DD125167B1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur leitwerts-kapazitaets- u. induktivitaetsmessung - Google Patents

Description

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Streuungen im Anlaufverhalten der Transistoren kommt hier für das Rückkippen der schon flacher werdende Teil der Exponentialkurve der Kondensatorentladung ins Spiel mit der Folge, daß die Meßgenauigkeit bei kleinen Kapazitäten erheblich abnimmt. Die Messung von Widerständen (indem der Prüfling anstelle des die Verweilzeit bestimmenden R eingesetzt wird) ist, bedingt u.a. durch den benutzbaren Arbeitsbereich der Transistoren, mit dieser Schaltung nur in einem sehr beschränkten Widerstandsbereich möglich. Eine andere bekannte Meßschaltung enthält Mittel, um einen Kondensator auf einen Spannungsbetrag U₀ aufzuladen und ihn dann über einen Widerstand R zu entladen, sowie einen Differenzverstärker, der feststellt, wenn bei der Entladung der Spannungswert 0.3679.U₀ erreicht ist. Die Zeit vom Beginn der Entladung bis zu dem genannten Referenzpunkt wird ausgezählt, da sie direkt proportional RC ist, ergibt sie ein Maß für C bzw. R, wenn R bzw. C vorgegeben ist. Auch hier wird die Genauigkeit der Diskriminierung des Meßzeit-Endes durch den schon flacher gewordenen Verlauf der exponentiellen Entladungskurve beeinträchtigt, und desgleichen durch z. B. temperaturbedingte Änderungen der dem Differenzverstärker über Widerstände zugeführten zu vergleichenden Steuerspannungen.

Es ist auch eine Meßvorrichtung zur digitalen Messung von Kapazitäten oder von Widerständen bekannt, in der der Prüfling als ein Zeitkonstantenglied einschaltbar ist, und mit einem Zähler zur Auszählung der Zeit, in dereine von der Schaltung von einem Anfangswert ausgehend erzeugte Spannung einen zweiten durch eine Vergleicherschaltung vorgegebenen Wert erreicht. Diese Meßvorrichtung beruht darauf, daß die Zeitdauer von Aplitudenänderungen einer von einer integrierenden Schaltung erzeugten linearen Sägezahnflanke ausgezählt werden und daß der zu messende Kondensator bzw. der zu messende Widerstand an Klemmen des Sägezahngenerators so angeschlossen wird, daß er dessen Integrationsgeschwindigkeit und damit die Flankensteilheit des Sägezahnes mit bestimmt.

Die Meßvorrichtung ist so ausgebildet, daß Umschalter vorgesehen sind, um entweder Kapazitäts-Meßklemmen anstelle einer internen, durch einen Wahlschalter unterschiedlich einstellbaren Kapazitäts-oder Widerstandsmeßklemmen anstelle einer internen, durch einen Wählschalter unterschiedlich einstellbaren Widerstands in den Verstärkerkreis des Sägezahngenerators einzuschalten, sowie Schaltmittei zur Zuführung von zwei Festspannungen an die Vergleichsschaltung, vorzugsweise der Sägezahnspitzenspannung und des Erdpotentials. Komplexe Zweipole, bei denen Kapazitäten, Induktivitäten und Widerstände parallel geschaltet sind, lassen sich mit vorstehenden Einrichtungen nicht ohne Umschaltung messen. Bekannt ist ein Verfahren zur Messung der Kennwerte eines komplexen Stromkreises, nach welchem zum Meßkreis, der den komplexen Stromkreis umfaßt, ein elektrisches Signal gelangt und eine Umsetzung der Kennwerte der am Ausgang des Meßkreises empfangenen elektrischen Signale in Zeitintervalle erfolgt, nach deren Größe die Kennwerte des komplexen Stromkreises beurteilt werden können.

Nach diesem Verfahren zur Messung der Kennwerte eines komplexen Stromkreises wird an den Eingang des Meßkreises Gleichspannung angelegt, wobei der Meßkreis einen Spannungsteiler darstellt, der durch die Reihenschaltung eines Normalwiderstandes und eines parallelen RC-Kreises bei Messung der Kennwerte des letzteren, durch die Reihenschaltung des in Reihe geschalteten RL-Kreises und eines Normalwiderstandes beim Messen der Kennwerte des in Reihe geschalteten RL-Kreises, durch die Reihenschaltung des in Reihe geschalteten RC-Kreises und eines Normalkondensators beim Messen der Kennwerte des in Reihe geschalteten RC-Kreises gebildet wird. Dabei erfolgt im Meßkreis ein Übergangsprozeß, der die Spannungsänderung am Ausgang des Meßkreises, d. h. des erwähnten Spannungsteilers bedingt. Nachdem der Übergangsprozeß praktisch zu Ende ist, wird im eingeschwungenen Zustand vom Ausgang des Meßkreises eine Gleichspannung abgenommen, aufgespeichert und in ein Zeitintervall umgesetzt, das nachher gemessen wird. Danach wird an den Eingang des Meßkreises ein Nullpotential angelegt und das Zeitintervall von diesem Zeitmoment an bis zum Zeitmoment gemessen, da die dem Ausgang des Meßkreises abgenommene Spannung des wiederholt angeregten Übergangsprozesses und ein bestimmter Teil der früher aufgespeicherten Gleichspannung einander gleich sind.

