JP4249448B2 - Capacitance meter calibration method, calibration standard capacity box, capacitance measurement method, capacitance measurement box and capacitance meter - Google Patents

Capacitance meter calibration method, calibration standard capacity box, capacitance measurement method, capacitance measurement box and capacitance meter Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、容量計の校正方法及び静電容量の測定方法に関し、特に、微小な容量を測定する容量計に対するゼロ調整及びゲイン調整の方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
静電容量を測定する容量計を校正するために、容量が既知の標準コンデンサが用いられる。
【0003】
その具体的な従来手法として、例えば、標準コンデンサを収納したシールドボックスと容量計とを同軸ケーブルで接続し、標準コンデンサの容量を測定して校正するという方法がとられる。このとき、標準コンデンサの一端を容量計のGND(グランド)に接続するとともに、外乱ノイズのシールドボックス内への浸入を遮蔽するために、シールドボックス(筐体)やシールドボックスに取り付けられた同軸コネクタのシールド部等の不要な部位についてもGNDに接続される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような方法では、1pFあるいはそれ以下の微小な容量については、大きな誤差が発生し、正確な校正は困難である。同軸ケーブルの芯線と筐体、あるいは、同軸ケーブルの芯線と同軸コネクタのシールド部やシールドボックスとの間に生じる容量(浮遊容量)が加算されて測定され、誤差を生じるからである。
【0005】
その対策として、例えば、まず、標準コンデンサを接続しない状態で測定し、得られた容量値をゼロ点とし、次に、標準コンデンサを接続した状態で測定し、ゲイン(感度)の調整を行うという方法がとられる。
【0006】
しかしながら、このような方法であっても、標準コンデンサと容量計を接続するケーブルが異なる長さのものに交換されたりケーブル形状が変わる等の測定環境の変化が起こった場合には、ゼロ点が移動し、再度の校正が必要になるという問題がある。また、実際の測定状態から標準コンデンサだけを除外した状態を作り出さなければならないこと、そして、標準コンデンサを除く他の全ての物(測定環境)については、ゼロ調整のときとゲイン調整のときとで、完全に同一な状態を維持しなければならない等の困難が伴う。
【0007】
例えば、標準コンデンサが内蔵されたシールドボックスを容量計に接続していない状態でゼロ点をとり、そのシールドボックスを接続した状態でゲインの調整をするような校正方法では、ゲインの調整において、標準コンデンサを内蔵するシールドボックス全体の容量が検出されてしまい、標準コンデンサだけの容量を用いた校正ができないという問題がある。
【0008】
そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、標準コンデンサが内蔵されたシールドボックスを用いて容量計の校正を行う方法等であって、シールドボックスと容量計とを接続するケーブルの影響や、シールドボックスが持つ容量の影響等を受けることなく、シールドボックス内の標準コンデンサの容量だけを用いた正確な校正を行うことができる容量計の校正方法等を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る容量計の校正方法は、標準コンデンサの一端を容量計の信号入力端子に接続するとともに、前記標準コンデンサの他端を、前記信号入力端子と同電位の電圧を発生するガード電圧出力端子に接続する接続ステップと、前記接続ステップによる接続状態で、前記容量計のゼロ調整を行うゼロ調整ステップとを含むことを特徴とする。
【0010】
つまり、標準コンデンサの一端を容量計の信号入力端子に接続し、その他端に信号入力端子と同電位のガード電位を印加した状態で、容量を計測し、ゼロ点をとっている。したがって、信号入力端子に標準コンデンサが接続されたままであるにも拘わらず、標準コンデンサの両端が同電位となるので、標準コンデンサの容量が検出されず、標準コンデンサが取り外された状態に等しい状態でゼロ点が計測される。
【0011】
そして、前記容量計の校正方法は、さらに、前記ゼロ調整ステップに続いて、前記標準コンデンサの他端の接続先が前記ガード電圧出力端子から前記容量計の基準電圧端子に変更されるように、接続変更をする接続変更ステップと、前記接続変更ステップによる接続変更後の接続状態で、前記容量計のゲイン調整を行うゲイン調整ステップとを含んでもよい。
【0012】
つまり、ゼロ調整を行った後に、通常の容量測定での接続状態に変更、即ち、標準コンデンサを容量計の信号入力端子と基準電圧端子との間に接続されるように接続変更をした後に、ゲイン調整を行う。なお、基準電圧端子とは、容量計のグランド又は所定の電位に接続された端子である。ここで、所定の電位とは、ある基準電位、所定の直流電位、接地電位またはフローティング状態のいずれかを指すものであり、実施の態様にあわせて最適なものが選択される。
【0013】
このとき、前記標準コンデンサは、少なくとも2つの同軸コネクタが取り付けられたシールドボックス内に電気的に絶縁された状態で収納し、その両端をそれぞれ2つの同軸コネクタの中心電極に接続しておくとともに、2つの同軸コネクタのシールド部がシールドボックスの筐体と電気的に接続されるようにしておく。そして、前記接続ステップでは、さらに、シールドボックスの筐体をガード電圧出力端子に接続しておき、標準コンデンサの一端と容量計の信号入力端子とは芯線がシールド部材で覆われた同軸ケーブルで接続しておく。
【0014】
これによって、容量計の信号入力端子に接続される同軸ケーブルのシールド部材には、その芯線の電位と同電位のガード電位が印加され、その間の浮遊容量が計測誤差として検出されてしまうことがなくなる。そして、シールドボックスの筐体にもガード電位が印加されるので、シールドボックスが持つ浮遊容量も検出されなくなる。したがって、標準コンデンサの容量だけを用いた正確なゲイン調整が可能となる。
【0015】
なお、前記接続変更ステップでの接続変更は、シールドボックスに固定して取り付けられた切替スイッチを用いて行ってもよい。同様に、シールドボックスと容量計との間に挿入される位置に接続される切替ボックスに取り付けられた切替スイッチを用いて行ってもよい。さらに、容量計に内蔵された切替回路によって自動化してもよい。
【0016】
また、本発明は、上述のような特徴的な校正に用いられる校正用標準容量ボックスとして実現することできる。つまり、シールドボックスと、前記シールドボックスに取り付けられ、シールド部が前記シールドボックスと電気的に接続される2つの同軸コネクタと、前記シールドボックスの筐体と電気的に接続するための筐体端子と、前記シールドボックス内に電気的に絶縁された状態で収納されながら前記2つの同軸コネクタの中心電極それぞれに両端が接続される標準コンデンサとを備える校正用標準容量ボックスとして実現することもできる。このとき、標準コンデンサの両端と2つの同軸コネクタの中心電極とは、同軸コネクタのシールド部に接続されたシールド部材で芯線が覆われた同軸ケーブルで接続するのが好ましい。
【0017】
さらに、本発明は、上述のような特徴的な校正手順をプログラム制御によって自動実行する容量計として実現することもできる。つまり、測定対象のコンデンサを接続するための信号入力端子及び基準電圧端子と、前記信号入力端子と同電位の電圧を発生するガード電圧出力端子と、一端が前記信号入力端子に接続された標準コンデンサを用いて校正を実行する校正手段とを備え、前記校正手段は、前記標準コンデンサの他端を前記ガード電圧出力端子に接続した後に、ゼロ調整を実行し、前記標準コンデンサの他端の接続先を前記ガード電圧出力端子から前記基準電圧端子に変更した後に、ゲイン調整を実行する容量計として実現することもできる。
【0018】
なお、上述のゼロ調整及びゲイン調整は、容量計の校正だけでなく、容量が未知である被測定コンデンサの容量測定にも適用することができる。つまり、校正が行われた容量計で容量測定を行う際に、上述と同様の手順によって、被測定コンデンサのゼロ調整とゲイン調整(この場合には、容量測定による容量値の決定)を行うことで、被測定コンデンサの正確な容量値を容量計で測定することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
図1(a)は、本実施の形態に係る容量計の校正に用いられる校正用標準容量ボックス1の外観図であり、図1(b)は、その校正用標準容量ボックス1の概略回路図である。図1(a)に示されるように、校正用標準容量ボックス1は、容量が既知の標準コンデンサ7を内蔵する筐体(シールドボックス)8の側面に3つの接続端子(第1同軸コネクタ2、第2同軸コネクタ3及びケース端子4)が取り付けられたボックスである。
【0020】
図1(b)に示されるように、第1同軸コネクタ2は、同軸ケーブルを接続するためのコネクタであり、第1同軸ケーブル5を介して標準コンデンサ7の一端に接続される。つまり、第1同軸コネクタ2の中心電極2aは、第1同軸ケーブル5の芯線5aを介して標準コンデンサ7の一端に接続されるとともに、第1同軸コネクタ2のシールド部2bは、第1同軸ケーブル5のシールド5b及び筐体8に接続されている。なお、第1同軸ケーブル5のシールド5bは、その芯線5aを露出させないように覆っているが、その他端(標準コンデンサ7に近い端部)は電気的に開放されている、もしくは標準コンデンサ7のケースに接続される。
【0021】
同様に、第2同軸コネクタ3は、同軸ケーブルを接続するためのコネクタであり、第2同軸ケーブル6を介して標準コンデンサ7の他端に接続される。つまり、第2同軸コネクタ3の中心電極3aは、第2同軸ケーブル6の芯線6aを介して標準コンデンサ7の一端に接続されるとともに、第2同軸コネクタ3のシールド部3bは、第2同軸ケーブル6のシールド6b及び筐体8に接続されている。そして、第2同軸ケーブル6のシールド6bは、その芯線6aを露出させないように覆っているが、その他端(標準コンデンサ7に近い端部)は電気的に開放されている、もしくは標準コンデンサ7のケースに接続されてもよい。
【0022】
ケース端子4は、筐体8と電気的に接続された端子である。これは、筐体8と、筐体8に接続されている全て部位、即ち、第1同軸コネクタ2のシールド部2b、第2同軸コネクタ3のシールド部3b、第1同軸ケーブル5のシールド5b及び第2同軸ケーブル6のシールド6bの電位を決定する(外部から印加する)ための端子である。
【0023】
このように、標準コンデンサ7は、その両端が、それぞれ、第1同軸コネクタ2の中心電極2a及び第2同軸コネクタ3の中心電極3aに接続され、筐体8等から絶縁された状態で固定されている。
【0024】
図2は、本実施の形態における校正の対象となる容量計の回路図の例を示す。この容量計10は、交流電圧を発生する交流電圧発生器11、抵抗(R1)12、抵抗(R2)13、第1演算増幅器14、検出用抵抗(R3)15及び第2演算増幅器16から構成されるとともに、校正用標準容量ボックス1や被測定コンデンサ17と接続するための3種類の接続端子(グランド端子25、信号入力端子26、ガード電位出力端子27a及び27b)を有し、グランド端子25と信号入力端子26間に接続される被測定コンデンサ17の静電容量を測定する装置であり、その静電容量に対応する電圧を検出信号として信号出力端子20から出力する。
【0025】
