DE10204857B4 - Kapazitätsmessung - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zur Kapazitätsmessung
eines Kondensators, mit folgenden Schritten:
a) Zumindest teilweises Entladen des Kondensators und Messen der Spannung über diesem, um eine Anfangsspannung zu erhalten, die größer ist als der untere Endwert eines vorgegebenen Messbereiches;
b) Vorgeben einer Mindestspannung die größer ist als die Anfangsspannung und kleiner ist als der obere Endwert des Messbereiches;
c) Festlegen einer Folge von Ladungspaketen vorgegebener Größe;
d) Liefern eines Ladungspaketes zum Kondensator;
e) Messen der Spannung, die durch die im Kondensator vorhandene Gesamtladung über diesem erzeugt wird;
f) Falls die gemessene Spannung größer ist als die Mindestspannung oder gleich dieser ist, dann Berechnen der Kapazität durch Subtrahieren der Anfangsspannung von der gemessenen endgültigen Spannung, um eine Spannungsdifferenz zu erhalten, und Dividieren der im Kondensator gespeicherten Gesamtladung durch die Spannungsdifferenz;
g) Falls die gemessene Spannung kleiner als die Mindestspannung ist, dann Liefern eines weiteren Ladungspaketes und wiederholen der...
a) Zumindest teilweises Entladen des Kondensators und Messen der Spannung über diesem, um eine Anfangsspannung zu erhalten, die größer ist als der untere Endwert eines vorgegebenen Messbereiches;
b) Vorgeben einer Mindestspannung die größer ist als die Anfangsspannung und kleiner ist als der obere Endwert des Messbereiches;
c) Festlegen einer Folge von Ladungspaketen vorgegebener Größe;
d) Liefern eines Ladungspaketes zum Kondensator;
e) Messen der Spannung, die durch die im Kondensator vorhandene Gesamtladung über diesem erzeugt wird;
f) Falls die gemessene Spannung größer ist als die Mindestspannung oder gleich dieser ist, dann Berechnen der Kapazität durch Subtrahieren der Anfangsspannung von der gemessenen endgültigen Spannung, um eine Spannungsdifferenz zu erhalten, und Dividieren der im Kondensator gespeicherten Gesamtladung durch die Spannungsdifferenz;
g) Falls die gemessene Spannung kleiner als die Mindestspannung ist, dann Liefern eines weiteren Ladungspaketes und wiederholen der...
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
US 6275 04781 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. - Aus Drummond-Murray, A. "Electrolytic Capacity tester" in: Wireless World, 1977, May, S. 47–49, ist ein Kapazitätsmeßgerät bekannt, bei dem zunächst ein Bereich für die zu messende Kapazität ausgewählt wird. Danach wird eine einzelne bestimmte Ladung dem Kondensator zugeführt und die anstehende Spannung gemessen, die proportional zur Kapazität ist, da die Anfangsspannung über dem Kondensator 0 Volt beträgt.
- 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.
- Demgegenüber liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein schnelleres und genaueres Verfahren zur Kapazitätsmessung eines Kondensators vorzuschlagen.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des neuen Anspruchs 1 gelöst.
