Автоматизация измерений, контроля и испытаний (стр. 12 из 13)

Упрощенная структурная схема куметра представлена на рис.32. Источником синусоидальных сигналов, подаваемых на последовательный резонансный контур, является генератор тока, нагруженный на малое активное сопротивление R₀ ≤ 0,05 Ом. Частота выходных колебаний генератора может изменяться в широких пределах. Уровень входного сигнала необходимо поддерживать постоянным (по вольтметру VI).

Рис.32. Упрощенная структурная схема куметра

При измерении индуктивности катушку подключают к зажимам 1—2. В этом случае резонансный контур будет образован катушкой измеряемой индуктивности L_xс активными потерями R_Lи межвитковой емкостью ее проводов С_L,а также перестраиваемой эталонной емкостью С_э. Резонанс в контуре на заданной частоте достигается изменением величины емкости С_э, эталонного конденсатора. Состояние резонанса контура определяется по вольтметру V2, отградуированному в значениях добротности Q. Если измерения емкости С_э произвести на двух резонансных частотах, то их можно вычислить по следующим уравнениям:

(40)

(41)

где С_э1, и С_э2 — известные эталонные емкости при резонансных частотах ƒp₁ и ƒ_Р2 соответственно.

Пусть соотношение частот ƒp₁ = Kƒ_Р2, где К — коэффициент — вещественное число. Тогда совместное решение уравнений (40), (41) дает возможность вычислить ранее неизвестные величины параметров L и C_L:

(42)

(43)

С помощью куметра можно также определять неизвестные параметры R, С, tgδ_c, подключая измеряемые резистор или конденсатор к зажимам 3 — 4.

Погрешности измерения параметров L, С, tgδ_c, R куметром лежат в пределах 1...5% в зависимости от используемой схемы.

Причинами появления этих погрешностей могут являться: нестабильность генератора, наличие в контуре постороннего сопротивления R₀, неточность шкалы конденсатора эталонной емкости С_э, погрешности измерительных приборов VI, VI, погрешность считывания показаний.

7. Метод дискретного счета с мостами переменного тока

В методе используется апериодический процесс, возникающий при подключении заряженного конденсатора или катушки индуктивности с протекающим в ней током к образцовому резистору. В первом случае при измерении сопротивления разряд образцового конденсатора проходит через измеряемый резистор. Структурная схема измерителя емкости, реализующая метод дискретного счета, показана на рис.33.

Рис.33. Структурная схема измерителя емкости с мостом переменного тока, реализующая метод дискретного счета

Перед измерением емкости ключ Кл устанавливается в положении 1 и конденсатор С_хзаряжается через ограничительный резистор R_ддо значения стабилизированного источника напряжения Е.

В момент начала измерения t₁(рис.34.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. Конденсатор С_д начинает разряжаться через образцовый резистор Rобр по экспоненциальному закону (рис.34, б), который аналитически описывается выражением

В момент времени t₁единичный импульс U_тс выхода триггера открывает схему совпадения и счетчик начинает счет тактовых импульсов генератора, следующих с некоторой частотой ƒ.

Напряжение Uс подается на один из входов устройства сравнения, ко второму входу которого подводиться напряжение с резистора R₂ состоящего из резисторов R₁ и R_2. Это напряжение определяется выражением:

U_R = ER₂/ (R, + R₂). (45)

Сопротивления R₁ и R₂выбирают так, чтобы при разряде конденсатора уменьшающееся напряжение

напряжению при разряде U_R. В момент t₂, когда сравниваются эти напряжения, на выходе устройства сравнения возникает импульс Uус, переключающий триггер в исходное состояние, при котором задним фронтом его импульса U_Tзакрывается схема совпадения, и счетчик прекращает счет тактовых импульсов (рис.34, б...д).

Рис. 34.Временные диаграммы к схеме рис.33: а- импульсы управления; б- процесс разряда конденсатора; в- сигнал на выходе УС; г- сигнал триггера; д- импульсы на входе счетчика.

Поскольку при t - t₂напряжения U_c= U_Rи τ = t₂- t_uто

(46)

(47)

Итак, напряжение U_R, снимаемое с делителя R_1, R₂, должно иметь определенное значение, что достигается подбором сопротивлений его резисторов.

При поступлении на счетчик N импульсов

N=fτ, (48)

гдеƒ— частота следования счетных импульсов.

Так как τ = R_обрC_x, то при фиксированных значениях частоты ƒи сопротивления R_o6p

(49)

где коэффициент К₁=ƒR_o6p.

Согласно (49), величина измеряемой емкости прямо пропорциональна числу импульсов N, поступивших на счетчик.

Наличие образцового конденсатора С_о6р позволяет аналогичным образом измерить сопротивление резистора:

Rx= N/(ƒC_o5p) = N/K₂, (50)

где коэффициент К₂ = ƒС_обр.

Метод дискретного счета, использующий мосты переменного тока, широко применяется при создании цифровых измерителей емкостей и сопротивлений. К достоинствам метода следует отнести, прежде всего, достаточно высокую точность измерений.

Погрешность измерений цифровым методом составляет 0,1...0,2% и зависит в основном от нестабильности сопротивлений резисторов Rоб_Р, R₁, R₂или конденсатора Собр, нестабильности частоты генератора счетных импульсов, а также неточности срабатывания устройства сравнения.

8. Цифровые автоматические приборы с микропроцессором. Цифровые мультиметры

Цифровые автоматические приборы с микропроцессором

При создании цифровых автоматических приборов для измерения сопротивления, индуктивности и емкости широко используются методы, связанные с преобразованием измеряемого параметра в напряжение или ток, частоту или интервал времени, а также методы на основе мостовых и компенсационных схем.

Наибольшее распространение получили цифровые автоматические приборы с микропроцессором, выполненные по схемам с использованием уравновешенных мостов. Уравновешивание осуществляется автоматическим регулированием двух органов моста (для каждого из измеряемых параметров). Упрощенная структурная схема цифрового автоматического измерителя комплексного сопротивления с микропроцессором приведена на рис. 35.

Рис.35. Упрощенная схема цифрового автоматического измерителя комплексного сопротивления с микропроцессором

В основе данного измерения параметров цепей цифровым прибором лежит мостовой метод с фазочувствительными детекторами уравновешивания. Питание мостовой схемы осуществляется от генератора переменного напряжения (на рисунке для упрощения не показан).

Микропроцессор со встроенным тактовым генератором определенной частоты выполняет все функции управления измерительным процессом. Напряжение разбаланса моста U_p через усилитель сигнала разбаланса поступает на входы фазовых детекторов активной АС и реактивной PC составляющих. Опорные напряжения фазовых детекторов U_опАС и U_onPc снимаются с мостовой схемы. Напряжение разбаланса с фазовых детекторов подается на реверсивные счетчики, управляющие состоянием органов уравновешивания мостовой схемы, и на микропроцессор, задающий сигналами U_ACи U_PCскорость счета соответствующих реверсивных счетчиков.

Направление счета реверсивных счетчиков определяется знаком напряжения разбаланса фазовых детекторов, скорость счета — значением этого напряжения. Изменение состояния счетчика, вызванное приходом на мост каждого тактового импульса U_vтактового генератора, приводит к изменению значения регулирующего параметра на одну единицу младшего разряда. Опорные напряжения фазовых детекторов выбираются 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 осуществляется сигналом U_тмикропроцессора.