Многофункциональные измерительные приборы

20.02.2017 Макарычев П.К. КУРС ЛЕКЦИЙ: ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА (ИИТ) ТЕМА 2. СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ СОДЕРЖАНИЕ Стр. 1 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ СИЛЫ ТОКА 2 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСОГО НАПРЯЖЕНИЯ 3 ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ 4 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ЧАСТОТЫ 5 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОЩНОСТИ И ЭНЕРГИИ 6 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ 7 МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ 7.0 Введение 7.1 Виды многофункциональных измерительных приборов 7.1.1 Одноканальные МП с переключаемыми функциями 7.1.2 Измерители параметров пассивных компонентов (LCR-метры) 7.1.3 Многоканальные МП 8 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ КОНТАКТНЫМ СПОСОБОМ Примечание – 1 Нумерация страниц, рисунков и таблиц сквозная в пределах раздела 1 2 Материал оформлен в соответствии с требованиями ГОСТ 7.32-2001 «Отчёт о научно-исследовательской работе» 1 20.02.2017 Макарычев П.К. 7 МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ 7.0 Введение Стремление расширять функциональные возможности средств измерений (СИ) – современная тенденция, которая прослеживается достаточно ярко и обоснованно: измерительные эксперименты усложняются и они требуют множества и разнообразия применяемых СИ. Рассмотрим возможности современного приборостроения, которые позволяют создавать в одном корпусе СИ, допускающие измерение двух или более физических величин. При этом габаритные размеры таких СИ и цена не должны увеличиваться. 7.1 Виды многофункциональных измерительных приборов Наряду с рассмотренными многочисленными видами амперметров и вольтметров широкое распространение получили многофункциональные измерительные приборы (МП). К ним мы будем относить: - одноканальные многофункциональные приборы с переключаемыми функциями (режимами измерения); - многофункциональные приборы с несколькими каналами измерения. 7.1.1 Одноканальные МП с переключаемыми функциями Такие приборы имеют одноканальную структуру и, обычно, – один вход (две клеммы для подключения измерительного кабеля). Они не способны одновременно измерять две и более величины – объекты измерений должны 2 20.02.2017 Макарычев П.К. подключаться по очереди. Выбор осуществляется субъектом вручную*. функции (измеряемой величины) Примечание – Следует иметь в виду, что в настоящее время серийно выпускаются и такие МП, у которых выбор режима измерения осуществляется автоматически. Другими словами МП распознаёт самостоятельно вид подключённого объекта (резистор, конденсатор, источник напряжения и др.) и диапазон измерения.  ТЕСТЕРЫ ИЛИ АВОМЕТРЫ (АМПЕРВОЛЬТОММЕТРЫ) Такими приборами обычно называют портативные стрелочные измерители, которые позволяют измерять токи, напряжения и электрические сопротивления. Типовая структурная схема таких МИП представлена на рисунке 7.1. Рисунок 7.1 – Структура одноканального стрелочного (аналогового) МП Принцип действия. С помощью секторного переключателя S пользователь выбирает режим работы – измеряемую величину и диапазон измерения. Входные цепи (ВЦ) и последующий групповой измерительный преобразователь (ГИП) преобразуют измеряемые величины в ток. Ток измеряется магнитоэлектрическим микроамперметром с множеством шкал, проградуированных в единицах измеряемых величин (А, В, Ом). ПРИМЕР: ТЕСТЕР ТИПА Ц43109 (рисунок 7.2). Назначение. Прибор предназначен для измерения силы и напряжения постоянного тока, напряжения переменного тока синусоидальной формы, сопротивления постоянному току. Примечание – Измерение напряжений несинусоидальной формы приводит к возникновению дополнительной погрешности, которую учесть нельзя. См. лекцию 7. 3 20.02.2017 Макарычев П.К. Пределы1) измерений силы постоянного тока, мА – 0,05 ... 500. Пределы измерений напряжений постоянного тока, В – 0,5 ... 1000. Входное сопротивление при измерении постоянного напряжения, кОм/В 2) – 20 Пределы измерений напряжений переменного тока, В, СКЗ – 10 ... 