Im obenbeschriebenen Verfahren zur Messung der Kennwerte eines komplexen Stromkreises bestehen keine linearen Abhängigkeiten zwischen den Größen der sich ergebenden Zeitintervalle und den Größen der Elemente und der Zeitkonstante des komplexen Stromkreises, andererseits ist zum Erhalten einer getrennten Information über die Größen der Elemente und der Zeitkonstante des komplexen Stromkreises eine mathematische Bearbeitung der ziffernmäßigen Äquivalente erforderlich, die sich beim Messen der erwähnten Zeitintervalle ergeben. Außerdem ermöglicht nicht beschriebene Verfahren die Messung der Kennwerte eines komplexen Stromkreises, das Messen der Größe der Elemente und die der Zeitkonstante des parallelen RL-Kreises, da für diesen Fall der Meßkreis aus einer in Reihe geschalteten Normalinduktivitätsspule und einem parallelen RL-Kreis bestehen muß, im eingeschwungenen Zustand die dem Ausgang des Meßkreises abgenommene Spannung nicht durch die Größe der Induktivität L der Induktivitätsspule des parallelen RL-Kreises bestimmt werden wird, sondern durch das Verhältnis zwischen den Widerstandsgrößen (Verlusten) der Induktivitätsspule des parallelen RL-Kreises und einer Normalinduktivitätsspule.

All dies begrenzt in gewissem Maße das Anwendungsgebiet des obenbeschriebenen Verfahrens zum Messen der Kennwerte eines komplexen Stromkreises infolge der niedrigen Präzision des Verfahrens (durch die Unlinearität der Umsetzungsfunktion) zum Messen der Größe der Elemente und der Zeitkonstante des parallelen RC-Kreises und der in Reihe geschalteten RL- und RC-Kreises sowie infolge der Unmöglichkeit die Größen der Elemente und der Zeitkonstante des parallelgeschalteten RL-Kreises zu messen.

Bekannt ist eine Einrichtung zum Anwenden des Verfahrens zum Messen der Kennwerte eines komplexen Stromkreises, in welcher ein Umschalter, dessen erster Eingang an den Ausgang der Gleichspannungsquelle angeschaltet und dessen zweiter Eingang geerdet ist, dem Signal des Steuerblocks zufolge, das zeitmäßig mit dem äußeren Signal übereinstimmt, an seinen Ausgang seinen ersten Eingang anschaltet, dabei ist der Ausgang des Umschalters entweder über einen komplexen Stromkreis an die mit dem Spannungsmeß- und dem Vergleichsblock elektrisch verbundene Herausführung des Normalelements oder über das Normalelement an die mit dem Spannungsmeß- und dem Vergleichsblock elektrisch verbundene Herausführung des komplexen Stromkreises angeschaltet, der Ausgang des Vergleichsblocks ist an den Eingang des Steuerblocks angeschaltet, der seinerseits an den Block zum Messen der Zeitintervalle angeschlossen ist.

Der Steuerblock gibt einem äußeren Signal zufolge ein Steuersignal zum Umschalter, der demgemäß den Ausgang der Gleichspannungsquellle an den Eingang des Meßkreises anschaltet, weicher eine Reihenschaltung aes Normaiwiderstandes und des parallelen RC-Kreises beim Messen der Kennwerte dieses letzteren, eine Reihenschaltung des in Reihe geschalteten PL-Kreises und eines Normalwiderstandes beim Messen der Kennwerte des in Reihe geschalteten RL-Kreises, eine Reihenschaltung des in Reihe geschalteten RC-Kreises und eines Ncrmalkondensators beim Messen der Kennwerte des in Reihe

