DE2610040C3 - Schaltungsanordnung zum Verkürzen der Einschwingvorgänge beim Messen der Leitwerte extrem hochohmiger Widerstände - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Verkürzen der Einschwingvorgänge beim Messen der Leitwerte extrem hochohmiger Widerstände, insbesondere von Isolationswiderständen im Giga- und Teraohmbereich, mit Hilfe einer von einer Ablaufsteuerung steuerbaren Spannungsquelle und eines steuerbaren Picoamperemeters mit einem kurzschließbaren Gegenkopplungszweig am Meßverstärker.

Beim Messen extrem hochohmiger Widerstände, insbesondere bei Isolationswiderständen, ergeben sich wegen der Kapazitäten des Meßaufbaues und der Eigenkapazität des Meßgerätes große Zeitkonstanten. Da die Isolationsströme erst nach einer Zeit, entsprechend etwa der fünffachen Zeitkonstanten, ihren Endwert erreichen, entstehen bis *ur Durchführung der Strommessungen lange Wartezeiten, die einige Minuten betragen können.

Für eine Messung im Labor mögen derartige Widerstandsmessungen gerade noch tragbar sein. Sollen sie aber im Takt einer Fertigungsstraße durchgeführt werden, sind sie unter den bisher bekannten Bedingungen ungeeignet

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Zeitkonstanten und damit die Dauer der Einschwingvorgänge derart zu verringern, daß eine Messung von extrem hochohmigen Widerständen in weniger als 500 ms mit ausreichender Genauigkeit durchgeführt werden kann.

Erreicht wird das gemäß der Erfindung dadurch, daß ein den Gegenkopplungszweig des Meßverstärkers des verwendeten Piepamperemeters zu Beginn jeder Messung kurzschließender, von der Ablaufsteuerung betätigter Kontakt vorgesehen ist, daß, von der Ablaufsteuerung beeinflußt, die steuerbare Spannungsquelle bei kurzgeschlossenem Gegenkopplungszweig einschaltbar ist und daß nach Aufladung sämtlicher Kapazitäten des Eingangskreises und des zu messenden Widerstandes der Kurzschlußkontakt wieder geöffnet ist, wobei dann ein digital oder analog arbeitender Einschwing^usatz an den Gegenkopplungszweig des Picoamperemeters über einen Eingangskondensator angeschlossen ist, der, von der Ablaufsteuerung beeinflußt, eine Zusatzspannung für die restliche Dauer des Einschwingvorganges anlegt

Durch das Einfügen eines kurzschließenden Kontaktes in den Gegenkopplungszweig des Meßverstärkers im Picoamperemeter wird die Kapazität dieses Zweiges ausgeschaltet, so daß nur die Kapazitäten des Eingangskreises geladen werden. Für diesen Kreis sind dann sehr geringe zeitkonstanten erzielbar.

Aus dem Aufsatz »An Accurate, Semiautomatic Technique of Measuring High Resistances«, IEEE Transaction on Instrumentation and Measurenent, Vol.IM-16, Nr. 3, September 1967, Seiten 220 bis 225 ist es zwar auch schon bekannt, einen Ruhekontakt vorzusehen, mit dessen Hilfe der Gegenkoppiungszweig eines Verstärkers in einem Integrator zwischen zwei Messungen kurzgeschlossen wird. Diese Maßnahme hat lediglich den Zweck, den Integrator-Ausgang nach jeder Messung auf Null zurückzusetzen. Zu Beginn einer Messung wird der Kontakt wieder geöffnet ohne die Ladezeitkonstante geändert zu haben.

Nach dem ersten Ladevorgang werden die Kapazitäten des Picoamperemeters, insbesondere die des Gegenkopplungszweiges, mit einer besonderen Spannungsquelle, dem Einschwingzusatz, aufgeladen. Diese ist so beschaffen, daß sie eine Zusatzspannung liefert, die auf die Gegebenheiten des Picoamperemeters besonders zugeschnitten ist und deshalb in erheblichem Maße die Zeitkonstante beeinflußt. Außerdem kann der Zusatzspannung gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Form gegeben werden, die darüber hinaus die durch das Picoamperemeter fließende Stromstärke berücksichtigt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher beschrieben. Während in F i g. 1 eine Schaltungsanordnung gezeigt ist, mit der die Messung der eingangs genannten Widerstände erfolgen kann, ist in F i g. 2 eine Kurve dargestellt, mit der der Einschwingzusatz auf dem Wege der sukzessiven Approximation eine sehr

kurze Einschwingzeit der Meßanordnung erreicht

Die Ablaufsteuerung 5 ist gemäß F i g. 1 einerseits mit einer steuerbaren Spanmingsquelle LJ, andererseits mit einem Einschwingzusatz £ verbunden. Außerdem ist an die Ablaufsteuerung S auch noch ein Relais Z angeschlossen, das einen Kontakt ζ hat