1000. Входное сопротивление при измерении переменного напряжения, кОм/В 2) – 5 Диапазон рабочих частот, Гц – 45…5000 Пределы измерений сопротивления постоянному току, кОм – 5 ... 500. Класс точности – 4,0. Диапазон рабочих температур, ºС – +5…+40. Габаритные размеры, макс., мм3 – 135×85×45 Масса, макс., г – 350. Рисунок 7.2 – Внешний вид и характеристики тестера Ц43109 Примечание – 1 – Под пределом измерения понимаем конечное значение (Хк) выбранного диапазона измерений. 2 – Такая форма представления параметра означает, что входное сопротивление тестера в режиме измерения напряжения зависит от выбранного предела. Например, если выбранный предел равен 1000 В, то при измерении постоянных напряжений Rвх=1000 В×20 кОм/В=20 МОм. При снижении предела уменьшается и входное сопротивление! Конструктивные особенности. Рабочее положение – горизонтальное. Имеет три клеммы: общую («земля») для всех измерений []; для подключения объектов типа резистор [k]; для подключения объектов типа источник напряжения или источник тока [V, mA]. Режим и диапазон измерений выбираются вручную с помощью секторного переключателя. Измерительный механизм – магнитоэлектрический (МЭИМ). 4 20.02.2017 Макарычев П.К. Измерение переменных напряжений осуществляется с применением полупроводникового выпрямителя. Считывание результатов измерений осуществляется посредством нескольких вложенных секторных шкал. Следует обратить внимание, что для измерения переменного напряжения на пределе 10 В (максимальная чувствительность) выделена отдельная шкала, а шкала для измерения электрических сопротивлений – обратная и сильно нелинейная. Питание прибора батарейное.  МУЛЬТИМЕТРЫ Мультиметрами* будем называть многофункциональные цифровые приборы. Структурные схемы мультиметров могут различаться. Так, на рисунке 7.3 слева показана структура простых мультиметров, а справа – более совершенных. Рисунок 7.3 – Типовые структуры мультиметров Примечание – За рубежом и в отечественной практике принято различать аналоговые мультиметры и цифровые мультиметры. Здесь и далее будем использовать термин «тестер» применительно к аналоговым МП, а «мультиметром» будем называть цифровые МП. Более совершенные мультиметры создаются с применением микропроцессоров, которые выполняет две основные функции: - на основе оцифрованных значений об измеряемых величинах, получаемых от АЦП, вычисляют (рассчитывают, уточняют, корректируют) результаты измерений; - управляют утилизацией результатов (отображают, регистрируют, передают удалённому субъекту). Одноканальные структуру. портативные мультиметры, 5 имеющие простую 20.02.2017 Макарычев П.К. Простые мультиметры, как правило, повторяют функции тестеров – измеряют напряжения, токи и электрические сопротивления. В их структурах измерительный механизм с аналоговой шкалой заменён на АЦП и цифровое отсчётное устройство (дисплей). ПРИМЕР: МУЛЬТИМЕТР ТИПА Mastech М830В (рисунок 7.4). Дисплей 3-х разрядный Длина шкалы 1) – 1999 Пределы измерений напряжений постоянного тока, В – 200·10-3, ... , 1000. Пределы измерений напряжений переменного тока, СКЗ, В – 200 и 750. Пределы измерений силы постоянного тока, А – 200 10-6, … , 200 10-3; 10 Пределы измерений силы переменного тока, СКЗ, А – не измеряет. Входное сопротивление в режиме измерения напряжения, МОм – 1 Диапазон рабочих (значений) частот, Гц – 45…450 Пределы измерений сопротивления постоянному току, Ом – 200 ... 2 106. Класс точности при измерении напряжения постоянного тока – 0,25//2. Класс точности при измерении напряжения переменного тока – 1,2//10. Класс точности при измерении силы постоянного тока – 1,2//2. Класс точности при измерении сопротивления постоянному тока – 0,8//2. Диапазон рабочих (значений) температур, ºС – 18..28. Габаритные размеры, макс., мм3 – 135×85×45 Масса, макс., г – 350. Рисунок 7.4 – Функционально простой мультиметр и его характеристики Примечания – 6 20.02.2017 Макарычев П.