DE19824850A1

DE19824850A1 - Verfahren zur Impedanzmessung

Info

Publication number: DE19824850A1
Application number: DE1998124850
Authority: DE
Inventors: Bruno Sabbattini
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1998-06-04
Filing date: 1998-06-04
Publication date: 1999-12-16
Also published as: ATA97499A

Abstract

Zur Messung einer Impedanz (Z) wird eine dem Spannungsabfall über der Impedanz entsprechende erste Wechselspannung (U¶1¶) und eine zum Strom proportionale zweite Spannung (U¶2¶) einem Multiplexer (4) zugeführt. Ein A/D-Wandler (6) mißt abwechslungsweise die beiden Spannungen (U¶1¶, U¶2¶). Bei hoher Wechselspannungsfrequenz wird zum Messen ein Verfahren verwendet, das auf einer bewußten Unterabtastung beruht, und welches dennoch in der Lage ist, zuverlässige Werte für die Spannungen (U¶1¶, U¶2¶) zu liefern.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Impedanz eines elektrischen Elements gemäss Oberbegriff von Anspruch 1. Derartige Messungen werden z. B. zur Charakterisierung von Bauteilen oder von Signal übertragungsleitungen eingesetzt.

Stand der Technik

Bekannte Verfahren zur komplexen Impedanz messung basieren auf dem Messen und Auswerten der Phasen und Amplituden zweier Wechselspannungen. Diese werden in der Regel zwei A/D-Wandlern und von dort einer Rechen einheit zugeführt. Die Messrate der A/D-Wandler muss dabei mindestens doppelt so hoch wie die maximal zu messende Wechselspannungsfrequenz sein. Dieses Verfahren ist schaltungstechnisch aufwendig.

Darstellung der Erfindung

Es stellt sich deshalb die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches mit einer möglichst einfachen Schaltung auskommt und dennoch auch für hohe Messfrequenzen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird vom Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäss wurde also erkannt, dass es auch möglich ist, eine Messung bei einer Messrate durchzuführen, die tiefer als die doppelte Wechselspannungsfrequenz ist. Dabei tritt zwar eine Unterabtastung auf, welche jedoch keinen wesentlichen Einfluss auf die gemessenen Amplituden und Phasen hat. Die Amplituden bleiben gleich, die Phasen können nötigenfalls in einfacher Weise korrigiert werden. Dies macht es möglich, ohne Verlust von messbarem Frequenz bereich mit nur einem A/D-Wandler auszukommen.

Um Messfehler zu vermeiden, wird die Messrate derart an die Wechselspannungsfrequenz angepasst, dass die Differenz zwischen Wechselspannungsfrequenz und halber Messrate nicht zu klein wird, z. B. indem die Messrate nötigenfalls künstlich abgesenkt wird.

Der messbare Frequenzbereich kann sich von weit unterhalb bis weit oberhalb der halben Messrate erstrecken, so dass die Frequenzabhängigkeit der Impedanz über einen weiten Bereich bestimmt werden kann.

Eine direkte Messung der Wechselspannungs frequenz kann durchgeführt werden, indem nur eine der beiden Wechselspannungen dem A/D-Wandler zugeführt wird, so dass dieser mit höherer Messrate arbeiten kann.

Vorzugsweise entspricht eine der Wechsel spannungen einer Spannung über dem zu charakterisierenden Element und die zweite Wechselspannung einem Strom, der durch das Element fliesst.

Wie eingangs erwähnt, eignet sich das erfin dungsgemässe Verfahren generell für vektorielle Impedanz messungen, insbesondere über grössere Frequenzbereiche, wie z B. beim Bestimmen von Leitungsimpedanzen bei Kommunikationssystemen in der Verteilautomation.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Weitere Vorteile und Anwendungen der Erfin dung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figur. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Messschaltung zur Durchführung des Verfahrens.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die in der Fig. 1 gezeigte Schaltung dient zur Messung der komplexen Impedanz Z eines Elements 1. Hierzu wird das Element 1 in Serie zu einem Referenz element 2 mit bekannter Impedanz Z_S angeordnet, und über den beiden Bauteilen wird mit einem Leistungswobbelgene rator 3 eine Wechselspannung angelegt.

Bei einer solchen Schaltanordnung kann aus dem bekannten Wert von Z_S und durch Bestimmen des kom plexen Spannungsabfalls U₁ über dem Element 1 und des komplexen Spannungsabfalls U₂ über dem Referenzelement 2 die Impedanz Z bestimmt werden:

Z = Z_S.(U₁/U₂) (1)

Hierzu werden die Spannungen U₁ und U₂ einem 2 : 1-Multiplexer 4 zugeführt, der eine der Spannungen an einen programmierbaren Verstärker 5 weitergibt. Der Aus gang des programmierbaren Verstärkers 5 ist mit einem A/D-Wandler 6 verbunden. Ein Mikroprozessorsystem 7 liest die vom A/D-Wandler 6 gemessenen Spannungswerte und er rechnet daraus die Impedanz Z. Das Mikroprozessorsystem 7 steuert auch den Multiplexer 4 und den programmierbaren Verstärker 5.

