Лабораторная работа №1 Тема: Цель работы:

Лабораторная работа №1
Тема: Исследование электромеханических приборов
Цель работы: Познакомить студентов с простейшими техническими
средствами измерения и методами измерения. Получение навыков измерения основных электрических величин с помощью мультиметра.
Краткие теоретические сведения
Вся практическая деятельность человека связана с измерениями.
Существует достаточно много разновидностей измерительных механизмов и
приборов предназначенных для выполнения измерений. Измерение- это
нахождение значения физической величины опытным путём с помощью
технических средств. В зависимости от физической природы измеряемых
величин различают тепловые, механические, электрические и другие
Единица физической величины- это физическая величина, которой по
определению присвоено числовое значение, равное единице. Средствами измерений называют технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства. Различают несколько видов средств измерений: гаера;
измерительный преобразователь; измерительный прибор; измерительная
установка; измерительная информационная система, измерительный
Мерой называют средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Различают однозначные,
многозначные меры и наборы мер.
Эталон - средство измерений, обеспечивающее воспроизведение и
хранение единиц измерения с целью передачи их размера образцовым и
рабочим средствам измерения.
Содержание работы:
1) Собрать схему согласно рис.№1
Рисунок 1. Схема электрической цепи.
Выполнить измерение величины напряжения па участке 1-2 и тока в цепи.
Записать полученные значения.
2) Выключить источник питания, измерить сопротивление резисторов и
занести их значения в таблицу.
Ri
R2
R3
R4
Rs
3) Измерить падение напряжения на каждом резисторе и занести их
значения таблицу.
UR,
uR2
UR3
UR4
UR5
4) Измерить величину тока в цепи и на каждом элементе и занести в
таблицу.
IRI
IR2
I|<4
IR5
5) Вычислить полное сопротивление цепи между точками 1 и 2,
зная значения напряжения и тока.
Г>— 1 Г/Т
Найти сумму сопротивлений резисторов R2, R3, R4, Rs- Сравнить
полученные результаты. Допустимое значение отклонения не должно
превышать 20%.
6) Собрать схему согласно рисунку №2.
Рисунок 2. Схема электрической цепи.
7) Измерить общий ток и ток в цепи каждого резистора и полученные
данные занести в таблицу.
IR
IR2
IR3
IR4
IRS
Сумма токов резисторов R2, R3, R4, R5 должна быть равна величине
общего тока
8) Вычислить значения резисторов.
2) Начертить схему измерения и собрать ее.
Рисунок 3. Схема измерения.
В схеме движки резисторов R, и R2 установить в положение 1. В качестве R3
использовать магазин сопротивлений. В качестве образцового прибора
использовать прибор, входящий в измерительный стенд. Прибор поверяе мый
выдаёт преподаватель перед началом работы.
3)
Изменяя положение Ri и R? установить стрелку поверяемого прибора
на
последнюю отметку шкалы и измерить его ток полного отклонения 1 П о по
образцовому прибору.
4)
Подключить магазин сопротивлений R.3 параллельно поверяемому
прибору. Изменяя сопротивление магазина, а затем резисторов Ri и R2 до
биться такого положения, при котором ток поверяемого прибора
уменьшиться ровно в два раза, показания образцового прибора останутся без
изменения. В этом случае внутреннее сопротивление прибора RBn равно со
противлению магазина. Результаты занести в таблицу №2
Таблица №2.
1ПО, тА
RBH,
Обозначени
Заво
Ом
е
прибора
на
дской
схеме
номер
5) Повторить пункты 3 и 4 для второго поверяемого прибора и результаты
занести в таблицу №2
Перечень измерительной аппаратуры.
1.
Поверяемые приборы -2 штуки.
конструкции магнитной системы механизмы с подвижной рамкой
можно разделить на механизмы с внешним и внутренним магнитом.
Существуют магнитоэлектрические механизмы, у которых подвижной
частью является постоянный магнит, вращающийся вокруг неподвижной катушки. Однако приборы с такими механизмами применяются редко.
Недостатками их являются сравнительно слабое собственное магнитное поле и, следовательно, низкая чувствительность, а также низкая точность. Их
достоинства - более простая конструкция, меньшие габаритные размеры и
более высокая устойчивость к перегрузкам.
Достоинства приборов рассмотренной системы следующие: высокая
чувствительность и малое собственное потребление мощности ( прибор обладает сильным собственным магнитным полем, поэтому даже при малых
токах создаётся достаточный вращающий момент); большая точность ( из-за
высокой стабильности параметров элементов прибора, незначительного
влияния внешних магнитных полей на его показания и т.д.); равномерность
шкалы. Класс точности этих приборов 0,1; 0,2; 0,5; 1,0.
Недостатки приборов магнитоэлектрической системы: сложность изготовления и связанная с этим повышенная стоимость; пригодность для"
измерения только на постоянном токе; плохая перезагрузочная способность.
Магнитоэлектрические приборы находят широкое применение в качестве
амперметров и вольтметров постоянного тока с пределами измерений от долей микроампера до сотен ампер и от долей вольта до сотен вольт, а также
как омметры и указатели равновесия - гальванометры в цепях постоянного
тока. В сочетании с различного рода преобразователями переменного тока в
постоянный они используются для измерений в цепях переменного тока. В
электронных измерительных устройствах, которые применяются для измерения различных физических величин, магнитоэлектрические механизмы находят применение в качестве выходного показывающего прибора.
Заводско
й номер
Напряжен
ие испытания
изоляции
Положе
ние на шкале
Условия
эксплуатации
Класс
точности
Система
Род тока
Предел
измерения
марка
Тип,
Обознач
ение на схеме
Содержание работы:
1) Ознакомиться с применяемыми приборами и заполнить таблицу №1
Таблица № 1
R2 = U/Ь R3 = U/Ij R4 =U/I4 R5 = U/I5
где U=UR2= UR3= UR4= UR5
9)
Соединить параллельно элементы R2 и R.3 и найти их общее
сопротивле
ние по формуле (R4 и R5 отключить):
Ro6m=R2*R3/R2+R3 Для этого случая измерить
величину тока.
10) Соединить параллельно элементы R3 и R4 и найти их общее
сопротивле
ние, измерить величину тока.
