DE2842028C3

DE2842028C3 - Vorrichtung zum Messen der Kapazität eines Kondensators

Info

Publication number: DE2842028C3
Application number: DE2842028A
Authority: DE
Inventors: Gilbert Lagny Dauge; Jacques Coudray Montceaux Langlais
Original assignee: TESTUT AEQUITAS PARIS
Current assignee: TESTUT AEQUITAS PARIS
Priority date: 1977-09-23
Filing date: 1978-09-25
Publication date: 1980-10-30
Also published as: IT7884136A0; CA1099340A; SE7809966L; GB2006970B; US4187460A; SE431683B; DE2842028A1; IT1107425B; DE2842028B2; GB2006970A

Description

Diese Anmeldung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Kapazität eines Kondensators entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Vorrichtung läßt sich ferner verwenden für Messungen einer physikalischen Größe, wie beispielsweise einer Bewegung oder eines Drucks, die durch einen kapazitiven Meßfühler hervorgebracht wird, in dem eine Änderung dieser Größe in eine Kapazitätsänderung umgewandelt wird.

Eine Kapazitätsmeßvorrichtung der beschriebenen Art findet sich in der französischen Patentanmeldung PV 73-45271 vom 18. Dezember 1973. Die Zählschaltung besteht im wesentlichen aus einem Zähler, dessen maximale Kapazität am Ende jeder Eichphase und Meßphase erreicht wird. Also zählt dieser Zähler während jeder dieser Phasen dieselbe Anzahl impulse n, jedoch im Verlauf unterschiedlicher Zeitspannen A und At χ, die gleich η Te und η Tx sind, wo Te und T
Perioden des Oszillators sind, wenn dessen Kapazität die des Eichkondensators Xe bzw. die des Meßkonden- κι sators X ist. Der Vorwärts- und Rückwärtszähler wird nach Beendigung der Eichphase At_E auf Rückwärtszählen umgeschaltet, und zwar durch diesen Zähler, der seine Maximalkapazität erreicht hat und automatisch wieder auf Null gestellt worden ist. Folglich hat der r, Vorwärts- und Rückwärtszähler im Verlauf eines Vergleichszyklus während einer Zeitspanne T = 2 Δ tu eine vorbestimmte Anzahl von Taktimpulsen vorwärts und rückwärts gezählt.

Bei dieser Art von Kapazitätsmeßvorrichtung erzeugen der Zähler und der Vorwärts- und Rückwärtszähler während jedes Vergleichszyklus einen Impuls der Dauer

T = At,.. + A tx=n(T_E+ Tx)

und einen Impuls der Dauer T' = 2 Δίε- Dann wird die 4 > Phasenverschiebung (T- T) in einem Phasenvergleicher errechnet, um die Kapazitätsdifferenz zwischen dem Eich- und dem Meßkondensator herzuleiten, so daß die Meßvorrichtung als Nullanzeiger wirkt.

Daraus ergibt sich, daß die Kapazitätsmessung durch w Driften des Oszillators und der Streukapazitäten, insbesondere zwischen den Kondensatorbelägen und dem Bezugspotential, beeinträchtigt wird, da die Differenz (T- T) einem diese Störungen dεrstellenden Faktor Xdirekt proportional ist:

T- T = η K(Xe+ X) - 2 η K X_E
oder

T-T=nK(X-X_E) _m

Die Aufgabe der Fr'' ■>.&.■·:■.& besteht darin, eine Kapazitätsmeßvorrichtung zu schaffen, deren Meßergebnis, das direkt als Kapazitätswert des Kondensators oder Wert der anderen zu messenden Größe angezeigt wird, insbesondere durch parasitäre Störungen des tr> Oszillators nicht beeinträchtigt wird. Infolgedessen ermöglicht die Unterdrückung des Einflusses von Fehlern, die insbesondere auf Veränderungen der Kennwerte der Bestandteile der verschiedenen Kreise der Vorrichtung durch Temperatureinflüsse und Alterung zurückzuführen s:nd, sehr genaue Kapazitätsmessungen. Diese Aufgabe wird bei einer Kapazitätsmeßvorrichtung der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Es erscheint daher als vorteilhaft, daß im Gegensatz zum Stand der Technik die erfindungsgemäße Meßvorrichtung keine Differenz zwischen den Zeitspannen ermittelt, die einer vorbestimmten Anzahl Impulsen des Oszillators während der Eichphase und während der Messung entsprechen, sondern vielmehr ein Verhältnis zwischen der der Anzahl Impulse des Oszillators während der in einem Verhältnis R zueinander siehenden Eich- und Meßzeit ermittelt, so daß die dem Verhältnis dieser Zahlen innewohnende Berechnung ein Einfluß der parasitären Störungen, die insbesondere vom Oszillator erzeugt werden, selbstverständlich beseitigt. So ergibt bei einem Eichkondensaior mit der Kapazität Xe und einem gegebenen Verhältnis R das Produkt Xe mal Verhältnis zwischen den Impuls/ahlen direkt den Wert der Kapazität X des zu messenden Kondensators. Ergänzenderweise braucht beispielsweise der Taktgeber, der die vom Vorwärts- und Rückwärtszähler gezählten Impulse seinerseits erzeugt, keine große Stabilität zu haben, da man es mit einem Verhältnis von Kapazitäten zu tun hat, das alle parasitären Effekte mit langsamer Veränderung der Bauelemente der Vorrichtung beseitigt. Der Taktgeber braucht daher nur ein einfacher Multivibrator zu sein.

Ganz allgemein wird ein Kondensator mit der Kapazität X, der in den Relaxationsoszillator eingesetzt ist, während einer Relaxaüonsschwingungsperiode T\ = VF\ während der ersten Halbperiode mit einer ersten Polarität seiner Beläge entladen und geladen, während der zweiten Halbperiode mit einer zweiten, der ersten entgegengesetzten Polarität seiner Beläge zwischen zwei vorbestimmten Spannungen V'_t und V'_ entladen und aufgeladen, und zwar mit Hilfe einer Quelle für stabilisierte Speisespannung £und über den festen Widerstand des Relaxationsoszillators. Die vom Relaxationsoszillator erzeugte Frequenz Fx hat dann die Form

f.v = f(Vu V₂. EY(R -X) (1)

worin /"einer bekannten, von den Extrems|>;innungen V-, und V₂ und von der Speisespannung E abhangigen logarithmischen Funktion umgekehrt proportional ist.

Nimmt man die Spannungen V| und V2 und damit auch die Speisespannung £ sowie den Widerstand R als während eines Vergleichszyklus konstant an, so kann die Gleichung (1) durch die folgende ersetzt werden:

F_x = IKX (2)

worin K die obenerwähnte Konstante ist.