Um die Impedanz Z zu bestimmen, wird zuerst die Wechselspannungsfrequenz f_W des Generators 1 grob ermittelt. Dann werden die Messparameter festgelegt. Schliesslich erfolgt die eigentliche Messung. Diese Schritte werden im folgenden ausführlicher beschrieben.

Grobe Frequenzmessung

Zur Messung der ungefähren Wechselspannungs frequenz f_W wird der A/D-Wandler 6 mit seiner maximalen Abtastrate F_S betrieben. In einem ersten Schritt wird nun die Spannung U₁ mit dieser Rate gemessen, so dass ein erster Datensatz entsteht. Sodann wird der Multiplexer 4 umgeschaltet und die Spannung U₂ wird ebenfalls mit der maximalen Abtastrate F_S gemessen, um einen zweiten Daten satz zu erzeugen. Der Datensatz der grösseren der beiden Spannungen wird fouriertransformiert, um die Wechsel spannungsfrequenz f_W ungefähr zu bestimmen.

Auf diese Weise kann eine Wechselspannungs frequenz f_W bis maximal F_S/2 ermittelt werden.

Einstellen der Parameter

Die im vorherigen Schritt gemessenen Grössen der beiden Spannungen U₁ und U₂ werden verwendet, um den programmierbaren Verstärker 5 so einzustellen, dass die Elektronik in einem optimalen Messbereich betrieben werden kann.

Ausserdem wird die Messrate F_M für die folgende Messung festgelegt. Wie weiter unten erörtert, wird die Messrate F_M so gewählt, dass entweder eine klare Über- oder Unterabtastung erfolgt.

Messung

Während der eigentlichen Messung der Span nungen U₁ und U₂ zur Bestimmung der Impedanz Z wird der Multiplexer 4 mit der Messrate F_M dauernd hin- und her geschaltet. Der A/D-Wandler 6 misst abwechslungsweise Werte von U₁ und U₂, je mit der Messrate F_M. Die Messrate F_M kann also höchstens die Hälfte der maximalen Abtast rate F_S des A/D-Wandlers betragen. In der praktischen Ausführung kann sie üblicherweise nur weniger als die Hälfte betragen, da nun auch der Multiplexer mit voller Geschwindigkeit mitumgeschaltet werden muss.

Die Messwerte für U₁ und U₂ werden zur Er mittlung ihrer Phase und Amplitude fouriertransformiert. Aus den Fourierspektren wird auch die Wechselspannungs frequenz f_W nochmals bestimmt, da sie sich gegenüber der ersten Grobbestimmung zwischenzeitlich geringfügig geändert haben kann. Dabei müssen jedoch die folgenden Korrekturen berücksichtigt werden:

a) Da die Messungen von U₁ und U₂ zeitver schoben durchgeführt werden, entsteht eine künstliche Phasenverschiebung Δϕ= 2π.Δt.F_M, wobei Δt die Zeitver schiebung zwischen den beiden Messungen ist. Das Argument von U₁ oder U₂ ist um diesen Wert Δϕ zu korrigieren.
b) Wenn eine Unterabtastung stattfindet, d. h. wenn die Wechselspannungsfrequenz f_W grösser als die halbe Messrate f_M/2 ist, so entsprechen die aus der Fouriertransformation ermittelten Spannungswerte U_1F und U_2F den konjugiert-komplexen Werten der Wechselspannungen U₁ bzw. U₂, d. h. U_1F=U₁* und U_2F=U₂*.
c) Wenn eine Unterabtastung stattfindet, ent spricht ausserdem die aus dem Fourierspektrum der Wechsel spannungswerte ermittelte Wechselspannungsfrequenz f_WF nicht der eigentlichen Wechselspannungsfrequenz f_W, son dern es gilt f_W=f_M-f_WF.

Wenn die Wechselspannungsfrequenz f_W sehr nahe bei der halben Messrate f_M/2 liegt, kann die Anwen dung der Korrekturen b) und c) schwierig werden, insbe sondere wenn der Generator 3 kontinuierlich durchgestimmt wird. Wie erwähnt wird deshalb die Messrate f_M so ange passt, dass eine klare Über- oder Unterabtastung erfolgt.

