Hallo, ich würde gerne die Kapazität eines Folienkondensators (10µF) mit Hilfe von kalibrierten Messgeräten bestimmen. Diese Messgeräte sind zwei HP3458A (Multimeter) und ein HP53132A (Universal Counter). Es sind natürlich andere Messgeräte und Generatoren erlaubt, aber alle zur Bestimmung der Kapazität notwendigen Parameter möchte ich auf die kalibrierten Geräte zurückführen können. Eine Möglichkeit wäre ja nun mit einer Wechselspannung auf den Kondensator zu gehen und dabei Strom und Spannung mit den kalibrierten Multimetern zu messen. Was mir hieran nicht so richtig gefällt ist, dass man so den ohmschen Anteil natürlich mit misst. Wobei das bei 100Hz oder noch weniger irgendwann nicht mehr wirklich ins Gewicht fällt. Eine andere Möglichkeit wäre einen konstanten Strom in den Kondensator zu prägen (kann man ja mit dem 3458A messen) und dann zu zwei Zeitpunkten (exakte Zeitmessung mit 53132A) die Spannung zu messen. Man könnte ja zum Beispiel zwei Triggerpulse für das 3458A erzeugen und den Abstand dann sehr genau nachmessen. Ist allerdings deutlich mehr Aufwand als die erste Version. Habt ihr noch weitere Ideen? Das Ganze ist mehr eine Gedankenspielerei, als das es wirklich notwendig ist. Wenn es wirklich absolut stimmen muss, dann würde man den Kondensator vielleicht besser zu einem kalibrierten LCR Meter bringen. Ich finde es nur immer spannend Messung auf einfache und nachvollziehbare Dinge zurückzuführen. Viele Grüße Philipp
Philipp schrieb: > zu einem kalibrierten LCR Meter bringen Es könnte vorkommen, daß Dein neuer Elko da -50 bis + 100% Tolaranz hat. Ob da ein hochgenaues Messgerät Sinn hat? Außerdem hat ein lange unter Spannung stehender Elko mehr nutzbare Kapazität als einer den ich JETZT von 0 auf 100 auflade (weil der Reststrom sich mit der Zeit etwas verringert und damit die Selbstentladung sich verzögert). Kannst Du gerne testen mit einem simplen Miller-Integrator.
Die Toleranz spielt ja keine Rolle. Ich will es ja exakt für diesen einen MKP (nicht Elko) bei Labortemperatur wissen. Es geht auch weniger darum die Kapazität auf weniger als 1% genau zu messen. Es geht eher darum nachweisbar diese z.B. 1% zu zeigen.
Philipp schrieb: > Eine Möglichkeit wäre ja nun mit einer Wechselspannung auf den > Kondensator zu gehen und dabei Strom und Spannung mit den kalibrierten > Multimetern zu messen. du müsstest neben der Frequenz auch den Klirrfaktor der Quelle messen oder eine entsprechend zertifizierte Quelle verwenden.
Philipp schrieb: > und dann zu zwei > Zeitpunkten (exakte Zeitmessung mit 53132A) die Spannung zu messen. Wahrscheinlich ist es einfacher und genauer den Konstantstrom nur eine definierte Zeit lang wirken zu lassen, und die Kondensatorspannung vorher und nachher in Ruhe zu messen.
In älteren Kapazitätsmessgeräten hab eich schon gesehen, dass man mit einer Trapezspannung und einem Vorwiderstand an den Kondensator rangeht. Daher ist die Idee mit der Konstantstromquelle sicher eine Überlegung wert. Man muss halt schauen, dass die Integrationszeiten der DMM keine Rolle mehr spielen, was zu einem kleinen Strom führt. Damit kommt der Innenwiderstand der DMM ins Spiel. Da musst du ein bisschen rechnen.
