專(zhuān)利名稱(chēng)：用于改進(jìn)電容測(cè)量的電容計(jì)、方法、計(jì)算機(jī)程序及其產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于改進(jìn)電容測(cè)量的電容計(jì)、方法、計(jì)算機(jī)程序和計(jì)算機(jī)程序
背景技術(shù)：
自從電容器問(wèn)世起一直需要測(cè)量電容器的主要量值，即電容。一種測(cè)量電容的已知方式是將交變電流連接到電容器并且觀測(cè)電壓。由于使用交變電流，所以電流可能受電容器、電容計(jì)或者連接二者的線纜附近 的主電源電流影響。已知為交變電流選擇并非主電源頻率50Hz或者60Hz倍數(shù)的頻率。 例如已知選擇頻率如IllHz和222Hz以減少主電源電流的基頻和諧波的任何影響。然 而，這一策略仍然允許來(lái)自主電源電流的明顯干擾，由此需要在測(cè)量電容時(shí)進(jìn)一步減少 來(lái)自周?chē)麟娫措娏鞯母蓴_。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服或者至少減少現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題。呈現(xiàn)一種電容計(jì)，該電容計(jì)包括AC源，向電容器提供具有測(cè)量頻率的測(cè)量電 壓；電流傳感器，布置成測(cè)量去往或者來(lái)自電容計(jì)的電流；電壓傳感器，布置成測(cè)量電 容器兩端的電壓；以及電容計(jì)算單元，布置成使用控制器利用來(lái)自電流傳感器的測(cè)量電 流、來(lái)自電壓傳感器的測(cè)量電壓和測(cè)量頻率來(lái)計(jì)算電容器的電容。電容計(jì)被布置成在測(cè) 量持續(xù)時(shí)間期間使用電流傳感器和電壓傳感器來(lái)獲得測(cè)量。選擇測(cè)量頻率和測(cè)量持續(xù)時(shí) 間，使得測(cè)量持續(xù)時(shí)間等于測(cè)量頻率的周期的倍數(shù)，并且測(cè)量持續(xù)時(shí)間等于主電源電力 的周期的倍數(shù)。由于測(cè)量持續(xù)時(shí)間和測(cè)量頻率的這一仔細(xì)選擇，所以明顯地減少或者甚至消除 主電源信號(hào)的任何干擾影響，因?yàn)閬?lái)自主電源信號(hào)的正貢獻(xiàn)和負(fù)貢獻(xiàn)在從整個(gè)測(cè)量持續(xù) 時(shí)間來(lái)看時(shí)相互抵消。測(cè)量持續(xù)時(shí)間可以等于50Hz主電源電力的周期的倍數(shù)。測(cè)量持續(xù)時(shí)間可以等于60Hz主電源電力的周期的倍數(shù)。測(cè)量持續(xù)時(shí)間可以等于50Hz主電源電力的周期的倍數(shù)，并且測(cè)量持續(xù)時(shí)間等于 60Hz主電源電力的周期的倍數(shù)。以這一方式，電容計(jì)被布置成隨處使用而不管主電源信 號(hào)為50Hz還是60Hz。測(cè)量持續(xù)時(shí)間可以選擇為IOOms或者其倍數(shù)。測(cè)量頻率可以是IOHz的倍數(shù)。電容計(jì)還可以包括布置成測(cè)量去往或者來(lái)自電容器的電流的第二電流傳感器， 其中去往或者來(lái)自電容器的電流由電容計(jì)算單元用來(lái)計(jì)算電容器的電容。這允許電容計(jì) 在單個(gè)電容與其它電容器并聯(lián)布置時(shí)測(cè)量這一單個(gè)電容器。本發(fā)明的第二方面是一種用于使用電容計(jì)來(lái)測(cè)量電容器的電容的方法，該方法包括以下步驟使用AC源來(lái)向電容器提供具有測(cè)量頻率的測(cè)量電壓；在測(cè)量持續(xù)時(shí)間 期間使用電流傳感器來(lái)測(cè)量去往或者來(lái)自電容計(jì)的電流并且使用電壓傳感器來(lái)測(cè)量電容 器兩端的電 壓；并且使用電容計(jì)算單元利用測(cè)量電流、測(cè)量電壓和測(cè)量頻率來(lái)計(jì)算電容 器的電容。選擇測(cè)量頻率和測(cè)量持續(xù)時(shí)間，使得測(cè)量持續(xù)時(shí)間等于測(cè)量頻率的周期的倍 數(shù)，并且測(cè)量持續(xù)時(shí)間等于主電源電力的周期的倍數(shù)。計(jì)算步驟包括使用以下公式來(lái)計(jì)算電容器的電容C = —^~
