Kapazitätsänderung messen

[hacker]

Hallo zusammen,

ich muss irgendwie an die Änderung einer Kapazität messtechnisch dran kommen. Die Änderungen sind so im 10 - 50 nF Bereich. Momentan mach ich es über ein Parallelschwingkreis und mess die Resonanzfrequenz.
Das Problem ist die geringe Änderung der Resonanzfrequenz bei der kleinen Kapazitätsänderung.
Ich müsste irgendwas haben, was trotz der kleinen Änderung der Kapazität eine größere Resonanzfrequenz - Verschiebung erreicht.
Sagen wir mal so 20kHz Unterschied bei 10 nF Änderung.

Ist das machbar?

Grüße,
hacker

[PICture]

Hallo!


Das Problem ist die geringe Änderung der Resonanzfrequenz bei der kleinen Kapazitätsänderung.

DIE beide Parameter sind für einen konkreten Vorschlag unaureichend und machbar ist theoretisch alles.


Sagen wir mal so 20kHz Unterschied bei 10 nF Änderung.

... von ?

[Manf]

Ein RC Oszillator ist empfindlicher für die Kapazitätsänderung als ein LC Oszillator.
Das wäre dann z.B. ein Oszillator mit NE555.

Zur Erhöhung der Empfindlichkeit hat man klassischerweise die Frequenz mit der eines konstanten Oszillators gemischt um die relative Änderung größer zu machen. Die Schaltung nennt sich dann Schwebungssummer (auch ein Theremin arbeitet nach dem Prinzip).

[Richard]

Hallo zusammen,

ich muss irgendwie an die Änderung einer Kapazität messtechnisch dran kommen. Die Änderungen sind so im 10 - 50 nF Bereich. Momentan mach ich es über ein Parallelschwingkreis und mess die Resonanzfrequenz.
Das Problem ist die geringe Änderung der Resonanzfrequenz bei der kleinen Kapazitätsänderung.
Ich müsste irgendwas haben, was trotz der kleinen Änderung der Kapazität eine größere Resonanzfrequenz - Verschiebung erreicht.
Sagen wir mal so 20kHz Unterschied bei 10 nF Änderung.

Ist das machbar?

Grüße,
hacker

Ja, ist machbar siehe http://de.wikipedia.org/wiki/%C3%9Cberlagerungsempf%C3%A4nger dort ist das Prinzip erklärt.

Gruß Richard

[PICture]

Hallo!

Öfters wird Frequnzdifferenzieren verwendet, das heisst zwei HF (Quarz + LC) Oszillatoren + Mischer, weil die Grundfreqenzen mit harmonischen dann leichter eliminierbar sind. Ausserdem ist delta F / delta C höher.

Bei grösseren Kondensatoten in NF Bereich werden, so wie der Manf schon schrieb, RC Generatoren verwendet.

Bei genauer Messung von kleinen Änderungen bei grossen Kapazitäten werden grundsätztlich langperiodische lineare Integrationsmethoden mit einer Zeitmessung angewendet.

[Besserwessi]

10-50 nF sind schon ziemlich viel für eine Kapazitätsänderung. Ein alternative zur Messung über die Frequenz ist die Messung in einer Brückenschaltung. Bei einer Oszillatorschaltung hat man auch immer noch Unsicherheiten über die Änderungen der Anderen Teile drin. Sonst ist eine wirklich hohe Auflösung bei der Frequenz nicht so schwer. Bei der Brückenschaltung halt man einen anderen Kondensator als wesentliches kritisches Teil, das stabil bleiben muss. Im Zweifelsfall halt was analoges zum zu messenden Kondensator.

Ich bin gerade dabei eine für wirklich keine Kapazitätsänderungen (1 fF bis 1 pF, das wirkliche Limit sollte so bei rund 0,001 fF liegen) aufzubauen. Bei der Testschaltung mit Oszilloskop zur Anzeige geht es da so bis etwa 100 pF als Maximalwert. Man kann es natürlich auch noch weniger Empfindlich machen, und die Empfindlichkeit hängt auch vom Absolutwert der Kapazität ab.

Eine schöner Trick für die Brückenschaltung ist es die Anregung über einen kleine Ferrite-transformator zu machen. Das Windungsverhältniss des Trafos ersetzt so den einen Zweig, und das Ausgangssignal ist auf Masse bezogen.