Die ganze Idee ist Muell. Denn die Kapazitaet eines (Nicht-Vakuum-) Kondensers ist spannungsabhaengig. Bei keramischen ist das eher ausgepraegt, weil man da an die physikalischen Limiten geht. Kapazitaet beruht auf der Polarisierbarkeit eines Materials. Bedeutet Elektronen werden aus der Ruhelage verschoben. Dieser Prozess ist nach oben begrenzt, denn man will das Material ja nicht ionisieren. Dh dieser Prozess ist nichtlinear. Falls amn also eine absolut genaue Kapazitaet angeben will, kann man das zb bei Null Volt machen. Und bei Nennspannung. Und falls das Material eine Temperaturabhaengigkeit aufweist, kommt die dann noch hinzu.
HIer ist ein rückführbarer Weg mit Generator, Counter und DMM gezeigt, incl. Fehlerrechnung http://www.researchgate.net/publication/245222375_A_low_cost_capacitive_bridge_based_on_voltage_drop_balance Ansatz: Mit dem 3458 einen Widerstand messen, C und R in Reihe und mit Sinus anregen. Frequenz f der Anregung so einstellen, das C und R vertauscht werden können bei gleichbleibender (RMS) Teilerspannung. Aus R und f wird dann C berechnet. Passt genau zu Deinen Anforderungen :) Leider bist Du nicht angemeldet.....
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@Jetzt Nicht: Falls du auf Messunsicherheiten im ppm-Bereich schielst, hast du recht. Falls du das verallgemeinerst, stellst du die Existenz und Funktionsfähigkeit von Kondensatoren grundsätzlich in Frage - und ich habe schon Kondensatoren gesehen, die bei Spannungen ungleich 0 V betrieben wurden. Und vergiss bei Vakuumkondensatoren die Paschen-Kurve nicht, eine arge Begrenzung, mit so kleinen Spannungen arbeiten zu müssen. Vielleicht doch besser SF6 einfüllen?
Ich stelle nicht die Funktionfaehigkeit von Kondensatoren in Frage, man muss aber damit leben koennen. Und ja es geht in den ppm Bereich, sonst muesste man ja nicht mit kalibierten Messgeraeten messen wollen. Ich bin eigentlich mit Prozent zufrieden. und kann mit -40% fuer einen Keramik leben Die meisten Kondensator Serie werden nur in E6-er Reihe angeboten. Nun weiss man weshalb.
Kollege, man kann auch 10 % mit kalibrierten Geräten messen. Und Kondensatoren mit Toleranzen von 1 % kaufen.
Bei einem idealen Kondensator könnte man so etwas wie die Entladekurve (RC Glied) messen. Das 3458 Multimeter ist sehr hochohmig und schnell. Mit einer guten AC Quelle könnte man auch Spannung und Strom messen - wie rum ist dabei eigentich egal, wenn man den Shunt / Eingangswiderstand berücksichtigt. Bei niedriger Frequenz könnte man das DMM auch als Digitizer nutzen und so die Kurvenform abtasten und auch die Phase berücksichtigen. Vermulitch bräuchte man selbst den Zähler nicht, denn auch die Zeitskala im DMM ist nicht so schlecht. Für das gute Gewissen und pro Forma die Rückführbarkeit kann der Zähler auch noch die Zeitbasis im DMM kontrollieren - auch wenn es da eher um einige 10 ppm geht - im Ergebins also eher zu ingnorieren. Je nach Qualität des Kondensator hat man auch bei Folientypen so im Bereich 0,01% bis 0,5% abweichungen vom Idealen Kondensator, etwa durch Leckströme oder Dielektrische Absorbtion. Die Kapazität wird dann von der Zeit / Frequenz abhängig und auch die Spannung hat ggf. einen Einfluss. Da muss man dann vor allem festlegen welchen Kapazität man genau messen will.
