JP2010054229A - Capacitance measuring apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、コンデンサの静電容量を測定する静電容量測定装置に関するものである。 The present invention relates to a capacitance measuring device that measures the capacitance of a capacitor.
この種の静電容量測定装置として、下記特許文献1に開示されている容量測定システムが知られている。この静電容量測定装置は、コンデンサ(キャパシタ)が接続される入力端子、入力端子に接続されるプログラム可能な定電流源、入力端子に接続されたコンデンサと並列に接続される放電スイッチ、入力端子に接続された比較器、入力端子に発生する電圧を検出するアナログ−デジタルコンバータ、これら各デバイスに結合されたマイクロプロセッサ、メモリおよび表示装置を備えている。
As this type of capacitance measuring device, a capacitance measuring system disclosed in
この静電容量測定装置は、静電容量の測定に際して、(a)コンデンサを少なくとも部分的に放電して、コンデンサにかかる電圧を測定し、初期電圧を得るステップと、(b)定電流値および時間間隔を選択して、予め定められた値を有する電荷パケットを与えるステップと、(c)電荷パケットをコンデンサに運び、これによって全蓄積電荷に比例する電圧を生成するステップと、(d)コンデンサの電圧を予め定められた最小電圧と比較して、コンデンサの電圧が予め定められた最小電圧を超えるか否かを判定するステップと、(e)予め定められた最小電圧がコンデンサの電圧を超えれば、ステップ(b),(c)および(d)を繰返して、コンデンサにおける全蓄積電荷および対応する最終電圧を与えるステップとを備え、ここに異なる定電流値および異なる時間間隔が選択されて異なる所定値を有する電荷パケットを与えることができ、(f)初期電圧を最終電圧から減算して差動電圧を得て、コンデンサ上の全蓄積電荷を差動電圧によって除算することによって静電容量を計算するステップとを実行する。
ところが、上記の静電容量測定装置には、以下の解決すべき課題がある。すなわち、コンデンサの初期電圧および最終電圧のうちの少なくとも1つの電圧値の測定の際にコンデンサの両端間にノイズが発生したときには、測定された電圧値はこのノイズの影響を受け、ひいてはこの電圧値を用いて算出される静電容量についてもノイズの影響が避けられない。しかしながら、この静電容量測定装置には、静電容量をコンデンサの初期電圧および最終電圧の2つの電圧値を用いて計算する構成のため、静電容量に与えるノイズの影響が大きく、ノイズに起因した静電容量の測定精度の低下が大きいという課題が存在している。 However, the capacitance measuring device has the following problems to be solved. That is, when noise occurs between both ends of the capacitor when measuring the voltage value of at least one of the initial voltage and the final voltage of the capacitor, the measured voltage value is affected by this noise, and thus this voltage value. The influence of noise is unavoidable for the capacitance calculated by using. However, since this capacitance measuring device is configured to calculate the capacitance using two voltage values of the initial voltage and the final voltage of the capacitor, the influence of the noise on the capacitance is large and is caused by the noise. There is a problem that the measurement accuracy of the measured capacitance is greatly reduced.
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、ノイズに起因した静電容量の測定精度の低下を軽減し得る静電容量測定装置を提供することを主目的とする。 This invention is made | formed in view of this subject, and it aims at providing the electrostatic capacitance measuring apparatus which can reduce the fall of the measurement precision of the electrostatic capacitance resulting from noise.
