Южного федерального университета в Г. Таганроге____

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Кафедра автоматизированных систем научных исследований и экспериментов

Руководство к лабораторной работе «Измерение параметров электрических цепей измерителем иммитанса Е7-21»

по курсу «Аналоговые измерительные приборы»

для студентов специальностей 200106, 200503

Таганрог 2007г.

1. Цель работы

Ознакомление с методом измерения параметров электрических цепей на переменном токе с помощью измерителя иммитанса Е7-21.

2. Основные сведения.

2.1. Электрические цепи представляют собой совокупность соединенных друг с другом элементов – источников электрической энергии и нагрузок в виде резисторов, катушек, индуктивности, конденсаторов. При определенных допущениях эти нагрузки можно рассматривать как линейные пассивные двухполюсники с сосредоточенными постоянными, характеризуемые некими идеальными параметрами – сопротивлением R, индуктивностью L, взаимной индуктивностью M, емкостью С.

При измерении, однако, не всегда удается определить значение того или иного параметра, соответствующего идеальному. Несовершенство конструкции и характеристик применяемых материалов является причиной появления так называемых остаточных (паразитных) параметров элементов. Так, наряду с главным параметром катушки индуктивности – индуктивностью, она обладает активным сопротивлением, что характеризуется параметром «добротность» . Реальный конденсатор характеризуется параметров «тангенс угла потерь» , где R представляет собой сопротивление утечки (для параллельной схемы замещения реального конденсатора).

В зависимости от объекта измерений, требуемой точности результата, диапазона рабочих частот и других условий при измерении параметров двухполюсников применяют различные методы и средства измерений. Наиболее распространенными являются следующие методы: вольтметра-амперметра, непосредственной оценки, мостовой, резонансный и дискретного счета.

2.2. Используемый в лабораторной работе прибор Е7-21 предназначен для измерения иммитансных параметров: емкости, индуктивности, сопротивления, проводимости, тангенса угла потерь, добротности электрорадиоэлементов.

Примечание: иммитанс – термин, объединяющий понятия комплексного сопротивления (импеданса) и комплексной проводимости (адмитанса).

В основу работы прибора положен метод вольтметра-амперметра. Структурная схема прибора приведена на рис.1.

Рисунок 1.1

Напряжение рабочей частоты (100 Гц или 1 кГц) от генератора подается на измерительный объект, подключенный к преобразователю . Преобразователь формирует два напряжения, одно из которых (U_Т) пропорционально току, протекающему через измеряемый объект, другое (U_Н) – напряжению на нем. Отношение этих двух напряжений равно комплексной проводимости (Y) или комплексному сопротивлению (Z) объекта.

Измерение отношения напряжений проводится аппаратно-программным логометром.

Аппаратная часто логометра состоит из коммутатора, масштабного усилителя, аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Итогом работы программной части логометра является расчет отношения напряжений.

Принцип нахождения Y(Z) поясним с помощью векторной диаграммы, показанной на рис. 2, где изображены векторы U_Т, U_Н и опорное вспомогательное напряжение U_ОН.

Рисунок 1.2

Проекции векторов U_Т и U_Н на опорное напряжение U_ОН и jU_ОН выделяются синхронным детектором и измеряются измерителем интегрирующего типа.

Проводимость объекта Y можно представить следующим образом:

, (1)

где g – активная проводимость;

b – реактивная проводимость;

U_X – числитель измеряемого отношения;

U₀ – знаменатель измеряемого напряжения;

A, B, C, D – напряжение векторов U_Т и U₀ на опорное напряжение U_ОН и jU_ОН.

После преобразования можно получить:

Сопротивление объекта Z можно представить аналогично:

, (2)

где R – активное сопротивление,

Х – реактивное сопротивление.

Тогда

При измерении высокоомных объектов (1 – 4 диапазоны измерения согласно таблицам 1-4), когда генератор сигнала является источником напряжения, предпочтительнее измерять составляющие проводимости (формула 1, где U_X=U_T, U₀=U_H).

