DE1791234A1

DE1791234A1 - Arrangement for digital measurement of capacities

Info

Publication number: DE1791234A1
Application number: DE19671791234
Authority: DE
Inventors: Hans-Heinz Dipl-Ing Dorsch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1967-07-25
Filing date: 1967-07-25
Publication date: 1971-08-19

Description

Anordnung zur digitalen Messung von Kapazitäten. Arrangement for the digital measurement of capacities.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur schnellen und problemlosen, direkten digitalen Messung von Kapazitäten.The invention relates to a circuit arrangement for rapid and easy, direct digital measurement of capacities.

Es ist bekannt, Kapazitäten mit t Wechselstrom-Brückenschaltungen zu messen; dies gilt als die genaueste Methode hierfür. Sie hat aber den Nachteil, zur Durchführung jeder Messung eine gewisse Zeit in Anspruch zu nehmen, die umso länger wird, je genauer man das Ergebnis benötigt, weil man dann den Abgleich der Brücke sorgfältiger durchführen muß. Immer ist aber die Meßzeit erheblich länger als die z.B. für eine Spannungsmessung mit einem Zeigerinstrument oder gar für die direkte Ziffern ablesung an einem Digitalvoltmeter benötigte.It is known, capacitors with t AC bridge circuits to eat; this is considered to be the most accurate way of doing this. But it has the disadvantage It takes a certain amount of time to carry out each measurement, which is all the more The longer the more precise you need the result, because you then have to compare the Bridge must perform more carefully. However, the measurement time is always considerably longer than e.g. for a voltage measurement with a pointer instrument or even for the Direct reading of digits required on a digital voltmeter.

Dies ist bei der Durchführung von Reihenmessungen, beisniels= weise zum Aussuchen von Exemplaren innerhalb eines Toleranz= feldes aus einer größeren Anzahl von Kondensatoren, hinderlich.This is, for example, when performing serial measurements to search for specimens within a tolerance field from a larger one Number of capacitors, a hindrance.

Meßbrücken mit automatischem Selbstabgleich dagegen, die dem Messenden-diese Arbeit abnehmen, sind selbstverständlich auf= wendig und teuer.Measuring bridges with automatic self-adjustment, on the other hand, that the measuring-these Losing work is of course time-consuming and expensive.

Zur direkten Messung von Kapazitäten mit Zeigerinstrumenten kommt ferner die Strommessung bei an den Kondensator angelegter definierter Wechselspannung bekannter Frenuenz in Frage.For the direct measurement of capacities with pointer instruments comes furthermore the current measurement with a defined alternating voltage applied to the capacitor known frenuity in question.

Die Einhaltung guter Genauigkeit stößt hierbei auf die Schwie= rigkeit der genauen Einhaltung der Frequenz und Amplitude der Wechselspannung, noch dazu bei verschwindend kleinem Klirrfaktor, da Oberwellen das Ergebnis erheblich falschen. Eine digitale Anzeige ist hierbei nur mit Zusatzaufwand möglich, da dann der Wechsel s t r o m erst in eine Gleichspannung umgewandelt werden muß Die an vielen batteriebetriebenen Ohmmetern als Zusatz vorhande= ne Kapazitätsme#möglichkeit nach der ballistischen Methode braucht wohl nur der Vollständigkeit halber erwahnt zu werden, da sie nur als überschlägige iife, ssung gedacht ist, denn eine genaue Ablesung des Umkehrpunktes des sich schnell bewegenden Zeigers kann man kaum voraussetzen.The maintenance of good accuracy encounters the difficulty here the exact observance of the frequency and amplitude of the alternating voltage, moreover with a negligibly small distortion factor, since harmonics result in significantly wrong results. A digital display is only possible with additional effort, since then the change s t r o m must first be converted into a direct voltage. The many battery-operated Ohmmeters available as an additional capacity measurement option according to the ballistic Method only needs to be mentioned for the sake of completeness, since it is only is intended as a rough guideline, as an exact reading of the reversal point the fast moving pointer can hardly be assumed.

