JPH0353181Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 この考案は、静電容量を測定するブリツジ測定
回路に関するものである。

工業計測分野において、静電容量測定は被測定
物の位置・形状・性質そしてそれらの変化等を検
出する有力な手段の一つである。ところで、工業
計測分野における静電容量測定は、回路素子の静
電容量測定とは異なり、広汎な用途に適合する回
路が少ないのが現状である。工業計測分野におけ
る静電容量測定に要求されることは、第一に、完
全な連続自動測定を行なえる必要があり、第二
に、比較的大きな個有容量を有する被測定物の微
少変化分のみを検出できる必要があり、第三に、
その変化分を広範囲に測定でき且つ直線性の良い
ことが要求され、第四に、一端が接地された非平
衡のキヤパシタンスであつても測定できる必要が
あり、第五に、湿気・水分或いはその他の工業薬
品の影響で並列に大きなコンダクタンスが重復し
ていることが多いので、それらの影響を受けずに
アドミタンスベクトルの虚数項のみを検出する必
要がある。

第二の要求を満足する最も有力な方法として
は、ブリツジを用いることであり、事実手動調整
が可能である場合は、ブリツジによつて他の要求
を満足しながら静電容量を測定することは容易で
あるが、自動測定に限定されると、簡単なブリツ
ジ測定法によつてはいずれかの要求に抵触し、複
雑なサーボ回路を設けるか、変成器ブリツジを構
成する必要がある。しかしながら、工業計測にお
いては、信頼性の確保のため、複雑となるサーボ
回路は極力避けることが望ましく、他方、厳重な
静電シールドと巻線の平衡を要求される変成器ブ
リツジは量産に不適当である。

以上の事情から、工業計測分野では、限定され
た対象に使用する場合は別として、広汎な対象に
用いる静電容量測定には、LC共振回路の特性を
利用したものか、定電流による充放電特性を利用
したものが一般的であつたが、前者は回路のＱを
小さくできないため第三の要求を満足できず、後
者は第五の要求を満足できない。

この考案は、以上の点に鑑みなされたもので簡
素で性能が良く、しかも広汎な用途に適するキヤ
パシタンス測定回路を提供することを目的とする
ものである。

以下、この考案を添付図面に示す実施例に基づ
いて説明する。

まず、測定原理を述べると、第１図に示すよう
に、トランジスタQ₁のエミツタには、アドミタ
ンスY₁の負荷L₁を接続する。トランジスタQ₁の
電流増幅率hfeが十分に大きければ、トランジス
タQ₁の交流出力電流i₁と交流入力電圧ｖには、 i₁＝Y_1V ……(1) の関係が成立する。従つて、これは、定電流出力
特性を有する電圧電流変換回路となり、入力電圧
ｖを一定にすれば、アドミタンスY₁の検出回路
として作用する。なお、この回路において直流動
作レベルを適正に定めて使用する場合、直流出力
電流レベルを定めるためのエミツタ負荷に定電流
素子を用いることにより、アドミタンスY₁への
影響を排除できる。

また、第２図に示すように、第１図に示す回路
を２回路並列に接続し、入力電圧ｖを共通にすれ
ば、即ち、各トランジスタQ₁，Q₂のエミツタに
負荷L₁，L₂をそれぞれ接続したものを並列に接
続し、トランジスタQ₁，Q₂のベースに入力電圧
ｖを印加すれば、負荷L₁，L₂のアドミタンスL₁，
L₂の差を出力電流i₁，i₂の差として検出できる。

次に、検出された交流出力電流の処理を説明す
ると、第３図ａに示すように、２個のトランジス
タQ₃，Q₄を並列に接続し、トランジスタQ₄のベ
ースを接地し、且つトランジスタQ₃のベースに
制御入力信号Ｐとして正負に変化する制御パルス
Ｐを与えるように構成しておけば、トランジスタ
は飽和領域で動作するとスイツチ素子と働くこと
から、制御パルスＰによつて切換わる切換スイツ
チ回路となり、その等価回路は第３図ｂのように
なる。尚、制御パルスＰは、振幅が十分であれ
ば、正弦波でも実用的には同一の働きをするま
た、第４図に示すように、第３図ａに示す回路を
２回路使用することにより、４個のトランジスタ
Q₃，Q₄，Q₅，Q₆で出力電流i₃，i₄を相互切換えし
て選択する相互切換スイツチ回路を構成すること
ができる。

そこで、第２図に示す回路と、第４図に示す回
路とをカスケード接続することによつて、第５図
に示すように、静電容量を測定するブリツジ回路
を構成することができる。即ち、第５図に示すよ
うに、トランジスタQ₃〜Q₆からなる切換回路１
の入力端子と、トランジスタQ₁，Q₂からなる電
圧電流変換回路２の出力端子とがカスケード接続
され、切換回路１の出力端子の一方は検出用抵抗
R₁に、他方は検出用抵抗R₂に接続され、電圧電
流変換回路２の検出端子の一方にアドミタンスＹ
の被測定物４を接続可能に設け、他方に基準キヤ
パシタC₀を設けている。また、切換回路１の制
御入力Ｂ、即ち、トランジスタQ₃，Q₆のベース
回路に制御信号発生回路５が接続され、一方、電
圧電流変換回路２の検出出力ａ，ｂには、差動増
幅回路６が接続されている。この電圧電流変換回
路２のエミツター側には直流電流レベルを定める
ために直流電流を供給する補償回路３が設けられ
ており、補償回路３は３個のトランジスタQ₇〜
Q₉からなる。なお、上述したように、電圧電流
変換回路２には一定の交流電圧、が印加され、ま
た抵抗R₁，R₂の抵抗値は等しくしてある。

