Zmierz napięcie bez prądu

23

Załóżmy, że mam kondensator i chcę obserwować jego zanikanie w miarę upływu czasu. Jak mogę to zrobić bez wpływu na szybkość rozładowania poprzez pomiar?

AFAIK typowy woltomierz przepływa prąd przez znaną rezystancję w celu ustalenia napięcia, ale w procesie rozładowałoby to kondensator, który był mierzony. Wraz ze wzrostem złożoności można zmniejszyć prąd wymagany do wykonania dokładnego pomiaru, a następnie zmniejszyć częstotliwość pomiarów, ale w limicie pomiary nadal będą powodować rozładowanie pewnego napięcia.

W analogii hydraulicznej można zmierzyć ciśnienie (napięcie), umieszczając miernik sprężyny na tłoku uderzonym o dwie strony zbiornika. Żadna woda nie przepływa z jednej strony na drugą, ale uzyskujemy stały odczyt ciśnienia.

Czy istnieje miernik, mechanizm lub obwód, który może to zrobić dla napięcia na kondensatorze lub innym zasilaczu?

mączka
źródło
9
Czy masz dostępny elektroskop ze złotymi liśćmi? Za pomocą elektroskopu .
Andrew Morton,
1
@AndrewMorton - wydaje się, że odpowiedź Jonka to proponuje. Wciąż próbuję zrozumieć, jaką czułość i precyzję można osiągnąć. (Ciekawe, czy są to tylko zabawki instruktażowe, czy też istnieje coś takiego jak nowoczesny elektroskop warsztatowy przeznaczony do dokładnych pomiarów, a nie tylko do ilustrowania / szacowania efektów w terenie.)
wetwet
@Optionparty - AFAIK, co nie jest prawdą w przypadku samorozładowania kondensatora: zachodzi przez izolator, a nie między elektrodami.
footwet

Odpowiedzi:

36

Pomijając schludne rozwiązania fizyki, praktycznym sposobem na osiągnięcie tego jest bardzo niski prąd wejściowy wzmacniacza operacyjnego działający w konfiguracji buforowej. Jeden z tych wzmacniaczy operacyjnych o odpowiednio zaprojektowanym układzie może czerpać z jednocyfrowych femtoampów prądu z czapki, powodując, że zakłócenia są prawie nieistotne, szczególnie jeśli podłączasz wzmacniacz tylko do czapki podczas wykonywania pomiaru.

Legenda analogowa Bob Pease opisuje pomiar wycieku polipropylenu za pomocą tej metody:

Teraz ładuję niektóre z moich ulubionych kondensatorów o niskiej upływności (takich jak polipropylen Panasonic 1 µF) do 9,021 V prądu stałego (napięcie losowe) przez godzinę. Przeczytam VOUT moim ulubionym obserwatorem wzmocnienia jedności o wysokim impedancji wejściowej (LMC662, Ib około 0,003 pA) i buforuję go w moim ulubionym sześciocyfrowym woltomierzu cyfrowym (DVM) (Agilent / HP34401A) i monitoruję VOUT raz na dzień przez kilka dni.

[...]

Day 0: 9.0214 V
Day 1: 9.01870 V
Day 2: 9.01756 V
Day 6: 9.0135 V
Day 7: 9.0123 V
Day 8: 9.01018 V
Day 9: 9.00941 V
Day 11: 9.00788 V
Day 12: 9.00544 V
Day 13: 9.00422 V

Pierwszego dnia po namoczeniu przez godzinę ich wskaźnik wycieku wyniósł 2,7 mV dziennie. Nie jest zły.

Jeśli potrzebujesz zautomatyzować taką konfigurację, dobry, stary przekaźnik kontaktronowy ma w zasadzie nieistotny wyciek (lepszy niż nawet nowoczesne półprzewodnikowe przełączniki analogowe) i można go użyć do krótkotrwałego podłączenia wzmacniacza do testowanego kondensatora w celu dokonania odczytu .

