Контрольные вопросы: - 7.1 Измерение параметров компонентов с сосредоточенными параметрами

Это окончание невероятной информации про измерение параметров компонентов с сосредоточенными параметрами.

...

преобразования их значений в пропорциональный интервал времени и измерение этого интервала путем заполнения счетными импульсами. Метод измерения называют методом дискретного счета.Второй способ цифрового измерения параметров элементов использует уравновешивающее преобразование сопротивления, индуктивности и емкости, основанное на сравнении измеряемой величины с образцовой.

При методе дискретного счета используют закономерности апериодического процесса, возникающего при подключенной  запряженного конденсатора или катушки индуктивности с протекающим в ней током к образцовому резистору. При измерении активного сопротивления применяют процесс разряда образцового конденсатора через измеряемый резистор. При этом измеренный интервал времени функционально связан с преобразуемым параметром. Преобразователи отличают высокая точность, быстродействие, линейность функции преобразования, удобная для преобразования в цифровой код видом выходного сигнала.

Схема преобразователя сопротивлений, индуктивностей и емкостей в интервал времени (период меандрового напряжения) показана на рис.

7.12,а.

Измерительная цепь ИЦ интегрирующего типа с постоянной времени τх = R0CX (или RXCO, или Lх/R0 - рис. 7.12,б) питается выходным напряжением операционного усилителя ОУ, являющегося компаратором. Порог его срабатывания задают делителем R1 и R2. Временные диаграммы работы преобразователя параметров элементов приведены на рис. 7.12,в.

Рисунок 7.12 Преобразователь параметров элементов в интервал времени:

а - схема; б - измерительные цепи; в - временные диаграммы; ИЦ - измерительная цепь; ОУ - операционный усилитель

При поступлении в момент времени t0 на ИЦ с выхода ОУ напряжения Uo происходит его интегрирование измерительной цепью. Очевидно, что напряжение на инвертирующем входе ОУ:

                                u(t) = U0(1 + β)(l - e-t/τх)-βU0,                                (7.22)

где β = R2/(R1 + R2) - коэффициент передачи цепи положительной ОС.

При достижении этой функцией порогового значения + βU0 (момент времени t1) компаратор срабатывает и изменяет на выходе знак напряжения Uo на противоположный. Можно показать, что интервал интегрирования равен

                                     T1 = t1 −t0 =πx ln11+−ββ ,                           (7.23)

На следующем интервале времени Т2 = t2 - t1 происходит формирование развертывающей функции с противоположным знаком производной. Очевидно, что при равенстве значений положительного и отрицательного порогов срабатывания | + βU0| = | - βU0|,интервалы Т1 и Т2 равны. Период напряжения на выходе ОУ:

                          Tx =T1 +T2 = 2τx ln11+−ββ ,           (7.24)

Этот интервал измеряют цифровым измерителем интервалов (или частотомером). Результат измерения периода Тх пропорционален значению определяемого параметра Rx (или Сх, или Lx);

На рис. 7.13 покачана структурная схема цифрового измерителя емкости и сопротивления, реализующая метод дискретного счета, а на рис.

7.14 - временные диаграммы к схеме.

Рисунок 7.13 Структурная схема цифрового измерителя емкости и сопротивления

Перед измерением ключ Кл (рис. 7.13) устанавливают в положении 1 и конденсатор Сх заряжается через ограничительный резистор Rд до значения стабилизированного источника напряжения Е.

В момент начала измерения емкости t1 (рис. 7.14,а) 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 Ro5p по экспоненциальному закону (рис. 10.10, б), который описывают уравнением:

                                               UC =Ee−(t−t1)/τ ,                                      (7.25)

где τ = RобрCx - постоянная времени цепи разряда конденсатора.