2TlfU其中C是電容器的電容，I是測(cè)量電流，f是測(cè)量頻率，并且U是測(cè)量電壓。本發(fā)明的第三方面是一種用于測(cè)量電容的計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序包括計(jì)算 機(jī)程序代碼，該計(jì)算機(jī)程序代碼在運(yùn)行于電容計(jì)中時(shí)使電容計(jì)執(zhí)行根據(jù)第二方面的方法。本發(fā)明的第四方面是一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，該產(chǎn)品包括根據(jù)第三方面的計(jì)算機(jī) 程序和其上存儲(chǔ)有該計(jì)算機(jī)程序的計(jì)算機(jī)可讀裝置。將注意在應(yīng)用時(shí)可以在任何其它方面中使用第一、第二、第三和第四方面的任 何特征。當(dāng)這里提到信號(hào)的頻率如測(cè)量信號(hào)的頻率時(shí)，除非另有指明，它將解釋為基 頻。這里無(wú)論何時(shí)使用術(shù)語(yǔ)等于/相等，它將解釋為在誤差裕度內(nèi)相同。誤差裕度 適當(dāng)?shù)卦O(shè)置成比如數(shù)個(gè)百分點(diǎn)等。這里無(wú)論何時(shí)使用術(shù)語(yǔ)主電源頻率，它將解釋為配電網(wǎng)絡(luò)的頻率。一般而言，在權(quán)利要求書(shū)中使用的所有術(shù)語(yǔ)除非這里另有明確定義都將根據(jù)它 們?cè)诩夹g(shù)領(lǐng)域中的普通含義來(lái)解釋。對(duì)“一個(gè)/ 一種/該/所述元件、設(shè)備、部件、 裝置、步驟等”的所有引用除非這里另有明確聲明都將開(kāi)放式地解釋為指代該元件、設(shè) 備、部件、裝置、步驟等的至少一個(gè)實(shí)例。除非明確聲明，無(wú)需按公開(kāi)的準(zhǔn)確順序執(zhí)行 這里公開(kāi)的任何方法的步驟。


現(xiàn)在參照以下附圖通過(guò)示例描述本發(fā)明，其中圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電容計(jì)的示意圖，其中著重于用來(lái)測(cè)量 待測(cè)部件的電容的元件，圖2是示出了圖1的電容計(jì)的示意圖，其中著重于電容計(jì)的接口，圖3a是示出了圖1和圖2的電容計(jì)的測(cè)量持續(xù)時(shí)間和測(cè)量頻率相對(duì)于50Hz主電 源頻率的曲線圖，圖3b是示出了圖1和圖2的電容計(jì)的測(cè)量持續(xù)時(shí)間和測(cè)量頻率相對(duì)于50Hz主電 源頻率和60Hz主電源頻率的曲線圖，圖4是示出了可以在圖1和圖2的電容計(jì)中執(zhí)行的方法的流程圖，并且圖5示出了包括計(jì)算機(jī)可讀裝置的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的一個(gè)示例。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將參照其中示出本發(fā)明某些實(shí)施例的附圖，在下文中更完全地描述本發(fā)明。然而本發(fā)明可以按許多不同形式來(lái)實(shí)現(xiàn)而不應(yīng)理解為限于這里闡述的實(shí)施例；實(shí)際 上，通過(guò)示例提供這些實(shí)施例以使得本公開(kāi)內(nèi)容將既透徹又完整并且將向本領(lǐng)域技術(shù)人 員傳達(dá)本發(fā)明的范圍。相似標(biāo)號(hào)在說(shuō)明書(shū)全文中指代相似元件。圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電容計(jì)1的示意圖，其中著重于用來(lái)測(cè)量 電容器3的電容的元件。將注意盡管以電容器3的電容影響為主，但是可以有電容器3 的電阻和電感分量和/或連接電容器3和電容計(jì)1的布線。下文將參照?qǐng)D4示出如何可 以減少或者甚至消除電阻分量的影響。電容器3可以例如是電容器組中的電容器。電容計(jì)1借助連接器9a_9b連接到電容器3。電容計(jì)1包括生成測(cè)量電壓的AC 電壓源2。AC電壓源2通常包括電阻器和其它部件(未示出)以及實(shí)際電源。AC源可 以包括電池和逆變器以生成AC電力。電容計(jì)1適合于測(cè)量從1至IOOOyF的的電容。 