Verfahren und Apparat zum Messen der Kapazität eines elektrischen kapazitiven Gebildes
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Apparat zum Messen der Kapazität eines elektrischen kapazitiven Gebildes und bezweckt besonders das Messen von hohen Kapazitätswerten, von z. B. tausenden von Mikrofarad. Eine besondere, jedoch ausschliessliche Anwendungsform der Erfindung betrifft das Feststellen der Anzahl der Abonnenten, die zu einem gewissen Zeitpunkt aktiv mit einem Radiooder Televisions-Programmverteilnetz verbunden sind.
Das Messen einer elektrischen Kapazität hohen Wertes mit Hilfe der üblichen Brückenverfahren ist wegen der niedrigen Reaktanz der Kapazität selbst bei niedriger Wechselstromfrequenz unbequem. Das Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zunächst das kapazitive Gebilde bis zu einer bekannten Spannung elektrisch aufgeladen und dann durch ein Integriermessgerät entladen wird, das ein durch den Entladestromstoss bewegliches Glied enthält, welches nach Vollendung des Entladungsvorganges in einer Stellung zur Ruhe kommt, die das Strom/Zeitintegral des Enfladungsstromflusses darstellt.
Der erfindungsgemässe Apparat zum Durchführen des Verfahrens ist gekennzeichnet durch ein drehmomentfreies Drehspulenmessinstrument, eine Quelle konstanten und bekannten Potentials, eine Schaltungsvorrichtung zum Parallelschalten des elektrischen Gebildes mit der zu messenden Kapazität erst mit der Potentialquelle und dann mit der Drehspule des Messinstrumentes, und Mittel zum Feststellen des Winkels zwischen der ursprünglichen und der abgelenkten Stellung der Drehspule des erwähnten Instrumentes vor bzw. nach dem Entladen des kapazitiven Gebildes durch die Drehspule.
Wenn ein gleichbleibender Strom durch die Spule eines Drehspuleninstrumentes fliesst, und die Spule den Strom über Litzen oder ähnliche Mittel erhält, die auf die Spule kein Drehmoment ausüben, bewegt sich die Spule gleichmässig durch ein bomogenes Magnetfeld mit einer dem Strom proportionalen Geschwindigkeit.
Wenn dementsprechend eine solche Spule einen Entladestromstoss von dem elektrischen Gebilde mit der zu messenden Kapazität erhält, wird als Ergebnis die Spule um eine Entfernung abgelenkt, die proportional zum Zeitintegral des Stromstosses ist, gleichgültig, wie der zeitliche Verlauf der Amplitude des Stromstosses selbst ist.
Da die Spule nach Aufhören des Stromstosses bewegungslos bleibt, ist ihre neue Stellung im Vergleich zur Ausgangsstellung ein Mass für den Ladungswert.
Durch Anbringen einer geeigneten Skala kann demnach dieser Ladungswert abgelesen werden. Wenn die Ladespannung genau bekannt und konstant ist, kann die Skala unmittelbar in I Kapazitätswerten, z. B. Mikro- farad, geeicht werden.
Im allgemeinen ist es nicht zweckmässig, mit einer solchen Vorrichtung und einem Ziffernanzeigegerät unmittelbar eine in Ziffern erscheinende Anzeige vorzunehmen, da das Drehspuleninstrument verhältnismässig empfindlich ist. Im weiteren wird jedoch gezeigt, wie eine direkte Zifferanzeige möglich ist, ohne von dem Drehspuleninstrument eine Leistungsabgabe zu verlangen.
Um die Erfindung leichter verständlich zu machen, sind nachstehend verschiedene Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen lediglich beispielsweise näher erläutert.
Fig. 1 stellt schematisch einen Messapparat mit einem Servonachlaufmechanismus dar, der eine ziffernmässige Anzeige von einem Drehspuleninstrument herleitet, dessen Drehspule durch den Entladungsstrom aus einem kapazitiven Gebilde mit der zu messenden Kapazität abgelenkt wird;
Fig. 2 ist eine ähnliche schematische Darstellung eines anderen Apparates, bei welchem die Ablesung elektrooptisch erfolgt;
Fig. 3 stellt das elektrische Schaltschema eines Messapparates dar, der besonders für die Verwendung in einer Radio- oder Television-Programmverteilanlage für Abonnenten zur Feststellung ihrer Anzahl dient;
Fig. 4 zeigt eine Reihe von Zeit/Amplituden-Dia- grammen, die das Funktionieren des Apparates gemäss Fig. 3 illustrieren;
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Gewährleisten der Ausrichtung der Drehspule des Messgerätes auf eine vorbestimmte Bezugsstellung, z. B. auf Null;
Fig. 6 zeigt ein elektrisches Schaltschema zur Erläuterung des grundlegenden Verfahrens gemäss der vorliegenden Erfindung zur Messung der Kapazität;
Fig. 7 ist ein Schaltschema zur Erläuterung der bevorzugten Ausführungsart des Verfahrens zur Kapazitätsmessung mit der Ermöglichung einer ziffernmässigen Ablesung des Messergebnisses;
Fig. 8 ist ein Schaltschema einer gegenüber Fig. 3 abgeänderten Ausbildung des Messapparates;
Fig. 9 stellt eine Variante zu Fig. 5 einer Anordnung zur Ausrichtung der Dreh spule auf eine vorbestimmte Bezugsstellung dar.