Перечень измерительной аппаратуры.
Мультиметр В7-35.
Испытательный стенд.
.
1.
2.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Контрольные вопросы
Назначение и особенности амперметра, вольтметра и омметра.
Найти полное сопротивление цепи состоящей из четырехпараллельно
Основные элементы электрической цепи. Единицы
измерения и назначение.
Порядок включения измерительных приборов
(амперметры, вольтметры, ваттметры).
Измерение напряжения. Особенности.
Измерение тока. Особенности.
Рекомендуемая литература [4], [5]
Контрольные задания для СРС
1. Погрешности. Виды погрешностей
2. Основные определения и термины.
Лабораторная работа №2
Тема: Исследование детекторных и термоэлектрических приборов
Цель работы: Получение навыков измерения температуры с
помощью амперметра и термопары.
Краткие теоретические сведения:
Термоэлектрические приборы состоят из термоэлектрического преобразователя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Термоэлектрический преобразователь преобразует действующее значение переменного тока в постоянное напряжение. Он состоит из нагревателя-проводника, по которому протекает ток, действующее значение которого измеряется, и миниатюрной термопары, в которой под действием теплоты, выделяемой протекающим в нагревателе током, возникает электродвижущая сила. В качестве
нагревателя используется тонкая проволока из материала, допускающего
длительный нагрев (до 600-800 С) и имеющего низкий температурный коэффициент сопротивления (нихром, константан и др.). Электроды термопар выполняют из металлов и их сплавов, например, термопары хромель-копель или
платина-платинородий, дающих достаточно высокую термо-ЭДС (до 50-60
мкВ при нагреве на 1 С).
По конструкции различают контактные и бесконтактные термоэлектрические преобразователи.
В контактных термоэлектрических преобразователях горячий спай термопары и нагреватель электрически соединены друг с другом. В бесконтактных
преобразователях горячий спай термопары и нагреватель
разделены изолятором, например каплей стекла. Тепло от нагревателя
через и з о л я т о р
передаёмся
термопаре.
Изоляционная
п р о с л о й к а между нагревателем и термопарой увеличивает инерционность
преобразователя, уменьшает его чувствительность, но изолирует цепь
термопары от цепи нагревателя, предотвращая ответвление тока,
протекающего через нагреватель, в цепь термопары. Преимуществом
бесконтактных
преобразователей
является
возможность
создания
термобатарей, состоящих из нескольких термопар, соединённых
последовательно. Термо-ЭДС батареи возрастает пропорционально
количеству термопар, впоследствии чего повышается чувствительность
преобразователя.
Термоэлектрические преобразователи, рассчитанные на малые токи (150300 мА), выполняют вакуумными, т.е. помещают нагреватель и термопару в
стеклянную колбу, из которой выкачан воздух. Вакуум уменьшает
теплоотдачу в окружающую среду, следовательно, для нагрева горячего спая
термопары требуется меньшая мощность.
К свободным концам термопары присоединяется магнитоэлектрический
измерительный механизм. На рисунке 1 приведена схема термоэлектрического амперметра с бесконтактным термоэлектрическим преобразователем.
Рис. 1 Схема термоэлектрического амперметра.
Термо-ЭДС, развиваемая преобразователем, пропорциональна количеству
теплоты, выделенной током в нагреватель, а количество теплоты, в свою очередь, пропорциональна квадрату действующего значения измеряемого тока.
Ток 1ц измерительного механизма
IH=E/R, (1)
R- сопротивление
где Е - термо-ЭДС;
термопары
и
измерительного механизма.
Таким образом, показания термоэлектрического прибора
пропорциональны квадрату действующего значения измеряемого тока, т.е.
а = К * 1 2 , (2)
где К - коэффициент, зависящий от конструкции и типа
термоэлектрического преобразователя и параметров измерительного
механизма.
Теплота, выделяемая током в проводнике, не зависит от частоты вплоть до
весьма высоких частот, поэтому термоэлектрическими приборами можно
пользоваться и на постоянном, и на переменном токе, включаю токи высокой
частоты.
Как видно из уравнения (2), шкала имеет квадратичный характер. Но такой
характер шкалы сохраняется только на начальном участке, а затем приближается к линейному из-за увеличения потерь теплоты нагревателем.
Содержание работы:
1. Собрать схему на рисунке № 1.
Рисунок 2. Схема поверки амперметра.
2) Установить значение R] и R2 в крайнее положение (влево до конца).
Стрелки ИП должны находиться на нулевых о тметках шкал.
При необходимости подрегулировать реостатами R| (грубо) и И^плавно)
3) Плавно увеличивая сопротивление, записываем показания поверяемого
прибора А,, и образцового прибора А о . Дойдя до максимального показания,
выполнить все аналогично в обратную сторону. Полученные значе
ния занести в таблицу.
4) Вычислить абсолютные погрешности, по формуле ААп=Ап -Ао и занести
полученные результаты в таблицу.
5)
Вычислить
приведенные
погрешности по формуле:
Ак - конечное значение шкалы поверяемого
прибора. Полученные значения занести в таблицу.
6)
Вычислить вариации показания прибора по формуле:
Аов - показания образцового прибора при увеличении показаний.
Аон - показания образцового прибора при уменьшении показаний.
7)
Вычислить поправки по формуле Д=Ао-Ап и построить кривую
поправок
в зависимости от показаний поверяемого прибора, т.е.
AI = F(An).
8)
Собрать схему согласно рисунку №2.
Рисунок 3. Схема поверки вольтметра.
Полученные значения занести в таблицу.
μA - микроамперметр постоянного тока до 50 иА;
Тп - термопара; HI - нагреватель; Тм - термометр
22 В
Рисунок 4. Схема подключения.
2. Установить напряжение питания 22 В.
3. Измерить температуру холодной термопары с
помощью термометра.
4.
По
мере
нагревания термопары
происходит
увеличение
тока. Полученные данные занести в таблицу.
A
т°,с
I,μ
0
2
4
6
5. Построить график зависимости тока от разности температур между
нагретой и холодной термопарой.
1Т = f(f К - Т,° К)
Перечень измерительной аппаратуры.
1.
Микроамперметр постоянного тока.
2.
Термопара.
1.
2.
3.
4.
5.
Контрольные вопросы
Назначение и типы термопар.
