ŹRÓDŁO MAŁYCH PRĄDÓW Z IMITATOREM POJEMNOŚCIOWO-REZYSTANCYJNYM

Transkrypt

1 Prace aue Insyuu Maszyn, apędó i Pmiaró Elerycznych r 54 Pliechnii Wrcłasiej r 54 udia i Maeriały r Pir MADEJ * Elermeria, imiar, źródł prąde. ŹÓDŁO MAŁYH PĄDÓW Z IMITATOEM POJEMOŚIOWO-EZYTAYJYM pradzanie sazań przyrządó elermerycznych d pmiaru małych prądó sałych i ielich rezysancji na najczulszych zaresach ymaga ssania uładó symulujących zrce ielich rezysancji z. imiaró. Budane i ssane bierne imiary złżne z prnió nie yczerpują mżliści ym zaresie. W pracaniu przedsain ynii analizy łaściści merlgicznych uładu yarzająceg mały prąd sały, pareg na imiacji pjemnści-rezysancyjnej. Idea działania spradza się d całania a nasępnie różniczania sałeg napięcia. sune pjemnści całującej d różniczującej reśla spółczynni imiacji spień zięszenia zasępczej przejściej rezysancji. frmułan aruni, jaie pinny spełniać elemeny uładu dla siągnięcia dpiedniej lasy działania źródła. Wynii analiz sazują na użyecznść aieg rziązania ja alernayneg dla biernych imiaró rezysancyjnych.. IMITAJA POJEMOŚIOWO-EZYTAYJA Knrla sazań piampermierzy mże być ynana na da spsby; przez zassanie: ) zrca małych prądó bardz dużej zasępczej rezysancji, ) za pmcą uładu złżneg ze zrceg źródła sałeg napięcia i zrcó ieliej rezysancji. Miernii ielich rezysancji, mierzące przy sałym napięciu (gigai megammierze) sładają się z dóch pdsaych bló: źródła napięcia pmiareg i ru przearzania prądu (ru prądeg enęrzneg piampermierza) [3, 5]. Mżna je zaem spradzać bezpśredni, ssując zrce bardz ielich rezysancji; drue d ł 0GΩ, ypu MOX d 00GΩ a pyżej ułady biernych imiaró rezysancyjnych ([, 7]). Pdane zaresy rezysancji i ypy prnió są uarunane ich jaścią ja zrcó. W innej, * Pliechnia Wrcłasa, Insyu Maszyn, apędó i Pmiaró Elerycznych, Wrcła, ul. mluchsieg 9, el/fax (07) , aur (07)

2 pśredniej medzie, z. zrcania bló funcjnalnych ([4]) spradza się ddzielnie źródł napięcia pmiareg i enęrzny piampermierz. Zaleą ej pśredniej medy jes mżliść zassania d badania ru prądeg ej samej medyi, c przy badaniu zyłeg piampermierza. Pnad zenęrzne źródł zrce mże mieć znacznie mniejsze arści napięć d źródła napięcia pmiareg gigammierzu, dzięi czemu mżna ssać zrce rezysancji znacznie mniejszych arściach ssunu d medy bezpśrednieg spradzania. ajczulsze zaresy prąde bu ypach miernió ymagają zassania imianych zrcó rezysancji, aich ja np. pisany [6], złżnych z prnió płącznych uład giazdy, zasępczej rezysancji przejściej nae d PΩ ( 0 5 Ω). Wadą aich imiaró jes ssun nieiela rezysancja yjścia, rzędu 0GΩ ([7]). Innym mżliym rziązaniem jes zassanie imiara pjemnści-rezysancyjneg ([]), bierneg lub ayneg. elem pracania jes analiza merlgiczna dóch przyładych rziązań eg ypu... IMITATO BIEY Zasadę pracy bierneg imiara pjemnści-rezysancyjneg (rys.) mżna yjaśnić parciu przeszałcenie giazda-róją, ja dla uładu rezysancyjneg ([, 6]). Łaiej jedna praać płączenie ja uład inercyjny pierszeg rzędu sałej czasej = ( + ), z yjściym, pjemnściym dzielniiem prądu płynąceg przez. e y i ys.. Imiar bierny pjemnści-rezysancyjny. Fig.. Passive imiar. imiar Jeżeli graniczy się czas zares pracy imiacji d pcząeg dcina rzyej ładania pjemnści + przez rezysancję, za słuszne mżna przyjąć załżenie praie liniej zmianie napięcia ęźle a ym samym praycznie sałej arści prądu płynąceg przez zacisi yjście. Jeżeli przyłączenie sałeg napięcia ejścieg zrceg nasąpi chili =0, napięcie u () ęźle ma espnencjalny przebieg czasy a prąd płynący przez i zare zacisi yjście zależy d pchdnej eg napięcia

