DE3636837A1

DE3636837A1 - Induktivitaets-messgeraet

Info

Publication number: DE3636837A1
Application number: DE19863636837
Authority: DE
Inventors: Dietrich Luederitz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-10-29
Filing date: 1986-10-29
Publication date: 1988-05-11
Also published as: DE3636837C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Induktivitäts-Meßgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Herkömmliche derartige Induktivitäts-Meßgeräte arbeiten mit Meßbrücken, über die die zu messende Induktivität und ihr Verlustfaktor bestimmt werden. Diese Meßmethode erfor dert allerdings relativ großen Aufwand und auch eine di rekte Einschaltung der jeweiligen Induktivität in die Meßbrücke.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Induktivi täts-Meßgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, mit dem sich Induktivitäten selbst bei räum lich entferntem Meßort schnell messen lassen.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch die Einfügung der zu messenden Induktivität ein schließlich ihres Reihenwiderstands in Reihe zwischen die Bezugsspannungsquelle und die Auswerteschaltung und die durch die beiden Schalter erreichte Umschaltbarkeit der Anschlüsse der Reihenschaltung aus Induktivität und Rei henwiderstand wird in Verbindung mit dem die bei jeder Umschaltung entstehenden Ströme erfassenden Summierer/In tegrator eine schnelle Messung der zu messenden Induktivi täten erreicht. Die zu messenden Induktivitäten können sich nun auch an räumlich entfernten Meßorten befinden, da keine unmittelbare Einschaltung in eine Meßbrücke oder dergleichen erforderlich ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

So wird mit dem im Anspruch 2 angegebenen Merkmal eine Erfassung auch des Reihenwiderstands der Induktivität ermöglicht.

Die im Anspruch 1 angegebene Umschaltung der beiden Schal ter erlaubt eine Integration der bei jedem Schaltvorgang entstehenden Ladeströme. Diese Integration wird gemäß Anspruch 4 vorzugsweise mehrfach durchgeführt, so daß ein entsprechend verstärktes und damit gut auswertbares und aufgrund der Ausmittlung eventueller Störungen auch sehr genaues Ausgangssignal erhalten wird.

Während mit dem Merkmal des Anspruchs 5 eine noch weiter vereinfachte und verfeinerte Erfassung des Induktivitäts werts erreicht wird, zeigen die Ansprüche 6 und 7 einen einfachen und funktionszuverlässigen Aufbau des Summie rers/Integrators auf.

Die Merkmale der Ansprüche 8 bis 9 ermöglichen eine beson ders gute und exakte verlustfreie Steuerung der Schalter.

Mit dem Merkmal des Anspruchs 10 wird erreicht, daß keine übermäßigen Spannungen an der zu messenden Induktivität auftreten können, die andernfalls aufgrund einer Stromun terbrechung resultieren würden und die Schalter beschädi gen oder zerstören könnten.

Das erfindungsgemäße Induktivitäts-Meßgerät eignet sich sehr gut zur Ausmessung von Chip-Bauelementen und läßt sich auch zur Erfassung von Kapazitäten und Widerständen einsetzen, d. h. zu einem Universal-Meßgerät ausbauen.

Bei einer praktischen Ausführungsform des Induktivitäts- Meßgeräts können Induktivitäten mit einem Induktivitätsbe reich von 0,1 µH bis 200 mH mit einer Geschwindigkeit von 50 ms bei 5% Genauigkeit gemessen werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher be schrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des Induktivitäts- Meßgeräts, wobei sich die einzelnen Schalter in der Schalterstellung vor der Durchführung des eigentli chen Meßvorgangs befinden,

Fig. 2 das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbei spiel im Schaltzustand zur Durchführung der ersten Meßphase,

Fig. 3 den Schaltzustand des Ausführungsbeispiels in der zweiten Meßphase und

Fig. 4 die Schalterstellungen während der dritten Meßphase.