Градуировка шкалы прибора в градусах.
Влияние частоты на показания прибора.
Погрешности измерения и их причины.
Особенности термобатарей.
Рекомендуемая литература [4], [5]
Контрольные задания для СРС
1. Электродинамические приборы
2. Ферродинамические измерительные приборы
3. Электростатические приборы
Лабораторная работа № 3
Тема:Изучение АЦП ЛА-2М2
Цель работы: изучение методов и средств измерения посредством
аналого-цифрового преобразования, ознакомиться с функциональной
схемой и принципом действия универсальной платы сбора и контроля
аналоговой и цифровой информации ЛА2-М2,М3.
1 Принцип действия простейших аналого-цифровых
интегральных схем (ИС)
Аналоговые ИС оперируют с непрерывными сигналами, а цифровые
ИС — с дискретными. К первым можно отнести различные типы
усилителей, ко вторым — ИС реализующие логические функции.
Существуют также аналого-цифровые ИС, предназначенные для
работы как с непрерывными, так и с дискретными сигналами, которые
позволяют перевести измеренные непрерывные величины на язык,
понятный современной вычислительной технике, дающей возможность в
удобной и надежной форме обрабатывать, анализировать и хранить
полученную информацию.
1.1 Компаратор
Типичным представителем аналого-цифровых ИС является
компаратор — простейший преобразователь непрерывного сигнала в
дискретный (Рисунок 1.1). Напряжение на выходе компаратора может
находиться на одном из двух фиксированных уровней: на верхнем, если
напряжение на его не инвертирующем входе больше напряжения на
инвертирующем входе, и на нижнем — при противоположном
соотношении этих напряжений. Компараторы могут иметь также
дополнительные стробирующие входы, изменяя потенциал которых,
можно включать компаратор в работу или выключать его.
Рисунок 1. - Компаратор
1.2 Аналоговые ключи
Аналоговые ключи представляют собой одну из простейших
разновидностей аналого-цифровых схем, управляются такие ключи
дискретными сигналами, а переключают непрерывные сигналы.
Выполняются интегральные аналоговые ключи, как правило, на основе
МОП-транзисторов. МОП-транзисторы в данном случае удобны тем, что,
во-первых, в открытом состоянии могут пропускать ток в обоих
направлениях и при этом в канале отсутствуют паразитные источники
напряжения, а во-вторых, цепь управления МОП-транзистора
электрически изолирована от сигнальной цепи. Сопротивление канала
открытого ключевого МОП-транзистора составляет
10…1000 Ом.
Качество закрытого ключа характеризуют током утечки, который для
МОП-переключателей обычно лежит в диапазоне 0,1…100 нА. На
Рисунке 2 показана схема построения аналоговых ключей на
микросхемах КР590КН8А. Эта микросхема содержит четыре МОПтранзистора с n-каналом (для упрощения показаны только два
транзистора). При приложении к затвору подобного транзистора
положительного напряжения относительно истока UЗ*И канал
обогащается носителями заряда, что и приводит к уменьшению его
сопротивления. Пороговое напряжение UЗ*И для транзисторов КН8А
составляет порядка +2В. Потенциал истока ключевого транзистора
определяется переключаемым напряжением, и для того чтобы расширить
возможный диапазон этих напряжений, на затвор приходится подавать
близкие к предельным допустимым положительное (открывающее) и
отрицательное (закрывающее) напряжения. Закрытое состояние p-n
переходов между стоково-истоковыми областями и подложкой
обеспечивается благодаря тому, что подложка присоединяется к
источнику отрицательного напряжения. Управляющие каскады
выполнены на транзисторах Т1 и Т2, включенных по схеме с общим
истоком. Стабилитроны D1, D2 и резисторы R1, R2, присоединенные к
затворам этих транзисторов, предназначены для согласования
напряжений. Предположим, что управляющие напряжения U1 и U2 могут
находиться на одном из двух уровней, 0 или +5В. Если напряжение
пробоя стабилитронов D1 и D2 равно 13В, то потенциал затворов
транзисторов T1 и T2 будет равен –12В или –8В. На исток этих
транзисторов подается напряжение –12В. Поэтому в первом случае
напряжение затвор-исток будет равно нулю (транзистор закрыт), а во
втором — +4В (транзистор открыт).
Рисунок 2 - Построения аналоговых ключей на микросхемах
КР590КН8А
Напряжения ±12В, получаемые на стоках транзисторов Т1, Т2
подаются на затворы ключевых транзисторов T3, T4. В результате
оказывается возможным с помощью транзисторов T3 и T4 переключать
напряжения ± 10В. Входы этих ключей — выводы 1,8 микросхемы
КР590КН8А, а выходы — выводы 4,5 этой микросхемы. Рассмотренная
микросхема предназначена для построения быстродействующих ключей
(время включения 3…5 нс), поэтому она выполнена на
быстродействующих nМОП-транзисторах.
1.3 Цифро-аналоговые преобразователи
Цифро-аналоговые
преобразователи
(ЦАП)
вырабатывают
напряжение или ток, функционально связанные с управляющим кодом.
Применяются ЦАП в качестве узлов обратной связи аналого-цифровых
преобразователей (АЦП) и для формирования выходных аналоговых
сигналов цифровых измерительных и вычислительных устройств.
Для преобразования двоичного кода в аналоговый сигнал обычно
формируют токи, пропорциональные весам разрядов кода, и затем
суммируют те из токов, которые соответствуют ненулевым (единичным)
разрядам входного кода. На Рисунке 1.3 иллюстрируется применение ИС
с аналоговыми ключами для построения простейшего ЦАП.
Рисунок 3 – Цифро-аналоговые преобразователи на основе
аналоговых ключей
Здесь аналоговые ключи используются для подключения токов,
пропорциональных весам разрядов управляющего кода по входу
операционного усилителя (ОУ).
1.4 Аналого-цифровые преобразователи
1.4 .1 АЦП последовательного приближения
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) применяются в
измерительных системах и измерительно-вычислительных комплексах
для согласования аналоговых (непрерывных) источников измерительных
сигналов с цифровыми устройствами обработки и представления
результатов измерения.
