Измерение индуктивности – ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАТУШЕК ИНДУКТИВНОСТИ

Измерение индуктивности и емкости с помощью мультиметра и компьютера

Сегодня на рынке много сравнительно дешевых цифровых мультиметров измеряющих сопротивления в широких пределах и емкости конденсаторов до 20 мкФ и более. Однако приборы, измеряющие индуктивности сравнительно дороги, да и нужны они не каждый день.

Электрику-ремонтнику довольно частот приходится измерять индуктивность катушек реле, обмоток трансформаторов и т. п. для определения их исправности. При этом самостоятельное изготовление прибора или приставки для измерения индуктивности затрудняется том, что для него требуется источника питания и частотомер для настройки генератора. Надо отметить, что в таких приборах (приставках) предлагаемых в различных источниках стабильность частоты и амплитуды генератора не высока. Отсюда и точность измерений также не высока.

Предлагается предельно простой прибор на базе компьютера и цифрового вольтметра позволяющий измерять индуктивности от 10 мкГн до 1 Гн и емкости от 10 пФ до 1 мкФ с достаточно высокой точностью, которая определяется точностью вольтметра.

Как известно, импеданс индуктивности описывается формулой:

ZL = 2πf L .

Перепишем формулу следующим образом:

ZL = kL где k = 2πf коэффициент пропорцио­нальности.

Для упрощения процесса измерения, рассчитаем f таким образом чтобы k равнялся ровно 100000:

f = к/2π = 100000/6,2831853 = 15915,4943 Гц.

Как видим, для k = 10000 необходима частота 1591,5 Гц, а для k = 1000 — 159,15 Гц.

Принцип работы измерителя индуктивностей показан на рис.1, а на рис.2 — измерителя емкости. В обоих случаях компьютер (точнее его зву­ковая карта) выступает в качестве генератора высокостабильного по частоте и напряжению тестового сигнала, а мультиметр — в качестве вольтметра переменного тока.

Рис. 1

Если сопротивление источника сигнала превышает сопротивление нагрузки в 10 раз и более можно считать что данный источник сигнала является источником тока. Для выполнения этого условия, комплексное сопротивление измеряемой индуктивности не должно превышать 1/10 резистора R1.

Рис. 2

Выходное напряжение генератора должно быть равно 1 В (действующее значение), при этом напряжение на измеряемой индуктивности не должно превышать 100 мВ.

Милливольтметр U2 используется на пределе 100 мВ. В качестве источника сигнала используется звуковая карта компьютера (ноутбука). При этом, в качестве тестовых сигналов используются wav-файлы записанные с помощью аудиоредактора (например, GoldWav) с уровнем 0 дБ. Выходное напряжение звуковой карты как правило несколько больше 1 В. Требуемое напряжение выставляют регулятором громкости. Если оно все же меньше 1 В (что может быть в некоторых ноутбуках), то придется использовать поправочный коэффициент, что вносит некоторые неудобства при измерениях. Предположим выходное напряжение звуковой карты равно 0,91 В. В этом случае поправочный коэффициент равен k = 1/0,91 = 1,1.

Упрощенный вариант прибора показан на рис.З, на котором включенный как вольтметр цифровой мультиметр с автоматическим переключением диапазонов показан как стрелочный прибор.

Рис. 3

Пределы измерения с помощью этого прибора сведены в

таблицу.

Для оперативного переключения резисторов можно использовать переключатель на 3 положения. Пределы измерения можно расширить если дополнительно использовать резисторы 100 кОм и 1 МОм.

При показаниях вольтметра меньше 10 мВ и больше 100 мВ для повышения точности измерений следует перейти на другой диапазон. Это может быть сделано двумя способами: изменением частоты и переключением номинала резистора.

Если при измерении индуктивности напряжение на проверяемой индуктивности больше 100 мВ, то необходимо увеличить резистор или снизить частоту сигнала и наоборот при напряжении менее 10 мВ.

Если при измерении емкости показания прибора больше 100 мВ, то необходимо уменьшить резистор или повысить частоту и наоборот при напряжении менее 10 мВ.