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geschalteten RC-Kreises darstellt, wobei der andere Eingang des Meßkreises an den geerdeten Eingang des Umschalters angeschaltet ist. Nach Verlauf der für das praktische Ende des Übergangsprozesses im Meßkreis erforderlichen Zeit gibt der Steuerblock ein Signal zum Spannungsmeßblock und zur Speichereinrichtung, deren Eingang mit dem Ausgang des Meßkreises, d. h. mit dem gemeinsamen Zusammenschaltungspunkt des Normalelementes und des komplexen Stromkreises verbunden ist, während der Ausgang über einen denTeiifaktore"¹ aufweisenden Spannungsteiler an einen Eingang des Vergleichsblocks angeschaltet ist. Diesem Signal zufolge speichert die Speichereinrichtung die Ausgangsspannung des Meßkreises auf, während der Spannungsmeßblock, dessen Eingang mit dem Ausgang des Meßkreises verbunden ist, die Ausgangsspannung des letzteren mißt. Daraufhin gibt der Steuerblock ein Signal, demzufolge der Umschalter den Eingang des Meßkreises an seinen geerdeten Eingang ausschaltet, während der Block zum Messen der Zeitintervalle das Zeitintervall zu messen anfängt, über dessen Ende ein Signal an den Block zum Messen der Zeitintervalle vom Vergleichsblock im Zeitmoment anfällt, in welchem die Spannung des wiederholt angeregten Übergangsprozesses, die vom Ausgang des Meßkreises abgenommen wird, der vom Ausgang des Spannungsteilers abgenommenen Spannung gleichkommt, ßeim Messen der Kennwerte eines komplexen Stromkreises nach dem erwähnten Verfahren kann eine hohe Meßgenauigkeit nicht erreicht werden, da die sich bei der Messung ergebenden ziffernmäßigen Äquivalente der Spannung und des Zeitintervalis keine lineare Abhängigkeit mit den Kennwerten des komplexen Stromkreises besitzen. Mehr noch, das ziffernmäßige Äquivalent des Zeitintervalls, dessen Ende vom Vergleichsblock verzeichnet wird, hängt gleichzeitig von den Größen der beiden Elemente des komplexen Stromkreises ab, während das ziffernmäßige Äquivalent eines solch wichtigen Kennwertes des komplexen Stromkreises, wie es die Zeitkonstante ist, überhaupt fehlt. Die zusätzliche Herabsetzung der Meßgenauigkeit erfolgt durch die Überbrückung des komplexen Stromkreises oder des Musterelementes durch den Eingangswiderstand des Vergleichsblocks. Als wesentlicher Nachteil gilt auch die Unmöglichkeit der Messung der Kennwerte des parallelen RL-Kreises infolge des Umstandes, daß nach dem Abschluß des anfänglich angeregten Übergangsprozesses der Strom (und folglich auch die Spannung am Ausgang) im Meßkreis, der in diesem Falle von der in Reihe geschalteten Normalinduktivitätssp-jle und dem parallelen RL-Kreis gebildet wird, nicht durch die Größe der Induktivität L der Induktivitätsspule des parallelen RL-Kreises, sondern durch das Verhältnis zwischen den Widerstandsgrößen (Verlusten) der Normalinduktivitätsspule und der Induktivitätsspule des parallelen RL-Kreises bestimmt wird.

Es ist ein weiterentwickeltes Verfahren zur Messung der Kennwerte eines komplexen Stromkreises bekannt, in welchem dem einen komplexen Stromkreis enthaltenen Meßkreis ein elektrisches Signal gegeben wird, und die Kennwerte der vom Ausgang des Meßkreises im Laufe von bestimmten Zeitintervallen abgenommenen elektrischen Signale umgesetzt und nach den Größenwerten dieser Zeitintervalle die Kennwerte des komplexen Stromkreises beurteilt werden, wobei als elektrisches Signal Gleichspannung benutzt wird, die unmittelbar an den Eingang des komplexen Stromkreises bei Parallelschaltung seiner Elemente angelegt wird. Zum Umsetzen der vom Ausgang des Meßkreises abgenommenen elektrischen Signale wird in Zeitintervallen der Strom oder das Integral des Stromes, der durch den komplexen Stromkreis bei Parallelschaltung seiner Elemente fließt, mit zwei Bezugsströmen verglichen, von welchen der kleinere größer als die Gleichstromkomponente des erwähnten Stromes oder des Stromintegrals ist. Das Zeitintervall wird gemessen zwischen den Zeitmomenten, in welchen der erwähnte Strom oder das Integral des Stromes zweiten Bezugsströmen oder die erwähnte Spannung zweiten Bezugsspannungen gleichkommt, danach wird nach einem geeichten Zeitintervall, das die Größe der Zeitkonstante des komplexen Stromkreises übersteigt und vom Zeitmoment an abgezählt wird, in welchem an den Stromkreis Gleichspannung angeschaltet wird, die Polarität der angeschalteten Gleichspannung oder die Richtung des Gleichstromes wird geändert und das Zeitintervall gemessen von diesem Zeitrnoment an bis zum Zeitmoment, in welchem der erwähnte Strom oder das Integral des Stromes, der durch den komplexen Stromkreis bei Parallelschaltung seiner Elemente fließt, dem Nullwert annähernd gleichkommen. Danach wird die angeschaltete Gleichspannung abgeschaltet oder die Änderung des angeschalteten linear veränderlichen Stromes unterbrochen oder der Gleichstrom abgeschaltet und der Strom oder das Integral des Stromes, der durch den komplexen Stromkreis bei Parallelschaltung seiner Elemente fließt, gemessen.