Рисунок 4 - Блок схема аналого-цифровых преобразователей
Различным методам построения АЦП соответствуют устройства,
различающиеся по точности, быстродействию, помехозащищенности,
сложности реализации. Одним из наиболее распространенных является
метод поразрядного уравновешивания, называемый также методом
последовательного приближения. В АЦП, построенном этим методом,
код в регистре результата меняется так, чтобы обеспечить по
возможности быстрое уравновешивание входного напряжения или тока
напряжением или током, получаемым с выхода АЦП, присоединенного к
упомянутому регистру. Уравновешивание начинается со старшего
разряда. В этом разряде сначала устанавливается единица и оценивается
знак разности преобразуемого сигнала и уравновешивающего сигнала,
формируемого в ЦАП. Если выясняется, что уравновешивающий сигнал
меньше преобразуемого, то установленная в старшем разряде единица в
дальнейшем сохраняется, а если больше — то единица сбрасывается, т.е.
в дальнейшем в этом разряде будет сохраняться нуль. Далее таким же
образом проверяется, нужна ли единица в соседнем младшем разряде
регистра. И так уравновешивание продолжается до тех пор, пока не будут
опрошены все разряды регистра, включая самый младший. Указанная
программа уравновешивания реализуется с помощью логических цепей,
входящих в состав регистра результата, называемого в данном случае
регистром последовательного приближения. На входы этого регистра
поступают тактовые импульсы и выходной сигнал компаратора,
сравнивающего преобразуемый сигнал и уравновешивающий сигнал с
выхода ЦАП.
1.4.2 АЦП параллельного преобразования
Метод
параллельного
преобразования
позволяет
строить
быстродействующие, хотя и сложные в реализации АЦП. Принцип
действия АЦП параллельного преобразования поясним на примере.
Будем считать, что рассматриваемый АЦП ставит в соответствие
входному напряжению n-разрядный двоичный код. Следовательно, с
выхода АЦП может быть получено m = 2n различных кодовых
комбинаций, соответствующих m различным поддиапазонам (квантам)
входного сигнала. Действительно, если, например, входной сигнал АЦП
может изменяться от 0 до 8В и n=3, это значит, что каждая из восьми
возможных кодовых комбинаций (000…111) соответствует одному из
восьми поддиапазонов протяженностью 1В. В частности, комбинация
001 означает, что входное напряжение находится в поддиапазоне,
средний уровень которого равен 1В, а точнее, в поддиапазоне 0,5…1,5В.
Рисунок 5 - АЦП параллельного преобразования
В состав АЦП параллельного преобразования входит делитель
опорного напряжения UR (одновременно вырабатывающий все m-1
уровней, задающих границы соответствующих поддиапазонов) и m-1
компараторов, устанавливающих соотношения между преобразуемым
напряжением UВХ и этими уровнями. В рассматриваемом примере (UВХ =
0…8В, n = 3, m = 8) делитель UR должен подать на первые входы семи
компараторов напряжения 0,5В; 1,5В; …7,5В. На вторые входы этих
компараторов подается напряжение UВХ. Если в процессе преобразования
по
срабатываниям
компараторов
выяснится,
например,
что
0,5В<UВХ<1,5В, это и означает, что выходной код должен быть равен
001.
1.4.3 Интегрирующие АЦП
Интегрирующие
АЦП
уступают
по
быстродействию
преобразователям последовательного приближения. Вместе с тем они
имеют и явные преимущества: минимальное число необходимых точных
компонентов,
высокую
помехоустойчивость,
отсутствие
дифференциальной нелинейности, низкую стоимость. Эти свойства
интегрирующих АЦП определили их широкое применение для
построения
измерительных
приборов
и
систем
невысокого
быстродействия (от одного измерения до нескольких тысяч измерений в
секунду), для которых в качестве основных выступают требования
высокой точности и нечувствительности к помехам.
Интегрирующий АЦП, как правило, состоит из двух
преобразователей: преобразователя напряжения или тока в частоту или
длительность импульсов и преобразователя частоты или длительности в
код. Задача построения точного цифрового измерителя частоты или
длительности импульсов решается достаточно просто: производят
подсчет импульсов измеряемой частоты за известный промежуток
времени или подсчет импульсов известной частоты, заполняющих
измеряемый промежуток времени. Поэтому основные характеристики
интегрирующих АЦП определяются свойствами применяемых
преобразователей напряжение-частота (ПНЧ) или преобразователей
напряжение-время (ПНВ).
При построении интегрирующих ПНЧ и ПНВ чаще всего
используется принцип двухтактного интегрирования. В соответствии с
этим принципом в первом такте цикла преобразования производится
интегрирование — накопление интеграла от некоторого входного
сигнала, а затем во втором такте выполняется операция
«разинтегрирования» — считывание накопленного интеграла путем
подачи на вход интегратора другого входного сигнала. Диаграмма
изменения напряжения UИ на выходе неинвертирующего интегратора
при реализации принципа двухтактного интегрирования показана на
Рисунке 1.5
U
UM
UИ
UИ
U1
UВ
Х.И
0
t
T1
U2
T2
T
Рисунок 6. - Построении интегрирующих ПНЧ и ПНВ на основе
принципа двухтактного интегрирования
В первом такте длительностью T1 напряжение UИ изменяется
от некоторого начального уровня (в частном случае то нуля) до
значения UM . Во втором такте длительностью T2 происходит
обратное изменение UИ — от UM до исходного уровня. Накопление
интеграла (в течение Т1) происходит при подаче на вход
интегратора
напряжения
UВХ.И = U2.
Суммарное приращение интеграла за цикл интегрирования равно
нулю, поэтому можно записать
U 1T1


U 2T2

 0,
где  – постоянная времени интегратора.
Очевидно, что напряжения U1 и U2 должны иметь различную
полярность, а соотношение длительностей тактов определяется
равенством T2/T1 = –U1/U2.
Изучение универсальных плат сбора и контроля
аналоговой
и цифровой информации для IBM PC – совместимых
компьютеров.
2.1 Функциональная схема платы ЛА-2М2 (ЛА-2М3)
2
Плата ЛА-2М2/М3 содержит следующие независимые узлы
(Рисунок 1.6): аналого-цифровой канал (АЦК), трехканальный счетчиктаймер, цифровой порт ввода/вывода и интерфейс ввода/вывода для IBM
PC – совместимого компьютера. Плата управляется от компьютера и
получает от него только питание +5В (потребление 375 мА).