Die Erfindung betrifft eine Anordnllng zur direkten digitalen Messung von Kapazitäten.The invention relates to an arrangement for direct digital measurement of capacities.

Erfindungsgemäß wird die zu messende Kapazität auf eine genau definierte Spannung aufgeladen und anschließend an einen Entladekreis geschaltet, der sie mit einem genau definierten konstanten Strom entlädt, und die Entladezeit wird in an sich bekannter Weise digital gemessen.According to the invention, the capacitance to be measured is precisely defined Voltage charged and then connected to a discharge circuit, which it with a precisely defined constant current, and the discharge time is in on measured digitally as is known.

Mit hilfe einer derartigen Anordnung können alle Kapazitäten von etwa 100 pF, mit Zählern sehr hoher Freruenz oder bei geringeren Genauigkeitsanforderungen auch darunter, bis zu den höchsten vorkommenden auf einfachste Weise und unter geringstem Zeitaufwand gemessen werden. Der ganze Vorgang besteht dabei lediglich im Anschließen des Kondensators an das Gerät und Auslösen der Entladung und Zählung, beispielsweise durch Druck auf eine Taste. Nach Ablauf der Entladezeit, praktisch in der Größenordnung einiger Millisekunden, also einer nicht mehr wahrnehmbaren Verzögerung, erscheint an der Ziffernanzeige der Meßwert.With the help of such an arrangement all capacities of about 100 pF, with counters very high frequency or with lower accuracy requirements even below, up to the highest occurring in the simplest way and under the least Time expenditure can be measured. The whole process just consists of connecting of the capacitor to the device and triggering the discharge and counting, for example by pressing a button. After the discharge time has elapsed, practically in the order of magnitude a few milliseconds, i.e. an imperceptible delay, appears the measured value on the digital display.

Die erzielte Genauigkeit ist abhängig von derjenigen der ufla= despannung, des konstanten Entladestromes und der Zeitbasis, d.h. der Imnulsfrequenz am Zähleingang des Zählers. Wird letztere in einem quarzstabilisierten Oszillator erzeugt, so sind deren Abweichungen für jede Genautgkeitstorderung hernach lässigbar klein. Die Ladespannung sowie der Entladestrom können mit elektronischen Mitteln leicht und mit mäßigem Auf= wand stabil gehalten und mit Hilfe von Strom=und Spannungsmeß= geräten in jeder gewünschten Genauigkeit eingestelltwerden0 Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß bei bekannter Zählfrequenz diese Spannungs-bzw.Stromwerte absolute, äut die Kapazität umrechenbare Werte darstellen, so daß man auch zur genauen Eichung des Gerätes keine Kapazitäts-Normale benötigt, Der aufwand für ein erfindungsgemäßes Gerät ist nicht höher als für ein Digitalvoltmeter verleichbarer Genauigkeit. auch seine Größe und @andlichkeit kann diesem entsprechen. Vielfach sind in Labors und Werkstätten bereits UniVersalzähler, meist schon mit Quarz-Zeitbasisoszillator zur Frequenz=und Zeitmessung vorhanden.The achieved accuracy depends on that of the ufla = des tension, the constant discharge current and the time base, i.e. the pulse frequency at the counter input of the counter. If the latter is generated in a quartz-stabilized oscillator, then their deviations are negligibly small for each accuracy requirement. The charging voltage as well as the discharge current can be adjusted easily and moderately by electronic means On the wall, kept stable and with the help of current and voltage measuring devices in each desired accuracy can be set 0 Another advantage results from the fact that that with a known counting frequency these voltage or current values are absolute, the Capacitance represent convertible values, so that one can also for the exact calibration of the Device no capacity standards required, the effort for an inventive The device is no higher than an accuracy comparable to a digital voltmeter. even its size and agility can correspond to this. Often are in laboratories and Workshops already have UniVersal meters, mostly with a quartz time base oscillator Frequency = and time measurement available.

Dann käme man, den übrigen Teil als Vorsatzgerät hierfür ausge= ffihrt, mit einem Minimum an Aufwand au.Then one would come to design the remaining part as an attachment for this purpose, with a minimum of effort.

