www.mikrocontroller.net

Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Messen kleinster C-Änderungen


Autor: Style C. (styletaker)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo Zusammen,

ich hoffe einer von Euch kann mir bei meiner beruflichen Herausforderung 
helfen. Ich steht gerade vor dem Problem das ich sehr kleine 
Kapazitätsänderungen messtechnisch erfassen muss. Die Ausgangskapazität 
ist bis dato noch nicht genau definiert, sollte aber im nF Bereich 
liegen.

Der Wunsch ist es die Kapazität mit einer Auflösung von 0,001% zu 
messen.
Vielleicht kennt einer von Euch ein kommerziell erhältliches Messgerät 
das so hoch auflösen kann und bezahlbar ist bzw. hat eine Idee wie man 
sowas realisieren könnte.
Leider bin ich als nicht E-Technik nicht so bewandert mit der Materie 
...

Beste Grüße

S.

Autor: MaWin (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Die Auflösung ist machbar, nicht mal das Beste was es gäbe
http://www.micro-epsilon.de/products/displacement-...
die Genauigkeit ist allerdings geringer.

Autor: holger (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
>Leider bin ich als nicht E-Technik nicht so bewandert mit der Materie

Dann lass die Flossen davon. Wird sowieso nix.

>Die Ausgangskapazität ist bis dato noch nicht genau definiert
>sollte aber im nF Bereich liegen.

Dann definiere erstmal

>Der Wunsch ist es die Kapazität mit einer Auflösung von 0,001% zu
>messen.

Schwingkreis bauen und Frequenzzähler dran.

Autor: Klaus Skibowski (skibby)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Wenn selberbauen kein Hindernis ist, schau Dir mal den
Chip AD7746 von Analog Devices an. Den kann man über I2C ansteuern.

Gruß, Klaus

Autor: Style C. (styletaker)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Selberbauen ist zwar möglich, aber nicht unbedingt angestrebt.
Ich würde ein bestehendes Messgerät bevorzugen.

Vielen Dank für die konstruktiven Vorschläge !

Autor: Wolfgang M. (womai)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Also wenn ich richtig verstanden habe, geht es bloss um die Aufloesung 
von 0.001%, nicht um absolute Genauigkeit, richtig? Das ist schon 
machbar.

Eine gute Variante waere z.B., die zu ueberwachende Kapazitaet als Teil 
eines Schwingkreises einzubauen - also sie mit einer Induktivitaet in 
Serie oder parallel zu schalten. Dann aktive Rueckkoplung dazu, und 
fertig ist der Oszillator. Jetzt kannst Du einfach die Frequenz des 
Oszillators messen, z.B. einfach Anzahl der Zyklen ueber z.B. 1 Sekunde 
Messdauer zaehlen. Damit ist es jetzt ein rein digitales Messproblem. 
Fuer 0.001% Aufloesung brauchst Du zimindest 100000 Zyklen; wenn Du den 
Oszillator auf ca. 1 MHz auslegst, also kein Problem in einer Sekunde 
Messzeit.

Der Teufel liegt natuerlich im Detail - Temperaturaenderungen koennen 
die Messung driften lassen. Der uC sollte auf jeden Fall den Takt von 
einem hochklassigen Schwingquarz mit sehr geringer Temperaturkonstante 
bekommen (fuer maximale Temperaturstabilitaet eventuell 
ofenstabilisiert). Die Induktivitaet sollte auch moeglichst wenig 
Temperaturabhaengigkeit haben, also eine Luftspule ist besser als ein 
Ferritkern. Ausserdem musst Du den Schwingkreis sehr gut schirmen, sonst 
aendert sich der Messwert schon, wenn Du Dich dem Geraet naeherst.

Autor: Frank (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Schau dir mal die PicoCap-IC von Acam (www.acam.de) an.
Die Kapaztitätsmessung wird auf die Messung der Entladezeit des 
Kondensators rückgeführt, so dass Auflösungen kleiner 1pF möglich sind.

Autor: Ulrich (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Das gesuchte Gerät nennt sich Kapazitätsmessbrücke. Die gibt es für 
relativ teures Geld fertig zu kaufen.

Wenn es nur um die entsprechende Auflösung geht, sollte auch die Lösung 
uber den Oszillator gehen. Den Oszillator entsprechend stabil zu kriegen 
ist aber nicht trivial. Ein sehr gute Spannungsstabilisierung ist da das 
mindeste. Für die Frequenzmessung kann man da auch auf einen fertigen 
Frequenzmesser zurückgreifen, die sind nicht mehr teuer.

