4. Измерение параметров элементов электрических цепей

4.1. Измерение емкости и индуктивности

Времяимпульсный метод преобразования зачастую используется при измерении параметров элементов электрических цепей. Существуют универсальные схемы ЦИУ для измерения электрической емкости и индуктивности, основанные на использовании законов коммутации. В общем случае первичные измерительные преобразователи таких схем представляют собой последовательные RC- или RL-цепи, а их работа основана на измерении некоторого интервала времени t_X, полученного из решения уравнения

где  – постоянная времени первичного измерительного преобразователя; U­₀ – образцовое напряжение, подключаемое к входу первичного измерительного преобразователя.

Реализация метода преобразования предусматривает измерение интервала времени t_Х, и если задать t_Х = , то

Если установить в схеме устройство сравнения, срабатывающее при выходном напряжении измерительной цепи:

,

то результат измерения емкости конденсатора можно представить в виде

,

где R₀ – сопротивление образцового резистора; C_X – измеряемая емкость; f₀ – частота ГОЧ,

а при измерении индуктивности катушки

Для обеспечения достоверности отчетов R₀ выбирается из условия, что R₀ =10ⁿ Ом, где n – любое целое число.

Один из вариантов функциональной схемы измерителя емкости представлен на рис. 4.1.

Работа схемы осуществляется следующим образом. При включении схемы БУ подает на СИ сигнал "сброс" низкого уровня. Этот же сигнал закрывает селектор DD1 и замыкает ключ S1. Длительность сигнала "сброс", по сути дела, определяет время индикации показаний. Под действием напряжения с выхода делителя R1, R2 U_CP = (1-е ^–1)U₀ на выходе компаратора DA1 устанавливается "1". По окончании сигнала "сброс" (это будет сигналом "пуск") размыкается ключ S1, и напряжение на конденсаторе С_Х начинает возрастать. Селектор DD1 открыт, и импульсы с выхода ГОЧ проходят на СИ. Как только напряжение на выходе измерительного преобразователя R₀, C_X сравняется с напряжением U_CP, на выходе компаратора устанавливается "0", закрывающий селектор DD1. Задний фронт сигнала на выходе компаратора запишет код N_X результата измерения в регистр Рг. Этот задний фронт является для БУ сигналом "конец измерения". В ответ на этот сигнал БУ устанавливает "сброс". По окончании сброса процесс измерения повторяется.

Рис. 4.1. Функциональная схема цифрового измерителя емкости

Погрешности схемы

1. Погрешность квантования

2. Погрешность от неточности формирования напряжения U_CP, обусловленная разбросом номиналов резистора R1, R2.

3. Погрешность от неточности и нестабильности частоты ГОЧ (ее следует учитывать при малых погрешностях квантования).

4. Погрешность от неточности и нестабильности сопротивления резистора R₀.

5. Погрешность от влияния паразитных емкостей С_П линии связи. Результат наличия паразитной емкости

где .

В данной схеме С_П никак не компенсируется, что не позволяет использовать прибор для измерения малых емкостей.

Функциональная схема для измерения индуктивности отличается включением измерительной цепи. Схема входного аналогового блока цифрового измерителя индуктивности приведена на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Функциональная схема входного аналогового блока

цифрового измерителя индуктивности

Работа данной схемы осуществляется так же, как и работа схемы цифрового измерителя емкости.

Погрешности схемы

1. Погрешность квантования

2. Погрешность от влияния индуктивности L_П линии связи. Индуктивности линии связи включены последовательно с L_X. Поэтому здесь

отсюда погрешность от влияния паразитных индуктивностей

.

3. Погрешность от неточности формирования напряжения U_CP, обусловленная разбросом номиналов резистора R1, R2.

4. Погрешность от неточности и нестабильности частоты ГОЧ (ее следует учитывать при малых погрешностях квантования).

5. Погрешность от неточности и нестабильности сопротивления резистора R₀.

Здесь также есть и паразитная емкость линии связи, однако ее влиянием обычно пренебрегают вследствие малого активного сопротивления катушки индуктивности и самой С_П.