Aus Fig. 6 ist ersichtlich, dass das Grundverfahren gemäss der vorliegenden Erfindung zur Kapazitätsmessung darin besteht, dass zuerst das kapazitive Gebilde mit der zu messenden Kapazität Cx parallel mit einer Stromquelle S geschaltet und dann, nach seiner vollen Aufladung, von der Stromquelle getrennt und über ein Integriermessgerät IM entladen wird. Das letztere ist vorzugsweise ein Drehspuleninstrument 11 mit einer Drehspule 10, die sich in einem homogenen magnetischen Fluss zwischen den entgegengesetzten Polen N und S bewegt. Wie schon auseinandergesetzt wurde, sollte die Drehspule frei von irgendwelchem Drehmomenteinfluss von aussen sein, damit ihre endgültige Ablenkungsstellung nach der vollständigen Entladung von Cx den Kapazitätswert darstellt.
Wenn die Spannung der Stromquelle S konstant und bekannt ist, und wenn die Drehspule vor dem Beginn der Entladung in eine vorbestimmte Bezugsstellung gebracht wird, kann eine entsprechend geeichte Skala in Verbindung mit einem an der Drehspule angebrachten Zeiger verwendet werden, um so die unmittelbare Ablesung des gemessenen Kapazitätswertes zu ermöglichen.
Das abwechselnde Laden und Entladen des Gebildes Cx kann durch eine Schaltvorrichtung A gesteuert werden, während gewünschtenfalls Reihenwiderstände F und G vorgesehen sein können, um die Höchstwerte der Lade- und Entladeströme zu begrenzen.
Eine Anordnung für das ziffernmässige Ablesen ist in Fig. 1 dargestellt und bedingt den Gebrauch eines Servonachlaufmechanismus, der von der Ablenkungsbewegung der Drehspule 10 im Instrument steuerbar ist. Bei dieser Anordnung ist die Drehspule 10 des Integriergerätes 11 mit einem radial angebrachten Zeigerarm 12 versehen, dessen freies Ende eine kleine Fahne oder Maske 13 trägt, die zum Abschirmen des Lichtes einer Lichtquelle 14, die eine kleine elektrische Lampe sein kann, vor einem photoelektrischen Wand ler 15, der aus einer Photozelle oder einem Phototransistor bestehen kann, dient. Die Lichtquelle 14 und der photoelektrische Wandler 15 sind selbst auf einem Arm
16 montiert, der von einer Welle 17 getragen wird, die um eine zur Drehspule 10 koaxiale Axe drehbar ist.
Die Welle 17 ist über ein geeignetes Untersetzungsgetriebe 18 von einem Hilfsmotor 19 antreibbar, der von einem Servoverstärker 20 gespeist wird, dessen Eingang mit dem Ausgang des photoelektrischen Wandlers 15 verbunden ist.
Die Anordnung ist solcher Art, dass bei Drehung der Drehspule 10 und des Zeigerarmes 12, wodurch die Maske 13 aus ihrer normalen lichtabschirmenden Stellung zwischen der Lichtquelle 14 und dem photoelektrischen Wandler 15 gebracht wird, die Änderung des Ausganges des Wandlers 15 den Servomotor 19 erregt, der den Arm 16 soweit fortbewegt, bis der Lichtstrahl zwischen der Lichtquelle und dem photoelektrischen Wandler von der Maske 13 wieder unterbrochen wird. So dreht sich die Achse 17 um einen Winkel, der dem Ablenkungswinkel der Drehspule 10 entspricht. Eine geeignete dualgekodete Scheibe 21 kann an der Achse 17 oder an einem anderen Teil des Mechanismus, der sich in proportionalem Winkelverhältnis mit der Achse dreht, befestigt werden. Falls nötig, kann ein dualgekodetes Ausgangssignal, das die Winkelstellung des Zeigerarmes 12 wiedergibt, auf übliche Weise, wie z.
B. durch eine weitere Lichtquelle 22 auf der einen und durch Gruppen von Photozellen auf der anderen Seite der Scheibe 21 erzielt werden.
Eine Variante dieser Ablesevorrichtung ist in Fig. 2 dargestellt, gemäss welcher ein Spiegel 24 an der Drehspule 10 befestigt und so angeordnet ist, dass ein schmaler Lichtstreifen von einer Lichtquelle 25 durch einen engen Schlitz 26 in einer Maske auf eine zylindrisch gebogene Skala 27 geworfen wird, die ein dualgekodetes Muster 28 trägt, das zum Teil lichtdurchlässig und zum Teil lichtundurchlässig ist. Die Breite des Lichtstreifens, der auf die Skala 27 gelangt, ist derart, dass nur eine der senkrecht gekodeten Partien beleuchtet wird. Photozellen oder andere ähnliche Vorrichtungen, die vom Lichtstrahl, der durch die verschiedenen Partien der beleuchteten Skala tritt, beeinflusst werden, sind so beschaffen, dass sie unmittelbar ein ziffernmässiges Ausgangssignal geben, das die Stellung der Spule 10 wiedergibt.
Ähnliich der Fig. 2 ist eine andere Anordnung, in welcher der Spiegel 24 auf der Drehspule einen Lichtfleck auf eine feste gitterähnliche Skala reflektiert, die eine Anzahl von voneinander getrennten reflektierenden oder lichtdurchlässigen Zonen aufweist. Das von einer jeden solcher Zonen reflektierte oder durchgelassene Licht wird von einer Photozelle oder einer ähnlichen Einrichtung aufgefangen, um eine Reihe von elektronischer Ziffernzähler zu erzeugen, die zum Betrieb elektronischer Ziffernzähler oder anderer gleichwertiger Vorrichtungen benutzt werden können.
Ein Nachteil der oben beschriebenen Anordnungen ist der, dass der Zusammenhang zwischen der Winkelbewegung der Drehspule 10 und dem eingegebenen Stromwert nicht immer genau linear ist, weil kleinere Ungleichmässigkeiten in der angenommenen konstanten Magnefflussdichte des Magnetfeldes, durch das sich die Spule 10 dreht, auftreten. Dieser Mangel an Linearität erfordert eine individuelle Eichung oder Herstellung der dualgekodeten Skalen für jedes Instrument, wenn hohe Genauigkeit erforderlich ist.
