專(zhuān)利名稱(chēng)：電容測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電容測(cè)量裝置，更具體地說(shuō)，涉及一種用來(lái)測(cè)量物質(zhì)檢測(cè)探針中的電容的裝置。
電容測(cè)量裝置有若干用途。有一種用途涉及到檢測(cè)物質(zhì)水平(例如在箱體中的液體)。在這些應(yīng)用中，電容測(cè)量探針被置于含有物質(zhì)的容器內(nèi)。容器和探針處在不同的電位上，使得其間形成電容器。空氣和容器內(nèi)含的物質(zhì)作為電介質(zhì)。隨著特質(zhì)水平改變，探針和容器之間的電容也改變。
一般使用下列參數(shù)之一根據(jù)容抗進(jìn)行電容測(cè)量(a)微分阻抗(differential impedance)或?qū)Ъ{;(b)相位差;或(c)頻率(或時(shí)間)。
微分阻抗技術(shù)以通用的阻抗表達(dá)式為依據(jù)Z=R2+(XL-XC)2]]>為了使用這一技術(shù)，建立兩個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)，每個(gè)具有相同的驅(qū)動(dòng)頻率、驅(qū)動(dòng)幅值、電阻和電感。一個(gè)系統(tǒng)含有一個(gè)已知值的基準(zhǔn)電容器。另一個(gè)系統(tǒng)則含有被測(cè)的電容器。這樣，兩個(gè)系統(tǒng)之間唯一的差別就是電容不同。具有基準(zhǔn)電容的系統(tǒng)的輸出和具有未知電容的系統(tǒng)的輸出相比較，以確定民壓或電流微分。根據(jù)歐姆定律(V＝iz)，電壓或電流微分與電容成正比這種系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是，電感的精確控制和匹配是困難的。因此，根據(jù)這一原理的系統(tǒng)，雖然很粗糙，也希望有一合適的精度(例如大約在百分之一到百分之三之間的誤差)。
相位差技術(shù)是以容抗表達(dá)式為依據(jù)Xc＝ 1/(-jwc)為了使用這一技術(shù)，建立兩個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)，每個(gè)具有一致的驅(qū)動(dòng)頻率和驅(qū)動(dòng)相位。一個(gè)系統(tǒng)含有已知值的基準(zhǔn)電容器，另一一系統(tǒng)含有被測(cè)的電容器。這樣，兩個(gè)系統(tǒng)之間唯一的差別就是電容不同。不同的電容使系統(tǒng)的輸出具有不同的相位角，在理論上，相位差與電容成正比。遺憾的是，電容和相位角之間呈線性關(guān)系的系統(tǒng)難于建立，并且其整體精度不佳。
頻率以及基于時(shí)間的技術(shù)根據(jù)通用的擴(kuò)展的麥克斯維韋電磁理論V＝λf
根據(jù)這一方程，重復(fù)波形的率頻是波長(zhǎng)的倒數(shù)(因?yàn)閷?duì)一組給定的傳播條件而言速度保持恒定)。對(duì)于難定時(shí)間常數(shù)τ＝RC加在被充電電壓V充電的電容器上的電壓Vc為Vc=V[1-ω-tc]]]>而以初始電壓V放電的電容器上的電壓為Vc=Vϵ-ti]]>交換上述充電放電方程，則可用電流代替電壓。上述方程的曲線呈指數(shù)形，趨于漸近線而永遠(yuǎn)不完全收斂。
借助建立一電子振蕩器或多諧振蕩器，使用容抗作為確定不同頻率的元件，則可建立電容值與合成頻率或波長(zhǎng)之間的正比率關(guān)系。集成電路無(wú)穩(wěn)態(tài)和單穩(wěn)態(tài)電路(例如555定時(shí)器)經(jīng)常使用這一原理，并已被用于測(cè)量電容。
對(duì)于這些測(cè)量形式的典型控制是某一形式的比較器，因?yàn)椴ㄐ问侵笖?shù)形的或超越形的(即恒定變化的斜率)，固有的比較器傳播滯后會(huì)導(dǎo)致誤差?；陬l率的系統(tǒng)也會(huì)由于不同步的選通而引起±1的計(jì)數(shù)誤差。
對(duì)于在(工業(yè)上)計(jì)量系統(tǒng)中的應(yīng)用，正弦振蕩器的對(duì)稱(chēng)雙極波形是可取的。典型的脈沖型和非穩(wěn)型系統(tǒng)產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)極化波形，這引起某種化學(xué)的(即離子的)電介質(zhì)沉積。A.C.連接(通過(guò)一非常大的電容器)到被測(cè)電介質(zhì)的系統(tǒng)也是通常的，這些充電永遠(yuǎn)不會(huì)完全平衡，因而產(chǎn)生沉積。