Bei einer Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist es bekannt, einen Umschalter vorzusehen, dessen erster Eingang an den Ausgang der Gleichspannungsquelle angeschaltet und dessen zweiter Ausgang geerdet ist, und der, einem Signal des Steuerblocks zufolge, das zeitlich mit dem äußeren Signal zusammenfällt, an seinen Ausgang seinen ersten Eingang anschaltet, wobei der Ausgang des Umschalters über einen komplexen Stromkreis an die Herausführung des Normalelementes angeschaltet ist, das mit dem Spannungsmeßblock und mit dem Vergleichsblock elektrisch gekoppelt ist, oder über das Normalelement an die Herausführung des komplexen Stromkreises angeschaltet ist, der elektrisch mit dem Spannurgsmeßblock und mit dem Vergleichsblock gekoppelt ist, dessen Ausgang an den Eingang des Steuerblocks angeschaltet ist, der seinerseits an den Block zum Messen der Zeitintervalle angeschaltet ist. Die Einrichtung ist mit einem Gleichstromverstärker ausgerüstet, in dem parallele negative Rückkopplung vorgesehen ist und der die elektrische Kopplung des gemeinsamen Zusammenschaltpunktes des komplexen Stromkreises und der Herausführung des Normaleiementes oder das Normalelementes und der Herausfür-rung des komplexen Stromkreises mit dem Spannungsmeßblock und mit dem Vergleichsblock zustande bringt, der in den Zeiimomenten, in welchen die Spannung am Ausgang des Gleichstromverstärkers der Reihe nach zweiten Bezugsspannungen und dem Nuiiwert gleichkommt, entsprechend drei Signale zum Spannungsmeßblock und zum Steuerblock gibt, der den Block zum Messen derZeitintervalie derart steuert, daß der Anfang des ersten zu messenden Zeitintervalis zeitlich mit dem ersten vom Vergleichsblock ausgehenden Signal und das Ende mit dem zweiten Signal zusammenfällt, der Anfang des zweiten zu messenden Zeitintervails zeitlich mit dem Ende des geeichten Zeitintervalls zusammenfällt, das vom Zeitmoment des Eintreffens des äußeren Signals abgezählt wird, und das Ende mit dem dritten vom Vergleichsblock eintreffenden Signal zusammenfällt, wobei der Steuerblock auch den Zustand des Umschalters ändert, bei welchem nach einem geeichten Zeitintervall nach dem Eintreffen des äußeren Signals der Ausgang des Umschalters an seinen dritten Eingang angeschaltet ist, der seinerseits an<den Ausgang der eine andere Polarität aufweisenden Gleichspannungsquelie angeschaltet ist, wobei im Zeitmoment, der Ausgang des Umschalters an seinen zweiten Eingang angeschaltet ist und der Spannungsmeßblock die Spannung am Ausgang des Gleichstromverstärkers zu messen anfängt. Im Falle, wenn der komplexe Stromkreis eine Parallelschaltung von RL-Elementen bildet, ist es bekannt, als Normalelement einen Widerstand ги benutzen, der in den StromKreis der parallelen negativen Rückkopplung des Gleichspannungsverstärkers eingeschaltet ist. Im Falle, wenn der komplexe Stromkreis eine Parallelschaltung von RC-Elementen bildet, ist es bekannt, als Normaleiement einen Kondensator zu benutzen, der in der Stromkreis der parallelen negativen Rückkopplung des Gieichspannungsverstärkers eingeschaltet ist. Diesem Verfahren mit seiner aufwendigen Einrichtung zur Durchführung haften

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die schwerwiegenden Mängel an, daß, abhängig von der Zeitkonstante des Zweipols, erhebliche Meßzeiten benötigt werden, daß der komplexe Zweipol erdfrei vorliegen muß und daß ein Normal benötigt wird. Darüber hinaus ist die programmierte Bereitstellung der erforderlichen hohen Anzahl von Normalen mit hohem Aufwand verbunden.

