Конспект по дисциплине метрология БГУИР. Метрология и измерения Содержание
 Скачать 5.83 Mb.
|
 (2.35)Если при калибровке UВХ поддерживать постоянным, то показания вольтметра при измерении будут пропорциональны Q. В реальных приборах при калибровке UВХ устанавливается на условное деление шкалы. Шкала вольтметра непосредственно градуируется в значениях Q и мы получаем куметр. Правда под Q следует понимать добротность всего контура, то есть  (2.36) Однако конструкция образцового конденсатора всегда выполняется так, что обеспечивает условие QCo>>QX, то есть Q=QX. Куметры, таким образом, обеспечивают измерение эффективной добротности объектов индуктивного характера. Методика измерения проста и позволяет измерять не только QX, но и разность значений добротности ΔQX двух объектов. С помощью измерителя можно измерять также составляющие ZX и YX произвольных ДП, а затем при необходимости, рассчитывать значения tg δX или QX. 2.6.5 Цифровые измерители параметров ДП Цифровые СИ параметров ДП чаще всего используют сочетание аналогового преобразователя, который преобразует определяемый параметр ДП в активную величину, и соответствующего цифрового прибора для измерений этой величины. Одним из методов измерения RX, СХ и LX является метод прямого преобразования их значений в пропорциональный интервал времени и последующее измерение этого интервала путем заполнения его счетными импульсами, то есть реализуется время – импульсный метод измерения, хорошо нам известный по его реализации в ЦВ и ЦФ. В литературе этот метод еще называют методом дискретного счета. Второй способ цифрового измерения параметров ДП использует уравновешивающее преобразование RX, СХ и LX, основанное, как мы уже тоже знаем, основано на сравнении измеряемой величины с образцовой. Рассмотрим реализацию этих методов в соответствующих измерителях ДП. А) Метод дискретного счета При методе дискретного счета используются 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. Измеренный интервал времени оказывается функционально связанным с преобразуемым параметром. Данные преобразователи отличаются высокой точностью, быстродействием, линейностью функции преобразования, удобным для преобразования в цифровой код видом сигнала. Схема простейшего преобразователя сопротивлений, индуктивностей и емкостей в интервал времени показана на рисунке 2.44, а. Измерительная цепь (ИЦ) интегрирующего типа с постоянной времени τX=ROCX (или RХCО, или LX/RO – рисунок 2.44,б) питается выходным напряжением U операционного усилителя (ОУ), являющегося компаратором.  Рисунок 2.44 Порог его срабатывания задается резистивным делителем R1 и R2 (коэффициентом передачи цепи положительной обратной связи). Временные диаграммы работы преобразователя параметров ДП приведены на рисунке 2.45. При подаче с выхода ОУ на ИЦ в момент времени t0 постоянного напряжения U0 происходит его интегрирование измерительной цепью. Напряжение на инвертирующем входе ОУ имеет следующую аналитическую запись:  (2.37) где  – коэффициент передачи цепи положительной обратной связи.При достижении этой функцией порогового значения +βU0 (момент времени t1) компаратор срабатывает и изменяет на выходе знак напряжения U0 на противоположный. Можно показать, что интервал интегрирования:  (2.38)  Рисунок 2.45 На следующем интервале времени T2=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. При этом период напряжения на выходе ОУ определяется выражением:  (2.39) Этот интервал измеряется цифровым измерителем интервалов (или частотомером). Результат измерения периода ТХ пропорционален значению определяемого параметра RX (или СX, или LX). Б) Цифровой измеритель емкости и сопротивления Структурная схема цифрового измерителя емкости и сопротивления, реализующая метод дискретного счета, имеет следующий вид (рисунок 2.46). Перед измерением емкости ключ Кл устанавливают в положение 1 и конденсатор СХ заряжается через ограничительный резистор RД до значения стабилизированного источника напряжения Е. Зарисуем временные диаграммы, поясняющие работу измерителя (рисунок 2.47).  Рисунок 2.46 В момент начала измерения емкости t1 (эпюра а) управляющее устройство импульсом управления переключает триггер из состояния 0 в состояние 1, сбрасывает предыдущие показания счетчика импульсов и переводит ключ Кл в положение 2. Измеряемый конденсатор СХ начинает разряжаться через образцовый резистор Rобр по экспоненциальному закону (эпюра б), который описывается уравнением:  (2.40)где τ=RОБРСХ – постоянная времени цепи разряда конденсатора. В момент времени t1 единичный импульс UT с выхода триггера (эпюра г) открывает схему совпадения и счетчик начинает счет тактовых импульсов генератора, следующих с некоторой частотой f0=1/T0. Напряжение UC подается на один из входов устройства сравнения, ко второму входу которого подводится напряжение UR с делителя, состоящего из резисторов R1 и R2. Это напряжение определяется следующим выражением:  (2.41)Сопротивления R1 и R2 выбирают так, что бы 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 UУС (эпюра в), переключающий триггер в исходное состояние, при котором задним фронтом его импульса UT закрывается схема совпадения, и счетчик прекращает счет тактовых импульсов (эпюра д).  