Автоматическая система контроля конденсатора

Введение

Характерным признаком развития технических и многих других искусственных систем является их постоянное усложнение. Сложность и усложнение являются следствиями объективного закона эволюции практически любых систем. Сложность системы прежде всего характеризуется числом ее элементов и числом связей между ними.

В частности, радиоэлектронные устройства и системы также развиваются в направлении непрерывного усложнения выполняемых ими функций, которые, в свою очередь, достигаются повышением сложности аппаратуры. При этом неизбежно возникают проблемы измерения, контроля и диагностики параметров, характеристик, а также технического состояния сложных радиоэлектронных систем и устройств как в процессе их эксплуатации, так и в процессе производства.

Поясним последнее утверждение следующим примером. Пусть требуется проверить правильность функционирования цифрового устройства с 32 выводами. На каждом выводе сигнал может иметь два состояния (0 или 1). Следовательно, число возможных состояний этого устройства составляет N = 232. Для полноценной проверки устройства потребуется N измерений. Пусть длительность одного измерения равна t = 1 мкс. Тогда контроль займет приблизительно T k = N t 10 3,63с 1,2 часа.

Из этого простого примера можно сделать несколько важных выводов. Во-первых, процессы измерения и контроля должны быть автоматизированы. Во-вторых, для уменьшения объема измерений нужно осуществлять оптимальную методику и последовательность контроля. В-третьих, оказывается, что контролирующее устройство должно быть не менее сложно, чем само проверяемое устройство. В-четвертых, возникает новая проблема — контроль правильности самого контролирующего устройства. Последнюю проблему особо подчеркивал конструктор ракетно-космических систем С. П. Королев.

Здесь следует отметить наиболее общий принцип, на котором строится взаимодействие объекта измерения, контроля или управления с системой, осуществляющей указанные функции. Этот фундаментальный принцип в кибернетике английский ученый У. Эшби назвал «принципом необходимого разнообразия». В контексте нашего примера этот принцип можно трактовать так: «насколько сложнее объект, настолько сложнее и многообразнее должно быть устройство, осуществляющее измерение, контроль и управление им». Действительно, в данном примере полноценное контролирующее устройство должно иметь число состояний NkN. И следовательно, степень его сложности непременно должна превышать степень сложности объекта исследования.

В широком смысле, автоматизация — это комплекс технических, организационных и экономических мероприятий, дающий возможность вести процессы (производственные, технологические, информационные и т. д.) без непосредственного участия в них человека. В узком понимании, автоматизация — это применение технических средств автоматики для измерения, контроля и управления. Предпосылкой автоматизации является извечное стремление людей заменить свой труд трудом автоматически действующих устройств.

В зависимости от степени автоматизации различают системы автоматизированные и автоматические. В первых часть функций выполняется человеком — оператором, тогда как автоматические системы функционируют без участия человека.

Основная цель автоматизации — улучшение технических и экономических показателей процессов управления, измерения и контроля. Иногда осуществление некоторых процессов вовсе невозможно без автоматизации.

Задание Разработать автоматическую систему контроля конденсатора с номиналом 1000 пФ по 3 группа точности:

_+ 1%

_+10%

_+20%

Сортировку осуществлять с точность не более 0,1%.

Теоретическая часть Конденсаторы. Общие сведения. Характеристики Электрический конденсатор представляет собой систему из двух проводников электрического тока (обкладок), разделенных диэлектриком. Основной характеристикой конденсатора является его электрическая емкость, или просто емкость, которая характеризует способность конденсатора накапливать электрический заряд. Емкость конденсатора определяется отношением накапливаемого на одной из обкладок электрического заряда к приложенному напряжению: С=q/U. Она зависит от материала диэлектрика, формы и взаимного расположения обкладок.

В цепях постоянного тока конденсатор не проводит электрический ток, поскольку между его обкладками находится диэлектрик. В цепях переменного тока с конденсатором протекают токи его перезарядки. Емкостное сопротивление конденсатора обратно пропорционально частоте переменного тока и емкости, измеряется оно в омах.

