УДК 621.822.6-97: 621.317.757.08
ДАВЫДОВА Н. В., НОГАЧЁВА Т. И.
DAVIDOVA N.V., NOGACHOVA T.I.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МНОГОКАНАЛЬНОГО АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С ОДНОВРЕМЕННЫМ СЭМПЛИРОВАНИЕМ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ РЕЗИСТИВНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
USE OF THE MULTICHANNEL ANALOG-DIGITAL CONVERTER WITH SIMULTANEOUS SAMPLING FOR REALIZATION OF THE RESISTIVE METHOD MEASUREMENTS OF ELECTRIC PARAMETERS OF LIQUID DIELECTRICS
В данной статье описан резистивный метод измерения электрических параметров жидких диэлектрических материалов. Показана наиболее эффективная его реализация за счёт использования многоканального аналого-цифрового преобразователя с одновременным сэмплированием, позволяющая расширить возможности резистивного метода.
Ключевые слова: контроль, диэлектрические материалы, тангенс диэлектрических потерь, диэлектрическая проницаемость, резистивный метод, аналого-цифровой преобразователь с одновременным сэмплированием каналов.
In given article the resistive method of measurement of electric parameters of liquid dielectric materials is described. Its most effective realization at the expense of use of the multichannel analog-digital converter with the simultaneous sampling is shown, allowing to expand possibilities of a resistive method..
Keywords: control, dielectric materials, a tangent of dielectric losses, dielectric permeability, a resistive method, the analog-digital converter with simultaneous sampling of channels.
Особенностью ряда измерительных задач является требование одновременного сэмплирования нескольких измерительных каналов. Одной из таких задач является определение электрических параметров (тангенса диэлектрических потерь tgδ и диэлектрической проницаемости ε) диэлектрических материалов резистивным методом [1, 2]. Удельная электропроводность и диэлектрическая проницаемость являются фундаментальными характеристиками веществ, причем не, только диэлектриков, но и электролитов. Тангенс диэлектрических потерь tgδ определяется отношением тока проводимости к току смещения или соответственно отношением удельных активной γ и реактивной ωεε0 проводимостей вещества [3 ]:
tgδ= γ/ωεε0, (1)
где ω – круговая частота;
ε0 – электрическая постоянная;
Уравнение (1) свидетельствует об условности подразделения веществ на проводники (tgδ > 1) и диэлектрики (tgδ < 1), поскольку значение тангенса диэлектрических потерь зависит не только от электропроводности и диэлектрической проницаемости, но также является функцией частоты электромагнитного поля [4]. Поэтому в настоящее время при исследовании свойств веществ очень широкое распространение получает изучение частотной дисперсии тангенса диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости. Однако отсутствие простых и достаточно точных методов измерения частотной дисперсии в широком диапазоне низких и средних частот привело к необходимости разработки такого метода.
Авторы статьи [1] рекомендовали использовать для этих целей частный случай резистивного метода, заключающийся в поочерёдном подключении последовательно с измерительной емкостной ячейкой, заполненной исследуемым веществом, образцовых активных сопротивлений и измерении напряжений на этих сопротивлениях при поддержании постоянства общего напряжения, подводимого к измерительной цепи.
В работе [2] предложена реализация обобщенного резистивного метода, схема которого приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема реализации обобщенного резистивного метода измерения электрических параметров диэлектрика
Суть метода состоит в том, что последовательно с измерительной емкостной ячейкой, заполненной исследуемым веществом, включают n образцовых сопротивлений, в качестве которых используются частотонезависимые активные сопротивления (безъиндуктивные плёночные резисторы). В качестве источника питания измерительной схемы используется генератор синусоидальных колебаний, частота которых измеряется частотомером. С помощью (n+1) измерителя одновременно измеряют напряжения на емкостной ячейке и соответствующих участках измерительной цепи. При этом в отличие от предыдущего случая напряжение на измерительной ячейке во время измерения остается постоянным. Последнее обстоятельство позволяет применять этот метод также при исследовании таких веществ, у которых необходимо учитывать их нелинейность, то есть зависимость их параметров от интенсивности приложенного электромагнитного поля, как например, у электроэлектретов и сегнетоэлектриков. Кроме того, этот метод может с успехом использоваться для исследования вольт – амперных характеристик различных веществ.