Autor: Gast XIV (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
>Der Wunsch ist es die Kapazität mit einer Auflösung von 0,001% zu
>messen.

Klingt sehr ambitionert. Ist dir bewusst das bei einer Auflösung von 10 
ppm schon kleinste Temperatur-, Feuchte-, Reibungs- Störfeld-  und was 
die Physik noch so an tollen Natureffekten herausgefunden hat  das 
Ergebnis unbrauchbar machen?

Deine Apparatur muß bei allen um ca 1 Größenordnung besser sein was 
Messgeräte im 1ppm Bereich (z.B. ein 6 1/2 stelliges DMM).

Ohne Angabe was da gemessen werden soll macht es wenig Sinn da 
weiterzudenken.

Autor: Style C. (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Es soll ein Kapazitiver Sensor erfasst werden, dessen C0 sich einstellen 
lässt.
Mir ist klar das das ein sportliches Ziel ist....

Autor: Gebhard Raich (geb)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hmmm... Mit vernünftigem Aufwand kaum machbar, wie Gast XIV schon 
schrieb,ist eine Auflösung von mindestens 100.000 digits nötig d.h. 
mindestens 17 stabile Bits.Schwingkreis ist ein guter Ansatz, jedoch 
könnten geringste Temp. Änderungen bzw. Alterung schon ein 
Spielverderber sein.
Das ganze wäre wohl ein mehrjähriges Forschungsprojekt.

Grüße gebhard

Autor: Nö (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Vergiss es: 0,001% Änderung an einem kap. Sensor auswerten ?
Das klappt nie !

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Style C. schrieb:
> Es soll ein Kapazitiver Sensor erfasst werden, dessen C0 sich einstellen
> lässt.
> Mir ist klar das das ein sportliches Ziel ist....



Wir bauen den Sensor in einen LC-Schwingkreis ein und messen die 
Änderung der Frequenz....

Autor: Karlen (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Andrew Taylor schrieb:
> Wir bauen den Sensor in einen LC-Schwingkreis ein und messen die
> Änderung der Frequenz...

...und den Schwingkreis bauen wir in ein luftleeres, abgeschirmtes 
Gehäuse mit einer Tonne Gewicht ein ... natürlich bei konstanter 
Umgebungstemperatur ... (ansonsten sehe ich für eine stabile Messung mit 
der gewünschten Auflösung schwarz)

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Nun, die Auflösung von 10e -5  kriegt man leicht hin.

Reprozierbarbeit und Genauigkeit wäre dagegen schwieriger .-)

Autor: Klaus (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Also ich betrachte C-Änderungen immer mit dem Programm diff

Autor: Johnny B. (johnnyb)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Guck mal ob z.B. Agilent ein geeignetes Kapazitätsmessgerät anbietet. 
Das könntest Du dann einfach von Deiner Anwendung her ansteuern bzw. 
auslesen.

Autor: Gast XIV (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Style C. schrieb:
> Es soll ein Kapazitiver Sensor erfasst werden, dessen C0 sich einstellen
> lässt.
> Mir ist klar das das ein sportliches Ziel ist....

Sport ist Mord ;-).

Das wird selbst unter Laborbedingungen schwierig. In freier Wildbahn 
sollte man vielleicht die Sportart (bzw. das Verfahren) wechseln.

Autor: Karlen (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Style C. schrieb:
> Die Ausgangskapazität
> ist bis dato noch nicht genau definiert, sollte aber im nF Bereich
> liegen.
>
> Der Wunsch ist es die Kapazität mit einer Auflösung von 0,001% zu
> messen.

Nehmen wir mal es geht um 10nF, umgerechnet wäre das eine Auflösung von 
0,1 pF (falls ich mich nicht verrechnet habe). Da darf kein 
Anschlussdraht mehr wackeln, die Temperatur sich nicht mehr ändern usw. 
Wozu braucht man so was ?

Autor: Reinhard Kern (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo,

ein Agilent 4288A ist angegeben "Messbereich 0.00001 pF - 20 µF" und 
Genauigkeit 0.07 %. Agilent 4981A sogar ab 1 aF bei gleicher 
Genauigkeit.

Wer etwas besseres braucht, muss wohl ein eigenes physikalisches 
Institut gründen und 10 bis 20 Jahre Entwicklungszeit investieren. Aber 
bei allem Aufwand wird man für reine Messtechnik nicht so leicht einen 
Nobelpreis bekommen, obwohl die Arbeit das wert wäre.

Gruss Reinhard

Autor: Kai Klaas (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo Style,

>Der Wunsch ist es die Kapazität mit einer Auflösung von 0,001% zu
>messen.