因?yàn)轭l率直接正比于容抗并反比于電容，基于頻率的直讀儀表趨于復(fù)雜(通常需要數(shù)字標(biāo)度)。基于時(shí)間的系統(tǒng)由于直接換算比例而相對(duì)簡(jiǎn)單。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種高精度的基于時(shí)間的系統(tǒng)，用來(lái)測(cè)量電容器的值。按照本發(fā)明，被測(cè)量的電容器經(jīng)受一個(gè)測(cè)量周期，該周期的大小確定一預(yù)定的基本參考時(shí)間。在每一測(cè)量周期中，電容器經(jīng)受一個(gè)充電-放電-充電循環(huán)，從而產(chǎn)生集聚的凈中性電荷。充-放-充電循環(huán)的持續(xù)時(shí)間和參考時(shí)間進(jìn)行比較，從而確定電容。在充-放-充電循環(huán)結(jié)束時(shí)，在測(cè)量周期的其余時(shí)間內(nèi)，電容器被旁路或“嵌位”到參考地電位。這一旁路或“居留”時(shí)間在每一測(cè)量周期期間提供了用來(lái)使電介吸收放電的時(shí)間滯后。
電容器的充電相對(duì)于時(shí)間是線性的，為了使電容器形成線性的充(放)電斜率，通過(guò)在任一電容上充電狀態(tài)下保持AQ/△t＝K(K取決于被測(cè)電容的范圍)，則得到C (△V)/(△t) ＝ (△Q)/(△t) 。恒定的電荷積累產(chǎn)生恒定的電容器電壓量值變化，因此產(chǎn)生一線性的斜率。實(shí)際的實(shí)現(xiàn)是一正、負(fù)恒流源，它們可以合適的充電電平間隔連接到電容器。為減少介電吸收作用，對(duì)電容器加以旁路是每一測(cè)量周期的一部分，這樣做便不需要自動(dòng)為零電路，同時(shí)又確保電容器集聚的凈電荷為零。
在一個(gè)實(shí)施例中，電容測(cè)量裝置產(chǎn)生一持續(xù)時(shí)間為被測(cè)電容的線性函數(shù)的輸出信號(hào)。該裝置包括兩個(gè)相反極性的恒流源。該電流源以相同速率給電容器線性充電。被測(cè)量的電容器有一個(gè)連接到參考地的電極和一連接到測(cè)量引線的電極。幾個(gè)比較器(或其它合適的電壓傳感器)被連到測(cè)量引線和一電阻網(wǎng)絡(luò)上，用來(lái)檢測(cè)被測(cè)電容器上的電壓。
一個(gè)對(duì)電壓傳感器響應(yīng)的控制子系統(tǒng)，該控制子系統(tǒng)起初把測(cè)量引線連到第一電流源上，使電容器充電到第一預(yù)定電壓。當(dāng)電容器已達(dá)到第一預(yù)定電壓時(shí)，控制子系統(tǒng)就把測(cè)量引線連到第二電流源使電容器充電到第二預(yù)定電壓。第二預(yù)定電壓與第一預(yù)定電壓極性相反，而幅值最好相等。這樣，地參考電壓就是第一、第二預(yù)定電壓的中點(diǎn)。
當(dāng)電容器達(dá)到第二預(yù)定電壓時(shí)，控制子系統(tǒng)就把測(cè)量引線再連到第一電流源使電容器充電到地參考電壓。當(dāng)電容器達(dá)到地參考電壓時(shí)，充-放-充電循環(huán)完成。控制子系統(tǒng)把測(cè)量線連到參考地以便在駐留時(shí)間內(nèi)使電容器嵌位到地。作為基準(zhǔn)時(shí)間的百分?jǐn)?shù)的完成充-放-充電循環(huán)的時(shí)間與電容成比例。
控制系統(tǒng)可以以各種方式構(gòu)成，最佳技術(shù)基于計(jì)數(shù)器、確定正、負(fù)和地參考電壓的電阻網(wǎng)絡(luò)以及用來(lái)比較測(cè)量電壓和參考電壓的幾個(gè)比較器，其它的控制技術(shù)也可使用。


圖1是本發(fā)明的電容測(cè)量裝置的方塊圖;
圖2是說(shuō)明圖1的裝置工作的時(shí)序圖;
圖3是使用圖1的電容測(cè)量裝置的流體測(cè)量系統(tǒng)。
圖1說(shuō)明用來(lái)測(cè)量具有極板12和14的電容器Cx的電容的裝置10。電容測(cè)量裝置10包括測(cè)量線16，它與被測(cè)電容Cx的探針板12相連，一個(gè)正電流源18，負(fù)電流源20，和一參考地22、電流源18和20是極性相反安培數(shù)相等的鏡象源。測(cè)量線16通過(guò)開(kāi)關(guān)S0、S1、S2分別有選擇地連到地22、電流源18和電流源20。如下所述，開(kāi)關(guān)S0-S2通過(guò)控制子系統(tǒng)24分別由控制線A0-A2啟動(dòng)。每個(gè)開(kāi)關(guān)S0-S2保持打開(kāi)直到其各自的控制線被占用。電容器板14被連到地27，它和參考地22處于同一電位。
