Измеритель импеданса что это такое
Система для измерения комплексного импеданса
Авторы:Думбрава В., Свилайнис Л.
Автор перевода: Мязин Г.С.
Источник: The Automated Complex Impedance Measurement System
Введение
Современные приборы для измерения импеданса измеряют действительную и мнимую части вектора импеданса и способны работать в широком диапазоне частот От 10 Гц до 10 ГГц [1]. Комплексное сопротивление является важным параметром, характеризующим электронные схемы, комплектующие и материалы [2]. Можно использовать импеданс датчика для оценки шумовых характеристик предусилителя [3]. Также измерения импеданса используются, когда параметры модели широкополосного трансформатора должны быть измеренны [4]. Автоматическое измерение невозможно для инструментов нижнего ценового сегмента и охватываемый частотный диапазон до 100 кГц [5]. Высококачественное оборудование, предназначенное для промышленных измерений способны автоматизировать измерения, имеют очень высокую точность и обладают широким частотным диапазоном [6], но дороги.
Мы часто использум измерение электрического импеданса в диапазоне частот от 20 кГц до 20 МГц в нашем исследовании. Измеренные значения импеданса находятся в пределах от нескольких до десятков килоом. Точность в несколько процентов будет достаточно для упомянутых измерений поэтому можно ожидать низкой стоимости такой системы. Обычно требования состоят в том, чтобы измерить не только на одной частоте или условиях работы, но на нескольких частотах и определенный набор рабочих значений. Следовательно автоматизация измерений обязательно, также как и цена на оборудование.
Система удовлетворяющая наши потребности представлена ниже.
Анализ методов измерения импеданса
Существуют следующие методы измерения импеданса [1]: мост, резонансный, А-В, РЧ А-В, сетевой анализ.
Мостовой метод обладает высокой точностью, но из-за необходимости уравновешивания этот метод мы считаем нецелесообразным для нашего приложения. Резонансный метод обладет хорошей точностью при измерения индуктивности, но есть необходимость резонансной настройки. Это можно рассматривать как вариант для нескольких измерений, как это было сделано в [2], но это не подходит для недорогих автоматизированных систем. Остальные методы могут рассматриваться как кандидаты.
Рисунок 1 – Характеристика методов измерения
Анализ данных на рис. 1 показывает, что методы А-В и автоматически балансируемый мост выглядят наиболее перспективными. В дальнейшем анализе мы сосредоточимся на этих двух методах.
А-В метод
Рисунок 2 – Упрощенная схема А-В метода
Ток можно рассчитать, используя падение напряжения через точно известный эталонный резистор Rref. Размещение Rref в верхнем конце препятствует точному измерению дифференциальных сигналов из-за присутствия высоких синфазных напряжений. Обычно для этой цели используется специализированный операционный усилитель. Иногда радиочастотный трансформатор используется вместо Rref для получения датчика высокого класса [8]. Трансформатор РЧ, однако ограничивает нижний предел применяемой частоты. Тем не менее, падение напряжения Rref может быть рассчитано как разность напряжений на Rref [9]. Модифицированная схема измерений представлена на рис. 3.
Рисунок 3 – Модифицированная схема А-В метода
Такая измерительная установка требует только один высокоимпедансный вход для напряжения U1 (канал 1). Напряжение U2 можно измерять через 50 Ом канал (канал 2).
Метод автоматической балансировки моста
Мост с автоматической балансировкой использует операционный усилитель с инвертирующей топологией. На рисунке 4 представлена пояснительная схема.
Рисунок 4 – Базовая схема моста с автоматической балансировкой
Этот режим измерения имеет недостаток в точности на высоких частотах из-за ограничений ОУ.
Измерительная система
Система сбора данных для автоматизированного измерения параметров переменного тока[10] использовалось в качестве основы для схемы измерения. Новая структура системы для измерения импеданса в режиме А-В представлена на рис. 5. Система содержит генерацию сигнала и блоки сбора результирующих сигналов. Доступны два 10-битных аналого-цифровые преобразователи (АЦП) для одновременной генерации. данные могут передаваться со скоростью 100 изм/с в два независимых 256 тыс. точек памяти. Система управления и сбор данных осуществляется на главном ПК через высокоскоростной интерфейс USB2. Общение с компьютером выполнено с использованием Cypress Semiconductor EZ-USB FX2LP высокоинтегрированного, маломощный микроконтроллер USB2.0 ИС CY7C68013A. Такая архитектура позволяет проводить быстрые и автоматизированные измерения.
