DE2018895A1

DE2018895A1 - Kapazitäts-Meßkreis

Info

Publication number: DE2018895A1
Application number: DE19702018895
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Eilersen, Nils Aage Juul, Vedboek (Dänemark)
Priority date: 1969-04-21
Filing date: 1970-04-20
Publication date: 1970-11-05
Also published as: DK134455B; US3646433A; DE2018895C3; FR2045521A5; JPS4837623B1; DE2018895B2; GB1298689A; DK134455C

Description

PATENTANWÄLTE * ν « ν ^v DIPL.-ING. H. LEINWEBER dipl-ing. H. ZIMMERMANN

8 München 2, Rosental 7, 2.Aui₀.

Tal.-Adr. Ulnpat München

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Nils Aage Juul Eilersen, Gjrfngehusvej 226-232,

DK 2950 Vedboek, Dänemark

Kapazitäts-Meßkreis

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kapazitäts-Meßkreis und insbesondere auf einen Kreis zum Vergleichen und Messen von kleinen Kapazitäten und geringen Änderungen in der Kapazität. Die betreffenden Kapazitätselemente werden nachfolgend als Kondensatoren bezeichnet, gleichgültig ob sie die Form von üblichen Kondensatoren für allgemeine Schaltungszwecke oder die Form von Spezialkonstruktionen zum Messen physikalischer Werte haben, wie z. B-, von Brücken in einem Rohr, Zusammenziehungen und Ausdehnungen von Konstruktionsteilen usw. Wo die Kapazitätswerte von zwei Kondensatoren verglichen werden sollen, wird einer von ihnen als Hauptkondensator und der andere ale Bezugskondensator bezeichnet, obwohl diese beiden Bezeichnungen in vielen Fällen frei austauschbar sind.

Zum Vergleichen der Kapazitätswerte eines Hauptkonden- eators und eines Bezugskondensators sind Schaltungen

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bekannt, in denen beide Kondensatoren mit den Anschlüssen eines Oszillators oder einer anderen Quelle einer Eingangswechselspannung durch Eingangskreise verbunden sind, aie Gleichrichterkopplungen mit entgegengesetzten Leitungsrichtungen einschließen, und die auch mit diesen Anschlüssen durch Ausgangskreise verbunden sind, die einen Verbraucher einschließen, der den Ausgangskreisen beider Kondensatoren gemeinsam angehört. Auf diese Weise, wird eine Ausgangs-Gleichspannungskomponente an diesem Verbraucher erzeugt, die den Unterschied der Kapazitätswerte der beiden Kondensatoren darstellt, und sie kann mittels eines Gleichstrom-Meßinstrumentes gemessen werden, das selbst die Form des gemeinsamen Verbrauchers oder eines Teils dieses Verbrauchers hat, um diese Differenz festzustellen.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die erwähnte Gleichspannungskomponente außerdem nicht nur von dem Spitze-Spitze-Wert der Eingangsspannung abhängt sondern auch vom Grad der Symmetrie der Eingangsspannung in Bezug auf die positiven und negativen Spitzenwerte und der relativen Dauer der positiven und negativen Halbzyklen. Wenn die Symmetrie in Bezug auf die Spitzenwerte mittels eines Spannungsteilers hergestellt wird, wird es außer durch Verwendung eines Transformators unmöglich, sowohl einen Anschluß des Oszillators als auch einen Anschluß jedes Kondensators zu erden, wie es für praktische Zwecke höchst erwünscht ist, und es kann immer noch mangelnde Symmetrie in Bezug auf die relative Dauer der positiven und negativen Halbzyklen vorhanden sein.

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Der Einfluß der Eingangsspannung auf das Meßergebnis kann natürlich durch eine Eingangsspannungs-Kontrollvorrichtung ausgeschaltet werden, aber wenn diese auch Fehler ausschalten soll, die sich aus der mangelnden Symmetrie ergeben, wird sie ziemlich aufwendig und teuer sein müssen.

