Вимірювання електричних зарядів

О собливість вимірювань зарядів полягає в тому, що об’єкти досліджень, заряди яких вимірюють, є дуже малопотужними і з високим внутрішнім опором. Тому вимірювальні кола засобів вимірювань зарядів можуть будуватись на використанні вимірювальних підсилювачів із дуже високим вхідним опором. В цьому колі використовується неінвертуючий підсилювач на основі операційного підсилювача з вхідним каскадом на польовому транзисторі. Напруга, що надходить на вхід підсилювача , де С - еквівалентна ємність паралельно з’єднаних ємності досліджуваного об’єкта, кабелю та вхідної ємності вимірювального кола; R - еквівалентний опір паралельно з’єднаних опору досліджуваного об’єкта, опору ізоляції кабелю та вхідного опору вимірювального кола.

Вихідна напруга підсилювача .

Основним недоліком такої схеми є залежність вихідної напруги від ємності.

Сьогодні поряд з підсилювачами напруги у вимірювальних колах засобів вимірювань зарядів використовуються перетворювачі заряду в напругу. Їх, звичайно, називають підсилювачами заряду (інтегрувальними підсилювачами струму). Якщо конденсатор попередньо розряджений, то при надходженні на вхід підсилювача за схемою електричного заряду q_вх на його виході за умови що одержимо . Для періодичного розряду конденсатора перед кожним наступним вимірюванням передбачений ключ S.

Вимірювання фазового зсуву і частоти Вимірювання частоти

Діапазон частот, які використовуються в електроенергетиці, електрофізиці, техніці зв’язку, радіоелектроніці дуже широкий - від часток герца до десятків гігагерц. Вибір методу і приладу для вимірювання частоти залежить від значення частоти, необхідної точності вимірювання, потужності джерела сигналу та інших факторів.

Розглянемо вимірювання частоти показуючими приладами.

Електромеханічні частотоміри. Ці прилади використовуються для вимірювання частот у діапазоні 20 - 2500 Гц в основному в енергетичних колах і виконуються на основі електромагнітних і електродинамічних (феродинамічних) механізмів.

Електромагнітний резонансний (вібраційний) частотомір. Напруга вимірюваної частоти підводиться до обмотки е лектромагніту. В полі електромагніту розміщують стальні пластинки, один кінець яких закріплюють нерухомо. Вільний кінець загнуто й пофарбовано яскравою фарбою. Кожна пластинка має певну частоту вільних коливань. Під дією електромагнітного поля й сил пружності пластинки здійснюють коливальні рухи. З найбільшою амплітудою коливається пластинка, частота вільних коливань якої відповідає подвоєній частоті поданої напруги. Межі вимірювання за частотою таких частотомірів невеликі, наприклад 45 - 55 або 450 - 550 Гц. Відносна похибка вимірювання частоти 1,0—2,5 %.

Е лектродинамічний частотомір. Використовують для вимірювань та контролю частоти в промислових умовах в діапазоні від 20 до 2500Гц з порівняно невисокою точністю (1...4%). Це електромеханічні частотоміри на базі логометрів електромагнітної, електро- чи феродинамічної систем. Наявність в колі рухомих рамок 1 і 2 та нерухомої котушки 3, частотозалежних конденсаторів С₁, С₂ та індуктивності L забезпечує однозначну залежність відхилення рухомої частини логометра від частоти. Рамки рухомої частини частотоміра скріплені між собою під кутом 90°. Параметри контура R, С₂ і L дібрано таким чином, що частота резонансу напруг близька до середньої частоти діапазону вимірювання , де f_п і f_к – відповідно початкове й кінцеве значення шкали приладу. Обертальний момент М₁ залежить від кута повороту рухомої частини α і фазового зсуву між струмами І₁ та І₂, який, в свою чергу, залежить від вимірюваної частоти f_х. Момент М₂ залежить тільки від кута α і не залежить від частоти f_х. Моменти М₁ і М₂ діють назустріч один одному, і рухома частина повертається доти, поки не настає рівність М₁ = М₂. Тоді відхилення рухомої частини логометра визначиться:

^.

Електродинамічні та електромагнітні частотоміри мають вузькі межі вимірювання, які дорівнюють ±10 % середньої частоти, зведену похибку 0,5 - 2,5 %, споживану потужність до 10 Вт, номінальну напругу 36 – 380 В.

Резонансні частотоміри. Резонансний метод базується на порівнянні вимірюваної частоти з частотою власних коливань коливної ланки. Застосовується цей метод при вимірюванні частоти від сотень кГц до сотень ГГц.

