DE3346207A1

DE3346207A1 - Schaltungsanordnung fuer ein geraet zur messung der kapazitaet und des verlustfaktors elektrischer kondensatoren

Info

Publication number: DE3346207A1
Application number: DE19833346207
Authority: DE
Inventors: Otto Ing.(grad.) 7920 Heidenheim Benz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-12-21
Filing date: 1983-12-21
Publication date: 1985-07-11
Also published as: DE3346207C2

Description

SIEMENS-AKTIENGESELLSCHAFT · al - Unser Zeichen Berlin und München ' VPA ß3 P 19 5 5 DE

Schaltungsanordnung für ein Gerät zur Messung der Kapazität und des Verlustfaktors elektrischer Kondensatoren

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein Gerät zur Messung der Kapazität und des Verlustfaktors elektrischer Kondensatoren, bei der neben der Amplitude auch die Phasenlage zwischen Strom und Spannung an den Prüflingen ausgewertet wird.

Bei der Messung der Kapazität und des Verlustfaktors elektrischer Kondensatoren muß bekanntlich neben der Amplitude auch die Phasenlage zwischen Strom und Spannung am Prüfling ausgewertet werden. Bekannte Einrichtungen verwenden hierzu phasengesteuerte Gleichrichter. Durch das Schalten der Grundfrequenz bei diesen Baugruppen entstehen Oberwellen mit hohen Amplituden. Somit müssen die nachgeschalteten Filterbaugruppen als Tiefpässe für das gesamte Frequenzgemisch ausgeführt werden, wobei die erzielbare Meßzeit im wesentlichen durch die Einschwingzeit der Tiefpässe bestimmt wird.

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Durch die laufende Reduzierung der Taktzeiten bei der Fertigung von Kondensatoren muß die Messung der Kennwerte entsprechend schnell erfolgen. Die bekannten Meßgeräte sind aus den oben angeführten Gründen zu langsam. Eine Verringerung der Meßzeiten kann hei den bekannten Geräten nur dadurch erreicht werden, daß mehrere parallelbetriebene Meßwerke eingesetzt werden. Dies führt neben den höheren Kosten zusätzlich zu einem Absinken der Sortierschärfe, da die einzelnen Meßwerke unvermeidliche Abweichungen untereinander aufweisen.

Sac 1 Gae / 19-12.1983 ■ ' ^:\

COPY

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung für ein Gerät der eingangs angegebenen Art anzugeben, bei der eine höhere Meßrate als bisher erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die an den Prüflingen abgegriffenen Spannungen einem Vierquadranten-Multiplizierer zugeführt werden, und daß der Ausgang des Vierquadranten-Multiplizierers einer Bandsperre · zugeführt ist, die die zweite Oberwelle der Grundfrequenz der Meßspannung ausfiltert.

Die Erfindung wird anhand des folgenden Ausführungsbeispieles erläutert.

In der dazugehörenden Zeichnung zeigen Fig. 1 ein Blockschaltbild und
Fig. 2 ein Zeigerdiagramm.

In der Fig. 1 ist ein Prinzipschaltbild' der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt. Ein Generator G erzeugt eine Wechselspannung U sin<Jt. Diese Wechselspannung wird einerseits einem Vergleichswiderstand bekannter Größe Rp und andererseits dem Prüfling P zugeführt, dessen Kapazität und Verlustfaktor bestimmt werden soll. 25

Der zu messende Kondensator P ist dabei als Serienschal-

tung einer verlustfreien Kapazität C mit einem ohmschen Widerstand R_c dargestellt. Der Widerstand R_c ist ein Maß für die Verluste des Prüflings P , die als Verlustfaktor tan a bezeichnet werden. ,

Die am Vergleichswiderstand R_p abgegriffene Spannung U_p sowie die am Prüfling P„ abgegriffene Spannung U_n werden über, die Verstärker V 1 bzw. V 2 zwei Multiplizierern M 1, M 2

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zugeführt, wobei zumindest der Multiplizierer M 2 als analoger Vierquadranten-Multiplizierer ausgeführt ist. Die der verlustfreien Kapazität C entsprechende Spannung U_n er-

X \->X

hält man durch Differentiation der am Prüfling P abgegriffenen Spannung Up mittels des Differenziergliedes C3, R3, V3. Am Ausgang des Multiplizierers M1 erhält man das Produkt U_p und am Ausgang des Vierquadranten-Multiplizierers M 2 das Produkt U_p . Up . Die beiden Ausgänge werden über die Bandsperren B 1 bzw. B 2 einer Auswerteschaltung A zugeführt.