なお、ガード電位出力端子27a及び27bは、信号入力端子26と同電位の電圧(ガード電圧)を出力する端子であり、同軸ケーブルの芯線とシールド間等に発生する浮遊容量が検出されないようにするために用いられ、これらのうち、一方のガード電位出力端子27aは、単線のケーブル等で校正用標準容量ボックス1のケース端子4に接続しておくのに用いられるネジ止め端子等であり、他方のガード電位出力端子27bは、校正時に(ゼロ点をとる際)に校正用標準容量ボックス1の第2同軸コネクタ3と同軸ケーブルで接続するための同軸コネクタである。また、グランド端子25及び信号入力端子26は、いずれも、同軸ケーブルを接続するための同軸コネクタで構成されている。なお、信号入力端子26を構成する同軸コネクタのシールド部分及びそのシールド部分に接続されるシールド線(図中の点線)には、ガード電圧が印加されている。また2つの端子25及び27bを構成する同軸コネクタのシールド部及びそのシールド部に接続されるシールド線(図中の点線)は、ここでは、フロート状態にあり、ケーブルを介して接続される相手装置(校正用標準容量ボックス1等)によって、その電位が決定される。
【0026】
交流電圧発生器11は、一端がグランドに接続され、他端(出力端子)から一定の交流電圧(電圧Vin、角周波数ω)を発生している。また、第1演算増幅器14及び第2演算増幅器16は、入力インピーダンス及び開ループゲインが極めて高い電圧増幅器である。第1演算増幅器14は、その非反転入力端子がグランドに接続され、その負帰還路に検出用抵抗15、第2演算増幅器16及び抵抗(R2)13がこの順で直列に接続され、反転増幅回路を構成している。また、第2演算増幅器16は、電圧ゲインが1のボルテージフォロワを構成し、信号入力端子26に接続される被測定コンデンサ17に流れる電流のほとんど全てが検出用抵抗15を流れるようにするとともに、その出力端子からガード電圧を発生する機能を果たしている。
【0027】
以上のように構成された容量計10の動作は以下の通りである。
抵抗(R1)12、抵抗(R2)13及び第1演算増幅器14等から構成される反転増幅回路に着目すると、第2演算増幅器16の出力端子22での電圧をV2とすると、
Vin/R1=−V2/R2
が成り立つ。よって、第2演算増幅器16の出力電圧V2は、
V2=−(R2/R1)・Vin (式1)
となる。また、第2演算増幅器16はボルテージフォロワを構成し、その両入力端子がイマージナリショートの状態にあるので、その入力電圧(非反転入力端子21の電圧)V1は、
V1=V2
=−(R2/R1)・Vin (式2)
となる。
【0028】
いま、信号入力端子26とグランド端子25間に被測定コンデンサ(容量Cs)17が接続されているとし、検出用抵抗15を被測定コンデンサ17に向かって流れる電流をiとすると、第2演算増幅器16の入力インピーダンスが極めて高いことから、その電流iの全てが被測定コンデンサ17に流れるので、第2演算増幅器16の非反転入力端子21での電圧V1は、i・(1/jωCs)となり、信号出力端子20から出力される検出信号の電圧Voutは、
Vout=i・R3+V1
=(1+jωCs・R3)・V1 (式3)
となる。この式3に、上記式2で表されるV1を代入すると、
Vout=−(1+jωCs・R3)・(R2/R1)・Vin (式4)
が得られる。
【0029】
この式4から分かるように、容量計10の信号出力端子20から出力される検出信号の電圧Voutは、被測定コンデンサ17の容量Csに比例する交流成分を含んでいる。従って、この電圧Voutに対して種々の信号処理を施すことによって、容量Csが特定される。
【0030】
次に、図1に示された校正用標準容量ボックス1を用いて図2に示された容量計10を校正する手順を説明する。
【0031】
図3は、その校正手順を示すフロー図である。ここには、4つのステップが示されている。まず、校正用標準容量ボックス1内の標準コンデンサ7の一端を容量計10の信号入力端子26に、標準コンデンサ7の他端を容量計10のガード電位出力端子27bに、校正用標準容量ボックス1のケース端子4を容量計10のガード電位出力端子27aに接続する(Step1)。具体的には、校正用標準容量ボックス1の第1同軸コネクタ2と容量計10の信号入力端子26とを同軸ケーブルで接続し、校正用標準容量ボックス1の第2同軸コネクタ3と容量計10のガード電位出力端子27bとを同軸ケーブルで接続し、校正用標準容量ボックス1のケース端子4と容量計10のガード電位出力端子27aとを単線のケーブル等で接続する。結果として、標準コンデンサ7の両端が信号入力端子26とガード電位に接続され、シールドケース(校正用標準容量ボックス1の筐体8)及び各ケーブルのシールド部がガード電位に接続されればよい。
【0032】
続いて、この接続状態において、容量計10でゼロ点をとる(Step2)。つまり、この状態で、容量計10による測定を実行し、得られた測定値(容量値))をゼロ(ファラッド)とするように、容量計10のオフセット調整を行う。例えば、CPU等によるデジタル処理回路を内蔵した容量計であれば、このときの測定値をゼロファラッドと表示するように、測定値xと表示値yとを関係づける校正式y=a・x+bにおけるオフセット値bを調整する。
【0033】
なお、このステップでの測定においては、容量計10の信号入力端子26には校正用標準容量ボックス1内の標準コンデンサ7の一端が接続された状態となっているが、標準コンデンサ7の他端にはガード電位が印加されているので、標準コンデンサ7の両端は同電位に保持され、この容量が容量計10に検出されてしまうことはない。
【0034】
次に、校正用標準容量ボックス1内の標準コンデンサ7の他端を容量計10のガード電位出力端子27bからグランド端子25に接続を切り替える(Step3)。具体的には、例えば、校正用標準容量ボックス1の第2同軸コネクタ3と接続されていた容量計10のガード電位出力端子27bにおいて、同軸ケーブルのコネクタを取り外し、そのコネクタを容量計10のグランド端子25に接続する。
【0035】
この結果、校正用標準容量ボックス1内の標準コンデンサ7は、通常の測定状態、即ち、容量計10の信号入力端子26とグランド端子25間に接続されることになる。なお、他の接続状態、つまり、校正用標準容量ボックス1の第1同軸コネクタ2及びケース端子4と容量計10との接続関係は、そのままにしておく。
【0036】
最後に、この接続状態において、容量計10でゲインの調整をする(Step4)。つまり、この状態で、容量計10による測定を実行し、得られた測定値(容量値)を標準コンデンサ7の容量値と一致させるように、容量計10のゲイン(感度)調整を行う。例えば、上述のようなデジタル処理回路を内蔵した容量計であれば、測定値xと表示値yとを関係づける校正式y=a・x+bにおける比例係数aを調整する。
【0037】
なお、このステップでの測定においては、容量計10の信号入力端子26とグランド端子25間の全ての容量が測定されるが、容量計10の信号入力端子26に接続されている同軸ケーブルのシールドには、校正用標準容量ボックス1の第1同軸コネクタ2のシールド部2bを介してガード電位が印加され、その芯線とシールドとは同電位となっているので、その間の浮遊容量が加算されてしまうことはない。このようなガードリングによる浮遊容量を検出させないようにする方法は、校正用標準容量ボックス1内の第1同軸ケーブル5(芯線5aとシールド5bとの間)や、第1同軸ケーブル5の芯線5aと筐体8と間についても同様である。
【0038】
したがって、このような接続状態で得られた測定値は、同軸ケーブルや校正用標準容量ボックス1が持つ浮遊容量が含まれない、標準コンデンサ7だけの容量に相当し、これによって、標準コンデンサ7に固有の容量値だけを用いた高い精度での校正、例えば、1pFやそれ以下の微小容量に対する校正が可能となる。そして、ゼロ点をとった後に、ゲイン調整を開始するのに必要な作業は、1本の同軸ケーブルの接続先を変更するだけで済む。したがって、標準コンデンサ7だけを取り付けたり外したりする等の煩わしい作業は不要である。
【0039】
以上、本発明に係る容量計の校正方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。
【0040】
例えば、本実施の形態では、ゼロ調整からゲイン調整に移る際に、同軸ケーブルを付け替えたが、これに代えて、切替スイッチで実現してもよい。具体的には、図1に示された校正用標準容量ボックス1に代えて、図4(a)の外観図及び図4(b)の概略回路図に示される校正用標準容量ボックス30に取り付けられた切替スイッチ31で切り替えてもよい。この校正用標準容量ボックス30によれば、校正用標準容量ボックス30の第1同軸コネクタ2、第2同軸コネクタ3及びケース端子4と容量計10の信号入力端子26、グランド端子25及びガード電位出力端子27aとをそれぞれ接続したまま、切替スイッチ31を切り替えるだけで、標準コンデンサ7の一端7bを、容量計10のグランド端子25及びガード電位出力端子27aのいずれかに接続することができるので、ケーブルを付け替えることなく、ゼロ調整とゲイン調整とを続けて行うことができる。
【0041】
同様にして、校正用標準容量ボックスに切替スイッチを取り付けるのではなく、独立した切替ボックスを設けて、標準コンデンサ7の一端の接続先を切り替えてもよい。図5(a)は、このような切替ボックス35の外観を示す図(ここでは、校正用標準容量ボックス1も含む図)であり、図5(b)は、その切替ボックス35の概略回路図である。この切替ボックス35は、図1に示された校正用標準容量ボックス1の第2同軸コネクタ3と容量計10のグランド端子25とを接続するケーブルの途中に挿入される位置に接続して使用するものであり、校正用標準容量ボックス1の第2同軸コネクタ3に接続される同軸コネクタの中心電極を容量計10のグランド端子25に接続される同軸コネクタの中心電極又はそのシールド部に接続する切替スイッチ36を有する。このような切替ボックス35を用いる方法であっても、ケーブルを付け替えることなく、ゼロ調整とゲイン調整とを続けて行うことができる。
【0042】
さらに、図5(b)に示された切替回路に相当する回路を容量計10に内蔵させてもよい。そして、その切替については、操作者が手動で操作してもよいし、プログラム制御等により、図3に示された4つのステップを一連で自動実行する機能を容量計10に装備させてもよい。
【0043】
加えて、図1に示された校正用標準容量ボックス及び図5に示された切替回路に相当する回路を容量計10に内蔵させてもよい。そして、その切替については、操作者が手動で操作してもよいし、プログラム制御等により、図3に示された4つのステップを一連で自動実行する機能を容量計10に装備させてもよい。
【0044】
一方、図1(b)で、コネクタ2、3のいずれかに接続する同軸ケーブルのシールド部にガード電位を印加し、2b、3b、5b、6b、8にガード電位を印加するようにしても良い。この場合ケース端子4は未接続として良い。図1(b)では2b、3bを8と導通させたが、2b、3bを8と絶縁させ、端子2、3に接続する同軸ケーブルのシールド部にガード電位を印加し、2b、3b、5b、6bにガード電位を印加するようにしても良い。
【0045】
また、本実施の形態では、標準コンデンサや被測定コンデンサは、容量計10の信号入力端子26とグランド端子25との間に接続される形式であったが、グランド端子25に代えて、グランドから一定の電位だけバイアスされた所定の電位に接続された端子を用いてもよい。図2に示された容量計10は、交流電圧発生器11からの交流信号に基づいて容量を計測しているので、交流的にゼロ電位であれば、所定電位を基準電位として用いることができるからである。
【0046】
また、本実施の形態では、校正用標準容量ボックス1の筐体8等、ガード電位が印加される部分が露出していたが、校正用標準容量ボックス1全体を、その筐体8とは絶縁されたシールドボックスに収納したり、同軸ケーブルや同軸コネクタを2重又は3重の同軸構造とし、最外郭の導電部をフロート又は接地された状態にしてもよい。
【0047】
また、本実施の形態で示された容量計の校正方法は、容量計の校正だけでなく、被測定コンデンサの容量を測定する方法として用いることもできる。具体的には、図6に示されるように、図1に示された校正用標準容量ボックス1における標準コンデンサ7を被測定コンデンサ97に置き換えた容量測定用ボックス91を用意する。そして、図3に示されたStep1〜4によって校正された容量計10に容量測定用ボックス91を接続し、図3と同様のステップで容量の測定を行う。つまり、図6に示されるように、被測定コンデンサ97の両端を信号入力端子及びガード電位に接続し、筐体8をガード電位に接続した状態で(Step5)、ゼロ点をとった後に(Step6)、被測定コンデンサ97の両端を信号入力端子及びグランドに接続し、筐体8をガード電位に接続した状態で(Step7)、被測定コンデンサ97の容量を測定する(Step8)。
【0048】