Eine bevorzugte Ausbildung der vorliegenden Erfindung zielt dahin, diese Nachteile zu beheben, indem die Drehspule der Integriervorrichtung nach Ablenkung durch den Entladestrom'in ihre ursprüngliche Stellung zurückgeführt wird durch einen weiteren Stromstoss oder durch eine Reihe von Stromstössen, deren Stärke und Dauer leichter gemessen oder vorausbestimmt werden können.
Wenn demgemäss ein konstanter elektrischer Strom von genau bekannter Stärke angewendet wird, um die abgelenkte Drehspule in ihre ursprüngliche Nullstellung zu treiben, kann die Messung der erforderlichen Zeit zum Zurückbringen der Spule in Nullstellung dazu benutzt werden, die Ladung zu messen, die den Zeiger ursprünglich ablenkt. Eine Variante dieses Verfahrens besteht darin, der Drehspule eine Reihe kleiner, genau bekannter Ladungsmengen, die immer gleich sind, in einer Richtung zuzuführen, um die Drehspule in ihre ursprüngliche Bezugs- oder Null stellung zurückzudrehen; wenn die Anzahl solcher Ladungsmengen gezählt wird, kann sie das gesuchte Ergebnis ziffernmässig zum Ausdruck bringen.
Ein bequemer Weg, eine solche Reihe von Rückführladungen zuzuführen, besteht darin, einen kleinen Kondensator wiederholt bis zu einer konstant bleibenden und bekannten Spannung aufzuladen und dann jedesmal über die Spule des Drehspuleninstrumentes zu entladen, bis die Drehspule in ihre Nullstellung zurückgedreht ist. Ein solcher kleiner Kondensator kann aber auch, als Alternativlösung, jedesmal über die Drehspule des Drehspuleninstrumentes geladen und nachfolgend durch Kurzschluss entladen werden. Dieselben Stromstösse können auch als Antriebsimpulse für einen elektronischen Zähler dienen, dessen Zählend- stellung bei Erreichen der Null- oder Bezugsstellung der Drehspule des Drehspuleninstrumentes den Ladewert und damit den gesuchten Kapazitätsmesswert darstellt.
Eine solche eben erwähnte Anordnung hat den Vorteil, dass, wenn das kapazitive Gebilde mit der zu messenden Kapazität bis zu einer gegebenen gleichbleibenden Spannung V und der kleine Kondensator jeweils ebenfalls bis zur gleichen Spannung geladen wird, der wirkliche Wert der Spannung von untergeordneter Bedeutung ist. Unter solchen Umständen ist das gesuchte Resultat der Kapazitätsmessung lediglich gleich dem Kapazitätswert des kleinen Kondensators, multipliziert mit der Anzahl der einzelnen Stromstösse aus dem letzteren, die notwendig ist, um die Drehspule in ihre Nullstellung zurückzubringen. Irgendwelche im Drehspuleninstrument z.
B. durch mangelhafte Homogenität des magnetischen Feldes auftretende Nicht-Linearitäten werden selbsttätig ausgegli- chen, da sie in gleichem Masse, aber in entgegengesetztem Sinne, sowohl in der Mess- als auch in der Rückwärtsbewegung der Spule auftreten.
Eine solche Anordnung ist in Fig. 7 dargestellt, in der das kapazitive Gebilde Cx mit der zu messenden Kapazität durch eine Schaltvorrichtung A über einen Reihenwiderstand F von einer Stromquelle S geladen und dann wieder über dieselbe Schaltvorrichtung A, einen Reihenwiderstand G und durch die Integriervorrichtung A, einen Reihenwiderstand G und durch die Integriervorrichtung IM mit der Drehspule 10 entladen wird. Um eine ziffernmässige Anzeige des Ladungs- und folglich des Kapazitätswertes herbeizuführen, wird die Schaltvorrichtung Ä in die dargestellte Stellung zurückgebracht, um das Gebilde Cx von der Messvorrichtung zu trennen.
Ein Kondensator Cq von genau bekanntem Kapazitätswert, der möglichst mehrfach kleiner als der geschätzte oder vorausgesehene Kapazitätswert von Cx ist, kann durch Schalter D1 und D3 entweder zum Aufladen in Parallelschaltung mit der Quelle S oder zum Entladen in Parallelschaltung mit der Integriervorrichtung IM verbunden werden.
Die Art der Verbindung des Kondensators Cq ist derart, dass der von ihm ausgehende Entladestrom, der durch die Drehspule 10 fliesst, entgegengesetzt zum ursprünglichen Entladungsstrom von Cx gerichtet ist.
Als Ergebnis wird die Drehspule 10 schrittweise in ihre ursprüngliche Null- oder Bezugsstellung zurückbewegt, wobei die Anzahl der hierfür nötigen Schritte das Verhältnis der entsprechenden Kapazitätswerte der bekannten Kapazität Cq zu der unbekannten Kapazität Cx angibt. Die Anzahl der Schritte kann durch eine mechanische, mit den Schaltern D1 und D2 gekuppelte Zählvorrichtung oder, wenn die Schalter nicht mechanischer Art sind, mittels eines elektronischen Zählstromkreises CC registriert werden, der durch jeden Ladestromstoss durch den Kondensator Cq erregt wird.
Eine besondere Schaltung zur Kapazitätsmessung auf die oben beschriebene Art ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 beschrieben. In Fig. 3 stellt Cx den Ersatzkondensator mit der zu messenden Kapazität (z. B. jener eines Programmverteilnetzes) dar, während Cq den kleineren Kondensator und 11 das Integrierinstrument bezeichnet. Ein npn-Transistor T1 steuert das Laden der Kapazität Cx durch eine konstante Spannungsquelle B über Umschalterkontakte R1 und R2, während ein Transistor T2 des npn-Typs das Entladen derselben Kapazität Cx durch das Integrierinstrument 11 steuert.
