Toruń, 11.11.1997
opracował mgr Zbigniew Łukasiak
LABORATORIUM MIERNICTWA KOMPUTEROWEGO
Ćwiczenie nr 11
Karta pomiarowa RBR
Pomiar oporności metodą mostkową
1. Płyta czołowa karty pomiarowej.
2. Ogólny opis karty.
Karta RBR przeznaczona jest do pomiarów oporności w zakresie od 1 do 100 M w sześciu podzakresach o centrach 100, 1k, 10k, 100k, 1M, 10M. Pomiar jest realizowany przez pośredni pomiar napięcia nierównowagi mostka oporowego - mierzona oporność umieszczona jest w jednej z gałęzi mostka. Karta nie jest urządzeniem samodzielnym. Do pracy wymaga sterownika Eurodriver - do sterowania zakresami i wzmocnieniem oraz woltomierza o zakresie pomiarowym od -5V do 5V - do pomiaru napięcia nierównowagi mostka (-15V do +15V jeśli planowana jest praca ze wzmocnieniem napięcia niezrównoważenia innym niż 1). W celu automatyzacji pomiaru woltomierz zastępuje się przetwornikiem analogowo-cyfrowym umieszczonym w kasecie EURO np. kartą ADC-2 lub TRM1. Wartość oporności można obliczyć znając wartości napięcia zasilania mostka, napięcia nierównowagi oraz pozostałych oporności w gałęziach mostka.
3. Schemat blokowy urządzenia.
Na karcie pomiarowej RBR znajdują się:
- źródło napięcia stałego 10V (dokładność 5mV),
- mostek oporowy o jednej gałęzi (gałąź odniesienia) zbudowanej z 2 oporników 10k i tolerancji 0,1%, w drugiej gałęzi znajduje się opornik zakresowy Rz przełączany za pomocą układu przekaźników (Rz = 100, 1k, 10k, 100k, 1M, 10M) i mierzona oporność Rx
- układ przekaźników sterujący zakresem
- precyzyjny wzmacniacz różnicowy o oporności wejściowej 4G i wartościach wzmocnienia 1, 10, 100, 1000 ustawianego cyfrowo
- układ cyfrowy sterujący wzmacniaczem napięcia nierównowagi mostka i układem przekaźników.
4. Sposób realizacji części analogowej.
Sposób realizacji części analogowej jest schematycznie przedstawiony na rysunku:
Z rysunku widać, że jeśli opornik podłączony do wejść R+, R-
- ma oporność mniejszą od aktualnie podłączonego opornika Rz - to mierzone napięcie jest ujemne
- ma oporność większą od aktualnie podłączonego opornika Rz - to mierzone napięcie jest dodatnie
- ma oporność równą aktualnie podłączonemu opornikowi Rz - to mostek jest w stanie równowagi i mierzone napięcie jest ma wartość 0
5. Zasada pomiaru
Pomiar dokonywany jest metodą mostkową poprzez pośredni pomiar napięcia nierównowagi mostka oporowego. Oporność może być obliczona na podstawie znajomości pozostałych oporów w gałęziach mostka.
Schemat układu przedstawiony jest na rysunku:
Oznaczenia:
Ro - oporność w gałęzi odniesienia 10k (0.1%)
Rz - opornik zakresowy - przełączany za pomocą przekaźników (100, 1k, 10k, 100k, 1M, 10M)
Rx - mierzona oporność
U - napięcie stałe zasilające mostek (10V 5mV)
Un - napięcie nierównowagi mostka
Vo - potencjał w środku gałęzi odniesienia (względem masy)
V1 - potencjał w środku pomiarowej (względem masy).
Podczas pomiaru znamy:
- U, Ro, Vo (wielkości wynikające z budowy mostka)
- Rz (ustawiamy wybierając zakres pomiarowy)
- Un - ta wielkość jest przedmiotem pośredniego pomiaru.
!!! Pamiętaj, że mierzone napięcie = Un*wzmocnienie !!!
Wartość rezystancji Rx możemy obliczyć na podstawie znanych i zmierzonych wielkości. Wzór na Rx otrzymujemy wykorzystując podstawowe prawa rządzące przepływem prądu.
Potencjały w środkach obu gałęzi względem masy wynoszą:
Vo
,
V1
.
Napięcie nierównowagi mostka:
Un = V1 - Vo = U
.