Рисунок 5 – Структурная схема А-В метода
Систему можно легко перевести в режим измерения с автобалансировкой моста, применив изменения представленные на рис. 6.
Рисунок 6 – Модифицированная схема моста с автоматической балансировкой
Оценка амплитуды и фазы при наличии шума усложняется. Использование синусоидального описания может значительно уменьшить шум. Подходящая функция:
Тогда измеренные амплитуда и фаза сигнала:
Примеры применения
Для проверки работоспособности системы комплекс было изготовлено образцовое сопротивление. Модель схемы состоит из резистора и конденсатора включенных параллельно, их номиналы равны 1 кОм и 91 пФ соответственно (оба для поверхностного крепления). Оно было измерено с помощью как А-В, так и методом автоматической балансировки моста. Диапазон частот измерений составлял от 100 кГц до 20 МГц. Результаты представлены на фиг. 7.
Реальные и мнимые части импеданса построены на отдельных осях. Реальная часть оси находится слева и мнимая справа.
Значения компонентов, составляющих модель импеданса (резистор и конденсатор) были использованы для теоретического расчета полного сопротивления. Результат расчета представлен на графике 7 в виде толстой линии. Видно что есть некоторые отклонения на высоких частотах. Отклонение сопротивление значительно на частоте выше 1 МГц для метода автобалансирующего моста. Это ухудшение точность можно объяснить ограничениями ОУ на высоких частотах. Как указано в [1] LCR метры использующие технику автоматической балансировки моста могут использовать простой операционный усилитель для низкого частотного диапазона (обычно ниже 100 кГц). Широкополосные измерители LCR и анализаторы импеданса для частот выше 1 МГц используют комбинацию сложного нуль-детектора, фазовый детектор, контурный фильтр и векторный модулятор для обеспечения высокой точности для более широкого частотного диапазона.
Рисунок 7 – График для оценки качества измерения разными методами
Электрическая модель Баттерворта (BVD) преобразователя [3] была измерена. Сравнение результатов измерений и теоретического импеданса на основе значений компонентов представлены на рис. 8.
Рисунок 8 – Измеренное и теоретическое значение импеданса модели
Оба метода измерения дают схожие результаты. В публикации [3] было указано, что использование реального импеданса источника позволяет улучшить шумовые характеристики и топология схемы может быть изменена для наилучшего доступного отношения сигнал / шум.
Быстрое измерение импеданса необходимо для мониторинга изменения импеданса. На рисунке 9 представлен пример измерения импеданса в условиях изменения нагрузки.
Рисунок 9 – Импеданс пьезоактуатора меняется с нагрузкой
Графики на рис. 9 представляют модуль и фазу мехатронной системы двигателя пьезоактюатора в загруженом и незагруженном состоянии. Контролируя изменение полного сопротивления можно достигнуть оптимальных условий движения двигателя.
Заключение
Представлена конструкция системы измерения импеданса удовлетворяющая нашим конкретныи требованиям. Предварительный результаты исследования указывают на возможности измерения импеданса параллельной RC цепи и электрическая модель BVD преобразователя. Производительность в Работа в диапазоне частот выше 1 МГц сложна для метода автобалансировки моста. Планируется разработать метод компенсации для повышения точности в диапазоне высоких частот.
Исследование изменения импеданса пьезоактюатора это хорошая демонстрация возможностей мониторинга системы.
Обзоры измерителей иммитанса
Измеритель иммитанса (LCR-тестер) определяет основные параметры электрической цепи. Прибор преобразует входные сигналы с помощью измерительного моста. Устройства могут в автоматическом режиме отслеживать:
• емкость;
• индуктивность;
• сопротивление — активное и реактивное;
• проводимость;
• тангенс угла потерь.