なお、最後のステップにおいては(容量の測定;Step8)、校正によって得られている係数を実測値に乗じる等の処理によって、最終的な測定値を決定すればよい。図7は、そのようなプロセスで得られる実測値の例を示す図である。ここでは、「基準値」が0.9598pFの標準コンデンサ7を用いて図3に示される校正を行った結果、「測定値」として0.67355pFが得られたので、ゲイン調整によって「係数」が1.4250と決定されている。そして、このような校正状態で、図6に示される測定方法によって1.0261pFの被測定コンデンサ97を測定した結果、1.0267pFという測定値が得れている。このように、本発明に係るゼロ調整及びゲイン調整を容量測定における校正と実測それぞれに適用することで、正確な容量測定が可能となる。
【0049】
このような容量測定用ボックス91は、内蔵されるコンデンサの容量が未知でか既知であるかという点において校正用標準容量ボックス1と異なるだけであり、図4及び図5に示された構造にしたり、容量計10に内蔵させることができる点については、校正用標準容量ボックス1と共通する。例えば、図5(b)に示された切替回路に相当する回路を容量計10に内蔵させ、校正及び測定の両方の用途に使用してもよい。
【0050】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る容量計の校正方法は、シールドボックスに収納された標準コンデンサの一端を容量計の信号入力端子に接続するとともに、標準コンデンサの他端を、信号入力端子と同電位の電圧を発生するガード電圧出力端子に接続した状態で、容量計のゼロ調整を行い、次に、標準コンデンサの他端の接続先がガード電圧出力端子から容量計の基準電圧端子に変更されるように、接続変更をした後に、容量計のゲイン調整を行っている。そして、これらの調整の間、シールドボックスにはガード電圧が印加される。
【0051】
これによって、容量計の信号入力端子には標準コンデンサの一端が接続されたままであるにも拘わらず、ゼロ調整においては、ガードリングテクニックによって、標準コンデンサの容量が検出されず、標準コンデンサを取り外した状態に等しい状態で容量が測定され、ゼロ点がとられるので、簡易な作業で正確なゼロ調整が可能となる。
【0052】
そして、ゲイン調整においては、シールドボックスと容量計とを接続する同軸ケーブルのシールドや、シールドボックスの筐体にはガード電位が印加されているので、同軸ケーブルやシールボックスで発生する浮遊容量を含まない標準コンデンサだけの容量によるゲイン調整が行われ、高い精度で容量計が校正される。
【0053】
また、このような校正方法を容量が未知な被測定コンデンサの容量測定にも適用することで、校正だけでなく、容量測定についても精度が向上される。
【0054】
このように、本発明により、シールドボックスと容量計とを接続するケーブルの影響や、シールドボックスが持つ容量の影響等を受けることなく、シールドボックス内の標準コンデンサの容量だけを用いた正確な校正が可能になるとともに、正確な容量測定が可能となり、特に、1pFやそれ以下の微小な容量を測定する微小容量計に対する高精度な校正方法及び容量測定として本発明の技術的価値は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は、本発明の実施の形態における容量計の校正に用いられる校正用標準容量ボックスの外観図であり、(b)は、その校正用標準容量ボックスの概略回路図である。
【図2】上記校正の対象となる容量計の回路図の例を示す。
【図3】上記校正の手順を示すフロー図である。
【図4】(a)は、図1に示された校正用標準容量ボックスの変形例に係る校正用標準容量ボックスの外観図であり、(b)は、その概略回路図である。
【図5】(a)は、図1に示された校正用標準容量ボックスとともに使用される切替ボックスの外観図であり、(b)は、その切替ボックスの概略回路図である。
【図6】被測定コンデンサの容量測定の手順を示すフロー図である。
【図7】標準コンデンサによる校正と被測定コンデンサの容量測定における実測値の例を示す図である。
【符号の説明】
1、30 校正用標準容量ボックス
2 第1同軸コネクタ
2a、3a 中心電極
2b、3b シールド部
3 第2同軸コネクタ
4 ケース端子
5、6 同軸ケーブル
5a、6a 芯線
5b、6b シールド
6 同軸ケーブル
7 標準コンデンサ
8 筐体
10 容量計
11 交流電圧発生器
12、13 抵抗
14、16 演算増幅器
15 検出用抵抗
17 被測定コンデンサ
20 信号出力端子
21 非反転入力端子
22 出力端子
25 グランド端子
26 信号入力端子
27a、27b ガード電位出力端子
31、36 切替スイッチ
91 容量測定用ボックス
97 被測定コンデンサ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a capacitance meter calibration method and a capacitance measurement method, and more particularly to a zero adjustment and gain adjustment method for a capacitance meter that measures a minute capacitance.
[0002]
[Prior art]
In order to calibrate a capacitance meter that measures capacitance, a standard capacitor with a known capacitance is used.
[0003]
As a specific conventional method, for example, a shield box containing a standard capacitor and a capacitance meter are connected with a coaxial cable, and the capacitance of the standard capacitor is measured and calibrated. At this time, one end of the standard capacitor is connected to the GND (ground) of the capacitance meter, and a coaxial connector attached to the shield box (housing) or shield box in order to shield the intrusion of disturbance noise into the shield box. Unnecessary parts such as the shield part are also connected to GND.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a method, a large error occurs for a minute capacitance of 1 pF or less, and accurate calibration is difficult. This is because the capacitance (floating capacitance) generated between the coaxial cable core wire and the housing, or between the coaxial cable core wire and the shield part or shield box of the coaxial connector is added and measured, resulting in an error.
[0005]
As a countermeasure, for example, first, measurement is performed with no standard capacitor connected, and the obtained capacitance value is set to the zero point. Next, measurement is performed with the standard capacitor connected, and the gain (sensitivity) is adjusted. The method is taken.
[0006]
However, even with this method, if the measurement environment changes, such as when the cable connecting the standard capacitor and the capacitance meter is replaced with a cable of a different length or the cable shape changes, the zero point will be There is a problem that it needs to be calibrated again. In addition, it is necessary to create a state in which only the standard capacitor is excluded from the actual measurement state, and for all other objects (measurement environment) except the standard capacitor, both at zero adjustment and at gain adjustment. , Accompanied by difficulties such as having to maintain a completely identical state.
[0007]
For example, in a calibration method that takes a zero point without connecting a shield box containing a standard capacitor to the capacitance meter and adjusts the gain with the shield box connected, the standard is used for gain adjustment. The capacity of the entire shield box containing the capacitor is detected, and there is a problem that calibration using only the capacity of the standard capacitor is not possible.
[0008]
Therefore, the present invention has been made in view of such a situation, and is a method for calibrating a capacity meter using a shield box with a built-in standard capacitor, and the shield box and the capacity meter are connected. To provide a calibration method for a capacity meter that can perform accurate calibration using only the capacity of the standard capacitor in the shield box without being affected by the cable to be used or the capacity of the shield box. Objective.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a calibration method for a capacitance meter according to the present invention includes connecting one end of a standard capacitor to a signal input terminal of the capacitance meter and connecting the other end of the standard capacitor to the same potential as the signal input terminal. A connection step of connecting to a guard voltage output terminal for generating a voltage of 0, and a zero adjustment step of performing zero adjustment of the capacitance meter in a connection state by the connection step.