In den Fig. 1 bis 4 ist ein Ausführungsbeispiel des Induk tivitäts-Meßgeräts dargestellt. Die zu messende Induktivi tät Lx ist mit ihrem Reihenwiderstand Rx über einen ersten Schalter S 1 zwischen eine eine Bezugsspannung (Gleichspan nung) bereitstellende Bezugsspannungsquelle Uref und über einen zweiten Schalter S 2 mit einem Summierer/Integrator seriell verbunden, der aus einem Operationsverstärker A 1 mit zwei parallelen Rückkopplungszweigen besteht, in die ein Widerstand R 1 bzw. eine Kapazität (Kondensator) Ci eingeschaltet sind. Die Auswahl zwischen den beiden Rück kopplungszweigen erfolgt über einen Schalter S 3, in Abhän gigkeit von dessen jeweiliger Schalterstellung entweder der Widerstand R 1 oder die Kapazität Ci in die Rückkopp lung eingeschaltet ist.

Am Ausgang des Summierers/Integrators tritt die Meßspan nung Ua auf. Mit dem Ausgang des Summierer/Integrators ist ein Mikrocomputer (Mikroprozessor) verbunden.

Die Reihenschaltung aus der zu messenden Induktivität Lx und dem Reihenwiderstand Rx ist in der ersten Schalter stellung des ersten Schalters S 1 mit der Bezugsspannungs quelle Uref und in der zweiten Schalterstellung des ersten Schalters S 1 mit Massepotential verbunden, während der zweite Anschluß der Reihenschaltung aus der zu messenden Induktivität Lx und dem Reihenwiderstand Rx in der ersten Schalterstellung des zweiten Schalters S 2 mit dem Eingang des Summierers/Integrators und in dessen zweiter Schalter stellung mit Massepotential verbunden ist.

Parallel zur Kapazität Ci, die als Integrierkondensator dient, ist ein Schalter S 0 geschaltet, der lediglich zu Beginn jeder Messung kurzfristig geschlossen wird und zur vollständigen Entladung der Kapazität Ci dient. In diesem Zustand befinden sich der erste Schalter S 1 in der ersten Schalterstellung und der zweite Schalter S 2 in der zweiten Schalterstellung, während der Schalter S 3 den die Kapazi tät Ci enthaltenden Rückkopplungskreis schließt.

Die in Fig. 2 gezeigte Schalterstellung entspricht einer ersten Meßphase des Meßzyklus, wobei der erste und der zweite Schalter S 1 bzw. S 2 sich jeweils in der ersten Schalterstellung befinden und der Schalter S 3 auf den den Widerstand R 1 enthaltenden Rückkopplungszweig geschaltet ist.

Diese erste Meßphase dient zur Ermittlung des Werts des Reihenwiderstands Rx, des sich hierbei reihenwiderstands abhängig einstellenden stationären Werts der Ausgangs spannung Ua 1 am Ausgang des Summierers/Integrators oder des maximal durch die zu messende Induktivität Lx fließen den Stroms. Die zu messende Induktivität Lx und der Rei henwiderstand Rx sind hierbei in Reihe mit der Bezugsspan nungsquelle Uref und dem Eingang des Summierers/Integra tors geschaltet, der aufgrund der Schaltstellung des Schalters S 3 als Summierer arbeitet.

Am Ausgang des als Summierer fungierenden Summierers/Inte grators erscheint die Spannung

Ua 1 = -Uref ×Abb. R 1/Rx × (1 - e ^- ^t ^× ^Rx/Lx),

die sich dan exponentiell auf den stationären Wert

Ua 1 = -Uref × R 1/Rx

einstellt.

In den vorstehend genannten Gleichungen bezeichnen die einzelnen Ausdrücke die Spannungs-, Widerstands- bzw. Induktivitätswerte der mit den entsprechenden Bezugssymbo len versehenen Baukomponenten.

Der stationäre Wert von Ua 1 wird von dem an den die Aus werteschaltung wählenden Summierer/Integrator angeschlos senen Mikrocomputer gespeichert.

Während der ersten Meßphase kann der Schalter S 0 sich noch, wie dargestellt, in der geschlossenen Stellung be finden.