Рисунок 7.14 Временные диаграммы к рис. 7.13:

а - импульсы управления; б - процесс разряда конденсатора;  

в- сигнал на выходе УС; г - сигнал триггера; д - импульсы на входе счетчика

В момент времени t1 единичный импульс напряжения UT с выхода триггера открывает схему совпадения и счетчик начинает счет тактовых импульсов генератора, следующих с некоторой частотой f. Напряжение Uc подают на один из входов устройства сравнения, ко второму входу которого подводится напряжение с делителя, состоящего из резисторов R1 и R2. Это напряжение равно:

                                               UR =ER1R+2R2 ,                                    (7.26) Сопротивления R1 и R2 выбирают такими, чтобы при разряде конденсатора уменьшающееся напряжение Uc по истечении времени τ стало равным напряжению UR. В момент t2, когда эти напряжения будут равны, на выходе устройства сравнения возникает импульс напряжения Uyc, переключающий триггер в исходя состояние, при котором задним фронтом его импульса UТ закрывается схема совпадения, и счетчик прекращает счет тактовых импульсов (рис. 7.14,б - д).

Поскольку при t = t2 напряжения Uc = UR  И τ = t - t1, то                            e−(t2−t1) /τ = R1 R+2R2 =e−1 = 2,7181 = 0,368,                (7.27)

Таким образом, напряжение UR, снимаемое с делителя R1 R2 имеет

определенное значение (UR = 0,368Е), что достигают подбором сопротивлений резисторов. За интервал времени τ = RобрСх на счетчик поступает число импульсов

                                                   N = f τ,                                          (7.28)

где f - частота следования счетных импульсов.

Поскольку τ = Ro5pCх, то при фиксированных значениях частоты f и сопротивления Rобр

                                                        Cx = N/(fRo5р) = N/K1,                                      (7.29)

Здесь коэффициент K1 = fRo6p.

Согласно      (7.29),        величина    измеряемой         емкости      прямо пропорциональна числу импульсов N, поступивших на счетчик.  

Наличие образцового конденсатора Со6р позволяет аналогичным образом измерить сопротивление резистора:

                                                      Rx = N/(fCo5p) = N/K2,                                     (7.30)

где коэффициент К2 = fСобр.

Цифровые измерительные приборы, построенные по методу дискретного счета, получили широкое распространение при измерении параметров электрических цепей. К достоинствам метода следует, отнести достаточно высокую точность измерений погрешность измерений цифровым методом составляет 0,1…0,2 % и зависит в основном от нестабильности сопротивлений резисторов R1 R2, Ro5p или конденсатора Со6р, нестабильности частоты f  генератора счетных импульсов, а также неточности срабатывания устройства сравнения. К недостаткам таких приборов можно отнести трудность измерения параметров на рабочей частоте.

Наряду с методами прямого преобразования (дискретного счета) в практике используют также методы уравновешивающего преобразованияизмеряемых значений сопротивления, индуктивности и емкости, основанные на сравнении измеряемой величины с образцовой. 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.

На        рис.   7.15 показана    структурная        схема       цифрового          моста постоянного тока уравновешивающего типа для измерения активного сопротивления резистора или другого элемента с омическими потерями.

Рисунок 7.15 Структурная схема цифрового моста постоянного тока уравновешивающего типа

Измеряемый резистор Rх, 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

                                          Rх = R1RПКС/R1 = kПKCNR1/R2,                                                (7.31)

где RПКС - сопротивление ПКС; kПКС = RПКС/N - коэффициент

преобразования ПКС.

Как следует из формулы (7.31), результат измерения (он фиксируется ЦОУ) не зависит от напряжения питания. Пределы измерения подбирают путем изменения отношения сопротивление резисторов R1 и R2 цепи положительной обратной связи.. Цифровые мосты постоянного тока уравновешивающего типа обеспечивают погрешность измерения параметров около 0,01 % и поэтому их широко применяют для точного измерения активного сопротивления резисторов.

Более сложными по структуре построения являются мосты переменного тока, предназначенные для измерений комплексного сопротивления, индуктивности и емкости при определенной фиксированной частоте (обычно около 1 кГц). Эти мосты выполняют уравновешивание по двум параметрам, т.е. производят раздельное и независимое уравновешивание двух составляющих комплексного сопротивления Zх.

