DE10204857A1

DE10204857A1 - Kapazitätsmessung

Info

Publication number: DE10204857A1
Application number: DE10204857A
Authority: DE
Inventors: John M Lund; Benjamin Jun Eng
Original assignee: Fluke Corp
Current assignee: Fluke Corp
Priority date: 2001-02-07
Filing date: 2002-02-06
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2022-02-07
Also published as: CN1225658C; GB2374943B; JP3624184B2; FR2820506A1; US20020140438A1; US6624640B2; JP2002277495A; GB2374943A; DE10204857B4; GB0202754D0; CN1369713A; FR2820506B1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Kapazitätsmessung wird der Kondensator zumindest teilweise entladen und die Spannung über diesem gemessen, um eine Anfangsspannung zu erhalten. Ferner werden ein oder mehrere vorgegebene Ladungspakete gliefert, um eine Gesamtladung in diesem Kondensator zu speichern und um eine endgültige Spannung über diesen zu erzeugen, die eine vorgegebene Mindestspannung überschreitet, und wird die Kapazität berechnet durch Substrahieren der Anfangsspannung von der endgültigen Spannung, um eine Spannungsdifferenz zu erhalten, und Dividieren dieser im Kondensator gespeicherten Gesamtladung durch diese Spannungsdifferenz.

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung betrifft allgemein die Messung der Kapazität und insbesondere die Messung der Kapazität, indem Ladungspakete mit bekanntem Wert an einen Kondensator mit unbekanntem Wert geliefert werden, bis eine endgültige Spannung bestimmt wird, und dann die Kapazität auf Basis der bekannten Gesamtladung und der gemessenen Spannung berechnet wird.

Die Kapazitätsmessung ist ein wichtiges Merkmal von Messinstrumenten wie digitale Multimeter. US-Patent Nr. 5,073,757 und US-Patent Nr. 5,136,251, die beide der Fluke Corporation erteilt wurden, offenbaren Verfahren zur Messung kleiner und großer Kapazitäten, bei denen sich ein unbekannter Kondensator mit seiner RC-Rate voll auf eine Referenzspannung aufladen konnte, während gleichzeitig ein Strom proportional zum Ladestrom im Speicherkondensator eines integrierenden Zweiflanken- Analog-/Digitalwandlers (analog-to-digital converter - ADC) gespeichert wurde. Kleine Kapazitäten konnten in einem Integrationszyklus des ADC voll geladen werden, während hohe Kapazitäten mehrere Integrationszyklen für die volle Ladung erforderten. In beiden Fällen wurde die im Speicherkondensator des integrierenden ADC gespeicherte proportionale Ladung während der "Deintegrations"-Zyklen über Zeitspannen entfernt, die durch die Höhe der gespeicherten Ladung vorgegeben waren, und die Zeit wurde gemessen, um ein Maß für den Kapazitätswert zu erhalten.

Diese zum Stand der Technik gehörigen Techniken der Kapazitätsmessung waren wegen der ungewöhnlich langen Messzeiten, da das volle Laden des unbekannten Kondensators abgewartet werden musste, nicht zufriedenstellend, was zur Entwicklung des in der Parallel-US-Anmeldung Nr. 09/267,504, eingereicht am 12. März 1999, offenbarten Kapazitätsmesssystems führte, bei dem eine Konstantstromquelle verwendet wurde, um eine linear ansteigende Spannung über den zu messenden Kondensator zu erzeugen. Dies gestattete die Messung der Spannungsdifferenz (ΔV) und der Zeitdifferenz (ΔT) und die Berechnung der Kapazität aus ihrem Verhältnis. Obwohl sowohl die Messgeschwindigkeit als auch die Messgenauigkeit für einen weiten Bereich von Kondensatoren verbessert wurden, handelte es sich um einen relativ langsamen Prozess, der einen komplexen Mehrflanken- Analog-/Digitalwandler verwendete, um die notwendigen Parameter zu erfassen.

