DE2646765C3

DE2646765C3 - Verfahren zur Messung von Reaktanzen mit direkter Anzeige ihrer Werte

Info

Publication number: DE2646765C3
Application number: DE19762646765
Authority: DE
Inventors: Johann Wien Paul
Original assignee: GOSSEN GmbH 8520 ERLANGEN
Current assignee: GOSSEN GmbH 8520 ERLANGEN
Priority date: 1975-10-21
Filing date: 1976-10-16
Publication date: 1978-11-09
Also published as: DE2646765A1; ATA800775A; DE2646765B2; AT389591B

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Messung von Reaktanzen und zur direkten Anzeige ihrer Werte auf einer Anzeigeeinheit durch Messung

des Stromes C-jpbzw. der Spannung L-^~, wobei ein Spannungs- bzw. Stromgenerator eine Meßeinheit speist, an die die zu messende Reaktanz angeschlossen wird. Bekannt sind verschiedene Brückenverfahren zur Messung von Reaktanzen, doch sind nur die sehr aufwendigen Apparate mit selbsttätigem Abgleich der Brücke zur direkten Anzeige des gesuchten Wertes geeignet. Verfahren, besonders zur Messung von Kapazitäten mit dem ballistischen Galvanometer sind umständlich und für schnelle Messungen ungeeignet. Zu den bekannten Verfahren für Kapazitätsmessungen gehören ferner solche, in denen ein Kondensator periodisch auf- und entladen und der Mittelwert des Entladestroms gemessen wird (siehe ATM, V 3532 — 5. Mai 1940). Bei diesen Verfahren ist der lineare Zusammenhang zwischen der Anzeige und der zu messenden Kapazität durch ein Glied von der

— ι

Größenordnung e 2fRC gestört. Dieses Störglied wird

bei einem Anzeigegerät mit Zeiger und Skala durch die Skalierung berücksichtigt, eine fehlerfreie digitale Anzeige ist nicht möglich. Dasselbe gilt auch für das Verfahren nach AT-PS 2 90 667, das auch noch den Nachteil besitzt, daß es die Messung einer Wechselspannung oder eines Wechselstroms erfordert. Das Vorhandensein des erwähnten Fehlergliedes bewirkt ferner, daß unterschiedliche Verlustwiderstände von zu messenden Kondensatoren die Zeitkonstante der Meßanordnung unterschiedlich ändern, so daß Messungen von Kondensatoren mit gleichen Kapazitätswerten, aber verschiedenen Verlustwiderständen unterschiedliche Resultate ergeben.

Während der Verlustwiderstand einer Kapazität bei nicht allzu großen Anforderungen an die Meßgenauigkeit vernachlässigt werden kann, ist dies bei Induktivitäten nicht der Fall. Dies ist einer der Gründe, warum eine der Umladung von Kapazitäten analoge Methode zur Messung von Induktivitäten nicht geeignet ist.

In dem Verfahren zur Messung von Kapazitäten nach der Patentschrift FR-PS 15 26 273 wird ebenfalls die

Messung der Größe C -^- verwendet. Die zur Differentiation durch den zu messenden Kondensator verwendete Spannung ist ein Dreieckgenerator mit definierten Flankensteilheiten. Der gewonnene Strom ist eine Wechselgröße mit Rechteckslorm, wird gleichgerichtet und in einem Digitalvoltmeter gemessen. Das Verfahren hat den Nachteil, daß eine in Serie zum Kondensator liegende Impedanz, die nie völlig zu

vermeiden ist beziehungsweise wegen des Schutzes der Meßanordnung notwendig ist die Spannung am Kondensator verzerrt Infolgedessen ist der Verlauf des durch die Differentiation entstehenden Stromes nicht mehr rechteckig und der Gleichrichtwert verkleinert Der entstandene Fehler hängt von der Größe des zu messenden Kondensators ab und kann daher nicht einjustiert werden. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß bei jeder Umschaltung des Dreiecksgenerators Spannungsspitzen entstehen, die ebenfalls differenziert werden und das Meßresultat verfälschen können. Dies wirkt sich besonders bei hohen Frequenzen nachteilig aus, wie z. B. bei 100 kHz, wie in der genannten FR-PS als für den Meßbereich 1 nF geeignet angegeben ist Schließlich ist noch als nachteilig zu vermerken, daß die in diesem Verfahren notwendige Gleichrichtung Kapazitäten zur Filterung benötigen, durch die die Einstellzeit der Meßanordnung vergrößert wird.

Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, die erwähnten Nachteile der bekannten Verfahren zu vermeiden und ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, in dem die Zeitkonstante der Meßanordnung das Meßergebnis nicht beeinflußt, die Ausgangsgröße exakt proportional der Meßgröße \-<i und daher mit Hilfe eines Analog-Digital-Umsetzers in Ziffernform angezeigt werden kann, in dem ferner Gleichrichtung mit dadurch bedingten Siebgliedern nicht erforderlich ist und in dem durch Umschaltung etwa auftretende Spannungsspitzen keine Meßfehler verursachen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Spannungs- bzw. Stromgenerator eine Ausgangsgröße mit der Periode Γ liefert, bei der im

dt/ d/

Zeitabschnitt 0<ί< Γι die Ableitung -=— bzw. -^jkonstant gleich k ist und daß die Meßeinheit eine Steuereinheit enthält, die die Anzeigeeinheit im Zeitabschnitt 0<f<7i mit der Meßeinheit verbindet und außerhalb dieses Zeitabschnittes die Verbindung unterbricht.