[Manf]

@Besserwessi:
Nicht dass es heißt es hätte ja keiner gefragt:
Für was ist denn die Kapazitätsmessung mit der feinen Auflösung? ist es ein kapazitiver Abstandssensor?

[Besserwessi]

Ja für einen Abstandssensor, und ggf. als Sensor für mechanische Schwingungen mit Auslenkungen im µm-Bereich und eventuell auch darunter.

[hacker]

Danke für die Eure zahlreichen Beiträge. So richtig weiter haben die mich leider aber auch noch nicht gebracht.

Ich muss oben auch noch paar Werte zurücknehmen. Genauer gesagt geht es um Folgendes:

Ich habe im Prinzip eine Diode und will die Sperrkapazitäts Änderung bei Änderung der Rückwärtsspannung messen.

Kapazität bei keiner Spannung ist ca. 6uF also doch relativ groß. Ich wollte das ganze erst über einen Schwingkreis machen. Ich bekomme auch Resonanz aber eben praktisch keine Änderung bei Rückwärtsspannung zu sehen. Bisher koppel ich in den Schwingkreis die Gleichspannung mit einer Spule (22mH) und die Wechselspannung mit einen Kondensator (0.68uF) ein.

Wie könnte man nun eben die Empfindlichkeit erhöhen, dass ich eben eine größere Ändeurng der Frequenz sehe?

Im Prinzip geht es ja auch in die Richtung, wie ich eine "Kapazitätsdiode" "richtig" in einen/eine Schwingkreis bzw. frequenzbestimmende Schaltung einbringe.

Grüße,
hacker

[PICture]

Um eine ziemlich grosse Kapazitätsänderungen im Schwingkreis zu haben würde ich ausschliesslich paralell geschaltete Varicaps verwenden (z.B. um 100 Stück BB112).

Für einzelnen Varicap müsste man entsprechend für Cmin und Cmax hoche Frequenz des Schwingkreises ausrechnen und annehmen (z.B. 100 MHz).

Die Beschaltung von Varicaps im Schwingkreis ist von der Amplitude der Schwingungen abhängig. Beispielweise für Oszillatoren mit höherer Amplitude üblich ist im Code gezeigte Beschaltung.



Cr

||
+---+-||-
| | ||
V1 V C
Rv = C
___ | C
A o--|___|--+ C L
| | C
| = C
Uv | V2 ^ C
| | |
| o-----+ +-+-+
| |
=== ===
GND GND

(created by AACircuit v1.28.6 beta 04/19/05 www.tech-chat.de)

[Besserwessi]

Damit man wirklich die Kapazitätsänderung bei der gegebenen Spannung misst, muss die Wechselspannung an der Diode klein (z.B. 0,1 V) sein. Einen Oszillator direkt mit so kleiner Amplitude ist nicht einfach. Ein Möglichkeit wäre ein LC Oszillator mit einer Spule mit mehreren Abgriffen als Induktivität. Die zu messende Kapazität hängt dann halt nur an einem eher kleine Teil der Spule. Die Trennung der Vorspannung macht man am einfachsten so wie oben von Picture gezeigt, vermutlicher aber nur mit der Diode V1, und V2 weglassen.

Eine Frequenzänderung von 20 kHz bei einer Änderung der Kapazität von etwa 2% (10nF zu 6 µF) zu bekommen ist nicht so einfach. Bei einem normalen LC Oszillator geben 2% Kapazitätsänderung halt nur 1% Frequenzänderung. Eine hohe Frequenz (z.B. 2 MHz) ist bei 6 µF nicht sehr realistisch, das wird zu niederohmig und wird selbst in der Transformator-schaltung eher Schwierig. Bei einer niedrigeren Frequenz die für einen 6 µF Kondesator realistisch ist bliebe noch die Möglichkeit per Mischer einen konstanten Teil abzuziehen und dann die Frequenz per PLL z.B. um den Faktor 256 oder 1024 höher zu setzen. Das ist aber ausgesprochen umständlich.

Frequenzänderungen kann man sehr fein Aufgelöst messen - wenn man will, kann man bei 20 kHz auch eine Änderung von 0,01 Hz feststellen. Gerade wenn man unter 20 kHz bleibt, kann man das Signal per Sounfkarte aufnehmen und dann rechnerisch die Frequenz bestimmen - 0,001 Hz Auflösung sind da kein wirkliches Problem, man muss aber mit etwas dirft rechnen, z.B. vom Quarz.