Ein Problem bei allen diesen zum Stand der Technik gehörigen Verfahren ist, dass ein erheblicher Aufwand zur Suche des richtigen Bereichs, für den Messungen ausgeführt werden können, erforderlich ist, da der Wert des Kondensators nicht bekannt ist. Außerdem können insbesondere in der Nähe des unteren Endes eines gegebenen Bereichs Kapazitätswerte wegen der Auflösungskompression verzerrt werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung von Kapazitäten bereitgestellt, bei denen Ladungspakete mit bekanntem Wert an einen Kondensator mit unbekanntem Wert geliefert werden, bis eine endgültige Spannung bestimmt wird, und dann die Kapazität auf Basis der bekannten Gesamtladung und der gemessenen Spannung berechnet wird.

Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Durchschnittsfachmann aufgrund der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Diagramm der grundlegenden Beziehungen zwischen Strom und Spannung bei einem Kondensator, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern;
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm des Kapazitätsmesssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der programmierbaren Konstantstromquelle, die zur Verwendung im System von Fig. 2 geeignet ist; und
Fig. 4 ist eine Programmliste, die die Funktionsweise des Systems von Fig. 2 zeigt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 dient zur Erleichterung des Verständnisses der Prinzipien der vorliegenden Erfindung und zeigt die grundlegenden Beziehungen zwischen Strom und Spannung bei einem Kondensator. Die Definition der Kapazität laut Lehrbuch ist die Strom-/Spannungsbeziehung i = C de/dt, von der die Kondensatorspannung als