Ein dritter Transistor T3 des pnp-Typs steuert das Funktonieren des Transistors T1 durch Anlegen einer Schaltspannung an die Klemme 1. Über die Klemme 2 wird eine Schaltspannung dem Transistor T2 zugeführt, und die Anordnung ist derart, dass bei negativer Klemme 1 und positiver Klemme 2 der Transistor T3 leitend ist und den Transistor T1 leitend macht, während der Transistor T2 ausgeschaltet ist. Wenn, im Gegenteil, die Klemme 1 positiv und die Klemme 2 negativ ist, werden die Transistoren T3 und T1 ausgeschaltet u. der Transistor T2 leitend.
Die Kontakte R1 und R2, wie auch der Kontakt R3, sind Bestandteile eines Umschaltrelais, dessen Spule nicht dargestellt ist, und das für Steuerzwecke verwendet wird, wie weiter unten beschrieben ist.
Wenn der Transistor T1 eingeschaltet und der Transistor T2 ausgeschaltet ist, wird der Kondensator Cx über den Transistor T1 und die Relaiskontakte R1 und R2 auf -50 Volt der Spannungsquelle B voll aufgeladen. In jenem Zeitpunkt ist das Integrierinstrument 11 ausser Betrieb, da der Transistor T2 ausgeschaltet ist. Wenn der Kondensator Cx voll geladen ist, sind die Steuerpotentiale der Klemmen 1 und 2 vertauscht, wodurch der Transistor T1 aus- und der Transistor T2 eingeschaltet ist. Nun entlädt sich der Kondensator Cx über den Relaiskontakt R2, das Integrierinstrument 11, den Relaiskontakt R3 und den Transistor T2, wodurch die Drehspule des Instrumentes 11 abgelenkt wird und schliesslich in einer von dem Ladungswert im Kondensator Cx abhängigen Stellung zur Ruhe kommt.
Das Relais bewirkt nun die Umkehrung der Stellungen der Kontakte R1, R2 und R3, wodurch der Kondensator Cx ausgeschaltet und der kleinere Kondensator Cq an dem Stromkreise angeschlossen wird. Durch Umkehrung der Steuerpotentiale 1 und 2 wird der Transistor T1 wiederum leitend und der Transistor 2 ausgeschaltet. Der Kondensator Cq wird nun über den Relaiskontakt R1 und das Integrierinstrument 11 und den Relaiskontakt R2 auf die Spannung der Quelle B aufgeladen; der sich ergebende Stromfluss durch das Instrument 11 bringt dessen Drehspule 10 um einen Schritt näher zur Nullstellung. Die Steuerpotentiale der Klemmen 1 und 2 kehren sich wieder um, wodurch der Transistor T1 ausgeschaltet und der Transistor T2 leitend gemacht wird, so dass der nun geladene Kondensator Cq sich über die Relaiskontakte R3 und den Transistor T2 entlädt.
Nach einigen Wiederholungen, deren Anzahl von der abgelenkten Stellung der Drehspule 10 des Instrumentes 11 abhängt, ist die Spule in ihre Nullstellung zurückgekehrt. Die Anzahl der Ladungsstromstösse, die der Kondensator Cq erhält, um dies zu bewirken, werden mit Hilfe einer geeigneten Zählvorrichtung, wie einem Dual- oder sonstigen Impulszählsystem, ermittelt und ist ein Mass für die Ladung des Kondensators Cx.
Wenn die Kapazität von Cq eine Werteinheit darstellt, wie z. B. ein Mikrofarad, entspricht die genannte Anzahl unmittelbar ziffernmässig der zu messenden Kapazität.
Wenn die zu messende Kapazität Cx einen sehr grossen Wert hat und daher einen starken Entladestrom hervorruft, kann es von Vorteil sein, die Drehspule 10 des Integrierinstrumentes während der Entladungsphase mit einem Nebenschluss zu versehen, wodurch die Empfindlichkeit des Instrumentes vermindert wird, während die ursprüngliche Empfindlichkeit während der nachfolgenden Umkehrphase unter Verwendung des Kondensators Cq wieder hergestellt wird. Dieses kann, wie Fig. 8 zeigt, durch Verwendung eines weiteren Relaiskontaktes R4 geschehen, der den Nebenschlusswiderstand H während der Cx-Entladung parallel zum Integrierinstrument 11 schaltet.
Das drehmomentlose Instrument 11 hat, wie oben erwähnt, nicht notwendigerweise eine natürliche Null oder Bezugsstellung. Es ist daher vorteilhaft, Mittel vorzusehen, die erlauben, eine Null- oder Bezugsstellung zu bestimmen und den Zeiger gewünschtenfalls in Ausrichtung mit ihr zu halten, und zwar ohne Zuhilfenahme von mechanischen Arretierungen, die sich ungünstig auswirken würden.
Eine entsprechende Anordnung ist in Fig. 5 dargestellt, bei welcher der Zeigerarm 12 an seinem einen Ende einen sehr kleinen Anker 30 aus Weicheisen trägt, während in geringer Entfernung darüber, darunter oder dahinter, in genauer Ausrichtung mit der gewählten Nullstellung, ein kleiner Elektromagnet 31 fest angebracht ist. Sobald der Magnet 31 erregt wird und der Zeigerarm 12 sich in der Nachbarschaft der gewählten Nullstellung befindet, wird der Anker 30 angezogen, und der Zeiger zeigt genau auf Null. Wenn gleichzeitig mit der Zuführung von Strom zur Drehspule 10, um sie von dieser ihrer Grundstellung abzulenken, der Magnet 31 entregt wird, kann die Drehspule die Ablenkung genau an der gewählten Nullstellung beginnen.