Der Kapazitäts-Meßkreis gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Hauptkondensator und ein Bezugskondensator, die jeweils mit einem Hilfskondensator in Reihe geschaltet sind, zwischen Anschlüssen zum Zuführen einer Wechselspannung verbunden sind, daß sowohl der Hauptkondensator als auch der Bezugskondensator jeweils im Nebenschluß mit zwei spannungsbegrenzenden Gleichrichterkopplungen mit entgegengesetzten Leitungsrichtungen stehen und daß wenigstens ein Paar der spannungsbegrenzenden Gleichrichterkopplungen, die mit dem Hauptkondensator bzw. dem Bezugskondensator verbunden sind und entgegengesetzte Leitungsrichtungen haben, durch einen gemeinsamen Verbraucher vervollständigt sind.

Wie es nachfolgend gezeigt wird, wird es durch Verwendung des Kreises gemäß der Erfindung möglich, den Einfluß sowohl des Spitzen-Spitzen-Wertes als auch jeder mangelnden Symmetrie der Eingangsspannung im wesentlichen auszuschalten.

In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung weisen einige der Gleichrichterkopplungen Zener-Dioden auf, die den Kreisen des Hauptkondensators und des Bezugskondensators gemeinsam angehören können oder nicht. ._

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Wenn eine hohe Genauigkeit nicht wesentlich ist und der Hauptzweck darin besteht, Veränderungen des
Kapazitätswertes des Hauptkondensators zu schätzen,
kann der Kreis dadurch vereinfacht werden, daß der
Bezugskondensator und alle Gleichrichterkopplungen,
die mit ihm verbunden sind, fortgelassen werden.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 einen Kreis gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung;

Fig. 2 einen Kreis gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 einen Kreis gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung

und
Fig. 4 einen Kreis gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.

In der in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform der Erfindung befindet sich ein Hauptkondensator
C im Nebenschluß mit einer ersten spannungsbegrenzenden Gleichrichterkopplung, die aus einer Diode Dl besteht, und einer zweiten spannungsbegrenzenden Gleichrichterkopplung, die aus einer Diode D2, einer Zener-Diode Zl und einem Verbraucher RG-CG besteht. Ein Bezugskondensator C3 befindet sich im Nebenschluß mit einer ersten spannungsbegrenzenden Gleichrichterkopplung, die aus
einer Diode D4 besteht, und einer zweiten spannungs-

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begrenzenden Gleichrichterkopplung, die aus einer Diode D3» einer Zener-Diode Z2 und dem Verbraucher RG-CG besteht, der auch zu der zweiten Gleichrichterkopplung des Hauptkondensators C gehört» Der Hauptkondensator ist mit einem Hilfskondensator C2 zwischen den Anschlüssen O und UOSC eines Oszillators oder einer anderen geeigneten Wechselspannungsquelle in Reihe geschaltet. Der Bezugskondensator C3 ist mit einem Hilfskondensator C4 zwischen den Anschlüssen 0 und ÜOSC in Reihe geschaltet.

Die Zener-Spannung der Zener-Dioden Zl und Z2 werden mit UZl und UZ2 bezeichnet.

Die Wechselspannung UOSC, die einen positiven Spitzenwert Ul, einen negativen Spitzenwert U2 unü eine Frequenz f hat, wird an den Kreis angelegt, und es wird angenommen, daß CG^) C, C3, C2 und C4 und daß die Ausgangsspannung an dem Verbraucher RG-CG, U <<C UZl und UZ2, und daß die Schwellenspannung der Dioden Dl, D2, D3, D4 in Richtung der Leitung im Vergleich mit UZl und UZ2 vernachlässigbar ist.

Wenn UOSC den Wert Ul annimmt, wird C auf die Spannung UZl durch C2 geladen,und der Rest der Ladung, der von C2 übertragen wird, gelangt über D2 und Zl zu und durch RG-CG, wenn C die Zener-Spannung UZl erreicht hat. C2 wird die Spannung Ul-UZl annehmen.