- Zusammenfassung der Erfindung
- Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Messung von Kapazitäten bereitgestellt, bei dem Ladungspakete mit bekannten Werten 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 Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Durchschnittsfachmann aufgrund der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den beilegenden Zeichnungen ersichtlich.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 ist ein Diagramm der grundlegenden Beziehungen zwischen Strom und Spannung bei einem Kondensator, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern; -
2 ist ein schematisches Diagramm des Kapazitätsmesssystems gemäß der vorliegenden Erfindung; -
3 ist eine schematische Darstellung der programmierbaren Konstantstromquelle, die zur Verwendung im System von2 geeignet ist; und -
4 ist eine Programmliste, die die Funktionsweise des Systems von2 zeigt. - Detaillierte Beschreibung der Erfindung
-
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 e(t) = 1 / C∫idt 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 aus1 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 in1 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 dem Kondensator bekannt sind. -
2 ist ein schematisches Diagramm des Kapazitätsmesssystems gemäß der vorliegenden Erfindung zum Messen des Kapazitätswertes eines an einen Eingangsanschluss12 angeschlossenen Kondensators10 . Ebenfalls an den Eingangsanschluss12 angeschlossen sind eine programmierbare Konstantstromquelle14 , ein Entladeschalter16 , ein Komparator18 und ein Analog-/Digitalwandler (ADC)20 . Mit all diesen Geräten ist ein Mikroprozessor (μP)24 funktional gekoppelt, der einen zugehörigen Speicher26 und ein Anzeigegerät28 enthält. - Während sämtliche Schaltungselemente von
2 dem Fachmann gut bekannt sind, können einige Erläuterungen zur programmierbaren Konstantstromquelle14 sinnvoll sein, damit sich deren Zweck voll erschließt. Eine Möglichkeit, wie die Konstantstromquelle14 gesehen werden kann, ist, dass es sich in Wirklichkeit um einen Ladungspaketgenerator handelt, da sie an den Kondensator10 eine Menge eines konstanten Stroms (i) über ein vorgegebenes Zeitintervall (dt) liefert. Die Einzelheiten einer geeigneten programmierbaren Konstantstromquelle sind in3 dargestellt. Gezeigt sind eine Vielzahl Konstantstromgeneratoren30A ,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 Konstantstromgeneratoren30A ,30B ,30C , ...,30n ist ein entsprechendes UND-Gatter32A ,32B ,32C , ...,32n gekoppelt. Ein Eingang jedes UND-Gatters32A –32n kommt von einem Eins-aus-n-Selektor34 , bei dem es sich in geeigneter Weise um einen Adresszähler handeln kann, um einen der Konstantstromgeneratoren30A –30n zu wählen. Der andere Eingang jedes UND-Gatters32A –32n kommt von einem wählbaren Impulsbreitengenerator36 , 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-Selektors34 und des Impulsbreitengenerators36 werden vom Mikroprozessor24 bereitgestellt. Daraus folgt, dass der Mikroprozessor zum Schicken eines Ladungspakets q0 an den Kondensator10 wählt, welcher Stromgenerator über welches Zeitintervall angeschlossen wird, um den gewünschten Wert q0 = ∫idt als einen Ausgang der programmierbaren Konstantstromquelle14 bereitzustellen. - Die Funktionsweise des Systems von
2 zur Bestimmung des Kapazitätswertes des Kondensators10 wird in Zusammenhang mit dem in4 dargestellten Programm beschrieben. - In Schritt
40 initialisiert der Mikroprozessor24 das System. Der (+)-Eingang des Komparators18 wird durch Anlegen von VREF(0) auf etwas über 0 V eingestellt und der Entladeschalter16 ist geschlossen. Jede Spannung am Kondensator10 wird über den Schalter16 entladen. - In Schritt
42 prüft der Mikroprozessor24 , ob der Kondensator10 entladen ist, indem er den Ausgang des Komparators8 überwacht. Liegt die Kondensatorspannung unter dem in Schritt40 eingestellten Schwellenwert, liegt der Ausgang des Komparators auf HIGH, wodurch dem Mikroprozessor24 gemeldet wird, dass die Kondensatorspannung kleiner ist als VREF(0). Der Entladeschalter16 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 Mikroprozessor24 gehörigen Firmware oder Software eingestellt werden. - In Schritt
