СЛ_Измерение R_L_C_ЦИИУ_

реклама
Слайд-лекция на тему:
«Измерители сопротивления, емкости,
индуктивности»
по дисциплине:
«Цифровые и интеллектуальные
измерительные устройства»
Старший преподаватель
кафедры Приборостроения
Белик Михаил Николаевич
Специальность 5B071600 - Приборостроение
План лекции:
1. Общие сведения;
2. Метод дискретного счета;
3. Метод уравновешивающего
преобразования;
4. Цифровые автоматические
приборы с микропроцессором.
Общие сведения
Цифровые средства измерения параметров
элементов электрических цепей чаще всего
используют
сочетание
аналогового
преобразователя,
преобразующего
определяемый параметр элемента в активную
величину, и цифрового прибора для измерения
этой величины.
В
цифровых
измерительных
приборах
используют два основных метода:
- метод дискретного счета;
- метод уравновешивающего преобразования.
Метод дискретного счета является метод
прямого
преобразования
значений
сопротивления, индуктивности и емкости в
пропорциональный
интервал
времени
и
измерение этого интервала путем заполнения
счетными импульсами.
Второй
способ
цифрового
измерения
параметров
элементов
использует
уравновешивающее
преобразование
сопротивления, индуктивности и емкости,
основанное на сравнении измеряемой величины с
образцовой.
Метод дискретного счета
При методе дискретного счета используют
закономерности
апериодического
процесса,
возникающего при подключении заряженного
конденсатора или катушки индуктивности с
протекающим в ней током к образцовому
резистору.
При измерении активного сопротивления
применяют
процесс
разряда
образцового
конденсатора через измеряемый резистор.
Преобразователи
отличают
высокая
точность,
быстродействие,
линейность
функции
преобразования,
удобная
для
преобразования в цифровой код видом выходного
сигнала.
Преобразователь параметров элементов в
интервал времени
а) схема;
б) измерительные цепи;
Измерительная цепь ИЦ интегрирующего типа с
постоянной времени х = R0CX (или RXC0, или LХ/R0 — рис.
б) питается выходным напряжением операционного
усилителя ОУ, являющегося компаратором. Порог его
срабатывания задают делителем R1 и R2.
Временные диаграммы работы преобразователя
параметров элементов
При поступлении в момент времени t0 на ИЦ с
выхода ОУ напряжения U0 происходит его
интегрирование измерительной цепью.
Напряжение
инвертирующем
ОУ:
на
входе
u(t) = U0(1+β)(1-e-t/x)-βU0,
где β = R2/R1+R2) —
коэффициент передачи
цепи
положительной
ОС.
Структурная схема цифрового измерителя
емкости и сопротивления реализующая метод
дискретного счета
Перед измерением ключ Кл устанавливают в
положении 1 и конденсатор Сх заряжается через
ограничительный резистор RД до значения
стабилизированного источника напряжения Е.
Временные диаграммы цифрового измерителя
В момент начала
измерения емкости t1
управляющее
устройство импульсом
управления
переключает триггер
из состояния 0 в
состояние 1, очищает
предыдущие показания
счетчика импульсов и
переводит ключ Кл в
положение 2.
Измеряемый
конденсатор
Сх
начинает
разряжаться через образцовый резистор Roбp по
экспоненциальному закону, который описывают
уравнением:
UC = Ee-(t - t1)/,
где  = RобрCХ — постоянная времени цепи
разряда конденсатора.
В момент времени tx единичный импульс
напряжения UT с выхода триггера открывает
схему совпадения и счетчик начинает счет
тактовых импульсов генератора, следующих с
некоторой частотой f.
Поскольку  = RoбpCx, то при фиксированных
значениях частоты f и сопротивления Roбp
CX = N/(f Rобр) = N/K1.
Здесь коэффициент К1 =f Roбp.
Следовательно величина измеряемой емкости
прямо пропорциональна числу импульсов N,
поступивших на счетчик.
Наличие образцового конденсатора
Собр
позволяет аналогичным образом измерить
сопротивление резистора:
RX = N / (f Cобр) = N / K2,
где коэффициент K2 = f Cобр.
Достоинства метода - достаточно высокую
точность измерений. Погрешность измерений
цифровым методом составляет 0,1... 0,2 % и
зависит в основном от нестабильности
сопротивлений резисторов R1, R2, Roбp или
конденсатора Собр, нестабильности частоты f
генератора счетных импульсов, а также
неточности
срабатывания
устройства
сравнения.
Недостатки
трудность
измерения
параметров на рабочей частоте.
Метод уравновешивающего
преобразования
Сравнение измеряемой величины с образцовой
чаще
всего
осуществляют
путем
уравновешивания
мостовой
измерительной
цепи, в одно из плеч которой включают
исследуемый двухполюсник. В смежное плечо
моста
вводят
образцовый
элемент,
представляющий собой набор квантованных
образцовых мер, соответствующих весовым
коэффициентам
разрядов
используемого
цифрового
кода.
Изменением
параметров
образцового
двухполюсника
добиваются
равенства нулю напряжения в измерительной
диагонали.
Структурная схема цифрового моста
постоянного тока уравновешивающего типа
Измеряемый
резистор
Rx,
образцовые
резисторы R1 и R2 и преобразователь кода в
сопротивление ПКС образуют мост, который
питается источником постоянного напряжения
ИП.
