Лекция 12. Мостовые схемы постоянного тока используются для измерения активных сопротивлений

Мостовые схемы постоянного тока используются для измерения активных сопротивлений. В схеме моста, приведен­ном на рис. 6. а, комплексные сопротив­ления Zl - Z4 можно заменить активны­ми сопротивлениями Rl — R4. Измере­ние сопротивления R_x осуществляется методом сравнения с образцовыми со­противлениями, часть из которых долж­ны быть регулируемыми. Если измеряе­мая величина определяется при нулевом отклонении указателя равновесия, то мост называется уравновешенным. В не­уравновешенных мостах измеряемое со­противление определяется по значению тока индикатора, отградуированного в единицах сопротивления. Одинарные мосты используются для измерения со­противлений от десятков Ом и выше. При измерении малых сопротивлений возникают погрешности, обусловленные влиянием соединительных проводов и переходных сопротивлений контактов. Для исключения влияния этих сопротив­лений измеряемое сопротивление R_x (рис. 6, б) присоединяется по четырех-зажимной схеме включения: двумя то­ковыми зажимами оно включается в цепь источника питания моста, а двумя потенциальными — в измерительную цепь. Аналогичное включение имеет так­же образцовое сопротивление R₀q„- Та­кие мостовые схемы обеспечивают из­мерение сопротивление от 10'⁸ Ом. Погрешность измерения мостовых схем в зависимости от измеряемых сопротив­лений находится в диапазоне от тысяч­ных долей процента до единиц про­центов.

Для измерения емкости, индуктив­ности и других параметров цепей пере­менного тока используются мосты пере­менного тока. Схемы мостов перемен­ного тока отличаются разнообразием. Особенностью мостов переменного тока является необходимость при уравнове­шивании регулирования не менее двух

параметров моста. Процесс уравнове­шивания заключается в попеременном регулировании этих параметров. Все большее распространение получают тран­сформаторные мосты переменного тока, имеющие ряд преимуществ по сравнению с обычными мостами.

Новым направлением создания СИ па­раметров цепей является разработка при­боров с микропроцессорами, выполняю­щими функции управления процессом измерения, улучшающими технические и метрологические характеристики, расши­ряющими функциональные возможности приборов.

В цифровых измерительных приборах (ЦИП) непрерывный сигнал преобразует­ся в дискретный выходной сигнал, пред­ставленный в цифровой форме (рис. 7). Преимущества ЦИП перед аналоговыми приборами обусловлены малой погреш­ностью измерений, высокой чувствитель­ностью, большим быстродействием, от­сутствием субъективной ошибки отсчета результата измерений, возможностью ав­томатизации процесса измерения и про­стой реализации возможности докумен­тирования результата измерений.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) выполняет операции квантования аналоговой величины по уровню и по времени. На его выходе вырабатывается дискретный сигнал, который в виде кода вводится в ЭВМ или преобразуется в от-счетном устройстве в цифровой отсчет. Схемная реализация АЦП и алгоритм его работы определяется видом входной и выходной величины и заданными харак­теристиками прибора.

ЦИП обеспечивают измерения напря­жения постоянного тока; силы постоян­ного тока; напряжения переменного то­ка; силы переменного тока; временных параметров (частоты, периода, времен­ного интервала, фазы); параметров эле­ментов электрических цепей — сопротив­ления, емкости, индуктивности.

АЦП предназначены для ввода ин­формации, представленной в виде дис­кретных сигналов, в ЭВМ или другие

устройства. АЦП должны обладать вы­соким быстродействием, определяемым скоростью изменения измеряемой вели­чины, и не имеют отсчетного устройства. АЦП выполняют обычно однопредель-ными и наряду с цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП) их исполь­зуют в качестве модулей различных измерительных устройств. Современные ЦИП имеют достаточно высокие техни­ческие характеристики, которые реа­лизуются в связи с использованием достижений современной элементной ба­зы и схемотехники. Предельные техни­ческие характеристики ЦИП приведены в табл. 5.

Значительному прогрессу цифровых СИ способствует применение микропро­цессоров (МП). На их основе создаются новые поколения программируемых при­боров, универсальных многофункцио­нальных приборов. Помимо пяти основ­ных величин (постоянные и переменные напряжения, токи и сопротивление) они могут измерять емкость, проводимость, частоту следования импульсов, электри­ческую мощность, угол сдвига фаз и т. д. В ЦИП микропроцессоры могут выполнять автокалибровку, самодиаг­ностику, математическую обработку ре­зультатов измерений, линеризацию ха­рактеристик измерительных преобразо­вателей, коррекцию нуля. Кроме того, МП управляют временем измерения и процессом преобразования, осущест­вляют автоматический выбор диапазона и выполняют функции интерфейса.

Алгоритмы калибровки МП измери­тельного тракта могут быть разными по внетреннему и внешнему источникам эталонного напряжения и по внутренним образцовым мерам, значения парамет­ров которых запоминаются калибровоч­ным запоминающим устройством, но при любом способе автокалибровки устра­няется влияние многих факторов на погрешность и точность измерений по­вышается. Благодаря автоматической коррекции смещения нуля точность из­мерений повышается также. Применение МП для автоматизации калибровки и коррекции погрешностей позволяет су­щественно снизить метрологические тре­бования к элементной базе и блокам аналоговой части прибора, сократить число калибровочных операций и выде­лить прецизионные элементы в само­стоятельный блок, который можно по-

верять (аттестовывать) отдельно от при­бора.