Рисунок 2.47 Поскольку при t=t2 напряжения UC=UR и τ=t2–t1, то  (2.42) или  (2.43) Итак, напряжение UR снимаемое с делителя R1, R2, имеет определенное значение (UR=0,368E), что достигается подбором сопротивлений его резисторов. За интервал времени τ=RОБРСХ на счетчик поступает число импульсов:  (2.44)где f0 – частота следования счетных импульсов. При фиксированных значениях частоты f0 и сопротивления RОБР:  (2.45) где коэффициент K1=f0RОБР. Согласно (8.39), величина измеряемой емкости СХ прямо пропорциональна числу импульсов N, поступивших на счетчик. Включение образцового конденсатора СОБР вместо СХ и RX вместо RОБР позволяет аналогичным образом измерить сопротивление резистора RX:  (2.46)где коэффициент K2=f0CОБР. Цифровые измерительные приборы, построенные по методу дискретного счета, получили широкое распространение при измерении параметров электрических цепей. К достоинству метода следует отнести, прежде всего, высокую точность измерений. Погрешность измерений цифровым методом составляет (0,1 – 0,2) % и зависит в основном от нестабильности сопротивлений резисторов R1, R2, RОБР или емкости конденсатора СОБР, нестабильности частоты f0 генератора счетных импульсов, а также неточности срабатывания устройства сравнения. К недостаткам таких приборов можно отнести трудность измерения параметров на рабочей частоте. В) Измерение параметров ДП методом уравновешивающего преобразования Наряду с методами прямого преобразования (дискретного счета) в практике измерений используются также методы уравновешивающего преобразования измеряемых значений сопротивления, индуктивности и емкости, основанные на сравнении измеряемой величины с образцовой. Сравнение чаще всего осуществляется путем уравновешивания мостовой измерительной цепи, в одно из плеч которой включается исследуемый двухполюсник. В смежное плечо моста включается образцовый ДП, представляющий собой набор квантованных образцовых мер, соответствующих весовым коэффициентам разрядов используемого цифрового кода. Изменением параметров образцово двухполюсника добиваются равенства нулю напряжения в измерительной диагонали. Достоинствами таких цифровых измерителей являются высокая точность и широкий динамический диапазон. К их недостаткам относится достаточно низкое быстродействие. Структурная схема цифрового моста постоянного тока уравновешивающего типа имеет следующий вид (рисунок 2.48). Она предназначена для измерения активного сопротивления резистора или другого элемента с омическими потерями. Измеряемый резистор RX, образцовые резисторы R1 и R2 и преобразователь кода в сопротивление (ПКС) образуют мост, который питается источником постоянного напряжения (ИП). Разбаланс моста фиксируется устройством сравнения (УС). Устройство управления (УУ) анализирует выходной сигнал УС и в зависимости от его знака увеличивает или уменьшает цифровой код 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:  (2.47)где RПКС – сопротивление ПКС, KПКС =RПКС/N – коэффициент преобразования ПКС.  Рисунок 2.48 Как следует из выражения (8.41), результат измерения (он фиксируется цифровым отсчетным устройством – ЦОУ) не зависит от напряжения питания. Пределы измерения расширяют путем изменения отношения сопротивлений резисторов R1 и R2. Погрешность измерения определяется стабильностью сопротивления образцовых резисторов R1 и R2 и точностью ПКС. Цифровые мосты постоянного тока уравновешивающего типа обеспечивают погрешность измерения параметров около 0,01% и поэтому широко используются для точного измерения сопротивления резисторов. Более сложными по структуре являются мосты переменного тока, предназначенные для измерения комплексного сопротивления, индуктивности и емкости при определенной фиксированной частоте (обычно 1 кГц). Эти мосты выполняют уравновешивание по двум параметрам, то есть производят раздельное независимое уравновешивание двух составляющих комплексного сопротивления ZX. Г) Микропроцессорные цифровые автоматические приборы В микропроцессорных цифровых автоматических приборах при измерениях RX, LX и CX используют различные методы, которые позволяют преобразовать измеряемый параметр в напряжение или ток, частоту или интервал времени. Основу их составляют устройства на базе мостовых и компенсационных схем. Наибольшее распространение в практике измерений получили цифровые автоматические приборы с микропроцессором, выполненные по схемам с использованием уравновешивающих мостов. Уравновешивание моста осуществляется автоматическим регулированием двух его элементов для каждого из измеряемых параметров. Упрощенная структурная схема цифрового автоматического измерителя комплексного сопротивления, построенная на основе микропроцессора, представлена на рисунке 2.49.  Рисунок 2.49 В основу работы рассматриваемого цифрового прибора с микропроцессором положен мостовой метод измерения с использованием фазочувствительных детекторов уравновешивания. Питание мостовой схемы осуществляется от генератора переменного напряжения, который на схеме не показан. 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 (РС) составляющих комплексного сопротивления. Опорные напряжения фазовых детекторов UопАС и UопРС снимаются с моста. С выходов фазовых детекторов напряжения, пропорциональные величине разбаланса, подаются на реверсивные счетчики, которые управляют состоянием органов уравновешивания мостовой схемы, и на микропроцессор, который задает напряжениями UAC и UPC скорость счета соответствующих реверсивных счетчиков. Направление счета реверсивных счетчиков определяет знак напряжения разбаланса, а скорость их счета – уровень этого напряжения. Изменение состояния счетчика, вызванное приходом на мост очередного тактового импульса UT с микропроцессора, приводит к изменению регулирующего параметра моста на одну единицу младшего разряда. Опорные напряжения фазовых детекторов выбираются такими, что сигналы, вырабатываемые ими, определяются отклонениями сигналов органа управления от состояния равновесия: сигнал одного детектора по активной составляющей, а сигнал другого – по реактивной составляющей. По мере приближения к состоянию баланса моста напряжение разбаланса уменьшается, поэтому замедляется скорость его уравновешивания. При достижении состояния равновесия моста дискретное уравновешивание прекращается и результаты измерения параметра воспроизводятся ЦОУ. Микропроцессор автоматически осуществляет самокалибровку прибора перед началом измерений и учитывает влияние внешних условий на точность измерения. |