3 i () du = = exp - gdzie i = + d i () Mianni ńcej psaci zależnści () jes imianą ielą rezysancją, a spółczynni imiacji i jes drnścią pdziału pjemnścieg dzielnia. Bardz isną niedgdnścią eg uładu jes ymóg bardz małeg ssunu / ; miarę upłyu czasu maleje szybść narsu napięcia u i arzyszy jej malejący prąd i. W ziązu z ym sała czasa = ( + ) pinna sei a nae ysiące razy przeraczać ymagany czas imiacji przepłyu sałeg, zrceg prądu przez zacisi yjście. zas en zależy d zaresu prądeg spradzaneg przyrządu i pinien ynsić d ł0 0s p 000s na najczulszych zaresach. Drugim manamenem jes bardz nieieli dpuszczalny spade napięcia ssunu d u na ejściej rezysancji spradzaneg przyrządu, pięej d yjściych zacisó. Pnieaż musi aże być spełniny arune u <<, nieczne d praidłej pracy arści napięcia i spółczynnia imiacji i mgą być dsyć duże. Te ady mżna graniczyć ssując uład ayneg imiara pjemnścirezysancyjneg... IMITATO AKTYWY ŹÓDŁO PĄDOWE W bdzie ayneg imiara (rys.) elermeryczny zmacniacz WEM dużym zmcnieniu raz z i rzą uład inegrara całująceg zrce napięcie. Liniść narsu napięcia u ęźle jes praie idealna, aż d napięcia nasycenia yjścia zmacniacza AT, blisieg napięcim jeg zasilania. ys.. Pdsay uład ayneg imiara pjemnści-rezysancyjneg. Fig.. Basic scheme f an acive imiar. e WEM y i imiar Dzięi emu rziązaniu siąga się ięszy zares arści u, praycznie niezależny d raz dłuższy czas d ńca imiacji. Przy 0 prąd yjściy du i () = cns = gdzie i = () d i

4 AT aż d gdzie = (3) Tym razem spółczynni imiacji i jes prs róny ssuni pjemnści, c znacza ereycznie mżliść pracy aże z i <. Pdsaa sała czasa imiara mże być rzędu czasu imiacji a nae mniejsza, zależnie d przyjęeg zaresu arści. Przyład źródł z: =00MΩ, =µf, =nf, d V, AT 0V ma spółczynni imiacji i = 0 3 i sałą czasą =00s; generuje prąd I d 0pA przez czas d =000s.. BŁĘDY I OGAIZEIA TOOWAIA ŹÓDŁA Pdsaa, zględna niepenść sandarda prądu i jes pieriasiem z sumy adraó zględnych dchyleń sandardych ielści zależnści (). Zby duże dchyłi sysemayczne arści rezysancji i pjemnści mżna srygać ppraą arści napięcia. Jedna pza ymi czyisymi źródłami niedładnści przy ssaniu uładu charaerze źródła zrceg prądu należy się liczyć z szeregiem ddaych błędó. ą ne pdane reszymi paramerami elemenó, niedsnałścią zmacniacza WEM raz niezerą impedancji ejścia spradzaneg przyrządu. W dalszej części pracania przedsain ynii analizy płyó pszczególnych źródeł błędó raz z arunami ich pminięcia. ząse błędy zględne pdzieln na sayczne i dynamiczne D (zależne d czasu), a zassane znaczenia max i Dmax są ich bezzględnymi, granicznymi arściami, reślającymi pzim pmijalnści błędu. Przy analizie ilściej należy ich pzim dssać d pżądanej, pdsaej niepenści rzszerznej prądu i... WPŁYW ITEGATOA Analiza yazała, że spśród szysich parameró rzeczyiseg zmacniacza WEM czery mgą mieć znaczenie dla pracy imiara: ejście napięcie niezrónażenia i, prąd plaryzacji I ib płynący d e, zmcnienie napięcie różnice ri raz ejścia impedancja różnica ir ir. Pzimy ych parameró peracyjnym zmacniaczu elermerycznym średniej jaści są: i <0,5mV, I ib <0,pA, ri > 0 4 V/V, ir >TΩ, ir <0pF. Mżna yróżnić rzy zasadnicze sładnii błędu sayczneg raz dpiednie aruni: i = Iib ri (4)