Нормируемые параметры — предельные значения (рабочий диапазон), измерительная погрешность, рабочая частота, схема (последовательная или параллельная). Скорость измерений — от 2 до 10 в секунду.
RLС-метр применяется при отладке и настройке электронной аппаратуры, тестировании импеданса на сборных платах. Выпускается в виде пинцета, портативного устройства либо станции. Информация выводится на ЖК-дисплей.
Может оснащаться магнитным держателем в корпусе для удобной фиксации, режимом сортировки и функцией автоматического отключения. Питание — от встроенного аккумулятора либо от сети. Диапазон рабочих температур большинства устройств — от 0 до 40 градусов.
Прибор представляет собой цифровой прецизионный портативный LCR-метр +ESR.
Куплен был на aliexpress в октябре 2013 г… Продавцом в дальнейшем была представлена неплохая скидка. Прибор приобретался в основном для точного измерения сопротивления, ESR и емкости при ремонте БП и аудиоаппаратуры.
Анализаторы импеданса представлены в трех различных аппаратных реализациях, и вместе эти три реализации могут выполнять зондирование от сверхнизкой частоты до сверхвысокой частоты и могут измерять импеданс от мкОм до ТОм.
СОДЕРЖАНИЕ
Операция
Анализаторы импеданса обычно предлагают высокоточные измерения импеданса, например, с базовой точностью до 0,05% и диапазоном измерения частоты от мкГц до ГГц. Значения импеданса могут варьироваться в течение многих десятилетий от мкОм до ТОм, тогда как точность фазового угла находится в диапазоне 10 миллиградусов. Измеренные значения импеданса включают абсолютный импеданс, действительную и мнимую части измеренного импеданса и фазу между напряжением и током. Полученные из модели параметры импеданса, такие как проводимость, индуктивность и емкость, рассчитываются на основе модели схемы замены и впоследствии отображаются.
Измерители LCR также обеспечивают функцию измерения импеданса, обычно с такой же точностью, но с более низким частотным диапазоном. Частота измерения измерителей LCR обычно фиксированная, а не свипируемая, и не может отображаться графически.
| Методика | Диапазон частот | Диапазон импеданса | Базовая точность |
|---|---|---|---|
| Direct IV (постоянный ток-напряжение) | от мкГц до 50 МГц | От 10 мкОм до 100 ТОм | 0,05% |
| ABB (автобалансный мост) | От 20 Гц до 120 МГц | От 10 мОм до 100 МОм | 0,05% |
| RF-IV (Радиочастотный ток-напряжение) | От 1 МГц до 3 ГГц | От 100 мОм до 100 кОм | 1% |
График реактивного сопротивления
Большинство анализаторов импеданса поставляются с диаграммой реактивного сопротивления, которая показывает значения реактивного сопротивления для емкостного реактивного сопротивления X C и индуктивного реактивного сопротивления X L для данной частоты. Точность прибора отображается на диаграмме, чтобы пользователь мог быстро увидеть, какую точность он может ожидать для данной частоты и реактивного сопротивления.
Двухимпедансные цифровые мультиметры Для чего они нужны?
Общие сведения об импедансе.
Большинство продаваемых на сегодняшний день мультиметров, предназначенных для тестирования промышленных электрических и электронных систем, обладают входными цепями с импедансом, превышающим 1 МОм. Проще говоря, когда мультиметр присоединен к цепи для выполнения измерений, он мало влияет на контур. Это необходимо в большинстве случаев измерения напряжения и особенно важно для чувствительной электроники и управляющих цепей. У более старых измерительных приборов, таких как аналоговые мультиметры и электромагнитные приборы, входная цепь обычно обладает низким импедансом, составляющим 10 кОм и менее. Несмотря на то что эти устройства не замечают наводок, их следует использовать только для тестирования силовых и других цепей, на характеристиках которых низкий импеданс не сказывается отрицательно.