測(cè)量裝置10在基準(zhǔn)時(shí)間(或“測(cè)量周期”)期間計(jì)算電容器Cx的電容，基準(zhǔn)時(shí)間由下述的外部主控時(shí)鐘信號(hào)SYSCLK確定。在測(cè)量周期內(nèi)，裝置10使電容器經(jīng)受線性充-放-充電循環(huán)，它包括三個(gè)分離的階段，下面將詳述。完成充-放-充電循環(huán)的時(shí)間與參考時(shí)間進(jìn)行比較從而確定電容器Cx的電容。該過(guò)程重復(fù)進(jìn)行以便連續(xù)進(jìn)行電容的測(cè)量。
在給被測(cè)電容Cx充電時(shí)，使用一個(gè)完整的直線三角波。所希望的波形特性用一般的斜率方程y＝mx+b描述。截段〔b〕必須等于零(即參考地22)，以保證對(duì)稱(chēng)的極性，使凈累積電荷為零，防止極化和電勢(shì)沉積。斜率〔m〕必須在所有點(diǎn)為線性的，以便取消傳播帶后的不同性。在所有象限內(nèi)其橫座標(biāo)參考的絕對(duì)值必須反比于被測(cè)電容器9正比于容抗)。在測(cè)量周期內(nèi)，電容的Cx起初通過(guò)使開(kāi)關(guān)S0閉合把測(cè)量線16連到參考地22使其放電。然后，電容Cx通過(guò)使開(kāi)關(guān)S1閉合把測(cè)量線16連到正電流源18上被充電到一預(yù)定的正電壓值(例如+5V)。當(dāng)電容器Cx達(dá)到這一正電壓值時(shí)，使開(kāi)關(guān)S2閉合，測(cè)量線16連到負(fù)電流源20上，使電容器Cx達(dá)到這一負(fù)電壓時(shí)，通過(guò)閉合開(kāi)關(guān)S1使測(cè)量線16連到正電流源18上，使電容器Cx被充電到參考地22。
當(dāng)電容器Cx達(dá)到參考地電位時(shí)，通過(guò)閉合開(kāi)關(guān)S0使其嵌位在地電位。電容器Cx保持被嵌位在地，直到下一個(gè)測(cè)量周期開(kāi)始(即主控時(shí)鐘信號(hào)SYSCLK的下一個(gè)脈沖)。
開(kāi)關(guān)S0-S2的打開(kāi)和閉合由控制子系統(tǒng)24實(shí)現(xiàn)。控制子系統(tǒng)24的特征在于一系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26和三個(gè)電壓傳感比較器28、30和32。系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26有5個(gè)輸出端Q0到Q4，以及復(fù)位和時(shí)鐘輸入端。系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26的操作類(lèi)似于環(huán)形計(jì)數(shù)器，即在任何給定時(shí)刻只有一個(gè)輸出可以是高。當(dāng)復(fù)位輸入為高時(shí)，系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26把輸出Q0設(shè)置為高，而輸出Q1-Q4為低。然后系統(tǒng)計(jì)數(shù)器每當(dāng)時(shí)鐘輸入選通時(shí)順序地設(shè)置輸出Q1到Q4中的一個(gè)(并且只有一個(gè))為高。
輸出Q0被連到外部信號(hào)輸出端和開(kāi)關(guān)控制線A0上。輸出信號(hào)下面結(jié)合裝置10的動(dòng)態(tài)操作討論。在時(shí)鐘輸出Q0被占有期間，開(kāi)關(guān)控制線A0閉合開(kāi)關(guān)S0。時(shí)鐘輸出Q1通過(guò)或門(mén)34與線A1相連使得當(dāng)輸出Q1被斷定時(shí)閉合開(kāi)關(guān)S1。輸出Q2連到線A2，使得當(dāng)輸出Q2被斷定時(shí)開(kāi)關(guān)S2閉合。輸出Q3在連到或門(mén)34。如上結(jié)合輸出Q1所述的，或門(mén)34的輸出被連到線A1，當(dāng)輸出Q3或Q1為高時(shí)閉合開(kāi)關(guān)S1。輸出Q4通過(guò)或門(mén)36連接復(fù)位輸入。這樣，當(dāng)輸出Q4為高時(shí)，系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26被復(fù)位。
一個(gè)外部產(chǎn)生的主控復(fù)位信號(hào)INIT通過(guò)或門(mén)36連到計(jì)數(shù)器26的復(fù)位輸入?；蜷T(mén)36的使主控復(fù)位信號(hào)INIT和系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26的輸出Q4控制返回到初始狀態(tài)、主控制復(fù)位信號(hào)INIT當(dāng)系統(tǒng)準(zhǔn)備工作時(shí)產(chǎn)生，例如接通電源時(shí)。否則，當(dāng)如上所述輸出Q4被斷定時(shí)在每次充-放-充電循環(huán)結(jié)束時(shí)，過(guò)程被自動(dòng)復(fù)位。