Die Tatsache, da# die erfindungsgemä#e Messung keine Information über Isolationswiderstand und Verlustfaktotr liefert, dürfte in der überwiegenden lXiehrzahl der Anwendungsfälle weinen Nachteil bedeuten. Eine echte Verlustaktormessung, die der Brücke vor= behalten ist, ist wohl bei der Prüfung von Isolierstoffen und Kondensatoren auf Durchschlagsfestigkeit und bei der Entwicklung neuer Isolierstoffe, nicht aber bei der Massenprüfung und messung beispielsweise von Styroflex=und anderen Kunststoffoli enkondensa= toren notwendig. Bei den letzteren geneigt die Ausscheidung von Denjenigen Exemplaren, die durch Defekte einen zu niedrigen Isolationszustand aufweisen, was durch eine einfache Widerstands= messung geschehen kann (direkt anzeigende Isolationswiderstands= messer sind in diesen Fällen elt vorhanden).The fact that the measurement according to the invention has no information about Insulation resistance and loss factor supplies, should be in the predominant lXiehr number of use cases mean crying disadvantage. A real loss actuator measurement that the bridge is reserved, is probably when testing insulating materials and capacitors on dielectric strength and in the development of new insulating materials, but not for mass testing and measurement of, for example, Styroflex = and other plastic foils additional condensers necessary. In the latter, the elimination of those tends to occur Specimens that have insufficient insulation due to defects, what can be done by a simple resistance measurement (directly indicating insulation resistance = knives are usually not available in these cases).

Ein Beispiel für die erfindungsgemäße Schaltung zeigt Fig.1.An example of the circuit according to the invention is shown in FIG.

Darin ist mit 1 bezeichnet die stabilisierte und geeichte Gleich= spannungsquelle zur Aufladung des Prüflings ; 2 ein Schutzwiderstand zur Begrenzung des Ladestromes beim Anschlie#en des Prüflings.1 denotes the stabilized and calibrated equal = voltage source for charging the test item; 2 a protective resistor for limiting of the charging current when connecting the test item.

3 sind die Anschlu#klermmen für den zu rrufenden Kondensator, IL ist dieser selbst. 5 ist ein Relais mit einem wegen der hier nötigen absoluten Prelifreiheit quecksilberbenetzten Wechsel kontakt, der unterbrechend umschalten muR; 6 ein Drucktaster zum Betätigen des Relais 5. 7 ist die Konstantstrmouelle, die den Entladestrom aus dem Kondensator 4 zieht, be-tehend aus der stabilisierten Spannungsquelle 73, dem geeichten, evtl. zwecks Me#bereichsänderung umschaltbaren Widerstand 72 und dem in Basisschaltung angeordneten Transistor 71. Grundsätzlich ist els Konstantstromquelle jede Scha ltung verwendbar, die in ihre Klemmen, unabhängig von deren Potential, einen einstellbaren, konstanten Strom fließen läßt (Innenwiderstand W # ). 8 ist ein Nullspannungsindikator, beispielsweise ein Schmitt-Trigger mit einer Ansprechspannung grö@er als Null und einer Rückfall Spannung bed genau Null Volt; sein Eingangswide@stand soll so groß sein, daß in ihn nur ein gegen den konstanten Entladestrom vernachlässigbar kleiner Strom hineinfließt. 9 ist der Recheck= spannungsgenerator, der die Zählimpulsfolge mit der Zeitbasis- Frequenz liefert. Er kann aus einem, vorteilhaft quarzstabili= sierten, Sinusoszillator mit nachgeschaltetem Schmitt-Trigger zur Umwandlung der Sinus- in die Rechteckform bestehen, oder aus einem selbstschwingenden astabilen Multivibrator, der von dem Quarzoszillator svnchronisiert wird.3 are the connection terminals for the capacitor to be called, IL is this itself. 5 is a relay with one because of the absolute freedom of prelifference required here mercury-coated alternating contact that has to switch over and over; 6 a push button to operate the relay 5. 7 is the Konstantstrmouelle, which switches off the discharge current the capacitor 4 draws, consisting of the stabilized voltage source 73, the calibrated resistor 72, possibly switchable to change the measuring range, and the Base-connected transistor 71. Basically els is a constant current source any circuit can be used which is connected to its terminals, regardless of their potential, allows an adjustable, constant current to flow (internal resistance W #). 8 is a zero voltage indicator, for example a Schmitt trigger with a response voltage greater than zero and a dropout voltage means exactly zero volts; its entrance wide @ stood should be so large that in it only a negligible against the constant discharge current small current flows into it. 9 is the Recheck = voltage generator that generates the counting pulse sequence with the time base Frequency supplies. He can make one, beneficial Quartz-stabilized sine wave oscillator with a downstream Schmitt trigger for Conversion of the sine into the rectangular shape, or from a self-oscillating one astable multivibrator which is synchronized by the crystal oscillator.