上記目的を達成すべく請求項1記載の静電容量測定装置は、コンデンサに定電流を供給して当該コンデンサを充電する電流供給部と、充電状態の前記コンデンサの両端間電圧を測定する電圧測定部と、当該電圧測定部によって測定された両端間電圧に基づいて当該両端間電圧の変化量を複数期間分算出し、当該期間毎の当該両端間電圧の変化量および当該期間毎の前記コンデンサへの充電量に基づいて当該期間毎の当該コンデンサの静電容量を算出すると共に、当該各期間について算出された前記静電容量の平均値を当該コンデンサの最終静電容量として算出する処理部とを備えている。
In order to achieve the above object, the capacitance measuring apparatus according to
また、請求項2記載の静電容量測定装置は、請求項1記載の静電容量測定装置において、前記処理部は、前記各期間の長さを一定として前記変化量を測定する。
Further, in the capacitance measuring device according to
また、請求項3記載の静電容量測定装置は、請求項1または2記載の静電容量測定装置において、前記処理部は、前記各期間が連続する状態で前記変化量を測定する。
Further, in the capacitance measuring device according to claim 3, in the capacitance measuring device according to
請求項1記載の静電容量測定装置では、処理部が、期間毎のコンデンサの両端間電圧の変化量および期間毎のコンデンサへの充電量に基づいて期間毎のコンデンサの静電容量を算出すると共に、各期間について算出された静電容量の平均値をコンデンサの最終静電容量として算出する。したがって、この静電容量測定装置によれば、仮にいずれかの期間での両端間電圧の測定時にコンデンサの両端間にノイズが発生したとしても、最終静電容量は複数の期間について算出された静電容量の平均値として算出されるため、ノイズの影響を軽減することができ、最終静電容量の測定精度の低下を軽減することができる。
In the capacitance measuring device according to
また、請求項2記載の静電容量測定装置によれば、処理部が各期間の長さを一定として両端間電圧の変化量を測定することにより、各期間についての静電容量を算出するための計算を簡略化できるため、最終静電容量の算出までに要する時間を短縮することができる。
According to the capacitance measuring apparatus of
また、請求項3記載の静電容量測定装置によれば、処理部が各期間が連続する状態で変化量を測定するため、期間毎のコンデンサの両端間電圧の計測に要する時間を短縮することができ、最終静電容量の算出までの時間を短くすることができる。 According to the capacitance measuring apparatus of the third aspect, since the processing unit measures the change amount in a state where each period is continuous, the time required for measuring the voltage across the capacitor for each period can be shortened. And the time until the calculation of the final capacitance can be shortened.
以下、本発明に係る静電容量測定装置の最良の形態について、添付図面を参照して説明する。 Hereinafter, the best mode of a capacitance measuring apparatus according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
最初に、静電容量測定装置1の構成について、図面を参照して説明する。
First, the configuration of the
図1に示す静電容量測定装置1は、充放電部2、電圧測定部3、処理部4、記憶部5および表示部6を備え、一対のプローブ7,8を介して接続されたコンデンサ9の静電容量Ccを測定可能に構成されている。本例では、コンデンサ9の一端(図1中の上端)は、プローブ7を介して充放電部2および電圧測定部3に接続され、コンデンサ9の他端(図1中の下端)は、プローブ8を介して静電容量測定装置1の内部基準電位(内部グランド)に接続される。
A
充放電部2は、例えば、定電流源および定電流負荷装置(いずれも図示せず)で構成されて、定電流源の作動時には本発明における電流供給部として機能して定電流Iを外部に供給可能であると共に、定電流負荷装置の作動時には定電流Iを外部から吸い込み可能に構成されている。また、充放電部2は、処理部4からの制御信号S1により、定電流供給動作状態、定電流吸い込み動作状態、およびこれらの動作をいずれも実施しない停止状態のうちのいずれかの状態に移行させられる。なお、図示はしないが、定電流負荷装置に代えて、各プローブ7,8間に放電抵抗とスイッチの直列接続回路を配置して、このスイッチを処理部4が接断制御することにより、各プローブ7,8間に接続されたコンデンサ9から電流を放電する構成を採用することもできる。この構成によれば、回路の簡略化を図ることができ、装置を安価に構成することができる。