Piotr
źródło
Wow ... femtoAmp-sekundy. Kiedy ujmujesz to w ten sposób, jestem skłonny zgodzić się, że to pytanie jest interesujące tylko z teoretycznego punktu widzenia.
footwet
4
Drat, wspomniałeś o Bobie Peasie, kiedy pisałem swoją odpowiedź :)
pjc50,
1
Jeśli mógłbyś zamienić kondensator na „idealny” o niskiej pojemności (może 20pF z płyt w próżni), możesz skalibrować wyciek z wzmacniacza operacyjnego / urządzenia i uzyskać jeszcze niższy poziom. 3fA / 20pF zmieniłoby się o około +/- 150uV / sekundę, co można łatwo zmierzyć.
Spehro Pefhany
1
„szczególnie, jeśli podłączasz wzmacniacz tylko do nasadki podczas pomiaru”. zauważ, że zachowanie wejściowe takich wzmacniaczy operacyjnych jest zdominowane przez pojemność. Odłączenie wzmacniacza między odczytami raczej nie spowoduje znacznej poprawy.
Peter Green,
11

Zasadniczo do pomiaru pola elektrycznego potrzebny jest elektrometr . Starsze elektroskopy ze złotymi liśćmi działają przez odpychanie statyczne między podobnymi ładunkami, a jeśli wykonane z idealnych materiałów, nie wyciekłyby żadnego ładunku.

Jednak gdy naprawdę zainteresuje Cię różnica między małym prądem a brakiem przepływu prądu, pojawia się duża liczba problemów. Wszystkie aparaty eksperymentalne mają skończony (ale bardzo duży) opór. Elektrony z radością tunelują krótką drogę przez obiekty stałe. Rozpad alfa w materiałach generuje ładunek. Błądzący ładunek unosi się na wiatrach lub napięcie jest indukowane przez pola przechodzące.

Legendarny Bob Pease ma kilka dobrych artykułów na ten temat: Co to za teflon, w każdym razie? a co to wszystko za Femtoampere?

pjc50
źródło
Różne elektrometry bez wzmacniacza operacyjnego: elektrometr wibracyjny trzcinowy do mikroskali, elektrometr z młyna polowego, elektrometr wobbulatora (płyta wibracyjna), elektrometr kwadrantowy (miernik panelowy z ruchomymi łopatkami kondensatora, dobry dla pełnej skali od 200 V do 30 kV.) Sensitive Research Inc. ” elektrometry kwadrantowe są powszechnie dostępne w serwisie eBay za około 100 USD rocznie. Słabym punktem jest czystość powierzchni i wilgotność. ich słupy izolacyjne (teflonowe, ceramiczne, fenolowe itp.) Najlepsze są cienkie izolatory, heh, teflonowe pajęczyny jako fizyczne podparcie?
wbeaty
11

Lepsze metody będą zależeć od różnicy napięcia, którą próbujesz zmierzyć. To samo dotyczy analogii hydraulicznej.

Ale twoja analogia hydrauliczna zawodzi całkowicie pod innym względem. Siły przyspieszające działające na elektrony w przewodniku są powodowane przez bardzo niewiele ładunków. Nie sądzę, żebyś wyczuwał, jak mało elektronów jest potrzebnych na powierzchni przewodnika, aby przyspieszyć znaczne prędkości średnie dla ładunków w przewodzie. Jeśli zgniesz drut w kształcie litery U, może to zająć tylko jeden lub dwa dodatkowe elektrony na zakręcie, aby całkowicie skierować wzmacniacze prądu.

Można mierzyć różnice w wysokich napięciach, ponieważ wielkość różnicy ładunku osiąga punkt, w którym można z powodzeniem zastosować czułe (na przykład kulki na nitce podobnej do włosa). W takim przypadku wpływ na prąd jest tak samo znikomy, jak chwilowe uderzenie twojego przykładu hydraulicznego z powodu bardzo niewielkich ugięć tłoka.