[0010]
That is, one end of the standard capacitor is connected to the signal input terminal of the capacitance meter, and the capacitance is measured in a state where the guard potential having the same potential as the signal input terminal is applied to the other end, and the zero point is taken. Therefore, although the standard capacitor is still connected to the signal input terminal, both ends of the standard capacitor are at the same potential, so the standard capacitor capacity is not detected and the standard capacitor is removed. Zero point is measured.
[0011]
Further, the calibration method of the capacitance meter is further configured to change the connection destination of the other end of the standard capacitor from the guard voltage output terminal to the reference voltage terminal of the capacitance meter following the zero adjustment step. A connection change step for changing the connection and a gain adjustment step for adjusting the gain of the capacitance meter in the connection state after the connection change by the connection change step may be included.
[0012]
That is, after performing zero adjustment, after changing the connection state in the normal capacitance measurement, that is, after changing the connection so that the standard capacitor is connected between the signal input terminal and the reference voltage terminal of the capacitance meter, Adjust the gain. The reference voltage terminal is a terminal connected to the ground of the capacitance meter or a predetermined potential. Here, the predetermined potential refers to any one of a certain reference potential, a predetermined DC potential, a ground potential, or a floating state, and an optimum one is selected according to the embodiment.
[0013]
At this time, the standard capacitor is stored in an electrically insulated state in a shield box to which at least two coaxial connectors are attached, and both ends thereof are connected to the center electrodes of the two coaxial connectors, respectively. The shield portions of the two coaxial connectors are electrically connected to the casing of the shield box. In the connecting step, the casing of the shield box is further connected to the guard voltage output terminal, and one end of the standard capacitor and the signal input terminal of the capacitance meter are connected by a coaxial cable whose core wire is covered with a shield member. Keep it.
[0014]
As a result, a guard potential having the same potential as that of the core wire is applied to the shield member of the coaxial cable connected to the signal input terminal of the capacitance meter, and stray capacitance therebetween is not detected as a measurement error. . Since the guard potential is also applied to the casing of the shield box, the stray capacitance of the shield box is not detected. Therefore, accurate gain adjustment using only the capacity of the standard capacitor is possible.
[0015]
The connection change in the connection change step may be performed using a changeover switch fixedly attached to the shield box. Similarly, you may perform using the changeover switch attached to the changeover box connected to the position inserted between a shield box and a capacity meter. Further, it may be automated by a switching circuit built in the capacity meter.
[0016]
Further, the present invention can be realized as a standard capacity box for calibration used for the characteristic calibration as described above. That is, a shield box, two coaxial connectors attached to the shield box and having a shield part electrically connected to the shield box, and a case terminal for electrically connecting to the case of the shield box Also, it can be realized as a standard capacity box for calibration comprising a standard capacitor having both ends connected to the center electrodes of the two coaxial connectors while being housed in the shield box in an electrically insulated state. At this time, it is preferable that both ends of the standard capacitor and the center electrode of the two coaxial connectors are connected by a coaxial cable whose core wire is covered with a shield member connected to the shield portion of the coaxial connector.
[0017]
Furthermore, the present invention can also be realized as a capacity meter that automatically executes the characteristic calibration procedure as described above under program control. That is, a signal input terminal and a reference voltage terminal for connecting a capacitor to be measured, a guard voltage output terminal for generating a voltage having the same potential as the signal input terminal, and a standard capacitor having one end connected to the signal input terminal A calibration means for performing calibration using the calibration means, wherein the calibration means performs zero adjustment after connecting the other end of the standard capacitor to the guard voltage output terminal, and connects to the other end of the standard capacitor. Can be realized as a capacitance meter that performs gain adjustment after changing from the guard voltage output terminal to the reference voltage terminal.