従つて、電圧電流変換回路２へ交流電圧Ｖを印
化した際に、アドミタンスＹ及び基準コンデンサ
C₀に流れる電流ｉ，i₀は第６図に示すように、交
流電圧ｖよりも位相は90゜進んだ波形となるから、
制御パルスＰとして交流電圧ｖよりも位相の90進
んだ方形パルス又は十分に振幅の大きい正弦波
を、例えば制御信号発生回路５に、周知のデイジ
タルまたはアナログ移相回路等を用いて、前記印
加交流電圧Ｖから生成し、切換回路１へ加える
と、抵抗R₁，R₂に流れる電流i₁i₂は、第７図に示
すように、半サイクル毎に電流ｉとi₀とが入れ換
つた波形となる。ゆえに、電流i₁，i₂を抵抗値の
等しい抵抗R₁，R₂によつて電圧v₁，v₂に変換し、
電圧v₁，v₂の差を差動増幅回路等によつて求め、
その差を適当な波形整形回路で平滑すれば、アド
ミタンスＹと基準コンデンサC₀とのサセプタン
ス成分の差に比例した直流電圧を得ることができ
るので、この直流電圧に基準コンデンサC₀のキ
ヤパシタンスを加算することによつて、被測定物
の静電容量を検出できる。

なお、第５図に示す回路は、一種の位相同期検
波回路であるから、アドミタンスＹにコンダクタ
ンス成分があつたとしても、第８図に示すように
電流i₁，i₂となつて最終出力の直流レベルには現
われないので、工業用静電容量検出器として良好
な特性を有し、第(1)式に示すように直線性は維持
できる。

また、トランジスタQ₁，Q₂，Q₇，Q₈の不平衡
や、温度変化による不平衡等によつて、トランジ
スタQ₇，Q₈に流れる直流電流I₁，I₂が平衡してい
なくても、切換回路１で切換えているため、第９
図に示すように、電流i₁，i₂に均等に配分され両
者の差を検出するから直流電流i₁，i₂による不平
衡は打消され、最終出力は影響を受けず精度の高
い検出が行なえる。

以上の実施例において、切換回路１及び電圧電
流変換回路２においてトランジスタQ₁〜Q₆はオ
ペアンプ等を用いた他の半導体素子を利用しても
よい。

この考案は、以上のとおり、一方の入力端子を
いずれか一方の出力端子に、他方の入力端子を他
方の出力端に切換え可能に接続する切換回路と、
電圧を電流に変換してアドミタンスを検出する検
出部を２個有する電圧電流変換回路とをカスケー
ド接続し、且つ電圧電流変換回路の一方に基準キ
ヤパシタを、他方に被測定物を接続し、電圧電流
変換回路に交流電圧を加えると共に切換回路を所
定周期で切換えるようにしたから、切換回路の入
力電流の差を平滑すれば被測定物のサセプタンス
成分となるため、非常に簡単な回路で被測定物の
キヤパシタンスを測定でき、しかも電圧、電流変
換回路を用いたため、広汎なキヤパシタを測定で
きるという利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案原理を示す基本回路図、第２
図は第１図の応用回路図、第３図ａはこの考案原
理を示す基本回路図、第３図ｂは第３図ａの等価
回路図、第４図は第３図ａの応用回路図、第５図
はこの考案の一例を示す回路図、第６図及び第７
図は被測定物がキヤパシタ成分のみからなる場合
の第５図の動作波形図、第８図は被測定物にコン
ダクト成分を含む場合の第５図の動作波形図、第
９図はトランジスタQ７、Q８の電流が不平衡で
ある場合を説明する動作波形図である。 １……切換回路、２……電圧電流変換回路、４
……被測定物、５……制御信号発生回路、６……
差動増幅回路、C₀……基準コンデンサ、Ｐ……
制御入力信号、Ｖ……交流電圧。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. ２つの入力端子と２つの出力端子を有し、一方
   の入力端子がいずれか一方の出力端子に、他方の
   入力端子が他方の出力端子に切換可能に接続され
   る切換回路１と、電圧を電流に変換してアドミタ
   ンスを検出する検出部を２個有する電圧電流変換
   回路２とをカスケード接続し、且つ電圧電流変換
   回路２の一方に基準コンデンサC₀を、他方に被
   測定物４を接続し、電圧電流変換回路２に交流電
   圧Ｖを印加すると共に、切換回路１に、前記印加
   交流電圧Ｖより位相の90゜進んだ制御入力信号Ｐ
   を入力して前記切換回路１を交互に切換える制御
   信号発生回路５を接続し、前記電圧電流変換回路
   ２の検出出力ａ，ｂに、前記基準コンデンサC₀
   と被測定物４のサセプタンス成分に比例した前記
   出力差を出力する差動増幅回路６を接続したこと
   を特徴とするキヤパシタンス測定回路。