Рисунок 7 - Функциональная схема платы ЛА-2М2 (ЛА-2М3)
АЦК платы состоит из входного мультиплексора, полного
инструментального усилителя с изменением коэффициента усиления, и
собственно 12 разрядного АЦП с выборкой хранения. С помощью
переключателя SA1 выбирают режим — 8 дифференциальных или 16
однополюсных каналов. С помощью SA8 может быть задан коэффициент
усиления инструментального усилителя — 1,10 или 2…100. Далее
следует 12 разрядный АЦП последовательного приближения с временем
преобразования 1,6 мкс. Этот же АЦП содержит устройство выборкихранения (УВХ). Система УВХ АЦП работает так — пока идет
преобразование, УВХ находится в режиме хранения., в режиме выборки
оно находится остальное время. Переход в режим хранения происходит
по заднему фронту импульса запуска АЦП. Время выборки 400 нс — это
минимально необходимый интервал для выборки сигнала с необходимой
точностью при работе платы на предельных скоростях — 2 мкс. В это
время не входит время установления инструментального усилителя. В
зависимости от коэффициента усиления время установления может
возрастать до 30 мкс. Используемый преобразователь может иметь два
диапазона измерения: ±5В; ±10В (определяется переключателем SA9).
Кварцевый генератор имеет частоту 10 МГц. Запуск АЦП может
быть программный, от таймера или от внешнего сигнала EXT_ST.
Последние два режима выбираются программированием управляющего
регистра платы.
Трехканальный счетчик—таймер (ТСТ) реализован на микросхеме
Р82С54. Его сигналы выведены на SA3
и их сигналы можно
использовать для запуска АЦП. А также, например, для реализации
функции частотомера и периодомера. На вход СО (нулевой канал
таймера) всегда подана тактовая частота с кварцевого генератора.
Наличие высокостабильного кварцевого генератора позволяет задавать
калиброванные, заранее известные интервалы, которые можно
использовать не только для запуска АЦП, но через переключатель SA3
для задач пользователя вне компьютера. Таймер может работать в
режиме ждущего мультивибратора, генератора частоты и импульсов,
счетчика событий. Режим выбирается программно от IBM-PC.
Контрольные вопросы
1.
Основные элементы, входящие в состав АЦП.
2.
Что такое компаратор?
3.
Функциональное назначение аналоговых ключей?
4.
Функциональное назначение ЦАП.
5.
Классификация АЦП.
6.
Аргументировано
ответьте
о
преимуществах
и
недостатках альтернативных
способов
аналого-цифрового
преобразования.
7.
Функциональная схема универсальной платы сбора
информации ЛА-2М2/М3, назначение узлов входящих в состав платы.
8.
Преимущества использования в измерительном процессе
ЭВМ.
9.
Проанализируйте и аргументировано ответьте на следующий
вопрос: «Недостатки использования в измерительном процессе ЭВМ?».
10.
Основные метрологические характеристики АЦП?
Рекомендуемая литература [1], [2]
Контрольные задания для СРС
1.
Отличительные особенности АЦП интегрирующего типа.
2.
Метрологические характеристики АЦП?
Лабораторная работа №4
Тема: Программное обеспечение АЦП ЛА-2М2
Цель работы: Изучение прикладных программ, входящих в состав
системотехнического комплекса IBM-PC/ЛА-2М2.
1 Основные концепции программирования
измерительных комплексов
Основные тенденции использования существующих, разработки и
модернизации ИИК в настоящее время направлены на:
1)
внедрение универсальных аппаратных и программных
решений в целях унификации и повышения надежности;
2)
стремление к максимальной «гибкости» архитектуры
комплексов:
3)
использование при программировании комплексов
языков высокого уровня, в целях упрощения для конечного пользователя
самостоятельно менять структуру ИС для конкретно решаемых задач.
В силу сказанного, закономерно, что в стандартную поставку
аналогичных измерительных комплексов как правило входит:
возможность связи с IBM совместимыми компьютерами либо
непосредственно через 16 или 32 разрядные шины ISA/PCI/USB, либо через
протоколы RS-232 или TCP/IP;
DOS, Windows 9X, Windows NT – совместимое программное
обеспечение, что позволяет в существенной мере ускорить внедрение и
повысить эффективность от применения в мониторинге, контроле и
непосредственном
управлении
производственными
процессами
в
автоматическом безопасном и наиболее оптимальном режиме. Данный факт
приводит к весьма быстрой окупаемости дополнительных капвложений,
связанных с введением в эксплуатацию современных технических средств
контроля и в конечном итоге положительно сказывается на
производственных, экономических, экологических и социальных показателях
объектов электроэнергетики и всего народного хозяйства в целом.
2 Краткое описание пакета прикладных программ
входящих в комплект комплекса
2.1 Драйверы управления платой
Существует два способа написания собственных прикладных программ
работающих с платами типа ЛА-2. В первом случае, Вы можете обращаться к
драйверу платы для программирования различных режимов работы, вовтором, прикладная программа обращается к портам ввода-вывода
непосредственно. Стандартный драйвер содержит следующий набор
функций, позволяющих запрограммировать любой функциональных узел
платы.
Таблица 2.1 - Функция Описание
0
1
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
99
100
Инициализация драйвера, установка базового
адреса, номера
используемого прерывания, номера канала ПДП
Установка диапазона каналов для режима автосканирования
Программный запуск одиночного А/Ц преобразования
Запуск N А/Ц преобразований от таймера или внешнего импульса
Запуск N А/Ц преобразований от таймера или внешнего импульса и
сохранение результатов в памяти по прерыванию
Запуск N А/Ц преобразований от таймера или внешнего импульса и
сохранение результатов в памяти в режиме ПДП
Завершение функций инициирующих прерывания или ПДП операции
Получение информации об активности функций инициирующих
прерывания или ПДП операции
Преобразование результатов измерений хранящихся в сегменте памяти в
массив переменных
Программирование канала таймера
Загрузка счетчика
Чтение показаний счетчика
Запись данных в цифровой порт
Чтение данных из цифрового порта
Ожидание установки уровня на аналоговом канале
Освобождение используемой драйвером памяти, восстановление регистров
и векторов прерываний
Запрос оперативной памяти для данных прикладной программы
Описание драйверов, возможности модификации и параметры их
запуска можно найти в каталоге FUNC.DOS.