С хема резонансного частотоміра з коливною системою у вигляді контура із зосередженими LС - параметрами. Вимірювальний LС - контур має індуктивний зв’язок з колом досліджуваного сигналу U_fх та автотрансформаторний зв’язок з колом індикатора.

Регулюванням ємності С конденсатора змінної ємності настроюють частоту f₀ власних коливань LС - контура в резонанс з вимірюваною частотою f_х:

.

При цьому напруга в індикаторному колі зростає до максимального значення, що фіксується вихідним індикаторним пристроєм тV, а значення вимірюваної частоти визначають за показами конденсатора змінної ємності. Похибка таких частотомірів звичайно не менше ніж 1%.

Осцилографічні методи вимірювання частоти. Використовують осцилографічні методи вимірювання частоти, які в свою чергу прості, проте потребують застосування генератора гармонічних коливань, частоту яких можна змінювати, а її значення має бути відоме.

Метод фігур Ліссажу. Цей метод використовується для вимірювання частоти синусоїдних напруг за д опомогою осцилографа. На один із входів (наприклад, на вхід каналу Y) подається напруга з вимірюваною частотою f_Y. На вхід каналу X подається напруга з відомою частотою f_X. Електронний промінь під дією двох взаємно перпендикулярних напруг, які змінюються за гармонічним законом відповідно з частотами f_х і f₀ викреслює на екрані деяку складну криву. Якщо відношення частот виражається відношенням цілих чисел, то результуюча крива (фігура Ліссажу) буде у вигляді нерухомого зображення. Треба умовно провести горизонтальну та вертикальну прямі, які б перетинали фігуру, але не проходили через вузли. Для визначення відношення частот необхідно обчислити найбільше число точок перетинів вертикальною і горизонтальною прямими фігури, яку спостерігають. Потім складають відношення: , де і – частоти напруг, які подаються на входи Y і X осцилографа.

Для фігури на рис. , , і тому , або .

М етод колової розгортки. Якщо напругу одної частоти (зразкової f₀) використовувати для отримання кругової розгортки на екрані осцилографа, а напругу іншої (більшої частоти f_x) подати на електрод (модулятор), який керує яскравістю світіння трубки, то в додатній півперіод цієї напруги яскравість розгортки буде збільшуватись, а у від’ємний зменшуватись. Цей метод ґрунтується на порівнянні двох частот - невідомої і відомої. Якщо на входи обох каналів осцилографа (генератор розгортки вимкнений) подати напруги з однією (відомою) частотою f₀, але зсунуті за фазою на 90°, то на екрані дістанемо коло. В результаті коло буде складатися з n темних та n світлих штрихів. При чому n = f_x/f₀ . При цілому значені n осцилограма буде нерухомою.

Ч ас, за який електронний промінь описує коло, дорівнює періоду напруги з частотою f₀. Подавши напругу з невідомою частотою f_х на сітку електронно-променевої трубки, при відношенні частот дістанемо ряд нерухомих дуг. Число таких дуг дорівнює п. Похибка вимірювання f_х визначається похибкою відомої частоти.

Ц ифрові частотоміри. Найвищу точність вимірювання в діапазоні від часток герца до сотень мегагерц забезпечують цифрові частотоміри. В основному використовують частотоміри прямої лічби, оснований на аналого-цифровій структурі хронометра. При цьому протягом точно відомого інтервалу часу Т₀ підраховується кількість імпульсів невідомої частоти.

Принцип дії обчислювального частотоміра за методом подвійного збігу.

Відповідно до спрощеної структурної схеми цього частотоміра вхідна напруга U_fх вимірюваної частоти f_х нормується вхідним масштабуючим пристроєм МП до номінального рівня, зручного для подальшого опрацювання. У формувачі інтервалів ФІ задається строб-імпульс вимірювання з тривалістю Т_вим (рис. а), що встановлюється залежно від f_х. З виходу формувача імпульсів ФІ на перший лічильник Л1 частотоміра надходить певна послідовність імпульсів кількістю N₁, яка дорівнює кількості повних періодів вхідного сигналу, синхронізованого з переднім та заднім фронтами строб-імпульса Т_вим: (рис. б). Одночасно, починаючи з переднього фронту Т_вим, за допомогою другого лічильника Л2 визначається - кількість імпульсів базової частоти від кварцового генератора КГ (рис. в). Мірою вимірюваної частоти буде відношення: , що визначається процесором ПР і фіксується відліковим пристроєм ВдП.

При вимірюванні низьких частот (до 1 Гц і нижче) інтервал Т_вим вибирають таким, що дорівнює одному періоду повторення Т_х.