Существуют конденсаторы постоянные (емкость которых нельзя изменить), полупеременные (подстроечные) и переменные. По роду диэлектрика выделяют бумажные, металлобумажные, пленочные, металлопленочные, слюдяные, керамические, стеклоэмалевые и воздушные конденсаторы.

Особый тип конденсаторов — электролитические. В них в качестве диэлектрика используется слой оксида, образованный на металле, выступающем одной из обкладок конденсатора. Второй обкладкой является жидкий или пастообразный электролит. Электролитические конденсаторы обладают малыми размерами, большой емкостью, но и большими потерями энергии.

Номинальная емкость конденсатора — это емкость, которую он должен иметь в соответствии с нормативной документацией. Отличие фактической емкости конденсатора от номинальной не может быть больше допустимой. Как и для резисторов номинальные емкости конденсаторов с допустимыми отклонениями ±5%, ±10%, ±20% выбираются из рядов умножением соответствующих чисел на 10n, где n — любое целое число.

Номинальное рабочее напряжение — это максимальное напряжение, при котором конденсатор может надежно работать в течение минимальной наработки в условиях, указанных в технической документации.

Температурный коэффициент емкости — параметр, характеризующий относительное изменение емкости при изменении температуры окружающей среды на 10 С.

При прохождении электрического тока в конденсаторе возникают потери энергии, обусловленные проводимостью диэлектрика, нагревом металлических элементов, контактов в местах соединений и др. Мощность потерь в конденсаторе прямо пропорциональна его реактивной мощности (Рр = U2 wC) и тангенсу угла потерь tg d. Величина, обратная tg d, называется добротностью конденсатора. Чем больше добротность конденсатора, тем меньше потери энергии в нем (при прочих равных условиях).

Для учета потерь реальный конденсатор представляют последовательной (рис. 3.11 а) или параллельной (рис. 3.11 б) схемой замещения. Последовательная схема применяется при незначительных потерях в диэлектрике; при больших потерях в диэлектрике применяют параллельную схему замещения. Чаше всего пользуются именно параллельной схемой замещения. В этом случае тангенс угла потерь равен отношению активной составляющей тока к реактивной (или активной проводимости к реактивной).

На корпусах конденсаторов достаточно большого размера обозначается тип, номинальная емкость, максимальное рабочее напряжение и допустимое отклонение емкости от номинального значения.

Емкости до 100 пФ выражаются в пикофарадах и обозначаются буквой П (р); емкости от 100 пФ до 0,1 мкФ — в нанофарадах и обозначаются буквой Н (n); емкости выше 0,1 мкФ — в микрофарадах и обозначаются буквой М (m). Как и для резисторов буквы ставятся вместо запятой десятичной дроби, которая выражает значение емкости. Если емкость выражена целым числом, то буква ставится после него; если емкость конденсатора меньше единицы, то буква ставится вместо нуля и запятой перед цифрами.

Допустимые отклонения емкости от номинального значения указаны такими же буквами, как и для резисторов.

Понятие видов и методов измерений Цель измерения — получение значения этой величины в форме, наиболее удобной для пользования. С помощью измерительного прибора сравнивают размер величины, информация о котором преобразуется в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора.

Измерения могут быть классифицированы:

по характеристике точности — равноточные (ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности СИ и в одних и тех же условиях), неравноточные (ряд измерений какой-либо величины, выполненных несколькими различными по точности СИ и (или) в нескольких разных условиях);

по числу измерений в ряду измерений — однократные, многократные;

по отношению к изменению измеряемой величины — статические (измерение неизменной во времени физической величины, например измерение длины детали при нормальной температуре или измерение размеров земельного участка), динамические (измерение изменяющейся по размеру физической величины, например измерение переменного напряжения электрического тока, измерение расстояния до уровня земли со снижающегося самолета);

по выражению результата измерений — абсолютные (измерение, основанное на прямых измерениях величин и (или) использовании значений физических констант, например, измерение силы основано на измерении основной величины массы и использовании физической постоянной — ускорения свободного падения и относительные (измерение отношения величины к одноименной величине, выполняющей роль единицы);

по общим приемам получения результатов измерений — прямые (измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно, например, измерение массы на весах, длины детали микрометром), косвенные (измерение, при котором искомое значение величины определяют на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной.