Напряжения на соответствующих участках измерительной цепи определяются следующими уравнениями:
Путём решения системы (2), составленной из любой пары этих уравнений, можно определить активную r и реактивную x составляющие комплексного сопротивления исследуемого вещества, заполняющего измерительную ячейку:
,
,
где r и x – активное и реактивное сопротивление измерительной ячейки;
, 
;
Uя - напряжение на измерительном элементе;
– напряжение на участке измерительная ячейка - сопротивление RI,
Uk – напряжение на участке измерительная ячейка - сопротивление RII,
, l=1,2,…..n-1;
, k=l+1.
Таким образом, в результате одновременного измерения (n+1) напряжений можно сразу получить (n−1) значений r и x, что значительно упрощает измерение, позволяет исключить необходимость многократной настройки и перенастройки приборов, и уменьшить погрешность измерения вследствие усреднения полученных результатов.
Однако необходимость использования большого числа измерителей напряжений, неудобство считывания их показаний и значительная сложность вычислений существенно ограничивают возможности резистивного метода. Поэтому на практике обычно используют лишь два образцовых сопротивления, что позволяет уменьшить число измерителей напряжения до трех и получить по одному значению искомых r и x, либо измеряют по очереди все напряжения одним измерителем. Такая реализация резистивного метода резко снижает его возможности.
Для более эффективного применения резистивного метода целесообразно перейти к использованию многоканального АЦП с одновременным сэмплированием каналов и последующей обработкой результатов измерения с помощью ЭВМ. Схема реализации обобщенного резистивного метода в этом случае может иметь вид, представленный на рисунке 2.
Рисунок 2 – Схема реализации обобщенного резистивного метода измерения электрических параметров диэлектрика с использованием многоканального АЦП с одновременным сэмплированием
Для решения задачи одновременного сэмплирования вместо одного общего устройства выборки-хранения (УВХ) в схему вводится по одному УВХ на каждый канал, а мультиплексор размещается непосредственно перед АЦП. Согласно схеме, представленной на рисунке 2, команда SYNC с блока управления подается одновременно на все (n+1) (УВХ). При этом сэмплирование всех измерительных каналов, по которым поступают сигналы с различных участков измерительной цепи будет происходить одновременно. После сэмплирования АЦП с помощью мультиплексора последовательно преобразует данные всех каналов в цифровой код, сохраняя его в буферной памяти.
Для обеспечения точности измерения 0,01% выходной импеданс источника сигнала не должен превышать нормированного для АЦП значения. В противном случае, как это обычно имеет место при исследовании диэлектриков, потребуется использование буферизирующего усилителя, одна из схем которого приведена в [5].
Соответствующее программное обеспечение позволяет подключать измерительное устройство к ПК через USB-интерфейс. В этом случае на экран компьютера выводятся данные измерений для регистрации, анализа, обработки и распечатки результатов измерений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Калинин, и устройство для измерения сопротивления водных электролитов [Текст] / , // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2008. -№8.-Том 74.-С.46-48.
2. Давыдова, Н. В Электрорезистивный метод измерения параметров комплексного сопротивления [Текст] / , И.// Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии.- 2010, №4(282) .-С.92-96.
3. Эмме, Ф. Диэлектрические измерения [Текст]/ Ф. Эмме. – М.: Химия. 1967.
4. Щербаков, электропроводности и диэлектрической проницаемости растворов электролитов [Текст] / , // Электронный журнал "Исследовано в России", http://zhurnal. ape. *****/articles/1999/036.pdf
5. Андрусевич, А. Многоканальные АЦП с одновременным сэмплированием [Текст] /// Новости Электроники, -2008, №5.-С.27-29
Орловский государственный технический университет, г. Орёл
Старший преподаватель кафедры «Приборостроение, метрология и сертификация,
Тел. (0862)419876
Е-mail: *****@***ru
Орловский государственный технический университет, г. Орёл
Кандитат технических наук, доцент
Тел. (0862)419876
Е-mail: *****@***ru