В случае измерения низкоомных объектов (5 – 8 диапазоны измерения согласно таблицам 5-8), генератор сигнала работает как генератор тока и более удобным является измерение в форме составляющих полного сопротивления (формула 2, где U_X= U_H, U₀= U_T). Требуемая форма иммитанса достигается пересчетом из первичной формы (g, b или X, R) и осуществляется контроллером.

Устройство интерфейсное RS-232C обеспечивает согласование уровней сигналов и гальваническую развязку измерительных цепей прибора и подключаемой аппаратуры.

3. Технические характеристики и работа с измерением иммитанса Е7-21.

3.1. Основные технические характеристики измерителя иммитанса.

3.1.1. Прибор измеряет следующие иммитансные параметры:

- параллельную и последовательную индуктивность (L_р, L_s);

- параллельную и последовательную емкость (С_р, С_s);

- параллельное и последовательное сопротивление (Р_р, Р_s);

- параллельную проводимость (G_р);

- тангенс угла потерь ();

- добротность (Q).

Примечание - Допускается для измеряемого параметра использовать обозначение D (фактор потерь).

3.1.2. Диапазоны измеряемых прибором иммитансных параметров:

- по индуктивности (L) - от 0,1 мкГн до 16 кГн;

- по емкости (С) - от 0,1 пФдо20мФ;

- по сопротивлению (Р) - от 1 мОм до 20 МОм;

- по проводимости (С) - от 1 нСм до 10 См;

- по тангенсу угла потерь () и добротности (Q) - от 10^-3 до 10³.

3.1.3. Пределы допускаемой относительной основной погрешности измерения R, G, L, C и абсолютной основной погрешности измерения при высоком уровне сигнала без усреднения равны значениям, указанным в таблицах 1.1 - 1.4 при разрядности отсчетного устройства - 4. Класс точности 0,15/0,01 по ГОСТ 25242-93.

Таблица 1.1

Таблица 1.2

Таблица 1.3

Таблица 1.4

3.1.4. Пример расчета допускаемой основной погрешности.

Измеряемый объект: конденсатор.

Результат измерения: С = 3,021 нФ, (D) = 0,002.

Режим измерения: рабочая частота 100 Гц, номер диапазона 2.

Из таблицы 1.3 находим предел допускаемой основной погрешности:

3.1.5. Дополнительная погрешность измерения иммитансных параметров, вызванная изменением температуры окружающего воздуха от нормальной до любой в пределах рабочих условий применения на каждые 10°С, не превышает половины предела допускаемой основной погрешности измерения иммитансных параметров.

3.1.6. Рабочие частоты прибора 0,1 и 1 кГц. Погрешность установки рабочих частот не выходит за пределы ± 0,02 %.

3.1.7. Уровень среднего квадратического значения измерительного сигнала имеет два значения: (1±0,2) В (высокий) и (0,1 ±0,02) В (низкий).

3.1.8. В приборе предусмотрены режимы одиночного измерения и измерения с усреднением за 10 измерительных циклов.

Продолжительность одиночного измерения без выбора диапазона не более 0,7 с.

3.1.9. В приборе обеспечена автоматическая компенсация начальных параметров присоединительных устройств (коррекция нуля).

3.1.10. Прибор имеет автоматический и ручной выбор диапазона измерения.

3.1.11. Прибор обеспечивает следующие сервисные функции:

- допусковый контроль измеряемых параметров;

- определение процентных отклонений измеряемых параметров от заданной величины.

3.1.12. Прибор должен обеспечивать передачу-прием информации в ПЭВМ типа PC AT по стандартному интерфейсу RS-232C.

3.2. Органы управления и подключения прибора Е7-21

3.2.1. Органы управления и подсоединительные разъемы расположены на передней и задней панелях прибора (рис. 2.1.)

Рисунок 2.1

3.2.2. Назначение органов управления приведено в таблице 2.1.

Таблица 2.1.

3.3. Подготовка к проведению измерений

3.3.1. Установить переключатель сети в положение ВКЛЮЧЕНО. На дисплее на короткое время появится надпись «Измеритель иммитанса Е7-21» и установится основной режим.