Лучшее из двух областей
С помощью двухимпедансных приборов специалисты могут легко устранять неполадки чувствительных электронных и управляющих цепей, а так же цепей, в которых могут быть наводки. Они также большее надежно могут определять наличие напряжения в цепи. В новом приборе Fluke 289 при обычных положениях переключателя режима измерений постоянного и переменного напряжения импеданс высокий. Эти положения переключателей используются в большинстве случаев устранения неисправностей, особенно в чувствительных электронных цепях. Новый режим работы прибора Fluke с низким импедансом называется LoZ. LoZ обозначает низкий импеданс (Z). В этом режиме для проверки цепи на входе используется низкий импеданс. Как следствие, снижается вероятность неправильных показаний в результате наводок и повышается точность при тестировании наличия или отсутствия напряжения. В этом режиме также автоматически определяется тип измеряемого сигнала: переменное или постоянное напряжение, выбирается нужная функция и диапазон и отображается правильная информация. Используйте положение LoZ переключателя прибора при подозрительных показаниях (могут присутствовать наводки) или при проверке наличия напряжения.
Что такое наводки и когда они встречаются?
Наводки (или паразитное напряжение) возникают в том случае, когда цепи под напряжением и обесточенные цепи находятся рядом (например, в одном кабелепроводе или кабельном канале). При таких условиях образуется конденсатор, в результате чего между цепями под напряжением и расположенными рядом обесточенными цепями возникает емкостная связь. Когда провода мультиметра присоединяются к разомкнутой цепи и нулевому проводнику, происходит замыкание цепи через вход прибора. Емкость между проводником под напряжением и обесточенным проводником образует с входным импедансом прибора делитель напряжения. Устройство измеряет и отображает результирующее значение напряжения. Большинство доступных на сегодняшний день цифровых мультиметров обладает входным импедансом, достаточным для того, что бы показать напряжение емкостной связи, в результате чего кажется, что проводник под напряжением. Фактически устройство измеряет напряжение, наводимое в отключенном проводнике. Однако временами это напряжение может достигать 80–85% значения напряжения сети. Если это напряжение не распознается как наводка, на устранение неполадок цепи теряется дополнительное время, усилия и средства. Наиболее часто наводки возникают при перегорании предохранителей в распределительных щитах, в неиспользуемых кабельных трассах или в проводке, которая находится в кабелепроводе, при обрыве заземления или нейтрали в 120-вольтовой части цепи или в блоках печатных плат, где для управления сборочной линией или функциями конвейера используются управляющие цепи на 120 В. Некоторая часть наводок может передаваться со стороны, которая находится под напряжением, через сгоревший предохранитель на обесточенную сторону. Когда при постройке зданий и помещений выполняется монтаж проводки, электрики часто прокладывают в кабеле проводе дополнительные провода для использования в будущем. Обычно эти провода оставляются неподключенными, пока в этом не появится необходимость, но порой в них возникает емкостная связь. Управляющие цепи располагают, как правило, рядом с неиспользуемыми управляющими линиями, в результате чего возникает вероятность измерения паразитного напряжения.
Проверка наличия или отсутствия напряжения
Обычно большинство электриков и инженеров предприятий для определения наличия напряжения в цепях используют электромагнитные устройства различного рода. Благодаря низкому импедансу цепи такие устройства не регистрируют паразитное напряжение. Эти устройства хорошо поработали в прошлом, но они редко соответствуют действующим стандартам безопасности IEC 61010 и нормативным требованиям Северной Америки. Их не следует использовать для устранения неполадок в высоковольтных трехфазных распределительных щитах или для проверки наличия напряжения в сети. В режиме LoZ прибор Fluke 289 имеет на входе низкий импеданс, порядка 3 кОм. Когда провода подсоединяются к разомкнутому контуру с паразитным напряжением, использование входа с низким импедансом приводит к рассеянию паразитного напряжения, и устройство показывает значение, близкое к нулю, то есть отсутствие напряжения. Учитывая разнообразие и сложность измерений, которые на сегодняшний день необходимо проводить на большинстве объектов, прибор с двухимпедансным входом обеспечивает специалисту или технику, устраняющему неполадки, большую гибкость измерений: от простого измерения напряжения до устранения неполадок чувствительных электронных цепей.