Проверка исправности конденсаторов Неисправностями конденсатора являются: пробой диэлектрика конденсатора и внутренний обрыв его выводов. Пробой конденсатора легко обнаруживается с помощью омметра (сопротивление конденсатора будет мало). Внутренний обрыв выводов конденсатора обнаруживается только при измерении его емкости (в этом случае его емкость составляет, как правило, десятые доли или единицы пикофарад).

Принцип измерения емкости конденсатора В основе нашего принципа измерения лежит — косвенный метод измерения. Косвенное измерение — измерение, проводимое косвенным методом, при котором искомое значение физической величины определяют на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. В колебательном контуре, параметры которого будут вычисляться измеряемой емкостью и априорной индуктивностью. Суть измерения лежит в возбуждении резонансных колебаний и измерения их частоты, отклонение от которой и будет относить исследуемый конденсатор к одной из трем группам точности, либо забраковывать.

электрический конденсатор контроль измерение Принцип работы устройства Измеряемый конденсатор совместно с измерительной катушкой образует измерительный колебательный контур (ИКК). Через электронный ключ ИКК подключается к источнику питания 5 В. Через него происходит заряд измеряемого конденсатора в ИКК. При отключении ИКК, посредством электронного ключа, в нём возникают свободные электрические колебания, затухающие по экспоненте. Частота проходящих процессов ИКК соответствует резонансной частоте. При этом, период колебаний (для затухающих колебаний понятие периода несколько иное) соответствует T, которое определяется по формуле:

при том, что L известно априорно, период зависит только от величины ёмкости измеряемого конденсатора. При этом реализация такой схемы на микроконтроллере ATmega48 позволяет регистрировать разницу в периодах порядка 0,25 мкс.

Итак, в колебательном контуре возникают затухающие колебания рис.1:

Рисунок 1

Компаратор сравнивает затухающие в ИКК колебания с напряжением на общей точке (0 В). При этом на выходе компаратора появляется импульсный сигнал, передние фронты которого отмечают время периода сигнала. Затухающие колебания (синяя линия) и сигнал компаратора (красная линия) в равном масштабе времени представлены на рис.2:

Рисунок 2

Используем только первые четыре периода, длительность которых измеряется по значению таймера в период прихода переднего фронта от аналогового компаратора.

Дальше эти четыре значения усредняются (суммируются и делятся на 4) и по его величине делается вывод о номинале конденсатора, а, следовательно, и допуске в процентах к стандартному номиналу в 1000 пФ. В зависимости от сделанного вывода сигнал появляется на выходах соответствующих 1%, 10% и 20% соответственно.

Расчетная часть Рассчитаем погрешность сортировки конденсаторов с точностью 0,1%.

Суммарная погрешность измерений будет определяться по формуле:

Распределим погрешности равномерно и

— частота КК

— с погрешностью Используя :

— допуск катушки

— погрешность измерения времени Исходя из того, что, найдем ,

— количество отсчетов времени в микроконтроллере, соответствующих времени колебаний.

В таблице 1 рассчитано количество отсчетов для всех видов погрешности

Диапазон измерения погрешности

Структурная схема устройства.

Практическая часть.