So läuft also gemäß einem vorgezogenen Ausführungsbeispiel die Messung darauf hinaus, abwechselnd die Anzahl der vom Relaxationsoszillator abgegebenen Impulse zu bestimmen, die gleich der Anzahl Perioden der Relaxationsschwingung Nf bzw. Nx ist, wenn während des Eichens bzw. während der Messung der Eichkondensator bzw. der Kondensator mit der zu messenden Kapazität X im Schwingkreis liegt. Die vorbestimmte Dauer der Eich- und der Meßphase ist vorzugsweise gleich den oder beträchtlich größer als die Relaxationsschwingungsperioden, die dem zu messenden Kapazitätsbereich entsprechen. Hierbei kann die

Kapazität Xi des Eichkondensators so gewählt werden, daß sie gleich einer der Grenzen dieses Bereiches ist, die dem Nullpunkt des Anzeigeinstruments der Digitalschaltung oder der höchsten oder niedrigsten Frequenz Fi; = MK Xi r r Impulse entspricht, die vom Relaxationsoszillator Aiihrend des Vergleichszyklus abgegeben werden.

Gemäß einer Ausgestaltung besteht der Kondensator mit der zu messenden Kapazität X aus zwei beispielsweise zylindrischen und koaxialen Belägen, von denen der eine gegenüber dem anderen koaxial bewegt werden kann. Folglich ist die Änderung der zu messenden Größe Gx der Veränderung der Oberfläche des Kondensators proportional. Bezeichnet man den Wert der tatsächlich vom Zähler angezeigten Kapazität mit C_n, und die gesamte Streukapazität mit C_n, die ebenfalls, bezogen auf das Bezugspotential oder auf die Erde der Meßvorrichtung, gemessen wird, so erhält man die folgende Beziehung

C,„ = .V + C„

C_x = AC_n, + B = AX ->· AC₁, + B

worin A und B Konstanten sind.

Ist Gr. die analaoge Größe, die der für die Eichkapazität Xi; repräsentativen, effektiv berechneten Kapazität Ci entspricht, so geht aus der folgenden Doppelgleichung

Ca - G₁; == A (C_n, - Ci) = A(X- X_E)

hervor, daß die Linearität der Messung unabhängig von der Stcrkapazität C_n erhalten bleibt.

Gemäß dieser ersten Ausgestaltung sind die Zählungen dieser vom Oszillator im Verlauf der Ei.h- und der Meßphase jedes Vergleichszyklus abgegebenen Impulse vorbestimmt bzw. der zu messenden physikalischen Größe umgekehrt proportional.

Gernäij einer weiteren Ausgestaltung ist der Kondensator mit der zu messenden Kapazität X ein Flachkondensator, bei dem sich der Abstand d zwischen den Belägen proportional zur zu messenden pyhsikalischen Größe G\ verändert Folglich ist hier im Gegensatz zur ersten Variantt die Kapazität X der Größe Ga umgekehrt proportional und ist durch die folgende Beziehung gegeben:

,Y = .4 ' d

worin A' eine Konstante ist, deren Wert von der Oberfläche der Beläge und von der relativen, dielektrischen Leitfähigkeit des Dielektrikums zwischen den Belägen abhängt.

Schreibt man die Gesamt-Streukapazität C_p in der folgenden Form:

C„ = A¹U- (5)

worin e eine C_n definierende Länge ist, die gegenüber dem Maximalwert de von d, der vorzugsweise dem Eich· oder Mindestwert Xe des Bereiches der zu messenden Kapazitäten entspricht, sehr groß ist, so erhält man gemäß den Beziehungen (2) bis (5):

C_n, = A\Md + Me)
oder

F_n, = M(KC_n,)= [MKA') ■ (dl{\ + d/e))

worin F_n, die Relaxationsschwingungsfrequenz ist, die dem Kapa2:itätswert C_n, entspricht Es bringt also bei dieser zweiten Variante ein im Nenner der vorstehenden Beziehung erscheinender Ausdruck d/e eine nichtlineare Änderung des als Funktion von G\ angezeigten Wertes der Kapazität X mit sich und damit einen Linearitätsfehler in den Kapazitätsmessungen.

In dieser Hinsicht umfaßt der Oszillator zweckmäßigerweise eine Schaltung zum Neutralisieren des Eichbzw. Meßkondensators während der Meß- bzw. Eichphase oder zum Unterdrücken der Auswirkungen von Streukapazitäten zwischen dem Bezugspotential und den Kondensatorbelägen.

In einer Ausgestaltung umfaßt die Kapazitätsmeßvorrichtung als Neutralisierungsschaltung einen Verstärker mit dem Verstärkungsfaktor Eins, der als Impedanz-Anpassungskreis geschaltet ist, dessen Ausgang mit dem Vergleicher des Oszillators verbunden ist und, durch das Schaltglied gesteuert, während der Meß- bzw. Eichphase abwechselnd mit dem ersten Belag des Eich- bzw. Meßkondensators verbunden wird, während sein Eingang mit den /weiten Belägen dieser Kondensatoren und mit dem Schwingkreiswiderstand verbunden ist.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfaßt die Kapazitätsmeßvorrichtung als Schaltung zur Unterdrückung von Streukapazitäten einen Verstärker mit hohem Verstärkungsfaktor, der als Integrationskreis geschaltet ist, dessen Ausgang mit dem Vergleicher des Schwingkreises verbunden ist, und, durch das Schaltgiied gesteuert, während der Eichphase und während der Messung abwechselnd mit dem ersten Belag des Eich- bzw. des Meßkondensators verbunden wird, während sein Eingang mit den zwei Belägen dieser Kondensatoren und mit dem Schwingkreiswiderstand verbunden ist.

Die Erfindung soll nun in Ausführungsformen anhand der entsprechenden Zeichnungen eingehend beschrieben werden, von denen

Fig. I ein Blockschaltbild einer Kapazitatsmeßvorrichtung ist. in dem die Analogschaltung einer ersten Ausführungsform detailliert dargestellt ist:

Fig. 2 ein zeitliches Diagramm von Signalen ist, von denen die beiden ersten von der Analogschahung und das dritte von der Digitalschaltung der Meßvorrichtung verarbeitet worden sind;

F i g. 3 eine vorgezogene Ausführungsform der Digitalschaltung detailliert dargestellt zeigt;

F i g. 4 ein F i g. 1 analoges Blockschaltbild ist. in dem eine zweite Ausführungsform der Analogschahung detailliert dargestellt ist;

F i g. 5A und 5B eine ebene Meßkondensatoranordnung für die erste bzw. zweite Ausführungsform der

• I t i. J * "11" · J · II» * A

Anaicg5cna!tüng detailliert dargestellt zeigen und

F i g. 6A und 6B eine zylindrische Meßkondensatoranordnung gemäß der ersten bzw. zweiten Ausführungsform detailliert dargestellt zeigen.

