電容測量裝置的制作方法

專利名稱：電容測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電容測量裝置，更具體地說，涉及一種用來測量物質(zhì)檢測探針中的電容的裝置。
電容測量裝置有若干用途。有一種用途涉及到檢測物質(zhì)水平(例如在箱體中的液體)。在這些應(yīng)用中，電容測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?？諝夂腿萜鲀?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)容抗進行電容測量(a)微分阻抗(differential impedance)或?qū)Ъ{;(b)相位差;或(c)頻率(或時間)。
微分阻抗技術(shù)以通用的阻抗表達式為依據(jù)Z=R2+(XL-XC)2]]>為了使用這一技術(shù)，建立兩個并聯(lián)系統(tǒng)，每個具有相同的驅(qū)動頻率、驅(qū)動幅值、電阻和電感。一個系統(tǒng)含有一個已知值的基準電容器。另一個系統(tǒng)則含有被測的電容器。這樣，兩個系統(tǒng)之間唯一的差別就是電容不同。具有基準電容的系統(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)的一個缺點是，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)是以容抗表達式為依據(jù)Xc＝ 1/(-jwc)為了使用這一技術(shù)，建立兩個并聯(lián)系統(tǒng)，每個具有一致的驅(qū)動頻率和驅(qū)動相位。一個系統(tǒng)含有已知值的基準電容器，另一一系統(tǒng)含有被測的電容器。這樣，兩個系統(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。
頻率以及基于時間的技術(shù)根據(jù)通用的擴展的麥克斯維韋電磁理論V＝λf
根據(jù)這一方程，重復(fù)波形的率頻是波長的倒數(shù)(因為對一組給定的傳播條件而言速度保持恒定)。對于難定時間常數(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之間的正比率關(guān)系。集成電路無穩(wěn)態(tài)和單穩(wěn)態(tài)電路(例如555定時器)經(jīng)常使用這一原理，并已被用于測量電容。
對于這些測量形式的典型控制是某一形式的比較器，因為波形是指數(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導(dǎo)致誤差。基于頻率的系統(tǒng)也會由于不同步的選通而引起±1的計數(shù)誤差。
對于在(工業(yè)上)計量系統(tǒng)中的應(yīng)用，正弦振蕩器的對稱雙極波形是可取的。典型的脈沖型和非穩(wěn)型系統(tǒng)產(chǎn)生非對稱極化波形，這引起某種化學(xué)的(即離子的)電介質(zhì)沉積。A.C.連接(通過一非常大的電容器)到被測電介質(zhì)的系統(tǒng)也是通常的，這些充電永遠不會完全平衡，因而產(chǎn)生沉積。
因為頻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)字標度)。基于時間的系統(tǒng)由于直接換算比例而相對簡單。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種高精度的基于時間的系統(tǒng)，用來測量電容器的值。按照本發(fā)明，被測量的電容器經(jīng)受一個測量周期，該周期的大小確定一預(yù)定的基本參考時間。在每一測量周期中，電容器經(jīng)受一個充電-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)時間和參考時間進行比較，從而確定電容。在充-放-充電循環(huán)結(jié)束時，在測量周期的其余時間內(nèi)，電容器被旁路或“嵌位”到參考地電位。這一旁路或“居留”時間在每一測量周期期間提供了用來使電介吸收放電的時間滯后。
電容器的充電相對于時間是線性的，為了使電容器形成線性的充(放)電斜率，通過在任一電容上充電狀態(tài)下保持AQ/△t＝K(K取決于被測電容的范圍)，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。實際的實現(xiàn)是一正、負恒流源，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，對電容器加以旁路是每一測量周期的一部分，這樣做便不需要自動為零電路，同時又確保電容器集聚的凈電荷為零。
在一個實施例中，電容測量裝置產(chǎn)生一持續(xù)時間為被測電容的線性函數(shù)的輸出信號。該裝置包括兩個相反極性的恒流源。該電流源以相同速率給電容器線性充電。被測量的電容器有一個連接到參考地的電極和一連接到測量引線的電極。幾個比較器(或其它合適的電壓傳感器)被連到測量引線和一電阻網(wǎng)絡(luò)上，用來檢測被測電容器上的電壓。