Zur Vermeidung dieser Nachteile wurde bereits ein Verfahren für Zweipoie ohne induktivität vorgeschlagen, bei dem der Zweipol mit einem zunächst konstanten maximalen Speisestrom entsprechender Richtung beaufschlagt wird und die der Kapazität des Zweipols proportionale Zeitdifferenz vom Beginn des Stromflusses bis zum Erreichen eines bestimmten oder während dieses Stromflusses zwischen zwei bestimmten Spannungsschwellwerten über dem Zweipol gemessen wird. Mit Erreichen des letzteren oder eines bestimmten weiteren Spannungsschwellwertes über dem Zweipol wird mittels eines Regelkreises der Speisestrom auf einen solchen, dem Leitwert des Zweipols proportionalen Wert zurückgeregelt, daß die Spannung über dem Zweipol nunmehr auf dem konstanten Wert verbleibt.

Mittels der gewählten und gemessenen Spannungspegel, sowie des gemessenen Zeitabschnittes werden die Kapazität und der Leitwert errechnet. Nachteiligerweise kann bei einem komplexen Zweipol eine unbekannte Induktivität und der Leitwert nicht bestimmt werden.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist es, diesen Nachteil der bereits vorgeschlagenen Lösung zu vermeiden und ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur vorzugsweise rechnergesteuerten, programmierten, schnellen Leitwerts-, Induktivitäts- und Kapazitätsmessung vorzuschlagen, das bei kurzer Einschwing- und Meßzeit die einzelnen Komponenten eines komplexen, auch bipolaren Zweipols, der aus einer Parallelschaltung von Widerstand, Induktivität und Kondensator, aus der Kombination zweier dieser Elemetne oder auch nur aus einem dieser Elemente besteht, zu ermitteln gestattet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Ausgehend von vorstehender Zielstellung besteht für eine Weiterentwicklung der bereits vorgeschlagenen Lösung die Aufgabe darin, komplexe Zweipole, die vorwiegend als Ersatzzweipole für einzelne bestimmte Bauelemente nur gegen Masse oder einem Betriebsspannungspotential gemessen werden können, durch Anwendung rechnergesteuerter programmierter komplexer Maßnahmen zur Eieminierung der Einflüsse umgebender Schaitungsstrukturen mit einem elektrischen Signal zu beaufschlagen und aus zeitlich nachfolgend gemessenen Größen die Komponenten Leitwert, Induktivität und Kapazität zu ermitteln. Erfindungsgemäß wird bei einem komplexen Zweipol mit Induktivität die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Parallelkapazität in vorstehend beschriebener bereits vorgeschlagener Verfahrensweise bestimmt wird und daß nach Erreichen der konstanten Spannung über dem Zweipol nunmehr die einer Induktivität des Zweipols näherungsweise proportionale Zeitdifferenz zwischen zwei bestimmten Stromwerten des durch den Zweipol fließenden Stromes gemessen wird und/oder daß die Zeitdifferenzen zwischen dem Erreichen eines Schweliwertes, vorzugsweise des halben Spannungsendwertes, der über dem Zweipol ausgeregelten Spannung und den vorgegebenen Stromwerten des durch den Zweipol fließenden Stromes gemessen und daraus mit den anderen Parametern die Induktivität und der Leitwert mittels einer, einen Rechner enthaltenden Einrichtung näherungsweise berechnet wird. Dabei ist es möglich, daß die Ermittlung der Zeitdifferenzen mit drei Zeitintervallmessern parallel in einem einzigen Meßvorgang erfolgt oder daß die Ermittlung der Zeitdifferenzen mit einem Zeitintervallmesser in drei aufeinanderfolgenden Meßvorgängen erfolgt, wobei die Start- und Stoppschwellspannungen sowie der Stoppeingang zwischenzeitlich entsprechend umgeschaltet werden.