Частота тест сигнала, Гц Диапазон измерения индуктивностей и емкостей при сопротивлении резистора R1
100 10к
15915 10…100 мкГн 0,1…1 мГн 1…10 мГн
1…10 нф 100…1000 пф 10…100 пф
1591,5 0,1…1 мГн 1…10 мГн 10…100 мГн
10…100 нФ 1…10 нф 10…1000пФ
159,15 1…10 мГн 10…100 мГн 0,1…1 Гн
0,1…1 мкФ 10…100 нф 1…10 нф

Конструкция упрощенного измерителя

Для его изготовления понадобится кабель с разъемом minijack, например, от вышедших из строя телефонов плеера. Если требуется измеритель индуктивности в пределах 0,1… 100 мГн то можно обойтись всего одним резистором 1 кОм и тремя файлами указанных выше сигналов.

На рис.4 показан такой измеритель с двумя резисторами типа СМД номиналами 1 кОм и 10 кОм, при этом пределы измерения расширяются на порядок.

Рис. 4

Автор: Александр Петров, г. Могилев

Возможно, вам это будет интересно:

meandr.org

Приставка для измерения индуктивности и ее применение в практике радиолюбителя

Предлагаемая приставка к частотомеру для определения расчетным путем индуктивности в диапазоне 0,2 мкГн… 4 Гн отличается от прототипов пониженным напряжением на измеряемой индуктивности (амплитуда не более 100 мВ), что снижает погрешность измерения для катушек на малогабаритных кольцевых и замкнутых магнитопроводах и дает возможность измерить  с достаточной для практики точностью начальную магнитную проницаемость магнитопроводов. Кроме того, малое значение напряжения на контуре позволяет оценивать индуктивность катушки непосредственно в конструкции, без демонтажа.

Для многих начинающих радиолюбителей изготовление и оценка индуктивности катушек, дросселей, трансформаторов становится «камнем преткновения». Промышленные измерители малодоступны, самодельные законченные конструкции, как правило, сложны в повторении и при их настройке необходимы промышленные приборы. Поэтому особой популярностью пользуются простые приставки к частотомеру или осциллографу.

Описания и схемы подобных устройств были опубликованы в периодической литературе [1, 2]. Они просты в повторении, удобны в применении. Но сведения в статьях в части заявленных погрешностей и пределов измерения нередко приводят к ошибочным выводам и искаженным результатам. Так в [1] указано, что приставка позволяет измерить индуктивность более 0,1 мкГн, а погрешность измерения зависит от подбора конденсатора, который в авторской конструкции имеет допустимое отклонение номинальной емкости не более ±1 %. И это при том, что на указанных на схеме транзисторах устойчивая генерация начинается с индуктивностью колебательного контура 0,15…0,2 мкГн (желающие легко могут проверить), а собственная индуктивность выводов от платы до разъема 30 мм оказывается равной  0,1…0,14 мкГн. В другой статье [2] указывается погрешность до 1,5 % от верхнего предела (кстати, обратите внимание, нижний предел 0,5 мкГн с погрешностью 0,9 мкГн ― и это верно, иными словами измерение таких величин носит оценочный характер) как для маленьких, так и больших значений индуктивности, без учета собственной емкости катушек. А такая емкость может достигать соизмеримой с контурной величины и вносить дополнительную погрешность до 10…20 %.

В этой статье сделана попытка в какой-то мере восполнить отмеченный пробел и показать методы оценки погрешности измерений и способы применения действительно простой и полезной конструкции в лаборатории каждого радиолюбителя.

Предлагаемая приставка к частотомеру предназначена для оценки и измерения с достаточной для практики точностью индуктивности в диапазоне 0,2 мкГн… 4 Гн. Она отличается от прототипов пониженным напряжением на измеряемой индуктивности (амплитуда не более 100 мВ), что снижает погрешность измерения индуктивности на  малогабаритных  кольцевых и замкнутых магнитопроводах и дает возможность измерить начальную магнитную проницаемость магнитопроводов. Кроме того, малое значение напряжения на контуре позволяет оценивать индуктивность катушки непосредственно в конструкции, без демонтажа. Такую возможность оценят те, кому часто приходится заниматься ремонтом и настройкой аппаратуры при отсутствии схем и описаний.

Для  работы  с  приставкой  подходят  любые  самодельные  или промышленные  частотомеры,  позволяющие  измерять  частоту  до  3 МГц   с точностью  не  менее  3х  знаков.  Если  нет  частотомера,   подойдет   и осциллограф.   Точность  измерения  временных параметров   у  последних,  как правило,   порядка  7…10%, что и определит  погрешность измерения индуктивности.