3.3.2. При разомкнутых зажимах УП-2 нажать кнопку «XX». При этом прибор проведет калибровку нуля «холостого хода». В ходе калибровки на дисплее присутствует обратный счет времени калибровки.

По окончании калибровки установить следующий режим:

- параметр Gp;

- частота 1 кГц;

- уровень 1 В;

- предел А (автоматический выбор);

- смещение Откл;

- усреднение Откл.

Показание прибора при разомкнутых зажимах УП-2 находится в пределах ±2 нСм.

3.3.3. Замкнуть зажимы УП-2 при помощи медной или алюминиевой пластинки или отрезка провода. Нажать кнопку «КЗ». При этом прибор проведет калибровку нуля «короткого замыкания». По окончании калибровки установить режим, аналогичный 3.3.2., а измеряемый параметр - R_s.

При этом показание прибора должно быть в пределах ±2 мОм.

3.4. Проведение измерений

3.4.1. Прибор имеет основной режим работы и режим меню. При включении прибора автоматически устанавливается основной режим. Основной режим работы предназначен для измерения иммитансных параметров L, С, R, G, D, Q.

В режиме меню производится калибровка прибора, допусковый контроль измеряемых параметров, измерение процентных отклонений измеряемых параметров от заданной величины. Переход из основного режима работы в режим меню осуществляется нажатием кнопки «МЕНЮ». Переход из режима меню в основной режим работы осуществляется повторным нажатием кнопки «МЕНЮ».

3.4.2. Выбор измеряемого параметра производится нажатием одной из кнопок «L», «С» «R/G», «D/Q» и индицируется на табло соответствующим символом.

3.4.3. Выбор эквивалентной схемы производится кнопкой «P/S» (параллельная/последовательная). При включении прибора выбор эквивалентной схемы производится автоматически. Если измерение проводилось на 1-4 диапазонах - параллельная схема, если измерение проводилось на 5-8 диапазонах - последовательная схема.

3.4.4. Выбор диапазона измерения может быть произведен автоматически при нажатии кнопки «АВТО». При повторном нажатии кнопки «АВТО», диапазон, выбранный перед этим в автоматическом режиме, фиксируется. При этом на дисплее показывается номер выбранного зафиксированного диапазона.

Выбор диапазона измерения может быть произведен так же нажатием кнопок «», «» (увеличение номера предела, уменьшение номера предела).

3.4.5. Выбор нужного уровня измерительного сигнала (0,1 или 1 В) производится нажатием кнопки «УРОВ». При этом знак «~» на дисплее в нижней части знакоместа означает уровень 0,1 В, знак «~» в верхней части знакоместа означает уровень 1 В.

3.4.6. Для повышения разрешающей способности прибора, необходимого, например, при компарировании, при измерении температурных коэффициентов ЭРЭ, в приборе предусмотрен режим усреднения за 10 измерительных циклов.

Включение (отключение) режима усреднения производится нажатием кнопки «УСРЕДН». В режиме усреднения на дисплее появляется знак «».

3.4.7. Нажатием кнопки «ВВОД» производится вход в выбранную позицию меню. Кроме того, нажатием кнопки «ВВОД» производится перевод кнопочной панели в цифровой режим. В этом режиме кнопками «0»...«9» на дисплее набираются необходимые цифры. После чего, повторным нажатием кнопки «ВВОД», производится возврат кнопочной панели из цифрового режима.

3.4.8. Вход в режим допускового контроля осуществляется из позиции «Допусковый контроль» режима меню нажатием кнопки «ВВОД». На дисплее появится надпись «ДК».

Если значение измеряемого параметра объекта меньше нижней границы допуска, то на дисплее появляется знак «<<». Если значение измеряемого параметра находится в пределах от нижней до верхней границы допуска, то на дисплее появляется знак «■» и звучит прерывистый гудок. Если значение измеряемого параметра больше верхней границы допуска, то на дисплее появляется знак«>>».

Выход из режима допускового контроля осуществляется нажатием кнопки «МЕНЮ».

Вход в режим программирования границ допуска из режима допускового контроля осуществляется нажатием кнопки «ВВОД».