一個對電壓傳感器響應(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)電容器已達到第一預(yù)定電壓時，控制子系統(tǒng)就把測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。
當(dāng)電容器達到第二預(yù)定電壓時，控制子系統(tǒng)就把測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)電容器達到地參考電壓時，充-放-充電循環(huán)完成。控制子系統(tǒng)把測量線連到參考地以便在駐留時間內(nèi)使電容器嵌位到地。作為基準時間的百分數(shù)的完成充-放-充電循環(huán)的時間與電容成比例。
控制系統(tǒng)可以以各種方式構(gòu)成，最佳技術(shù)基于計數(shù)器、確定正、負和地參考電壓的電阻網(wǎng)絡(luò)以及用來比較測量電壓和參考電壓的幾個比較器，其它的控制技術(shù)也可使用。


圖1是本發(fā)明的電容測量裝置的方塊圖;
圖2是說明圖1的裝置工作的時序圖;
圖3是使用圖1的電容測量裝置的流體測量系統(tǒng)。
圖1說明用來測量具有極板12和14的電容器Cx的電容的裝置10。電容測量裝置10包括測量線16，它與被測電容Cx的探針板12相連，一個正電流源18，負電流源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。測量線16通過開關(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，開關(guān)S0-S2通過控制子系統(tǒng)24分別由控制線A0-A2啟動。每個開關(guān)S0-S2保持打開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。
測量裝置10在基準時間(或“測量周期”)期間計算電容器Cx的電容，基準時間由下述的外部主控時鐘信號SYSCLK確定。在測量周期內(nèi)，裝置10使電容器經(jīng)受線性充-放-充電循環(huán)，它包括三個分離的階段，下面將詳述。完成充-放-充電循環(huán)的時間與參考時間進行比較從而確定電容器Cx的電容。該過程重復(fù)進行以便連續(xù)進行電容的測量。
在給被測電容Cx充電時，使用一個完整的直線三角波。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)，以保證對稱的極性，使凈累積電荷為零，防止極化和電勢沉積。斜率〔m〕必須在所有點為線性的，以便取消傳播帶后的不同性。在所有象限內(nèi)其橫座標參考的絕對值必須反比于被測電容器9正比于容抗)。在測量周期內(nèi)，電容的Cx起初通過使開關(guān)S0閉合把測量線16連到參考地22使其放電。然后，電容Cx通過使開關(guān)S1閉合把測量線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達到這一正電壓值時，使開關(guān)S2閉合，測量線16連到負電流源20上，使電容器Cx達到這一負電壓時，通過閉合開關(guān)S1使測量線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達到參考地電位時，通過閉合開關(guān)S0使其嵌位在地電位。電容器Cx保持被嵌位在地，直到下一個測量周期開始(即主控時鐘信號SYSCLK的下一個脈沖)。
開關(guān)S0-S2的打開和閉合由控制子系統(tǒng)24實現(xiàn)?？刂谱酉到y(tǒng)24的特征在于一系統(tǒng)計數(shù)器26和三個電壓傳感比較器28、30和32。系統(tǒng)計數(shù)器26有5個輸出端Q0到Q4，以及復(fù)位和時鐘輸入端。系統(tǒng)計數(shù)器26的操作類似于環(huán)形計數(shù)器，即在任何給定時刻只有一個輸出可以是高。當(dāng)復(fù)位輸入為高時，系統(tǒng)計數(shù)器26把輸出Q0設(shè)置為高，而輸出Q1-Q4為低。然后系統(tǒng)計數(shù)器每當(dāng)時鐘輸入選通時順序地設(shè)置輸出Q1到Q4中的一個(并且只有一個)為高。
輸出Q0被連到外部信號輸出端和開關(guān)控制線A0上。輸出信號下面結(jié)合裝置10的動態(tài)操作討論。在時鐘輸出Q0被占有期間，開關(guān)控制線A0閉合開關(guān)S0。時鐘輸出Q1通過或門34與線A1相連使得當(dāng)輸出Q1被斷定時閉合開關(guān)S1。輸出Q2連到線A2，使得當(dāng)輸出Q2被斷定時開關(guān)S2閉合。輸出Q3在連到或門34。如上結(jié)合輸出Q1所述的，或門34的輸出被連到線A1，當(dāng)輸出Q3或Q1為高時閉合開關(guān)S1。輸出Q4通過或門36連接復(fù)位輸入。這樣，當(dāng)輸出Q4為高時，系統(tǒng)計數(shù)器26被復(fù)位。
一個外部產(chǎn)生的主控復(fù)位信號INIT通過或門36連到計數(shù)器26的復(fù)位輸入?；蜷T36的使主控復(fù)位信號INIT和系統(tǒng)計數(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INIT當(dāng)系統(tǒng)準備工作時產(chǎn)生，例如接通電源時。否則，當(dāng)如上所述輸出Q4被斷定時在每次充-放-充電循環(huán)結(jié)束時，過程被自動復(fù)位。
