Прецизионный измеритель индуктивностей с интерфейсом USB

Принцип измерения индуктивности

В приборе для определения индуктивности производится измерение комплексного сопротивления катушки (её импеданса). При этом удаётся максимально стабилизировать условия проведения измерений (ток через катушку, частота измерения) в широком диапазоне измеряемых индуктивностей и практически исключить влияние активного сопротивления катушки и элементов коммутации измерителя, что позволяет добиться высокой точности измерения.При индуктивности менее десятков мГн и невысокой частоте тока эквивалентная схема замещения катушки индуктивности представляет собой последовательное соединение резистора Rx (рис.1), определяемого сопротивлением провода катушки и сопротивлением потерь в сердечнике (активная составляющая импеданса), и индуктивности Lx, характеризующей способность катушки запасать энергию в магнитном поле (реактивная составляющая импеданса)

.

Рис.1 – Эквивалентная схема замещения катушки индуктивности.

Принцип измерения импеданса основан на анализе прохождения тестового сигнала с заданной частотой через цепь, обладающую комплексным сопротивлением и последующим сравнением с опорным напряжением.
Ток рабочей частоты с внутреннего генератора подается на измеряемый объект и на объекте измеряется напряжение. Измерение отношения этих двух величин и дает полное сопротивление цепи.

(1)

где - комплексное напряжение на катушке индуктивности;
- комплексный тестовый ток.

Графическое представление полного сопротивления представлено на рис. 2. Как видно из рис.2, полное сопротивление состоит из двух компонентов: активного сопротивление Rx и реактивного сопротивления X.

Рис.2 – Графическое представление полного сопротивления.

Комплексное сопротивление определяется как:

(2)

Из формулы 2 следует, что:
Активное сопротивление Rx связано с комплексным сопротивлением как:

(3)

И соответственно реактивное сопротивление X связано с комплексным сопротивлением как:

(4)

где - угол сдвига фаз между током и напряжением на измеряемой катушке.Реактивное сопротивление для катушки индуктивности определяется по формуле:

(5)

где L – индуктивность катушки,
f - частота на которой измеряется реактивное сопротивление.

Таким образом, для определения индуктивности необходимо знать амплитуду и фазу напряжения и тока на измеряемой катушке при известной частоте тестового сигнала. Для определения амплитуды и фазы сигналов применяется аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), данные от которого поступают в микроконтроллер, где после корреляционного анализа определяются измеряемые величины. Так как АЦП оперирует только с напряжением, то ток перед измерением необходимо преобразовать в напряжение. Эту функцию осуществляет высокоточный резистор, включенный последовательно с измеряемой катушкой индуктивности. Для устранения влияния паразитных сопротивлений соединительных проводов и элементов коммутации измерителя применяется пятипроводная схема измерения, т.е. по двум проводам подаётся тестовый сигнал на измеряемую катушку, по двум другим проводам снимается напряжение непосредственно с катушки и один провод является экранирующим (рис.3).

Рис.3 – Схема измерения индуктивности.

В соответствии с законом Ома напряжение на образцовом резисторе:

(6)

Выразив из формулы 6 ток и подставив в выражение 1 получаем:

(7)

С учётом выражений 4, 5, 7 получаем выражение для определения индуктивности:

(8)

Из выражения 8 видно, что точность измерения индуктивности определяется погрешностью измерения комплексного напряжения, стабильностью сопротивления образцового резистора и стабильностью частоты измерения. Так как стабильность частоты измерения в данном приборе очень высока (определяется стабильностью частоты кварцевого резонатора и находится на уровне порядка 0.0001%), то основная погрешность определяется только первыми двумя составляющими. Стабильность образцового резистора составляет 0.1%, погрешность измерения комплексного напряжения определяется параметрами АЦП и в данном случае составляет величину порядка 0.03…0.1%, что даёт суммарную погрешность измерения порядка 0.2%. Интервал времени в течение которого производится измерение комплексных напряжений выбирается с учетом частоты промышленного тока и составляет 20 мс, что позволяет максимально снизить влияние наводок и, соответственно, повысить точность измерений.

 

Принцип действия

В структурную схему прибора (рис. 4) входят:
Микроконтроллер, обеспечивающий генерацию тестового сигнала для измерения индуктивности, управление всеми коммутационными узлами, производящий математическую обработку полученных данных и производящий обработку сигналов интерфейса;
ФНЧ (фильтр низких частот) предназначен для выделения основной гармоники тестового сигнала из широтно-импульсно модулированного сигнала, выдаваемого микроконтроллером;
Преобразователь напряжение-ток обеспечивает преобразование напряжения тестового сигнала в ток измерения;
Коммутатор 1 предназначен для коммутации тока измерения на соответствующую катушку;
Коммутатор 2 предназначен для коммутации АЦП к измеряемому напряжению;
Буферный усилитель предназначен для предотвращения влияния входного сопротивления АЦП на измеряемое напряжение;
АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) предназначен для преобразования измеряемого напряжения в цифровой код;
Формирователь отрицательного напряжения формирует отрицательное напряжение, необходимое для нормальной работы коммутаторов;
Формирователь сигналов интерфейса обеспечивает согласование уровней сигналов интерфейса с уровнями сигналов микроконтроллера;
Управляемый источник питания обеспечивает питание всех блоков прибора с возможностью перехода в режим пониженного энергопотребления.

Рис. 4 – Структурная схема

 

Обработка результатов измерения

Для повышения точности измерений в приборе реализованы следующие подходы:·         осуществляется усреднение результатов измерений;·         возможна нормировка результатов измерений по измеренной индуктивности образцовой катушки (L5). Применение нормировки обусловлено тем, что индуктивность катушек с ферромагнитными сердечниками в значительной степени зависит от величины тока через катушку из-за нелинейности кривой намагничивания ферромагнетиков. Применение образцовой катушки также призвано компенсировать температурную зависимость, как свойств измеряемых катушек, так и свойств элементов схемы. Для правильной и максимальной компенсации нестабильности свойств необходимо чтобы образцовая катушка была такого же типа, как и измеряемые.

Габаритные размеры

 

 Технические характеристики

 

Количество одновременно измеряемых индуктивностей	5 шт.
Диапазон измеряемых индуктивностей	100 … 5000 мкГн
Погрешность измерения индуктивностей	±0,2%
Максимально допустимое активное сопротивление измеряемой индуктивности	20 Ом
Параметры режима измерения индуктивностей
Принцип измерения	измерение комплексного сопротивления
Частота измерения	2 кГц
Ток измерения (среднее значение)	10 мА ± 3%
Интерфейс	USB
Питание	От USB
Гальваническая развязка от компьютера	по заказу
Диапазон рабочих температур	-30 …+ 70 ° C
Габаритные размеры платы	52 х 82 х 20 мм