[0018]
The zero adjustment and gain adjustment described above can be applied not only to calibration of a capacitance meter but also to capacitance measurement of a capacitor to be measured whose capacitance is unknown. In other words, when performing capacitance measurement with a calibrated capacitance meter, perform zero adjustment and gain adjustment of the capacitor to be measured (in this case, determination of the capacitance value by capacitance measurement) using the same procedure as described above. Thus, the accurate capacitance value of the capacitor to be measured can be measured with a capacitance meter.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1A is an external view of a calibration standard capacity box 1 used for calibration of a capacity meter according to the present embodiment, and FIG. 1B is a schematic circuit diagram of the calibration standard capacity box 1. It is. As shown in FIG. 1 (a), the calibration standard capacity box 1 has three connection terminals (first coaxial connector 2; 1) on the side surface of a casing (shield box) 8 containing a standard capacitor 7 with a known capacity. A box to which the second coaxial connector 3 and the case terminal 4) are attached.
[0020]
As shown in FIG. 1B, the first coaxial connector 2 is a connector for connecting a coaxial cable, and is connected to one end of the standard capacitor 7 via the first coaxial cable 5. That is, the center electrode 2a of the first coaxial connector 2 is connected to one end of the standard capacitor 7 via the core 5a of the first coaxial cable 5, and the shield portion 2b of the first coaxial connector 2 is connected to the first coaxial cable 2. 5 is connected to the shield 5 b and the housing 8. The shield 5b of the first coaxial cable 5 covers the core wire 5a so that the core wire 5a is not exposed, but the other end (the end close to the standard capacitor 7) is electrically open, or the standard capacitor 7 Connected to the case.
[0021]
Similarly, the second coaxial connector 3 is a connector for connecting a coaxial cable, and is connected to the other end of the standard capacitor 7 via the second coaxial cable 6. That is, the center electrode 3a of the second coaxial connector 3 is connected to one end of the standard capacitor 7 via the core 6a of the second coaxial cable 6, and the shield portion 3b of the second coaxial connector 3 is connected to the second coaxial cable 3. 6 shield 6b and housing 8 are connected. The shield 6b of the second coaxial cable 6 covers the core wire 6a so that the core wire 6a is not exposed, but the other end (the end close to the standard capacitor 7) is electrically open or the standard capacitor 7 It may be connected to the case.
[0022]
The case terminal 4 is a terminal electrically connected to the housing 8. This is because the housing 8 and all the parts connected to the housing 8, that is, the shield portion 2b of the first coaxial connector 2, the shield portion 3b of the second coaxial connector 3, the shield 5b of the first coaxial cable 5, and This is a terminal for determining the potential of the shield 6b of the second coaxial cable 6 (applying from the outside).
[0023]
As described above, the standard capacitor 7 is fixed in a state where both ends thereof are connected to the center electrode 2a of the first coaxial connector 2 and the center electrode 3a of the second coaxial connector 3, respectively, and are insulated from the housing 8 and the like. ing.
[0024]
FIG. 2 shows an example of a circuit diagram of a capacitance meter to be calibrated in the present embodiment. The capacitance meter 10 includes an AC voltage generator 11 that generates an AC voltage, a resistor (R1) 12, a resistor (R2) 13, a first operational amplifier 14, a detection resistor (R3) 15, and a second operational amplifier 16. In addition, it has three types of connection terminals (ground terminal 25, signal input terminal 26, guard potential output terminals 27a and 27b) for connection to the calibration standard capacitance box 1 and the capacitor 17 to be measured. , And a signal input terminal 26, and a voltage corresponding to the capacitance is output from the signal output terminal 20 as a detection signal.
[0025]
The guard potential output terminals 27a and 27b are terminals that output a voltage (guard voltage) having the same potential as that of the signal input terminal 26, and prevent stray capacitance generated between the core wire and the shield of the coaxial cable from being detected. Among these, one of the guard potential output terminals 27a is a screw terminal used for connecting to the case terminal 4 of the calibration standard capacity box 1 with a single-wire cable or the like, and the other The guard potential output terminal 27b is a coaxial connector for connecting to the second coaxial connector 3 of the calibration standard capacity box 1 with a coaxial cable at the time of calibration (when the zero point is taken). Moreover, both the ground terminal 25 and the signal input terminal 26 are comprised by the coaxial connector for connecting a coaxial cable. A guard voltage is applied to the shield portion of the coaxial connector constituting the signal input terminal 26 and the shield wire (dotted line in the figure) connected to the shield portion. Further, the shield part of the coaxial connector constituting the two terminals 25 and 27b and the shield wire (dotted line in the figure) connected to the shield part here are in a float state and are connected to each other via a cable. The potential is determined by (the calibration standard capacity box 1 or the like).
[0026]
The AC voltage generator 11 has one end connected to the ground and generates a constant AC voltage (voltage Vin, angular frequency ω) from the other end (output terminal). The first operational amplifier 14 and the second operational amplifier 16 are voltage amplifiers having extremely high input impedance and open loop gain. The non-inverting input terminal of the first operational amplifier 14 is connected to the ground, and the detection resistor 15, the second operational amplifier 16 and the resistor (R2) 13 are connected in series in this order to the negative feedback path, and the inverting amplification. The circuit is configured. The second operational amplifier 16 constitutes a voltage follower having a voltage gain of 1 so that almost all of the current flowing through the measured capacitor 17 connected to the signal input terminal 26 flows through the detection resistor 15. It fulfills the function of generating a guard voltage from its output terminal.
[0027]
The operation of the capacity meter 10 configured as described above is as follows.
When attention is paid to the inverting amplifier circuit composed of the resistor (R1) 12, the resistor (R2) 13, the first operational amplifier 14 and the like, when the voltage at the output terminal 22 of the second operational amplifier 16 is V2,
Vin / R1 = -V2 / R2
Holds. Therefore, the output voltage V2 of the second operational amplifier 16 is
V2 =-(R2 / R1) · Vin (Formula 1)
It becomes. Further, since the second operational amplifier 16 constitutes a voltage follower and both of its input terminals are in an immediate short state, its input voltage (voltage of the non-inverting input terminal 21) V1 is
V1 = V2
=-(R2 / R1) · Vin (Formula 2)
It becomes.
[0028]
Now, assuming that the capacitor to be measured (capacitance Cs) 17 is connected between the signal input terminal 26 and the ground terminal 25 and the current flowing through the detection resistor 15 toward the capacitor to be measured 17 is i, the second operational amplifier Since the input impedance of 16 is very high, all of the current i flows to the capacitor 17 to be measured, so the voltage V1 at the non-inverting input terminal 21 of the second operational amplifier 16 is i · (1 / jωCs), The voltage Vout of the detection signal output from the signal output terminal 20 is
Vout = i · R3 + V1
= (1 + jωCs · R3) · V1 (Formula 3)
It becomes. Substituting V1 represented by the above equation 2 into this equation 3,
Vout =-(1 + jωCs · R3) · (R2 / R1) · Vin (Formula 4)
Is obtained.
[0029]
As can be seen from Equation 4, the voltage Vout of the detection signal output from the signal output terminal 20 of the capacitance meter 10 includes an AC component proportional to the capacitance Cs of the capacitor 17 to be measured. Therefore, the capacitance Cs is specified by performing various signal processing on the voltage Vout.
[0030]
Next, a procedure for calibrating the capacity meter 10 shown in FIG. 2 using the calibration standard capacity box 1 shown in FIG. 1 will be described.
[0031]
FIG. 3 is a flowchart showing the calibration procedure. Here, four steps are shown. First, one end of the standard capacitor 7 in the calibration standard capacitance box 1 is connected to the signal input terminal 26 of the capacitance meter 10, and the other end of the standard capacitor 7 is connected to the guard potential output terminal 27 b of the capacitance meter 10. The case terminal 4 is connected to the guard potential output terminal 27a of the capacitance meter 10 (Step 1). Specifically, the first coaxial connector 2 of the calibration standard capacity box 1 and the signal input terminal 26 of the capacity meter 10 are connected by a coaxial cable, and the second coaxial connector 3 of the calibration standard capacity box 1 and the capacity meter 10 are connected. The guard potential output terminal 27b is connected by a coaxial cable, and the case terminal 4 of the calibration standard capacity box 1 and the guard potential output terminal 27a of the capacity meter 10 are connected by a single wire cable or the like. As a result, both ends of the standard capacitor 7 may be connected to the signal input terminal 26 and the guard potential, and the shield case (the casing 8 of the calibration standard capacity box 1) and the shield portion of each cable may be connected to the guard potential.
