DE3636837C2

DE3636837C2 -

Info

Publication number: DE3636837C2
Application number: DE19863636837
Authority: DE
Inventors: Dietrich 8891 Obergriesbach De Luederitz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-10-29
Filing date: 1986-10-29
Publication date: 1990-07-19
Also published as: DE3636837A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Induktivitäts-Meßgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.

Aus der DE 33 42 378 A1 ist ein derartiges Verfahren und ein solches Induktivitäts-Meßgerät bekannt, bei dem die zu messende variable Induktivität mit einer festen Referenz induktivität verglichen wird. Jede der beiden Induktivitäten ist dabei zu einem Zeitglied verschaltet, wobei die Span nungsverhältnisse an den Zeitgliedern gemessen werden. Während des Meßvorganges wird laufend zwischen den beiden Zeitgliedern umgeschaltet. Das bekannte Meßgerät erfordert allerdings größeren Aufwand und erlaubt auch nicht die Bestimmung des Werts des Reihenwiderstands der zu messenden Induktivität.

Weiterhin ist es aus "Wireless World", Februar 1984, S. 69, bekannt, den Induktivitätswert einer zu messenden Induk tivität dadurch zu bestimmen, daß die zu messende Induktivi tät in Reihe mit einem Widerstand bekannten Widerstandswert geschaltet und diese Reihenschaltung mit einer Niederfre quenzspannung gespeist wird. Die Ermittlung der Induktivität erfolgt in Abhängigkeit von den am Widerstand bzw. an der zu messenden Induktivität jeweils auftretenden Spannungs werten sowie in Abhängigkeit von der Speisespannung und dem Phasenwinkel zwischen der Speisespannung und den an der Reihenschaltung auftretenden Spannungen. Die hierzu erfor derlichen Berechnungen sind offensichtlich vom Benutzer ohne Zuhilfenahme einer Auswerteschaltung durchzuführen.

Ferner sind Induktivitäts-Meßgeräte bekannt, die mit Meß brücken arbeiten, über die die zu messende Induktivität und ihr Verlustfaktor bestimmt werden. Diese Meßmethode erfordert allerdings relativ großen Aufwand und auch eine direkte Einschaltung der jeweiligen Induktivität in die Meßbrücke.

Schließlich ist aus der DE 34 13 849 A1 eine Meßanordnung bekannt, die allerdings nicht zur Messung von Induktivitä ten, sondern von Kapazitäten ausgelegt ist. Dort wird die zu messende Kapazität über Schalter in Reihe zwischen eine Bezugsspannungsquelle und eine Auswerteschaltung geschaltet. Bei der bekannten Schaltung werden die Ladungen, d. h. die Amperesekunden des Kondensators erfaßt und gegebenenfalls integriert. Eine Induktivitätsmessung ist dort nicht ange sprochen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart auszuge stalten, daß sich Induktivitäten schnell und exakt messen lassen und auch eine Erfassung des Reihenwiderstands bzw. eines hiermit verknüpften Werts möglich ist, sowie ein Induktivitäts-Meßgerät zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen sowie mit den im Patentanspruch 5 genannten Merkmalen gelöst.

Die während der ersten Meßphase erfolgende Erfassung der Größe des Reihenwiderstands oder eines hiervon abhängigen Werts erlaubt zugleich auch eine Klassifikation der Güte der Induktivität. Die zu messenden Induktivitäten können sich nun auch an räumlich entfernten Meßorten befinden, da keine unmittelbare Einschaltung in eine Meßbrücke oder dergleichen erforderlich ist. Durch die Schaltung der Schal ter derart, daß der Stromfluß durch die zu messende Indukti vität nicht unterbrochen wird, kann sichergestellt werden, daß keine übermäßigen Spannungen an der zu messenden Induk tivität auftreten, die andernfalls aufgrund einer Strom unterbrechung resultieren könnten und nicht nur die Schalter und die weiteren Schaltungskomponenten beschädigen oder zerstören könnten, sondern auch die Meßergebnisse verfäl schen würden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die in den Ansprüchen 4 und 7 angegebenen Maßnahmen erlauben eine mehrfache Integration der während der weiteren Meßphase entstehenden Entladeströme, so daß ein entspre chend verstärktes und damit gut auswertbares und aufgrund der Ausmittlung eventueller Störungen auch sehr genaues Ausgangssignal erhalten wird.

In den Ansprüchen 8 und 9 ist ein einfacher und funktionszu verlässiger Aufbau des Verstärker/Integrators angegeben.

Die Merkmale der Ansprüche 10 und 11 ermöglichen eine beson ders gute und exakte verlustfreie Steuerung der Schalter.