外部主控時(shí)鐘信號(hào)SYSCLK的間隔確定時(shí)間基準(zhǔn)。主控時(shí)鐘信號(hào)SYSCLK通過(guò)或門(mén)38選通到系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26的時(shí)鐘輸入，使得主控時(shí)鐘SYSCLK的每個(gè)脈沖都使系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26增加。
電阻驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)包括R1、R2、R3和R4，它建立了正參考電壓40、地參考42和負(fù)參考電壓44，如圖1所示(地參考22、27和42是等電位點(diǎn))參考電壓40和44應(yīng)當(dāng)幅值相等(5V)且極性相反。
當(dāng)測(cè)量線16比正參考電壓40更正時(shí)，第一比較器28的輸出為高。當(dāng)測(cè)量線16比負(fù)電壓44更負(fù)時(shí)，第三比較器32的輸出為高。當(dāng)測(cè)量線16跨過(guò)地參考42時(shí)，第二比較器30的輸出為高。第二比較器30的輸出由系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26的輸出Q3通過(guò)與門(mén)46選通或封鎖。
所有三個(gè)比較器28、30和32不與任何滯后的反饋相連，以便使轉(zhuǎn)換點(diǎn)和轉(zhuǎn)換時(shí)刻為最佳。這是可能的，因?yàn)楫?dāng)充電方向在該點(diǎn)上及時(shí)改變時(shí)，首先轉(zhuǎn)換的有效性被取消了。為了傳播滯后的一致，在比較器28和32的輸出端分別增加兩個(gè)緩沖器48，有效地與通過(guò)與門(mén)46的滯后取得一致。
構(gòu)成前述裝置10的合適元件如下。在最近申請(qǐng)的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)No.08/122，212，名稱(chēng)為“具有地箝位的雙極跟蹤電流源/轉(zhuǎn)換器”(Attorney Docket No.30725-10075)中披露了一種最佳的電流源18和20(該申請(qǐng)披露的內(nèi)容全部列出作為參考)。
電源電壓 ±7vdc系統(tǒng)計(jì)數(shù)器(26) CD4017BC2輸入或門(mén)(34) CD4071BC2輸入與門(mén)(46) CD4081BC4輸入或門(mén)(38) CD4072BC模擬開(kāi)關(guān)(S0-S2) CD4066BC運(yùn)算放大器(28，30，32) LM308
基準(zhǔn)參考時(shí)間1ms主控時(shí)鐘信號(hào)CD4528BC電阻R1，R4 2KΩ電阻R2，R35K電容測(cè)量裝置10的動(dòng)態(tài)工作用圖2的時(shí)序圖說(shuō)明。為清楚起見(jiàn)，圖2中線(a)到(i)說(shuō)明下列信號(hào)(a) 主控時(shí)鐘50(b) 電容器Cx的電壓波形(c) 系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26的Q0(d) 系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26的Q1(e) 系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26的Q2(f) 系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26的Q3(g) 系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26的Q4(h) A1開(kāi)關(guān)控制線(i) 測(cè)量線16的充電電流波形。
比較器28、30、32的輸出通過(guò)或門(mén)38連到系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26的時(shí)鐘輸入端。如上所述，每當(dāng)時(shí)鐘輸入被選通時(shí)，計(jì)數(shù)器26就增加。這樣，每當(dāng)三個(gè)電平傳感比較器28、30和32中的一個(gè)輸出為高時(shí)，系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26就增加。如上所述，主控時(shí)鐘信號(hào)SYSCLK也通過(guò)或門(mén)38被選通進(jìn)入系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26的時(shí)鐘輸入。主控時(shí)鐘信號(hào)SYSCLK建立整個(gè)測(cè)量周期的基本參考時(shí)間，并提供一初始的時(shí)鐘脈沖用來(lái)啟動(dòng)操作。