Da es bei der Erfassung der Phasenverschiebung darauf ankommt, daß nicht nur die Spannungsbeträge als solche multipliziert werden, sondern daß auch die Vorzeichen miterfaßt werden, ist zumindest als Multiplizierer M 2 ein Vierquadranten-Multiplizierer erforderlich, der die geforderten Eigenschaften aufweist.

Am Vergleichswiderstand fällt eine Spannung U^sinwt ab, die phasengleich mit der Generatorspannung ist. Demgegenüber ist die Spannung am Prüfling P_r U₂ · sin ( 47 t + Ψ ) gegenüber der Generatorspannung phasenverschoben.

Bei Multiplikation dieser Spannungen im Vierquadranten-Multiplizierer M 2 steht am Ausgang neben dem meßwertabhängigen Gleichspannungsanteil ausschließlich die zweite Oberwelle der Meßfrequenz. Dies läßt sich durch die folgende bekannte trigonometrische Umformung aufzeigen:

siniit . sin (Ä/1 + V ) = 1/2 cos {-ψ) - 1/2 cos (2<j t ·

Der erste Term ist der Gleichanteil und der zweite der Wechselanteil mit der zweiten Oberwelle 2^J t. Dieser Wechselanteil wird mit Hilfe der folgenden Bandsperre B 2

VPA

ausgefiltert. Wie bereits aufgezeigt, lassen sich Bandsperren bei gleichen Dämpfungen mit wesentlich kürzeren Einschwingzeiten als Tiefpässe realisieren. Bei einer Meßfrequenz von 120 Hz und einer Meßgenauigkeit für den Verlustfaktor von 10 wurde mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung eine Meßzeit von 70 ms erreicht, was einer Meßrate von 14 Stück je Sekunde entspricht.

In der Fig. 2 ist ein Zeigerdiagramm dargestellt, welches für die Ersatzschaltung eines verlustbehafteten Kondensators gilt, bei der eine Serienschaltung einer verlustfreien Kapazität (kapazitiver Widerstand - j/cu C) mit dem als Maß für die Verluste zu betrachtenden ohmschen Widerstand Rg vorliegt. Dieser Widerstand R_g erzeugt keinerlei Phasenverschiebung, während der kapazitive Widerstand eine Phasennacheilung der Spannung um 90 gegenüber dem Strom verursacht. Somit ergibt sich der Wert des Wechselstrom-Widerstandes Z zu:

"z = R₃ - j/ Ca C

Der Wert der Phasenverschiebung ergibt sich aus der folgenden Beziehung:

tan»/= 1/R^C.

Da jeder Kondensator Verluste aufweist, ist ψ< 90°, da Rc'^0. Aus der Fig. 2 ist weiterhin ersichtlich, daß die Phasenverschiebung γ zwischen Strom und Spannung umso mehr von 90° abweicht, je größer der Wirkwiderstand R_c ist. Diese Abweichung ο wird als Verlustwinkel bezeichnet, und ihr Wert ist gegeben durch den Verlustfaktor tan ό :

r
ta nil = Rg iü C

BAD ORlQlNAU

-t- VPA 83 P 1 95 5DE

Mit den anhand der Fig. 2 erläuterten Formeln lassen sich in bekannter Weise Verlustfaktor und Kapazität elektrischer Kondensatoren berechnen, die mit einer Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 gemessen wurden.

Zur Messung der Verluste durch den Serienwiderstand R₅ des Prüflings P entfällt bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 das Differenzierglied, so daß der Ausgang des Verstärkers V 2 direkt mit dem Eingang des analogen Vierqudranten-Multiplizierers M 2 verbunden ist. In diesem Fall erscheint am Ausgang des Multiplizierers M 2 das Produkt U_RS . Up. Die Verluste R_g sind proportional U_RS . ü_p, so daß "k«S~ U_RS/U_p ist.

1 Patfed^aijlspruch

2 Fic/iri

Claims

-jar- VPA 83 P 1 9 5 5 DE

Patentanspruch

Schaltungsanordnung für ein Gerät zur Messung der Kapazitäten und des Verlustfaktors elektrischer Kondensatoren, bei der neben der Amplitude auch die Phasenlage zwischen Strom und Spannung an den Prüflingen ausgewertet wird, d adurch gekennzeichnet, daß die an den Prüflingen abgegriffenen Spannungen einem Vierquadranten-Multiplizierer zugeführt werden, und daß der Ausgang des Vierquadranten-Multiplizierers einer Bandsperre zugeführt ist, die die zweite Oberwelle der Grundfrequenz der Meßspannung ausfiltert.