В интервале значений индуктивности 0,2…0,5 мкГн погрешность измерения не превышает 50 %,  в зависимости от точности учета “паразитной” индуктивности приставки. Погрешность измерения в интервале 0,5…5 мкГн уменьшается до 5…20 % в связи с тем же ограничением. Индуктивность более 5 мкГн ― вплоть до 20 мГн возможно измерить с наименьшей погрешностью, не превышающей 2 %. В интервале значений 20…200 мГн погрешность не более 5 %, если собственная емкость собственная емкость катушки менее 1000 пФ. Для индуктивности более 0,2 Гн из-за влияния активного сопротивления катушки погрешность измерения может возрасти до 5…20 %, а выше 1 Гн ― даже  до 20…50 %. Ток, потребляемый приставкой при напряжении питания в интервале значений 5…15 В, не более 22 мА. Для определения собственной “паразитной” емкости катушки следует использовать  эталонный  конденсатор  по  методу,  описанному  ниже.

Принцип измерения индуктивности [2] основан на известном соотношении, связующим параметры элементов колебательного контура с частотой его резонанса (формула Томсона)


Здесь и далее во всех формулах частота указана в мегагерцах, емкость ― в пикофарадах, индуктивность ― в микрогенри.

 

При емкости контура Ск = 25330 пФ, формула упрощается

, где Т ― период в микросекундах.

В приставке (ее схема показана на рис. 1) используется генератор с эмиттерной связью в

двухкаскадном усилителе, частота гармонических колебаний которого определяется емкостью конденсатора С1 и измеряемой индуктивностью Lx, подключаемой к пружинным зажимам Х1. Так как исполь

us5msq.com.ua

ПРИСТАВКА К ЧАСТОТОМЕРУ ИЗМЕРИТЕЛЬ ИНДУКТИВНОСТИ

Первое пришествие данного измерительного генератора в сферу моего радиолюбительского интереса состоялось под названием «Генератор для катушек». Было необходимо в процессе изготовления настроить поисковую катушку металлодетектора «Tesoro Eldorado» вот модератор с сайта по изготовлению МД и предложил форуму панацею в его «лице», не дав, правда, подробного руководства по сборке, но заверив в повторяемости схемы.

Принципиальная схема

Скачать для увеличения

Для производства замеров подключаться данный генератор должен был к частотомеру. Сложной схему не назовёт даже начинающий любитель электроники, поэтому все дружно приступили к сборке, но тогда собрать удалось единицам причём из числа продвинутых. Меняли транзисторы, номиналы резисторов и конденсаторов, но всё как-то без результата. Повторяться схема не желала. Предложивший схему упирал на то, что повторяющими не достаточно точно подбирается номинал электронных компонентов.

Когда появился вариант печатной платы частично на СМД компонентах, которые как известно не сложно приобрести и с 1% допуском по точности номинала - не устоял перед искушением. Собранная схема сразу не заработала, а вот когда начал менять транзисторы беря в расчёт коэффициент усиления в сторону увеличения, ставить неполярные конденсаторы из числа термостабильных, да посоветовали на выходе подстроечник 1 кОм для регулировки уровня выходного переменного напряжения, что-то сдвинулось с мёртвой точки, но окончательного положительного результата не получил. Сила выходного сигнала была мала, виртуальный частотомер компьютера выдавал не стабильные показания. На том тогда всё и закончилось.

А не так давно увидел знакомую схему в несколько иной интерпретации, с подробнейшим описанием сборки и настройки, под названием «Приставка для измерения индуктивности». Сразу стало понятно, что её предыдущий вариант это неудачная кастрация схемы. Необходимость замера индуктивности поисковой катушки для собранного металлодетектора К-158 (вариант всем известного «Пирата») врасплох не застала.

Учитывая предыдущий опыт, сразу доработал предложенную печатную плату под свои электронные компоненты, по сути же, схема осталась неизменной. Постоянный резистор R8 номиналом 270 Ом заменил на подстроечный 5 кОм (для установления нужной величины выходного переменного напряжения в интервале от 0 до более чем 5 вольт), резистор R9 и конденсатор С7 установил как в схеме, а не как на предложенной печатной плате.

