13. Další měřicí přístroje, etalony elektrických veličin

13. Další měřicí přístroje, etalony elektrických veličin.

přednášky A3B38SME Senzory a měření zdroje převzatých obrázků: pokud není uvedeno jinak, zdrojem je monografie Haasz, Sedláček: Elektrická měření a skripta Ripka, Ďaďo, Kreidl, Novák: Senzory

A3B38SEM přednáška 13

1

Obsah přednášky

• • • • •

referenční zdroje D/A převodníky generátory signálu. Spektrální analyzátor Základy metrologie? veličiny SI, jejich realizace, etalony


2

Referenční zdroje napětí Referenční prvek: - Teplotně kompenzovaná Zenerova dioda (definovaný proud + termostat). - Teplotní kompenzace napětí UBE bipolárního tranzistoru Referenční zdroje – obvykle integrované obvody

R3/n

R3

+

R3

+ R2 Ur

RX

∆Ube

RX

Uk

Ur = UZD (R1+R2) / R1

R4

U2 U1

R1 teplotně kompenzovaná Zenerova dioda

R5

U1 = 1,205 V, U2 = U1 (R4+R5) / R4 A3B38SEM přednáška 13

3

Napěťové kalibrátory (přesné D/A převodníky s šířkovou modulací) ZRN

Ur

DP

SO

U0 = Ur

U0

X TA = Ur N TN

kde fN KO

ŘO

u

Ur

U0 TA TN

TA =

N X , TN = fN fN

t

X = číslo, které převádíme na napětí N = rozsah převodníku

Sigma-delta ADC .. Existuje i ve vícebitovém provedení A3B38SEM přednáška 13

4

Číslicově-analogové převodníky (DAC) Příklady 4-bitového AČP:

1

R

LSB

MSB

0

1

1

0

z3

0

2I

4I

UO

z0

z1

z2

8I

1

0

+

n −1

I

Ur

U O = − R ∑ 2 i I zi ; i =0

z3 0

1

z2 0

Ur/4

1

2R z1

0

2R

Ur/8

R

2R

2R

2R Ur

R

Ur/2

R

1

z0 0

RO

1

+ MSB

zi = 0, 1

LSB A3B38SEM přednáška 13

RO n−1 i U O = −U r 2 zi ; ∑ 16 R i =0 z i = 0, 1 UO 5

Digitální potenciometr

3 + 3 = 6 bitů Potřebuji 16 odporů, nikoli 26 = 64


6

Nízkofrekvenční generátory měřicích signálů


7

Funkční generátory


8

Generátor programovatelného průběhu (arbitrary generator)


9

Spektrální analýza Neharmonický periodický signál ↔ součet harmonických složek (Fourierova řada) Harmonické složky - posloupnost komplex. čísel ↔ frekvenční spektrum periodického signálu Amplitudové frekvenční spektrum: absolutní hodnoty harmonických Fázové frekvenční spektrum: fáze harmonických složek

MĚŘENÍ AMPLITUDOVÉHO SPEKTRA: SELEKTIVNÍ VOLTMETR (VF selektivní voltmetr - heterodynní princip) HETERODYNNÍ SPEKTRÁLNÍ ANALYZÁTOR – analogové zpracování frekvenční pásmo desítky kHz až jednotky GHz

MĚŘENÍ OBOU SLOŽEK SPEKTRA FFT SPEKTRÁLNÍ ANALYZÁTOR - výpočet DFT (Diskrétní Fourierovy Transformace) z digitalizovaného signálu – frekvenční pásmo od velmi nízkých frekvencí až do stovek kHz HETERODYNNÍ SPEKTRÁLNÍ ANALYZÁTOR s číslicovým zpracováním (posunutí frekvenčního pásma) A3B38SEM přednáška 13

10

VF selektivní voltmetr (zpravidla využívá heterodynní princip) fX MF ZESIL.