Na podstawie tego wzoru można wyciągnąć następujące wnioski:
1. dla Rx → (Rx >> Rz) Un = 0,5U (czyli +5V)
2. dla Rx → 0 (Rx << Rz) Un = - 0,5U (czyli -5V)
3. Un nie jest liniową funkcją Rx
Przekształcając ten wzór tak, aby uzyskać zależność Rx = f(Un) otrzymamy ostatecznie wzór, za pomocą którego obliczymy wartość mierzonej rezystancji.
Oznaczenia są zgodne z przedstawionym wcześniej rysunkiem.
UWAGA ! W obliczeniach założyliśmy, że rezystancja mierzona będzie dużo mniejsza od rezystancji wejściowej wzmacniacza napięcia nierównowagi mostka. Zastosowany w urządzeniu układ ma rezystancję wejściową rzędu 4G, więc założenie to jest słuszne dla założonego zakresu pomiarów.
Za pomocą programu PSPICE dokonana została analiza stałoprądowa przedstawionego układu mostkowego. Wyniki tej analizy przedstawia wykres poniżej.
Charakterystyka układu Rx w funkcji napięcia nierównowagi mostka Un
dla wszystkich zakresów pomiarowych (wartości Rz)
6. Dokładność pomiaru.
Charakterystyka Rx = f(Un) sugeruje, że dokładność wyznaczenia Rx zależy od:
- wartości Rz przy danym Rx (odpowiedniego doboru zakresu dla danej wartości Rx)
- dokładności pomiaru napięcia Un
Ponadto ze wzoru na Rx wynika, że wpływ na dokładność wyznaczenia Rx ma również:
- dokładność Rz (tolerancja użytych rezystorów zakresowych)
- dokładność źródła napięcia zasilającego mostek.
Dokładność wyznaczenia Rx można określić obliczając błąd maksymalny Rx metodą różniczki zupełnej. Przedstawia to następujący wzór:
gdzie Rx, Un, Rz, U oznaczają błędy maksymalne odpowiednich wartości.
Po wykonaniu różniczkowania otrzymujemy wzór na błąd maksymalny Rx:
Rx =
Zależność Rx = f(Un) oraz błąd względny Rx przedstawiają rysunki poniżej:
Charakterystyka Rx=f(Un) - błąd maksymalny obliczonej wartości Rx
w funkcji zmierzonej wartości Un dla poszczególnych zakresów pomiarowych karty RBR
Charakterystyka
- błąd względny obliczonej wartości Rx
dla poszczególnych zakresów pomiarowych karty RBR
Charakterystyki wygenerowano za pomocą programu Origin na podstawie przedstawionego wcześniej wzoru przy następujących założeniach:
- Un = 4,9 mV, wzmocnienie = 1 (pomiar napięcia jest w praktyce zrealizowany przy pomocy 12-bitowego przetwornika AC o zakresie napięć wejściowych -10 ... +10V)
- U = 5 mV (dokładność źródła napięcia zasilającego mostek - oszacowane przez projektantów układu RBR)
- Rz = 0,001 Rz (w gałęzi zakresowej mostka zastosowano rezystory o tolerancji 0,1%)
- Rz = 0,01 Rz dla zakresu 6 o centrum 10M (rezystor pomiarowy o tolerancji 1%)
7. Sterowanie kartą
Komunikacja z kartą RBR polega na wysyłaniu lub odczycie i interpretacji bajtów (liczb 8-bitowych) pod odpowiedni adres w systemie EURO. Adres, do którego następuje fizyczne odwołanie składa się z adresu bazowego i offsetu (adres = adres bazowy + offset). W komunikacji pośredniczy karta Eurodriver połączona z komputerem za pomocą łącza szeregowego.
A. Adres bazowy karty
Adres bazowy ustawia się za pomocą mikroprzełączników umieszczonych na karcie. Dopuszczalne adresy bazowe to 00, 10, 20, ... , F0 (heksadecymalnie). Domyślnym ustawieniem jest $20.
B. Adres do odczytu lub zapisu
adres = adres bazowy + offset
offset może być liczbą od 0 do F (heksadecymalnie)
B. Bajt identyfikacji
Bajt identyfikacji jest, podobnie jak adres, ustawiany za pomocą mikroprzełączników umieszczonych na karcie. Dopuszczalne wartości to $00 ... $FF. Domyślną wartością jest $02.