10 ist ein elektronischer Dekadenzähler mit Dekodierung und Ziffernanzeige; 101 ist sein Zähleingang, 102 der Toreingang.10 is an electronic decade counter with decoding and numeric display; 101 is its counting input, 102 is the gate input.

Die benötigte Impulsfrequenz beträgt je nach der Größenordnung der zu messenden Kapazitäten etwa 100 kHz bis 10 MHz. The required pulse frequency is depending on the order of magnitude of the Capacities to be measured about 100 kHz to 10 MHz.

Die Wirkungsweise ist wie folgt: Ein an die Klemmen 3 angeschlossener Kondensator 4 wird huber den Widerstand 2 auf aie Spannung der Referenz-Spannungsquelle 1 aufgeladen. Wird nun die raste 6 betätigt, sotrennt das Relais 5 den aufgeladenen Kondensator von der Ladequelle ab und schaltet ihn dann gleichzeitig auf den Entladekreis 7 und an den Trigger 8. The mode of operation is as follows: One connected to terminals 3 Capacitor 4 is raised to the voltage of the reference voltage source via resistor 2 1 charged. If the notch 6 is now actuated, the relay 5 disconnects the charged one Capacitor from the charging source and then switches it to the discharge circuit at the same time 7 and to trigger 8.

Letzterer anwortet auS die Kondensatorspannung am Eingang mit einem Ausgangssignal, das den Toreingang fo2 des Zählers 10 öff= net. Von diesem Augenblick ab zählt der Zähler die an seinem Zähleingang lol von der Impulaquelle 9 dauernd mit der genau definierten Folgefrequenz gelieferten Impulse, Gleichzeitig wird der Kndensator aber auch über den Transistor 71 entladen. The latter responds to the capacitor voltage at the input with a Output signal which opens the gate input fo2 of the counter 10. From that moment The counter continuously counts the pulses from the pulse source 9 at its counter input lol pulses delivered with the precisely defined repetition frequency, at the same time the But capacitor also discharged via transistor 71.

Der Entladestrom bestimmt sich aus der durch die Quelle 73 geliert ferten (negativen) Spannung abzüglich der Emitter-Basisspannung des Transistors, geteilt durch den Widerstand 72, Die Basisschaln tung des Transistors bewirkt, daß sein Kollektrostrom unabhängig von der Kollektorspannung die Gleiche Größe annimmt wie der in den Emitter eingespeishe Strom, nur um den Basisstrom verringert. The discharge current is determined from the amount gelled by the source 73 ferten (negative) voltage minus the emitter base voltage of the transistor, divided by resistor 72, the base circuit of the transistor causes its collector current assumes the same size regardless of the collector voltage like the current fed into the emitter, only reduced by the base current.