如圖2中線(a)和(b)所示，整個(gè)充電-放電-充電循環(huán)發(fā)生在測(cè)量周期期間(即主控時(shí)鐘信號(hào)SYSCLK的脈沖之間的間隔內(nèi))。這間隔被設(shè)定為1ms(例如)，以便確保其大于預(yù)期的充電-放電-充電周期。這在每個(gè)測(cè)量周期期間提供了一個(gè)靜態(tài)線，此時(shí)測(cè)量線16被短路(或箝位)到參考地22。
充電-放電-充電的短暫時(shí)間根據(jù)系統(tǒng)計(jì)數(shù)器的輸出Q0(外部可用作輸出信號(hào))決定。輸出Q0用圖2中的線(c)說(shuō)明。充電-放電-充電的時(shí)間與時(shí)間基準(zhǔn)(即主控時(shí)鐘信號(hào)SYSCLK的時(shí)鐘脈沖之間的間隔)比較，從而建立用于決定被測(cè)電容Cx的正比例關(guān)系。例如，如果1ms的基本參考時(shí)間相應(yīng)于100PF的電容值，那么持續(xù)0.75ms的充電-放電-充電周期就表明電容值為75PF。
參見(jiàn)圖2，在時(shí)刻T0(測(cè)量周期開(kāi)始之前)測(cè)量線16被箝位到地22，以便使介電吸收誤差最小。并統(tǒng)一初始條件。因?yàn)闇y(cè)量線16被箝位到參考地22，比較器28和32的輸出則為低。過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)器比較器30的輸出也為低，因?yàn)槠漭敵霰慌c門(mén)46封鎖(系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26的Q4為低)。借助由系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26的輸出Q0來(lái)閉合模擬開(kāi)關(guān)S0來(lái)實(shí)現(xiàn)箝位。在任何時(shí)間點(diǎn)上系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26可以有一個(gè)并且只能有一個(gè)輸出為高。因此，在時(shí)刻T0，電流源18、20不能通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)S1、S2連接于測(cè)量線16上。
在時(shí)刻T1，計(jì)數(shù)器26接收來(lái)自主控時(shí)鐘信號(hào)SYSCLK的一個(gè)脈沖。系統(tǒng)計(jì)數(shù)器輸出Q0變?yōu)榈?，從而打開(kāi)開(kāi)關(guān)S0。同時(shí)，輸出Q1為高并(通過(guò)或門(mén)34)使開(kāi)關(guān)S1閉合。圖2中的線(c)和(d)說(shuō)明了系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26的輸出Q0和Q1。開(kāi)關(guān)S1的閉合把正電流源18和被測(cè)電容器Cx相連(通過(guò)測(cè)量線16)，使正電流源18向電容器Cx充電，朝向一由電阻R1、R2建立的預(yù)定正參考電壓40充電，如圖2中線(b)所示。在時(shí)刻T2(圖2)，被測(cè)電容Cx(以及測(cè)量線16)被充電到正參考電壓40。第一比較器28的輸出變成高，向系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26的時(shí)鐘輸入送入脈沖(通過(guò)或門(mén)38)。如上所述，這使計(jì)數(shù)器26增加。
當(dāng)系統(tǒng)計(jì)數(shù)器在時(shí)刻T2增加時(shí)，輸出Q1、Q2同時(shí)翻轉(zhuǎn)，打開(kāi)開(kāi)關(guān)S1并且閉合開(kāi)關(guān)S2。(圖2中的線(e)表示系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26的輸出Q2)。當(dāng)開(kāi)關(guān)S2閉合時(shí)，負(fù)電流源向被測(cè)電容器Cx和測(cè)量線16提供充電電流。被測(cè)電容器Cx開(kāi)始朝向由電阻分壓網(wǎng)絡(luò)R3和R4建立的負(fù)參考電壓44放電。這-(放)充電以線性方式繼續(xù)到被測(cè)電容Cx在時(shí)刻T3達(dá)到負(fù)參考電壓44為止(如圖2所示)。第三比較器32的輸出變?yōu)楦?，通過(guò)或門(mén)38向系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26的時(shí)鐘輸入發(fā)一脈沖。如上所述，計(jì)數(shù)器26將增加。