@Henrik: Vielen Dank, dass sieht wirklich interessant aus. Ich glaube es ist völlig unnötig für so Leute wie "Jetzt nicht" noch einmal zu schreiben (oben steht es ja auch schon), dass es nicht um Kapazitätsmessungen im ppm Bereich geht. Warum werden die Threads eigentlich nie gelesen bevor rumgepupst wird???!?! @ths: DANKE :) Es geht um eine rückführbare Messung zu der man eine schöne Fehlerrechnung machen kann. Und das kann ich nur machen, wenn ich auch kalibrierte Messinstrumente verwende. Ansonsten kann ich die im Datenblatt des Messgeräts angegeben Toleranzen nicht verwenden. Wenn dabei dann rauskommt, dass man nicht sicherer als 10% auf die Kapazität schließen kann, dann ist das eben so und man muss es in der Anwendung für den C berücksichtigen. @Lurchi: Es sollen auf jeden Fall alle relevanten Parameter zurückgeführt werden. "nicht so schlecht" reicht nicht. Ein nicht kalibriertes LCR Meter ist vorhanden. Es geht wirklich um eine saubere rückführbare Messung.
Philipp schrieb: > das kann ich nur machen, wenn ich auch > kalibrierte Messinstrumente verwende. Und diese Meßgeräte sind wirklich z.B. beim DAkkS kalibriert worden? Ansonsten kannst Du nicht von Rückführbarkeit sprechen. Es ist sicher- lich möglich, mit Deinen Meßgeräten eine Meßgenauigkeit von besser 1% zu erreichen. Was Du da missst, ist aber ein Augenblickswert. Wenn Du z.B. morgen die Messung wiederholst, wirst Du vermutlich ein anderes Ergebnis erzielen. Das liegt ganz einfach daran, das Dein Meßobjekt keinen konstanten Kapazitätswert hat.
@Harald: Ja, es gibt einen Kalibrierschein und dort ist auch der Kalibrierschein des Kalibrators referenziert usw. Die von Dir angesprochenen Schwankungen zu sehen wäre sehr interessant. Diese sollte man ja dann im Rahmen der Messtoleranzen beobachten können. Am Ende würde ich gerne sagen können wie groß die Kapazität ist und wie groß die zu erwartende Schwankung ist.
Die einfachste Methode dürfte das Ausmessen eines RC Gliedes sein. Also etwa 100 K als Widerstand dazu. Den Widerstand kann man mit dem DMM nachmessen - der muss also keine besonderen Eigenschaften haben, nur einigermaßen stabil für die Messung und linear bei z.B. 9 V als Ausgangsspannung. Bei 10 µF und rund 1 Sekunde Zeitkonstante hat man reichlich Zeit für Messungen. Der Rest ist dann was für den PC (notfalls auch Taschenrechner) um daraus die Kapazität, ggf. als Funktion der Spannung zu berechnen. Von der Auflösung (und ggf. auch der Genauigkeit) kann man damit vermutch sogar Unterschiede feststellen wie lange der Kondensator zuvor geladen wurde. Als referenz dient dann die Wiederstandsmessung des DMM (sofern die mit Kalibriert wurde) und die Zeitbasis, die man per Zähler nachmessen kann. Je nach Art der Kalibrieung des DMM könnte auch die da mit eingeschlossen sein, wenn auch ggf. nur mit +-50 ppm oder so.
@Lurchi: wenn man ohnehin schnell samplen muss, wäre die Messung mit einem Konstantstrom nicht besser? Dort bekommt man für zwei beliebige Messpunkte die Kapazität.
Das 3458 kann im 10V Bereich bei >10GOhm Eingangswiderstand mit bis zu 50kHz im 'Directsamplemode' Werte aufnehmen, die weit unter Deiner benötigten Messungenauigkeit liegen. Dann noch ein guter <10k Widerstand (tempco wg Eigenerwärmung) und Du kannst u(t) beim Entladen messen. Wozu noch Konstantstrom? Eigentlich reichen zwei Messpunkte, aber wenn man schon ein paar mehr hat, macht man einen Fit und hat mit dem RMSE gleich einen Indikator für die Güte der Messung. Die Rückführung der 3458 internen Clock (die leider nicht rausgeführt wird) ist dann ein Thema für die Rosinenpicker ;) Was auch immer einen Test Wert ist: Die Schutzdioden des 3458 Eingangs können mal einen Schlag weg haben. Dann sinkt der Ri. Test mit 9V Block (oder 10V Quelle) und dann mal 10MOhm dazwischen. Reicht zum Abschätzen des Ri. Aber beide Polaritäten (+-10V) testen ;) Da diese Prüfung nicht Bestandteil einer Kalibrierung/Wartung ist, wird dieser Fehlerfall gerne übersehen, da die üblichen Kalibrierquellen sehr niederohmig sind. (Wenn man nicht gerade ein Weston-Element nimmt).