2.2 Тесты и примеры
Каталог TST&EXMP.DOS содержит ряд тестовых программ и
примеров с исходными текстами на языке C. Их изучение должно помочь
разобраться в программировании платы ЛА-2 в целях адаптации ее работы к
конкретно поставленным задачам.
2.3 Утилиты непрерывного сбора данных
Пакет программ каталога LA2DSK.DOS предназначен для длительного
непрерывного сбора экспериментальных данных на жесткий диск ПК.
Примером задачи может служить многочасовой сбор информации о
медленно меняющемся процессе (разогрев или охлаждение теплового
реактора, технологический контроль парового котла турбины и т.д.)
Предоставляемый режим становится необходимым, когда требуемый объем
данных не умещается полностью в свободную оперативную память
компьютера в DOS режиме, которая обычно не превышает 500 кБайт.
Подробно непрерывный сбор и реализующие его программы описаны в
файле la3dsk.txt.
2.4 Спектроанализатор
Программа «Спектроанализатор» (каталог SP_LA.DOS) является
примером законченного приложения MS-DOS.
Программа определяет объем буфера данных платы в памяти, частоту
дискретизации или полосу анализа для режима отображения спектра БПФ
(Быстрое Преобразование Фурье), вид оконной функции, определяющей
спектральное разрешение анализа, видимость каналов — два аналоговых
канала от платы и третий канал, считываемый из файла, определяемого в
файле конфигурации OSC.CFG. Позволяет синхронизировать изображение,
использую программную синхронизацию, обрабатывающую часть
собираемых данных для нахождения необходимого уровня и перепада
входного сигнала. Наблюдемый сигнал можно записать в файл.
2.5 Программа TMR
Для программирования счетчика-таймера Р82С54 применяется,
включаемая в комплект программа TMR. С ее помощью программируются
режимы каналов таймера и задаются коэффициенты деления счетчиков.
Формат обращения: tmr.exe /base <BA> /n=<N> /mode=<M>
/cnt=<CNT>
Аргументы программы:
<BA> — базовый адрес платы в (шестнадцатиричном разряде)HEX.
<N> — номер канала счетчика (0,1,2)
<M> — режим работы таймера (0…5)
<CNT> — коэффициент деления тактовой частоты (исходня частота 10
МГц).
2.6 Windows приложения
Windows приложения к плате, хотя и имеют аналогичный
функциональный состав, отличаются существенным количестовом ошибок,
что затрудняет их безсбойное использование. Тем не менее для
подготовленного пользователя открывается больше возможностей для
исправления и модернизации исходного ПО, вследствие наличия более
мощных средств отладки и синтеза (C++ for Windows, Builder C++, Pascal,
Object Pascal, Delphi).
3 Порядок выполнения работы
При выполнении работы студент должен ознакомиться с программным
обеспечением и опробовать в работе:
1)
Работу с «виртуальным» осциллографом.
2)
Знать
назначение
и
параметры
настройки
конфигурационного файла.
3)
Уметь организовывать запись измерительных данных на
диск, их считывание и конвертацию.
4)
Уметь настраивать программным путем каналы счетчикатаймера.
Контрольные вопросы
1.
2.
3.
4.
5.
Основные элементы, входящие в состав АЦП.
Для чего служит программа DSK?
Назначение программы SP_LA?
Функциональное назначение ЦАП.?
Что такое «оконная функция»?
Рекомендуемая литература [1], [2]
1.
2.
Контрольные задания для СРС
Электронная регистрация информации
Устройства визуального воспроизведения информации
Лабораторная работа № 5
Тема: Определение параметров тензорезисторов
Цель работы: Исследование тензодатчиков и изучение метода
измерения ими силовых нагрузок.
1 Устройство, технология изготовления
и основные способы определения параметров тензорезисторов
Принцип действия проволочных тензорезисторов основан на
изменении электрического сопротивления проволоки под влиянием
деформации.
Проволочный тензорезистор (рис.1) представляет собой решетку из
тонкой проволоки (диаметром 0,01…0,04 мм), зигзагообразно уложенную
узкими петлями и приклеенной к основе — полоске бумаги или пленки клея.
Для предохранения от механических повреждений проволока сверху тоже
покрывается слоем бумаги или пленкой клея. К концам решетки
припаиваются провода при помощи которых датчик включается в
измерительную электрическую цепь.
Рисунок 1 – Тензорезистор
Тензодатчик одним
из
эластичных
клеев
(целлулоидным,
универсальным БФ-2 и др.) приклеивается к поверхности детали,
деформацию которой хотят измерить так, чтобы направление ожидаемых
деформаций совпало с длиной l тензорезистора (проволочных петель
решетки) — «базой» тензорезистора. При деформации детали, например, при
ее растяжении или сжатии, проволока воспринимает эти деформации и ее
электрическое сопротивление изменяется.
Изменение электрического сопротивления проволоки под влиянием
деформации происходит за счет изменения ее геометрических размеров —
длины и поперечного сечения, а также удельного сопротивления.
В настоящее время часто применяются тензорезисторы, решетка
которых изготовлена из тонкой фольги, толщиной 0,01 мм, путем травления.
Электрическое сопротивление проволоки, как известно, может быть
определено на основании следующего соотношения:
R
где

l1
,
S
— удельное сопротивление проволоки;
l1 — длина проволоки;
S — площадь поперечного сечения проволоки.
(3.1)
Относительное изменение электрического сопротивления проволоки
под влиянием ее деформации на основании теоремы о малых приращениях
можно представить в следующем виде:
R  l1 S



,
R

l1
S
но так как
(3.2)
S
r
2
, где r – радиус проволоки, то выражение (2) может
S
r
иметь следующий вид:
R  l1
r


2 ,
R

l1
r
(3.3)
Под чувствительностью проволочного тензорезистора к деформации
понимают отношение:
R

K R  R
l
l
l
(3.4)
где l – база датчика;
l 
l
–
l
относительное изменение базы датчика под влиянием
деформации детали;
R 
R
–
R
относительное
изменение
электрического
сопротивления датчика под влиянием деформации.