[0032]
Subsequently, in this connected state, the capacity meter 10 takes a zero point (Step 2). That is, in this state, the measurement by the capacitance meter 10 is executed, and the offset adjustment of the capacitance meter 10 is performed so that the obtained measurement value (capacitance value) is zero (farad). For example, in the case of a capacity meter incorporating a digital processing circuit such as a CPU, a calibration formula y = a · x + b that relates the measured value x and the displayed value y so that the measured value at this time is displayed as zero farad. Adjust the offset value b.
[0033]
In the measurement at this step, one end of the standard capacitor 7 in the calibration standard capacitance box 1 is connected to the signal input terminal 26 of the capacitance meter 10, but the other end of the standard capacitor 7 is connected. Since a guard potential is applied to both ends of the standard capacitor 7, both ends of the standard capacitor 7 are held at the same potential, and this capacitance is not detected by the capacitance meter 10.
[0034]
Next, the connection of the other end of the standard capacitor 7 in the calibration standard capacitance box 1 is switched from the guard potential output terminal 27b of the capacitance meter 10 to the ground terminal 25 (Step 3). Specifically, for example, at the guard potential output terminal 27b of the capacity meter 10 connected to the second coaxial connector 3 of the calibration standard capacity box 1, the connector of the coaxial cable is removed and the connector is connected to the ground of the capacity meter 10. Connect to terminal 25.
[0035]
As a result, the standard capacitor 7 in the calibration standard capacity box 1 is connected in a normal measurement state, that is, between the signal input terminal 26 and the ground terminal 25 of the capacity meter 10. The other connection states, that is, the connection relationship between the first coaxial connector 2 and the case terminal 4 of the calibration standard capacity box 1 and the capacity meter 10 are left as they are.
[0036]
Finally, in this connected state, the gain is adjusted by the capacity meter 10 (Step 4). That is, in this state, measurement by the capacitance meter 10 is executed, and gain (sensitivity) adjustment of the capacitance meter 10 is performed so that the obtained measurement value (capacitance value) matches the capacitance value of the standard capacitor 7. For example, in the case of a capacity meter incorporating a digital processing circuit as described above, the proportionality coefficient a in the calibration equation y = a · x + b that relates the measured value x and the display value y is adjusted.
[0037]
In the measurement at this step, all the capacitances between the signal input terminal 26 and the ground terminal 25 of the capacitance meter 10 are measured, but the shield of the coaxial cable connected to the signal input terminal 26 of the capacitance meter 10 is measured. Is applied with a guard potential via the shield portion 2b of the first coaxial connector 2 of the calibration standard capacity box 1, and since the core wire and the shield are at the same potential, the stray capacitance between them is added. There is no end. The method for preventing the stray capacitance due to such a guard ring from being detected includes the first coaxial cable 5 (between the core wire 5a and the shield 5b) in the calibration standard capacitance box 1 and the core wire 5a of the first coaxial cable 5. The same applies to the case 8 and the housing 8.
[0038]
Therefore, the measured value obtained in such a connection state corresponds to the capacity of only the standard capacitor 7 that does not include the stray capacitance of the coaxial cable or the standard capacity box 1 for calibration. Calibration with high accuracy using only a specific capacitance value, for example, calibration for a minute capacitance of 1 pF or less is possible. Then, after taking the zero point, the work necessary to start gain adjustment is only to change the connection destination of one coaxial cable. Therefore, troublesome work such as attaching and removing only the standard capacitor 7 is unnecessary.
[0039]
As mentioned above, although the calibration method of the capacity meter concerning the present invention was explained based on an embodiment, the present invention is not limited to this embodiment.
[0040]
For example, in this embodiment, when shifting from zero adjustment to gain adjustment, the coaxial cable is replaced, but instead, this may be realized by a changeover switch. Specifically, in place of the calibration standard capacity box 1 shown in FIG. 1, it is attached to the calibration standard capacity box 30 shown in the external view of FIG. 4 (a) and the schematic circuit diagram of FIG. 4 (b). The changeover switch 31 may be used for switching. According to the calibration standard capacity box 30, the first coaxial connector 2, the second coaxial connector 3 and the case terminal 4 of the calibration standard capacity box 30, the signal input terminal 26 of the capacity meter 10, the ground terminal 25, and the guard potential output. Since one end 7b of the standard capacitor 7 can be connected to either the ground terminal 25 or the guard potential output terminal 27a of the capacitance meter 10 by simply switching the changeover switch 31 with the terminals 27a connected to each other. The zero adjustment and the gain adjustment can be performed continuously without changing the.
[0041]
Similarly, instead of attaching a changeover switch to the calibration standard capacity box, an independent changeover box may be provided to switch the connection destination of one end of the standard capacitor 7. FIG. 5A is a diagram showing the appearance of such a switching box 35 (here, a diagram including the calibration standard capacity box 1), and FIG. 5B is a schematic circuit diagram of the switching box 35. It is. This switching box 35 is used by being connected to a position inserted in the middle of the cable connecting the second coaxial connector 3 of the calibration standard capacity box 1 shown in FIG. 1 and the ground terminal 25 of the capacity meter 10. Switching between connecting the center electrode of the coaxial connector connected to the second coaxial connector 3 of the calibration standard capacity box 1 to the center electrode of the coaxial connector connected to the ground terminal 25 of the capacitance meter 10 or its shield part A switch 36 is provided. Even with such a method using the switching box 35, zero adjustment and gain adjustment can be performed continuously without changing the cable.
[0042]
Furthermore, a circuit corresponding to the switching circuit shown in FIG. And about the switching, an operator may operate manually, and the capacity meter 10 may be equipped with a function of automatically executing the four steps shown in FIG. 3 in series by program control or the like. .
[0043]
In addition, a circuit corresponding to the calibration standard capacity box shown in FIG. 1 and the switching circuit shown in FIG. And about the switching, an operator may operate manually, and the capacity meter 10 may be equipped with a function of automatically executing the four steps shown in FIG. 3 in series by program control or the like. .
[0044]
On the other hand, in FIG. 1B, a guard potential is applied to the shield portion of the coaxial cable connected to one of the connectors 2 and 3, and a guard potential is applied to 2b, 3b, 5b, 6b and 8. good. In this case, the case terminal 4 may be left unconnected. In FIG. 1 (b), 2b and 3b are electrically connected to 8, but 2b and 3b are insulated from 8, and a guard potential is applied to the shield portion of the coaxial cable connected to the terminals 2 and 3, thereby 2b, 3b and 5b. , 6b may be applied with a guard potential.
[0045]
In the present embodiment, the standard capacitor and the capacitor to be measured are connected between the signal input terminal 26 and the ground terminal 25 of the capacitance meter 10. A terminal connected to a predetermined potential biased by a certain potential may be used. Since the capacitance meter 10 shown in FIG. 2 measures the capacitance based on the AC signal from the AC voltage generator 11, if the potential is AC zero, the predetermined potential can be used as the reference potential. Because.
[0046]
In the present embodiment, the portion to which the guard potential is applied is exposed, such as the case 8 of the calibration standard capacity box 1. However, the entire calibration standard capacity box 1 is insulated from the case 8. It may be housed in a shielded box, or a coaxial cable or coaxial connector may have a double or triple coaxial structure, and the outermost conductive portion may be floated or grounded.
[0047]
Further, the calibration method of the capacitance meter shown in the present embodiment can be used not only for calibration of the capacitance meter but also as a method for measuring the capacitance of the capacitor to be measured. Specifically, as shown in FIG. 6, a capacitance measuring box 91 is prepared in which the standard capacitor 7 in the calibration standard capacitance box 1 shown in FIG. Then, the capacity measuring box 91 is connected to the capacity meter 10 calibrated in Steps 1 to 4 shown in FIG. 3, and the capacity is measured in the same steps as in FIG. In other words, as shown in FIG. 6, with both ends of the measured capacitor 97 connected to the signal input terminal and the guard potential, and the housing 8 connected to the guard potential (Step 5), after taking the zero point (Step 6) ) In the state where both ends of the measured capacitor 97 are connected to the signal input terminal and the ground, and the housing 8 is connected to the guard potential (Step 7), the capacitance of the measured capacitor 97 is measured (Step 8).