Ähnlich wird C3 auf die Spannung 0 über C4 geladen, da er durch D4 kurzgeschlossen ist. C4 wird die Spannung Ul annehmen.

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Wenn UOSC den Wert -U2 annimmt, wird C auf 0 über C2 geladen, da er durch Dl kurzgeschlossen ist. C2 wird die Spannung -U2 annehmen.

C3 wird auf -UZ2 über C4 geladen, und der Rest der von C4 übertragenen Ladung wird über D3 und Z2 in und durch RG-CG gelangen, wenn C3 die Zener-Spannung -UZ2 erreicht. C4 wird die Spannung -U2+UZ2 annehmen.

Wenn UOSC von -U2 zu Ul wechselt, überträgt C2 die Ladung C2 (Ul- UZl + U2) auf C und RG-CG.

Da C die Ladung C UZl aufnimmt, wird RG-CG die Ladung C2 (Ul - UZl + U2) - C UZl erhalten, die dem Strom f £c2 (Ul - UZl + U2) -C UZlJ entspricht.

Wenn UOSC von Ul zu -U2 wechselt, überträgt C4 die Ladung C4 (-U2+UZ2-U1) auf C3 und RG-CG.

Da C3 die Ladung -C3 UZ2 aufnimmt, wird RG-CG die Ladung C4 (-U2+UZ2-U1) + C3 UZ2 erhalten, die dem Strom f (-U2+UZ2-U1) + C3 UZ27 entspricht.

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Wenn die Zeitkonstante RG . CG gewählt wird als T = 3, dann wird eine Gleichspannungskomponente U an dem Verbraucher RG-CG erzeugt, die folgende Gleichung erfüllt

(I) U=RG . f £C2 (U1-UZ1+U2) -C UZlJ +RG . f £~C4 (-U2+UZ2

-Ul) + C3 UZ2J .

Wenn C2 = C4 und UZl = UZ2 = UZ, dann wird die obige Gleichung auf folgende Form reduziert

(II) U = RG f UZ (C3-C).

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Somit wird ersichtlich se:' i, daß der Wert von U, der mittels eines üblichen Meßinstrumentes gemessen werden kann, nicht nur von dem Spitzen-Spitzen-Wert der Eingangsspannung sondern auch vom Grad der Symmetrie der Eingangsspannung abhängig ist, da alle Glieder der Gleichung (I), die die positiven und negativen Spitzenwerte Ul und -U2 enthalten, sich gegeneinander ausgleichen und die relative Dauer der positiven und negativen Halbzyklen in der Gleichung nicht auftreten.

Außerdem wird aus dem Ausdruck von U ersichtlich sein, daß der Kreis eine hohe Ausgangsgleichspannung und eine niedrige Ausgangsimpedanz bildet, wenn nur f und UZ entsprechend hoch gewählt werden.

Eine Verstärkung von U ist in den meisten Fällen unnötig.

Es ist ein großer Vorteil, daß C, C3, U und die Wechselspannungsquelle eine gemeinsame Erdungsverbindung haben.

Wenn UZ hoch gewählt wird, kann es jedoch schwierig sein, eine ausreichende Gleichmäßigkeit der Temperatur-Koeffizienten von UZl und UZ2 über einen weiten Temperaturbereich zu erzielen, und wenn UZl Φ UZ2, dann ist der O-Punkt von U stark verschoben.

Das kann vermieden werden durch Ausbildung des Kreises mit einer einzelnen Zener-Diode Z aber mit zwei gesonderten Dioden D5 und D6, wie es in der Ausführung gemäß Fig. 2 gezeigt ist.