當(dāng)系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26在時(shí)刻T3增加時(shí)，輸出Q2和Q3翻轉(zhuǎn)。輸出Q2為低，打開(kāi)開(kāi)關(guān)S2，借以封鎖負(fù)電流源20。同時(shí)，輸出Q3為高，閉合開(kāi)關(guān)S1(通過(guò)或門(mén)34)，并且選通第二比較器30(通過(guò)與門(mén)46)。開(kāi)關(guān)S1的閉合選通正電流源18。極性翻轉(zhuǎn)并且使被測(cè)電容Cx開(kāi)始朝參考地22(放)充電。如圖2線(b)所示，在時(shí)刻T4，測(cè)量線16的電壓經(jīng)過(guò)地參考電平42，第二比較器30的輸出為高，向時(shí)鐘輸入發(fā)出脈沖使系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26增加。
當(dāng)系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26在時(shí)刻T4增加時(shí)，輸出Q3變低，輸出Q4變高。輸出Q4使系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26復(fù)位(通過(guò)或門(mén)36和復(fù)位輸入)。輸出Q0返回高(如圖2線(c)所示)，借以閉合開(kāi)關(guān)S0以便把被測(cè)電容器Cx箝位到參考地22。這就完成了電容器Cx的一個(gè)雙極充電-放電-充電循環(huán)，并保持等電位箝位。
當(dāng)系統(tǒng)計(jì)數(shù)器26收到下一個(gè)主控時(shí)鐘脈沖SYSCLK時(shí)，下一個(gè)充電過(guò)程將在T5開(kāi)始。充電-放電-充電循環(huán)的持續(xù)時(shí)間由T1和T4之間的間隔表示，在此期間內(nèi)輸出Q0為低(如圖2中的線(c)所示)。這時(shí)間是在充電-放電-充電周期內(nèi)發(fā)生的三個(gè)單獨(dú)充電事件之和，分別由圖2中標(biāo)號(hào)50、52和54表示。整個(gè)充電-放電-充電循環(huán)必須發(fā)生在兩個(gè)相接的主控時(shí)鐘信號(hào)SYSCLK的時(shí)鐘脈沖之間，它定義了基本時(shí)間基準(zhǔn)(即圖2中T1和T5之間的時(shí)間)。作為設(shè)計(jì)的一部分，由電流源18和20提供的電流大小(以及頻率主控時(shí)鐘信號(hào)SYSCLK對(duì)于期望的被測(cè)電容值的范圍必須是平衡的，使得充電-放電-充電循環(huán)在基本時(shí)間基準(zhǔn)內(nèi)完成。
充電-放電-充電循環(huán)應(yīng)該足夠早地完成，從而提供一靜止時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)電容Cx保持充電到參考地電位22，直到下一個(gè)主控時(shí)鐘信號(hào)SYSCLK的脈沖為止。靜止時(shí)間(如圖2所示)發(fā)生在時(shí)刻T4、T5之間。靜止時(shí)間應(yīng)該至少約為基本參考時(shí)間的百分之九。足夠的靜止時(shí)間允許裝置10測(cè)量電容的范圍。該范圍可以用改變恒流源18、20的定額來(lái)調(diào)整。
重要的是，加于被測(cè)電容器上的積累的凈電荷是中性的。因而，電流源應(yīng)具有相等的電流大小。此外，正、負(fù)參考電壓也應(yīng)大不相等(雖然極性相反)。最后，電容器的充電對(duì)于時(shí)間必須為線性的。線性的充電使得電容器電壓波形的正、負(fù)部分合成為凈中性電荷。
輸出Q0的時(shí)間間隔(作為外部輸出信號(hào))對(duì)基本參考時(shí)間的比率與被測(cè)電容成正比。這樣，如果保持基本參考時(shí)間，輸出信號(hào)就可以連接到模擬電路、時(shí)間基準(zhǔn)參考路、數(shù)字計(jì)數(shù)或其它最后的讀出電路。