W przypadku małych napięć nie działa to, ponieważ różnica ładunków jest tak niewielka, a każda skończona odległość od nagiej powierzchni przewodnika znacznie zmniejsza niewielką siłę.

voltsmeterNewtonCoulomb1.346×1010Coulombm34.5×103m2V-s1mm2300mA5μVmm

Różnica ładunków w rozsądnych odległościach potrzebnych do wywołania tego prądu jest znikoma (która znajduje się całkowicie na czystej powierzchni przewodu) i nie byłoby możliwe ustawienie przyrządu do pomiaru go w dowolnej skończonej odległości. Jedyny sposób, aby tej pracy jest dodanie przewodu do powierzchni tej drugiej żyły w pewnym momencie i pozostawić te małe różnice ładowania do działania w ich skalach atomowych, tak aby ich niesamowite siły mogą pobudzać elektrony w swojej przyrządu pomiarowego, jak również. Krótko mówiąc, musisz zezwolić na przepływ prądu, ponieważ jest to najbardziej wrażliwy sposób (na pozamilitarnym poziomie budżetu) na wykonanie pomiarów ciśnienia w elektronice.

Oczywiście miło jest pomyśleć o analogiach. Ale jak już wiesz, ważna jest również skala . Istnieje ogromna różnica między odległościami oddzielającymi galaktyki a siłami, które w sposób znaczący działają na tym poziomie, a odległościami oddzielającymi atomy i siłami, które w sposób znaczący działają na tym poziomie. Ustanawiając bardziej dotykowy poziom, o którym ludzie mogą myśleć, istnieje ogromna różnica między siłami, które są dla nas ważne podczas chodzenia i uzyskania przyczepności, a siłami działającymi na muszki owocowe, które mogą z łatwością wylądować na powierzchni ścian i sufit, ponieważ grawitacja jest znacznie mniej ważna w ich skali w porównaniu do ładunku statycznego i szorstkości.

Skala też ma znaczenie.

Więc analogia tutaj zawodzi. W elektronice najlepszym sposobem pomiaru tych niezwykle delikatnych i niewielkich sił, które są potrzebne do pobudzenia praktycznych prądów w obwodach, jest skonfigurowanie systemu pomiarowego, który będzie na nie reagował. Oznacza to umożliwienie wpływu na prąd. Nie ma nic bardziej wrażliwego niż to.

To powiedziawszy, powrócę do faktu, że nadal możesz wykonywać pomiary bez prądu tylko wtedy, gdy różnice napięć są wystarczająco duże, aby ustawić wystarczającą różnicę ładunku do zmierzenia.

jonk
źródło
Dobre wyjaśnienie i tło. Czy możesz dodać oszacowanie wielkości różnic napięć między stykami kondensatora, które powinny być mierzone za pomocą efektów pola?
footwet
@feetwet Odwiedź youtube.com/watch?v=8BQM_xw2Rfo, aby uzyskać informacje na temat potrzebnych napięć.
jonk
@feetwet Przy okazji, oglądając ten film, pamiętaj, że jego test faktycznie przenosi bardzo kilka elektronów, które muszą zostać wymienione w samym przewodzie, aby nadal działać. Więc to nie ma wpływu na chwilowe prądu - po prostu nie można było zmierzyć. O takim hydraulicznym czujniku ciśnienia, o którym mówisz, który ma również chwilowe i bardzo małe oddziaływanie, gdy wystąpią zmiany.
jonk
Tak, to jest pomocne wideo. W rzeczywistości nie trzeba „kradnąć” ładunku z kondensatora, jeśli folia została naładowana z innego źródła. Wystarczy zauważyć, że różnice kV są wystarczające, aby zobaczyć efekty statyczne , mechaniczne . Teraz, jeśli możesz to zrobić kawałkiem folii na sznurku przy tych napięciach, wydaje mi się prawdopodobne (dla mnie), że starannie zaprojektowany miernik (który mógłby ładować własną „płytkę czujnika” do dowolnego napięcia) może wynosić 1- 3 rzędy wielkości bardziej czułe / precyzyjne, co wprowadziłoby to do dziedziny narzędzia Workbench. Czy to brzmi dobrze? Czy takie liczniki istnieją?
footwet
@feetwet Te małe ładunki, które ustawiają się na powierzchni, można rozsądnie uznać za ułamek ładunku elektronowego. Nic, co możesz sobie wyobrazić, nie będzie NIGDY tak wrażliwe, jak umieszczenie przewodnika AT na tych ładunkach, w których odległości są mierzone w Angstremach, a zatem siły mogą działać znacząco. W chwili, gdy się wycofasz i spróbujesz użyć efektu pola w mierzalnych odległościach od człowieka, siły te są prawie zerowe i trudne do zmierzenia.
jonk
7