К. 1 Термин «длина шкалы», применяемый изначально к аналоговой шкале, имеет буквальный смысл – длину дугообразной шкалы прибора. В современной практике редко используется. Применим этот термин и к цифровым приборам, где он будем обозначать максимальное целое число, отображаемое цифровым дисплеем. Примеры: 9999, 299, 39999, 599, 1999 … 2 На рисунке указано, что дисплей 3-х разрядный. Это не означает, что все разряды дисплея полные, т.е. отображают все арабские цифры. Часто старшая (крайняя левая) декада ограничена цифрами 1, 2, 3, 4 или 5 так, что длина шкалы прибора имеет, к примеру, вид: 1999, 2999, 3999, 4999, 5999. Иногда и вторая декада имеет ограниченный набор цифр, например, 12000. Одноканальные портативные мультиметры, имеющие улучшенную структуру. Более сложные мультиметры имеют в своей структуре микроконтроллер, поэтому функции у них уже более разнообразные. Такие мультиметры часто приспосабливают для измерения электрических емкостей и индуктивностей, частоты переменных напряжений, температуры и других физических величин. Метрологические свойства у них обычно выше. Часто такие мультиметры позволяют измерять истинные среднеквадратические значения переменных напряжений и токов (true RMS)*. Примечание – Другими словами, такие мультиметры можно использовать для измерения полигармонических (несинусоидальных) сигналов. Некоторые типы рассматриваемых мультиметров имеют интерфейсные устройства для обмена данными, например, с компьютером. Наличие встроенного микроконтроллера позволяет наделить мультиметр свойствами регистратора. Дело в том, что микроконтроллер штатно имеет энергонезависимую память для хранения программ и часть этой памяти можно использовать для хранения, например, максимальных и минимальных значений измеряемых величин. Для расширения объёма регистрируемых значений, несложно также подключить в структуру периферии микроконтроллера внешнюю память или предусмотреть использование субъектом классических извлекаемых карт памяти типа SD/MMC. Некоторые современные дорогие мультиметры включают функцию осциллографии – регистрируют и выводят на сложные графические дисплеи массивы оцифрованных данных. На рисунке 7.5 представлена более наглядно, чем ранее, функциональная схема современных мультиметров с микроконтроллером. 7 20.02.2017 Макарычев П.К. Рисунок 7.5 – Обобщённая функциональная схема мультиметра с микроконтроллером в структуре Как мы видим, такие структуры содержат множество преобразователей физических величин в одну – напряжение постоянного тока. Режим измерения (выбор измеряемой величины и предела измерения) задаётся секторным переключателем, который подключает измеряемую величину ко входу соответствующего преобразователя. Оцифрованный аналогоцифровым преобразователем (АЦП) сигнал передаётся в МК для дальнейшей обработки и утилизации: отображения, регистрации и трансляции удалённому субъекту. На рисунках 7.6 приведены разнообразные примеры современных портативных мультиметров различного назначения. Особенности представленных вариантов представлены под соответствующими рисунками. 8 20.02.2017 Макарычев П.К. А. Мультиметр с совмещёнными измерительными каналами: аналоговым и цифровым Б. Мультиметр, дополненный псевдоаналоговой шкалой В. Малогабаритный мультиметр «карандашного» исполнения (PEN DMM) Г. Мультиметр со встроенными токоизмерительными клещами Д. Типовой мультиметр, дополненный Е. Мультиметр с расширенным диапазоном функцией измерения электрической ёмкости измерения индуктивности 9 20.02.2017 Макарычев П.К. Ж. Мультиметр высокой точности с автоматическим выбором диапазона измерения и сложным дисплеем З. Мультиметр с графическим дисплеем и функцией осциллографа И. Мультиметр с кнопочным переключателем функций и автовыбором предела К. Мультиметр в дополнительной защитной полимерной оболочке (калоше) Рисунок 7.6 – Примеры современных портативных мультиметров Типовые особенности мультиметров. Виды дисплеев. Виды дисплеев соответствуют их назначению: простые, сложные; энергоэкономичные; ЖКИ с подсветкой и OLED-дисплеи для использования в плохоосвещённых условиях; символьные, многострочные, графические. Типовые примеры дисплеев показаны на рисунках 7.7. А. ЖК-дисплей простого мультиметра малой 10 Б. ЖК-дисплей мультиметра повышенной 20.02.2017 Макарычев П.