電容裝置10有幾種用途。一種具體應(yīng)用涉及到檢測(cè)物質(zhì)水平(例如箱體中的液本)。參見(jiàn)圖3，電容測(cè)量探針56放在含有物質(zhì)60的容器58中。容器和探針處于不同的電位，使得其間形成電容。該電容在圖3中用電容器符號(hào)62代表，含在容器中的空氣和物質(zhì)作為電介質(zhì)。隨著物質(zhì)水平的變化，探針和容器之間的電容也改變。按照本發(fā)明，探針56與測(cè)量線16相連，容器連于參考地27。探針56和容器58之間的電容用上述方法測(cè)量以確定容器中物質(zhì)的多少。一種合適的探針在美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No.08/122，849，名稱(chēng)為“高壓防漏防爆電容探針”(審查號(hào)No.30725-10091)中披露了，該專(zhuān)利是目前申請(qǐng)的，此處列為參考。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量電容的裝置，包括使所述電容經(jīng)受充電-放電-充電循環(huán)的充電裝置，其中電容被線性地充電到第一預(yù)定電壓，然后線性地充電到與第一預(yù)定電壓極性相反的第二預(yù)定電壓，然后線性地充到介于第一、第二預(yù)定電壓中間的參考是壓；以及用來(lái)產(chǎn)生根據(jù)充電-放電-充電循環(huán)的持續(xù)時(shí)間而改變的輸出信號(hào)的裝置。
2.如權(quán)利要求1的裝置，進(jìn)一步包括用來(lái)產(chǎn)生定義參考時(shí)間的時(shí)鐘信號(hào)的裝置，其中充電-放電-充電循環(huán)在參考時(shí)間開(kāi)始時(shí)開(kāi)始，并且其中輸出信號(hào)根據(jù)相對(duì)于參考時(shí)間的充-放-充電循環(huán)的時(shí)間變化。
3.如權(quán)利要求2的裝置，其中在充-放-充電循環(huán)完成之后，充電裝置使電容保持為參考電壓直到參考時(shí)間過(guò)去為止。
4.如權(quán)利要求1的裝置，其中充-放-充電循環(huán)的凈積累電荷等于零。
5.如權(quán)利要求4的裝置，其中第一、第二預(yù)定電壓的大小相等極性相反。
6.如權(quán)利要求1的裝置，其中充電裝置包括具有相反極性的第一、第二恒流源，其中充電裝置最初把電容和第一恒流源相連，以使其線性地充電到第一預(yù)定電壓，然后把電容與第二電流源相連，以從使其線性地充電到第二預(yù)定電壓。
7.如權(quán)利要求1的裝置，其中在完成充-放-充電循環(huán)時(shí)，充電裝置使電容器保持在參考電壓一個(gè)足以減少介電吸收影響的時(shí)間。
8.如權(quán)利要求1的裝置，其中充電裝置周期地重復(fù)充-放-充電循環(huán)，并且在每個(gè)循環(huán)結(jié)束時(shí)，使電容保持為參考電壓直到下一個(gè)循環(huán)開(kāi)始為止。
9.如權(quán)利要求1的裝置，其中充電裝置給電容器施加一個(gè)可變周期的線性三角波，該波形具有凈合成零值。
10.一種電容測(cè)量裝置，用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)的持續(xù)時(shí)間是被介電質(zhì)隔開(kāi)的兩個(gè)導(dǎo)體的電容的函數(shù)，包括(a)第一、第二恒流源，各自具有相反的極性;(b)地參考電壓;(c)第一、第二引線，第一引線適合于連接所述導(dǎo)體中的一個(gè)，第二引線適合于連接所述導(dǎo)體中的另一個(gè)，并與地參考相連;(d)與第一引線連接的控制裝置，用來(lái)開(kāi)始產(chǎn)生一輸出信號(hào);起初把第一引線連接到第一電流源上，給電容線性地充電到第一預(yù)定電壓;檢測(cè)出電容被充電到第一預(yù)定電壓時(shí)間，然后把第一引線連到第二電流源上，使電容線性地充電到與第一預(yù)定電壓極性相反的第二預(yù)定電壓;檢測(cè)出電容被充電到第二預(yù)定電壓的時(shí)間，然后把第一引線連接于第一電流源使電容線性地充電到地參考電壓;檢測(cè)出電容被充電到地參考電壓的時(shí)間，然后把第一引線連接地參考電壓并且終止產(chǎn)生輸出信號(hào)。
11.如權(quán)利要求10的裝置，進(jìn)一步包括產(chǎn)生定義固定的參考時(shí)間的時(shí)鐘信號(hào)的裝置，其中控制裝置在參考時(shí)間開(kāi)始時(shí)刻開(kāi)始產(chǎn)生輸出信號(hào)，并且其中所述的與地參考電壓的連接被保持直到參考時(shí)間過(guò)去為止。
12.如權(quán)利要求10的裝置，其中第一、第二預(yù)定電壓大小相等極性相反。
13.如權(quán)利要求10的裝置，其中第一、第二電流源為鏡象源。
14.如權(quán)利要求10的裝置，其中所述的與地參考電壓的連接被保持一個(gè)足夠的時(shí)間，從而減少介電吸收。