44 wird die Spannung VC(0) über dem Kondensator10 durch den ADC20 gemessen und im Speicher26 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 Schalter16 wieder für eine kurze Zeitdauer geschlossen werden, um die Restladung zu entfernen, und dann wieder geöffnet werden, so dass eine neue VC(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 Komparator18 als auch der ADC20 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 Mikroprozessor24 den niedrigsten verfügbaren Ladungspaketwert q0, indem er die entsprechende Kombination aus Strompegel und Intervall der programmierbaren Konstantstromquelle14 wählt, und stellt den Komparator18 so ein, dass er bei einer Spannung VREF auslöst, die geringfügig unterhalb einem halben Vollausschlag gemäß Eingabespezifikation des ADC20 liegt. - In Schritt
48 leitet der Mikroprozessor24 Strom von der programmierbaren Stromquelle14 über ein bekanntes Zeitintervall zum Kondensator10 , um das Ladungspaket q0 im Kondensator zu speichern, während er den Ausgang des Spannungskomparators18 überwacht. - Kann der Spannungskomparator
18 in Schritt50 nicht auslösen, bedeutet dies, dass das an den Kondensator10 gelieferte Ladungspaket unzureichend war, um die Spannung zu erzeugen, die den in Schritt46 eingestellten Auslösepegel erreicht. Löst der Spannungskomparator18 aus, bedeutet dies, dass das im Kondensator10 gespeicherte Ladungspaket eine Spannung gleich dem oder größer als der in Schritt46 eingestellte(n) Auslösepegel erzeugte. - Löst der Spannungskomparator
18 nicht aus, nachdem eine Ladung q0 in diesem gespeichert wurde, wird in Schritt52 der Schritt48 wiederholt, so dass der Kondensator eine Ladung Q = q0 + q0 enthält. Ist das an den Kondensator10 gelieferte Ladungspaket immer noch unzureichend, eine den Auslösepegel erreichende Spannung zu erzeugen, wählt der Mikroprozessor24 eine Kombination Strompegel/Zeitintervall, um ein neues Ladungspaket q1 = 2q0 bereitzustellen und leitet dieses Ladungspaket zum Kondensator10 . Schritte48 ,50 und52 werden so oft wiederholt, bis die Gesamtladung Q des Kondensators10 eine Spannung zum Auslösen des Komparators18 erzeugt, was bedeutet, dass die vom Kondensator10 erzeugte Spannung irgendwo zwischen dem halben und dem vollen Ausschlag des vorgeschriebenen Betriebsfensters des ADC20 liegt. Der Mikroprozessor24 verfolgt die an den Kondensator10 gelieferten Ladungspakete und die Gesamtladung Q wird im Speicher26 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 Komparators18 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 Mikroprozessor24 in Schritt54 den ADC20 zur Messung der endgültigen Spannung VC(F) am Kondensator10 . Eine zweite Ablesung kann kurze Zeit später erfolgen, um sicherzustellen, dass die endgültige Spannung VC(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 Mikroprozessor24 gemäß der folgenden Gleichung für den Fall berechnet, in dem qn = q1 + q2 + ... + qn–1. Des Weiteren kann für eine binäre Folge wie nachstehend beschrieben gezeigt werden, dass QT = q02(N–1), wobei q0 das minimale Ladungspaket und N die Anzahl der Ladezyklen für den Komparator18 ist, um anzugeben, dass der in Schritt46 eingestellte Auslösepegel überschritten worden ist. -
- 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 ADC20 berechnet wird. Für Qmin = 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 Auflösungs kompression 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 (3)
- Verfahren zur Kapazitätsmessung eines Kondensators, mit folgenden Schritten: a) Zumindest teilweises Entladen des Kondensators und Messen der Spannung über diesem, um eine Anfangsspannung zu erhalten, die größer ist als der untere Endwert eines vorgegebenen Messbereiches; b) Vorgeben einer Mindestspannung die größer ist als die Anfangsspannung und kleiner ist als der obere Endwert des Messbereiches; c) Festlegen einer Folge von Ladungspaketen vorgegebener Größe; d) Liefern eines Ladungspaketes zum Kondensator; e) Messen der Spannung, die durch die im Kondensator vorhandene Gesamtladung über diesem erzeugt wird; f) Falls die gemessene Spannung größer ist als die Mindestspannung oder gleich dieser ist, dann Berechnen der Kapazität durch Subtrahieren der Anfangsspannung von der gemessenen endgültigen Spannung, um eine Spannungsdifferenz zu erhalten, und Dividieren der im Kondensator gespeicherten Gesamtladung durch die Spannungsdifferenz; g) Falls die gemessene Spannung kleiner als die Mindestspannung ist, dann Liefern eines weiteren Ladungspaketes und wiederholen der Schritte e) bis g).
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Folge von Ladungspaketen unterschiedlicher vorgegebener Größe festgelegt wird.
- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt der Wahl eines Strompegels und eines Zeitintervalls aufweist, um ein vorgegebenes Ladungspaket bereitzustellen.
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