К. точности точности и расширенного функционала*) В. ЖК-дисплей мультиметра высокой точности с дополнительной псевдоаналоговой шкалой Г. Графический ЖК-дисплей Д. OLED-дисплей мультиметра высокой точности Е. Графический многострочный OLED-дисплей Рисунок 7.7 – Дисплеи мультиметров различного назначения Примечание – О повышенной точности мультиметра судим по отображённой на рисунке длине шкалы: 8888. Особенности подключения к объектам (рисунок 7.8). Обычно подключение объекта к мультиметру осуществляется посредством двух специально оформленных проводов, называемых щупами или шнурами (рисунок 7.8). Один щуп (стандартно чёрный) подключается к клемме COM (общая; «земля»), обычно исполненной в чёрном цвете. Второй щуп (красного цвета) подключается к клемме, обозначенной набором символов измеряемых величин, например, [mA, V, ] (рисунок 7.8). Эта клемма может быть исполнена в красном цвете. Большинство мультиметров имеет третью клемму. При измерении больших токов (10 А, 20 А) сюда подключается щуп красного цвета. Иногда и для токов малых значений выделяется отдельная клемма. Некоторые мультиметры с расширенным функционалом имеют дополнительные соединители других конструктивных исполнений: для подключения конденсаторов, транзисторов, внешних датчиков. 11 20.02.2017 Макарычев П.К. Для защиты измерительных каналов от возможных перенапряжений входы снабжаются плавкими предохранителями (fuse). Щупы для мультиметров Щупы с коаксиальным соединителем Высокочастотные соединители Рисунок 7.8 – Виды подключений объектов измерений к мультиметру Выбор режима измерения. Обычно режим измерения (измеряемая величина, диапазон) выбирается субъектом с помощью секторного переключателя (рисунок 7.9А). Некоторые мультиметры имеют функцию автоматического выбора диапазона измерения. В таких приборах только вид измеряемой величины 12 20.02.2017 Макарычев П.К. устанавливается субъектом вручную, а диапазон – автоматически (рисунок 7.9Б). Примечание – Следует иметь в виду, что автовыбор диапазона не всегда является удобной опцией – переключение диапазона происходит с раздражающей временной задержкой, поэтому часто автовыбор совмещён в мультиметре с возможностью и ручного выбора. Некоторые мультиметры распознают вид измеряемой величины (рисунок 7.8В). Секторные переключатели режимов в условиях интенсивного использования мультиметра могут сравнительно быстро выходить из строя. Для повышения надёжности функционирования некоторые мультиметры создаются с кнопочными переключателями (рисунок 7.9Г). А. Секторный переключатель мультиметра с ручным выбором режима измерения Б. Секторный переключатель мультиметра с автовыбором диапазона измерения В. Переключатель мультиметра с автовыбором режима измерения среди величин: =U/ U/ R Г. Переключатель мультиметра с кнопочным переключателем режима измерения и автовыбором диапазона Рисунок 7.9 – Виды переключателей режимов измерения Одноканальные мультиметры лабораторного (стендового/настольного) использования. 13 20.02.2017 Макарычев П.К. Наряду с портативными серийно выпускаются мультиметры для использования в учебных и исследовательских лабораториях. Это переносные – имеют для переноски ручку-две, и «переставляемые» приборы – не имеющие ручек, но не очень и тяжёлые. На рисунке 7.10 приведены примеры таких одноканальных мультиметров, называемых стендовыми или настольными (bench multimeter). А. Переносные (настольные) мультиметры малой и средней точности для учебных лабораторий Б. Переносные (настольные) мультиметры высокой точности для использования в исследовательских лабораториях В. «Переставляемые» (без ручек для переноски) мультиметры Рисунок 7.10 – Примеры одноканальных настольных мультиметров В таблице 7.1 представлены сравнительные характеристики некоторых из представленных настольных мультиметров. 14 20.02.2017 Макарычев П.