外部主控時鐘信號SYSCLK的間隔確定時間基準。主控時鐘信號SYSCLK通過或門38選通到系統(tǒng)計數(shù)器26的時鐘輸入，使得主控時鐘SYSCLK的每個脈沖都使系統(tǒng)計數(shù)器26增加。
電阻驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)包括R1、R2、R3和R4，它建立了正參考電壓40、地參考42和負參考電壓44，如圖1所示(地參考22、27和42是等電位點)參考電壓40和44應(yīng)當(dāng)幅值相等(5V)且極性相反。
當(dāng)測量線16比正參考電壓40更正時，第一比較器28的輸出為高。當(dāng)測量線16比負電壓44更負時，第三比較器32的輸出為高。當(dāng)測量線16跨過地參考42時，第二比較器30的輸出為高。第二比較器30的輸出由系統(tǒng)計數(shù)器26的輸出Q3通過與門46選通或封鎖。
所有三個比較器28、30和32不與任何滯后的反饋相連，以便使轉(zhuǎn)換點和轉(zhuǎn)換時刻為最佳。這是可能的，因為當(dāng)充電方向在該點上及時改變時，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緩沖器48，有效地與通過與門46的滯后取得一致。
構(gòu)成前述裝置10的合適元件如下。在最近申請的美國專利申請序列號No.08/122，212，名稱為“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(該申請披露的內(nèi)容全部列出作為參考)。
電源電壓 ±7vdc系統(tǒng)計數(shù)器(26) CD4017BC2輸入或門(34) CD4071BC2輸入與門(46) CD4081BC4輸入或門(38) CD4072BC模擬開關(guān)(S0-S2) CD4066BC運算放大器(28，30，32) LM308
基準參考時間1ms主控時鐘信號CD4528BC電阻R1，R4 2KΩ電阻R2，R35K電容測量裝置10的動態(tài)工作用圖2的時序圖說明。為清楚起見，圖2中線(a)到(i)說明下列信號(a) 主控時鐘50(b) 電容器Cx的電壓波形(c) 系統(tǒng)計數(shù)器26的Q0(d) 系統(tǒng)計數(shù)器26的Q1(e) 系統(tǒng)計數(shù)器26的Q2(f) 系統(tǒng)計數(shù)器26的Q3(g) 系統(tǒng)計數(shù)器26的Q4(h) A1開關(guān)控制線(i) 測量線16的充電電流波形。
比較器28、30、32的輸出通過或門38連到系統(tǒng)計數(shù)器26的時鐘輸入端。如上所述，每當(dāng)時鐘輸入被選通時，計數(shù)器26就增加。這樣，每當(dāng)三個電平傳感比較器28、30和32中的一個輸出為高時，系統(tǒng)計數(shù)器26就增加。如上所述，主控時鐘信號SYSCLK也通過或門38被選通進入系統(tǒng)計數(shù)器26的時鐘輸入。主控時鐘信號SYSCLK建立整個測量周期的基本參考時間，并提供一初始的時鐘脈沖用來啟動操作。
如圖2中線(a)和(b)所示，整個充電-放電-充電循環(huán)發(fā)生在測量周期期間(即主控時鐘信號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。這在每個測量周期期間提供了一個靜態(tài)線，此時測量線16被短路(或箝位)到參考地22。
充電-放電-充電的短暫時間根據(jù)系統(tǒng)計數(shù)器的輸出Q0(外部可用作輸出信號)決定。輸出Q0用圖2中的線(c)說明。充電-放電-充電的時間與時間基準(即主控時鐘信號SYSCLK的時鐘脈沖之間的間隔)比較，從而建立用于決定被測電容Cx的正比例關(guān)系。例如，如果1ms的基本參考時間相應(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。
參見圖2，在時刻T0(測量周期開始之前)測量線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。因為測量線16被箝位到參考地22，比較器28和32的輸出則為低。過零點檢測器比較器30的輸出也為低，因為其輸出被與門46封鎖(系統(tǒng)計數(shù)器26的Q4為低)。借助由系統(tǒng)計數(shù)器26的輸出Q0來閉合模擬開關(guān)S0來實現(xiàn)箝位。在任何時間點上系統(tǒng)計數(shù)器26可以有一個并且只能有一個輸出為高。因此，在時刻T0，電流源18、20不能通過模擬開關(guān)S1、S2連接于測量線16上。