可以例如使用來(lái)自微處理器(例如控制器8)的脈寬調(diào)制來(lái)控制AC電壓源。AC電壓源 還包括放大器和低通濾波器，例如電感器。盡管AC源可以具有任何適當(dāng)輸出電壓，但 是它可以局限于1-1.4伏特以便保持于任連接二極管的觸發(fā)電壓以下。AC測(cè)量電壓將產(chǎn)生去往和來(lái)自電容器3的電流。電壓傳感器5如電壓計(jì)測(cè)量電 容器3兩端的電壓，并且電流傳感器6如安培計(jì)測(cè)量去往和來(lái)自電容器3的電流。可選地，有與待測(cè)電容器3并聯(lián)連接的其它電容器7a_7b。在這一情形中，第二 電流傳感器4用來(lái)測(cè)量去往或者來(lái)自待測(cè)電容器3的電流。第二電流傳感器4也連接到 用于計(jì)算待測(cè)電容器3的電容的控制器8?？刂破?監(jiān)視整個(gè)測(cè)量過(guò)程并且使用測(cè)量的電壓和電流來(lái)計(jì)算測(cè)量的電容?？?制器可以是CPU(中央處理單元)、FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)、DSP (數(shù)字信號(hào)處理器) 或者任何適當(dāng)可編程電子邏輯單元。為了減少對(duì)測(cè)量有影響的奇點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，可以進(jìn)行三次電容測(cè)量，由此使用中值 作為測(cè)量的電容?？蛇x地，在兩個(gè)不同頻率進(jìn)行測(cè)量，其中在兩個(gè)頻率取三次測(cè)量。然 后可以取所用測(cè)量為六次測(cè)量的兩個(gè)中值的平均。圖2是示出了圖1的電容計(jì)的示意圖，其中著重于電容計(jì)的接口。電容計(jì)1包 括顯示器11和小鍵盤(pán)10。這允許用戶(hù)與電容計(jì)1交互，以例如測(cè)量具體電容器3的電容 并且將測(cè)量的電容與電容器的標(biāo)識(shí)一起存儲(chǔ)從而允許保持歷史。數(shù)據(jù)接口 12允許電容計(jì)1與計(jì)算機(jī)13如通用固定或者便攜計(jì)算機(jī)發(fā)送和/或接 收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接口 12可以例如是USB(通用串行總線)型接口、Centronics并行接口、 RS-232串行接口或者以太網(wǎng)接口。數(shù)據(jù)接口 12也可以是無(wú)線接口，比如藍(lán)牙、無(wú)線 LAN或者無(wú)線USB接口。例如，數(shù)據(jù)接口 12可以用來(lái)允許集中收集電容測(cè)量。 圖3a是示出了圖1和圖2的電容計(jì)1的測(cè)量持續(xù)時(shí)間23和測(cè)量頻率相對(duì)于50Hz 主電源頻率的曲線圖。示出了代表測(cè)量電壓的測(cè)量信號(hào)25以及代表50Hz主電源電壓的 主電源信號(hào)26。測(cè)量持續(xù)時(shí)間23是生成測(cè)量信號(hào)25并且使用電壓傳感器和電流傳感器 來(lái)收集測(cè)量的時(shí)間。在這一示例中，測(cè)量信號(hào)25具有40Hz的頻率，并且測(cè)量持續(xù)時(shí)間 23是100ms。因而，測(cè)量信號(hào)25的周期22是25ms，由此測(cè)量持續(xù)時(shí)間23等于測(cè)量信 號(hào)25的四個(gè)周期22。主電源信號(hào)26的周期21是等于20ms的l/50s，由此主電源信號(hào)26的五個(gè)周期21對(duì)應(yīng)于測(cè)量持續(xù)時(shí)間23。換而言之，測(cè)量持續(xù)時(shí)間23選擇為50Hz信號(hào)周期21的倍數(shù)并且也為測(cè)量信號(hào)周期22的倍數(shù)。由于測(cè)量持續(xù)時(shí)間23和測(cè)量信號(hào)頻 率的這一仔細(xì)選擇，所以減少或者甚至消除主電源信號(hào)26的任何干擾影響，因?yàn)閬?lái)自主 電源信號(hào)26的正貢獻(xiàn)和負(fù)貢獻(xiàn)相互抵消。圖3b是示出了圖1和圖2的電容計(jì)1的測(cè)量持續(xù)時(shí)間23和測(cè)量頻率相對(duì)于50Hz 主電源頻率和60Hz主電源頻率的曲線圖。這里，測(cè)量信號(hào)25’具有120Hz的頻率，這 對(duì)應(yīng)于近似8.333ms的測(cè)量信號(hào)周期22’。