В целом сборка данного варианта хлопот не доставила, ибо основные рекомендации сборки и настройки были теперь известны: 

  • транзисторы VT 1 и 2 исключительно КТ326Б, VT3 лучше КТ3107Г с коэффициентом усиления более 50, а VT4 нужен КТ3102В с к/усиления исключительно более 150, VT5 также КТ3102В с к/усиления более 50
  • конденсатор С1 набирается из трёх (меньше не получится) общей ёмкостью строго 25330 пикофарад. Допуск отклонения желателен менее 0,5%, от этого зависит точность измеряемой индуктивности. Все конденсаторы должны быть с хорошим ТКЕ (термостабильные – то есть их ёмкость должна как можно меньше зависеть от изменения температуры их корпуса)
  • после подачи напряжения 12 В, не подключая катушки к разъему Х1 замерить напряжение на эмиттере VT5 которое должно быть равным половине питающего, если отклонение большое, подобрать резистора R4. Ток потребления будет в пределах к 20 мА - на выходе должно быть переменное напряжение необходимое для производства измерения имеющимся частотомером, например для китайского частотомера-конструктора оно составляет 2 вольта (или чуть более). Его уровень устанавливается подстроечным резистором R8.

Подключение катушки производится как можно ближе к виткам намотки, (минуя соединительный кабель), соединительные провода приставки не более 30 мм. Показатель частотомера в килогерцах. Величина на фото проходная, в результате всех манипуляций с катушкой (отмотки – домотки) она была получена в размере 71,626 Гц.

Результат замера обрабатывается в программке (программа в архиве, лист №10) – данные заносятся в разделе «Основной расчёт» в графе «Исходные данные», далее щелчок курсором вне основных полей программы и получаем результат – индуктивность составляет 195 мкГн. Первый расчёт нужно начать с заполнения раздела «Вспомогательный расчёт», для этого потребуется подключение параллельно поисковой катушке конденсатора ёмкостью более 1000 пФ (лучше 4500 пФ) фактический номинал которого известен с абсолютной точностью. 

Универсальный LC генератор - схема

Собранной приставкой остался доволен, когда разберешься во всех, кажущихся на первый взгляд, хитросплетениях  всё просто. Однако уже захотелось иметь более мобильный вариант измерителя индуктивности, без всяких там вычислений. Заказал на AliExpress электронный конструктор – прибор с функцией измерения индуктивности (да и много чего вообще и всего-то за 600р). Ну а пока он до меня добирается, решил посмотреть в интернете приставку для мультиметра. И вот самым неожиданным образом нашёл схему под названием «Универсальный LC генератор», которая как выяснилась, была предшественницей предыдущих схем. Рекомендуемое напряжение питания к этой схеме указано 5 вольт, во время съёмки видеодемонстрации работы приставки попробовал запитать этим напряжением уже собранную но, к сожалению, не получилось, не помог даже подстроечный резистор регулировки (возможно его номинал необходим более 5 вольт), однако от напряжения в 10 вольт устройство работало нормально. 

Видео

Кому интересно – вся подборка материалов по всем трём схемам в архиве. Автор Babay iz Barnaula

   Форум по измерительным приборам

   Обсудить статью ПРИСТАВКА К ЧАСТОТОМЕРУ ИЗМЕРИТЕЛЬ ИНДУКТИВНОСТИ


radioskot.ru

Прибор для измерения R,L,C и ESR. hxRLCMeter

РадиоКот >Схемы >Цифровые устройства >Измерительная техника >

Прибор для измерения R,L,C и ESR. hxRLCMeter

Содержание

 Статья описывает любительский измерительный прибор на ATMega8. Некоторые схемные решения взяты из аналогичных разработок, прошивка написана с нуля.
Содержит подробное описание принципов измерения различных величин с помощью микроконтроллера. Печатная плата и прошивка прилагаются.

 Видео работы прибора:

 

Описание прибора

Прибор предназначен для измерения ёмкости, индуктивности, сопротивления, а также ESR электролитических конденсаторов.

ESR можно измерять в схеме.

Прибор имеет любительское предназначение и не претендует на высокую точность измерений. В любительской практике, в основном, требуется знать примерное значение параметра, чтобы собрать схему. Точность измерений в таблице ниже приведена примерно на основании измерения известных компонентов, разброс параметров которых обычно составляет до 10%.