definiert werden kann. Dies erklärt das hinreichend bekannte Konzept, dass sich dann wenn der an einen Kondensator geliefert Strom konstant ist, die Spannung linear ändert, wenn der Kondensator den konstanten Strom über der Zeit integriert. Dies wird aus Fig. 1 ersichtlich, in der ein über ein Zeitintervall ΔT gelieferter konstanter Strom i in einer linear ansteigenden Spannung ΔV resultiert. Außerdem ist das Integral des Stroms über jedem beliebigen Zeitintervall die Ladung Q, die im Kondensator gespeichert ist, oder Q = ∫idt. Man kann also sagen, dass die von der Stromwellenform in Fig. 1 eingeschlossene Fläche gleich ist der Ladung Q. Da schließlich Q = CV gilt, ergibt sich, dass der Kapazitätswert C berechnet werden kann, wenn die gespeicherte Ladung Q und die Spannung ΔV über den Kondensator bekannt sind.
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm des Kapazitätsmesssystems gemäß der vorliegenden Erfindung zum Messen des Kapazitätswertes eines an einen Eingangsanschluss 12 angeschlossenen Kondensators 10. Ebenfalls an den Eingangsanschluss 12 angeschlossen sind eine programmierbare Konstantstromquelle 14, ein Entladeschalter 16, ein Komparator 18 und ein Analog-/Digitalwandler (ADC) 20. Mit all diesen Geräten ist ein Mikroprozessor (µP) 24 funktional gekoppelt, der einen zugehörigen Speicher 26 und ein Anzeigegerät 28 enthält.
Während sämtliche Schaltungselemente von Fig. 2 dem Fachmann gut bekannt sind, können einige Erläuterungen zur programmierbaren Konstantstromquelle 14 sinnvoll sein, damit sich deren Zweck voll erschließt. Eine Möglichkeit, wie die Konstantstromquelle 14 gesehen werden kann, ist, dass es sich in Wirklichkeit um einen Ladungspaketgenerator handelt, da sie an den Kondensator 10 eine Menge eines konstanten Stroms (i) über ein vorgegebenes Zeitintervall (dt) liefert. Die Einzelheiten einer geeigneten programmierbaren Konstantstromquelle sind in Fig. 3 dargestellt. Gezeigt sind eine Vielzahl Konstantstromgeneratoren 30A, 30B, 30C, . . ., 30n, von denen ein jeder einen unterschiedlichen bekannten oder vorgegebenen Wert eines Konstantstroms liefert. Diese Werte können in jeder gewünschten Folge ansteigen, z. B. in einer binären Folge, z. B. ein Mikroampere (µA), 2 µA, 4 µA, 8 µA usw. oder in jeder anderen Folge, z. B. 1 µA, 2 µA, 5 µA, 10 µA usw., je nach dem betreffenden System und der Verfügbarkeit geeigneter Zeitintervalle, die verwendet werden können. Mit jedem der Konstantstromgeneratoren 30A, 30B, 30C, . . ., 30n ist ein entsprechendes UND-Gatter 32A, 32B, 32C, . . ., 32n gekoppelt. Ein Eingang jedes UND-Gatters 32A-32n kommt von einem Eins-aus-n- Selektor 34, bei dem es sich in geeigneter Weise um einen Adresszähler handeln kann, um einen der Konstantstromgeneratoren 30A-30n zu wählen. Der andere Eingang jedes UND- Gatters 32A-32n kommt von einem wählbaren Impulsbreitengenerator 36, der im aktivierten Zustand einen Impuls gewählter oder vorgegebener Breite bereitstellt, um den gewählten Konstantstromgenerator während eines präzisen bekannten Zeitintervalls anzuschließen. Die Eingänge des Eins-aus-n- Selektors 34 und des Impulsbreitengenerators 36 werden vom Mikroprozessor 24 bereitgestellt. Daraus folgt, dass der Mikroprozessor zum Schicken eines Ladungspakets q₀ an den Kondensator 10 wählt, welcher Stromgenerator über welches Zeitintervall angeschlossen wird, um den gewünschten Wert q₀ = ∫idt als einen Ausgang der programmierbaren Konstantstromquelle 14 bereitzustellen.
Die Funktionsweise des Systems von Fig. 2 zur Bestimmung des Kapazitätswertes des Kondensators 10 wird in Zusammenhang mit dem in Fig. 4 dargestellten Programm beschrieben.
In Schritt 40 initialisiert der Mikroprozessor 24 das System. Der (+)-Eingang des Komparators 18 wird durch Anlegen von VREF(0) auf etwas über 0 V eingestellt und der Entladeschalter 16 ist geschlossen. Jede Spannung am Kondensator 10 wird über den Schalter 16 entladen.
In Schritt 42 prüft der Mikroprozessor 24, ob der Kondensator 10 entladen ist, indem er den Ausgang des Komparators 8 überwacht. Liegt die Kondensatorspannung unter dem in Schritt 40 eingestellten Schwellenwert, liegt der Ausgang des Komparators auf HIGH, wodurch dem Mikroprozessor 24 gemeldet wird, dass die Kondensatorspannung kleiner ist als V_REF(0). Der Entladeschalter 16 wird dann geöffnet.