50Hz主電源信號(hào)26與圖3a中相同，但是這 里也有具有周期24為l/60s(近似為16.67ms)的60Hz主電源信號(hào)27。60Hz主電源信號(hào) 27通常不與50Hz主電源信號(hào)26同時(shí)存在于現(xiàn)場(chǎng)。然而在仔細(xì)選擇測(cè)量持續(xù)時(shí)間23也 為60Hz主電源信號(hào)周期的倍數(shù)時(shí)，在測(cè)量持續(xù)時(shí)間23期間有整數(shù)個(gè)60Hz主電源信號(hào)周 期24，由此干擾的正影響和負(fù)影響相互抵消以明顯地減少或者甚至消除60Hz信號(hào)對(duì)測(cè)量 的影響。換而言之，電容計(jì)1的相同配置對(duì)減少或者消除來(lái)自50Hz或者60Hz干擾源的 干擾起作用。將注意，既是50Hz周期21也是60Hz周期24的倍數(shù)的最短時(shí)間是100ms。因 而，IOOms的任何倍數(shù)也將既為50Hz周期21也是60Hz周期24的倍數(shù)。為了允許測(cè)量 持續(xù)時(shí)間23為測(cè)量信號(hào)25、25’的周期22、22’的倍數(shù)，測(cè)量信號(hào)25、25’的頻率可 以選擇為IOHz的任何倍數(shù)。然而，選擇采樣頻率為其倍數(shù)的頻率可能足夠了。圖4是示出了可以在圖1和圖2的電容計(jì)1中執(zhí)行的方法的流程圖。該方法在 例如電容計(jì)1的用戶(hù)激活電容測(cè)量來(lái)觸發(fā)測(cè)量時(shí)開(kāi)始。在提供AC測(cè)量電壓的初始步驟30中向待測(cè)電容器提供AC測(cè)量電壓。在測(cè)量電流和電壓的步驟32中測(cè)量電流和電壓。在并且僅在測(cè)量時(shí)段期間繼續(xù) 并且隨后停止這一步驟(以及先前步驟)。在計(jì)算電容的步驟34中根據(jù)下文計(jì)算電容器的電容。具有電容C的電容器的電容電抗Xe計(jì)算如下
Xc 丄
IWfC( ι )這可以重排成
_ 1
C - 2UfXc(2)這可以使用歐姆定律改寫(xiě)成
I
C 二 --,、
2UfU( 3 )其中I是經(jīng)過(guò)電容器的電流并且U是電容器兩端的電壓。如果已知或者測(cè)量線纜的電阻，則可以考慮電阻的影響以獲得更多準(zhǔn)確性。然 后在復(fù)數(shù)平面中使用畢達(dá)哥拉斯理論利用以下公式來(lái)計(jì)算電容
權(quán)利要求
1.一種電容計(jì)(1)，包括AC源(2)，向電容器(3)提供具有測(cè)量頻率的測(cè)量電壓； 電流傳感器(6)，布置成測(cè)量去往或者來(lái)自所述電容計(jì)(1)的電流； 電壓傳感器(5)，布置成測(cè)量所述電容器(3)兩端的電壓；以及 電容計(jì)算單元(8)，布置成使用控制器，利用來(lái)自所述電流傳感器(6)的測(cè)量電流、 來(lái)自所述電壓傳感器(5)的測(cè)量電壓和所述測(cè)量頻率，計(jì)算所述電容器(3)的電容，其中所述電容計(jì)(1)被布置成在測(cè)量持續(xù)時(shí)間(23)期間，使用所述電流傳感器(6) 和所述電壓傳感器(5)來(lái)獲得測(cè)量，其特征在于，選擇所述測(cè)量頻率和所述測(cè)量持續(xù)時(shí)間(23)，使得所述測(cè)量持續(xù)時(shí)間 (23)等于所述測(cè)量頻率的周期(22)的倍數(shù)，并且所述測(cè)量持續(xù)時(shí)間(23)等于主電源電力 的周期(21，24)的倍數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容計(jì)，其中所述測(cè)量持續(xù)時(shí)間(23)等于50Hz主電源電力 的周期(21)的倍數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容計(jì)，其中所述測(cè)量持續(xù)時(shí)間(23)等于60Hz主電源電力 的周期(24)的倍數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容計(jì)，其中所述測(cè)量持續(xù)時(shí)間(23)等于50Hz主電源電力 的周期(21)的倍數(shù)，并且所述測(cè)量持續(xù)時(shí)間(23)等于60Hz主電源電力的周期(24)的倍數(shù)。