Letzterer liegt bei den heute üblichen Stromverstärkungen von T"ansistoren bei weniger als 1% des Kollektrstromes und kann mit eingeeicht werden. Damit kann man durch Wahl der Spannung der Quelle 73 und des Widerstandes 72 den Entladestrom genau einstellen, der dann von der vollen Kondensatorspannung bis zur Spannung Null und noch ein wenig darunter (der Kollektrostrom in der Basisschaltllng verschwindet erst bei negativer Kollekter= spanming) in unveränderlicher Größe fließt. Die Kondensator= spannung sinkt infolgedessen zeitlinear ab; im Augenblick Ihres Nulldurchganges kippt der Trigger 8 zuritek, sein Ausgangssignal verschwindet und das Tor des Zählers schließt sich wieder.The latter is due to the current amplifications of T "ansistors which are customary today at less than 1% of the collector current and can also be calibrated. So that can by choosing the voltage of the source 73 and the resistor 72, the discharge current set exactly, which then goes from the full capacitor voltage to zero voltage and a little below (the collector current in the basic circuit disappears only with a negative collector = spanming) flows in an unchangeable size. The capacitor = as a result, the voltage drops linearly over time; at the moment of your zero crossing if trigger 8 flips back, its output signal disappears and the gate of the counter closes again.

Die weiteren aus der Impulsquelle 9 eintreffenden Impulse werden nun nicht mehr gezählt; der erreichte Zählerstand z zeigt die Entladezeit des Kondensators an: t = f z.The other pulses arriving from the pulse source 9 are now no longer counted; the count reached z shows the discharge time of the capacitor an: t = f z.

Hierzu propobtional ist die Kapazität: ic da ic und damit auch = const., ist hier auch C Der Zähler kann also direkt in Kapazitäts-Einheiten geeicht werden, und zwar lediglich durch passende Einstellung des Ent= ladestromes ic und der Ladespannung U.The capacity is proportional to this: ic da ic and thus also = const., is also C here The meter can therefore be calibrated directly in capacity units, namely only by suitable setting of the discharge current ic and the charge voltage U.

Hieraus ergeben sich auch die Möglichkeiten zur Me#bereich-Umschal. tun : Einmal durch Änderung des Entladestromes ic, beispiels= weise, indem verschieden große Widerstände 72 mit einem Stufen schalter angeschaltet werden; zweitens durch änderung der Lade= spannung U; drittens kann man auch die Frequenz des Zeitbasis Oszillators umschaltbar machen, wovon man Gebrauch machen kann, wenn die beiden anderen Möglichkeiten zur Erfassung eines sehr großen Meßumfanges allein nicht ausreichen. This also gives rise to the options for switching the measuring range. do: once by changing the discharge current ic, for example, by changing large resistors 72 are switched on with a step switch; second by change of charging = voltage U; thirdly, you can also change the frequency of the time base Make the oscillator switchable, which can be used if the two other possibilities for capturing a very large measurement range alone are not sufficient.

Man könnte möglicherweise einwenden, daß die erfindungsgemäße Meßmethode einen kleineren Kapazitätswert anzeigt, wenn ein schlechter (niedriger) Isolationswiderstand vorliegt, da dann durch diesen ein zusätzlicher Entladestrom fließt, der die Entladezeit verkürzt. Quantitativ ist diese Tatsache ohne Bedeu= tung; hierzu ein Beispiel: Dio Entladezeit betrage 10 msec. One could possibly object that the measuring method according to the invention indicates a lower capacitance value if the insulation resistance is poor is present, since an additional discharge current then flows through it, which determines the discharge time shortened. Quantitatively, this fact is irrelevant; an example of this: The discharge time is 10 msec.

Um diese auch nur um 1# zu verkürzen, mü#te die entladezeit= konstante des Kondensators über seinen Isolationswiderstand das 1 ooo -fache hiervon, also 10 sec, betragen. Ein Kondensator mit einer solch kurzen Entladezeitkonstanten (normal sind 1000 bis weit über 10 OOo sec) ist aber bereits so schlecht, daß seine Verwendung ausgeschlossen ist und sein Defekt bei Jeder groben Isolationsmessung sofort tiuffailen werden Das Zahlen= beispiel zeigt auch, daß selbst Elektrolytkondensatoren mit ihr eststrom schon um etwa 2 Größenordnungen genauer gemes sen werden können als ihren unvermeidlichen Toleranzen entspricht, wobei ihre Wechselspannungskapazität bei etwa Netzfrequenz an= gezeigt wird; denn die Nachladungserscheinungen bleiben bei dem kurzen Entladevorgang unwirksam. In order to shorten this only by 1 #, the discharge time must be constant of the capacitor over its insulation resistance 1000 times this, that is 10 sec. A capacitor with such a short discharge time constant (normal are 1000 to well over 10,000 sec) but is already so bad that its use is excluded and its defect will be revealed immediately with every rough insulation measurement The numbers = example also shows that even electrolytic capacitors are using it est current can be measured about 2 orders of magnitude more precisely than yours corresponds to unavoidable tolerances, being their ac capacity at approximately mains frequency on = is shown; because the reloading phenomena remain ineffective during the short discharge process.