Wie die F i g. 1 zeigt, umfaßt die Analogschaltung 1 der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung einen Relaxationsoszillator 10, der als Spannungs/Frequenz-Wandler wirkt, und ein Schaltglied 11, das es bei der Ausführungsform von F i g. 1 ermöglicht, den Eichkon densator 104 und den Meßkondensator 100, von der Digitalschaltung 2 gesteuert, abwechselnd mit Erde zu verbinden.

Wie eingangs ausgeführt, ist die Erfindung nicht auf die Wahl des Parameters d oder S, d. h. des Abstandes zwischen dem Belag oder der Oberfläche der Beläge des Kondensators gerichtet, sondern ganz einfach auf die Messung der Kapazität X, die ein Maß für eine zu messende physikalische Größe G.vsein kann.

Während der Meßphase hai — wie noch erläutert werden soll — der Kondensator 100 mit der Kapazität X einen ersten, an Erde liegenden Belag 1000, währen^ sein zweiter Belag 1001 über einen hochohmigen Widerstand 101 mit dem Widerstandswert R mit dem Ausgang eines Vergleichers 102 dauernd verbunden ist. Der direkte Eingang 1021 des Operationsverstärkers 1020 des Vergleichers 102 ist über eine Spannungsteilerbrücke 1023, die eine Spannung n> festlegt, mit seinem Ausgang 1022 verbunden, während sein negierter Eingang 1024 über einen Widerstand 1025 am Ausgang 1030 eines Impedanz-Anpassungskreises 103 liegt.

Dieser Kreis 103 besteht aus einem Operationsverstärker 1031 mit dem Verstärkungsfaktor Eins, dessen Ausgang !030 in bekannter Weise mit dem direkten Eingang 1032 verbunden ist und dessen negierter Eingang 1033 an den zweiten ^:;clag 1001 des Kondensators 100 angeschlossen ist. Die Eingangsimpedanz des Verstärkers 1031 ist sehr hoch, um das Aufladen und Entladen des Kondensators 100 über den Widerstand 101 nicht zu beeinflussen. Die Ausgangsimpedanz des Verstärkers 1031 dagegen ist sehr niedrig, um bei dieser Ausführungsform eine Neutralisauon der Abschirmung der Verbindung *05 zwischen dem Widerstand 101. dem negierten Eingang !033 und den zweiten Belägen 1001 bzw. 1041 des Meßkondensators "00 bzw. de- Eichkondcnsators 104 sicherzustellen, wie dies weiter unten beschrieben ist.

Nachstehend soil die Arbeitsweise des Relaxationsos-/.ülaiors anhand des zeitlichen Schaubildes Fig 2 beschrieben ",erden.

Wird an dir Meßvornchtung die Speisepsannung E angelegt, so lädt sich der Kondensator i00 mit einer ersten Polarität auf. bis -.ein zweiter Belag !001 sich auf dem Potential Vi. befinde;, das der vorbestimmten Spannung + ic entspricht. Das Potential der Ausgangsklemme !022 des Vergleichers iO2. die sich zuvor au! dem Potential -f E befand, kippt in aas Potentia' - £", ■Aas eine zweite, der ersten entgegengesetzte Polarität au den Klemmen des Kondensators 100 hervorruft, der Digitalschaltung 2 eingegeben, die aus ihrer Zählung während einer Meßphase At\ den Kapazitätswert X ermittelt.

Der Einfluß von langsamen Veränderungen der Bauteile des Relaxationsoszillators 10 wird in der Beziehung (6) durch den Wert der Konstanten K dargestellt, die eliminiert wird, wenn am Ende eines Vergleichszyklus das Verhältnis der Anzahl Impulse Nr. und N\ berechnet wird, die vom Oszillator 10 während der Eich- bzw. Meßphase mit der Dauer Atr bzw. At\ erzeugt wird, da die Kondensatoren 100 und 104, die durch Umschalten beispielsweise parallelgeschaltet sind, wie dies die F i g. 1 zeigt, denselben Umwelteinflüssen unterliegen, wie etwa der gleichen Temperatur.

W/ UL*' l·«' Q' 'TJ* I/ '«"■« V

\n/ l·* η π ti* η η #^ ι πι * » γλ ι (τ t^ η t-κ *-■ ι l ■■ ι ο ι /ι ι *j α. <λ t^ ι viii ι *^ rl χ

und Χι unter dein Einfluß der Temperatur Θ gemäß derselben Funktion (F(O)) verändern, so daß

= -V₁, ((I

λ,.η id - / ι^ιι

wobei Xh, ΛΌ und Xm. Χι ι, die Kapazitätswerte X und V/bei der Meßtemperatur θ bzw. bei Absoluttemperatur darsteilen, so ist cu> Verhältnis X/X'r und das Verhältnis Fy/F/.·temperaturabhängig.

Erfindungsgemäß ist beim Ausführungsbeispiel von Fig. I j er Relaxationsosziiiator auch noch mit dem Eichkonuensaior 'Ö4 verbunden, dessen nichtveränderliche Kapazität X₁. gleich dem niedrigsten Wert des zu --,essenden Bereiches von Kapazitäten X ist und dessen zweiter Belag 1041 mit aem gemeinsamen Verbindungspunkt 105 verbunden ist.

Während leder der beiden Phasen des Vergleichszykius zwischen der Anzahl impulse A/,- und Nx, deren Dauer gleich Δίι = Δι.\ ist, wird bei dem nachstehehend beschriebenen Beispiel der eine der beiden Kondensatoren 100 und 104 mit dem Bezugspotential verbunden.

des negierten Eingangs 1024 des Operationsverstärkers ;02 den dem am Belag 1001 Hegenden Potential — Vc entsprechenden Wert -t- i-_u. so sehr das Potential der «usgangsklemme 1022 zu seinem Anfangswert -f E zurück, wodurch eine Entladung und eine Aufladung des Kondensators 100 auf die Spannung + V_n bei dieser ersten Polarität herbeigeführt wird. Der Kondensator 100 wird während jeder der aufeinanderfolgenden, positiven und negativen Polaritäten entladen, lädt sich jedoch zwischen den Spannungen (— V₃, + Vo) oder (-ί- V₀. — V₀) während einer Halbperiode mit der seiner Kapazität X proportionalen Dsuer 1/(2 F\), so daß die Schwingungsfrequenz F\ gegeben ist durch:

F_x = 1 {I-(RX In ((£ - V₀)(E + I₀))))

wobei

= MKX.

Die erste Zeile von F i g. 2 stellt das symmetrische Wechselspannungs-Dreieckssignai am Verbindungspunkt 105 und die zweite Zeile das Wechselspannungs-Rechtecksignal oder Impulse mit der Periode 1/Fx an der Ausgangsklemme 1022 dar.

Dieses Rechtecksignal aus Impulsen mit der Folgefrequenz Fv wird durch den Relaxationsoszr.ator 10 in die

Digitalschaitung 2 gesteuert, neutralisiert wird, so daß das Schaltgiied logische Komplementärsignale in seine beiden Ausgangsieitungen 2H? und 2Ii₄ abgibt, wie es nachstehend anhand von F i g. 3 erläutert wird.