Таблица. Диапазоны измерений и точность

Параметр

Диапазон измерений

Точность

Активное сопротивление

1Ом – 2МОм

не хуже 10% в диапазоне до 400К, не хуже 20% в диапазоне 400К-2МОм

Ёмкость

1пФ – 3мкФ

не хуже 10%

Индуктивность

1мкГ – 100мГ

не хуже 10%

ESR

0.01Ом – 10Ом

не хуже 20%

Приложив дополнительные усилия, точность измерения можно повысить на порядок, даже не изменяя схемы.  Я не стал продолжать разработку т.к. прибор полностью удовлетворяет меня в текущем виде. Кроме того, у меня нет точных приборов для калибровки.

На передней панели прибора находятся LCD-индикатор ( 8 знаков ), гнездо для измерения R,L,C, гнездо для измерения ESR, и кнопка установки нуля. На боковой панели находятся кнопки переключения режима и включения питания. В качестве альтернативы можно измерять ESR в схеме щупами, выведенными на верхнюю панель.

В качестве корпуса взят корпус от роутера DLink DI-524.


Принцип работы

Измерение активного сопротивления

Для измерения активного сопротивления элемента, он включается последовательно с известными сопротивлениями. Всего в схеме 4 известных сопротивления (R22-R25) для разных диапазонов, которые по очереди подключаются микроконтроллером.

Последовательно с измеряемым резистором из-за особенностей схемы включен резистор R21 (100 Ом) для исключения короткого замыкания при переключении выключателей SW1-SW4.

В качестве ключей используются транзисторы 2N7002, выпаянные из материнской платы.

На цепочку ( R21 + Rx + Rcal ) по очереди подаётся отфильтрованное напряжение питания (Uavcc, 5V) и измеряется падение напряжения ( Usence ) на резисторах Rcal( R22 - R25 ).

Rx = Rcal * Uavcc / Usence – Rcal – R21

Сопротивления сток-исток открытых и закрытых транзисторов игнорируются.

Из всех измерений выбирается то, которое даёт наилучшую точность. Для этого прибор упрощённо вычисляет производную указанной функции. Учитывая, что разрядноть АЦП составляет 1024 единицы, достаточно вычислить изменение Rx при увеличении Usence на Uavcc/1024. Значение с наименьшим изменением принимается как самое точное.

Измерение ёмкости

Измерение ёмкости основано на измерении частоты колебаний LC-контура. Для этого неизвестная ёмкость включается параллельно с известной индуктивностью L1 и ёмкостью C1.

Собственная частота колебательного контура вычисляется как:

F = 1/ (2 * pi * sqrt ( L * C ) )

Разброс параметров деталей может значительно менять частоту колебаний, поэтому прямое измерение частоты не может дать достоверных результатов.
Прибор калибрует параметры измерения, используя компоненты L1,C1,C4.

Для этого прибор измеряет частоту колебательных контуров L1C1 и L1(C1+C4): Цепочка D4D5C12 позволяет подключать конденсатор C4 к колебательному контуру, меняя потенциал на выводе C1EN микроконтроллера.

Повышенные требования к точности предъявляются только к калибровочному конденсатору C4.

Частота колебательного контура L1C1:

F1 = 1 / ( 2 * pi * sqrt( L1 * C1 ) )

Частота колебательного контура L1( C1 + C4 ):

F2 = 1 / ( 2 * pi * sqrt( L1 * ( C1 + C4 ) ) )

Частота колебательного контура L1( C1 + Cx )

F3 = 1 / ( 2 * pi * sqrt( L1 * ( C1 + Cx ) ) )

Из приведённых выше уравнений выводим значение Cx, зависящее только от C4:

Cx = C4 * ( F1 / F3 )^2 / ( F1 / F2 )^2

Калибровка прибора ( измерение F1 и F2 ) производится при переключении в режим измерения ёмкости, поэтому в этот момент к гнезду прибора ничего не должно быть подключено. Также можно повторно запустить калибровку с помощью кнопки установки нуля ( с пустым гнездом ). Калибровка прибора запоминается в EEPROM.