The charging /
電圧測定部3は、一例として図1に示すように、バッファ11およびA/D変換器12を備え、コンデンサ9の両端間電圧Vcを測定して、両端間電圧Vcを示すディジタルデータDvを出力する。この場合、バッファ11は、その入力端子がプローブ8を介してコンデンサ9の一端にハイインピーダンス状態で接続されて、両端間電圧Vcを入力し、入力した両端間電圧Vcをローインピーダンスで出力する。A/D変換器12は、バッファ11から出力された両端間電圧Vcを所定のサンプリング周期(両端間電圧Vcの変化に対して十分に短い周期)でサンプリングすることにより、その電圧値を示すディジタルデータDvに変換して出力する。
As shown in FIG. 1 as an example, the voltage measuring unit 3 includes a
処理部4は、記憶部5に予め記憶されている動作プログラムに従って作動して、ディジタルデータDvに基づくコンデンサ9の静電容量の算出処理(静電容量測定処理50(図3参照))を実行する。記憶部5は、ROMおよびRAMで構成されて、処理部4のための動作プログラムを記憶すると共に、処理部4用のワークメモリとして機能する。表示部6は、一例として液晶ディスプレイ装置で構成されて、静電容量測定処理50の結果を表示可能に構成されている。
The
次に、静電容量測定装置1による静電容量測定動作について、図2,3を参照して説明する。
Next, the capacitance measuring operation by the capacitance measuring
静電容量測定装置1では、作動状態において、電圧測定部3が、コンデンサ9の両端間電圧Vcを入力して、その電圧値を示すディジタルデータDvに変換して出力する動作を繰り返し実行している。
In the capacitance measuring
この状態において、処理部4は、静電容量測定処理を実行する。この静電容量測定処理では、処理部4は、まず、制御信号S1を充放電部2に出力することにより、充放電部2を定電流負荷として作動させて放電処理を開始させる(ステップ51)。これにより、図1において矢印で示す方向とは逆の向きでコンデンサ9に定電流Iが流れて、コンデンサ9が放電され、その両端間電圧Vcは図2に示すように一定の割合で低下する。
In this state, the
次いで、処理部4は、電圧測定部3から出力されるディジタルデータDvに基づいてコンデンサ9の両端間電圧Vcを検出しつつ、両端間電圧Vcが予め規定(プログラミング)されている初期電圧Vsを下回ったか否かを判別する(ステップ52)。処理部4は、コンデンサ9に対する放電処理の実行中においてステップ52を繰り返し実行し、両端間電圧Vcが初期電圧Vsを下回ったと判別したときには、制御信号S1を切り替えることにより、充放電部2を定電流源として作動させて充電処理を開始させる(ステップ53)。これにより、図1において矢印で示す方向でコンデンサ9に定電流Iが流れて、コンデンサ9が充電され、これによりコンデンサ9の両端間電圧Vcが図2に示すように一定の割合で上昇する。なお、上記したようにA/D変換器12のサンプリング周期は両端間電圧Vcの変化に対して十分に短いため、コンデンサ9に対する充電処理は、実質的に両端間電圧Vcが初期電圧Vsと一致した状態から開始される。
Next, the
続いて、処理部4は、予め規定(プログラミング)されている長さ(一定)の時間(後述する各期間T1,T2,・・・,Tn(以下、特に区別しないときには「期間T」ともいう)の長さ)の計測を開始する(ステップ54)。本例では、一例として計測時間(期間Tの長さ)は100msに規定されている。コンデンサ9の両端間電圧Vcの測定に際して、50Hzまたは60Hzの周波数のハムノイズが重畳する場合もあるが、期間の長さを100msとして、この間隔で後述するように両端間電圧Vcを測定することで、ハムノイズが除去される。処理部4は、計測している時間が各期間Tの長さ(100ms)に達したか否か(つまり、期間Tの終期に達したか否か)の判別を繰り返し実行し(ステップ55)、達したと判別したときには、達した時点における(期間Tの終期における)ディジタルデータDvで示されるコンデンサ9の両端間電圧Vc(V1)を測定して、記憶部5に記憶させる(ステップ56)。
Subsequently, the
次いで、処理部4は、予め規定(プログラミング)された個数(本例ではn個(nは2以上の整数))分の期間Tの計測がすべて完了したか否かを判別し(ステップ57)、完了するまで、上記ステップ54〜ステップ56を繰り返し実行する。これにより、記憶部5には、各期間T1,T2,・・・,Tnの終了時点(終期)での両端間電圧Vc(V1,V2,・・・,Vn)が記憶される。
Next, the