Bei der Kapazitätsmessanordnung, wie sie unter Bezugnahme auf die Fig. 3 oder 8 beschrieben wurde, ist es ferner notwendig, festzustellen, wann der Zeigerarm 12 während seiner Rückkehrbewegung die Nullstellung erreicht, damit die Rückstromstossreihe beendigt werden kann. Das geschieht im wesentlichen ähnlich wie in Fig. 1, und zwar so, dass eine Maske 13 auf dem Zeigerarm 12 den Lichtstrahl zwischen einer Lichtquelle und einem lichtempfindlichen Element 15, wie z. B. einem Phototransistor, unterbricht.
In Fig. 4 ist eine vollständige Aufeinanderfolge der Vorgänge dargestellt, die bei einer Ladungsmessung mit Hilfe der in Fig. 3 oder 8 dargestellten Schaltung und eines in Fig. 5 gezeigten Integrierinstrumentes auftreten.
Im Zeitpunkt tO wird der Transistor T1 eingescha,- tet und der Transistor T2 ausgeschaltet, wodurch die Aufladung des Kondensators Cx mit der unbekannten Kapazität durch Zuführung geeigneter Potentiale an die Klemmen, 1, 2 eingeleitet wird. Der Magnet 31 über der Nullstellung wird in diesem Augenblick erregt und hält daher den Zeigerarm 12 in der Nullstellung fest, und da der Lichtstrahl zwischen der Quelle 14 und der Zelle 15 unterbrochen ist, meldet deren Ausgang Null.
Im Zeitpunkt tl, der genügend lange nach dem Zeitpunkt tO liegt, um dem Kondensator Cx zu gestatten, sich trotz möglicher Widerstände in der Leitung, die immer im Ladestromkreis auftreten können, vollständig aufzuladen, werden der Transistor T1 und der Magnet 31 ausgeschaltet, was den Zeigerarm 12 freigibt. Im Zeitpunkt t2, der kurz auf den Zeitpunkt tl folgt, wird der Transistor t2 eingeschaltet, was bewirkt, dass der Kondensator Cx sich über das Instrument 11 entlädt und dadurch den Zeigerarm 12 in Richtung seiner maximalen Ablenkstellung dreht. Sobald sich der Zeigerarm 12 vom Nullpunkt entfernt, gibt die Zelle 15 ein Ausgangssignal, das zur Steuerung zwecks Ausschaltens aller anderen Vorgänge zur Verfügung steht, wenn es wieder unterbrochen wird.
Der Transistor T2 wird im Zeitpunkt t3 ausgeschaltet, der genügend lange nach dem Zeitpunkt t2 folgt, um die Entladung des Kondensators Cx zu erlauben; gleichzeitig wird das Umschaltrelais betätigt, um die Stellung der Kontakte R1, R2 und R3 (gegebenenfalls auch R4, falls vorhanden) umzukehren. Danach, im nachfolgenden Zeitpunkt t4, wird der Transistor T1 bis zum Zeitpunkt t5 eingeschaltet, um den Kondensator Cq über das Instrument 11 zu laden und dadurch den Zeigerarm 12 des letzteren um einen Schritt zurück gegen die Nullstellung zu treiben. Später, zwischen den Zeitpunkten t6 und t7, wird der Transistor T2 eingeschaltet und der Transistor T1 ausgeschaltet, um den Kondensator Cq zu entladen, während das Instrument 11 unbeeinflusst bleibt.
Zwischen den noch späteren Zeitpunkten t8 und t9 wird der Transistor T1 wieder eingeschaltet und der Transistor T2 ausgeschaltet, wodurch der Kondensator Cq wieder aufgeladen wird. Hiernach wird der Prozess wiederholt, bis im Zeitpunkt tn das Ausgangssignal der Photozelle 15 durch die Ankunft des Zeigerarmes 12 in der Nullstellung unterbrochen wird. Das bedeutet das Ende der Messung und, wenn jeder der Ladungs- oder Entladungsstromstösse vom Kondensator Cq einen Zähler betätigte, zeigt der Endstand dieses Zählers die Ladung und daher den unbekannten Kapazitätswert des Kondensators Cx an.
Die genannte Unterbrechung des Ausgangsstromes von der Photozelle 15 wird dazu benutzt, die den Klemmen 1 und 2 zugeführten, wechselnden Steuerpotentiale zu unterbinden und die Relaiskontakte R1, R2, R3 (und R4) in ihre dargestellte Ausgangslage zu bringen, wodurch die Bereitschaft für eine neue Messung erstellt ist.
Als Alternative zur elektromagnetischen Nulleinstellung, wie sie in Fig. 5 dargestellt wird, kann eine elektrostatische Vorrichtung nach Fig. 9 angewendet werden. Sie weist am einen Ende des Zeigerarmes 12 eine leichte Elektrode 40 auf, die zwischen zwei vorzugsweise keilförmigen feststehenden Elektroden 41, die mit der gewählten Bezugs- oder Nullstellung koinzidieren, bewegbar ist. Die beiden Elektroden 41 sind parallel zueinander geschaltet, und können mittels des in Verbindung mit Fig. 5 beschriebenen Schalters mit einer Klemme der Potentialquelle 42 verbunden werden, deren entgegengesetzte Klemme mit der beweglichen Elektrode 40 verbunden ist. Die Quelle 42 kann entweder eine Gleichstrom- oder Wechselstromquelle sein.
Method and apparatus for measuring the capacitance of an electrical capacitive structure
The present invention relates to a method and an apparatus for measuring the capacitance of an electrical capacitive structure and is particularly intended to measure high capacitance values, e.g. B. thousands of microfarads. A special, but exclusive form of application of the invention relates to determining the number of subscribers who are actively connected to a radio or television program distribution network at a certain point in time.