In Fig. 3 ist die Schalterstellung während der zweiten Meßphase dargestellt. Hierbei befindet sich der Schalter S 1 weiterhin in der ersten Schalterstellung, d. h. die Reihenschaltung aus der zu messenden Induktivität Lx und dem Reihenwiderstand Rx ist weiterhin mit der Bezugsspan nungsquelle Uref verbunden. Demgegenüber ist der zweite Schalter S 2 nun in die zweite Schalterstellung umgeschal tet, so daß der andere Anschluß der Reihenschaltung aus der zu messenden Induktivität Lx und dem Reihenwiderstand Rx nun auf Massepotential gelegt ist. Der dritte Schalter S 3 ist auf die Kapazität Ci umgeschaltet, so daß der Summierer/Integrator nun als Integrator arbeitet. Da am Operationsverstärker A 1 aber keine Eingangsspannung an liegt, bleibt die Ausgangsspannung des Summierers/Integra tors unverändert.

Der Schalter S 0 befindet sich während der zweiten Meßphase im geöffneten Zustand. Der durch die zu messende Indukti vität Lx und den Reihenwiderstand Rx fließende Strom be sitzt wie am Ende der ersten Meßphase den Wert Uref/Rx.

In der in Fig. 4 dargestellten dritten Meßphase werden die Schalter S 1 und S 2 gleichzeitig umgeschaltet, während die Schalter S 3 und S 0 unverändert bleiben. Die Reihenschal tung aus der zu messenden Induktivität Lx und dem Reihen widerstand Rx ist damit nun über den ersten Schalter S 1 mit Massepotential und über den zweiten Schalter S 2 mit dem Eingang des Summierers/Integrators verbunden, der aufgrund der beibehaltenen Stellung des Schalters S 3 als Integrator mit der Kapazität Ci als Integrationskondensa tor arbeitet. In der dritten Meßphase fließt in den Ein gang des Summierers/Integrators nun ein Entladestrom

i (t) = Uref/Rx × e ^- ^t ^× ^Rx/Lx

Die Ausgangsspannung Ua 2 des Summierers/Integrators be trägt

Ua 2 = 1/Ci × ∫ i (t) × dt

und erreicht den Endwert

Ua 2 = - Lx × Uref/Ci/Rx ².

Werden die zweite und die dritte Meßphase n-mal wieder holt, so tritt am Ausgang des als Integrator arbeitenden Summierers/Integrators die Spannung

Ua 2 = -Lx × Uref × n/Ci/Rx ²

auf. Die vorstehende Gleichung läßt sich wie folgt umschreiben:

Lx = (-Ua 2 × Ci × Uref × R 1 ²)/(n × Ua 1 ²).

Dieser Wert wird gemäß vorstehender Formel von dem Mikro computer der Auswerteschaltung berechnet.

Aus den letztgenannten Gleichungen ist ersichtlich, daß die Größen Ua 2 und Lx einander direkt proportional sind, während der Wert Rx quadratisch eingeht.

Es besteht auch die Möglichkeit, unmittelbar nach Abschluß der ersten Meßphase direkt in die dritte Meßphase umzuschalten, da der Meßstrom der zu messenden Induktivi tät Lx bereits eingeprägt wurde.

Die Induktivität der Zuleitung muß in einer vorhergehenden Eichmessung ermittelt werden und wird dann bei jeder nor malen Messung als Serieninduktivität vom Gesamtresultat abgezogen.

Bei dem beschriebenen Induktivitäts-Meßgerät wird somit in einer ersten Meßphase der Wert des Reihenwiderstands Rx der zu messenden Induktivität Lx erfaßt bzw. eine hiervor abhängige Ausgangsspannung gebildet, wobei der Summie rer/Integrator auf Summierbetrieb geschaltet ist. Während der zweiten und der dritten Meßphase wird dann der Summie rer/Integrator auf Integrationsbetrieb umgeschaltet und der Wert der zu messenden Induktivität durch Integration der auftretenden Entladeströme ermittelt. Das beschriebene Induktivitäts-Meßgerät zeichnet sich durch sehr großen Meßbereich und kurze Meßdauer aus und eignet sich daher auch zur Messung von Chip-Bauelementen während des Be stückungsvorgangs.