在時刻T1，計數(shù)器26接收來自主控時鐘信號SYSCLK的一個脈沖。系統(tǒng)計數(shù)器輸出Q0變?yōu)榈?，從而打開開關(guān)S0。同時，輸出Q1為高并(通過或門34)使開關(guān)S1閉合。圖2中的線(c)和(d)說明了系統(tǒng)計數(shù)器26的輸出Q0和Q1。開關(guān)S1的閉合把正電流源18和被測電容器Cx相連(通過測量線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。在時刻T2(圖2)，被測電容Cx(以及測量線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)計數(shù)器26的時鐘輸入送入脈沖(通過或門38)。如上所述，這使計數(shù)器26增加。
當(dāng)系統(tǒng)計數(shù)器在時刻T2增加時，輸出Q1、Q2同時翻轉(zhuǎn)，打開開關(guān)S1并且閉合開關(guān)S2。(圖2中的線(e)表示系統(tǒng)計數(shù)器26的輸出Q2)。當(dāng)開關(guān)S2閉合時，負電流源向被測電容器Cx和測量線16提供充電電流。被測電容器Cx開始朝向由電阻分壓網(wǎng)絡(luò)R3和R4建立的負參考電壓44放電。這-(放)充電以線性方式繼續(xù)到被測電容Cx在時刻T3達到負參考電壓44為止(如圖2所示)。第三比較器32的輸出變?yōu)楦撸ㄟ^或門38向系統(tǒng)計數(shù)器26的時鐘輸入發(fā)一脈沖。如上所述，計數(shù)器26將增加。
當(dāng)系統(tǒng)計數(shù)器26在時刻T3增加時，輸出Q2和Q3翻轉(zhuǎn)。輸出Q2為低，打開開關(guān)S2，借以封鎖負電流源20。同時，輸出Q3為高，閉合開關(guān)S1(通過或門34)，并且選通第二比較器30(通過與門46)。開關(guān)S1的閉合選通正電流源18。極性翻轉(zhuǎn)并且使被測電容Cx開始朝參考地22(放)充電。如圖2線(b)所示，在時刻T4，測量線16的電壓經(jīng)過地參考電平42，第二比較器30的輸出為高，向時鐘輸入發(fā)出脈沖使系統(tǒng)計數(shù)器26增加。
當(dāng)系統(tǒng)計數(shù)器26在時刻T4增加時，輸出Q3變低，輸出Q4變高。輸出Q4使系統(tǒng)計數(shù)器26復(fù)位(通過或門36和復(fù)位輸入)。輸出Q0返回高(如圖2線(c)所示)，借以閉合開關(guān)S0以便把被測電容器Cx箝位到參考地22。這就完成了電容器Cx的一個雙極充電-放電-充電循環(huán)，并保持等電位箝位。
當(dāng)系統(tǒng)計數(shù)器26收到下一個主控時鐘脈沖SYSCLK時，下一個充電過程將在T5開始。充電-放電-充電循環(huán)的持續(xù)時間由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)。這時間是在充電-放電-充電周期內(nèi)發(fā)生的三個單獨充電事件之和，分別由圖2中標號50、52和54表示。整個充電-放電-充電循環(huán)必須發(fā)生在兩個相接的主控時鐘信號SYSCLK的時鐘脈沖之間，它定義了基本時間基準(即圖2中T1和T5之間的時間)。作為設(shè)計的一部分，由電流源18和20提供的電流大小(以及頻率主控時鐘信號SYSCLK對于期望的被測電容值的范圍必須是平衡的，使得充電-放電-充電循環(huán)在基本時間基準內(nèi)完成。
充電-放電-充電循環(huán)應(yīng)該足夠早地完成，從而提供一靜止時間，在此時間內(nèi)電容Cx保持充電到參考地電位22，直到下一個主控時鐘信號SYSCLK的脈沖為止。靜止時間(如圖2所示)發(fā)生在時刻T4、T5之間。靜止時間應(yīng)該至少約為基本參考時間的百分之九。足夠的靜止時間允許裝置10測量電容的范圍。該范圍可以用改變恒流源18、20的定額來調(diào)整。
重要的是，加于被測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，電容器的充電對于時間必須為線性的。線性的充電使得電容器電壓波形的正、負部分合成為凈中性電荷。
輸出Q0的時間間隔(作為外部輸出信號)對基本參考時間的比率與被測電容成正比。這樣，如果保持基本參考時間，輸出信號就可以連接到模擬電路、時間基準參考路、數(shù)字計數(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)用涉及到檢測物質(zhì)水平(例如箱體中的液本)。參見圖3，電容測量探針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量以確定容器中物質(zhì)的多少。一種合適的探針在美國專利申請No.08/122，849，名稱為“高壓防漏防爆電容探針”(審查號No.30725-10091)中披露了，該專利是目前申請的，此處列為參考。
權(quán)利要求
1.一種測量電容的裝置，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；以及用來產(chǎn)生根據(jù)充電-放電-充電循環(huán)的持續(xù)時間而改變的輸出信號的裝置。
2.如權(quán)利要求1的裝置，進一步包括用來產(chǎn)生定義參考時間的時鐘信號的裝置，其中充電-放電-充電循環(huán)在參考時間開始時開始，并且其中輸出信號根據(jù)相對于參考時間的充-放-充電循環(huán)的時間變化。