К. Таблица 7.1 – Сравнительные характеристики настольных мультиметров Характеристики мультиметров Измеряемые величины Длина шкалы 1) Пределы измерений/ Погрешность основная: - напряжение DC, В / … - напряжение AC, СКЗ, В / … // в полосе частот, Гц - ток DC, мА / … - ток AC, СКЗ, мА / … // в полосе частот, Гц - сопротивление, кОм/ … - частота, кГц / - ёмкость, нФ Наличие энергонезависимой памяти Диапазон рабочих температур, ºС Скорость измерения, Типы мультиметров APPA 201N M9803R Rigol DM3052 VDC; VAC; ADC; VDC; VAC; ADC; VDC; VAC; ADC; AAC; R, C, F AAC; R, C, F AAC; R, C,; F;  1 999 3 999 39 999  / ±(оп [%]+N [ЕМР]) 0,2; 2; 20; 200, 600 / 0,5 + 2 2; 20; 200, 600 2) / 1,5 + 5 // 40…500  / ±(оп [%]+N [ЕМР])  / ±(оп [%]+N [%]) 5) 0,4; 4, 40, 400, 103 / 0,3 + 2 4, 40, 400, 750 3)/ 1,2 + 5 // 45…103 0,4; 4, 40, 400, 103 / 0,025 + 0,002 0,2; 2, 20, 200, 750 3)/ 1,0 + 0,5 // 10…20·103 0,2; 2; 20; 200; 104 / 1,0 + 2 0,2; 2; 20; 200; 104 2) / 2,5 + 5 // 40…500 4, 40, 400, 750; 104 / 0,8 + 5 4, 40, 400, 750; 104 3) / 1,5 + 5 // 45…400 4, 40, 400, 4·103, 104 / 0,05 + 0,002 20, 200, 1·103, 104 3) / 1,5 + 0,04 // 10…103 0,2; 2, 20, 200, 2·103; 20·103/ 0,75 + 2 0,1; 1, 10, 100, 1000 / 0,1 + 4 4, 40, 400; 4·103, 40·103 / 1,0 + 4 0,4; 4, 40, 400; 4·103, 40·103/ 1,5 + 5 0,1; 1, 10, 100, 1000 / 0,1 + 4 4, 40, 400; 4·103, 40·103/ 2 + 5 0,4; 4, 40, 400, 4·103, 100·103 / 0,06 + 0,002 3…300 103/ 0,005% 4, 40, 400, 4·103, 40·103, 200·103 / 1,0 + 0,2 ? Да 0…+50 5…+35 внешний USB-накопитель 0…+55 1…2 2 50 000 нет да / 6×ААА или 1×9 В 1300 RS232 да / 6×АА или 1×9 В 1500 RS232 / LAN / USB да, 20 ВА / нет 2500 изм./с Тип интерфейса Питание: сеть 220 В, 50Гц / Батареи Масса4), г Примечания – 1 Максимальное целое число, отображаемое дисплеем. 2 Среднеквадратическое значение синусоидального (!) напряжения и тока 3 Среднеквадратическое значение любого по форме напряжения и тока (true RMS) 4 В документации часто термин «масса» заменяют на «вес». Это неправильно, т.к. для веса – как силы, единицей измерения в Международной системе единиц является ньютон. Использовать ньютон в качестве единицы веса в отечестве непривычно. Так же непривычно использовать внесистемную единицу кг-сила. Таким образом, замена «веса» на «массу» – плохонький компромисс. 15 20.02.2017 Макарычев П.К. 7.1.2 Измерители параметров пассивных компонентов (LCR-метры) Функциональный набор серийно выпускаемых мультиметров может быть типовым или специализированным – под решение определённого круга задач. Так, например, выпускаются автомобильные мультиметры, максимально приспособленные для измерений в электрических цепях современных автомобилей. Среди специализированных мультиметров выделяются своей массовостью измерители параметров пассивных компонентов, т.н. LCR-метры*. Примечание – В отечественной практике их принято называть более длинно – измерители иммитанса. Ранее было показано, что типовые мультиметры позволяют измерять электрическое сопротивление резисторов. Некоторые из более сложных (рисунок 7.6 Е и Ж) приспособлены также для измерений основных параметров конденсаторов (С) и/или катушек индуктивностей (L). Следующие причины потребовали создания специализированных измерителей параметров пассивных компонентов: - недостаточные диапазоны измерений параметров; - сравнительно низкая точность измерения параметров; - отсутствие возможности измерения показателей «качества» пассивных компонентов. Дадим пояснения по третьей причине… 7.1.2.1 Типовой образ резистора – кусок металлического провода (рисунок 7.11А), от характеристик которого зависит основной параметр его – электрическое сопротивление (сопротивление): чем длиннее и тоньше провод, тем сопротивление выше: R=l/S, где:  («ро») – электрическая плотность [Оммм2/м], l – длина провода [м], S – площадь сечения [м2]. 16 20.02.2017 Макарычев П.К. А. Типовой образ резистора Б. Схемы замещения резистора В. Бифилярная намотка проволочного резистора Рисунок 7.11 – Графическое описание проволочного резистора Свёрнутый для оптимизации размеров провод похож на катушку индуктивности (КИ) и обоснованно приобретает индуктивные свойства. Схемы замещения такого резистора приобретают вид, представленный на рисунке 7.11Б. Для уменьшения индуктивной составляющей применяют конструктивную хитрость – бифилярную намотку провода (рисунок 7.11В). В этом случае вокруг пары проводов отсутствует магнитное поле, т.