Значение ёмкости C1 не обязательно должно точно соответствовать значению, указанному в схеме. Вместо этого достаточно измерить C1 заведомо точным прибором и внести значение ёмкости в прошивку.

Измерение индуктивности

Измерение индуктивности основано на том же принципе, что и измерение ёмкости. Неизвестная индуктивность подключается последовательно с индуктивностью L1. 

Повышенные требования к точности предъявляются только к калибровочному конденсатору C4.

Частота колебательного контура L1C1:

F1 = 1 / ( 2 * pi * sqrt( L1 * C1 ) )

Частота колебательного контура ( L1C1+С4 ):

F2 = 1 / ( 2 * pi * sqrt( L1 * ( C1 + C4 ) ) )

Частота колебательного контура (L1+Lx)C1:

F2 = 1 / ( 2 * pi * sqrt(  ( L1 + Lx ) * C1 ) )

Выводим формулу вычисления Lx, зависящую только от C4:

  Lx = ( ( F1/F3 ) ^2 – 1 ) * ( ( F2/F3 ) ^2 – 1 ) * ( 1/C4 ) * ( 1 / ( 4 * pi^2 * F1^2 )  ) 

Из-за особенностей схемы, калибровка режиме измерения индуктивности невозможна – она должна осуществляться в режиме измерения ёмкости. Поэтому перед самым первым использованием прибора, или для получения более точных результатов, необходимо кратковременно переключиться в режим измерения ёмкости. В дальнейшем, калибровка сохраняется в EEPROM.

Измерение ESR

Измерение ESR основано на измерении падения напряжения на неизвестном элементе при синусоидальном сигнале 100кГц. На такой частоте реактивное сопротивление конденсатора близко к нулю и может быть проигнорировано. Величина падения напряжения отражает активное сопротивление элемента.

Амплитуда подаваемого синусоидального сигнала не превышает 80мВ, что позволяет измерять ESR, не выпаивая конденсаторы из схемы. На таком напряжении кремниевые и германиевые переходы не открываются и не влияют на результат измерений. Однако следует иметь в виду, что низкое сопротивление не является фактом исправности конденсатора, так как измеряется общее сопротивление цепи, например – параллельно включенных конденсаторов. С другой стороны, высокое сопротивление скорее всего свидетельствует о неисправности.

Меандр 100кГц формируется микроконтроллером на выводе MOSI и проходит фильтр R28C24 R29C23 R30C25, который оставляет только синусоидальную гармонику 100кГц.

Эмиттерный повторитель Q1 формирует синусоидальный ток на цепочке R27 R14 TR1-1.

Параллельно обмотке TR1-1 включена цепочка R16C37Rx. Таким образом, сопротивление Rx влияет на ток, проходящий через первичную обмотку TR1.

Диоды D5, D7 и конденсатор C16 используются для защиты прибора при подключении к схеме с заряженными конденсаторами.

Резистор R37 нужен для того, чтобы исключить паразитное влияние колебательного контура, образованного конденсатором C16, обмоткой трансформатора и проводами щупов. Вводя дополнительное сопротивление, мы снижаем “добротность” контура и амплитуду резонанса.

Усиленное с помощью трансформатора напряжение выпрямляется цепочкой D8C17 и усиливается операционными усилителями U5:A b U5:B в 3 и (3*21) раз. Первое значение используется для измерения больших значений сопротивления ( > 3 Ом ), второе – малых.

В приборе применяется импульсный трансформатор WYEE-16C из дежурной части блока питания компьютера Codegen-300X, взятый без перемотки.

Измеряемое сопротивление нелинейно влияет на ток, проходящий через обмотку TR1. Также на измеренные напряжения на выходе сильно влияет трансформатор и разброс параметров деталей. Поэтому прибор калибруется по набору известных сопротивлений. Калибровка сохраняется в EEPROM.

Питание

Кратковременное нажатие на кнопку SW5 подаёт питание на прибор, после чего микроконтроллер поддерживает подачу питания с помощью герконового реле RL1. Прибор автоматически отключается после 5 минут неактивности, если к гнёздам ничего не подключено, или через 15 мин, если подключено.

Для принудительного выключения питания необходимо нажать и удерживать SW5, пока экран не погаснет.

Прибор измеряет напряжение батарей ( для индикации разряда ) через резистор RV3.