Istnieje kilka sposobów pomiaru napięcia bez przepływu prądu.


Pierwszą rzeczą, jaka przychodzi mi do głowy, jest efekt piezoelektryczny. Trzeba będzie przenieść wystarczającą ilość ładunku z kondensatora, aby naładować kryształ do tego samego napięcia, ale potem nie będzie przepływu prądu. Jest to najbliższa analogia do manometru hydraulicznego; odczytywałbyś napięcie z wielkości, którą wygina kryształ.

Pomyśl o czymś w rodzaju kryształowej wkładki do fonografu. Przesunięcia od dziesiątek do setek mikronów powodują napięcia rzędu miliwoltów, a efekt ten działa odwrotnie. Oczywiście potrzebujesz jakiegoś mikroskopu do wykrycia ruchu - od zwykłego mikroskopu optycznego po mikroskop z prądem tunelowym, który byłby naprawdę bardzo czuły.


W przypadku drugiej metody sprawdź oryginalną definicję potencjometru , która odnosiła się do układu, który zawierał nie tylko trójstopniowy rezystor zmienny, z którym wszyscy jesteśmy zaznajomieni, ale także dokładne odniesienie napięcia i galwanometr do pomiaru prądu .

Z definicji prąd przepływający przez galwanometr wynosi zero, gdy rezystor jest ustawiony na nieznane napięcie.

Oczywiście użycie potencjometru do pomiaru samorozładowania kondensatora jest problematyczne, ponieważ jak tylko nieco spadnie napięcie kondensatora, sam potencjometr zacznie dostarczać prąd, aby go naładować. Dlatego będziesz musiał ciągle dostosowywać rezystor, aby utrzymać zerowany galwanometr.

Oczywiście można po prostu pozwolić układowi dojść do równowagi i odczytać prąd upływowy kondensatora bezpośrednio z galwanometru, zakładając, że ma skalibrowaną skalę.

Dave Tweed
źródło
Zgadzam się, efekt piezoelektryczny jest równoważny z manometrem hydraulicznym. Ściany kryształu odchylają się proporcjonalnie do przyłożonego napięcia. Kiedy kondensator rozładuje się, ściany powrócą do swojego „normalnego” stanu. Dzięki skalibrowanemu mikroskopowi można przełożyć ruch ścian na napięcie maksymalne, bez potrzeby przepływu prądu!
Guill
1

Jeśli twoje napięcie jest wystarczająco wysokie, możesz użyć młyna feild.