Erwähnt sei hierzu noch, daß man ein erfindungsgemäßes Gerät leicht mit einer Leckstromkontrolle ausstatten kann, indem man den Widerstand 2 (oder einen Teil davon) als Me#shunt für eine Strommessung benutzt; dann wird vor ßeginn des Zählvorganges durch den tastendruck der Isolationswiderstand angezeigt.It should also be mentioned that a device according to the invention is easy to use can be equipped with a leakage current control by setting the resistor 2 (or a Part of it) used as a measuring shunt for a current measurement; then before the start of the The counting process by pressing the button to display the insulation resistance.

Eine vorteilhafte Innen schaltung des Nullindikator-Triggers 8 zeigt die Fig.2. Sie. besteht aus einem Oerationsverstärker oder Differenzkomparator 83, dem zwecks Erhöhung des Eingangs= widerstandes eine FET-Eingangsstufe aus den Feldeffekt-Transis= toren 84 und 85 vorgeschaltet ist. Mit dem Einstellwiderstand 86 kann der genaue Rückfallrunkt bei Null Volt eingestellt werden, während die Widerstände 87 und 88 in bekannter Weise durch positive Rückkopplung ein Hysereseverhalten und damit exaktes und schnelles Kippen der Ausgangsspannung beim Nulldurchgang bewirken. Mit dieser Schaltung läßt sich der Rückfallpunkt ge= nauer auf Null Volt halten als mit einer gewöhnlichen Schmitt-Triggerschaltung, die prinzipiell, ebenfalls mit vorgeschalte= tem FET, auch möglich wäre.An advantageous internal circuit of the zero indicator trigger 8 shows the Fig.2. She. consists of an operation amplifier or differential comparator 83, for the purpose of increasing the input resistance, an FET input stage from the field effect transis = gates 84 and 85 is connected upstream. With the setting resistor 86 the exact Fallback point can be set at zero volts while resistors 87 and 88 in a known way, through positive feedback, a hyseresis behavior and thus an exact one and cause the output voltage to flip rapidly when it crosses zero. With this With a circuit, the dropout point can be kept at zero volts more precisely than with one ordinary Schmitt trigger circuit, which, in principle, is also preceded by = tem FET, would also be possible.

Die Rückstellung des Zählers nach erfolgter Messung und Ablesung kann auf jede der bekannten Arten erfolgen, s. B. von Hand durch eine Löschtasts oder automatisch nach einer bestimmten, einstellbaren Zeit.The counter can be reset after the measurement and reading have taken place be done in any of the known ways, e.g. by hand using a delete key or automatically after a certain, adjustable time.

Claims

Claims: 1. Arrangement for the digital measurement of capacities, characterized in that the capacitance to be measured is precisely defined Voltage is charged and then connected to a discharge circuit that it discharges with a precisely defined constant current, and that the discharge time is measured digitally in a manner known per se.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the command for the beginning and end of the discharge time is given by a zero voltage indicator (8) which is simultaneously with the source of the constant discharge = current (7) with the to be measured capacitor (4) is connected, and that the output of the zero indicator in a manner known per se to the gate input (102) of an electronic counter (io) is connected a whose counting input (101) is continuously with a pulse train of more precisely defined, preferably with an oscillation = quartz stabilized frequency is fed.

3. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in =. net that for the realization of several measuring ranges of the discharge current, for example by switching of the resistor (72) - the constant current source (7) and / or the level of the charging voltage the voltage source (1) or the time base pulse frequency is changed.

L e r s e i t e