SMĚŠOVAČ

PŘEDZESILOVAČ

OPERAČNÍ USMĚRŇOVAČ

FILTR + AČP

fmf,i OSCILÁTOR

fmf1 = fX – fO,

mf

f0

fmf2 = fO – fX,

fmf3 = fX + fO,


11

Heterodynní spektrální analyzátor


12

Veličiny SI, jejich realizace, etalony Základní jednotky SI (opakování z fyziky) Jednotka délky (metr, m): Metr je délka dráhy, kterou proběhne světlo ve vakuu za 1/299 792 458 sekundy. Jednotka hmotnosti (kilogram, kg): Kilogram je hmotnost mezinárodního prototypu kilogramu, uchovávaného v Mezinárodním úřadě pro míry a váhy (BIPM) v Sèvres. Jednotka času (sekunda, s): Sekunda je doba trvání 9 192 631 770 period záření, které odpovídá přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury základního stavu atomu cesia 133. Jednotka elektrického proudu (ampér, A): Ampér je stálý elektrický proud, který při průchodu dvěma rovnoběžnými, přímými, nekonečně dlouhými vodiči zanedbatelného kruhového průřezu, umístěnými ve vakuu ve vzdálenosti jednoho metru, vyvolá mezi těmito vodiči sílu 2.10-7 newtonu na metr délky. Jednotka termodynamické teploty (kelvin, K): Kelvin je 273,16-tý díl termodynamické teploty trojného bodu vody. Jednotka svítivosti (kandela, cd): Kandela je svítivost zdroje, který v daném směru vysílá monochromatické záření o kmitočtu 540.1012 Hz a jehož zářivost v tomto směru je1/683 wattu na steradián. Jednotka látkového množství (mol): Mol je látkové množství soustavy, která obsahuje právě tolik elementárních jedinců (entit), kolik je atomů v 0,012 kilogramu uhlíku 12. Používá-li se molu, musejí být příslušní elementární jedinci blíže specifikováni. Mohou jimi být atomy, molekuly, ionty, elektrony, jiné částice nebo blíže určená seskupení částic. A3B38SEM přednáška 13 13

Veličiny SI, jejich realizace, etalony Etalon: Ztělesněná míra, měřicí přístroj, měřidlo, referenční materiál nebo měřicí systém určený k definování, realizování, uchovávání nebo reprodukování jednotky nebo jedné či více hodnot veličiny k použití pro referenční účely. Mezinárodní etalon = etalon uznaný mezinárodní dohodou k tomu, aby sloužil v mezinárodním rozsahu jako základ pro stanovení hodnot jiných etalonů dané veličiny. Státní etalon = etalon uznaný státním rozhodnutím k tomu, aby sloužil v dané zemi jako základ pro stanovení hodnot jiných etalonů dané veličiny. Primární etalon = etalon, který je pro danou veličinu určen, nebo všeobecně považován, za etalon s nejvyššími metrologickými kvalitami. Hodnota primárního etalonu se určuje jinak než navázáním na jiné etalony téže veličiny. Sekundární etalon = etalon, jehož hodnota je stanovena porovnáním s primárním etalonem téže veličiny. Pracovní etalon = etalon běžně používaný pro kalibraci nebo kontrolu ztělesněných měr, měřicích přístrojů nebo referenčních materiálů. A3B38SEM přednáška 13

14

Veličiny SI, jejich realizace, etalony

Čas / kmitočet Primární etalon – cesiový rezonátor (stabilita až 10-14/rok) C.F.Coombs: Electronic Instrumentation Handbook:

Sekundární etalony: termostatované krystalem řízené oscilátory (stabilita až 10-9/rok) A3B38SEM přednáška 13

15


Elektrické napětí Josephsonův jev Jestliže na tzv. Josephsonův kontakt (dva slabě vázané supravodiče) dopadá mikrovlnné záření kmitočtu f , na jeho voltampérové charakteristice lze pozorovat stupně konstantního napětí hodnot

U N = nf 0

h 2e

kde h je Planckova konstanta, e je náboj elektronu

2e = 483,59790 THz / V h

Pro typický kmitočet mikrovlnného záření 70 GHz jsou výšky jednotlivých napěťových stupňů přibližně 145 µV. supravodivý drát s hrotem

supravodivé pásky

I

UN A3B38SEM přednáška 13

U 16


Elektrický odpor Kvantový Hallův jev Polovodičová struktura, teplota → 0 K; mg. pole B ≅ 13 T; pak:

U X → 0; kde:

UH h 1 = RH ( k ) = 2 = 25812 ,809 (Ω) IC e k k h je Plancova konstanta, e náboj elektronu, k celé číslo.

Provedení: původně křemíkové tranzistory MOSFET; nyní heterostruktury na bázi GaAs nebo InP


17


Elektrický odpor Sekundární etalony odporu: Slitiny kovů s nízkou teplotní závislostí a dobrou časovou stabilitou (např. manganin) Odchylka od jmenovité hodnoty: 10-3 až 105 Ω – 0,001 %, vně tohoto rozsahu větší Pro měření stejnosměrným proudem: R > 1 Ω - vinuté drátové rezistory R < 1 Ω - tvarované pásky či plechy Pro měření střídavým proudem (definována frekvenční závislost a časová konstanta): R > 1 kΩ - přeložená smyčka R < 1 kΩ - koaxiální provedení


18


Kapacita absolutní (Thomson –Lampard) ŘEZ A - A A

5

1

2

1 6 4

6

6´ 3

3

5

∆l ~ ∆C

A

⎞ ⎛ π ⎞ ⎛ π exp⎜⎜ − C13/ ⎟⎟ + exp⎜⎜ − C24/ ⎟⎟ = 1 ⎠ ⎝ ε0 ⎠ ⎝ ε0

C1/ = C 2/ =

ε0 ln 2 = 1,953549 π

( pF/m )

Sekundární: - deskové (plněné plynem) - křemenné 1

0

2


19

13. Další měřicí přístroje, etalony elektrických veličin

Recommend Documents