5 i max, I ib max, ri max Waruni (5) mgą psłużyć d dbrania i d spółpracy z reślnym zmacniaczem lub drnie ybrania dpiednieg zmacniacza. Zassanie uładu mpensacji napięcia i zmniejsza ł rząd minimalną dpuszczalną arść. Warść granicza dda jeg lasa; aich zassaniach nie należy przeraczać 0GΩ. Jeżeli przyjąć, że i raz I ib zmacniacza pinny daać prónyalne sładnii błędu przy max, z dóch pierszych nierónści (5) ynia: i / I ib. pełnienie saniej nierónści (5) nie jes prblemem. Wzmcnienie różnice ri raz z rezysancją ejścią ir są przyczynami błędu dynamiczneg: (5) D = ri 0,5 + ir, (6) gdy ysarczy 0,5 ri D max ir. (7) Warune (7) nie jes ryyczny; nae dla długich czasó imiacji, rzędu 000s niezbędna sała czasa inegrara mże być przynamniej rząd mniejsza d. Druga część arunu (7) praycznie jes zasze spełnina ze sprym zapasem jeżeli spełni się aruni (5). Wpły pjemnści ejściej zmacniacza ir nae pięsznej pjemnści mnażu, przełącznia, abla mżna uznać za nieznaczący ze zględu na dużą arść rzędu 0, 0µF, dda mnżną przez ri + przy ransfrmaniu na zacisi ejście zmacniacza. iedładnść działania inegrara mże być aże yłana reszą pjemnścią rónległą d prnia raz rezysancją upłyu ndensara (rónległy sładni ). Odpiednie sałe czase ych gałęzi bdu inegrara = i =. Wyjściy prąd źródła miałby ym przypadu ereycznie zależnść czasą: i () = () + exp, (8) gdzie () dela Diraca. Jej ysąpienie znaczałby przepły impulsu ładunu arści /. W rzeczyisym uładzie nie ysąpi aie zjais, przede szysim ze zględu na graniczenia pradzane przez yjście zmacniacza: ydajnść prądą raz szybść zmian napięcia. iemniej należy liczyć się

6 z chilym przeseraniem ejścia zmacniacza sue późnienia działaniu ujemneg sprzężenia zrneg i rezulacie ysąpieniem yjściym prądzie róieg sanu nieusalneg przeciążająceg ejściy bód spradzaneg miernia. Mżna emu przecidziałać zasępując se załączenie napięcia przez nrlany nars jeg arści. T zagadnienie aur zamierza dładniej przeanalizać. Pzsałe sładnii zależnści (8) dają pżądaną arść prądu, zgdnie z (), barczną błędem saycznym = z aruniem max (9) i błędem dynamicznym, graniczającym masymalny czas imiacji i dpiedni arune D D max. (0) Z zależnści (0) ynia niecznść ssania ja inegrarze ndensaró bardz dbrej jaści, sałych czasych rzędu 0 6 s i ięszych. pełnienie eg arunu znacza aumaycznie mżliść pminięcia błędu (9), biem najgrszym przypadu łasna sała czasa prnia nie przerczy ilu seund... WPŁYW OBIĄŻEIA WYJŚIA Obód ejściy spradzaneg miernia zasąpin dma rónległymi elemenami i, pięymi d yjściych zacisó źródła prądeg. łada rezysancyjna pduje niedładnści różniczaniu napięcia u przez ndensar źródła a słada pjemnścia późnia usalenie się sałej arści prądu yjścieg. Przy analizie płyu bciążenia należy jeszcze uzględnić niedsnałść ndensara, frmie rónległej d nieg rezysancji. Odpiednie sałe czase: =, =, =, przy czym <<. () Błąd dynamiczny ma da, różniące się zależnścią czasą sładnii: D exp + + ()