к. токи в проводах имеют противоположные направления и возникающие вокруг них поля взаимно компенсируются. Хотя в настоящее время постоянные резисторы имеют, как правило, другие конструктивно-технологические решения (рисунки 7.12), схема замещения таких резисторов по-прежнему включает индуктивную составляющую. Эта составляющая и является параметром качества (некачества) резистора. На рисунках 7.11Б она представлена включённой последовательно индуктивностью (Ls) или параллельно включенной индуктивностью (Lp). Ими интересуются и обычно измеряют с помощью LCR-метров. Резисторы для впаивания в отверстия (выводные) 17 20.02.2017 Макарычев П.К. Резисторы для поверхностного монтажа (безвыводные) Рисунок 7.12 – Конструктивные разновидности современных резисторов 7.1.2.2 Катушки индуктивности (КИ) используются в электронных схемах нечасто: обычное их место в схемах преобразователей питания. Так называемые, высокочастотные катушки применяют в фильтрации напряжений питания чувствительных электронных компонентов. Общее назначение КИ – запасать энергию магнитного поля Wм = LI2/2 при протекании электрического тока. Где I – протекающий через катушку ток, а L – основной параметр КИ – индуктивность. Рисунок 7.13 – Образ магнитного поля, создаваемого катушкой индуктивности Типовой образ КИ, также как и резистора – катушка с проводом. Внешне она может не отличаться от проволочного резистора. Чем больше витков, тем выше основной параметр катушки – индуктивность. Отличие от проволочного резистора заключается в том, что омическое сопротивление провода в КИ характеризует её некачество: чем оно больше, тем больше потери энергии в КИ, а это функция резистора. Именно поэтому при создании КИ используют провод с хорошей проводимостью и, похоже, большого сечения. Второе отличие КИ от резистора заключается в наличии магнитного сердечника: чем лучше магнитные свойства сердечника, тем выше индуктивность. КИ имеют разнообразные конструктивные решения (рисунок 7.14). 18 20.02.2017 Макарычев П.К. Без сердечника С сердечником Самодельная катушка (дроссель) Для поверхностного монтажа Чип-индуктивность Броневые (экранированные) Две КИ в корпусе Рисунок 7.14 – Конструктивные разновидности КИ На рисунке 7.15В представлены типовые схемы замещения КИ. Где параметры некачества КИ представлены как RS и RP. Эти модели КИ реализуются в LCR-метрах. Примечание – Латинский индекс S означает serial (последовательный), а индекс P – parallel (параллельный). А. Типовая модель КИ Б. Типовая конструкция В. Схемы замещения КИ Рисунок 7.15 – Графическое описание КИ 7.1.2.3 Типовой образ конденсатора – две параллельно размещённые металлические пластины (обкладки) с диэлектрической прослойкой (рисунок 7.16). Чем больше поверхности обкладок и меньше расстояние между пластинами, тем выше значение ёмкости конденсатора. Диэлектрик, расположенный между пластинами увеличивает ёмкость. В качестве 19 20.02.2017 Макарычев П.К. диэлектрика может использоваться бумага, слюда, полимерная плёнка, керамика и др. Диэлектрик не идеальный изолятор и являет собой большое, но конечное сопротивление, которое принято называть сопротивлением утечки Rу. При заряде-разряде это сопротивление нагревает конденсатор. Кроме того, сопротивление выводов конденсатора привносит ещё одну составляющую диссипации энергии (особенно при больших токах). Наконец, технологические особенности некоторых современных конденсаторов, особенно т.н. электролитических, (рисунок 7.17) требуют ответственно относиться к неидеальностям (некачеству) конденсаторов. А. Модель конденсатора Б. Схемы замещения конденсатора Рисунок 7.16 – Графическое описание электрического конденсатора На рисунке 7.17 представлены современных конденсаторов. конструктивные Электролитические разновидности Плёночные выводные Керамические для поверхностного монтажа Керамические выводные Рисунок 7.17 – Конструктивно-технологические разновидности современных конденсаторов 7.1.2.4 Разновидности LCR-метров 20 20.02.2017 Макарычев П.