Das erfindungsgemäße Induktivitäts-Meßgerät eignet sich sehr gut zur Anpassung 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 Summierers/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 nung 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 × R 1/Rx × (1 - e ^- ^t ^× ^Rx/Lx),

die sich dann 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 Werte 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 hiervon 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. Verfahren zum Messen einer mit einem Reihenwiderstand behafteten Induktivität, unter Einsatz einer Bezugsspan nungsquelle und einer Auswerteschaltung, dadurch gekenn zeichnet, daß die Induktivität mit ihrem Reihenwiderstand in einer ersten Meßphase mit der Bezugspannungsquelle verbunden wird und im stationären Stromzustand ein vom Reihenwiderstand abhängiger Strom- oder Spannungswert erfaßt wird, daß in einer weiteren Meßphase die Induktivität von der Bezugsspannungsquelle getrennt und über den sich über den Reihenwiderstand abbauenden Strom integriert wird, und daß der Wert der Induktivität aus einer Beziehung be stimmt wird, deren Größe proportional der Integrations-Aus gangsspannung bei der weiteren Meßphase und dem Quadrat des Werts des Reihenwiderstands ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehung durch folgende Formel gebildet ist: Lx = -Ua 2 × Ci × Rx ²/(n × Uref),wobei Lx die zu messende Induktivität, Ua 2 die Integrations- Ausgangsspannung, Ci die Kapazität eines in der weiteren Meßphase eingesetzten Integrationskondensators, n die Anzahl der Durchführungen der weiteren Meßphase, Uref die Spannung der Bezugsspannungsquelle und Rx den Wert des Reihenwider stands bezeichnen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehung durch folgende Formel gebildet wird: Lx = (-Ua 2 × Ci × Uref × R 1 ²)/(n × Ua 1 ²),wobei R 1 den Wert eines in der Auswerteschaltung enthalte nen, während der ersten Meßphase eingesetzten Widerstands und Ua 1 den bei der ersten Meßphase erzielten Spannungswert bezeichnen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Meßphase mehrfach durchgeführt wird und jeweils vor Beginn der weiteren Meß phase in der Induktivität ein Strom eingeprägt wird.

5. Induktivitätsmeßgerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Bezugs spannungsquelle und einer den Induktivitätswert der zu messenden Induktivität ermittelten Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Induktivität (Lx) mit ihrem Reihenwiderstand (Rx) in Serie zwischen die Bezugsspannungsquelle (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 Schalter stellung mit der Bezugsspannungsquelle (Uref) und in dessen zweiter Schalterstellung mit Massepotential sowie mit ihrem anderen Anschluß über einen zweiten Schalter (S 2) in dessen erster Schalterstellung mit dem Eingangsanschluß der Auswer teschaltung (A 1, R 1, Ci) und in dessen zweiter Schalterstel lung mit Massepotential verbindbar ist, daß die Auswerte schaltung (A 1, R 1, Ci) einen Verstärker/Integrator aufweist, daß in der ersten Meßphase die zu messende Induktivität (Lx) über den ersten Schalter (S 1) mit der Bezugsspannungs quelle (Uref) und über den zweiten Schalter (S 2) in Reihe mit dem Eingang des als Verstärker arbeitenden Verstärker/ Integrators verbunden ist, und daß die zu messende Indukti vität mit ihrem Reihenwiderstand in der weiteren Meßphase über den ersten Schalter (S 1) mit Massepotential und über den zweiten Schalter (S 2) mit dem Eingang des als Integrator arbeitenden Verstärker/Integrators verbunden ist.

6. Induktivitäts-Meßgerät nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die zu messende Induktivität (Lx) mit ihrem Reihenwiderstand (Rx) während eines vor der weiteren Meßphase liegenden Zeitintervalls über den ersten Schalter (S 1) mit der Bezugsspannungsquelle (Uref) und über den zweiten Schalter (S 2) mit Massepotential verbunden ist.

7. Induktivitäts-Meßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß während eines Meßzyklus die weitere Meßphase mehrfach periodisch durchgeführt wird und der als Integrator arbeitende Verstärker/Integrator die dabei erhaltenen Meß werte zur Erzeugung eines entsprechend vergrößerten Aus gangssignals integriert.

8. Induktivitäts-Meßgerät nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker/Integrator als Operationsverstärker (A 1) mit zwei Rückkopplungszweigen ausgebildet ist, in denen jeweils eine Kapazität (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 Verstärker- oder des Integratorverhaltens umschaltbar ist.

9. Induktivitäts-Meßgerät nach Anspruch 8, 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.

10. Induktivitäts-Meßgerät nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (S 1, S 2, S 3) durch MOS-Schalter, insbesondere durch MOS-Feldeffekttran sistoren gebildet sind.

11. Induktivitäts-Meßgerät nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikroprozessor zur Steuerung der Schaltung und zur Auswertung der am Aus gang (Ua) des Verstärker/Integrators (A 1, R 1, Ci) abgegriffe nen Signale vorhanden ist.