7 ładni espnencjalny reśla dlną granicę czasą imiacji czas pcząy p a sładni liniy granicza masymalny czas imiacji : p ( + ) ln( ),. (3) D max D max Pcząy mmen praidłej imiacji p zależy przede szysim d zasępczych ejściych parameró spradzaneg miernia. a najczulszym jeg zaresie sała czasa mże siągać ila seund. D pdbneg pzimu mże aże dchdzić arść. W aim przypadu łaściej arści prądu należy czeiać dpier p ilunasu iludziesięciu seundach. Druga nierónść (3) reśla niezbędną jaść ndensara, pdbnie ja (0) ndensara. W bu przypadach zby małe, łasne sałe czase (pniżej ł 0 6 s) spdują duże błędy dynamiczne i srócą dpuszczalny czas imiacji. Zależnści na błąd sayczny i aruni pmijalnści mają psać:, + lub i max max max. (4) Opierając się na menarzu d zależnści (3) mżna uznać, że spełnienie arunó (4) nie jes rudne jeżeli nie ssuje się arści ila rzędó ięszej d. 3. PODMOWAIE Przedsaine ynii analizy merlgicznej sazują na nieużyecznść imiara bierneg pjemnści rezysancyjneg d nrli sazań miernió elermerycznych. Imiar ayny ze zmacniaczem elermerycznym c najmniej średniej jaści jes dbrą alernayą dla imiaró biernych rezysancyjnych aich zassaniach. Łaiejsze jes siąganie dużych spółczynnió imiacji a ym samym mżna ssać uładzie prnii zrce mniejszej arści i lepszej lasie. Wynii analizy płyu niedsnałści elemenó źródła i bciążenia yjścia na błędy sayczne i dynamiczne, pdane frmie arunó pzalają na zesaienie uładu pżądanych łaściściach lub ybranie dpiednich nasa gym urządzeniu. Pdsaą niedsnałścią aieg imiara jes graniczenie czase yarzania małeg prądu, niemniej przy zassaniu ndensaró dpiedni dużych sałych czasych mżna siągać zadalające czasy imiacji. Wadą jes aże

8 ysępanie pcząeg dcina czasu, órym usala się arść yjścieg prądu. Jeg masymalną arść mżna szacać na ł 0 sałych czasych ejścia spradzaneg miernia. ład musi zaierać bdy przyracające aruni pcząe rzładujące ndensary przed lejną imiacją. ezysancje izlacji elemenó ych bdó nie pinny isny spsób zmniejszać sałych czasych ndensaró. LITEATA [] ILJKOVIČ A.M., Medy imiacii bl šich sprivlenij, Izmeriel naja Technia 978, nr. [] ILJKOVIČ A.M., Medy izmerenija i vsprizvedenija malych psjannych v, Izmeriel naja Technia 979, nr. [3] KŁO Z., MADEJ P., Analge medy pmiaru ielich rezysancji, rmalizacja 993, nr 3. [4] KŁO Z., MADEJ P., Wzrcanie megammierzy analgych medą alibracji bló funcjnalnych, rmalizacja 993, nr 4. [5] KŁO Z., MADEJ P., Elerniczny megammierz analgy yp EMA-, Pmiary Aumaya Knrla 994, nr. [6] KŁO Z., MADEJ P., Imiany zrzec ielich rezysancji ypu IZW-, Pmiary Aumaya Knrla 00, nr 9. [7] MADEJ P., KŁO Z., Imiany zrzec ielich rezysancji d nrli przyrządó elermerycznych, apry I-9 Pliechnii Wrcłasiej, seria PE 00, nr. MALL ET OE BAED O IMITATO In his paper resuls f merlgical prperies analysis f he very small direc currens surce are presened. This surce is based n imiar ih, elemens and may be applied esing elecrmeric insrumens. auces f errrs are mared u: leaage resisances f capacirs, shun capaciances f resisrs, imperfec perainal elecrmeric amplifier, impedance f inpu circui f insrumen under es. In he end cndiins f minimize errrs are presened.