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Ich dachte nur an Konstantstrom, weil es für mich am Ende ja egal ist, ob ich meinem DC-Standard sage ob ich einen konstanten Strom oder eine Konstante Spannung haben will. Aber man kann natürlich mit konstanter Spannung und dem R auch aus jedem beliebigen Paar von Messwerten die Kapazität ausrechnen. Um eine präsize Zeitbasis zu haben dachte ich weiterhin an den Triggereingang des Multimeters. Vielen Dank für die rege Beteiligung ! PS: Den Eingangs-R meiner (und der in der Firma) Multimeter schätze ich gerne mit einer konstanen Spannung und 100G in Reihe ab. Da fiel mir auch schon öfter mal auf, dass selbst mit noch hochomigen Eingang die Polarität einen großen Einfluss hat.
Nachtrag: 100G weil das "größer" als 10G sehr wörtlich zu nehmen ist bei den DMMs
Wenn es sehr genau werden soll, muss man ggf. auch noch die Eingangskapazität berücksichtigen. Da könnten auch noch grob 100 pF zusammenkommen. Konstantstrom würde auch gehen, aber eine Konstantstromquelle ist deutlich aufwändiger als ein Widerstand.
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Als "Quelle" wird ein DC Standard dienen. Der kann sowohl Strom als auch Spannung. Vom Aufwand ist es daher nur einfach ein anderer Knopf. Ein einfaches Netzteil scheidet imho als Spannungsquelle eh aus. Von daher muss man eh irgendwas stabiles haben (ok, eine Spannungsquelle mit ner Referenz ist natürlich schon schneller aufgebaut als ne Stromquelle). Was ich noch nicht erwähnt hatte ist, dass ich als Kondensator einen 300V Typen von Vishay gewählt habe. Damals eher mit dem Hintergrund des geringeren Leckstroms, aber hier sollten die Argumente die "Jetzt nicht" gebracht hat auch positiv berücksichtig sein. Der Kondensator wird in der Anwendung auf nicht mehr als 5V geladen. Ich habe das Ganze jetzt gerade mal Zuhause getestet. Da ich kein HP3458A habe, habe ich es mit meinem 3456A gemacht. Die Messung mit dem Zähler am VMC Ausgang des DMM habe ich mir auch gespart. Momentan messe ich die Zeit einfach in LabView (ja ich weiß nicht schön, aber es steht auf 1ms bei ca. 409. Es ist ja auch nur erstmal ein Proof-of-Concept.) Ich habe das DMM auf 10 NPLC stehen, fest auf die 10V Range und messe mit 10µA. Damit sollte die Integrationszeit ausreichend kurz gegen die Messzeit sein. Wobei die Integrationszeit ohnehin keine Rolle spielen sollte, solange sie konstant ist (und dass kann man am VMC ja nachmessen). Der Aufbau sieht momentan einfach so aus, dass ich über mein 3488A den Kondensator bis zur Messung mit 10k kurzschließe. Dabei stellen sich dann ja 10mV am C ein, was klein genug sein sollte für den Messbeginn. Ich wollte den C nicht direkt kurzschließen um bei voll geladenem Folien-C mein Relais nicht zu sehr leiden zu lassen. Zu beginn der Messung wird das Relais geöffnet und das 3456A beginnt zu messen bis die Spannung am C 11V überschreitet. Dann wird wieder entladen und alles geplottet (siehe Anhang). Leider habe ich keinen von diesen Keramikkondensatoren hier, die bei extrem kleiner Bauform sehr hohe Kapazitäten aufweisen. Da wäre eine Messung mal sehr interessant. Viele Grüße Philipp
PS: Der Kurzschlusswiderstand hat natürlich nur 1k.