Zu diesem Zweck umfaßt das mit dem ersten Belag 1000 oder 1040 der Kondensatoren i00 oder 104 verbundene Schaltgiied 11 zwei Schaltelemente 110 — 111 oder 112 — i ί3. die aus je zwei Feldeffekt-Transistören bestehen. Der erste Transistor IiO wird leitend, wenn er an seiner Basis das entsprechende Signal der Meßphase mit der Dauer Δίχ empfängt, um den ersten Belag !000 des MeSkondensators 100 mit dem Bezugspotentiat zu verbinden, während der zweite zugehörige Transistor 1 ί ί gesperrt ist. Der andere erste Transistor Π2 ist während dieser Meßphase Δίχ gesperrt und der andere zugehörige zweite Transistor 113 auf Durchlaß geschaltet, um den anderen, den Eichkondensator 104, zu neutralisieren. Im Verlauf der folgenden Eichphase mit der Dauer AtE werden die Zustände der Transistoren 110 bis 113 umgekehrt, so daß jetzt der Meßkondensator 100 neutralisiert wird, während der andere, der Eichkondensator 104 mit seinem ersten Belag 1040, mit dem Bezugspotential verbunden ist.

Wie die F i g. 1 zeigt, wird der erfindungsgemäße Neutralisierungskreis durch zweite Transistoren 11 und 113 gesteuert, deren Abfluß an den Ausgang 1030 der

Stufe 103 angeschlossen sind, während ihre Quellen mit den ersten Belägen 1000 und 1040 der Kondensatoren 100 und 104 sowie mit den Abflüssen der ersten Transistoren 110 und 112 verbunden sind. Die Neutralisation andererseits erfolgt mit Hilfe einer koaxialen Abschirmung 106 der Verbindungsleitungen, die in ihrer Gesamtheit mit 105 bezeichnet sind, die auch die zweiten Beläge 1001 und 1041 der Kondensatoren umgibt und mit dem Ausgang 1030 des Verstärkers 1031 verbunden ist. Das hat zur Folge, daß unabhängig davon, welcher der beiden Kondensatoren 100 und 104 mit dem Bezugspotential verbunden ist und sich damit während einer Phase des Vergleichszyklus lädt oder entlädt, die beiden Beläge des anderen Kondensators sowie die Abschirmung 106 auf ein Potential gebracht werden, das sich genauso verändert wie das Potential des zweiten Belages des im Laden oder Entladen begriffenen Kondensators. Folglich haben die Gesamt-Körperkapazitäten C_n in Beziehung auf jeden Kondensator keinen Einfluß mehr.

Nun soll eine vorgezogene Ausführungsform der Digitalschaltung 2 beschrieben werden, die es ermöglicht, die Anzahl Impulse Nr und Nx zu zählen, die während eines Vergleichszyklus vom Ausgang 1022 der Analogschaltung 1 abgegeben werden.

Die Digitalschaltung 2 besteht gemäß Fig. 2 und F i g. 3 im wesentlichen aus folgendem:

— Einer Steuerschaltung 21, die die fünf Stufen eines Vergleichszyklus startet, die nachstehend noch beschrieben werden,

— einem Taktgeber 22 in Form eines Multivibrators, der Taktimpulse mit einer Frequenz abgibt, die deutlich unter der liegt, die vom Oszillator i0 erzeugt wird,

— einem Zähler 23, der eine vorbestimmte Anzahl Ne der Impulse zählt, die vom Oszillator 10 während jeder Eichphase erzeugt werden und infolgedessen die Dauer Δ r^der Eichphase bestimmt,

— einem Vorwärts- und Rückwärtszähler 24, der die Dauer der Meßphase Δ tx zu bestimmen vermag, die exakt gleich der Dauer der Eichphase ist, oder, respektive, in einem vorbestimmten Verhältnis R = Δΐε/Δίχζ\ΐΓ letzteren steht,und

— einer Rechner- und Anzeige-Einheit 25, die es ermöglicht, den Wert der Kapazität X des zu messenden Kondensators 104 zu berechnen und direkt anzuzeigen, und zwar als Funktion der vorbestimmten Anzahl Ne und des vorbestimmten Verhältnisses R und der Anzahl Nx von Impulsen, die vom Oszillator 10 während der Meßphase Δίχ erzeugt und vom Zähler 23 gezählt werden; der Wert von λ wird dann mit Hilfe der folgenden Beziehungen ermittelt:

t_E= RAt_x

oder

Ne/Fe=RN_xZFx

oder

NeXe- K= RN_xX-K

oder

X=(Xe-Ne)Z(R-N_x)

Dabei kann die Einheit 25 den Wert AOder !/AOder eine einem der Werte X und 11X proportionale Größe errechnen und anzeigen, je nachdem, ob die zu messende Größe G_x der Kapazität direkt oder umgekehrt proportional ist.

Nachstehend sollen anhand der die Digitalschaltung 2 detailliert zeigenden Fig. 3 die fünf Stufen eines Vergleichszyklus beschrieben werden.

1) Wird zu Beginn einer Messung die Spannungsver-") sorgung der Meßvorrichtung eingeschaltet, so wird mit Hilfe einer geeigneten Nullstellvorrichtung 26 das Schieberegister 210 mit den fünf Stufen 21Oi bis 21O₅ der Steuerschaltung 21 automatisch auf Null gestellt. Dadurch geht die Kippschaltung der ersten Stufe 210i in

κι den Zustand »1« über und steuert über die Leitung 211, die Nullrückstellung des Vorwärts- und Rückwärtszählers 240 der Vorwärts- und Rückwärtszählschaltung 24 und eines als Vorzähler bezeichneten ersten Zählers 230 der Zählschaltung 23. Diese Rückstellung auf Null

ι "> schaltet den Vorwärts- und Rückwärtszähler 240 auf »Zählen« und steuert außerdem über ein ODER-Tor 213 eine monostabile Kippschaltung 212 an, die mit dem Ausgang des Taktgebers 22 verbunden ist. Infolgedessen bewirkt die monostabile Kippstufe 21Oi über eine

-<> Schaltung aus drei UND-Toren 214, daß das Schieberegister 210 um einen Schritt vorrückt und daß dessen Kippschaltung der zweisten Stufe 21I₂ in den Zustand »1« übergeht.