Средства измерения параметров цепей переменного тока: краткий обзор
В статье рассмотрены прошедшие за последние пять лет изменения на рынке средств измерений параметров цепей переменного тока. Рассказывается о технических характеристиках и особенностях новых моделей разных производителей приборов этого класса. Обозначены новые тенденции соответствующего рыночного сегмента.
Параметры цепей переменного тока (например, активной и реактивной составляющих сопротивления, добротности, тангенса угла потерь и т.д.) являются показателями качества или функционирования объекта исследования, а также индикаторами влияющих на них параметров окружающей среды. Круг задач измерения, контроля, диагностики и научных исследований процессов различной природы, в которых используется измерение параметров цепей переменного тока (ПЦПТ), постоянно расширяется. Специальные средства измерения (СИ) ПЦПТ — измерители (анализаторы) импеданса (иммитанса), RLC-измерители (анализаторы), виртуальные и портативные приборы, а также анализаторы цепей (Network Analyzer) измеряют как активные, так и пассивные параметры.
В большинстве случаев рассматриваемые СИ применяются в ходе научных исследований в электрохимии, физике и других дисциплинах, при диагностике и контроле элементов, устройств, материалов (радиоэлектронных компонентов), в медицинской диагностике и т.д.
Последний обзор СИ ПЦПТ был дан в работе [1]. В этом обзоре попробуем выяснить, что нового появилось среди приборов, и в каких новых областях они нашли свое применение.
Анализаторы иммитанса — приборы с наиболее широкими функциональными возможностями, позволяющие измерять параметры иммитанса при изменяющихся внешних условиях (в функции частоты, напряжения смещения, напряжения на объекте и т.д.), что необходимо в процессе разработки и исследования рассматриваемых объектов [1]. Примером может служить прибор IM3570 Impedance Analyzer фирмы HIOKI (Япония). Прибор имеет достаточно широкий диапазон частот: 4…5·10 6 Гц с погрешностью измерения 0,08%.
Измерители параметров иммитанса — приборы с широкими функциональными возможностями, обеспечивающие высокую точность измерения (порядка 0,1%). Эти приборы предназначены для применения в лабораторных и производственных условиях. Рабочий диапазон частот варьируется в диапазоне 0,1…3·10 9 Гц. Обеспечивают измерение параметров R, L, C до следующих значений: 10 11 Ом, 750·10 3 Гн и 100 Ф. Как правило, напряжение на объекте измерения составляет 0,003…200 В. Технические характеристики ряда измерителей параметров иммитанса зарубежных производителей приведены в таблице 1.
Отметим, что фирма Escort (торговая марка Аktаkоm, Тайвань) дополнительно разработала и поставляет программное обеспечение для серии измерителей иммитанса АМ-3016, позволяющее управлять прибором через последовательный интерфейс (RS-232) и удалённо наблюдать за результатами измерений. Кроме того, в главном меню окна программы есть функция просмотра и сохранения результатов в формате Excel или Access [2].
Фирма, страна, модель
Основная погрешность измерения, %
Рабочая частота, Гц
Диапазоны измеряемых величин
Напряжение смещения, В
Масса, кг
Энергопотребление, В·А (Вт)
R, Ом
L, Гн
QuadTech, США, 7600 Plus Precision LCR Meter
TEGAM INC., США, 3550
Escort, Тайвань, AM-3026 1
AM-3028
Wayne Kerr, Великобритания, 65120B
1 Торговая марка Аktаkоm.
Важно отметить, что метод измерения параметров импеданса нашел широкое применение при исследованиях нанокомпозиционных материалов [10–12], поскольку изменения импеданса легко регистрируются, а его параметры являются весьма информативными. Например, электрохимический импеданс (сопротивление и емкость) может изменяться вследствие разрушения структуры, а электрический импеданс материала может быть измерен и отслежен по всей толщине, и в случае растрескивания или расслоения можно отследить его изменение.
На основе рассмотренного материала можно сделать вывод, что использование метода измерения импеданса в различных областях науки и техники по-прежнему остается актуальным. Особых изменений в технических характеристиках разрабатываемых приборов не появилось. Основное внимание уделяется расширению и улучшению пользовательских функций, а также обучению потенциальных потребителей с помощью методических и демонстрационных материалов.