Der Einschwingzusatz E ist über zwei Adern mit einem Picoamperemeter P verbunden. In einer dieser Adern befindet sich ein Eingangskondensator Ce, über den die Zusatzspannungen aus dem Einschwingzusatz E an diis PicQ{Hnperemeter /»übertragen werden.

Diis Picoamperemeter P besteht im wesentlichen aus einein Verstärker — V, insbesondere einem Operationsverstärker, dessen Ausgangssignal invers ausgegeben wird, und einem Analog-Digital-Umsetzer AD, dessen Meßwert auf einem Anzeigegerät Λ sichtbar gemacht wird Anstelle der Anzeige kann auch eine Steuerung einer Sortiereinrichtung, ein Drucker, eine Alanneinrichtung oder ähnliches angeschaltet sein.

Der Verstärker - ^besitzt in dem Withstand R1 einen Gegenkopplungszweig, der eine innere Kapazität Cl aufweist An diesen Gegenkopplungszweig sind die beiden Eingangsleitungen des Einschwingzusatzes E angeschlossen, die durch den Kontakt ζ kurzgeschlossen werden können.

Der zu messende Widerstand Rx mit einer Eigenkapazität von Cr ist über Buchsen und zwei geschirmte Anschlußschnüre einerseits an die Spannungsquelle U und andererseits an einen Eingang des Picoamperemeters P angeschlossen. Diese Anschlußschnüre besitzen gegeneinander bzw. gegen Masse einen Querwiderstand Ag und eine Querkapazität Cq.

Die Ablaufsteuerung S besitzt zwei Steuereingänge. Über den Eingang s wird das Startsignal zum Messen überfragen, über den Eingang b zur Durchführung einer Justiermessung ohne Prüfling, beispielsweise, um die Kapazitäten und Widerstände der Meßanordnung vor der eigentlichen Messung festzustellen, nach der Messung des Prüflings einen Differenzwert zu bilden und auf diese Weise einen exakten Meßwert zu erhalten.

Die Messung eines extrem hochohmigen Widerstandes Rx, beispielsweise eines Isolationswiderstandes, wird durch Abgabe eines Signals auf den Eingang s zur Ablaufsteuerung 5 eingeleitet Daraufhin betätigt die Ablaufsteuerung S das Relais Z, das seinen Kontakt ζ schließt und damit den Gegenkopplungszweig des Meßverstärkers — Vkurzschließt In diesem Augenblick veranlaßt die Ablaufsteuerung S, daß die Spannungsquelle U an die Reihenschaltung von zu messendem Widerstand Rx und Picoamperemeter Pgeschaltet wird.

Zunächst stellt die Spannungsquelle U fest, ob nicht ein zu großer Strom fließt, der das Picoamperemeter P überlasten und damit beschädigen oder zumindest für eine Zeit nicht verwendbar machen würde. Ist das der Fall, so verhindert die Überwachung der Spannungsquelle t/in der Ablaufsteuerung S, daß das Relais Z abfällt und auf diese Weise der Kurzschluß, durch den Kontakt ^verursacht, aufgehoben wird.

Bleibt aber der fließende Strom unterhalb des maximal zulässigen Grenzwertes,, so laden sich schnell die Kapazitäten Cq und Cx auf. Die Ladezeitkonstante ergibt sich dann aus den genannten Kapazitäten und dem inneren Widerstand der Spannungsquelle U. Wenn man die Kapazität zu 100 pF und den Widerstand zu 100 kOhm annimmt, beträgt die Zeitkonstante ΙΟ-⁵ s.

Nachdem der Kontakt ζ geöffnet hat, wird die Kapazität Cl des Gegenkopplungszweiges über den Eingangskondensator Ce vom Einschwingzusatz E geladen. Zur Realisierung des Vorganges gibt es mehrere Möglichkeiten.