Measuring a high value electrical capacitance by the usual bridge method is inconvenient because of the low reactance of the capacitance even at a low AC frequency. The method according to the present invention is characterized in that first the capacitive structure is electrically charged up to a known voltage and then discharged by an integrating measuring device which contains a member that is movable by the discharge current and comes to rest in one position after the discharge process has been completed , which represents the current / time integral of the discharge current flow.
The inventive apparatus for performing the method is characterized by a torque-free moving coil measuring instrument, a source of constant and known potential, a circuit device for connecting the electrical structure in parallel with the capacitance to be measured first with the potential source and then with the moving coil of the measuring instrument, and means for determining the Angle between the original and the deflected position of the moving coil of the mentioned instrument before or after the discharge of the capacitive structure by the moving coil.
If a constant current flows through the coil of a moving coil instrument, and the coil receives the current via strands or similar means that do not exert any torque on the coil, the coil moves evenly through an arcuate magnetic field at a speed proportional to the current.
Accordingly, when such a coil receives a discharge current from the electrical structure with the capacitance to be measured, the result is that the coil is deflected by a distance that is proportional to the time integral of the current, regardless of the time course of the amplitude of the current itself.
Since the coil remains motionless after the current impulse has ceased, its new position in comparison to the initial position is a measure of the charge value.
This charge value can be read off by attaching a suitable scale. If the charging voltage is exactly known and constant, the scale can be converted directly into I capacitance values, e.g. B. microfarads are calibrated.
In general, it is not expedient to use such a device and a numeric display device to directly display a numeric display, since the moving coil instrument is relatively sensitive. In the following, however, it is shown how a direct numerical display is possible without requiring a power output from the moving coil instrument.
In order to make the invention easier to understand, various embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings, merely by way of example.
1 shows schematically a measuring apparatus with a servo tracking mechanism, which derives a numerical display from a moving coil instrument, the moving coil of which is deflected by the discharge current from a capacitive structure with the capacity to be measured;
Figure 2 is a similar schematic representation of another apparatus in which the reading is electro-optically;
3 shows the electrical circuit diagram of a measuring apparatus which is used in particular for use in a radio or television program distribution system for subscribers to determine their number;
FIG. 4 shows a series of time / amplitude diagrams which illustrate the functioning of the apparatus according to FIG. 3;
Fig. 5 is a schematic representation of an arrangement for ensuring the alignment of the rotating coil of the measuring device to a predetermined reference position, e.g. B. to zero;
6 shows an electrical circuit diagram to explain the basic method according to the present invention for measuring the capacitance;
7 is a circuit diagram for explaining the preferred embodiment of the method for measuring capacitance with the possibility of a numerical reading of the measurement result;
FIG. 8 is a circuit diagram of a configuration of the measuring apparatus modified from FIG. 3;
Fig. 9 shows a variant of Fig. 5 of an arrangement for aligning the rotary coil to a predetermined reference position.
From Fig. 6 it can be seen that the basic method according to the present invention for capacitance measurement consists in first connecting the capacitive structure with the capacitance Cx to be measured in parallel with a current source S and then, after it has been fully charged, disconnected from the current source and via an integrating measuring device IM is discharged. The latter is preferably a moving coil instrument 11 with a moving coil 10 moving in a homogeneous magnetic flux between the opposite N and S poles. As has already been explained, the moving coil should be free from any external torque influence so that its final deflection position after the complete discharge of Cx represents the capacitance value.
If the voltage of the current source S is constant and known, and if the rotating coil is brought into a predetermined reference position before the start of the discharge, an appropriately calibrated scale can be used in conjunction with a pointer attached to the rotating coil, so that the immediate reading of the to enable measured capacitance value.
The alternating charging and discharging of the structure Cx can be controlled by a switching device A, while, if desired, series resistors F and G can be provided in order to limit the maximum values of the charging and discharging currents.
An arrangement for the numerical reading is shown in FIG. 1 and requires the use of a servo tracking mechanism which can be controlled by the deflecting movement of the rotating coil 10 in the instrument. In this arrangement, the rotating coil 10 of the integrator 11 is provided with a radially attached pointer arm 12, the free end of which carries a small flag or mask 13, which is used to shield the light of a light source 14, which can be a small electric lamp, from a photoelectric wall ler 15, which can consist of a photocell or a phototransistor, is used. The light source 14 and the photoelectric converter 15 are themselves on one arm
16 mounted, which is carried by a shaft 17 which is rotatable about an axis coaxial with the rotating coil 10.
The shaft 17 can be driven via a suitable reduction gear 18 by an auxiliary motor 19 which is fed by a servo amplifier 20, the input of which is connected to the output of the photoelectric converter 15.
The arrangement is such that when the rotating coil 10 and the pointer arm 12 rotate, whereby the mask 13 is moved from its normal light-shielding position between the light source 14 and the photoelectric converter 15, the change in the output of the converter 15 excites the servo motor 19, which moves the arm 16 until the light beam between the light source and the photoelectric converter is interrupted by the mask 13 again. The axis 17 thus rotates through an angle which corresponds to the deflection angle of the rotating coil 10. A suitable dual coded disc 21 can be attached to the axle 17 or to some other part of the mechanism which rotates in proportional angular relationship with the axle. If necessary, a dual-coded output signal, which reflects the angular position of the pointer arm 12, in the usual way, such as.
B. can be achieved by a further light source 22 on one side and by groups of photocells on the other side of the disc 21.