7.1.9 Измерение сопротивления заземления

Разного рода заземления (рабочие, предназначенные служить вторым проводом какой-то цепи; защитные - для устранения влияния на линии и аппаратуру наведенных опасных и мешающих напряжений; вспомогательные - для проведения измерений) контролируют с помощью переменного тока, поскольку использование постоянного тока приводит к ошибкам, обусловленным явлениями поляризации.

Так как каждое заземление имеет только один вывод, то для определения сопротивления заземления по любой схеме необходимо иметь не менее трех заземлений (с сопротивлениями Rх, Rу, Rz). Простейшим способом определения этих величин может быть метод трех сумм: комбинируя эти сопротивления по два, получим Rxy = Rх + Rу; Rxz = Rx + Rz; Ryz = Ry + Rz, откуда можно найти каждое из них. Однако такой способ

дает слишком большую погрешность, если сопротивления сильно отличаются друг от друга.

Чаще для измерения сопротивлений заземлений используют метод амперметра и вольтметра (рис. 7.16), на котором основано, например, устройство прибора МС-08. Если сопротивление вольтметра достаточно велико, то RX = UX/IX, где Uх - показания вольтметра, а Iх - амперметра.

Рисунок 7.16 Измерение сопро-                Рисунок 7.17 Компенсацион- тивления заземления мето-                         ный способ измерения со- дом амперметра и вольтметра                   противлении заземлений      

Широко        применяется        компенсационный        способ       измерения сопротивлений заземлений, схема которого представлена на рис. 7.17 (по подобной схеме работает прибор типа ИЗ). Регулируя сопротивление r, можно добиться минимальной громкости звука в телефоне. Это будет означать, что потенциал у контакта движка потенциометра R, создаваемый током I2 на сопротивлении r, имеет ту же величину и знак, как и потенциал земли, создаваемый током I1, протекающим через сопротивление Rx. Иначе говоря, I2 r = I1R2 т. е. эти напряжения в каждый момент компенсируют друг друга. Чтобы такая компенсация могла быть достигнута при различных Rх трансформатор Тр делается

секционированным, с переменным коэффициентом трансформации, что дает возможность менять силу тока I2. Возможность перемены фазы этого тока показана на схеме перекрещиванием проводов вторичной обмотки. Если I1

= nI2, где n - коэффициент трансформации, то (при отсутствии тока в теле фоне) Rx = r/n.

Важным преимуществом компенсационного способа является отcутствие необходимости брать Ry и Rz примерно равными Rx; они могут быть существенно отличными от Rx, поскольку их величины практически не влияют на значение величины тока I2 при компенсации. Следует однако, иметь в виду, что при слишком малых значениях Rx точность измерений невелика вследствие неизбежности некоторого сдвига фаз в трансформаторе и заземлениях.

Погрешность         измерений сопротивлений   заземлений компенсационным методом с помощью прибора ИЗ составляет 3÷50 % от нижнего предела измерений (в приборе три предела: 0,02 - 1,5; 0,2 - 15; и 2 -

150 Ом). Что касается нормальных значений сопротивлений заземлений, то они могут быть различны в зависимости от значения заземления и количества проводов, введенных на станцию.

Контрольные вопросы:

1.     Какие параметры электрических цепей считают сосредоточенными, а какие распределенными?

2.     Перечислите основные методы измерения активных сопротивлений.

3.     Дайте     краткую     характеристику методам     измерения      активных сопротивлений.

4.     Условие равновесия моста постоянного тока.

5.     Условия равновесия моста переменного тока.

6.     Поясните работу куметра.

7.     Какие методы измерения параметров используют в цифровых приборах?

Информация, изложенная в данной статье про измерение параметров компонентов с сосредоточенными параметрами , подчеркивают роль современных технологий в обеспечении масштабируемости и доступности. Надеюсь, что теперь ты понял что такое измерение параметров компонентов с сосредоточенными параметрами и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории МЕТРОЛОГИЯ И ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ

Продолжение:

Часть 1 7.1 Измерение параметров компонентов с сосредоточенными параметрами
Часть 2 Контрольные вопросы: - 7.1 Измерение параметров компонентов с сосредоточенными параметрами

Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.