Электроника
Цифровые измерители иммитанса E7-20/E7-25 и их применение
В практике работы сервисных центров часто возникает необходимость в измерении резистивности (сопротивления) R, емкости C и индуктивности L цепей с сосредоточенными постоянными. Это связано с временным старением радиокомпонентов, отсутствием или повреждением их маркировки, необходимостью отбора нужных компонентов и необходимостью знать параметры нестандартных компонентов. При производстве компонентов нужно измерять их параметры множество раз и сортировать по отклонению измеряемого параметра. Для этого применяются самые различные приборы - от мультиметров до настольных измерителей R, L и C [1, 2].
В СССР выпускались измерители иммитанса E7-14 и E7-15. К настоящему времени они сильно устарели и их выпуск прекращен. Ниже описан современный цифровой измеритель иммитанса E7-20 [3], разработанный в Минском научноисследовательском приборостроительном институте (МНИПИ) и признанный одной из лучших разработок двойного назначения Белорусского ВПК. Прибор представлен на российском рынке и по совокупности параметров является одним из лучших среди настольных измерителей параметров R, L и C. На его основе создан портативный вариант: прибор E7-25.
Вспомним некоторые теоретические сведения об измерении параметров реальных резисторов, индуктивностей и емкостей. Неидеальность емкости и индуктивности учитывается их эквивалентными схемами. Обычно различают две эквивалентные схемы цепей: LR и CR (рис. 1) - последовательную и параллельную, будем обозначать их индексами s - от слова serial и p - от слова parallel).
Рис. 1. Эквивалентные схемы LR1 и CR1 цепей
Омическое сопротивление выводов и обкладок конденсаторов создают паразитное последовательное сопротивление, а сопротивление изоляции диэлектрика создает параллельное сопротивление.
Аналогично сопротивление обмотки катушки индуктивности порождает последовательное сопротивление, а потери в сердечнике порождают параллельное сопротивление. Эти параметры могут преобразовываться, так что достаточно вести измерения по двум указанным схемам (сокращенно они обозначены буквами s и p).
Цепи с реальными L и C (с потерями) характеризуются полным сопротивлением, называемым также импедансом. Это понятие имеет смысл только на переменном токе и характеризует комплексное отношение напряжения на измеряемой цепи к току в ней - Z = U/I. Полное сопротивление как комплексное число представляется в виде Z = Rs + jX, где Rs - активная составляющая Z, jX - реактивная составляющая Z, j - мнимая единица (корень квадратный из –1). Часто вводится понятие модуля комплексного сопротивления:
где θ - сдвиг фазы между переменным напряжением и током измеряемой цепи. Реактивная составляющая Z для индуктивности и емкости определяется хорошо известными выражениями:
Обратная Z величина - комплексная проводимость G = 1/Z называется адмитансом цепи. Наконец, существует термин имми танс, объединяющий понятие импеданса и адмитанса. Измерители иммитанса обычно являются самыми "продвинутыми" приборами для измерения параметров R, C, L, Z, G и др.
Поскольку все составляющие Z зависят от частоты, то первостепенным параметром измерений является тестовая частота f. В принципе желательно испытывать конденсаторы и катушки индуктивности на их рабочей частоте, например на частоте резонанса колебательных LCR-контуров. Однако на практике часто приходится ограничиваться несколькими частотами, а то и одной частотой.
Важное значение играют еще два параметра цепей на переменном токе - тангенс угла потерь δ - D и обратная ему величина - добротность. Для последовательной схемы измерений они определяются выражениями:
Аналогично для параллельной схемы измерений имеем:
Параметр D обычно используется для оценки неидеальности конденсаторов, а Q - катушек индуктивности. Однако, в принципе, оба параметра применимы как к конденсаторам, так и индуктивностям.
Современные настольные лабораторные RLC-измерители (например, LCR-816, LCR-817, LCR-827, LCR-819 и LCR-829 [1]) обеспечивают высокую точность (погрешность до 0,1% и менее) измерений в диапазоне частот до 100 кГц.
К сожалению, большинство приборов имеют ограниченный снизу диапазон измерения емкости и особенно - индуктивности. К тому же они измеряют на довольно низких и всего нескольких фиксированных частотах. Между тем, при проектировании современной аппаратуры (особенно в области СВЧ и импульсной техники) часто возникает необходимость измерения малых емкостей (доли-единицы пФ) и малых индуктивностей (доли-единицы нГн) с достаточно малой (менее 1%) погрешностью. Однако такая возможность у подавляющего большинства RLC-измерителей отсутствует.
Измеритель иммитанса E7-20 имеет уникально широкие диапазоны измеряемых параметров и высокую точность. Термины "импеданс" и "иммитанс" в названиях приборов для измерения параметров устройств с сосредоточенными постоянными R, L и C часто путаются. А между тем между измерителями импеданса и иммитанса есть и принципиальная разница - измерители иммитанса позволяют прямо измерять проводимость цепи, а измерители импеданса - нет.