Eine Schaltungsanordnung zur letzten Verfahrensweise sieht vor, daß der Ausgang der den maximalen Speisestrom liefernden Konstantstromquelle, wie bereits vorgeschlagen, mit dem gegen einen Bezugspunkt geschalteten unbekannten Zweipol, mit dem invertierenden Eingang und über ein Bauelement mit Ventilwirkung mit dem Ausgang eines Differenzverstärkers, an dessen nichtinvertierendem Eingang ein einen definierten Spannungssprung erzeugender Impulsgenerator angeschlossen ist, weiterhin mit dem für einen unteren StartschwelIwert ausgelegten Starteingang und während der ersten Messung über einen Umschalter mit dem für einen oberen Stoppschwellwert ausgelegten Stoppeingang des Zeitintervallmessers verbunden ist, daß der Fußpunkt der Stromquelle mit dem Mittelpunkt der Betriebsspannungseinspeisung für den Differenzverstärker und über einen Bezugswiderstand, der den Eingang eines dort angeschlossenen Digitalvoltmeters shunted, wie bereits vorgeschlagen, mit dem Bezugspunkt und während der zweiten und dritten Messung auch noch über den Umschalter mit dem Stoppeingang des Zeitintervallmessers verbunden ist, wobei vorzugsweise Digitalausgänge des Zeitintervallmessers und des Digitalvoltmeters mit einem Rechner mit Programmsteuereinrichtung und Steuersignalleitungen zur Programmierung und Signalauslösung vom Rechner mit Programmsteuereinrichtung mit dem Zeitintervallmesser, dem Umschalter und dem Impulsgenerator verbunden sind.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soli nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Anordnung

Fig. 2: den zeitlichen Verlauf der über dem unbekannten Zweipol liegenden uo und der über dem Bezugswiderstand Rb liegenden Spannung R₉ i

Ein Impulsgenerator 1, der mit seinem Ausgang am nichtinvertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 2 liegt, erzeugt zum Zeitpunkt t = to gesteuert von dem Rechner oder Programmsteuereinrichtung 9 einen Spannungssprung mit definierter Amplitude Uo. Der Ausgang des Differenzverstärkers 2 ist über ein Schaltelement mit Ventilwirkung 3 mit dem invertierenden Eingang des Differerizverstärkers 2, dem einem Pol des mit dem anderen Pol am Bezugspunkt liegenden unbekannten Zweipol 5, dem Ausgang einer Konstantstromquelle 4_r dem für eine Startschwellspannung Usta 1 ausgelegten Starteingang und bei der 1. Messung über einen gesteuerten Umschalter 8 mit dem für eine Stopschwellspannung Ustoi ausgelegten Stoppeingang eines Zeitintervallmesser 6 verbunden.

Das Schaltelement mit Ventilwirkung 3 ist so gepolt, daß kein Strom in den oder aus dem Differenzverstärker 2 fließen kann, solange die über dem unbekannten Zweipol 5 liegende Spannung betragsmäßig kleiner als die Schwellspannung Uo ist. Da der Start- und Stopeingang des Zeitintervallmessers 6 und der invertierende Eingang des Differenzverstärkers 2 hochohmig

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ausgeführt sind, fließt ab dem Zeitpunkt t = to der gesamte von der Konstantstromquelle 4 gelieferte Strom io durch den unbekannten Zweipol 5 und erzeugt hier bei hinreichend großer Induktivität Lx einen näherungsweise zeitünearen Spannungsanstieg eier Größe

- t

Der bei einer wenig von Null verschiedenen Spannungsschwelle Ustai ansprechende Starteingang desZeitintevailmessers 6 startet den Zeitmeßvorgang, wenn die über dem unbekannten Zweipol liegende Spannung gleich der Startschwelispannung Ustai ist und beendet den 1. Meßvorgang, wenn der betragsmäßig höhere Pegel derStopschweilspannung Ustoi des Stoppeinganges erreicht ist

Durch die Beziehung

* ^AU

kann die kapazitive Komponente des Zweipols bestimmt werden. Bei einer vorzugsweisen Variante wird der Startvorgang des Zeitmessers 6 direkt vom Impulsgenerator 1 zum Zeitpunkt to ausgelöst und in der angeführten Art bei der oberen Stopschwellspannung Usto 1 gestoppt. Dadurch vereinfacht sich die Beziehung für die kapazitive Komponente zu:

Ustd

Ato

Da der Fußpunkt der Konstantenstromquelie 4 mit dem Mittelpunkt der Betriebsspannungen U3 für den Differenzverstärker 2 verbunden ist und beide über den Bezugswiderstand R_B an Masse liegen, wird der durch den unbekannten Zweipol 5 fließende Strom infolge Stromübernahme durch den Differenzverstärker 2 herabgeregelt, wenn die über dem unbekannten Zweipol 5 liegende Spannung Uo nahe der Schwellspannung Uo ist und das führt dazu, daß die über dem unbekannten Zweipol 5 liegende Spannung jo konstant bleibt.

Besteht der unbekannten Zweipol 5 nur aus einer Parallelschaltung eines Leitwertes Gx und einer Kapazität Cx kann die Größe aes Leitwertes Gx im eingeschwungenen Zustand durch eine Spannungsmessung ux mittels einem Voltmeter 7, vorzugsweise einem Digitalvoltmeter, das mit seinen Eingangsklemmen parallel zum Bezugswiderstand Re liegt, durch die Beziehung -1

Π -у ·5^< ' TTv-

^RB · ^Jo bestimmt werden.