An dieser Stelle sollte darauf hingewiesen werden, dass der Komparator 18 hier als Spannungsüberwachungsgerät verwendet wird, um die Kondensatorspannung im Vergleich zu den Schwellenspannungen zu überwachen. Wie für den Fachmann auf der Hand liegt, könnte der Komparator durch einen hochschnellen ADC ersetzt und die Spannungsschwellenpegel könnten in der zum Mikroprozessor 24 gehörigen Firmware oder Software eingestellt werden.
In Schritt 44 wird die Spannung V_C(0) über den Kondensator 10 durch den ADC 20 gemessen und im Speicher 26 gespeichert. Die tatsächliche Ablesezeit kann verändert werden, um den Auswirkungen der dielektrischen Absorption Rechnung zu tragen, was in einer geringen Erhöhung der Kondensatorspannung resultieren würde, da eine kleine Menge der Ladung wieder innerhalb der physikalischen Komponenten des Kondensators verteilt wird. In einem solchen Fall würde der Schalter 16 wieder für eine kurze Zeitdauer geschlossen werden, um die Restladung zu entfernen, und dann wieder geöffnet werden, so dass eine neue J_C(0) -Ablesung erfolgen kann.
Es sei noch einmal erwähnt, dass dann wenn der Komparator 18 durch einen hochschnellen ADC ersetzt wird, dieser ADC eine Doppelfunktion wahrnehmen könnte, da sowohl der Komparator 18 als auch der ADC 20 durch einen einzigen hochschnellen ADC ersetzt werden könnten. Das Programm könnte melden, dass der Schwellenwert eingehalten worden ist und die ADC-Anzeige wird gespeichert.
In Schritt 46 wählt der Mikroprozessor 24 den niedrigsten verfügbaren Ladungspaketwert q₀, indem er die entsprechende Kombination aus Strompegel und Intervall der programmierbaren Konstantstromquelle 14 wählt, und stellt den Komparator 18 so ein, dass er bei einer Spannung V_REF auslöst, die geringfügig unterhalb einem halben Vollausschlag gemäß Eingabespezifikation des ADC 20 liegt.
In Schritt 48 leitet der Mikroprozessor 24 Strom von der programmierbaren Stromquelle 14 über ein bekanntes Zeitintervall zum Kondensator 10, um das Ladungspaket q₀ im Kondensator zu speichern, während er den Ausgang des Spannungskomparators 18 überwacht.
Kann der Spannungskomparator 18 in Schritt 50 nicht auslösen, bedeutet dies, dass das an den Kondensator 10 gelieferte Ladungspaket unzureichend war, um die Spannung zu erzeugen, die den in Schritt 46 eingestellten Auslösepegel erreicht. Löst der Spannungskomparator 18 aus, bedeutet dies, dass das im Kondensator 10 gespeicherte Ladungspaket eine Spannung gleich dem oder größer als der in Schritt 46 eingestellte(n) Auslösepegel erzeugte.
Löst der Spannungskomparator 18 nicht aus, nachdem eine Ladung q₀ in diesem gespeichert wurde, wird in Schritt 52 der Schritt 48 wiederholt, so dass der Kondensator eine Ladung Q = q₀ + q₀ enthält. Ist das an den Kondensator 10 gelieferte Ladungspaket immer noch unzureichend, eine den Auslösepegel erreichende Spannung zu erzeugen, wählt der Mikroprozessor 24 eine Kombination Strompegel/Zeitintervall, um ein neues Ladungspaket q₁ = 2q₀ bereitzustellen und leitet dieses Ladungspaket zum Kondensator 10. Schritte 48, 50 und 52 werden so oft wiederholt, bis die Gesamtladung Q des Kondensators 10 eine Spannung zum Auslösen des Komparators 18 erzeugt, was bedeutet, dass die vom Kondensator 10 erzeugte Spannung irgendwo zwischen dem halben und dem vollen Ausschlag des vorgeschriebenen Betriebsfensters des ADC 20 liegt. Der Mikroprozessor 24 verfolgt die an den Kondensator 10 gelieferten Ladungspakete und die Gesamtladung Q wird im Speicher 26 gespeichert.
Kann der Komparator 18 nach einer vorgegebenen Zeitspanne, in der mehrere Versuche möglich sind, eine Kombination Strompegel/Zeitintervall zu finden, die eine ausreichende Spannung zum Auslösen des Komparators 18 erzeugt, immer noch nicht auslösen, wird der Test beendet, da dies bedeutet, dass der Kondensator die Ladung aus irgendeinem Grund nicht annimmt.
Nach dem Auslösen des Komparators 18 aktiviert der Mikroprozessor 24 in Schritt 54 den ADC 20 zur Messung der endgültigen Spannung V_C(F) am Kondensator 10. Eine zweite Ablesung kann kurze Zeit später erfolgen, um sicherzustellen, dass die endgültige Spannung V_C(F) dem ersten Wert gleich ist, denn wäre sie etwas niedriger, würde dies auf einen undichten Kondensator hinweisen, in dem eine kleine Ladungsmenge abgeströmt ist.
In Schritt 56 wird die Kapazität vom Mikroprozessor 24 gemäß der folgenden Gleichung