Плата и схема приведены для варианта с питанием от 9В батареи. В реальном приборе я решил использовать три AA аккумулятора. В этом случае вместо 78L05 ставится перемычка, а стабильное 5В питание подаётся с преобразователя, собранного на mc34063.

Замыкающие контакты реле в этом случае должны стоять в цепи “+” с аккумуляторов.
Также необходимо подать “+” аккумуляторов после контактов реле на вывод 3 RV3

Настройка прибора

Для настройки прибора понадобится осциллограф и RS232-TLL кабель, а также набор калибровочных резисторов номиналами 0.1 Ом ( 3 шт), 0.2, 0.3, 0.6, 1.0, 2.2, 3.6,  4.7, 6.6 и 10 Ом.

Настройка измерения активного сопротивления

Настройка измерения активного сопротивления сводится к проверке наличия открывающих импульсов gate полевых транзисторов.

К резисторам R21-R25 предъявляются повышенные требования по точности, но точное соответствие сопротивления значениям, указанным в схеме, не требуется. Вместо этого достаточно измерить имеющиеся резисторы заведомо точным прибором, и указать измеренные значения сопротивлений в прошивке.

Настройка измерения ёмкости

Необходимо убедиться, что на выходе микросхемы U1 присутствует меандр, частота которого зависит от подключенной ёмкости.

Настройка измерения индуктивности

Необходимо убедиться, что на выходе микросхемы U1 присутствует меандр, частота которого зависит от подключенной индуктивности. 

Настройка измерения ESR

Настройка режима ESR – наиболее сложная.

1.Подключаем кабель RS232-TTL к разъему J6.

2. Переключаем SW4 в положение “Включено”. 
На ножке 19 U4 устанавливается “0”, прибор переходит в режим “ESR”. На терминале отображаются строки:

MODEESR: ….

3. Осциллографом проверяем наличие импульсов меандра 100кГц на ножке 17 U4 ( пачки по 0.5 сек с паузой в 1 сек).

 


4. После прохождения через фильтр R28C24 R29C23 R30C25 импульсы превращаются в почти синусоиду.

и подаются на базу транзистора Q1 через делитель R15R33, который должен быть подобран так, чтобы при подключении к щупам резистора 10 Ом нижняя точка синусоиды немного превышала напряжение открытия транзиcтора (~600мВ), а амплитуда сигнала на базе создавала на резисторе R14 колебания размахом ~80мВ.


4. Проверяем наличие синусоиды на второй обмотке трансформатора.


6. Проводим калибровку операционных усилителей.

Щупы ESR метра закорачиваем. Регулируем напряжение смещения U5:A резистором RV1. Добиваемся, чтобы при появлении импульсов синусоиды, напряжение на выходе 1 U5:A поднималось до ~300 мВ.

7. После этого проводим такую же регулировку усилителя U5:B резистором RV2, контролируя выход 7 осциллографом.

8. Подключаем щупы ESR метра к калибровочному резистору с сопротивлением 10 Ом ( это верхний предел измерений прибора ).
При появлении импульсов, напряжение на выходе 1 U5:A должно подниматься до уровня ~3.5В. Если напряжение превышает 3.7В, то необходимо подобрать коэффициент усиления, задаваемый сопротивлениями R20R13.

Резисторы R32R18R31 задают коэффициент усиления второго усилителя, который используется при измерении малых значений сопротивлений.

В оригинальной схеме используются коэффициенты усиления 3 и 21. Если они будут меняться – нужно поправить константу ESR2_MUL = 21/3 в прошивке.

9. Подключая разные известные сопротивления к щупам ESR метра, нужно убедиться, что меньшим значениям сопротивлений соответсвуют меньшие значения напряжений на выходе 1 U5:A, и наоборот ( зависимость нелинейная ).

10. Начинаем программную калибровку прибора.
Щупы ESR метра закорачиваем и нажимаем кнопку SB1 (удерживаем 1 сек). Прибор запоминает напряжения на линиях ESR1 и ESR2. Они отображаются в терминале как zero=… и должны быть в пределах 10-200, если уровни на выходах операционных усилителей были корректно настроены.