Обычно для наиболее распространенных материалов решеток датчиков
величина
К = 1,8…2,2.
Чувствительность датчиков к деформации определяется при
градуировке нескольких датчиков от всей изготовленной партии. Величина
К берется как среднее арифметическое значение чувствительности
градуированных датчиков и распространяется на всю партию.
Так как деформация стальных деталей в пределах упругих деформаций
не превосходит  l 
l
 2,5  10 3 , то
l
R
l
K
 5  10 3 , т.е. под влиянием
R
l
деформации
относительное
датчика
будет не больше 0,5%. Такое незначительное изменение
R
R
изменение
электрического
сопротивления
сопротивления
требует
применения
весьма
чувствительных
электроизмерительных цепей и устранения температурных влияний на
величину сопротивления. Исходя из этих соображений, проволочные датчики
должны изготавливаться из материала с большей чувствительностью к
деформациям, большим удельным электрическим сопротивлением и малым
температурным коэффициентом электрического сопротивления.
Тензодатчиком называется техническое средство измерения, в котором
тензорезисторы, собранные в измерительную цепь, наклеены на упругий
элемент (балку, кольцо, диск, плиту и т.п.) служащий для измерения
давления, перемещения (деформации).
К основными характеристикам тензодатчика можно отнести:
- рабочий коэффициент передачи – РКП, равный отношению
выходного напряжения датчика в мВ к напряжению на входе датчика
в В;
- коэффициент
преобразования
—
отношение
выходного
напряжения датчика к измеряемому параметру;
- относительная погрешность датчика;
- температурный коэффициент нестабильности показаний;
- погрешность вносимая нелинейностью преобразования.
В настоящей работе исследуются проволочные датчики из
константановой проволоки, имеющей температурный коэффициент
электрического
сопротивления
при
комнатной
температуре
-6
П = -50*10 . Однако, даже такая малая величина температурного
коэффициента может вызвать погрешности измерения от непостоянства
окружающей температуры. Для устранения этой погрешности часто
совершенно идентичный тензорезистор включается в соседнее плечо моста.
Обычно проволочные тензорезисторы работают в мостовых цепях, так
как эти цепи обладают большой чувствительностью. Наибольшая
чувствительность мостовой схемы достигается когда все четыре плеча
(тензорезисторов) являются одновременно равными и компенсирующими.
Схема такого включения показана на Рисунке 2.
Рисунок 2 – Схема включения проволочного тензорезистора
Тензорезисторы наклеиваются на упругий элемент так, чтобы два из
них (R1, R3), включенные в противоположные схемы моста растягивались, а
два других (R2, R4) сжимались. Тогда если R1 = R2 = R3 = R4 = R, при
деформации детали под действием нагрузки FИ изменении температуры
окружающей среды
R1  R3  R  R  RT ,
R2  R4  R  R  RT .
(3.5)
(3.6)
Выходные напряжения моста
UM UП
R
.
R
(3.7)
Ток в выходной диагонали моста
I Г  IO
R
,
RГ  R
(3.8)
где IO – ток питания моста;
RГ – сопротивление рамки
сопротивления RД (RГ = RP+RД).
гальванометра
RP
и
добавочного
Тензорезистор, служащий для компенсации температурного влияния,
наклеивается либо на часть упругого элемента, не подвергающуюся
деформации, либо на ту же часть, что и рабочий тензорезистор, только в том
месте, где ожидаются такие же деформации, но обратные по знаку. В том и
другом случае тензорезисторы должны находиться в одинаковых
температурных условиях. Два других плеча моста изготавливаются из
манганиновой проволоки.
2 Описание работы.
Как было указано выше, чувствительность датчиков к деформации
определяется экспериментально при градуировке. Градуировочное
устройство, предназначенное для определения чувствительности датчика к
деформации, основано на принципе изгиба жестко защемленной балки
равного сопротивления, на которую наклеены тензорезисторы, соединенные
по мостовой схеме.
На вход мостовой схемы подается напряжение питания от
стабилизированного источника питания равное 10В. Выход с мостовой
схемы подается на вход измерительного тракта программно-технического
комплекса IBM-PC/ЛА-2М2 (Рисунок 3), который фиксирует показания в
разрядах десятичного кода.
Датчик
Ф8029
ЛА-2М2
Рисунок 3 – Блок- схема программно-технического комплекса
IBM-PC/ЛА-2М2
Согласно
техническим
характеристикам
платы
ЛА-2М2
максимальному входному сигналу (10В) соответствует 4095 дискретных
отсчетов выходного кода АЦП — NMAX.
Исходя из этого для определения градуировочной характеристики
датчика необходимо снять ряд показаний при его нагружении и заполнить
таблицу вида:
№
Прогиб
Данные
Расчетные РКП
Коэффицие
замера датчика по полученные данные
Датчика, нт
показаниям по
выхода
мВ/В
преобразова
индикатора, показаниям тензомоста,
ния
мм
ПТК,
мВ
датчика,
отсчеты
мВ/мм
1
2
3
4
5
6
1.
2.
3.
4.
5.
Контрольные задания для СРС
Что такое тензорезистор?
Определение тензодатчика?
Что такое рабочий коэффициент передачи тензодатчика?
Технология изготовления тензодатчика?
Способы включения тензорезисторов в измерительную цепь?
Рекомендуемая литература [3], [4], [5]
1.
2.
Контрольные задания для СРС
Термометр сопротивления
Электрический термометр
Лабораторная работа №6
Тема: Градуировка и поверка силоизмерительных датчиков»
Цель работы: Исследование методов градуировки силоизмерительных
датчиков давления.
1 Устройство, технология изготовления
и основные способы определения параметров тензорезисторов
1.1 Области применения силоизмерительных датчиков давления
и способы определения их характеристик
Силоизмерительные датчики давления, являющиеся первичными
измерительными преобразователями повсеместно используются в отраслях
промышленности
связанных
с
производством,
переработкой
и
транспортировкой электрической энергии. Например, на тепловых
электростанциях, для определения параметров производительности
промышленного транспорта, а также как средство мониторинга условий
работы сложного электромеханического оборудования.