В процессе автоматической диагности­ки в память МП заносится программа, определяющая порядок тестовых опера­ций, заключающихся в подаче на функ­циональные узлы прибора контрольных сигналов и сравнении реальных сигналов на выходе с номинальными. Благодаря МП можно осуществлять многократные измерения и проводить статистическую оценку данных, что значительно снижает влияние помех, а точность и качество измерений повышает.

Вследствие использования МП в ЦИП существенно упрощаются традиционные способы.обращения с прибором. Благо­даря МП оптимальный предел измере­ния выбирается автоматически последо­вательно ступенями либо скачкообразно. При этом быстродействие приборов с МП увеличивается в несколько раз. В некоторых моделях ЦИП предусматри­вается отключение отсчетного устройства до момента установления предела изме­рения, что избавляет оператора от не­приятного мелькания цифр. Применение МП обеспечивает возможность програм­мной реализации интерфейсных функ­ций. Цифровые мосты с МП позволяют измерять не только сопротивление, емкость и индуктивность, но и опреде­лять активную проводимость, доброт­ность и тангенс угла потерь. МП вычис­ляет процентные отклонения измеряе­мых величин от номинальных значений и контролирует заданные пределы изме­рения, что позволяет сортировать эле­менты цепей по допускам. МП обеспе­чивает выбор режима измерений (одно­кратный, непрерывный или усреднен­ный), уровня сигналов на измеряемом элементе, рабочей частоты и скорости измерений.

Измерительные информационные сис­темы (ИИС). Измерительно-вычислитель­ные комплексы (ИВК). Под ИИС пони­маются автоматизированные средства ис­следования объектов, имеющие сложную структуру, предназначенные для решения следующих задач: а) прямых, косвенных или совокупных измерений физических (электрических) величин - параметров объекта; б) управления процессом ис­следования, воздействия на объект с целью исследования его свойств; в) об­работки результатов исследования и представления их экспериментатору в требуемом виде.

Измерительные информационные сис­темы появились в связи с усложнением объекта исследования, увеличением мно­гообразия и числа измеряемых парамет­ров; переходом к испытаниям (и по­лучению их результатов) в реальном времени как к средству сокращения числа испытаний; необходимостью ав­томатизации измерений, как средства решения указанных выше задач, воз­можностью адаптироваться к объекту

программным путем, гибко менять структуру и параметры системы.

Можно выделить ядро ИИС, инва­риантное к конструктивным особеннос­тям, объекта, причем на основе одного типа такого устройства можно компо­новать ИИС для различных объектов. Это ядро ИИС называется измерительно-вычислительным комплексом (ИВК).

По назначению и широте применения различают ИВК:

1) типовые, предназначенные для
автоматизации измерений и исследова­
ний, независимо от области применения;

2) проблемно-ориентировочные, пред­назначенные для исследования в кон­кретной, достаточно широкой области, например исследования двигателей внут­реннего сгорания, исследования физико-механических свойств материалов и т. д.;

3) специализированные, предназначен­ные для автоматизации эксперимента в узкой области, например ИВК для испытаний конкретных образцов техни­ки, выпускаемых крупными сериями.

Типовая структура ИВК и его место в структуре ИИС приведена на рис. 8.

ИВК состоит из двух основных частей:

управляюще-вычислительной, реали­зуемой, как правило, на универсальной ЭВМ (управляющей, персональной и др.), либо на свободно программируе­мом процессоре (микропроцессорном комплексе);

сбора данных, содержащая многока­нальные тракты ввода-вывода измери­тельных сигналов, ввода-вывода анало­говых сигналов и данных, представлен­ных в виде цифровых и дискретных сигналов.

Вычислительная часть ИВК содержит, как правило, полный набор периферий­ных устройств, обеспечивающих пользо­вателю возможность управления комп­лексом в автоматическом и ручном режимах, представления оперативной ин­формации и результатов эксперимента оператору в требуемом виде, создания и отладки специального прикладного программного обеспечения (программ

пользователя) — дисплеи, оперативное запоминающее устройство, накопитель на гибких магнитных дисках или маг­нитной ленте, АЦП и др.

Подсистема сбора данных содержит цепочки последовательно соединенных компонентов, каждая из которых обра­зует тракт ввода (вывода) соответ­ствующих величин (сигналов, парамет­ров объекта и др.), причем измери­тельные тракты отличаются нормирова­нием метрологических характеристик (точности, быстродействия, дипазона из­мерения, параметров входных и выход­ных цепей и т. д.). Каждый тракт рас­считан на измерение (преобразование) определенной величины (напряжения низкого или среднего уровней, темпера­туры, сопротивления и др.) и может иметь несколько входов (каналов), к которым подключаются датчики этих величин.

Обе части ИВК (вычислительная и под­система сбора данных) могут либо вы­ходить на общую магистраль обмена данными, либо иметь различные магист­рали: магистраль ЭВМ и машинонезави-симую магистраль обмена данными меж­ду ЭВМ.

В последнем случае обмен данными между ЭВМ и подсистемой сбора данных осуществляется через блоки-контрол­леры.

Важнейшим компонентом ИВК явля­ется программное обеспечение (ПО), включающее системное ПО и общее прикладное ПО.

Системное ПО содержит операцион­ную систему, обеспечивающую отладку и выполнение программ пользователя в требуемом режиме, например диалого­вом, а также драйверные программы, обеспечивающие управление аппаратны­ми компонентами ИВК, и программы

Л13