A variant of this reading device is shown in FIG. 2, according to which a mirror 24 is attached to the rotating coil 10 and arranged in such a way that a narrow strip of light is thrown from a light source 25 through a narrow slot 26 in a mask onto a cylindrically curved scale 27 , which carries a dual-coded pattern 28 that is partly translucent and partly opaque. The width of the light strip that reaches the scale 27 is such that only one of the vertically coded areas is illuminated. Photocells or other similar devices that are influenced by the light beam that passes through the different parts of the illuminated scale are designed in such a way that they immediately give a numerical output signal that reflects the position of the coil 10.
Similar to FIG. 2 is another arrangement in which the mirror 24 on the spinning reel reflects a light spot onto a fixed grating-like scale which has a number of mutually separate reflective or translucent zones. The light reflected or transmitted from each such zone is captured by a photocell or similar device to produce a series of electronic digit counters which can be used to operate electronic digit counters or other equivalent devices.
A disadvantage of the arrangements described above is that the relationship between the angular movement of the rotating coil 10 and the entered current value is not always precisely linear because minor irregularities occur in the assumed constant magnetic flux density of the magnetic field through which the coil 10 rotates. This lack of linearity requires individual calibration or manufacture of the dual coded scales for each instrument if high accuracy is required.
A preferred embodiment of the present invention aims to overcome these disadvantages by returning the rotating coil of the integrating device to its original position after being deflected by the discharge current, by a further current surge or by a series of current surges, the strength and duration of which are more easily measured or predetermined can be.
Accordingly, if a constant electrical current of precisely known magnitude is used to drive the deflected moving coil to its original zero position, the measurement of the time required to return the coil to zero position can be used to measure the charge that originally deflected the pointer . A variant of this method consists in supplying the moving coil with a series of small, precisely known amounts of charge, which are always the same, in one direction in order to turn the moving coil back into its original reference or zero position; if the number of such quantities of charge is counted, it can express the sought result numerically.
A convenient way of applying such a series of return charges is to charge a small capacitor repeatedly to a constant and known voltage and then to discharge it each time through the coil of the moving coil instrument until the moving coil is turned back to its zero position. Such a small capacitor can, however, as an alternative solution, be charged each time via the moving coil of the moving coil instrument and then discharged by short circuit. The same current impulses can also serve as drive impulses for an electronic counter whose end position when the moving coil of the moving coil instrument reaches the zero or reference position represents the load value and thus the desired measured capacitance value.
Such an arrangement just mentioned has the advantage that if the capacitive structure with the capacitance to be measured is charged up to a given constant voltage V and the small capacitor is also charged to the same voltage, the real value of the voltage is of secondary importance. Under such circumstances, the sought result of the capacitance measurement is only equal to the capacitance value of the small capacitor, multiplied by the number of individual current impulses from the latter, which is necessary to bring the moving coil back to its zero position. Any in the moving coil instrument e.g.
Non-linearities caused, for example, by inadequate homogeneity of the magnetic field are automatically compensated because they occur to the same extent, but in the opposite sense, both in the measurement and in the backward movement of the coil.
Such an arrangement is shown in FIG. 7, in which the capacitive structure Cx with the capacitance to be measured is charged by a switching device A via a series resistor F from a current source S and then again via the same switching device A, a series resistor G and by the integrating device A. , a series resistor G and is discharged through the integrator IM with the moving coil 10. In order to bring about a numerical display of the charge and consequently the capacitance value, the switching device Ä is returned to the position shown in order to separate the structure Cx from the measuring device.
A capacitor Cq of precisely known capacitance value, which is as many times as possible smaller than the estimated or anticipated capacitance value of Cx, can be connected by switches D1 and D3 either for charging in parallel with the source S or for discharging in parallel with the integrating device IM.
The type of connection of the capacitor Cq is such that the discharge current emanating from it, which flows through the rotating coil 10, is directed opposite to the original discharge current from Cx.
As a result, the moving coil 10 is gradually moved back into its original zero or reference position, the number of steps required for this specifying the ratio of the corresponding capacitance values of the known capacitance Cq to the unknown capacitance Cx. The number of steps can be registered by a mechanical counting device coupled to switches D1 and D2 or, if the switches are not mechanical, by means of an electronic counting circuit CC which is excited by each charging current through the capacitor Cq.
A particular circuit for measuring capacitance in the manner described above is described below with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. In FIG. 3, Cx represents the equivalent capacitor with the capacitance to be measured (e.g. that of a program distribution network), while Cq designates the smaller capacitor and 11 the integrating instrument. An npn transistor T1 controls the charging of the capacitance Cx by a constant voltage source B via changeover switch contacts R1 and R2, while a transistor T2 of the npn type controls the discharging of the same capacitance Cx by the integrating instrument 11.
A third transistor T3 of the pnp type controls the functioning of transistor T1 by applying a switching voltage to terminal 1.A switching voltage is fed to transistor T2 via terminal 2, and the arrangement is such that with negative terminal 1 and positive terminal 2 the transistor T3 is conductive and makes the transistor T1 conductive, while the transistor T2 is switched off. If, on the contrary, terminal 1 is positive and terminal 2 is negative, transistors T3 and T1 are switched off and the like. the transistor T2 conductive.
The contacts R1 and R2, as well as the contact R3, are part of a changeover relay, the coil of which is not shown, and which is used for control purposes, as will be described below.
When the transistor T1 is switched on and the transistor T2 is switched off, the capacitor Cx is fully charged to -50 volts of the voltage source B via the transistor T1 and the relay contacts R1 and R2. At that point in time, the integrating instrument 11 is out of operation since the transistor T2 is switched off. When the capacitor Cx is fully charged, the control potentials of the terminals 1 and 2 are interchanged, whereby the transistor T1 is off and the transistor T2 is on. The capacitor Cx now discharges via the relay contact R2, the integrating instrument 11, the relay contact R3 and the transistor T2, whereby the moving coil of the instrument 11 is deflected and finally comes to rest in a position dependent on the charge value in the capacitor Cx.