Claims

1. Induktivitäts-Meßgerät mit einer Bezugsspannungsquelle und einer den Induktivitätswert der zu messenden Indukti vität ermittelnden Auswerteschaltung, dadurch gekennzeich net, daß die zu messende Induktivität (Lx) mit ihrem Reihenwiderstand (Rx) in Serie zwischen die Bezugsspan nungsquelle (Uref) und die Auswerteschaltung (A 1, R 1, Ci) geschaltet ist und mit ihrem einen Anschluß über einen ersten Schalter (S 1) in dessen erster Schalterstellung mit der Bezugsspannungsquelle (Uref) und in dessen zweiter Schalterstellung mit Massepotential sowie mit ihrem ande ren Anschluß über einen zweiten Schalter (S 2) in dessen erster Schalterstellung mit dem Eingangsanschluß der Aus werteschaltung (A 1, R 1, Ci) und in dessen zweiter Schal terstellung mit Massepotential verbindbar ist, und daß die Auswerteschaltung (A 1, R 1, Ci) einem Summierer/Integrator aufweist.

2. Induktivitäts-Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Ermittlung des Wertes des Reihenwider stands (Rx) oder einer davon abhängenden Ausgangsspannung oder des maximalen durch die zu messende Induktivität (Lx) fließenden Stroms die zu messende Induktivität (Lx) in einer ersten Meßphase über den ersten Schalter (S 1) mit der Bezugsspannungsquelle (Uref) und über den zweiten Schalter (S 2) in Reihe mit dem Eingang des als Summierer arbeitenden Summierers/Integrators verbindbar ist.

3. Induktivitäts-Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Wertes der zu mes senden Induktivität (Lx) die zu messende Induktivität (Lx) mit ihrem Reihenwiderstand (Rx) in einer zweiten Meßphase über den ersten Schalter (S 1) mit der Bezugsspannungsquel le (Uref) und über den zweiten Schalter (S 2) mit Massepo tential sowie in einer dritten Meßphase über den ersten Schalter (S 1) mit Massepotential und über den zweiten Schalter (S 2) mit dem Eingang des nun als Integrator arbeitenden Summierers/Integrators verbindbar ist.

4. Induktivitäts-Meßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß während eines Meßzyklus die zweite und die dritte Meßphase mehrfach periodisch durchgeführt werden und der als Integrator arbeitende Summierer/Integrator die dabei erhaltenen Meßwerte zur Erzeugung eines entsprechend vergrößerten Ausgangssignals integriert.

5. Induktivitäts-Meßgerät nach Anspruch 2, 3 oder 4, letz tere jeweils in Verbindung mit Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Auswerteschaltung (A 1, R 1, Ci) den Wert der zu messenden Induktivität (Lx) auch in Abhängigkeit von dem in der ersten Meßphase ermittelten Wert bestimmt.

6. Induktivitäts-Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Summierer/Inte grator als Operationsverstärker (A 1) mit zwei Rückkopp lungszweigen ausgebildet ist, in denen jeweils eine Kapa zität (Ci) bzw. ein Widerstand (R 1) angeordnet ist, und daß ein dritter Schalter (S 3) vorgesehen ist, über den zwischen den beiden Rückkopplungszweigen zur Erzielung entweder des Summierer- oder des Integratorverhaltens umschaltbar ist.

7. Induktivitäts-Meßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß parallel zur Kapazität (Ci) ein weiterer Schalter (S 0) geschaltet ist, der lediglich während der anfänglichen Inbetriebnahme des Induktivitäts-Meßgeräts und/oder der ersten Meßphase zur vollständigen Entladung der Kapazität (Ci) kurzfristig geschlossen ist.

8. Induktivitäts-Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (S 1, S 2, S 3) durch MOS-Schalter, insbesondere durch MOS-Feldef fekttransistoren gebildet sind.

9. Induktivitäts-Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Schaltung und die Auswertung der am Ausgang (Ua) des Summierers/Integrators (A 1, R 1, Ci) abgreifbaren Signale mit einem Mikroprozessor erfolgt.

10. Induktivitäts-Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (S ₁, S ₂) so geschaltet werden, daß der Stromfluß durch die zu messende Induktivität (Lx) nicht unterbrochen wird.