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BAD ORIGINAL

Im Fall dieses Kreises lassen sich dieselben Gleichungen wie bei dem Kreis gemäß Fig. 1 anwenden. Das besondere Merkmal des Kreises gemäß Fig. 2ist jedoch das, daß D5, D6 und Z so miteinander verbunden sind, daß die von C2 zu RG-CG übertragene Ladung durch D2, Z, D6 hindurchtritt, während die von C4 zu RG-CG übertragene Ladung durch D3, Z, D5 hindurchtreten wird. Somit werden die zu RG-CG übertragenen Ladungen durch dieselbe Zener-Diode hindurchtreten, wodurch das Problem verschiedener Temperatur-Koeffizienten von UZl und UZ2 in dem Kreis gemäß Fig. ausgeschaltet ist.

Die Möglichkeit, einen Kreis, wie er in Fig. 2 gezeigt ist, wirksam zu machen, hängt von der Tatsache ab, daß eine Schwellenspannung von 0,3 - 0,6 Volt überschritten werden muß, bevor eine Diode in Richtung der Leitung leitet, da andererseits die von C2 zu RG-CG zu übertragende Ladung nicht über D2, Z, D6 zu RG-CG gelangen würde sondern stattdessen ihren Weg über D2, Z, Dj5, D4 nehmen und somit RG-CG umgehen würde, sobald die Spannung U etwas positiv würde.

Ähnlich würde die von C4 zu RG-CG zu übertragende Ladung nicht ihren Weg über D3, Z, D5 zu RG-CG sondern über D3, Z, D2, Dl nehmen und somit RG-CG umgehen, sobald die Spannung U an RG-CG etwas negativ würde.

Infolge der Schwellenspannung der Dioden werden die Ladungen durch RG-CG hindurchgelangen, so lange die Summe von U + dem Schwellenwert von D6 (im Fall von U^O) kleiner ist als die Schwellenspannung von D3 + D4. Ähnlich ist es im Fall von U<0.

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In der Praxis wird das Ergebnis so sein, daß U auf U<C-0,25 Volt begrenzt ist, da aber die Ausgangs-Impedanz sehr niedrig seinkann, kann dieser einfache Meßkreis direkt Aufzeichnungsinstrumente betätigen, so daß teure Verstärker oft unnötig sind.

Der Meßkreis gemäß Fig. 2,ähnlich dem gemäß Fig. 1, ist unabhängig von der Amplitude und der Symmetrie von UQSC, und C, C3, U und die Wechselspannungsquelle haben eine gemeinsame Erdungsverbindung.

In der Ausführung gemäß Fig. 3 haben C und C3 ein Paar gemeinsame Verbraucherkreise, die in derselben Weise wie in Fig. 2 angeordnet sind, aber die einfachen Diodenverbindungen Dl und D4 an C und C3 sind ersetzt worden durch spannungsbegrenzende Gleichrichterkopplungen in Form eines weiteren Paares von gemeinsamen Verbraucherkreisen, die dem ersten Paar von gemeinsamen Verbraucherkreisen symmetrisch sind und eine Zener-Diode Z3 mit einer Zener-Spannung UZ3, Dioden D7 und D8 und einen Verbraucher RGl-CGl aufweisen. Auf diese Weise wird es möglich, hohe Werte der Ausgangsspannung U des Kreises zu erhalten. Es wird angenommen, daß CG und CGl^ C, C3, C2, C4 und daß die Ausgangespannung U ^ UZ und UZ3 *

Wenn UOSC den Wert Ul annimmt, wird C auf die Spannung UZ durch C2 aufgeladen, und der Rest der von C2 übertragenen Ladung wird über D2, Z, D6 zu und durch RG-CG gelangen, wenn C die Zener-Spannung UZ erreicht hat. C2 wird die Spannung Ul-UZ annehmen.

Ähnlich wird C3 auf die Spannung UZ3 über C4 aufgeladen, und der Rest der von C4 übertragenen Ladung wird

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über D4, Z3, D7 zu und durch RGl-CGl gelangen, wenn C3 die Zener-Spannung UZ3 erreicht hat. C4 wird die Spannung U1-UZ3 annehmen.