2) Die Kippstufe 21O₂ startet die zweite Etappe des 2') Vergleichszyklus, indem sie über die Leitung 21I₂ den Befehl zum Beginn der eigentlichen Eichung 4 ^ gibt. Wie bereits erklärt, werden die beiden Transistoren 111 und 112 gesättigt, während die Transistoren 110 und 113 gesperrt werden, damit der Kondensator 104 mit

)ii bekannter Kapazität Xr im Meßkreis liegt. Unter diesen Bedingungen gibt der Relaxationsoszillator 10 über ein UND-Glied 231, das zuvor, durch die Kippschaltung 21O₂ gesteuert, über das ODER-Glied 232 auf Durchlaß geschaltet wurde, Impulse rr.!'. der Frequenz

ij Fe = MKXe an den Vorzähler 230 ab. Gleichzeitig mit dem UND-Glied 231 wird das mit dem Zähleingang des Vorwärts- und Rückwärtszählers 240 ebenfalls verbundene UND-Glied 241 auf Durchlaß geschaltet; im Zähler 240 können während der Eichung die Taktimpulse gezählt werden. Für diese Gleichzeitigkeit sorgt eine D-Synchronisierschaltung 215, deren Taktgebereingang mit dem Ausgang des UND-Gliedes 231 und deren Ausgang Q mit einem der Eingänge der UND-Glieder 241 und 242 verbunden ist, die ihrerseits mit dem

« Vorwärts- und dem Rückwärtszähleingang des Vorwärts- und Rückwärtszählers 240 verbunden sind.

So zählt also während der Eichung der Vorzähler N_k Impulse mit der Frequenz Fe, und der Vorwärts- und Rückwärtszähler 240 zählt die Taktgeberimpulse, bis

so der Vorzähler bis zu seiner maximalen Kapazität Abgezählt hat. Dieser Augenblick bestimmt das Ende der Eichung, deren Dauer damit gegeben ist durch

Δ Ie

Der Ausgang des Zählers 230 versetzt die Leitung 233

in den Zustand »1«, wobei die letztere das Vorrücken des Schieberegisters 210 um einen Schritt und über das UND-Glied 234 die Rückstellung des Zählers 235 der Zählschaltung 23 auf Null veranlaßt.

3) Im Verlauf der dritten Etappe des Vergleichszyklus befindet sich die dritte Kippschaltung 2IO3 des Schieberegisters 210 im Zustand »1« und veranlaßt über die Leitung 2113 folgendes

— die Sperrung des UND-Gliedes 241 und damit den Vorwärts- und Rückwärtszähler 240 zum Einstellen seiner Tätigkeit;

- über die aus den beiden NOR-Gliedern bestehende Schaltung 243 die Negierung des Steuereingangs für Vorwärtszählen/Rückwärtszählen, damit dieser sich im Zustand »Rückwärtszählen« befindet;

- über das ODER-Glied 216 die Rückstellung des Vorzählcrs 230 und der Synchronisier-Kippschaltung 215 auf Null und

- Ansteuerung der monostabilen Kippschaltung 212, damit diese nach Beendigung der vorstehenden Vorgänge das Schieberegister 210 um einen Schritt vorrücken läßt.

4) Dann wird die Meßphase dadurch eingeleitet, daß die Kippschaltung 21O₄ in den Zustand »!«übergeht. Da, wie bereits gesagt, die Komplementärsignale in den Leitungen 21h und 21I₄ gegenüber der Eichphase umgekehrt werden, wird der erste Belag 1000 des Meßkondensators 100 über den gesättigten Transistor 110 ans Erdpotential gelegt, während der Eichkondensator 104 über den gesättigten Transistor 113 neutralisiert wird.

In diesem Fall gibt der Ausgang 1022 des Oszillators 10 über das UND-Glied 231 Impulse mit der Frequenz F\ = MKX-ab, und gleichzeitig zählt der Vorwärts- und Rückwärtszähler 240 die Taktgeberimpulse rückwärts. Erreicht der Vorzähler 230 seine Maximalkapazität Nr, so startet er über das Tor 234 das Zählen der Impulse mit der Frequenz Fa durch den Zähler 235. Die von diesem Augenblick an vergangene Zeit liegt bei dieser Ausführungsform unter Δ ι_Ε = At_x, da die Kapazität X_L so gewählt ist, daß sie gleich dem Höchstwert der zu messenden Kapazitäten ist. Und da die Frequenz F/ niedriger ist als die Frequenzen Fx. hat der Vor/ähler 230 seine Maximalkapazität erreicht, bevor der Vorwärts- und Rückwärtszähler 240 bei Null angekommen ist. Folglich hat, wenn der Vorwärts- und Rückwärtszähler bei Null angekommen ist, der wähler 235 eine Anzahl ρ von Impulsen mit der Frequenz F_x verbucht, wobei

p= N_x- Ne

ist. Unter diesen Bedingungen befiehlt der Vorwärts- und Rückwärtszähler 240 dem Zähler 235, das Zählen einzustellen, indem er einen Impuls zum Sperren des UND-Gliedes 234 über den Umkehrschalter 245 in die Leitung 244 schickt. Dieser Sperrimpuls steuert auch über das ODER-Glied 213 die monostabile Kippschaltung 212 an, damit das Schieberegister 210 um einen Schritt vorrückt, und zwar entsprechend der folgenden und letzten Etappe des Vergleichszyklus.

5) Bei diesem als Übertragungs- und Berechnungsschritt bezeichneten Schritt hat die fünfte Kippschaltung 21O₅ des Schieberegisters an ihrem Ausgang 21h den Zustand »1«. Das bewirkt die Übertragung des Inhalts ρ des Zählers 235 in einen Speicher 251 der Rechner- und Anzeigeeinheit 25. Die Berechnung des Verhältnisses

X =

oder von
MX

+ p)

verändern zu können bis der Meßbereich ebenfalls geändert wird. Das Rechenergebnis X wird dann am Ende des Vergleichszyklus in der Anzeige 253 angezeigt.

Gleichzeitig bewirkt auf Befehl der Rechner- und Anzeigeeinheit 25 das Auslösen der monostabilen Kippschaltung 212 durch Versetzen des Ausgangs 21 Ii der ersten Kippschaltung 21Oi in den Zustand »1« die Rückkehr zur ersten Etappe des folgenden Vergleichszyklus.

Vorstehend ist zwar die Digitalschaltung gemäß einer Ausführungsform beschrieben, es sind für den Fachmann jedoch auch andere Organisationsformen durchaus vorstellbar, die je nach den Werten des zu messenden Kapazitätsbereiches und des Kapazitä'tsnnrmals gewählt werden können. Stellt etwa die Eichkapazität die untere Grenze der zu messenden Kapazitätswerte dar, so werden die während der Eichphase Au vom Oszillator abgegebenen Impulse von einem Vorzähler mit der Kapazität p< und einem damit in Serie geschalteten Zähler mit der Kapazität p_: gezählt, damit diese ihre zusätzliche Maximalkapazität N/ = p, + p_: erreichen. Während der Meßphase jedoch erreicht nur der Vorzähler seine maximale Kapazität p\. während die Zählung des Zählers am Ende der Meßphasc At\ gleich p'ist, was unter seiner maximalen Kapazität p> liegt und gegeben ist durch

p' = /V_x - p,

Aus der folgenden Beziehung
(p' + ρ·,) X = (pi + pi) Xr = Ni Xi

wird dann der Wen Xder zu messenden Kapazität oder dessen Kehrwert ermittelt.