Im Prinzip müßte es auch gehen einen Oszillator aufzubauen bei dem nur die Differenz von Kondensatoren eingeht - halt so ähnlich wie bei einer Messbrücke. Allerdings kann man dann auch gleich eine Brückenschaltung aufbauen und bei einer definierten Frequenz und definiert kleinen Amplitude über die Amplitude messen - das wird einfacher und ist genauer. Bei einer Diode muss man in Grenzen auch damit rechnen das die Kapazität von der Frequenz abhängt. So im Bereich von etwa 5 KHz bis 1 MHz (ggf. auch noch etwas höher) könnte sich da was ändern.

[PICture]

Theoretisch könnte man auch Kapazität eines Varicaps bei kleiner Amplitude duch gefundenen Resonanz per Signal aus einem externen Generator (z.B. Wobler mit PLL) messen. Es wäre aber in der Praxis ziemlich kompliziert.

[hacker]

Hallo zusammen,

aufgrund starker Messungenauigkeit beim Ablesen, bei welcher Frequenz genau die Amplitude maximal wird, will ich nun jetzt den Weg über einen Oszillator gehen. Dann muss ich nur noch die Frequenz messen, was deutlich einfacher ist, als bei den Amplituden das Maximum zu suchen.

Ich versuche es momentan mit der Schaltung von Wikipedia, einem Oszillator mit Differenzverstärker:

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/15/Moderner_Oszillator_k.GIF

Ich hab die Dimensionierung so gelassen. Meine Kapazität beträgt für den Schwingkreis 1-4 uF (die Abstimmbare Kapazität hat sich geändert!). Als Spule nehm ich eine mit 1uH. Beim Simulierungen in PSpice mit idealen Bauelementen schwingt das Ding schön an. Sobald ich aber den Schritt zur Wirklichkeit machen und einen Reihnenwiderstand von 15mOhm in Serie zur Spule schalte, schwingt sowohl in der Simulation als auch auf dem Steckbrett nichts an. In der Simulation sieht man eine gedämpfte Schwingung, welche schnell in einer zu kleinen Amplitude verschwindet.

Ich nehm mal an, dass der Schwingkreis zu eine kleine Güte besitzt bzw. dann die Verstärkung in der Rückkopplung zu klein ist, oder?

An der Güte kann ich wohl nichts rütteln.
Aus der Schaltung heraus erkenn ich aber nicht direkt die Verstärkung für die Rückkopplung.

Wie bekomm ich das Ding zum laufen? (bzw. zumindest zum schwingen ;-))


Viele Grüße,
hacker

[PICture]

Hallo hacker!

Versuche es, bitte, mit echtem Hartley-Oszillator oder Colpitts-Oszillator, wenn die Spule keine Abzweigung haben darf. ;)

Ich habe leider nicht mehr im Kopf, welche min. SQR L/C für welchen Oszillator nötig sind, damit er schwingt.

[Besserwessi]

Die Schaltung ist Prinzip schon gut und sollte sogar zuverlässiger Schwingen als der klassische Colpitts-Oszillator

Mit der großen Kapazität und kleinen Induktivität ist der Schwingkreis recht niederohmig. Um die Schaltung daran anzupassen müßte man den Strom durch die Transistoren erhöhen, z.B. in dem man die Widerstände z.B. um den Faktor 10 verkleinert. Es wird auch besser, wenn man die Induktivität vergrößert und die Frequenz so reduziert.

Die Messung über die Schwingung hat aber immer noch den Schönheitsfehler, das die Amplitude in der Regel zu groß werden wird. Damit werden die vorhandenen Änderungen mit der Spannung einfach weggemittelt und man kann kaum was sinnvolles messen. Wenn man damit überhaupt was sinnvolles raus bekommen will, bräuchte man eine Regelung, die die Ampltide auf z.B. 100 mV konstant hält.

Gerade bei einer so großen Kapazität kann man auch einfach die Spannung, also Kombination von Gleichspannung und Wechselspannung (z.B. 20-100 mV Amplitide) an die Diode anlegen, und dann den Wechselstrom messen. Bei so großen Kapazität geht die Strommessung noch gut klassisch mit einem Shunt. Als ein paar Beispielwerte: Bei 100 mV Amplitude, 1,5 kHz und 1 µF fließt da schon ein Wechselstrom von 1 mA. Das ist relativ leicht an einem Shunt von z.B. 10 Ohm zu messen, auch mit so viel Auflösung um da noch Änderungen von 0,1 % aufzulösen.