Die einfachste Möglichkeit besteht darin, daß der Einschwingzusatz E einen invertierenden Verstärker enthält, der einen zum Verstärker — V entgegengesetzt polarisierten Spannungsstoß erzeugt, der über den Eingangskondensator Ce zum Picoamperemeter P gelangt Dadurch wird die Wirkung des Kondensators Cl im Gegenkopplungszweig in kürzester Zeit weitgehend aufgehoben.

Eine andere Möglichkeit ist durch die sukzessive Approximation gegeben. Dabei gelangt das Ausgangssignal des Meßverstärkers — V in hier nicht näher dargestellter Weise zu einem im Einschwingzusatz E vorhandenen digital einstellbaren Filter, wo es differenziert wird und das Vorzeichen des Differenzialquotienten mit einem Kompurator ausgewertet wird. Dabei können extrem kurze Auswertezeiten dadurch erreicht werden, daß Zeitkonstanten und die Verstärkung des Filters vom jeweiligen Stand eines nicht dargestellten Zählers im Einschwingzusatz fabgeleitet werden. Nach der Einschwingzeit des Filters erzeugt ein für die jeweilige Taktperiode voreingestellte Taktgeber einen Fortschalteimpuls für den Zähler. Mit der Rückflanke des Fortschalteimpulses wird der Zählerstand um eins erhöht und dabei eine Spannung eingestellt mit der der Differenzialquotient der Ausgangsspannung des Meßverstärkers - V, bezogen auf die Zeit immer kleiner wird. Durch eine Folge von Spannungsimpulsen erreicht

auf diese Weise dieser Differenzialquotient -jp auf kürzestem Weg den Wert Null oder einen Wert, der von Null so wenig abweicht, daß die weitere Approximation abgebrochen werden kann.

Die Approximationskurve ist als Beispiel in Fig.2 dargestellt. Hierzu ist noch zu bemerken, daß die Approximation entweder in Schritten vorgenommen wird, bei denen der Differenzialquotient abwechselnd positiv und negativ ist, wie hier gezeigt, oder sich die Zusatzspannung treppenförmig von einer Seite dem Endwert nähert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Verkürzen der Einschwingvorgänge beim Messen der Leitwerte extrem hochohmiger Widerstände, insbesondere von Isolationswiderständen im Giga- und Teraohmbereich, mit Hilfe einer von einer Ablaufsteuerung steuerbaren Spannungsquelle und eines steuerbaren Picoamperemeters mit einem kurzscbJießbaren Gegenkopplungszweig am Meßverstärker, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Gegenkopplungszweig des Meßverstärkeis (—V) des Picoamperemeters (P) zu Beginn jeder Messung kurzschließender, von der Ablaufsteuerung (S) betätigter Kontakt (z) vorgesehen ist, daß, von der Ablaufsteuerung (S) beeinflußt, die steuerbare Spannungsquelle (LQbei kurzgeschlossenem Gegenkopplungszweig einschaltbar ist und daß nach Aufladung sämtlicher Kapazitäten (Cq, Cx) des Eingangskreises und des zu messenden Widerstandes der Kurzschlußkontakt (z) wieder geöffnet ist, wobei dann ein digital oder analog arbeitender Einschwingzusatz (E) an den Gegenkopplungszweig des Picoamperemeters (P) über einen Eingangskondensator (Ce) angeschlossen ist, der, von der Ablaufsteuerung ^beeinflußt, eine Zusatzspannung für die restliche Dauer des Einschwingvorganges anlegt

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den Gegenkopplungszweig des Picoamperemeters (P) kurzschließender Kontakt (z) sich nur dann öffnen läßt, wenn die auf ihren Maximalstrom überwachte Spannungsquelle (LJ) nicht überlastet ist

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschwingzusatz feinen invertierenden Verstärker enthält, der zur Aufhebung der Wirkung der Kapazität (C 1) im Gegenkopplungszweig eine Mitkopplungsspannung anlegt

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Verbindungsleitungen zwischen Einschwingzusatz (E) und Picoamperemeter (P) die sich ausbildende Zusatzspannung entnehmbar ist, die im Einschwingzusatz (E) über ein Differenzierglied und weitere Baugruppen geleitet eine Folge von Spannungsimpulsen nach dem Verfahren der sukzessiven Approximation als Zusatzspannung an den Gegenkopplungszweig des Picoamperemeters ^anlegt

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die angelegte Zusatzspannung einen sägezahn- oder treppenförmigen Verlauf hat.

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