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間過去為止。
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，充電裝置使電容器保持在參考電壓一個足以減少介電吸收影響的時間。
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)，并且在每個循環(huán)結(jié)束時，使電容保持為參考電壓直到下一個循環(huán)開始為止。
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。
10.一種電容測量裝置，用來產(chǎn)生一個輸出信號，該輸出信號的持續(xù)時間是被介電質(zhì)隔開的兩個導(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，第二引線適合于連接所述導(dǎo)體中的另一個，并與地參考相連;(d)與第一引線連接的控制裝置，用來開始產(chǎn)生一輸出信號;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;檢測出電容被充電到第一預(yù)定電壓時間，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;檢測出電容被充電到第二預(yù)定電壓的時間，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;檢測出電容被充電到地參考電壓的時間，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。
11.如權(quán)利要求10的裝置，進一步包括產(chǎn)生定義固定的參考時間的時鐘信號的裝置，其中控制裝置在參考時間開始時刻開始產(chǎn)生輸出信號，并且其中所述的與地參考電壓的連接被保持直到參考時間過去為止。
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足夠的時間，從而減少介電吸收。
15.一種用來監(jiān)測容器內(nèi)物質(zhì)多少的裝置，包括用來產(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;用來使所述電容進行充-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，用來產(chǎn)生一個根據(jù)充-放-充電循環(huán)的所用時間而改變的輸出信號。
16.如權(quán)利要求15的裝置，進一步包括產(chǎn)生時鐘信號的裝置，它有一個定義參考時間的周期，其中充-放-充電循環(huán)在參考時間開始時開始，其中的輸出信號根據(jù)相對于參考時間的充-放-充電循環(huán)的所用時間而改變。
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間過去為止。
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，充電裝置把電容保持在參考電壓上一足夠的時間，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)，并且在每個循環(huán)結(jié)束時，使電容維持在參考電壓上直到下一個循環(huán)開始為止。
23.一種測量被原來處在參考地電位上的電介質(zhì)分開的兩個導(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)測量完成步驟(a)到(c)所需的時間;(e)把在步驟(d)測得的時間和大于測量時間的預(yù)定參考時間進行比較。
24.如權(quán)利要求23的方法，進一步包括把電容保持在參考電壓上直到參考時間過去為止的步驟。
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行。
26.如權(quán)利要求23的方法，其中在步驟(a)、(b)和(c)中進行的線性充電步驟中把一對稱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)是通過把互一恒流源加在電容上進行的，把電容充電到第二預(yù)定電壓的步驟(b)是通過把第二恒流源加到電容上進行的，第一、第二恒流源的極性相反。
28.如權(quán)利要求23的方法，進一步包括保持電容在參考電壓上一個足夠時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間的系統(tǒng)，用來測量電容器的值。按照本發(fā)明，被測量的電容器經(jīng)受一個測量周期，該周期的大小確定一預(yù)定的基本參考時間。在每一測量周期中，電容器經(jīng)受一個充電—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)時間和參考時間進行比較，從而確定電容。
文檔編號G01F23/26GK1111355SQ9411539
公開日1995年11月8日 申請日期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 申請人:本伯斯公司