15.一種用來(lái)監(jiān)測(cè)容器內(nèi)物質(zhì)多少的裝置，包括用來(lái)產(chǎn)生一隨容器內(nèi)物質(zhì)的多少而改變的電容的探針裝置;用來(lái)使所述電容進(jìn)行充-放-充電循環(huán)的裝置，其中電容被線性地充電到第一預(yù)定電壓，然后線性地被充電到與第一預(yù)定電壓極性相反的第二預(yù)定電壓，再然后線性地充電到等于第一、第二預(yù)定電壓中間值的參考電壓;以及輸出裝置，用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)根據(jù)充-放-充電循環(huán)的所用時(shí)間而改變的輸出信號(hào)。
16.如權(quán)利要求15的裝置，進(jìn)一步包括產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的裝置，它有一個(gè)定義參考時(shí)間的周期，其中充-放-充電循環(huán)在參考時(shí)間開(kāi)始時(shí)開(kāi)始，其中的輸出信號(hào)根據(jù)相對(duì)于參考時(shí)間的充-放-充電循環(huán)的所用時(shí)間而改變。
17.如權(quán)利要求16的裝置，其中在充-放-充電完成之后，充電裝置把電容保持為參考電壓直到參考時(shí)間過(guò)去為止。
18.如權(quán)利要求15的裝置，其中充-放-充電循環(huán)的積累凈電荷等于零。
19.如權(quán)利要求18的裝置，其中第一、第二預(yù)定電壓大小相等極性相反。
20.如權(quán)利要求5的裝置，其中充電裝置包括極性相反的第一、第二恒流源，其中充電裝置起初把電容連到第一電流源使其線性地充電到第一預(yù)定電壓，然后使電容連接第二電流源，使其線性地充電到第二預(yù)定電壓。
21.如權(quán)利要求15的裝置，其中在完成充-放-充電循環(huán)時(shí)，充電裝置把電容保持在參考電壓上一足夠的時(shí)間，從而減少介電吸收的影響。
22.如權(quán)利要求15的裝置，其中充電裝置周期性地重復(fù)充-放-充電循環(huán)，并且在每個(gè)循環(huán)結(jié)束時(shí)，使電容維持在參考電壓上直到下一個(gè)循環(huán)開(kāi)始為止。
23.一種測(cè)量被原來(lái)處在參考地電位上的電介質(zhì)分開(kāi)的兩個(gè)導(dǎo)體的電容的方法，包括下列步驟(a)先把電容線性地充電到第一預(yù)定電壓;(b)把電容線性地充電到與第一預(yù)定電壓極性相反的第二預(yù)定電壓;(c)線性地把電容充電到參考電壓;(d)測(cè)量完成步驟(a)到(c)所需的時(shí)間;(e)把在步驟(d)測(cè)得的時(shí)間和大于測(cè)量時(shí)間的預(yù)定參考時(shí)間進(jìn)行比較。
24.如權(quán)利要求23的方法，進(jìn)一步包括把電容保持在參考電壓上直到參考時(shí)間過(guò)去為止的步驟。
25.如權(quán)利要求23的方法，其中第一、第二預(yù)定電壓大小相等極性相反，其中在步驟(a)、(b)和(c)中的充電在每種情況下以同一速率進(jìn)行。
26.如權(quán)利要求23的方法，其中在步驟(a)、(b)和(c)中進(jìn)行的線性充電步驟中把一對(duì)稱(chēng)極性的三角波加在電容器上。
27.如權(quán)利要求23的方法，其中把電容器線性充電到第一預(yù)定電壓的步驟(a)是通過(guò)把互一恒流源加在電容上進(jìn)行的，把電容充電到第二預(yù)定電壓的步驟(b)是通過(guò)把第二恒流源加到電容上進(jìn)行的，第一、第二恒流源的極性相反。
28.如權(quán)利要求23的方法，進(jìn)一步包括保持電容在參考電壓上一個(gè)足夠時(shí)間以便充分減少介電吸收影響的步驟。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種高精度的基于時(shí)間的系統(tǒng)，用來(lái)測(cè)量電容器的值。按照本發(fā)明，被測(cè)量的電容器經(jīng)受一個(gè)測(cè)量周期，該周期的大小確定一預(yù)定的基本參考時(shí)間。在每一測(cè)量周期中，電容器經(jīng)受一個(gè)充電—放電—充電循環(huán)，從而產(chǎn)生集聚的凈中性電荷。充—放—充電循環(huán)的持續(xù)時(shí)間和參考時(shí)間進(jìn)行比較，從而確定電容。
文檔編號(hào)G01F23/26GK1111355SQ9411539
公開(kāi)日1995年11月8日 申請(qǐng)日期1994年9月16日 優(yōu)先權(quán)日1993年9月17日
發(fā)明者格瑞·G·山德斯, 布瑞恩·J·古德威 申請(qǐng)人:本伯斯公司