reihe mit dem zu untersuchenden Kondensator C(j angeordneten, wahlweise zu- und abschaltbarenVorschaltkondensatoren Cy dienen dazu, den Einfluß der zu untersuchenden Kapazität auf die Frequenz des Untersuchungsoszillators zu verringern und so die Meßempfindlichkeit zu ändern.

Wegen der Verschiedenheit der einzelnen Glieder kann die Kapazität der Reihenschaltung des Vorschaltkondensators C_v mit dem Meßkondensator C_M und dem zu untersuchenden Kondensator Cy verschiedene Werte annehmein. Wegen der Einstellung des Diskriminators auf eine feste Frequenz ist eine bestimmte Grundfrequenz für den Untersuchungsoszillator erforderlich. Es sind daher noch die parallel geschalteten Trimmerkondensatoren Cp₁ und Cp₂ vorgesehen, mit denen von Fall zu Fall die richtige Anfangsfrequenz, d. h. der Nullpunkt für die Spannungsanzeige, festgelegt wird.

Eine Beeinflussung der Frequenz des Untersuchungsoszillators durch eine etwaige Widerstandsänderung des Meßobjekts wird durch phasenreine Rückkopplung vermieden. Um zu verhindern, daß eine hierdurch ebenfalls verursachte Amplitudenänderung in das Meßergebms eingeht, ist die Mischstufe so aufgebaut, daß dort eine Übersteuerung erfolgt, so daß die Ausgangsamplitude der Mischstufe vonAmplitudenänderungen beim Untersuchungsoszillator unabhängig wird.

Die Diskriminatorschaltung 4 kann in der aus der Hochfrequenztechniik für den Empfang frequenzmodülierter Wellen bekannten Weise aufgebaut sein.

Im Spannungsanzeigeteil 5 sind zweckmäßig außer dem eigentlichen Spannungsmesser G, dessen Nullpunkt wegen der Diskriminatorkennlinie zweckmäßigerweise in der Mitte liegt, noch zu- bzw. abschaltbare Vorwiderstände Ry vorgesehen, um eine Empfindlichkeitseinstellung zu ermöglichen.

Durch die verschiedenen Einstellmöglichkeiten der Anordnung ist es möglich, beispielsweise die Grundkapazität eines Meßobjekts auf den Anfangspunkt des Spannungsmessers einzustellen und

die zu messende Änderung auf die gesamte Skalenlänge auszudehnen, so daß es möglich ist, auch ganz geringe Kapazitätsänderungen, verursacht z. B. auch durch eine Änderung· der Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums, sehr genau zu messen. In entsprechender Weise können mit der angegebenen Anordnung auch Induktivitäten bzw. Induktivitätsänderungen und (in Zusammenschaltung mit Kondensatoren) auch Widerstände und

ίο Widerstandsänderungen bei sehr großer Empfindlichkeit mit direkter (linearer) Anzeige gemessen werden.

Die \-erschiedenen Frequenzen der Anordnung werden zweckentsprechend gewählt und können notwendigenfalls durch zu- und abschaltbare Elemente umgeschaltet werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Anordnung zur Messung von vorzugsweise sehr kleinen Kapazitäten bzw. Kapazitätsänderungen unter Verwendung eines Oszillators für eine feste Vergleichsfrequenz und eines Oszillators mit einer veränderbaren, durch das Meßobjekt mitbestimmten Frequenz, einer Mischstufe, einer Dikriminatorschaltung mit Spannungsmesser als Anzeigemittel, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischfrequenz im gesamten Änderungsbereich auf die auf eine bestimmte

Grundfrequenz abstimmbare Diskriminatorschaltung derart einwirkt, daß die zu messende Kapazität bzw. Kapazitätsänderung am Spannungsmesser unmittelbar in linearer Anzeige ablesbar ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Oszillator mit der veränderbaren Frequenz zu- bzw. abschaltbare frequenzbestimmende Elemente vorgesehen sind, durch die der Nullpunkt für die Spannungsanzeige festgelegt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, da.-durch gekennzeichnet, daß beim Oszillator mit der veränderbaren Frequenz zu- bzw. abschaltbare frequenzbestimmende Elemente vorgesehen sind, durch die die Empfindlichkeit für die Spannungsanzeige festgelegt ist.

4. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen parallel zum Meßobjekt angeordneten einstellbaren Eichkondensator.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschriften Nr. 597705, 179 214,

258568, 275741, 285005, 444056, 533 907,

410 482; Wiss. Veröff. a. d. Siemens-Konzern, III. Bd.,

2. Heft, Berlin 1924, S. 46 und 47.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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