Besteht der unbekannte Zweipol 5 aus einer Parallelschaltung von Induktivität Lx, Kapazität Cx und Leitwert Gx so steigt der durch den Zweipol fließende Strom nach dem er bei uo (t) = Uo vom Maximalwert heruntergeregelt wurde, näherungsweise zeitlinear wieder gegen diesen Maximalwert Uo an.

Bei einer 2. und 3.Zeitmessung, bei denen der in seiner Stoppscnwellspannung Usto2; Usto2 umschaltbare Stopeingang des Zeitintervallmessers 6 über den Umschalter 8 an den Fußpunkt der Konstantstromquelle 4 geschaltet ist, werden die beiden Startvorgänge durch Umschaltung des Starteinganges des Zeitintervallmessers 6 vorzugsweise ai;f die Startschwelispannung

Usta2 = ~ ausgelöst und bei der 2. und 3. Zeitmessung mit je einer verschiedenen programmiert vorgegebenen Stoppschweilspannung Usto2 und Usto3 der über dem Bezugswiderstand Ra abgenommenen Spannung R₈- І2; Rg · ІЗ gestoppt und somit bei der 2. Messung das Zeitintervall Λί2 und bei der 3. Messung das Zeitintervall At3 ermittelt. Durch die Beziehungen

^Lx Ct3dt2)

Us	to3	- Usto 2
и з	to2
Uo	"3	Lx
Us	ΐο3
Uo		Lx

können die unbekannten Elemente Induktivität Lx und Leitwert Gx bestimmt werden.

Claims (4)

1. -ι- 192 123

   Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur Leitwerts-, Kapazitäts- und Induktivitätsmessung eines komplexen, auch bipolaren Zweipols, bestehend aus der Parallelschaltung eines Widerstandes, eines Kondensators und einer verlustbehafteten Induktivität, aus der Kombination zweier dieser Elemente oder auch nur aus einem dieser Elemente, bei dem der Zweipol mit einem oder mehreren Signalen beaufschlagt wird und aus zeitlich nachfolgend gemessenen Größen, vorzugsweise rechnergesteuert und programmiert, die Kenngrößen des Zweipols bestimmt werden, wobei eier Zweipol mit einem zunächst konstanten maximalen Speisestrom entsprechender Richtung einer Konstantenstromquelle beaufschlagt wird und die der Kapazität des Zweipols proportionale Zeitdiffsrenz vom Beginn des Stromflusses bis zum Erreichen eines bestimmten oder während dieses Stromflusses zwischen zwei bestimmten Schwelispannungswerten über dsm Zweipol gemessen wird und daß mit Erreichen des letzteren oder eines bestimmten weiteren Schwellspannungswertes über dem Zweipol mittels einer Regeleinrichtung der Speisestrom auf einen solchen, bei einem Zweipol ohne Induktivität dem Leitwert proportionalen Wert zurückgeregelt wird, daß die Spannung über dem Zweipol nunmehr auf den erreichten Schwellwert verbleibt, gekennzeichnet dadurch, daß nunmehr die einer Induktivität (Lx) des Zweipols näherungsweise proportionale Zeitdifferenz (Δ13 — M2) zwischen zwei bestimmten Stromwerten (І2; ІЗ) des durch den Zweipol (5) fließenden Stromes gemessen wird und/oder daß die Zeitdifferenzen (At2; Λί3) zwischen dem

   Erreichen eines Schwellwertes (Usta 2), vorzugsweise des halben Spannungsendwertes ( — ) der über dem Zweipol (5)