Wenn schließlich das Kapazitätsnormal AV einen Wert hat, der außerhalb des zu messenden Kapazitätsbereiches liegt, so muß dem Ausgang des Taktgebers 22 ein Frequenzteiler oder -vervielfacher 220 während einer der als Eichung und als Messung bezeichneten Phasen nachgeschaltet werden, wie es die F i g. 3 zeigt. Liegt beispielsweise die Kapazität Xr beträchtlich über dem Bereich der zu messenden kapazitäten X. so dauert die Eichphase Δ ti; langer als die Meßphase Δΐ\. liegt jedoch innerhalb eines vorbestimmten Wertes des Verhältnisses R = AtriAix. In diesem Fall zählt beim Beispiel von F i g. 3 der Vorwärts- und Rückwärtsz-ihler 240 Impulse mit einer ersten Taktgeberfrequenz während der Eichphase vorwärts und wahrend der Meßphase Impulse mit einer zweiten Taktgeberfri-quenz. die zur ersten Taktgeberfrequenz im Yerhäkn.^ R steht, rückwärts. Im übrigeri hai sich die Arbeitsweise von Vorzähler und Zähler 230 und 235 nicht geändert. In diesem Fall ist der Wert von Λ' durch eic folgende Beziehung gegeben:

ergibt direkt den realen Wert oder den Kehrwert der Kapazität des zu messenden Kondensators 100, wobei der Koeffizient K selbstverständlich eliminiert wird. In dieser Hinsicht erfolgt diese Berechnung in einer Logik 252, die einen Arbeitsspeicher enthält, der vorher die Werte Λ/ε und ^gespeichert hat, um den Wert von Xr Im Speicher der Logik 252 wird außerdem der Wert des Verhältnisses ,^gespeichert.

Es können auch noch andere bekannte Parameter in den Rechner eingegeben werden, um die zu messende physikalische Größe G\ direkt anzuzeigen.

Nun soll anhand von F i g. 4 eine zweite Ausführungsform der Analogschaltung 1 a beschrieben werden, die es wie der Neutralisationskreis 106—103 von Fig. 1 ermöglicht, die Körperkapazitäten zu eliminieren, die jedoch durch sehr niedrige Kosten und eine größere Meßgenauigkeil gekennzeichnet ist. Mit dem Index a

sind die in Fig.4 modifizierten Bestandteile gekennzeichnet, die bereits in-der Fig. 1 dargestellt worden sind.

Man findet in Fig. 4 die drei Hauptkreist der Kapazitätsmeßvorrichtung wieder, nämlich einen Relaxationsoszillator 10a und ein Schaltglied 11a in der Analogschaltung la und die Digitalschaitung 2, die nicht detailliert dargestellt worden ist. da sie mit der identisch ist, die beispielsweise anhand von Fig. 3 beschrieben wurde.

Der die Rolle des Spannungs/Frequenz-Wandlers spielende Oszillator 10a umfaßt wie in F i g. 1 den Meßkondensator 100 mit der Kapazität λ', den Eichkondensator 104 mit der Kapazität Xn, den hochohmigen Widerstand 101 mit dem Widerstandswert R und den Vergleicher 102. Dagegen enthält der Oszillator 1Ou keinen Impe^idnz-Anpassungskreis mehr wie ^;n der Fig. 1. sondern umfaßt einen integrationskreis 107. der durch einen Operationsverstärker 1070 mit hohem Verstärkungsgrad in der Größenordnung von 2000 dargestellt wird. Der negierte Eingang 1071 des Verstärkers 1070 ist mit dem Verbindungspunkt !05a verbunden, der dem Widerstand 101 und den zweiten Belägen 1001 und 1041 der Kondensatoren 100 ,■ηά Ί04 gemeinsam ist. Die Ausgangsklemme 1072 des Verstärkers Ϊ070 ist mit dem Widerstand 1025 des \egationscin.L-L.ngs !024 des Operationsverstärkers 1C20 verbunden, der hauptsächlich den Vergleicher 102 oes Oszillators lOa darsteiit sowie über das Schaltgiied '' :· ir.it i,;n ersten Belägen iÖOO und 1040 der i'--;naepsatoren !00 und 104. Wie die F i g. 4 zeigt, wird ^!:e Abschirmung 106a. die den gemeinsamen Anschluß 05a und beiue Beläge der Kondensatoren 100 und !04 umgibt, nicht mehr mit einem hr.pedanz-Änpassungs-';:eis neutralisiert, sondern einfach mit dem Bezugspo- ; .n'.ial der Vorrichtung verbunden.

r>;;S Schaltgiied Ua besteht nur aus zwei Festkörper- ;. !-.altern in Gestalt der Feldeffekt-Transistoren 110a und 112a. Die Basis des Transistors 110a wird durch das logische Steuersignal angesteuert, da: ihr über die Leitung 21Ij von der Digitalschaitung 2 zugeführt wird, damit der Transistor HOa wäh -end der Dauer Δίχ der Messung der Kapazität Xauf D irchlaß geschaltet ist. In gleicher Weise wird die Basis des Transistors 112a durch das logische Steuersignal angesteuert, das ein Komplementärsignal zum obigen Signal ist und von der Digitalschaltung 2 über die Leitung 21I₂ zugeführt wird, Humit der Transistor \\2a während der Dauer Alu der N'jj'sung der Kapazität Xt auf Durchlaß geschaltet ist. Vi^;ic auch bei Fig. ! sind die Meß- und die Eichphase Ai; und Δ ti: gleich oder stehen in einem vorbestimmten Verhältnis R zueinander. Die Zuflüsse der beiden Transistoren 110a bzw. 112a sind mit dem ersten Belag iOOO bzw. 1040 des entsprechenden Kondensators 100 bzw. 104 verbunden. Während jedoch beim Schaltglied 11 die Zuflüsse der entsprechenden Transistoren UO und 112 abwechselnd mit dem Bezugspotential verbunden wurden, werden die Zuflüsse der Transistoren 110a und 112a während der Zeil A t_x bzw. Δ t_t abwechselnd an die Ausgangsklemme 1072 des Integrationskreises 107 gelegt.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß der Relaxationsoszillator einen Integrationskreis umfaßt, der aus dem Operationsverstärker 1070. dem Widerstand 101 und. je nachdem, ob die über die Leitungen 211₄ und 21I₂ übertragenen logischen Signale den Transistor 110a suitigen und den Transistor 112a sperren oder den Transistor 110a sperren und den Transistor 112a sättigen, aus dem Kondensator 100 ode dem Kondensator 104 besteht.