C. Komunikacja z kartą
Bajt odczytany dla offsetu 0 jest bajtem identyfikacji.
Bajt zapisany pod offset 2 ustawia zakres pomiarowy i wzmocnienie (bajt sterujący).
Znaczenie bitów w bajcie sterującym jest następujące:
bity 0 i 1 wzmocnienie, bity 2 ... 7 zakres pomiaru
D. Ustawienie wzmocnienia
bit 0 |
bit 1 |
wzmocnienie |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
10 |
0 |
1 |
100 |
1 |
1 |
1000 |
E. Ustawienie zakresu polega na wyzerowaniu odpowiedniego bitu w bajcie sterującym.
bit 2 |
bit 3 |
bit 4 |
bit 5 |
bit 6 |
bit 7 |
Zakres |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 (100) |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
2 (1k) |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
3 (10k) |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
4 (100k) |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
5 (1M) |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
6 (10M) |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
wyłączone |
UWAGA! Ponieważ wzmocnienie i przełączanie zakresów jest zrealizowane za pomocą tego samego bajtu należy maskować te bity których nie chcemy zmieniać.
8. Praktyczna realizacja pomiaru
W pomiarze oprócz karty RBR i sterownika Eurodriver wykorzystuje się kartę przetwornika TRM1 do pomiaru napięcia niezrównoważenia mostka. Karta TRM1 ustawiona jest na zakres pomiarowy +/- 10V.
Sposób połączenia aparatury jest schematycznie przedstawiony na rysunku:
9. Program do sterowania kartą w LabView
Do sterowania kartą pomiarową RBR i TRM służy program TRM.EXE znajdujący się w katalogu D:\EUROLAB\
10.Propozycje pomiarów:
I) Zapoznanie z programami i zasadami pomiaru rezystancji
a) uruchom program RBR i zmień kolejno wszystkie zakresy i wzmocnienia, zapoznaj się z pomocą dostępną pod klawiszem F1
b) podłącz do karty rezystor i sprawdź, czy rezystancja zmienia się w czasie
c) podłącz rezystor o dużej oporności i dotknij go palcem, sprawdź czy dotykanie rezystora i jego końcówek ma wpływ na pomiar
II) Wyznaczenie charakterystyki Un = f(Rx)
a) ustaw zakres nr 1
b) podłącz opornik, odczekaj 20 sekund na ustabilizowanie się warunków pomiaru, zapisz wynik
c) zmień opornik i powtórz czynności z punktu b
d) zmień zakres na następny i powtórz procedurę b, c
e) wykreśl charakterystykę Un = f(Rx)
III) Sprawdzenie rozrzutu wartości oporu dla oporników o tej samej wartości nominalnej i tolerancji.
a) ustaw zakres, którego centrum jest najbliższe wartości mierzonego oporu
b) podłącz opornik, odczekaj 20 sekund na ustabilizowanie się warunków pomiaru, zapisz wynik
c) wykreśl charakterystykę Rx = f(umowny nr opornika) , spróbuj dopasować wyniki za pomocą prostej, oblicz średnią i porównaj ją z wartością nominalną opornika, sprawdź czy wszystkie oporniki mieszczą się w zadanej tolerancji.
IV) Sporządzenie charakterystyki potencjometru
Operując odpowiednio zakresem (patrz III, a), zmierz oporność pomiędzy suwakiem potencjometru, a jego końcówką w funkcji kąta obrotu (procedura pomiarowa II, b lub III, b).
Dodatek: Kolory wykorzystywane w oznaczeniach oporników za pomocą kodu paskowego
kolor |
1 pierścień |
2 pierścień |
3 pierścień |
4 pierścień |
żaden |
- |
- |
- |
20% |
srebrny |
- |
- |
10-2 |
10% |
złoty |
- |
- |
10-1 |
5% |
czarny |
- |
0 |
100 |
- |
brązowy |
1 |
1 |
101 |
1% |
czerwony |
2 |
2 |
102 |
2% |
pomarańczowy |
3 |
3 |
103 |
- |
żółty |
4 |
4 |
104 |
- |
zielony |
5 |
5 |
105 |
0,5% |
niebieski |
6 |
6 |
106 |
- |
fioletowy |
7 |
7 |
107 |
- |
szary |
8 |
8 |
108 |
- |
biały |
9 |
9 |
109 |
- |
Rx =
11
Wyszukiwarka