Простейшим методом измерения импеданса цепей является метод вольтметра-амперметра. Однако он предполагает необходимость обеспечения очень малой погрешности задания напряжения на цепи и малую погрешность измерения тока. От этого недостатка избавлены мостовые методы измерения [2, 4], основанные на автоматической балансировке моста. Но они имеют другой существенный недостаток - работа всего на одной или реже - на нескольких частотах. В основу работы прибора E7-20 положен оригинальный метод вольтметра-амперметра с применением для измерения иммитанса измерителя отношений - логометра [3]. Этот метод не требует стабильного источника напряжения и мало чувствителен к его частоте. Структурная схема прибора приведена на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема измерителя иммитанса E7120
Как видно из рис. 2, напряжение рабочей частоты от генератора подается на измеряемую цепь (объект). Преобразователь формирует два напряжения, одно из которых (UT) пропорционально току, протекающему через измеряемую цепь, другое (UH) - напряжению на ней. Принцип измерения иллюстрирует векторная диаграмма, показанная на рис. 3. Отношение указанных напряжений равно комплексной проводимости (Y) или комплексному сопротивлению Z объекта.
Рис. 3. Векторная диаграмма, поясняющая принцип измерения иммитанса
Измерение отношения напряжений проводится аппаратно-программным логометром. Аппаратная часть логометра состоит из коммутатора, масштабного усилителя, аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Проекции векторов UT, UН на опорное напряжение Uoп и jUoп (см. рис. 3) выделяются синхронным детектором (СД) и измеряются в некотором произвольном масштабе измерителем интегрирующего типа.
Очевидны соотношения:
где G - активная проводимость; B' - реактивная проводимость; UX - числитель измеряемого отношения; UO - знаменатель измеряемого отношения; A, B, C, D - проекции векторов UT и UH на опорное напряжение Uoп и jUoп, откуда
где R - активное сопротивление; Х - реактивное сопротивление,
При измерении высокоомных цепей (пределы |Z| от 1 кОм до 10 МОм), когда генератор сигнала является источником напряжения, предпочтительнее осуществлять измерения в виде составляющих проводимости (UX = UT, UO = UH).
А в случае измерения низкоомных объектов, когда источник сигнала работает как генератор тока (пределы |Z| от 1 до 100 Ом) более удобным является измерение в форме составляющих полного сопротивления (UX = UH, UO = UT). Требуемая форма представления иммитанса достигается пересчетом из первичной формы (G, B' или X, R) и осуществляется контроллером. Расширение пределов измерения достигается за счет изменения коэффициента передачи усилительного тракта логометра при измерении составляющих числителя UX в 10, 100 и 1000 раз.
Комментарии
-
Спасибо друг, за список литературы.
-
Я приветствую достижения белорусских разработчиков (все же земляки). Только автор данной публикации мягко говоря подмачивает репутацию. Данная статья (если ее можно назвать статьей) очень похожа на реферат студента-первокурсника неэлектрической специальности. У автора полная путаница в понимании импеданса, адмитанса и иммитанса. Я уже не говорю о классификации методов измерения и построения измерительных цепей. Не имею права навязывать, но по доброте рекомендую почитать классику: 1.Гриневич Ф.Б. Автоматические мосты переменного тока. – Новосибирск: редакционно-издательский отдел СО АН СССР, 1964 г – 216 с. 2.Гриневич Ф.Б., Сурду М.Н. Высокоточные вариационные измерительные системы переменного тока. - К.: Наукова думка 1989.- 192с. 3.Карандеев К.Б. Методы электрических измерений. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1952 4.Кнеллер В.Ю., Агамалов Ю.Р., Десова А.А. Автоматические измерители комплексных величин с координированным уравновешиванием; Энергия 1975г. 5.Раздельное преобразование комплексных сопротивлений. Добров Е.Е., Татаринцев И.Г., Чорноус В.Н., Штамберг Г.А./Под ред. Г.А.Штамберга. - Львов: Вища школа. Изд-во при Львов. ун-те., 1985. - 136 с. 6.Трансформаторные измерительные мосты. / Под общ. редакцией. К.Б. Карандеева. - М.: Энергия, 1970. - 280с. 7.Цифровые приборы и системы для измерения параметров конденсаторов. С.Л.Эпштейн, В.Г.Давидович, Г.И.Литвинов и др. - М.: Советское радио, 1978. - 192 с. 8.Эпштейн С.Л. Измерение характеристик конденсаторов. М.-Л., "Энергия",1971. Есть много еще литературы, но перед тем как публиковать подобные статьи хотя бы ознакомьтесь с литературой [6,7,8]. Успехов Вам на просторах импедансометрии.