F i g. 1 zeigt die zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Elemente:

1 ist ein Generator mit der Periode T, dessen Ausgangsgröße, allgemein Ai, sich in dem Zeitabschnitt Γι linear mit der Zeit ändert, z. B. abfallend. In ihm ist

daher-^y- konstant = A:.

2 ist eine Meßeinheit, die vom Generator 1 gespeist wird und an die der Prüfling Z_x angeschlossen wird. Aus ihr wird eine Größe A₂ gewonnen, die innerhalb T_x proportional C-kbzw. L-k ist, und der Anzeigeeinheit 3 zugeführt wird. Die Meßeinheit 2 enthält im gezeigten Fall einen vom Generator 1 über die Steuereinheit 2' gesteuerten Schalter (Sch), ζ. Β. einen elektronischen Schalter, der innerhalb des Zeitabschnittes Γι die Anzeigeeinrichtung 3 mit der Meßeinheit 2 verbindet, außerhalb Γι die Verbindung unterbricht. Die Anzeigeeinheit 3 kann z. B. ein Drehspulinstrument sein, das A₂ über die Zeit Γ integriert und dessen Anzeige daher gleich A₂- T]IT, im Falle der Kapazitätsmessung daher

proportional C-j-· Γι/rist.

In bevorzugten Ausführungen des Verfahrens enthält die Meßeinheit 2 einen Operationsverstärker. Zur Messung von Kapazitäten wird die zu messende Kapazität C_x mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden, wie in F i g. 2 gezeigt wird. Auf den in der F i g. 2 angedeuteten Verlustwiderstand A₁ des Kondensators und den Kondensator C_ttMIi_P wird weiter unten eingegangen.
F i g. 3 zeigt die Anwendung des Operationsverstärkers bei der Messung der Induktivität L_x. Diese wird als Rückkopplungsimpedanz geschaltet und die Eingangsgröße Aj die in diesem Fall von einem Stromgenerator geliefert wird, ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden.

ίο In einer weiteren, bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird die Ausgangsspannung U₂ des Operationsverstärkers (A₂=U₂) einem Analog-Digital-Umsetzer (A/D) zugeführt der mit einer ziffernmäßigen Ausgabe die Anzeigeeinheit 3 bildet Siehe dazu F i g. 4.

Der A/D-Umsetzer arbeitet mit der konstanten Periode T, die gleich der Periode des Generators 1 ist und verarbeket die Spannung U₂ nur in dem Zeitabschnitt Γι, in dem die Ableitung der Größe A\ (Ubzw. I) nach der Zeit konstant ist Die Steuerung des vorzugsweise elektronischen Schalters Sch erfolgt durch die Signale S\ und 52, die im A/D-Umsetzer selbst erzeugt werden, ebenso die Synchronisierung des Generators 1.

F i g. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der das Verfahren bestimmenden Größen:

Im Teil a) die vom Generator 1 gelieferte Größe A\ (U bzw. I), die im Zeitabschnitt Γι linear abfallend gezeigt wird, im Teil b) die Ausgangsgröße U₂ des

d/4,
dt

ist und

Operationsverstärkers, die proportional

daher im Abschnitt Γι wegen —r-J- = A:, konstant ist und

schließlich im Teil c) die Spannung L/_Zdes A/D-Umsetzers, der im gezeigten Fall als nach einem der bekannten integrierenden Verfahren arbeitend angenommen wird.

Die Steuersignale S\ und 52, die den Beginn und das Ende der Zeitabschnitte Γ, und rbestimmen, sind angedeutet.

Da in allen Impedanzen auch Verlustwiderstände

vorhanden sind, ist die Ausgangsgröße A₂ auch im Intervall T\ nicht mehr proportional C-k bzw. Lk.

sondern proportional

bzw.

Ck + (U₀+ kt)/R_x Lk+ (I₀+ kt)- R_x.

Der Verlustwiderstand R_x ist in F i g. 2 als Parallelwiderstand der Kapazität C_x gezeigt LZ₀ bzw. /₀ ist der Wert des Generatorausganges am Beginn des Zeitintervalls T]. Ist die Anzeigeeinheit integrierend, im einfachsten Fall also ein Drehspulgerät, im bevorzugten Fall ein integrierender A/D-Umsetzer, wie in Fig.4, wird das von R_x abhängige Glied nach der Integration dann gleich Null, wenn der Generator so gesteuert wird, daß seine Ausgangsgröße bei der Messung von Induktivitäten zum Zeitpunkt U₂ T] den Wert Null besitzt.