Wenn UOSC den Wert -U2 annimmt, wird C auf -UZ3 über C2 geladen, und der Rest der von C2 übertragenen Ladung wird über Dl, Z3, D8 zu und durch RGl-CGl gelangen, wenn C die Zener-Spannung -UZ3 erreicht hat. C2 wird die Spannung -U2 + UZ3 annehmen.

C3 wird auf -UZ über.C4 geladen, und der Rest der von C4 übertragenen Ladung wird über D3, Z, D5 zu und durch RG-CG gelangen, wenn C3 die Zener-Spannung -UZ erreicht. C4 wird die Spannung -U2 +UZ annehmen.

Wenn UOSC von -U2 zu Ul wechselt, überträgt C2 die Ladung C (Ul - UZ + U2 - UZ3) an C und RG-CG.

Da C die Ladung C (UZ + UZ3) aufnimmt, wird RG-CG die Ladung C2 (Ul-UZ + U2-UZ3) - C (UZ + UZ3) aufnehmen, die dem Strom ff*C2 (IJl-UZ + U2 - UZ3) - C (UZ + UZ3)] entspricht.

Wenn UOSC von Ul zu -U2 wechselt, überträgt C4 die Ladung C4 (-U2 + UZ - Ul + UZ3) an C3 und RG-CG.

Da C3 die Ladung C3 (-UZ - UZ3) aufnimmt, wird RG-CG die Ladung C4 (-U2 + UZ - UL + UZ3) + C3 (UZ + UZ3) aufnehmen, die dem Strom f £c4 (-U2 + UZ - Ul + UZ3) + C3 (UZ + ^UZ3)] entspricht.

Wenn die Zeitkonstante RG . CG so gewählt wird, daß = j, dann wird eine Gleichspannungskomponente U an

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dem Verbraucher RG - CG mit folgenlern Wert erzielt

(III) U = RG . f £c2 (ül - UZ + U2 - UZ3) - C (UZ + UZ3)J + RG . f [ C4 (-U2 + UZ - Ul + UZ3) + C3 (UZ + UZ3)J

Wenn C2 = C4, dann wird die obige Gleichung auf folgende Form reduziert

(IV) U = RG . f (UZ + UZ3) (C3 - C).

Ähnlich wird die Spannung UA an RGl - CGI UA = RGl . f (UZ + UZ3) (C - C3).

Es wird ersichtlich sein, daß, wenn RG = RGl, der Kreis eine positive und eine negative Ausgangsspannung mit gleichem numerischen Wert erzeugen wird, was häufig vorteilhaft ist. Wenn nur der Ausgangswert U benötigt wird, kann RGl - CGI mit dem Wert Null gewählt werden. Es wird ersichtlich sein, daß die Ausgangsspannung nicht nur von dem Spitzen-Spitzen-Wert der Eingangsspannung sondern auch von dem Grad der Symmetrie der Eingangsspannung abhängig ist. Mit dem Kreis gemäß Fig. 3 ist der Nachteil, daß der lMullpunkt von U infolge der Temperatur-Koeffizienten der Zener-Dioden verlagert sein kann, wie es bei dem Kreis gemäß Fig. 1 auftreten kann, auf dieselbe Weise wie in Fig. 2 ausgeschaltet worden, und außerdem kann der Einfluß der Temperatur-Koeffizienten auf die Werte U und UA dadurch ausgeschaltet werden, daß die Temperatur-Koeffizienten von UZ und UZ3 gleich gewählt werden aber mit entgegengesetzten Vorzeichen.