Bei der Messung beim Entladen über einen Widerstand muss die Spannungsquelle nicht stabil sein. Das reicht auch so etwas wie ein 9 V Block oder halt igrendwas das 5-10 V liefert um im 10 V Bereich gut messen zu können. Auch das Multimeter muss im Spannungsbereich nicht kalibriert sein - nur linear sollte es sein.
Klar, Du hast recht :). Ich war die Ganze Zeit beim Aufladen. Aber eine 0V Spannungsquelle durch das einfache Kurzschließen über den R bekommt man natürlich sehr leicht hin ;). Damit ist Deine Version dann doch irgendwie schicker, weil man sich keine Sorgen darum machen muss, ob die Stromquelle wirklich die ganze Zeit konstant bleibt bei steigender Spannung. Der R wird sich bei derart niederfrequenten Signalen (10V in 10s) ja weiterhin genauso Verhalten wie vorher vermessen. Irgendwie scheine ich in meinem Aufbau hier einen Offset von ca. 1µF zu haben. Wenn ich gar keinen Kondensator anschließe komme ich bei 0,5µA auf ca. 1µF. Wenn ich nun einen 1µF Kondensator anschließe komme ich auf rund 2µF. Eine Messung des 10µF Folienkondensators an meiner uralt LCR Brücke (HP 4260A) ergibt auch ca. 1µF weniger als meine Messung. Das überrascht mich schon ein wenig...
So noch mal die Handbücher durchgesehen und gefunden, dass der DC Kalibrator 1µF am Ausgang hat, auch im Strombetrieb :(. Das erklärt den Offset dann natürlich..
Auch, wenn es hier zum Monolog wird: Nun ist es doch Lurchis Ansatz geworden. Ich schalte nun über einen Vorwiderstand (wieder aus Mitleid zum Relais) eine Spannungsquelle an den Kondensator. Der Kondensator ist parallel zum Messgerät und parallel zum Entladewiderstand. Sobald ich die Spannungsquelle wegschalte kann ich die Messung beginnen. Der Aufbau hat noch den Charme, dass ohne eine weitere Änderung im Aufbau der Entladewiderstand gemessen werden kann. Es muss nur gewartet werden, bis der Messwert stabil ist (weil die Stromquelle aus dem DMM natürlich die 10µF laden muss). Da der Entladewiderstand für einige Sekunden Entladung ohnehin relativ groß (einige 100k) sein muss ist eine 2W Messung hier ausreichend. So kann man den Aufbau mal ne ganze Nacht messen lassen und vor jeder neuen Messung den R neu bestimmen. Damit muss dieser nur über die paar Sekunden der Messung stabil sein.
Die Auflösung dürfte bereits ausreichen und den Effekt der dielektrischen Absorbtion zu sehen: Die gemessene Kapazität sollte etwas größer (z.B. 100 ppm) sein, wenn man den Kondensator vor der Messung länger (z.B. 10 Zeitkonstanten) geladen hat, als wenn man den Kondensator nur kurz geladen hat.
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Ja, man sieht es tatsächlich. Daraus lässt sich dann ja schon eine sinnvolle "Ungenauigkeit" ableiten. Ich hätte nicht gedacht, dass der Effekt bei Folie schon so groß ist (hab mich damit allerdings auch noch nie auseinandergesetzt). Das ist für Dualslope-Wandler dann ja gar nicht so uninteressant. Das Bild im Anhang ist entstanden als ich den Kondensator zunächst 30s an 12V gelassen habe und ihn dann entladen habe. Dann habe ich für ein paar Messungen die Verweilzeit auf 100ms reduziert und man sieht deutlich wie die Kapazität zurückgeht. Zur Verifikation habe ich dann beide Zeiten noch einmal wiederholt.