[0048]
In the last step (capacitance measurement; Step 8), the final measurement value may be determined by a process such as multiplying the actual measurement value by the coefficient obtained by calibration. FIG. 7 is a diagram showing an example of actual measurement values obtained by such a process. Here, as a result of performing the calibration shown in FIG. 3 using the standard capacitor 7 having a “reference value” of 0.9598 pF, 0.67355 pF was obtained as the “measurement value”. It is determined to be 1.4250. In such a calibration state, the measured capacitor 97 of 1.0261 pF was measured by the measurement method shown in FIG. 6, and as a result, a measurement value of 1.0267 pF was obtained. As described above, by applying the zero adjustment and gain adjustment according to the present invention to calibration and actual measurement in capacity measurement, accurate capacity measurement can be performed.
[0049]
Such a capacity measuring box 91 is different from the calibration standard capacity box 1 in that the capacity of the built-in capacitor is unknown or known, and has the structure shown in FIGS. The point that can be built in the capacity meter 10 is common to the standard capacity box 1 for calibration. For example, a circuit corresponding to the switching circuit shown in FIG. 5B may be incorporated in the capacitance meter 10 and used for both calibration and measurement.
[0050]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, the calibration method of the capacitance meter according to the present invention is such that one end of the standard capacitor housed in the shield box is connected to the signal input terminal of the capacitance meter, and the other end of the standard capacitor is connected to the signal Perform zero adjustment of the capacitance meter while connected to the guard voltage output terminal that generates a voltage of the same potential as the input terminal, and then connect the other end of the standard capacitor from the guard voltage output terminal to the reference voltage of the capacitance meter. After changing the connection so that it is changed to the terminal, the gain of the capacity meter is adjusted. During these adjustments, a guard voltage is applied to the shield box.
[0051]
As a result, even though one end of the standard capacitor remains connected to the signal input terminal of the capacitance meter, the standard capacitor capacity was not detected by the guard ring technique during zero adjustment, and the standard capacitor was removed. Since the capacity is measured in a state equal to the state and the zero point is taken, accurate zero adjustment can be performed with a simple operation.
[0052]
In gain adjustment, since the guard potential is applied to the shield of the coaxial cable connecting the shield box and the capacity meter, and to the casing of the shield box, the stray capacitance generated in the coaxial cable and the seal box is included. The gain is adjusted by the capacity of only the standard capacitor, and the capacity meter is calibrated with high accuracy.
[0053]
Moreover, by applying such a calibration method to the capacitance measurement of a capacitor to be measured whose capacitance is unknown, the accuracy is improved not only for calibration but also for capacitance measurement.
[0054]
In this way, according to the present invention, accurate calibration using only the capacitance of the standard capacitor in the shield box is not affected by the influence of the cable connecting the shield box and the capacity meter, or the capacitance of the shield box. In addition, it is possible to perform accurate capacitance measurement. In particular, the technical value of the present invention is extremely high as a highly accurate calibration method and capacitance measurement for a microcapacitor that measures a minute capacitance of 1 pF or less.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 (a) is an external view of a calibration standard capacity box used for calibration of a capacity meter in an embodiment of the present invention, and FIG. 1 (b) is a schematic circuit diagram of the calibration standard capacity box. is there.
FIG. 2 shows an example of a circuit diagram of a capacity meter to be calibrated.
FIG. 3 is a flowchart showing the calibration procedure.
4A is an external view of a calibration standard capacity box according to a modified example of the calibration standard capacity box shown in FIG. 1, and FIG. 4B is a schematic circuit diagram thereof.
5A is an external view of a switching box used together with the calibration standard capacity box shown in FIG. 1, and FIG. 5B is a schematic circuit diagram of the switching box.
FIG. 6 is a flowchart showing a procedure for measuring the capacitance of a capacitor to be measured.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of actual measurement values in calibration using a standard capacitor and capacitance measurement of a capacitor to be measured.
[Explanation of symbols]
1, 30 Standard capacity box for calibration
2 First coaxial connector
2a, 3a Center electrode
2b, 3b Shield part
3 Second coaxial connector
4 Case terminal
5, 6 Coaxial cable
5a, 6a core wire
5b, 6b Shield
6 Coaxial cable
7 Standard capacitor
8 Case
10 Capacity meter
11 AC voltage generator
12, 13 resistance
14, 16 operational amplifier
15 Resistance for detection
17 Capacitor to be measured
20 Signal output terminal
21 Non-inverting input terminal
22 Output terminal
25 Ground terminal
26 Signal input terminal
27a, 27b Guard potential output terminals
31, 36 selector switch
91 Capacity measurement box
97 Capacitor to be measured

Claims (17)

グランド又は所定の電位に接続された基準電圧端子と信号入力端子との間の静電容量を測定する容量計の校正方法であって、
標準コンデンサの一端を容量計の信号入力端子に接続するとともに、前記標準コンデンサの他端を、前記信号入力端子と同電位の電圧を発生するガード電圧出力端子に接続する接続ステップと、
前記接続ステップによる接続状態で、前記容量計のゼロ調整を行うゼロ調整ステップと
を含むことを特徴とする容量計の校正方法。
A capacitance meter calibration method for measuring capacitance between a reference voltage terminal connected to ground or a predetermined potential and a signal input terminal ,
A connection step of connecting one end of a standard capacitor to a signal input terminal of a capacitance meter and connecting the other end of the standard capacitor to a guard voltage output terminal that generates a voltage having the same potential as the signal input terminal;
And a zero adjustment step of performing zero adjustment of the capacitance meter in the connection state in the connection step.
前記容量計の校正方法は、さらに、
前記ゼロ調整ステップに続いて、前記標準コンデンサの他端の接続先が前記ガード電圧出力端子から前記容量計の基準電圧端子に変更されるように、接続変更をする接続変更ステップと、
前記接続変更ステップによる接続変更後の接続状態で、前記容量計のゲイン調整を行うゲイン調整ステップと
を含むことを特徴とする請求項1記載の容量計の校正方法。
The capacitance meter calibration method further includes:
Following the zero adjustment step, a connection change step for changing the connection so that the connection destination of the other end of the standard capacitor is changed from the guard voltage output terminal to the reference voltage terminal of the capacitance meter,
The method according to claim 1, further comprising: a gain adjustment step of performing gain adjustment of the capacitance meter in a connection state after the connection change by the connection change step.
前記標準コンデンサは、少なくとも2つの同軸コネクタが取り付けられたシールドボックス内に電気的に絶縁された状態で収納されるとともに、その両端がそれぞれ前記2つの同軸コネクタの中心電極に接続され、
前記2つの同軸コネクタのシールド部は、前記シールドボックスの筐体と電気的に接続され、さらに、前記シールドボックスの筐体を前記ガード電圧出力端子に接続するサブステップを含むとともに、前記標準コンデンサの一端と前記容量計の信号入力端子とは、芯線がシールド部材で覆われた同軸ケーブルで接続する
ことを特徴とする請求項1又は2記載の容量計の校正方法。
The standard capacitor is housed in a shield box to which at least two coaxial connectors are attached in an electrically insulated state, and both ends thereof are respectively connected to center electrodes of the two coaxial connectors,
The shield portions of the two coaxial connectors are electrically connected to the casing of the shield box, and further include a sub-step of connecting the casing of the shield box to the guard voltage output terminal. The calibration method for a capacitance meter according to claim 1 or 2, wherein the one end and the signal input terminal of the capacitance meter are connected by a coaxial cable whose core wire is covered with a shield member.
前記接続変更ステップでの接続変更は、前記シールドボックスに固定して取り付けられた切替スイッチを用いて行う
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の容量計の校正方法。
4. The method of calibrating a capacity meter according to claim 1, wherein the connection change in the connection change step is performed by using a changeover switch fixedly attached to the shield box.
前記接続変更ステップでの接続変更は、
前記シールドボックスと前記容量計との間に挿入される位置に接続される切替ボックスに取り付けられた切替スイッチを用いて行う
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の容量計の校正方法。
The connection change in the connection change step is:
The capacitance according to any one of claims 1 to 3, wherein the capacitance is performed using a changeover switch attached to a changeover box connected to a position inserted between the shield box and the capacitance meter. How to calibrate the meter.
前記接続変更ステップでの接続変更は、前記容量計に内蔵された切替回路によって行う
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の容量計の校正方法。
4. The method for calibrating a capacity meter according to claim 1, wherein the connection change in the connection change step is performed by a switching circuit built in the capacity meter.