Liegt die Wechselspannungsfrequenz f_W nicht zu nahe bei der halben Messrate f_M/2, so wird die maximal mögliche Messrate f_M,max verwendet, welche gegeben ist durch die maximale Abtastrate F_S das A/D-Wandlers 6 und die Umschaltzeit des Multiplexers 4. Wenn jedoch der Abstand zwischen f_M,max/2 und f_W einen vorgegebenen Wert ΔF unterschreitet, d. h. wenn |f_M,max/2-f_W|<ΔF, so wird die Messrate f_M soweit abgesenkt, dass wieder gilt |f_M/2-f_W|<ΔF. Dank dieser Massnahme liegt immer eine klare Über- oder Unterabtastung vor.

Mit dem hier beschriebenen Verfahren wird es möglich, mit geringem schaltungstechnischen Aufwand genaue Impedanzmessungen über einen grossen Frequenz bereich durchzuführen, der sich von weit unterhalb der halben Messrate f_M/2 bis paktisch zur Messrate f_M er streckt. Der Generator 3 kann unabhängig vom Mikropro zessorsystem 7 laufen, da eine genaue Frequenzmessung während der Bestimmung der Spannungen U₁ und U₂ statt findet. Obwohl nur ein A/D-Wandler verwendet wird, können Frequenzbereiche erfasst werden, die bislang Messschal tungen mit zwei Wandlern erforderten.

Bezugszeichenliste

1

zu messendes Element

2

Referenzelement

3

Leistungswobbelgenerator

4

Multiplexer

5

programmierbarer Verstärker

6

A/D-Wandler

7

Mikroprozessorsystem

Claims

1. Verfahren zur Messung der Impedanz eines elektrischen Elements (1), bei welchem mindestens zwei Wechselspannungen (U₁, U₂) einer Wechselspannungsfrequenz (f_W) in einer Messschaltung gemessen werden und aus den zwei Wechselspannungen (U₁, U₂) die Impedanz (Z) ermit telt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Wechsel spannungen (U₁, U₂) abwechslungsweise mit dem gleichen A/D-Wandler (6) gemessen werden, wobei die Wechselspan nungsfrequenz (f_W) mindestens in einem Anwendungsbereich des Verfahrens grösser ist als die halbe Messrate (f_M/2), mit welcher jede der Wechselspannungen (U₁, U₂) vom A/D-Wandler gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Messrate (f_M) derart an die Wechsel spannungsfrequenz (f_W) angepasst wird, dass die Differenz zwischen Wechselspannungsfrequenz (f_W) und der halben Messrate (f_M/2) einen vorgegebenen Wert (ΔF) nicht unter schreitet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass wenn die Differenz zwischen der Wechselspan nungsfrequenz (f_W) und der Hälfte eines Normalwerts der Messrate grösser als der gegebene Wert ist, die Messrate (f_M) dem Normalwert entspricht, und dass wenn die Differenz zwischen der Wechselspan nungsfrequenz (f_W) und der Hälfte des Normalwerts der Messrate kleiner als der gegebene Wert (ΔF) ist, die Messrate (f_M) derart unter den Normalwert abgesenkt wird, dass die Differenz zwischen der Wechselspannungsfrequenz (f_W) und der halben Messrate (f_M) mindestens so gross wie der gegebene Wert (ΔF) ist.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Wechselspannungsfrequenz (f_W) grösser als die halbe Messrate (f_M) ist, zur Berechnung der Impedanz (Z) die konjugiert-komplexen Werte der gemessenen Wechselspannungen verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspan nungsfrequenz zur Bestimmung einer Frequenzabhängigkeit der Impedanz (Z) über einen Bereich durchgestimmt wird, welcher sich von unterhalb bis oberhalb der Hälfte einer maximalen Messrate erstreckt.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste (U₁) der Wechselspannungen einer Spannung über dem Element (1) und die zweite (U₂) Wechselspannung einem Strom durch das Element (1) entspricht.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannun gen (U₁, U₂) fouriertransformiert werden.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Grobmes sung der Wechselspannungsfrequenz (f_W) eine der beiden Wechselspannungen dem A/D-Wandler (6) zugeführt und mit einer Rate grösser als die Messrate (f_M) gemessen wird.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspan nungsfrequenz f_W aus den Fourierspektren der abwechs lungsweise gemessenen beiden Wechselspannungen (U₁, U₂) ermittelt wird, wobei, wenn die Wechselspannungsfrequenz f_W grösser als die Hälfte der Messrate f_M ist, die Wech selspannungsfrequenz f_W ermittelt wird aus:
f_W = f_M - f_WF,
wobei f_WF die aus den Fourierspektren ermit telte Frequenz der Wechselspannungen (U₁, U₂) ist.