Текст программы на AVRasm:

.include «m48def.inc»

.def schet = R20

.def 1%dev= R21

.def 10%dev = R22

.def 20%dev = R23

.def quantity = R24

.cseg

.org 0

rjmp RESET

reti;INT0

reti;INT1

reti;PCINT0

reti;PCINT1

reti;PCINT2

reti;WDT

reti;TIMER2_COMPA

reti;TIMER2_COMPB

reti;TIMER2_OVF

rjmp TIMER1_CAPT

reti;TIMER1_COMPA

reti;TIMER1_COMPB

rjmp TIMER1_OVF

reti;TIMER0_COMPA

reti;TIMER0_COMPB

reti TIMER0_OVF

reti;SPI_STC

reti;USART_RXC

reti;USART_UDRE

reti;USART_TXC

reti; ADC_COMP

reti;EE_RDY

reti;ANA_COMP

reti;TWI

reti;SPM_RDY

RESET:

ldi R16, low (RAMEND)

out SPL, R16

ldi R16, high (RAMEND)

out SPH, R16

ldi R16, 63

out DDRD, R16

ldi R16, 254

out DDRB, R16

ldi r16, 0

out tccr1a, r16

out tccr1с, r16

ldi r16, 1

out tccr1b, r16

ldi r16, 33

ststimsk0, r16

clrquantity ;Обнуление измерительных регистров

clrschet ;Обнуление измерительных регистров

sei ;Установка бита разрешения прерывания

LOOP:

rjmp LOOP

TIMER1_CAPT:

inR16, ICR1L ;Запись значения регистра захвата в R16

cpischet, 0 ;Если это не первый из активных фронтов то:

brnemet1 ;идём на метку met1

movquantity, R16 ;Если первый, записываем время в переменную quantity

met1: cpischet, 4 ;Если отсчитано 4 периода

breqmet2 ;идём на метку met2

incschet ;Если нет, то прибавляем к schet единицу.

reti ;Выход из прерывания

met2: rcallVivod ;Вызов подпрограммы расчёта и вывода.

sbiPORTD, 4 ;Открытие электронного ключа. Накопление энергии в

;контуре.

reti ;Выход из прерывания.

Vivod:

inR16, ICR1L ;Запись значения регистра захвата в R16

subR16, quantity ;Вычитание из регистра захвата момента прихода

;первого из активных фронтов.

movquantity, R16 ;В quantity значение времени 4-х периодов

lsr quantity

lsr quantity

cp quantity, 1%dev

brsh na₁₀

sbi PORTD, 0

ret

na₁₀: cp quantity, 10%dev

brsh na₂₀

sbi PORTD, 1

ret

na₂₀: cp quantity, 20%dev

brsh brak

sbi PORTD, 2

ret

brak: sbi PORTD, 3

ret

TIMER1_OVF:

clrquantity ;Обнуление измерительных регистров

clrschet ;Обнуление измерительных регистров сbiPORTD, 4 ;Закрытие электронного ключа. Провоцирование

;свободных колебаний в ИКК.

clrR16

outR16, PORTD

reti ;Выход из прерывания.

.exit

1. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах/ Учебник для ВУЗов/ В. И. Нефедов, В. И. Хахин, Е. В. Федорова и др. /Под ред. В. И. Нефедова, -М, Высшая школа, 2001. 383с

2. Винокуров В. И., Каплин С. И., Петелин И. Г. Электро-радиоизмерения. — М.: Высш. шк., 1986.

3. Мирский Г. З. Электронные измерения. — М.: Радио и связь, 1986.

4. Дворяшин Б. В. Основы метрологии и радиоизмерения. — М.: Радио и связь, 1993.

5. Измерение параметров и характеристик колебаний и сигналов. Учеб. пособие/ Под ред. И. Г. Петелина.-Л.: ЛЭТИ, 1984.

6. Измерение параметров и характеристик радиоэлектронных схем и устройств. Учеб. пособие/ Под ред. И. Г. Петелина.-Л.: ЛЭТИ, 1986.

7. Интернет. Учебный курс Assembler, www.kolasc.net.ru/cdo/programmes/assembler/tc.html.