容量計の校正に用いられる校正用標準容量ボックスであって、
シールドボックスと、
前記シールドボックスに取り付けられ、シールド部が前記シールドボックスと電気的に接続される2つの同軸コネクタと、
前記シールドボックスの筐体と電気的に接続するための筐体端子と、
前記シールドボックス内に電気的に絶縁された状態で収納され、前記2つの同軸コネクタの中心電極それぞれに両端が接続される標準コンデンサと
を備えることを特徴とする校正用標準容量ボックス。
A standard capacity box for calibration used for calibration of a capacity meter,
A shield box,
Two coaxial connectors attached to the shield box and having a shield portion electrically connected to the shield box;
A housing terminal for electrical connection with the housing of the shield box;
A standard capacity box for calibration, comprising: a standard capacitor housed in the shield box in an electrically insulated state and having both ends connected to respective center electrodes of the two coaxial connectors.
前記標準コンデンサの両端と前記2つの同軸コネクタの中心電極とは、前記同軸コネクタのシールド部に接続されたシールド部材で芯線が覆われた同軸ケーブルで接続されている
ことを特徴とする請求項7記載の校正用標準容量ボックス。
The both ends of the standard capacitor and the center electrode of the two coaxial connectors are connected by a coaxial cable having a core wire covered with a shield member connected to a shield portion of the coaxial connector. Standard capacity box for calibration as described.
前記校正用標準容量ボックスは、さらに、前記標準コンデンサの一端の接続先を前記同軸コネクタの中心電極から前記シールドボックスの筐体に切り替える切替スイッチを備える
ことを特徴とする請求項7又は8記載の校正用標準容量ボックス。
The said calibration standard capacity box is further provided with the changeover switch which switches the connecting point of the end of the said standard capacitor from the center electrode of the said coaxial connector to the housing | casing of the said shield box. Standard capacity box for calibration.
静電容量を測定する容量計であって、
測定対象のコンデンサを接続するための信号入力端子及び基準電圧端子と、
前記信号入力端子と同電位の電圧を発生するガード電圧出力端子と、
一端が前記信号入力端子に接続された標準コンデンサを用いて校正を実行する校正手段とを備え、
前記基準電圧端子は、前記容量計のグランド又は所定の電位に接続され、
前記校正手段は、
前記標準コンデンサの他端を前記ガード電圧出力端子に接続した後に、ゼロ調整を実行し、前記標準コンデンサの他端の接続先を前記ガード電圧出力端子から前記基準電圧端子に変更した後に、ゲイン調整を実行する
ことを特徴とする容量計。
A capacitance meter for measuring capacitance,
A signal input terminal and a reference voltage terminal for connecting a capacitor to be measured; and
A guard voltage output terminal for generating a voltage having the same potential as the signal input terminal;
Calibration means for performing calibration using a standard capacitor having one end connected to the signal input terminal,
The reference voltage terminal is connected to the capacitance meter ground or a predetermined potential,
The calibration means includes
After connecting the other end of the standard capacitor to the guard voltage output terminal, zero adjustment is performed, and after changing the connection destination of the other end of the standard capacitor from the guard voltage output terminal to the reference voltage terminal, gain adjustment is performed. The capacity meter characterized by performing.
請求項7〜9のいずれか1項に記載の校正用標準容量ボックスを備える
ことを特徴とする請求項10記載の容量計。
The capacity meter according to claim 10, comprising the calibration standard capacity box according to claim 7.
グランド又は所定の電位に接続された基準電圧端子と信号入力端子との間の静電容量を測定する容量計を用いて被測定コンデンサの静電容量を測定する方法であって、
被測定コンデンサの一端を容量計の信号入力端子に接続するとともに、前記被測定コンデンサの他端を、前記信号入力端子と同電位の電圧を発生するガード電圧出力端子に接続する接続ステップと、
前記接続ステップによる接続状態で、前記容量計のゼロ調整を行うゼロ調整ステップと
を含むことを特徴とする静電容量の測定方法。
A method of measuring the capacitance of a capacitor to be measured using a capacitance meter that measures the capacitance between a reference voltage terminal connected to ground or a predetermined potential and a signal input terminal ,
Connecting one end of the capacitor to be measured to a signal input terminal of a capacitance meter, and connecting the other end of the capacitor to be measured to a guard voltage output terminal that generates a voltage having the same potential as the signal input terminal;
And a zero adjustment step of performing zero adjustment of the capacitance meter in the connection state in the connection step.
前記静電容量の測定方法は、さらに、
前記ゼロ調整ステップに続いて、前記被測定コンデンサの他端の接続先が前記ガード電圧出力端子から前記容量計の基準電圧端子に変更されるように、接続変更をする接続変更ステップと、
前記接続変更ステップによる接続変更後の接続状態で、前記被測定コンデンサの静電容量を測定する容量測定ステップと
を含むことを特徴とする請求項12記載の静電容量の測定方法。
The method for measuring the capacitance further includes:
Following the zero adjustment step, a connection changing step for changing the connection so that the connection destination of the other end of the capacitor to be measured is changed from the guard voltage output terminal to the reference voltage terminal of the capacitance meter;
The capacitance measuring method according to claim 12, further comprising: a capacitance measuring step of measuring a capacitance of the capacitor to be measured in a connection state after the connection is changed by the connection changing step.
前記静電容量の測定方法は、さらに、
前記接続ステップに先立ち、標準コンデンサの一端を前記容量計の信号入力端子に接続するとともに、前記標準コンデンサの他端を、前記信号入力端子と同電位の電圧を発生するガード電圧出力端子に接続した状態で、前記容量計のゼロ調整を行った後に、前記標準コンデンサの他端の接続先が前記ガード電圧出力端子から前記容量計の基準電圧端子に変更されるように、接続変更をした状態で、前記容量計のゲイン調整を行う校正ステップを含む
ことを特徴とする請求項12又は13に記載の静電容量の測定方法。
The method for measuring the capacitance further includes:
Prior to the connection step, one end of a standard capacitor was connected to the signal input terminal of the capacitance meter, and the other end of the standard capacitor was connected to a guard voltage output terminal that generates a voltage having the same potential as the signal input terminal. In the state, after performing the zero adjustment of the capacitance meter, in a state where the connection is changed so that the connection destination of the other end of the standard capacitor is changed from the guard voltage output terminal to the reference voltage terminal of the capacitance meter. The method for measuring capacitance according to claim 12, further comprising a calibration step of performing gain adjustment of the capacitance meter.
被測定コンデンサの静電容量を測定するのに用いられる容量測定用ボックスであって、
シールドボックスと、
前記シールドボックスに取り付けられ、シールド部が前記シールドボックスと電気的に接続される2つの同軸コネクタと、
前記シールドボックスの筐体と電気的に接続するための筐体端子と、
前記シールドボックス内に電気的に絶縁された状態で収納され、前記2つの同軸コネクタの中心電極それぞれに両端が接続される被測定コンデンサと
を備えることを特徴とする容量測定用ボックス。
A capacitance measuring box used to measure the capacitance of a capacitor to be measured,
A shield box,
Two coaxial connectors attached to the shield box and having a shield portion electrically connected to the shield box;
A housing terminal for electrical connection with the housing of the shield box;
A capacitance measuring box comprising: a capacitor to be measured that is housed in the shield box in an electrically insulated state, and that is connected to both ends of each of the center electrodes of the two coaxial connectors.
静電容量を測定する容量計であって、
被測定コンデンサを接続するための信号入力端子及び基準電圧端子と、
前記信号入力端子と同電位の電圧を発生するガード電圧出力端子と、
一端が前記信号入力端子に接続された被測定コンデンサを用いて容量を測定する測定手段とを備え、
前記基準電圧端子は、前記容量計のグランド又は所定の電位に接続され、
前記測定手段は、
前記被測定コンデンサの他端を前記ガード電圧出力端子に接続した後に、ゼロ調整を実行し、前記標準コンデンサの他端の接続先を前記ガード電圧出力端子から前記基準電圧端子に変更した後に、前記標準コンデンサの静電容量を測定する
ことを特徴とする容量計。
A capacitance meter for measuring capacitance,
A signal input terminal and a reference voltage terminal for connecting a capacitor to be measured;
A guard voltage output terminal for generating a voltage having the same potential as the signal input terminal;
Measuring means for measuring the capacitance using a measured capacitor connected at one end to the signal input terminal;
The reference voltage terminal is connected to the capacitance meter ground or a predetermined potential,
The measuring means includes
After connecting the other end of the measured capacitor to the guard voltage output terminal, zero adjustment is performed, and after changing the connection destination of the other end of the standard capacitor from the guard voltage output terminal to the reference voltage terminal, A capacitance meter that measures the capacitance of a standard capacitor.
請求項15に記載の容量測定用ボックスを備える
ことを特徴とする請求項16記載の容量計。
The capacity measuring box according to claim 15 is provided. The capacity meter according to claim 16 characterized by things.
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