続いて、処理部4は、ステップ57において、予め規定された個数(n個)分の期間Tの計測がすべて完了したと判別したときには、記憶部5に記憶されている両端間電圧Vc(V1,V2,・・・,Vn)に基づいて各期間T1,T2,・・・,Tnにおけるコンデンサ9の両端間電圧Vcの変化量を算出すると共に、算出した変化量に基づいて各期間T1,T2,・・・,Tnにおけるコンデンサ9の静電容量C1,C2,・・・,Cnを算出して、記憶部5に記憶させる(ステップ58)。この場合、各期間においてコンデンサ9に対して供給される電荷量は(I×100ms)で現されるため、k番目の期間Tkにおける静電容量Ckは、(I×100ms)/(Vk−Vk−1)で算出される。なお、1番目の期間T1における静電容量C1は、(I×100ms)/(V1−VS)で算出される。最後に、処理部4は、算出した各期間T1,T2,・・・,Tnにおけるコンデンサ9の静電容量C1,C2,・・・,Cnを平均して、コンデンサ9の最終的な静電容量(本発明における最終静電容量)Ccを算出し、記憶部5に記憶させると共に、表示部6に表示させる(ステップ59)。これにより、静電容量測定処理が完了する。
Subsequently, when the
このように、この静電容量測定装置1では、処理部4が、複数の期間T1,T2,・・・,Tn毎の両端間電圧Vcの変化量(V1−VS),(V2−V1),・・・,(Vn−Vn−1)および期間T1,T2,・・・,Tn毎のコンデンサ9への充電量(I×100ms)に基づいて期間T1,T2,・・・,Tn毎のコンデンサ9の静電容量C1,C2,・・・,Cnを算出すると共に、これら静電容量C1,C2,・・・,Cnの平均値をコンデンサ9の最終的な静電容量Ccとして算出する。
Thus, in the
したがって、この静電容量測定装置1によれば、仮にいずれかの両端間電圧Vcの測定時にコンデンサ9の両端間にノイズが発生したとしても、最終的な静電容量Ccは複数の静電容量C1,C2,・・・,Cnの平均値として算出されるため、ノイズの影響を軽減することができ、最終的な静電容量Ccの測定精度の低下を軽減することができる。
Therefore, according to the
また、この静電容量測定装置1では、処理部4が、各期間T1,T2,・・・,Tnの長さを一定(本例では100ms)として、各期間T1,T2,・・・,Tnでの両端間電圧Vcの変化量(V1−VS),(V2−V1),・・・,(Vn−Vn−1)を測定している。この場合、各期間T1,T2,・・・,Tnの長さを異ならしめる構成としても、各期間T1,T2,・・・,Tnでの静電容量C1,C2,・・・,Cnの平均値をコンデンサ9の最終的な静電容量Ccとして算出することができるが、各期間T1,T2,・・・,Tnの長さを一定にすることにより、各期間T1,T2,・・・,Tnについての静電容量C1,C2,・・・,Cnを算出するための計算を簡略化できるため、計算を簡略化できるため、最終的な静電容量Ccの算出までに要する時間を短縮することができる。
In the
また、この静電容量測定装置1では、処理部4が、各期間T1,T2,・・・,Tnを連続させた状態で、各期間T1,T2,・・・,Tnでの両端間電圧Vcの変化量(V1−VS),(V2−V1),・・・,(Vn−Vn−1)を測定している。この場合、各期間T1,T2,・・・,Tnをすべて不連続としたり、一部を連続させ、かつ残りを不連続としたりする構成においても、各期間T1,T2,・・・,Tnでの静電容量C1,C2,・・・,Cnの平均値をコンデンサ9の最終的な静電容量Ccとして算出することができるが、各期間T1,T2,・・・,Tnを連続させた状態とすることにより、期間T1,T2,・・・,Tn毎のコンデンサ9の両端間電圧V1,V2,・・・,Vnの計測に要する時間を短縮することができ、最終的な静電容量Ccの算出までの時間を短くすることができる。
Further, in the
なお、本発明は、上記の構成に限定されない。例えば、期間T1,T2,・・・,Tn毎のコンデンサ9の静電容量C1,C2,・・・,Cnを算出する手法として、複数の期間T1,T2,・・・,Tn毎の両端間電圧Vcの変化量(V1−VS),(V2−V1),・・・,(Vn−Vn−1)に基づいて期間T1,T2,・・・,Tn毎のコンデンサ9の静電容量C1,C2,・・・,Cnを算出する上記手法を採用しているが、この手法に代えて、期間T1,T2,・・・,Tn毎に両端間電圧Vcを所定回数(複数回(3回以上)。2回としたときには上記した手法と同一となる。)サンプリングし、サンプリングによって測定した複数の両端間電圧Vcの平均値を期間T1,T2,・・・,Tn毎に算出し、算出した平均値に基づいて期間T1,T2,・・・,Tn毎のコンデンサ9の静電容量C1,C2,・・・,Cnを算出する手法を採用することもできる。
In addition, this invention is not limited to said structure. For example, the period T 1, T 2, · · ·, capacitances C 1, C 2 of the