К. Номенклатура серийно выпускаемых LCR-метров содержит две группы приборов: - расширяющие диапазоны измерений L, C и/или R (в сравнении с типовыми мультиметрами); - допускающие – наряду с основными параметрами – измерение параметров качества (паразитные составляющие). Вторая группа функционально более сложная. Помимо уже описанных паразитных составляющих (Ls, Lp, RS и RP) LCR-метры позволяют измерять некоторые другие. Так, например, для оценки качества КИ широко используется параметр добротность. Этот параметр рассчитывается по формуле Q = ωL/RS, где RS – сопротивление катушки в схеме замещения с последовательным резистором, ω=2πf – круговая частота переменного тока, протекающего в КИ. Чем больше Q, тем меньше потери энергии, тем качественнее изготовлена катушка*. Примечания – 1 Очевидно, потери зависят только от параметра RL – мало зависящего от частоты, а значение Q возрастает от частоты, поэтому общепринято Q измерять на стандартизованных значениях частоты, например, 100 Гц, 1000 Гц, …, либо частоте, которая имеет место в проектируемой схеме. 2 Следует иметь в виду, что сам параметр L также меняется с частотой, особенно у КИ с сердечником Оценка качества конденсатора наряду с добротностью включает параметр тангенс угла потерь. Этот параметр рассчитывается по формуле D = 1/Q = СRs, где RS – сопротивление конденсатора в схеме замещения с последовательным резистором. Чем меньше D, тем меньше потери энергии, тем качественнее изготовлен конденсатор. На рисунках 7.18 приведены примеры современных LCR-метров различного конструктивного исполнения. 21 20.02.2017 Макарычев П.К. А. Измеритель индуктивности КИ и ёмкости конденсаторов в широких диапазонах Б. LCR-измеритель с широкими диапазонами измерений основных параметров компонентов В. Мультиметр для измерений основных параметров RLC-компонентов во впаянном состоянии Г. Мостовые измерители основных параметров и параметров качества резисторов, КИ и конденсаторов 22 20.02.2017 Макарычев П.К. Д. Настольные прецизионные LCR-измерители Рисунок 7.18 – Примеры типовых современных LCR-измерителей ПРИМЕР: LCR-ИЗМЕРИТЕЛЬ типа АКТАКОМ АММ-3038 (рисунок 7.19). Профессиональный исполнении прецизионный измеритель LCR в настольном Рисунок 7.19 – Внешний вид прецизионного LCR-измерителя Таблица 7.2 – Измеряемые параметры Параметр Диапазон измеряемых значений Сопротивление Проводимость Ёмкость Индуктивность Модуль комплексного сопротивления, реактивное сопротивление, активное сопротивление Модуль комплексной проводимости, реактивная проводимость, активная проводимость Тангенс угла потерь Добротность R G C L 0,00001 Ом ... 99,9999 МОм 0,00001 мкСм ... 99,9999 См 0,00001 пФ ... 9,99999 Ф 0,00001 мкГн ... 99,9999 кГн |Z|, X, R 0,00001 Ом...99,9999 МОм |Y|, B, G 0,00001 мкСм..99,9999 См D Q 0,00001...9,99999 0,00001 ... 99999,9 Базовая погрешность измерения составляет ±0,05%. 7.1.3 Многоканальные МП Дальнейшее развитие МП привело к созданию многоканальных МП. Связано это в первую очередь с непрерывным развитием электронной компонентной техники – её миниатюризацией, повышением качества 23 20.02.2017 Макарычев П.К. компонентов, снижением потребляемой энергии. При проектировании попрежнему структура МП оптимизируется. 0. Исходная одноканальная структура Вариант 1. Автономные каналы с общей периферией Вариант 2. Измерительные каналы с общим вычислителем Вариант 3. Измерительные каналы с коммутатором и общими АЦП и вычислителем Рисунок 7.20 – Структуры многоканальных МП с переключаемыми функциями На рисунках 7.21 представлены примеры многоканальных МП. 24 20.02.2017 Макарычев П.К. testo 608-H1 – Термогигрометр: прибор для измерения температуры и относительной влажности testo 610 – Прибор для измерения влажности и температуры HP-870F. Двухканальный прибор для измерения электрической мощности Benning CM 8. Двухканальный мультиметр и схема его подключения в измеряемую цепь Рисунок 7.21 – Примеры многоканальных МП 25