Im Fall der Messung von Kapazitäten ist bei Verwendung eines Operationsverstärkers nach F i g. 2 zu berücksichtigen, daß der Gegenkopplungswiderstand R zur Stabilisierung des Verstärkers mit einem Kondensator C_mmp überbrückt werden muß. In diesem Fall ist das von Λ* abhängige Glied gleich Null, wenn die Ausgangsspannung des Generators zum Zeitpunkt 1/2 Γ, den Wert R -C^p-kbesitzt.

es Eine Anordnung wie in Fig. 4, bei der ein A/D-Umsetzer der integrierenden Art verwendet wird, ist dann nachteilig, wenn z. B. zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Meßverfahrens die zeitliche Ablei-

d/l

lung . ' = k groß und 7Ί klein gewählt wird. In diesem

Fall ist die Verwendung eines A/D-Umsctzers nach dem Abtastverfahren vorteilhaft. Ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem solchen Umsetzer ist in Fig. 6 dargestellt. Die Meßeinheit 2 enthält in diesem Fall eine Steuereinheit 2'. die mit einem Signal s_s im Generator den Zeitabschnitt 0 ... Ti einleitet und mit Signal s-t in der Abtast- und Haltceinheit 3' die Abtastung des Ausgangssignals (A auslöst.

Um auch in diesem Fall den Einfluß der Verluslwiderstände auszuschalten, wird das Signal s* zu einem solchen Zeitpunkt abgegeben, daß die Abiasl-Ilalte schaltung die Spannung iA dann übernimmt, wenn dei Ausgang des Generators im Fall der Kapazitätsmessung den Wert

bzw. im Fall der Messung von Induktivitäten den Wen /=0 besitzt.

Es ist leicht einzusehen, daß das den Gegenstand dei Erfindung darstellende Verfahren auch auf die Messung von Gegeninduktivitäten, mit geringen, die Erfindung nicht betreffenden Änderungen, anwendbar ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung von Reaktanzen und zur direkten Anzeige ihrer Werte auf einer

Anzeigeeinheit durch Messung des Stromes C-j— bzw. der Spannung L^-, wobei ein Spannungs- bzw.

Stromgenerator eine Meßeinheit speist, an die die zu ι ο messende Reaktanz angeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs- bzw. Stromgenerator (1) eine Ausgangsgröße mit der Periode Γ liefert, bei der im Zeitabschnitt 0< t< Ti

die Ableitung -j— bzw. -τ— konstant gleich k ist und ' daß die Meßeinheit (2) eine Steuereinheit (2') enthält, die die Anzeigeeinheit (3) im Zeitabschnitt C < t < T\ mit der Meßeinheit (2) verbindet und außerhalb dieses Zeitabschnitts die Verbindung unterbricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Messung von Kapazitäten, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinheit (2) einen Operationsverstärker enthält, dessen invertierender Eingang mit dem Ausgang (.A₁) des Generators (1) über die zu messende Kapazität (QJverbunden ist.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker mit einem Kondensator (Cco_mp) überbrückten Widerstand (R) gegengekoppelt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 zur Messung von Induktivitäten, -dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinheit (2) einen Operationsverstärker enthält, dessen Rückkopplungsimpedanz durch die zu messende Induktivität gebildet wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1,2,3 und 4, bei welchem die Anzeigeeinheit ein mit der Periode T arbeitender Analog-Digital-Umsetzer (A/D) ist und bei welchem die zu verarbeitende Spannung Lk nur während eines festen Zeitabschnittes anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Periode gleich der Periode T des Generators (1) ist und der Zeitabschnitt, in dem Lk durch den A/D-Umsetzer der Anzeigeeinheit (3) verarbeitet wird, gleich dem Zeitabschnitt 0 ... 7Ί ist und daß das im A/D-Umsetzer der Anzeigeeinheit (3) erzeugte Signal s\ im Generator (1) den Zeitabschnitt T\... T einleitet und daß das am Ende der Umsetzungsperiode T im A/D-Umsetzer der Anzeigeeinheit (3) erzeugte Signal S2 den Ausgang (t/2) der Meßeinheit

(2) mit dem A/D-Umsetzer der Anzeigeeinheit (3) verbindet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der A/D-Umsetzer der Anzeigeeinheit

(3) nach einem integrierenden Verfahren arbeitet und daß zum Zeitpunkt 71/2 die Ausgangsspannung

des Generators (1) gleich RC_comp -j— ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der A/D-Ums>etzer der Anzeigeeinheit (3) nach einem integrierenden Verfahren arbeitet und die Ausgangsgröße des Generators (1) zum Zeitpunkt 71/2 durch Null geht.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, bei welchem die Anzeigeeinheit durch eine Abtast-Halteeinheit mit dem Ausgang (t/2) der Meßeinheit verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerschaltung (2') mit Signal S3 den Zeitabschnitt 0 ... Ti einleitet und mit Signal &t die Abtastung auslöst

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtast-Halteschaltung (3') die Spannung t/2 dann übernimmt, wenn die Spannung

desGenerators(l)gleich ^

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtast-Halteschaltung (3') die Spannung Ui dann übernimmt, wenn der Strom des Generators (1) gleich Null ist.