für den Fall berechnet, in dem q_n = q₁ + q₂ + . . . + q_n-1. Des Weiteren kann für eine binäre Folge wie nachstehend beschrieben gezeigt werden, dass Q_T = q₀2^(N-1), wobei q₀ das minimale Ladungspaket und N die Anzahl der Ladezyklen für den Komparator 18 ist, um anzugeben, dass der in Schritt 46 eingestellte Auslösepegel überschritten worden ist.
Aus der nachfolgenden Tabelle ist ersichtlich, dass die Gesamtladung Q des Kondensators 10 in einer binären Folge ansteigt:
Diese Ladefolge ermöglicht eine sehr rasche Bestimmung von Kondensatoren mit einem weiten Bereich der Kapazitätswerte, z. B. acht Dekaden Werte, ohne Suche nach dem richtigen Kapazitätsbereich. Da außerdem der Kondensator in einer Reihe von Schritten von nahezu null auf eine Spannung innerhalb der oberen Hälfte des ADC-Betriebsfensters, d. h. zwischen dem halben Vollausschlag und dem Vollausschlag, geladen wird, ist die Messauflösung über den Messbereich konstant. An keinem Ende des Messbereichs tritt eine Auflösungskompression auf. Der dynamische Bereich der hierin beschriebenen Technik wird nur von den zur Erzeugung der Ladungspakete verwendeten Strompegeln und Zeitintervallen begrenzt und hängt deshalb von den Fähigkeiten des programmierbaren Stromgenerators 14 ab. Es sei beispielsweise angenommen, dass ΔV = 1,00 V aus der ersten und letzten Spannungsmessung durch den ADC 20 berechnet wird. Für Q_min = q₀ = 0,5 µA × 200 µs = 100 pCoulomb kann eine Kapazität von 100 pF gemessen werden. Andererseits kann ein 10.000 µF- Kondensator in ca. 5 Sekunden mit einer 1 mA-Stromquelle gemessen werden. Dies repräsentiert eine Spanne der Kapazitätswerte von acht Dekaden (von 100 pF bis 10.000 µF), oder wenn eine dreistellige Auflösung erforderlich ist, werden sechs Dekadenbereiche abgedeckt.
Es versteht sich also, dass die automatische Bereichssuche für Kapazitätsmessungen automatisch Bestandteil des hierin beschriebenen Verfahrens ist, wodurch die Notwendigkeit für Bereichssuchprogramme und -techniken entfällt. Da die Kondensatoren von einem Anfangsspannungswert auf einen Endspannungswert geladen werden und der Kapazitätswert aus der Gesamtladung der Kondensatoren bestimmt wird, wird die Auflösungskompression der Werte am unteren Ende der Kapazitätsbereiche vermieden, was eine deutliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik darstellt. Gleichermaßen wird die Kompression der Werte am oberen Ende einer RC-Zeitkonstantenkurve vermieden. Des Weiteren können fehlerhafte Kondensatoren mit dielektrischen Absorptionsproblemen oder undichte Kondensatoren erkannt werden.
Während wir die bevorzugten Ausführungsformen unserer Erfindung dargestellt und beschrieben haben, liegt es für den Fachmann auf der Hand, dass zahlreiche Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von der Erfindung in ihren weiter gefassten Aspekten abzuweichen. Beispielsweise könnte der Spannungskomparator 18 gegen einen hochschnellen ACD ausgetauscht werden, um die Entscheidungen bezüglich der Anfangs- und Endspannung zu treffen. Es ist deshalb zu bedenken, dass die beigefügten Ansprüche alle solche Änderungen und Modifikationen abdecken, soweit sie in den wahren Gültigkeitsbereich der Erfindung fallen.

Claims

1. Verfahren zur Kapazitätsmessung, das Folgendes aufweist:
zumindest teilweises Entladen des Kondensators und Messen der Spannung über diesem, um eine Anfangsspannung zu erhalten;
Liefern eines oder mehrerer vorgegebener Ladungspakete, um eine Gesamtladung in diesem Kondensator zu speichern und um eine endgültige Spannung über diesen zu erzeugen, die eine vorgegebene Mindestspannung überschreitet; und
Berechnen der Kapazität durch Subtrahieren der Anfangsspannung von der endgültigen Spannung, um eine Spannungsdifferenz zu erhalten, und Dividieren dieser im Kondensator gespeicherten Gesamtladung durch diese Spannungsdifferenz.

2. Verfahren zur Kapazitätsmessung nach Anspruch 1, das des Weiteren den Schritt der Wahl eines Strompegels und eines Zeitintervalls aufweist, um dieses vorgegebene minimale Ladungspaket bereitzustellen.