Das ist eigentlich kein Problem. Einfache Metallsuchgeräte arbeiten so, 
nur, daß sie nicht Änderungen der Kapazität "aufspüren", sondern die 
Änderungen der Induktivität einer Suchspule. Hälst du die aber konstant, 
kannst du natürlich auch Kapazitätsänderungen mit einer solchen 
Schaltung messen.

Dazu bildest du, wie schon einige meiner Vorredner geschrieben haben, 
mit der besagten Kapazität und einer stabilen Induktivität einen 
LC-Oszillator, der bei rund 100kHz schwingt. Gleichzeitig erzeugst du 
einen Quarztakt, der genau 8 mal größer ist als die 100kHz. Jetzt gibst 
du die 800kHz auf den D-Eingang eines CD4013 D-FlipFlops und den Takt 
des LC-Oszillators auf den Takteingang dieses FlipFlops. Die Schaltung 
arbeitet dann wie ein Mischer: Ändert sich die Frequenz des 
LC-Oszillators um 0,001%, also um 1Hz, dann ändert sich die Frequenz am 
Ausgang des D-FlipFlops um 8Hz. Und das ist doch gut meßtechnisch 
erfaßbar.

In der ELRAD SPECIAL 1981 ist eine Schaltung auf Seite 50, die du 
eventuell direkt verwenden kannst. Deine Kapazität könntest du direkt 
statt C2 in der Schaltung dort einsetzen, falls sie rund 1nF beträgt und 
sich mit der Arbeitspunktseinstellung dort verträgt.

Aber sei gewarnt, die Temperatur der Schaltung, sowie alle beteiligten 
Streuinduktivitäten und Streukapazitäten dürfen sich nicht im geringsten 
ändern, sonst "jault" dir die Frequenz andauernd davon. Also, gut 
abschirmen und die Temperatur konstant halten.

Kai Klaas

Autor: Kevin K. (nemon) Benutzerseite
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Ein Kommilitone hier hat letztens eine Schaltung für eine Studienarbeit 
aufgebaut, die Kapazitätsdifferenzen messen konnte. Eine Differenz von 
10fF bewirkte einen Spannungshub von ca. 20V am Ausgang, wenn ich mich 
recht entsinne. Undzwar reproduzierbar und gut linear. Die Schaltung 
wurde als Wegmesseinrichtung für Mikrolinearmotoren gebraucht. Mal 
schauen, ob ich das Paper wiederfinde. Für den Aufbau brauchst du einen 
2Kanal-Frequenzgenerator und noch eine Hand voll guter 
Halbleiterbauteile, alleine die OPAMPs müssen auf extrem niedriges 
Rauschen ausgelegt sein.

Autor: Ulrich (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Das messen kleiner Kapazitätsanderungen ist nicht so ungewöhnlich bei 
Kapazitiven Längenmessungen , z.B. in Dilatometern. Entsprechend gibt es 
ja auch kommerzielle Meßbrücken dafür.

Wie gut die Messung geht, hängt auch entscheidend davon ab wo zwischen 
die Kapazität liegt. relativ einfach geht das wenn man 
"Koppelkapazitäten" hat, also nicht Leitung gehen Massen, sondern 
zwischen zwei sonst freinen anschlüssen.

Autor: Ausrufer (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hameg 8018 macht als kleinsten Teil 0,1pF.
Grundgenauigkeit ist 0,5% v.M. +-3D+1pF

Antwort schreiben

Die Angabe einer E-Mail-Adresse ist freiwillig. Wenn Sie automatisch per E-Mail über Antworten auf Ihren Beitrag informiert werden möchten, melden Sie sich bitte an.

Wichtige Regeln - erst lesen, dann posten!

  • Groß- und Kleinschreibung verwenden
  • Längeren Sourcecode nicht im Text einfügen, sondern als Dateianhang

Formatierung (mehr Informationen...)

  • [c]C-Code[/c]
  • [avrasm]AVR-Assembler-Code[/avrasm]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] - Link zu Artikel
  • Verweis auf anderen Beitrag einfügen: Rechtsklick auf Beitragstitel,
    "Adresse kopieren", und in den Text einfügen




Bild automatisch verkleinern, falls nötig
Bitte das JPG-Format nur für Fotos und Scans verwenden!
Zeichnungen und Screenshots im PNG- oder
GIF-Format hochladen. Siehe Bildformate.
Hinweis: der ursprüngliche Beitrag ist mehr als 6 Monate alt.
Bitte hier nur auf die ursprüngliche Frage antworten,
für neue Fragen einen neuen Beitrag erstellen.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.