winny
źródło
1
OK: Mam kondensator na stole warsztatowym. Jak użyć młyna polowego do pomiaru napięcia na jego zaciskach bez przepływu prądu między zaciskami?
footwet
„Przedłuż” jeden z biegunów do dużego talerza. Uruchom swój młyn feild w jego pobliżu, a jego napięcie będzie względem ziemi. Jeśli potrzebujesz różnicy, użyj dwóch płytek, zmierz oba i odejmij jedno napięcie od drugiego. Może być możliwe „uziemienie” go na jednym z biegunów, ale nigdy nie eksperymentowałem z nim, tylko różnicowo względem podłoża.
winny
Nigdy nie słyszałem o stosowaniu tego do napięć niejonizujących i nie jestem pewien, jak to wykryje. Czy potrafisz opracować lub podać przybliżone wyniki czułości napięcia?
footwet
1
Poczekaj chwilę: jeśli młyn polowy odbiera ładunek, to musi on pobierać go z kondensatora, prawda? To znaczy, jeśli młyn polowy może mierzyć napięcie na zaciskach kondensatora, wówczas zmniejszy napięcie kondensatora podczas pracy, co jest tym samym problemem w przypadku woltomierza konwencjonalnego, zastanawiałem się, czy można tego uniknąć.
footwet
2
Kradzież opłaty? Nie, młyn polowy jest jak pobliski przewodnik, ale porusza się. Może znajdować się w odległości jardów od mierzonego obiektu lub mm. rozdzielczość mV lub 100 kV. Tak, wytwarza małe efekty ładunku AC w ​​mierzonym obiekcie. Ale bez wycieku prądu stałego. (Młyn polowy jest zasadniczo generatorem elektrostatycznym, w którym mierzonym obiektem jest „płyta polowa” generatora, która nigdy się nie dotyka, a więc nie są pobierane femtoampy prądu stałego. Jakakolwiek energia w mierzonym sygnale napięciowym pochodzi całkowicie z energii wtryskiwanej mechanicznie w ruchome części, NIE z płyt polowych generatora.)
wbeaty
1

Fizyk tutaj, prawdopodobnie zostanie wyśmiany ze strony SE za tę teoretyczną odpowiedź, ale oto:

Dlaczego nie zmierzyć prądu niepobocznie? Pomysły:

  1. Umieść amperomierz na jednej nodze kondensatora. Zintegruj prąd w czasie.
  2. Zbierz utracony ładunek na znacznie większym, stale monitorowanym kondensatorze.
  3. Zmierz pole elektryczne w kondensatorze (zakładając równoległe płytki lub inną dostępną geometrię).

Wiele manometrów niskociśnieniowych polega na jonizacji zaledwie kilku atomów na sekundę i mierzy prąd wywołany przez wolne elektrony uderzające w katodę. Dlaczego nie zrobić odwrotności i użyć napięcia na naładowanym kondensatorze do odchylenia jonów w wysokiej próżni i zmierzenia ich zmiany trajektorii?

użytkownik1717828
źródło
Ostatni pomysł brzmi interesująco i faktycznie brzmi, jakby można go było przekształcić w praktyczny i czuły miernik stołowy. Zastanawiam się, czy jest to komercyjne wcielenie. # 3 nie jest możliwe w przypadku większości praktycznych kondensatorów, chociaż można zobaczyć wiodącą ideę w innych odpowiedziach, a komentarzami jest pomiar pola na zaciskach kondensatora. # 1 i # 2 nie są w tym przypadku pomocne, ponieważ chodzi o przyjrzenie się izolowanej szybkości samorozładowania kondensatora. To nie da tych samych danych, jeśli „rozładowujemy je, ale śledzimy, jakie zrzuty można przypisać pomiarowi”.
footwet
1

Możesz użyć AD549 (kosztuje około 30 EUR) jako zwolennika zdobywania jedności. Rezystywność wejściowa jest większa niż rezystywność standardowej izolacji drutowej lub standardowego materiału PCB w typowym obwodzie.

Uwaga: literówka w zestawie danych AD549 (2014) strona 9 powinna zawierać literę 6, na której drukowany jest pin 5.

Powinieneś poszukać białych ksiąg Keithleya (obecnie Tektronix) na pomiarze przy niskim prądzie. Niestety strona jest tak nieprzyjazna dla użytkownika, że ​​nie znalazłem sposobu na utworzenie linku.

Jeśli potrzebujesz czegoś bardziej inteligentnego, możesz przyłożyć napięcie do kondensatora i wyregulować go tak, aby nie było prądu. Nie jest to jednak trywialne i ma sens tylko w warunkach laboratoryjnych, z bardzo drogimi drutami o niskim poziomie hałasu, dobrym ekranowaniem, stabilnymi temperaturami ...