Разбаланс моста фиксируют устройством
сравнения УС. Устройство управления УУ
анализирует
выходной
сигнал
УС
и
в
зависимости от его знака увеличивает или
уменьшает
значение
цифрового
кода
N,
выдаваемый
на
ПКС.
Уравновешивание
производится до тех пор, пока напряжение в
выходной диагонали моста не станет меньше
порога чувствительности УС. При этом
измеряемое сопротивление
RX = R1 R ПКС / R2 = kПКС N R1 /R2,
где RПКС —сопротивление ПКС;
kПКС= RПКС/N— коэффициент преобразования
ПКС.
Результат
измерения
не
зависит
от
напряжения
питания.
Пределы
измерения
подбирают
путем
изменения
отношения
сопротивлений резисторов R1 и R2 цепи
положительной обратной связи.
Цифровые
мосты
постоянного
тока
уравновешивающего
типа
обеспечивают
погрешность измерения параметров около 0,01
% и их широко применяют для измерения
активного сопротивления резисторов.
Мосты
переменного
тока
измеряют
комплексное сопротивления, индуктивность и
емкость при определенной частоте (1 кГц). Они
производят
раздельное
и
независимое
уравновешивание
двух
составляющих
комплексного сопротивления Zx.
Цифровые автоматические приборы
с микропроцессором
В
цифровых
автоматических
приборах
измерения R, L, C используют методы, связанные
с преобразованием измеряемого параметра в
напряжение или ток, частоту или интервал
времени, а также измерительные устройства,
построенные
на
основе
мостовых
и
компенсационных схем.
Наибольшее распространение в практике
измерений получили цифровые автоматические
приборы с микропроцессором, выполненные по
схемам
с
использованием
уравновешенных
мостов. Уравновешивание моста осуществляют
автоматическим регулированием двух органов
моста (для каждого из измеряемых параметров).
Cтруктурная схема цифрового автоматического
измерителя комплексного сопротивления с
микропроцессором
В основе данного способа измерения параметров
цепей цифровым прибором лежит мостовой метод с
фазочувствительными детекторами уравновешивания. Питание мостовой схемы осуществляют от
генератора переменного напряжения.
Микропроцессор с встроенным тактовым
генератором определенной частоты выполняет
все
функции
управления
измерительным
процессом. Напряжение разбаланса моста Up
через усилитель сигнала разбаланса поступает
на входы фазовых детекторов активной (АС) и
реактивной
(PC)
составляющих.
Опорные
напряжения фазовых детекторов снимают с
мостовой схемы. С фазовых детекторов
напряжение разбаланса подают на реверсивные
счетчики, управляющие состоянием органов
уравновешивания
мостовой
схемы,
и
на
микропроцессор, задающий сигналами UAC и UPC
скорость счета соответствующих реверсивных
счетчиков.
Направление счета реверсивных счетчиков
определяет знак напряжения разбаланса фазовых
детекторов, скорость счета — уровень этого
напряжения. Изменение состояния счетчика,
вызванное приходом на мост каждого тактового
импульса Up тактового генератора, приводит к
изменению значения регулирующего параметра
на одну единицу младшего разряда. Опорные
напряжения фазовых детекторов выбирают
такими, что сигналы, вырабатываемые ими,
определяются отклонением органа управления
от состояния равновесия: сигнал одного
детектора
отклонением
по
активной
составляющей АС, сигнал другого — по
реактивной составляющей PC.
Управление мостом осуществляют сигналом
Ur микропроцессора. По мере приближения к
состоянию
баланса
моста
напряжение
разбаланса уменьшается, вследствие чего
замедляется скорость его уравновешивания.
При
достижении
состояния
равновесия
мостовой схемы, дискретное уравновешивание
прекращается,
и
результаты
измерения
параметра поступают на ЦОУ.
Микропроцессор
автоматически
осуществляет самокалибровку прибора перед
началом измерений, и учитывает влияние
внешних условий на точность измерений.
Рекомендуемая литература
1. Раннев Г. Г. Методы и средства измерений:
Учебник для вузов / Г. Г. Раннев, А.П. Тарасенко. – 6-е
изд., стереотип. – М.: Издательский центр
«Академия», 2010. – 336 с.
2. Аналоговые электроизмерительные приборы:
Учебное пособие для вузов по специальности
"Информационно-измерительная техника" /Бишард
Е.Г. и др. –2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая
школа, 1991. – 415 с.
3. Информационно-измерительная техника и
электроника: учебник для студ. высш. учеб.
заведений / [Г. Г. Раннев и др.]; под ред. Г. Г. Раннева
– М.: Издательский центр «Академия», 2009. –
512 с.
4. Ратхор Т.С. Цифровые измерения. АЦП/ЦАП.
Москва, Техносфера, 2006. – 392с.
Задания для СРС
1. Какие основные методы измерения
параметров электрических цепей используются
в цифровых приборах?
2. В чем состоит метод дискретного счета?
3. Объясните, в чем заключается метод
уравновешивающего
преобразования
сопротивления, индуктивности и емкости.
4. Нарисуйте структурную схему цифрового
измерителя емкости и сопротивления.
5. Объясните принцип действия цифрового
моста постоянного тока уравновешивающего
типа.
Скачать