以下、この手法を採用した静電容量測定処理について、図4を参照して具体的に説明する。この場合、電圧測定部3が両端間電圧Vcの電圧値をディジタルデータDvに変換して出力している状態において、処理部4は、記憶部5に予め記憶されている動作プログラムに従って作動して、静電容量測定処理60を実行する。
Hereinafter, the capacitance measurement process employing this method will be specifically described with reference to FIG. In this case, in the state where the voltage measuring unit 3 converts the voltage value of the voltage Vc between both ends into the digital data Dv and outputs it, the
この静電容量測定処理では、処理部4は、まず、図3に示すステップ51〜ステップ54までの各動作と同一の動作をステップ61〜ステップ64においてそれぞれ実行する。
In this capacitance measurement process, the
処理部4は、期間Tの長さの計測をステップ64において開始した後、予め規定(プログラミング)されているサンプリング周期Ts(期間Tよりも十分に短い時間(例えば1ms))での両端間電圧Vc(V1)の測定を実行して、ディジタルデータDvで示されるコンデンサ9の両端間電圧Vcを記憶部5に記憶させる(ステップ65)。処理部4は、計測している時間が期間Tの長さ(100ms)に達したか否かの判別を繰り返しつつ(ステップ66)、計測している時間が期間Tに達するまで、ステップ65の測定処理を繰り返し実行する。これにより、1つの期間T内でのサンプリング周期Ts毎の両端間電圧Vcが記憶部5に記憶される。
The
一方、処理部4は、ステップ66において計測している時間が期間Tに達したと判別したときには、予め規定(プログラミング)された個数(本例ではn個(nは2以上の整数))分の期間Tの計測がすべて完了したか否かを判別し(ステップ67)、完了するまで、上記ステップ64〜ステップ66を繰り返し実行する。これにより、記憶部5には、サンプリング周期Tsで測定された両端間電圧Vcが期間T1,T2,・・・,Tn毎に記憶される。ここで、処理部4による期間Tの計測タイミングおよびサンプリング周期Tsの計測タイミングは、A/D変換器12のサンプリング周期と共に不図示の基準クロックに同期したものとなっているため、サンプリング周期Tsに基づいて各期間Tでサンプリングされる両端間電圧Vcの数は同数(一例としてm個(mは2以上の整数))となる。なお、本例では上記したように、サンプリング周期Tsを1msとし、期間Tを100msとしているため、m=100となる。
On the other hand, when the
続いて、処理部4は、ステップ67において、予め規定された個数(n個)分の期間Tの計測がすべて完了したと判別したときには、記憶部5に期間T毎に記憶されている複数の両端間電圧Vc(VC1,VC2,・・・,VCm)に基づいて各期間T1,T2,・・・,Tnにおけるコンデンサ9の静電容量C1,C2,・・・,Cnを算出して、記憶部5に記憶させる(ステップ68)。この静電容量C1〜Cnの算出に際しては、処理部4は、期間T毎に、まず、各両端間電圧Vcについて、最初にサンプリングされた(測定された)両端間電圧VC1との差分を算出し、次いで、算出したこれら差分の平均値Vaveを算出する。この平均値Vaveは下記式で表される。
平均値Vave=((VC1−VC1)+(VC2−VC1)+・・・+(VCm−VC1))/m
この場合、この平均値Vaveは、期間Tの中間点における両端間電圧Vcを現しているため、コンデンサ9が定電流Iで充電されているという条件下において、期間Tにおける両端間電圧Vcの増加分は、2×Vaveで現される。したがって、処理部4は、式(I×100ms)/(2×Vave)に基づいて、各期間Tにおける静電容量C1,C2,・・・,Cnを算出する。
Subsequently, when the
Average value Vave = ((V C1 −V C1 ) + (V C2 −V C1 ) +... + (V Cm −V C1 )) / m
In this case, since the average value Vave represents the voltage Vc between both ends at the intermediate point of the period T, the increase of the voltage Vc between both ends in the period T under the condition that the
最後に、処理部4は、算出した各期間T1,T2,・・・,Tnにおけるコンデンサ9の静電容量C1,C2,・・・,Cnを平均して、コンデンサ9の最終的な静電容量(本発明における最終静電容量)Ccを算出し、記憶部5に記憶させると共に、表示部6に表示させる(ステップ69)。これにより、静電容量測定処理60が完了する。