Bei der hohen Eingangsimpedanz des Operationsver stärkers 1070, seiner niedrigen Ausgangsimpedanz um auf Grund der Tatsache, daß sich sein Eingang praktiscl auf Bezugspotential befindet, ist es möglich, dii Streukapazitäten zwischen dem Belag 1041 de Kondensators 104. dem feststehenden Belag 1001 de Kondensators 100 und dem negierten Eingang 1071 de Verstärkers 1070 auf der einen Seite und den Bezugspotential auf der anderen Seite zu hemmen. Wei die Spannung am negierten Eingang 1071 sehr niedrij ist. d. h. fast gleich dem Bezugspotential ist, wird dei durch den Ladewiderstand 101 fließende Stron vollständig zu den Belägen 1001 und 1041 geleitet, vot denen einer mit einem RX oder RXe proportionaler Strom aufgeladen wird, wenn der zugehörige Transisto 110a bzw. 112a gesättigt wird. Daher werden di< Streukapazitäten so gering, daß sie vernachlässig werden können, da sie durch den Verstärkungsfaktoi des Operationsverstärkers 1070 geteilt werden und die Linearität der Messungen nicht beeinträchtigen, insbe solidere dann nicht, wenn die zu messende physikalisch« Größe Ga dem veränderlichen Abstand zwischen der Belägen des Meiikondensators 100 proportional ist, wii dies in der Einführung bereits auseinandergesetz worden ist. Es können also die in der Streukapazitä zwischen dem Verbindungspunkt 105a und der mil den Bezugspotential verbundenen Abschirmung 106a kreis enden Störladungen im Vergleich zu der von der Kapazitäten Xoder Abgespeicherten Ladung vernach iässigt werden, was dazu beiträgt, die Genauigkeit de; Messungen zu erhohen. An der ersten Klemme 100( oder 1040 des Kondensators 100 bzw. 104 hingeger treten, durch den Vergleicher 102 gesteuert, Spannungs änderungen auf. wenn der zugehörige Transistor 110; oder 112a gesättigt wird. Der hier jeweils andere Kondensator 104 oder 100, dessen erster Belag 104( bzw. 1000 nicht geladen wird, weil der andere Transistoi 1!2ü oder 110a gesperrt ist, erzeugt ebenfalls keinerle Sireukapazität, weil die Abschirmung !<>6a die Beläge dieses Kondensators vollständig umgibt.

Im übrigen sei darauf hingewisen, daß es bei der beiden in F i g. 1 und F i g. 4 dargestellten Ausführungs formen erforderlich ist, daß das elektrische Feie zwischen dem beweglichen Belag iOOO und den feststehenden Belag 1001 des Meßkondensators !^(Λ wenn er veränderlich ist. unabhängig von „w Verschiebungen des beweglichen Belages 1000 gleich förmig ist, damit die Kanteneffekte vermieden werder und die Genauigkeit der Kapazitätsmessung nich beeinträchtigen. Um das zu erreichen, ist die Abschir mung des Meßkondensators 100 mit gutem Erfolg mii flachen bzw. zylindrischen Belägen so ausgeführt, wie dies die F i g. 5A und 5B bzw. 6A und 6B zeigen.

Beim veränderlichen Meßkondensator 100 kann e; sich um eine der an sich bekannten A.usführunger handeln, nämlich

— mit ebenen Elektroden und paralleler odei winkelmäßiger Verschiebung des beweglicher Belages gegenüber der feststehenden Elektrode iOOl, oder, wie in den Fig. 5A und 5 B gezeigt,

— mit zylindrischen Elektroden, wobei die eine dei Elektroden ins Innere der anderen Elektrode eindringt, wie es in F i g. 6A und Fig. 6B für die beiden in F i g. 1 bzw. F i g. 4 dargestellten Ausfüh rungsformen gezeigt ist.

Im ersten Fall der Flachausführung beeinflussen die Kanteneffekte an den Enden der Beläge die Genauigkeit der Messungen, während im zweiten Fall der zylindrischen Ausführung dieser Effekt an den Enden der beiden Beläge kompensiert wird.

Dazu ist erfindungsgemäß bei einem veränderlichen Flachkondensator 100, wie ihn F i g. 5A und F i g. 5B für die beiden Ausführungsformen von F i g. 1 bzw. F i g. 4 zeigen, der feststehende Belag 1001 von einem flachen Schutzring 108 umgeben, dessen Innenrand sehr nahe an den des Belages 1001 herankommt und in derselben Ebene wie dieser liegt, während sein Außenrand parallel zum und oberhalb des Außenrandes des beweglichen Belages 1000 angeordnet ist. Der Schutzring 108 steht oberhalb des Belages in Kontakt mit der Abschirmung 106 bzw. 106a und hält daher ein Potential aufrecht, das gleich dem Erdpotential ist und fast gleich dem des Belages 1001. Wenn sich dann der bewegliche Belag 1000 rechtwinklig oder winkelmäßig zur Ebene des feststehenden Belages 1001 verschiebt, so daß die Veränderung der zu messenden Größe Cv dem Abstand zwischen den Belägen direkt proportional ist und damit der Kapazität X umgekehrt proportional, ist das elektrische Feld, das zwischen den Belägen herrscht, nahezu gleichförmig verteilt, und das gilt insbesondere in Höhe des Außenrandes des Belages 1001, d. h. für die Stelle, die in den F i g. 5A und 5B mit 109 bezeichnet ist. In diesem Fall verändert sich die zu messende physikalische Größe in linearer Abhängigkeit von der an den beweglichen Belag 1000 angelegten Ladespannung, d. h., sie ändert sich als strikte Funktion des Kehrwertes der Kapazität des Meßkondensators.

Schließlich sei noch bemerkt, daß die Anordnung der Kondensatoren 100 und 104 zum Messen einer von einer veränderlichen Kapazität abhängigen physikali-

H) sehen Größe nicht auf die in Fig. 1 und Fig.4 dargestellte beschränkt ist, vielmehr kann der Ausbau des Schaltgliedes 11 oder lla so gestaltet werden, daß eine leichte Montage der Kondensatoren, d.h. der Meßfühler, ermöglicht wird. So werden beispielsweise

ij während der Messung der Eichkondensator und der Meßkondensator mit dem Bezugspotential parallelgeschaltet, während zur Eichung nur der Eichkondensator mit Erde verbunden wird. Oder es wird beim Messen der Meßkondensator mit Erde verbunden, während beim Eichen der Eichkondensator und der Meßkondensator parallel mit Erde verbunden werden. Schließlich können der Eich- und der Meßkondensator während einer der Phasen in Reihe angeschlossen werden, in einer Anordnung, die analog der ist, die vorstehend für die

Parallelverbindungen dieser Kondensatoren beschrieben wurde.