При программировании границ допуска, запятая на дисплее устанавливается автоматически в соответствии с установленным номером предела измерения и частотой измерения. Размерность определяется выбором параметра.

После выключения прибора набранные значения границ допуска стираются.

Пример

Пусть требуется разбраковать на зоны конденсаторы:

-менее 180 нФ - первая зона;

- от 180 до 220 нФ - вторая зона;

- более 220 нФ - третья зона. Рабочая частота 100 Гц.

Последовательность операций приведена в таблице 3.1.

Таблица 3.1

3.4.9. Вход в режим измерений процентных отклонений измеряемых параметров от заданной величины осуществляется из режима меню (позиция «Процентное отклонение») нажатием кнопки «ВВОД». На дисплее появится знак «».

Повторным нажатием кнопки «ВВОД» устанавливается режим программирования номинального значения параметра А_ном. Процентное отклонение выводится на дисплей и рассчитывается по формуле

(3.1)

где А_изм - измеренное в абсолютных единицах значение измеряемого параметра;

А_ном - номинальное (заданное) значение измеряемого параметра.

Выход из режима измерения процентных отклонений осуществляется нажатием кнопки «МЕНЮ».

4. Программа выполнения работы

4.1. Измерить три значения активного сопротивления (по указанию преподавателя) прибором Е7-21 и определить погрешности измерений. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 4.1.

4.2. Аналогично, три значения активной проводимости G.

4.3. Аналогично, три значения L и Q.

4.4. Аналогично, три значения C и .

Таблица 4.1.

Измеряемая величина	Рабочая частота	Диапазон измерения	Предел допускаемой погрешности,	Результат измерения
R1, кОм
R2, кОм
R3, кОм
G1, См
G2, См
G3, См
L1, Гн
Q1
L2, Гн
Q2
L3, Гн
Q3
С, мкФ
С2, мкФ
С3, мкФ

Примечание: в колонке «измеряемая величина» можно указывать кратные и дольные единицы измерения величин (например, Ом, мСм, мкГн, нФ и т.д.)

4.5. При расчете погрешности и записи результата измерения следует пользоваться следующими правилами.

4.5.1. В начале вычисляется по формулам относительная погрешность, которая затем переводится в абсолютную.

4.5.2. Погрешность результата измерения указывается двумя значащими цифрами, если первая из них 1 или 2, и одной, если первая цифра 3 и более.

4.5.3. Результат измерения округляется до того же десятичного разряда, которым оканчивается округленное значение абсолютной погрешности.

4.6. Провести допусковый контроль выданной партии элементов. Верхняя и нижняя границы допуска задаются преподавателем. Результаты свести в таблицу 4.2.

Таблица 4.2.

Измеряемые величины	Х1	Х2	Х3	Х4	…	Хn
Значение измеряемой величины (указать единицы измерения)
Результат допускового контроля «<<», «■», «>>»

4.7. Провести измерение процентных отклонений измеряемых параметров от номинального значения (задается преподавателем). Результаты свести в таблицу 4.3.

Таблица 4.3.

Измеряемые величины	Х1	Х2	Х3	Х4	…	Хn
Значение измеряемой величины (указать единицы измерения)
Процентное отклонение

5. Контрольные вопросы

1. Какие методы и средства измерений используются для измерения параметров электрических цепей?

2. Для чего предназначен используемый в лабораторной работе измеритель иммитансных параметров?

3. Объясните принцип работы прибора Е7-21.

4. Объясните принцип нахождения параметров Y(Z) с помощью векторной диаграммы.

5. Каким образом измеряются параметры электрических цепей с помощью прибора Е7-21?

6. Каким образом осуществляется допусковой контроль измерителем иммитанса?

7. Каким образом проводится измерение процентных отклонений измеряемых параметров от заданной величины? П какой формуле рассчитываются процентные отклонения?

8. Какими правилами следует руководствоваться при расчете погрешности и результата измерения?

Составил доц. каф. АСНИиЭ Лапшин В.Б.

Дата добавления: 2015-10-02