Kapazitätsmessung mit Rückführbarkeit auf kalibrierte Messgeräte

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.

@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?

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.

@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.

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.

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.

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).

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?