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電容計(jì)(1)，其中所述測(cè)量持續(xù)時(shí)間(23)被選擇為 IOOms或者其倍數(shù)。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電容計(jì)(1)，其中所述測(cè)量頻率是IOHz的倍數(shù)。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電容計(jì)(1)，還包括布置成測(cè)量去往或者來(lái)自所述電 容器(3)的電流的第二電流傳感器(4)，其中去往或者來(lái)自所述電容器(3)的電流由所述 電容計(jì)算單元(8)用來(lái)計(jì)算所述電容器(3)的電容。
8.—種用于使用電容計(jì)⑴來(lái)測(cè)量電容器(3)的電容的方法，包括以下步驟 使用AC源向所述電容器(3)提供具有測(cè)量頻率的測(cè)量電壓；在測(cè)量持續(xù)時(shí)間(23)期間，使用電流傳感器(6)來(lái)測(cè)量去往或者來(lái)自所述電容計(jì)(1) 的電流，并且使用電壓傳感器(5)來(lái)測(cè)量所述電容器(3)兩端的電壓；并且使用電容計(jì)算單元(8)利用所述測(cè)量電流、所述測(cè)量電壓和所述測(cè)量頻率，計(jì)算所 述電容器(3)的電容，其特征在于，選擇所述測(cè)量頻率和所述測(cè)量持續(xù)時(shí)間，使得所述測(cè)量持續(xù)時(shí)間(23) 等于所述測(cè)量頻率的周期(22)的倍數(shù)，并且所述測(cè)量持續(xù)時(shí)間(23)等于主電源電力的周 期(21，24)的倍數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述計(jì)算步驟包括使用以下公式來(lái)計(jì)算所述電容 器(3)的電容C =丄 2UfU其中C是所述電容器(3)的電容，I是所述測(cè)量電流，f是所述測(cè)量頻率，并且U是 所述測(cè)量電壓。
10.—種用于測(cè)量電容的計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序包括計(jì)算機(jī)程序代碼，所述計(jì) 算機(jī)程序代碼在運(yùn)行于電容計(jì)中時(shí)使所述電容計(jì)執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求8或者9中的任一權(quán)利 要求所述的方法。
11.一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括根據(jù)權(quán)利要求10所述的計(jì)算機(jī)程序和其上存儲(chǔ)有所述 計(jì)算機(jī)程序的計(jì)算機(jī)可讀裝置。
全文摘要
本申請(qǐng)公開(kāi)一種電容計(jì)、使用電容計(jì)來(lái)測(cè)量電容器的電容的方法、用于測(cè)量電容的計(jì)算機(jī)程序和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。該電容計(jì)包括AC源，向電容器提供具有測(cè)量頻率的測(cè)量電壓；電流傳感器，布置成測(cè)量去往或者來(lái)自電容計(jì)的電流；電壓傳感器，布置成測(cè)量電容器兩端的電壓；以及電容計(jì)算單元，布置成使用控制器利用來(lái)自電流傳感器的測(cè)量電流、來(lái)自電壓傳感器的測(cè)量電壓和測(cè)量頻率來(lái)計(jì)算電容器的電容。電容計(jì)被布置成在測(cè)量持續(xù)時(shí)間期間使用電流傳感器和電壓傳感器來(lái)獲得測(cè)量。選擇測(cè)量頻率和測(cè)量持續(xù)時(shí)間，使得測(cè)量持續(xù)時(shí)間等于測(cè)量頻率的周期的倍數(shù)，并且測(cè)量持續(xù)時(shí)間等于主電源電力的周期的倍數(shù)。
文檔編號(hào)G01R27/26GK102023261SQ20101025550
公開(kāi)日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2010年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者H·O·弗羅杰德 申請(qǐng)人:Abb技術(shù)有限公司