Zajrzyj do instrukcji obsługi

  • Keithley Nanovoltmeter Model 2182A
  • Keysight NanoVolt Micro-Ohm Meter 34420A
Jonas Stein
źródło
0

ΩΩ

I=VShunt/RShunt

Pomiar kondensatora napięcia za pomocą miernika o wysokiej impedancji spowoduje, że ładunek wypłynie z kondensatora do miernika. To, czy spowoduje to zniekształcenie wyników, zależy od reszty obwodu i dokładnie tego, co próbujesz zmierzyć.

Należy pamiętać, że prawdziwe kondensatory nie są idealne i z czasem rozładują się naturalnie. W zależności od rodzaju kondensatora samorozładowanie jest znaczące lub nie. Wysokiej jakości kondensatory foliowe są bardzo stabilne i utrzymają ładunek przez wiele godzin lub dni, w zależności od okoliczności. Elektrolityczność aluminium, nie tyle.

ΩΩ

vofa
źródło
To, co opisałeś, to mechanizm pomiaru napięcia, który opisałem w pytaniu. Przyznaję, że przepływ prądu w typowym woltomierzu jest niewielki w wartościach bezwzględnych, ale dopóki nie jest zerowy i ciągły, zawsze będzie on znaczący dla pewnego kondensatora, napięcia i / lub czasu trwania.
footwet
Ogólnie rzecz biorąc, każdy czynnik pomiarowy może być znaczący lub nieznaczny. To prawda, że ​​przez miernik przepływa bardzo niewielka ilość prądu (1-10 Meg). Ale czy Twój kondensator jest całkowicie izolowany w obwodzie? Czy w obwodzie są ścieżki, przez które ładunek może krwawić z kondensatora znacznie szybciej niż przez miernik? Niektóre niewielkie przepływy prądu są nieuniknione w rzeczywistości fizycznej. Ogólnie nie można odpowiedzieć na pytanie, czy jest to istotne.
vofa,
1
To pytanie dotyczy wyłącznie pomiaru szybkości samorozładowania kondensatora. Pytam, czy w praktyce (a nawet teoretycznie) można to zrobić bez tworzenia przepływu prądu między zaciskami kondensatora (inaczej niż trywialnie w momencie podłączenia miernika). Twój komentarz mówi, że obecny przepływ jest nieunikniony . Dotyczy to mierników napięcia opisanego przez nas typu. Ale czy istnieje prawo lub dowód na to, że dotyczy to zasadniczo pomiaru napięcia?
footwet
Urządzenie do pomiaru napięcia będzie miało pewien opór wejściowy. Wraz ze wzrostem tego oporu będzie płynąć mniej prądu. Nawet przy 100 terachach i 1 V przepłynie 10fA. Jeśli ten prąd płynie przez 1 sekundę, ponad 600 000 elektronów przepłynęło przez rezystor terminujący. O ile mi wiadomo, nigdy nie będziesz mieć zerowego przepływu prądu. Możesz mieć zadziwiająco niski, całkowicie nieistotny przepływ prądu, ale nie zero. Ta strona może pomóc: robotroom.com/Capacitor-Self-Discharge-1.html
vofa
3
Nie przegłosowałem tego, ale myślę, że otwarcie, mówiąc, że pytanie jest złe, nie ma tutaj zastosowania.
pjc50,
-2

Zmierz napięcie chwilowe na trzonku za pomocą oscyloskopu o wysokiej impedancji wejściowej, będzie to wystarczające do celów praktycznych.

David William Lewis
źródło
1
Impedancja wejściowa typowego zakresu może wynosić 10 MΩ lub 100 MΩ. Jeśli przeczytasz resztę dyskusji na tej stronie, przekonasz się, że taka impedancja jest wciąż zbyt niska.
uint128_t