Es wird aber ersichtlich sein, daß bei dem Kreis gemäß Fig. 3 die Ausgangsspannung so hoch und die Ausgangs-Impedanz so niedrig wie gewünscht gemacht werden kann durch entsprechende Auswahl von f, UZ und UZ3. Außerdem haben C, C3 und U und die WechselSpannungsquelle gemeinsame Erdungsverbindungen·

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Der in Fig. 4 gezeigte Kreis entspricht demjenigen der Fig. 1 mit der Abwandlung, daß der Bezugskondensator C3 und alle mit ihm verbundenen Komponenten, d. h. C4, D3, D4 und Z2 entfernt worden sind. Der vereinfachte Kreis gemäß Fig. 4 kann in Fällen verwendet werden, wo Meßgenauigkeit nicht wesentlich ist und wo insbesondere die Änderungen des Hauptkondensators bestimmt werden sollen. Die Ausgangsspannung an RG-CG wird folgendermaßen sein: (V) U = RG . f [C2 (Ul - UZ + U2) - C . UZ ] .

Es wird ersichtlich sein, daß, wenn während einer Testperiode Ul, U2 und UZ konstant bleiben, die Änderungen von U proportional sind zu den Änderungen von C.

Wenn es erwünscht ist, kann die Ausgangsspannung statt direkt gemessen zu werden, mit einer Bezugsspannung verglichen werden, die so eingestellt werden kann, daß sie einen neutralen Zustand bildet, aus dem Änderungen von C registriert werden können.

Obwohl in allen gezeigten Ausführungsformen der Verbraucher, an dem die für Meßzwecke zu verwendende Ausgangsspannung entwickelt wird, in Form eines Widerstandes RG und eines Kondensators CG in Parallelschaltung gezeigt ist, kann der Verbraucher, wenn es erwünscht ist, auch aus irgendeiner Form einer elektrischen Impedanz bestehen.

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Claims

- 13 Patentansprüche :

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Kapazitäts-Meßkreis, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hauptkondensator (C) und ein Bezugskondensator (C3), die jeweils mit einem Hilfskondensator (C2 bzw. C4) in Reihe geschaltet sind, zwischen Anschlüssen (O, UOSC) zum Zuführen einer Wechselspannung verbunden sind, daß sowohl der Hauptkondensator (C) als auch der Bezugskondensator (C3) jeweils im.Nebenschluß mit zwei spannungsbegrenzenden Gleichrichterkopplungen mit entgegengesetzten Leitungsrichtungen stehen und daß wenigstens ein Paar der spannungsbegrenzenden Gleichrichterkopplungen, die mit dem Hauptkondensator (C) bzw. dem Bezugskondensator (C3) verbunden sind und entgegengesetzte Leitungsrichtungen haben, durch einen gemeinsamen Verbraucher (RG-CG bzw. RGl-CGl) vervollständigt sind.
2. Kapazitäts-Meßkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von spannungsbegrenzenden Gleichrichterkopplungen des Hauptkondensators und des Bezugskondensators, die nicht durch den gemeinsamen Verbraucher vervollständigt sind, jeweils aus einer Gleichrichter-Diode besteht, die den betreffenden Kondensator in Richtung seiner Leitung kurzschließt.
3. Kapazitäts-Meßkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von spannungsbegrenzenden Gleichrichterkopplungen des Hauptkondensators und des Bezugskondensators, die durch den gemeinsamen Verbraucher vervollständigt sind, jeweils aus einer Zener-Diode besteht.

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4. Kapazitäts-Meßkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von spannungsbegrenzenden Gleichrichterkopplungen des Hauptkondensators und des Bezugskondensators, die durch den gemeinsamen Verbraucher vervollständigt sind, aus einer gemeinsamen Zener-Diode besteht, die durch eine Reihenverbindung von zwei Gleichrichter-Dioden überbrückt ist, die dieselbe Leitungsrichtung haben, wobei der gemeinsame Punkt der Gleichrichter-Dioden mit dem gemeinsamen Verbraucher verbunden ist.
5. Kapazitäts-Meßkreis nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch zwei symmetrische Paare von spannungsbegrenzenden Gleichrichterkopplungen der in Anspruch 4 gekennzeichneten Art, wobei jedes dieser Paare einen gemeinsamen Verbraucher aufweist.
6. Kapazitäts-Meßkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugskondensator und die mit ihm verbundenen Gleichrichterkopplungen fortgelassen sind.

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