Philipp schrieb: > direkt kurzschließen um bei voll geladenem > Folien-C mein Relais nicht zu sehr leiden zu lassen. Zu beginn der > Messung wird das Relais geöffnet und das 3456A beginnt zu messen bis die > Spannung am C 11V überschreitet Da habe ich eine Frage. Du öffnest erst das Relais. Wartest dann etwas und dann beginnst Du die Messung. Oder öffnest Du das Relais und beginnst gleichzeitig die Messung. Eigentlich ergeben beide Varianten einen Fehler bei der Kapazitätsmessung: Im ersten Fall durch die bereits einsetzende dielektrische Absorption, im zweiten Fall durch das Nachprellen des Relais. Diese Fehler könnte man durch einen FET statt dem Relais reduzieren, der schaltet sehr schnell. Entsprechend kann man die Zeitdauer der einsetzenden dielektrischen Absorbtion deutlich verringern (und diesen Fehler dadurch um Faktor 10^5 verringern).
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Frank schrieb: > Philipp schrieb: >> direkt kurzschließen um bei voll geladenem >> Folien-C mein Relais nicht zu sehr leiden zu lassen. Zu beginn der >> Messung wird das Relais geöffnet und das 3456A beginnt zu messen bis die >> Spannung am C 11V überschreitet > Da habe ich eine Frage. Du öffnest erst das Relais. Wartest dann etwas > und dann beginnst Du die Messung. Oder öffnest Du das Relais und > beginnst gleichzeitig die Messung. Eigentlich ergeben beide Varianten > einen Fehler bei der Kapazitätsmessung: Der Teil den du hier zitierst hast stammt noch aus der Kapazitätsmessung mit Ladung über einen konstanten Strom. Dabei habe ich zu Beginn der Messung das Relais GESCHLOSSEN und dann 100ms abgewartet, damit sich alles beruhigt hat. Jetzt lade ich den C auf 12V auf und ÖFFNE dann das Relais. Auch hier warte ich 100ms ab (war eh noch im Code). (neuer Screenshot siehe Anhang). Spielt der FET denn so eine große Rolle? Je nach Einstellungen Verweile ich ja nun auch nur 100ms auf den 12V und dann beginne ich zu entladen. Durch den Entladewiderstand von 470k läuft eine Messung ja fast 20s. Damit "sieht" der Kondensator doch während der Messung ohnehin eine lange Zeit relativ hohe Spannungen?
Bei einer realtiv langen Zeitkonstante im sekundenbereich spielen die vielleicht 1-10 ms in denen das Relais prellt keine nennenswerte rolle. Es kommt ja nicht auf die Zeit an wann das Relais schaltet, sondern es wird wärend des exponentiellen Abfalls gemessen. Durch die langsame Messung sieht der Kondensator schon vorher ein hohe Spannung. Vor allem im späteren Teil (z.B. 1-2 V bei Start von 10 V) der Messung kommt dadruch sätzliche Ladung aus der dielektrischen Absorbtion. Die Kapazität sollte also zu groß erscheinen. Für den Anfang der Messung hängt es halt davon ab wie lange vorher die Spannung anlag. Das Problem wird auch nicht prinzipiell anders wenn man einen kleineren Widerstand und entsprechend schnellere Messung wählt. Dielektrische Absorbtion gibt es auch ganz verschiedenen Zeitskalen. Der Effekt is auch bei dual slope Wandlern ein Problem und begrenzt die Linearität / Stabilität. Für 3,5 Stellen geht es gerade so noch mit MKS, für 4,5 Stellen sollte es schon mindestens MKP sein, eher noch besser.
Mein C hier ist auch ein MKP. Das ist ja echt spannend. Wie schaffen die ganzen alten Multimeter mit den Multislope-Wandlern dann überhaupt die Linearität?
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