The relay now reverses the positions of contacts R1, R2 and R3, thereby switching off capacitor Cx and connecting the smaller capacitor Cq to the circuit. By reversing the control potentials 1 and 2, the transistor T1 is turned on again and the transistor 2 is switched off. The capacitor Cq is now charged to the voltage of the source B via the relay contact R1 and the integrating instrument 11 and the relay contact R2; the resulting current flow through the instrument 11 brings its moving coil 10 one step closer to the zero position. The control potentials of terminals 1 and 2 are reversed again, whereby the transistor T1 is switched off and the transistor T2 is made conductive, so that the now charged capacitor Cq is discharged via the relay contacts R3 and the transistor T2.
After a few repetitions, the number of which depends on the deflected position of the moving coil 10 of the instrument 11, the coil has returned to its zero position. The number of charge current surges that the capacitor Cq receives in order to effect this is determined with the aid of a suitable counting device, such as a dual or other pulse counting system, and is a measure of the charge on the capacitor Cx.
When the capacity of Cq is a unit of value, such as B. a microfarad, the specified number directly corresponds numerically to the capacitance to be measured.
If the capacitance Cx to be measured has a very large value and therefore causes a strong discharge current, it can be advantageous to provide the moving coil 10 of the integrating instrument with a shunt during the discharge phase, whereby the sensitivity of the instrument is reduced while the original sensitivity is reduced is restored during the subsequent reversal phase using the capacitor Cq. As FIG. 8 shows, this can be done by using a further relay contact R4, which switches the shunt resistor H in parallel with the integrating instrument 11 during the Cx discharge.
As mentioned above, the torqueless instrument 11 does not necessarily have a natural zero or reference position. It is therefore advantageous to provide means which allow a zero or reference position to be determined and, if desired, to keep the pointer in alignment with it, without the aid of mechanical detents which would have an unfavorable effect.
A corresponding arrangement is shown in FIG. 5, in which the pointer arm 12 carries a very small armature 30 made of soft iron at one end, while a small electromagnet 31 a short distance above, below or behind it, in precise alignment with the selected zero position is firmly attached. As soon as the magnet 31 is excited and the pointer arm 12 is in the vicinity of the selected zero position, the armature 30 is attracted and the pointer points exactly to zero. If the magnet 31 is de-energized at the same time as current is supplied to the moving coil 10 in order to deflect it from its basic position, the moving coil can start the deflection precisely at the selected zero position.
In the capacitance measuring arrangement as described with reference to FIGS. 3 or 8, it is also necessary to determine when the pointer arm 12 reaches the zero position during its return movement so that the series of reverse current surges can be ended. This is done essentially similarly to FIG. 1, in such a way that a mask 13 on the pointer arm 12 passes the light beam between a light source and a light-sensitive element 15, such as, for. B. a phototransistor interrupts.
FIG. 4 shows a complete sequence of the processes which occur during a charge measurement with the aid of the circuit shown in FIG. 3 or 8 and an integrating instrument shown in FIG.
At time t0 the transistor T1 is switched on and the transistor T2 switched off, whereby the charging of the capacitor Cx with the unknown capacitance is initiated by supplying suitable potentials to the terminals 1, 1, 2. The magnet 31 above the zero position is excited at this moment and therefore holds the pointer arm 12 in the zero position, and since the light beam between the source 14 and the cell 15 is interrupted, the output reports zero.
At time tl, which is long enough after time tO to allow the capacitor Cx to fully charge despite possible resistances in the line that can always occur in the charging circuit, the transistor T1 and the magnet 31 are switched off, which the Pointer arm 12 releases. At time t2, which shortly follows time t1, transistor t2 is switched on, which causes capacitor Cx to discharge through instrument 11 and thereby rotate pointer arm 12 in the direction of its maximum deflection position. As soon as the pointer arm 12 moves away from the zero point, the cell 15 gives an output signal which is available for control in order to switch off all other processes when it is interrupted again.
The transistor T2 is switched off at the time t3, which follows the time t2 long enough to allow the capacitor Cx to discharge; At the same time, the changeover relay is actuated to reverse the position of contacts R1, R2 and R3 (possibly also R4, if present). Thereafter, at the subsequent time t4, the transistor T1 is switched on until the time t5 in order to charge the capacitor Cq via the instrument 11 and thereby drive the pointer arm 12 of the latter one step back towards the zero position. Later, between times t6 and t7, the transistor T2 is switched on and the transistor T1 is switched off in order to discharge the capacitor Cq while the instrument 11 remains unaffected.
Between the later times t8 and t9, the transistor T1 is switched on again and the transistor T2 is switched off, whereby the capacitor Cq is charged again. The process is then repeated until, at time tn, the output signal of the photocell 15 is interrupted by the arrival of the pointer arm 12 in the zero position. This means the end of the measurement and, if each of the charge or discharge current surges from the capacitor Cq activated a counter, the final reading of this counter shows the charge and therefore the unknown capacitance value of the capacitor Cx.
The above-mentioned interruption of the output current from the photocell 15 is used to prevent the changing control potentials fed to terminals 1 and 2 and to bring the relay contacts R1, R2, R3 (and R4) into their initial position as shown, whereby the readiness for a new one Measurement is created.
As an alternative to the electromagnetic zeroing shown in FIG. 5, an electrostatic device according to FIG. 9 can be used. At one end of the pointer arm 12 it has a light electrode 40 which can be moved between two preferably wedge-shaped stationary electrodes 41 which coincide with the selected reference or zero position. The two electrodes 41 are connected in parallel to one another and, by means of the switch described in connection with FIG. 5, can be connected to one terminal of the potential source 42, the opposite terminal of which is connected to the movable electrode 40. The source 42 can be either a DC or AC power source.