Hierzu 5 Hhitt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen der Kapazität eines Kondensators mit Hilfe eines Zyklus, bei dem die Lade- und Entladezeiten dieses ersten oder Meßkondensators bzw. eines zweiten oder Eichkondensators während zweier aufeinanderfolgender, als erste oder Meßphase und zweite oder Eichphase bezeichneter Phasen miteinander verglichen wer- ι ο den, die aus einem hochstabilen Oszillatorkreis besteht, der einen dieser Kondensatoren enthält und dessen Schwingungsperiode der Kapazität des darin enthaltenen Kondensators proportional ist, ein Schaltglied aufweist, das die Aufgabe hat, den ersten bzw. den zweiten Kondensator zu Beginn dieser Phasen so anzuschließen, daß er als Kapazität X Dzw. als Kapazität Xe im Schwingkries liegt, einen Zähler enthält, der eine vorbestimmte Anzahl Ne von während der zweiten Phase vom Schwingkreis 2» erzeugten Impulsen zählt, um eine vorbestimmte Dauer der zweiten Phase festzulegen, einen Taktgeber aufweist, der Impulse mit mindestens einer Taktperiode erzeugt, einen Vorwärts- und Rückwärtszähler enthält, der Taktimpulse während Ji der ersten bzw. zweiten Phase vorwärts bzw. rückwärts zählt und den Befehl zum Übergang von Vorwärts- auf Rückwärtszählen durch den Zähler erhält, wenn er bis N_E gezählt hat, und aus einer Einheit zum Berechnen und Anzeigen des Meßergebnisses am Ende jedes Vergleichszyklus besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwärts- und Rückwärtszähler (24), wenn er beim Rückwärtszählen bei Nuil angekommen ist, dem Zähler (23) den Befehl gibt, das Zählen einzustellen, r> damit die Dauer der ersten Phase (Δίχ) gleich der zweiten Phase (Δίε) ist oder in einem bestimmten Verhältnis R zur letzterer steht, und — da die Anzahl Impulse N_x, die der Oszillator (10, iOa) während der Messung erzeugt hat und die vom Zähler (23) während dieser Phase gezählt wurde, zu dieser vorbestimmten Anzahl /Vfin einem Verhältnis steht, das den Kapazitäten X und Xe des ersten Kondensators (100) und des zweiten Kondensators (104) umgekehrt proportional ist — weiterhin v, dadurch, daß die Rechen- und Anzeigeeinheit (25) Einrichtungen (252) zum Berechnen einer Größe umfaßt, die dem Quotienten (N_E Xe)Z(R N_x) direkt oder umgekehrt proportional ist, der gleich dem Wert der tatsächlichen Kapazität X des ersten jo Kondensators (100) ist.

2. Kapazitätsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgeber (22) dann, wenn dieses vorbestimmte Verhältnis R nichl gleich Eins ist, außerdem noch einen Frequenzteiler oder -vervielfacher (220) umfaßt, der während der Messung oder während des Eichens tätig ist, damit der Vorwärts- und Rückwärtszähler (24) Impulse mit einer ersten Taktfrequenz während der zweiten Phase vorwärts und Impulse mit einer zweiten t>o Taktfrequenz, die zur ersten Taktfrequenz in diesem Verhältnis steht, während der ersten Phase rückwärts zählt. 1

3. Kapazitätsmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei >>-, diesem Oszillator (10) um einen Relaxationsoszillator mit einer während der Dauer jedes Vergleichszyklus konstanten Kippschwelle handelt, der außerdem eine Schaltung (103, 106) zum Neutralisieren des ersten bzw. des zweiten Kondensators während der zweiten bzw. während der ersten Phase umfaßt.

4. Kapazitätsmeßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Neutralisierungsschaltung einen Verstärker (103) mit dem Verstärkungsfaktor Eins umfaßt, der als Impedanz-Anpassungskreis geschaltet ist und dessen Ausgang \1030) mit dem Vergleicher (102) des Oszillators (10) verbunden ist und, durch das Schaltglied (11) gesteuert, während der ersten Phase bzw. während der zweiten Phase abwechselnd mit den ersten Belägen (1000 bis 1040) des zweiten Kondensators bzw. ersten Kondensators verbunden wird, während sein Eingang (1033) mit den zweiten Belägen (1001 bis 1041) dieser Kondensatoren und mit dem Widerstand (101) des Oszillators (10) verbunden ist.

5. Kapazitätsmeßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (10) eine Abschirmung (106) umfaßt, die mindestens die zweiten Beläge der Kondensatoren (100, 104) und die gemeinsame Verbindung (105) dieser Beläge mit dem Eingang (1033) des Verstärkers (103) umgibt und mit dem Ausgang (1030) des Verstärkers verbunden ist.

6. Kapazitätsmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis (lOa) ein Relaxationsoszillator mit während der Dauer jedes Vergleichszyklus konstanter Kippschwelle ist und außerdem eine Schaltung (106a, 107) zum Unterdrücken der Auswirkungen von Streukapazitäten zwischen dem Bezugspotential und den Kondensatorbelägen umfaßt.

7. Kapazitätsmeßvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Schaltung zum Unterdrücken von Streukapazitäten einen als Integrationskreis geschalteten Verstärker (107) mit hohem Verstärkungsgrad umfaßt, dessen Ausgang (1072) mit dem Vergleicher (102) des Oszillators (1Oa^ verbunden ist und, durch das Schaltglied (Wa) gesteuert, während der ersten Phase bzw. der zweiten Phase abwechselnd mit den ersten Belägen des ersten bzw. des zweiten Kondensators verbunden wird, während sein Eingang (1071) mit den zweiten Belägen (1001 bis 1041) dieser Kondensatoren und mit dem Widerstand (101) im Schwingkreis (lOajverbunden ist.

8. Kapazitätsmeßvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (10) eine Abschirmung (106a,/ umfaßt, die mindestens die zweiten Beläge der Kondensatoren (100 bis 104) und den gemeinsamen Verbindungspunkt (105a,/ dieser Beläge mit dem Eingang (1071) des Verstärkers (107) umgibt und mit dem Bezugspotential verbunden ist.

9. Kapazitätsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kondensator (100) veränderlich ist.

10. Kapazitätsmeßvorrichtung nach den Ansprüchen 5 oder 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kondensator ebene Beläge hat, deren feststehender dieser zweite Belag (1001) ist und mit einem Schutzring (108) umgeben ist, der mit dem feststehenden Belag in derselben Ebene liegt und mit der Abschirmung (106, 106aj verbunden ist, damit das elektrische Feld zwischen dem ersten beweglichen Belag (1000) und der Einheit zweiter Belag/ Schutzring auch bei starken Schwankungen des Abstandes zwischen den Belägen (1000 bis 1001)

praktisch gleichförmig bleibt

11. Kapazitätsmeßvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich der erste Belag (1000) gegenüber dem feststehenden Belag winkelmäßig so bewegt, daß er einen veränderlichen Flächenwinkel bildet