   ausgeregelten Spannung und den vorgegebenen Stromwerten (І2; ІЗ) des durch den Zweipol (5) fließenden Stromes gemessen und daraus mit den anderen Parametern die Induktivität (Lx) und der Leitwert (Gx) mittels einer, einen Rechner enthaltenden Einrichtung (9) näherungsweise berechnet wird.
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der drei Zeitdifferenzen mit einem einzigen Zeitintervallmesser in drei aufeinanderfolgenden Meßvorgängen erfolgt, wobei die Start- und Stopschwellspannungen sowie der Stopeingang zwischenzeitlich entsprechend umgeschaltet werden.
3. 3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1 und 2 mit einem Differenzverstärker, Imuisgenerator, Zeitintervallmesser, Digitalvoltmeter und Konstantstromquelle, wobei der Ausgang der den maximalen Speisestrom liefernden Konstantstromquelle mit dem gegen einen Bezugspunkt geschalteten unbekannten Zweipol und der Fußpunkt der Stromquelle über einen Bezugswiderstand, der den Eingang eines dort angeschlossenen Digitalvoltmeters (7) shunted, mit dem Bezugspunkt verbunden ist, gekennzeichnet dadurch, daß der signalführende Anschluß des unbekannten Zweipols mit dem invertierenden Eingang (-) und über ein Bauelement (3) mit Ventilwirkung mit dem Ausgang des Differenzverstärkers (2), an dessen nichtinvertierenden Eingang (-r) der, einen definierten Spannungssprung (Uo) erzeugender Impulsgenerator ;1) angeschlossen ist, weiterhin mit dem für einen unteren Startschweilwert (Usta 1) ausgelegten Starteingang und während der ersten Messung über einen Umschalter (8) mit dem für einen oberen Stopschwellwert (Usto 1) ausgelegten Stopeingang des Zeitintervallmessers (6) verbunden ist, daß der Fußpunkt der Stromquelle außer mit dem Mittelpunkt der ßetriebsspannungseinspeisung (Us) für den Differenzverstärker (2) auch noch während der zweiten und dritten Messung über den Umschalter (8) mit dem Stopeingang des Zeitintervallmessers (6) verbunden ist und daß vorzugsweise Digitalausgänge des Zeitintervallmessers (6) und des Digitalvoltmeters (7) mit einem Rechner mit Programmsteuereinrichtung (9) und Steuersignalleitungen zur Programmierung und Signalauslösung vom Rechner mit Programmsteuereinrichtung (9) mit dem Zeitintervalimesser (6), dem Umschalter (8) und dem Impulsgenerator (1) verbunden sind.
4. 4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der drei Zeitdifferenzen drei Zeitintervallmesser parallel bei einem einzigen Meßvorgang vorgesehen sind.

   Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung, die bei kurzer Einschwing- und Meßzeit die, vorzugsweise rechnergesteuerte, programmierte Messung der Kennwerte eines komplexen, auch bipolaren Zweipols, bestehend aus parallel geschaltetem Widerstand, induktivität und Kondensator, aus der Kombination zweier dieser Elemente oder auch nur aus einem dieser Elemente gestattet.

   Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

   Bei einer bekannten Meßvorrichtung zur digitalen Messung von Kapazitäten und Widerständen wird davon Gebrauch gemacht, Spannungen durch Zählen von faktimoulsen eines Taktgenerators zu messen, indem die Taktimpulse während eines dem Setrage der Spannung proportionalen Zeitirrtsp/alles, das von zwei in Amplituden-Komparatoren beim Überschreiten von Amplitudenschwellen durch eine lineare Sägezaiin-Spannungsflanke ausgelösten Begrenzungsimpulsen eingeschlossen wird, id einem Zähler gezählt und gespeichert werden und die gewonnene Impulsanzahl nach Beendigung des Zählvorganges in эіпет Dezimalziffern-Anzeigegerat dargestellt wird. Eine bistabile Kippstufe kann dabei von den Begrenzungsimpulsen so gesteuert werden, daß sie das Vorzeichen der Spannung gegenüber einer durch die eine Amplitudenschwelle festgelegten 3ezugsgroßa (Erdpotentia!) anzeigt. Bei diesen bekannten Digitai-Voltrnetern ist für eine Messung die Steilheit der Sägezahnflanka vorgegeben. Die unterschiedlichen spannungsproportionalen Längen des ausgezählten Zeitintervalls ergeben sich dadurch, daß der Amplitudenbereich, weicher von der Sägezahnflanke zwischen den beiden Ampiiiudenschwellen durchstiegen wird, dem Meßwert proportional veränderlich ist, indem die zu messende Spannung einem der Komparatoren zugeführt wird. Es sind auch Verfahren bekannt, eine digitale Anzeige der Größe von Kapazitäten oder Widerständen durch Zeitauszählung in der Weise zu gewinnen, daß der Prüfling in eine Schaltung als ein Zeitkonstantenglied einschaltbar ist und die Zeit ausgezählt wird, in der eine von der Schaltung von einem Anfangswert ausgehend erzeugte Spannung einen zweiten vorgegebenen Wert erreicht. Es wurde hierbei die Charakteristik einer Kondensator-Entladung benutzt. Bei einer dieser bekannten Lösungen wird ein zu messender Kondensator in eine monostabile Transistor-Kippschaltung als das deren Verweilzeit in dem astabilen Zustand bestimmende kapazitive Glied eingeschaltet und es wird diese Verweilzeit — gegebenenfalls mehrmals unter periodischem Anstoßen der Kippschaltung — gemessen. Abgesehen von möglichen