Finally, the
この静電容量測定処理60を実行する静電容量測定装置1によれば、各期間Tにおいて複数(3回以上)両端間電圧Vcをサンプリングして、その平均値Vaveに基づいて静電容量Ccを算出することにより、ノイズの影響を一層軽減することができ、最終的な静電容量Ccの測定精度の低下を一層軽減することができる。
According to the
なお、本発明は、上記の構成に限定されない。例えば、放電処理の開始直後におけるコンデンサ9の両端間電圧Vcが初期電圧Vs未満であるときには、処理部4は、最初に検出した両端間電圧Vcを初期電圧Vsとし、放電処理を直ちに終了させて、ステップ53に移行し、その後は上記した内容で各処理を実行することにより、最終的な静電容量Ccを算出することができる。
In addition, this invention is not limited to said structure. For example, when the voltage Vc across the
また、複数の期間Tを充電処理期間中に設定して静電容量を測定する構成に代えて、充電処理に続いて放電処理を実行するようにして、この放電処理期間中に静電容量を測定するための期間Tを設定するようにしてもよい。また、各期間Tの長さを一例として100msに規定してハムノイズを低減する構成を採用しているが、ハムノイズの影響を無視できるのであれば、各期間Tを任意の長さに規定することもできる。 Further, instead of the configuration in which a plurality of periods T are set during the charging process period and the electrostatic capacity is measured, the discharging process is executed following the charging process, and the electrostatic capacity is set during the discharging process period. A period T for measurement may be set. In addition, a configuration is adopted in which the length of each period T is defined as 100 ms as an example to reduce hum noise. However, if the influence of hum noise can be ignored, each period T should be defined to an arbitrary length. You can also.
1 静電容量測定装置
2 充放電部
3 電圧測定部
4 処理部
9 コンデンサ
C1,C2,・・・,Cn,Cc 静電容量
I 定電流
T1,T2,・・・,Tn 期間
Vc 両端間電圧
1
Claims (3)
充電状態の前記コンデンサの両端間電圧を測定する電圧測定部と、
当該電圧測定部によって測定された両端間電圧に基づいて当該両端間電圧の変化量を複数期間分算出し、当該期間毎の当該両端間電圧の変化量および当該期間毎の前記コンデンサへの充電量に基づいて当該期間毎の当該コンデンサの静電容量を算出すると共に、当該各期間について算出された前記静電容量の平均値を当該コンデンサの最終静電容量として算出する処理部とを備えている静電容量測定装置。 A current supply unit for supplying a constant current to the capacitor to charge the capacitor;
A voltage measuring unit for measuring a voltage across the capacitor in a charged state;
The amount of change in the voltage between both ends is calculated for a plurality of periods based on the voltage between both ends measured by the voltage measuring unit, and the amount of change in the voltage between both ends for each period and the amount of charge to the capacitor for each period And a processing unit that calculates an average value of the capacitance calculated for each period as a final capacitance of the capacitor. Capacitance measuring device.
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