Для того, чтобы гарантировать функциональную и метрологическую
надежность силоизмерительного датчика, необходимо, прежде всего,
определить его чувствительность. Для этого, через силопередающее
устройство его нагружают образцовым силовым воздействием, например в
виде рабочих эталонов массы m и определяют величину выходного сигнала
U. Таким образом, можно определить коэффициент чувствительности или
просто чувствительность:
K=U/m
(4.1)
Однако величины К бывает недостаточно, чтобы гарантировать
однозначность преобразовательных свойств тензодатчика вследствие
возможной нелинейности функции преобразования конкретной реализации
конструктивного исполнения датчика. Поэтому определение величины К
производят не в одной точке диапазона изменения нагрузки, а как минимум в
трех или четырех, соответсвующих 10, 20, 40, 60 и 100% допустимой
нагрузки датчика mMAX.
Таким образом получают градуировочную характеристику датчика
представляющего зависимость K от измеряемой величины mi, а также
зависимость выходного сигнала датчика от измеряемой величины (Рисунок
4.1).
Использование полученной характеристики сводится как правило к
введению в измерительный канал обратной функции, получаемой в виде
интерполяционного многочлена, что не составляет труда, если сигнал с
датчика планируется заводить на ЭВМ, либо к жесткому ограничению
допустимого
диапазона
измерения
нагрузок,
обеспечивающему
нормированный класс точности измерительного преобразователя.
K U
K=f(m)
U=F(m)
0
20
40
50
60
70
80
m,%
Рисунок 1 - Градировочная характеристика датчика
2 Описание работы.
2.1 Устройство для измерения силовых нагрузок.
Для измерения с помощью тензодатчиков силовых нагрузок,
создаваемых измеряемой массой, давлением жидкости, газа, пара и
другими неэлектрическими величинами могут использоваться упругие
элементы в виде балок, колец, мембран, диафрагм и т.д., на которые
наклеиваются тензорезисторы.
В настоящей лабораторной работе использован упругий
балочный элемент (Рисунок 4.2).
Рисунок.2 – Расположение тензорезисторов на упругом
балочном элементе
Тензорезисторы наклеены по обе стороны поверхности балки.
Тензорезисторы R2, R4 на верхней поверхности балки, тензорезисторы
R1, R3 на нижней поверхности балки. При нагружающей силе F
сопротивление тензорезисторов R2, R4
увеличивается, а R1, R3
уменьшается на R . Тензорезисторы включены в мост.
Выходной сигнал U, обусловленный измеряемым вздейстием m,
приложенным к балке определяется по величине напряжения
получаемой на выходе измерительного преобразователя по данным
формируемым программно-техническим комплексом IBM-PC/ЛА2-М2.
Значение m определяется по маркировке на образцовых спецгрузах –
рабочих эталонах, представляющих собой металлические диски
устанавливаемые на вертикальной тяге нагружающего устройства.
Как было указано выше, чувствительность датчиков к силовой нагрузке
определяется экспериментально при градуировке. На вход мостовой схемы
подается напряжение питания от стабилизированного источника питания
равное 10В. Выход с мостовой схемы подается на вход измерительного
тракта программно-технического комплекса IBM-PC/ЛА-2М2 (Рисунок 4.3),
который фиксирует показания в разрядах десятичного кода.
Датчик
Ф8029
ЛА-2М2
Рисунок 3 – Блок-схема программно-технического комплекса
IBM-PC/ЛА-2М2
Согласно
техническим
характеристикам
платы
ЛА-2М2
максимальному входному сигналу (10В) соответствует 4095 дискретных
отсчетов выходного кода АЦП — NMAX.
Исходя из этого, для определения градуировочной характеристики
датчика необходимо снять ряд показаний при его нагружении и заполнить
таблицу вида:
№
Данн
Расче
Сумма
Коэффицие
ые
тные
рная масса нт
замера полученные данные
рабочих
преобразования
по
выхода
эталонов,
датчика,
показаниям тензомоста,
кг
мВ/мм
ПТК,
мВ
отсчеты
1
3
4
5
6
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Контрольные вопросы
Для чего строится градуировочная характеристика?
Как обеспечить единство и точность показаний в случае нелинейности
градуировочной характеристики?
Что такое рабочий коэффициент передачи тензодатчика?
Как с помощью тензодатчика можно измерить атмосферное давление?
Способы включения тензорезисторов в измерительную цепь?
Как учесть случайную составляющую погрешности датчика?
Рекомендуемая литература [3], [4], [5]
Контрольные задания для СРС
1.
Средства регистрации информации с СИ
2.
Методы регистрации информации в СИ
6.Тематический план самостоятельной работы студентов с преподавателем
Наименование темы
Цель
Форма
Содержание Рекоменду
СРСП
занятия
проведения
задания
емая
литература
Классификация измерений Углубление Консультац Отработка
[1,2,3]
и методов измерений
знаний по ии в части навыков
данной
выполнения самостоятел
теме
лабораторн ьного поиска
ой работы.
методов
решения
Устройство и принцип Углубление Консультац Прохождени
[1,2,3]
действия
приборов знаний по ии в части е всех этапов
электромеханической
данной
выполнения решения
теме
лабораторн технической
ой работы
задачи
анализа
системы
Преобразователи среднего- Углубление Семинар
Обработка
[1,2,3]
средневыпрямленного,
знаний по
эксперимент
среднеквадратического и данной
альных
амплитудного
значений теме
данных
с
напряжения (тока).
помощью
библиотечн
ых функций
Исследование
средств Углубление Семинар
Способы
[1,2,3]
измерения мощности и знаний по
синтеза
и
расходаэлектрической
данной
программны
энергии
теме
х реализаций
логических
состояний
систем.
Методы
измерения Углубление Семинар
Обработка
[1,2,3]
механических
знаний по
электрическ
напряжении,
сил, данной
их цепей в
моментов и давлений
теме
ППП.
Комбинированные
Углубление Семинар
Расчет
[1,2,3]
приборы с применением знаний по
электрическ
полупроводниковых
данной
их
и
преобразователей
теме
электронных
цепей
в
интегрирова
нных ППП
Примечание – номер рекомендуемой литературы, указанной в квадратных
скобках, проставляется согласно нумерации списка основной и
дополнительной литературы предлагаемой в рабочей учебной программе
см.п.1