MODEESR: ESR1=67(zero:67)
ESR2=21(zero:20)
ESR=1
res*1000=0

 

11. Подключаем калибровочное сопротивление 0.05 Ом (два резистора 0.1 параллельно), в терминале посылаем символы “c”, “a”. Таким образом прибор запоминает калибровочные значения для сопротивления 0.1 Ом в EEPROM. В ответ выводится текст:

Done: xx

 
И распечатывается таблица калибровки. Это же повторяем для остальных калибровочных резисторов, соответственно нажимая “c”, “b”,  ”c”,”d” и т.д. Номиналы калибровочных резисторов можно поменять в прошивке в таблице s_ESR_CAL_R.

По завершению по полученным значениям неплохо бы построить график, чтобы убедиться, что всё “похоже на правду”. У меня получилось так:

 

Заливка прошивки

Заливка прошивки осуществляется через разъём J3 (нестандарный формат под мой программатор).  При программировании необходимо переключить прибор в любой режим, отличный от ESR, и удерживать кнопку включения питания всё время.

Повторение схемы и используемые детали

Я разрабатывал схему под себя, поэтому в ней используются детали, которые у меня были, или которые мне было проще достать. В частности, в приборе используется специфичный LCD индикатор с контроллером mpd7225, взятый из поломанного магнитофона Sony. Очевидно, что при повторении схемы его стоит заменить на любой другой 8-ми сегментный индикатор с интерфейсом SPI, и заменить процедуры общения с индикатором в прошивке( файлы LCD_D7225.h , LCD_D7225.c ). Также можно убрать цепочки R9-R12, D1-D3, U3, служащие для согласования уровней 5V-3.3V.

 

Файлы:
Исходники проекта

Все вопросы в Форум.


Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?

www.radiokot.ru

ИЗМЕРИТЕЛЬ ИНДУКТИВНОСТИ

   Эта схема измерителя индуктивности построена с использованием микросхемы 74HC14. Измерителем тут будет стрелочный индикатор. Схема, при всей своей простоте, действительно работает замечательно. Измеритель индуктивности откалиброван в нашем случае для 0-100 мкГн, так как это наиболее популярный диапазон.

Принципиальная схема индуктометра на 74HC14

   Аналоговый метод измерения ограничивает его точность, но при самостоятельной намотке катушек для различных радиосхем его хватает.

Принцип действия индуктометра

   Принцип работы схемы заключается в том, что если вы генерируете импульсы постоянной частоты и амплитуды, а затем передаёте сигнал через низкочастотный фильтр, в результате чего напряжение постоянного тока будет пропорционально индуктивности.

   Частота импульса устанавливается генератором на триггерах Шмидта и состоит из сопротивления обратной связи (2k потенциометр и 3.9k постоянный резистор). 1000 пФ конденсатора на землю, и элементами триггера Шмидта. Ширина импульса пропорциональна индуктивности и обратно пропорциональна сопротивлению. Эта схема подойдёт только для широкополосных катушек. Индуктивности с железными или ферритовыми сердечниками, в следствии высокой проницаемости ферритов, не могут быть точно измерены. Схема вполне линейна, вы можете убедиться в этом, взглянув на график:

   Схема подключается к вольтметру с милливольтным измерением, имеющим высокое входное сопротивление, так как устройство не имеет буфера на выходе. Для упрощения конструкции измерителя индуктивности, можно собрать его на металлизированной стороне макетной плате. Все соединения, в том числе земляные соединения, должны быть короткие. Провод будет добавлять значение к измеряемой индуктивности, так что держите его предельно коротким.

Калибровка измерителя индуктивности

   Процедура настройки проста: подключите аккумулятор и цифровой вольтметр, подключите известную катушку или дроссель, а затем отрегулируйте потенциометр, пока не получите нужного значения на шкале. Например, используйте 1 мкГн индуктивность и отрегулируйте потенциометр так, чтобы получить 100 мВ на милливольтметре. На фото — измерение 33 мкГн промышленного дросселя.

   Генератор с указанными значениями радиоэлементов работает на частоте 173 КГц. Если у вас существенно отличные частоты, попробуйте изменить частоту генератора вышеуказанными компонентами.

el-shema.ru

Измеритель индуктивности | Sergei Klimanski



Пока мне не нужно было заниматься намоткой выходного трансформатора, тема измерений индуктивности катушек с сердечниками меня мало интересовала. Досаждала, конечно ненадежность китайских коробочек, претендующих на звание “измеритель индуктивности”, но теперь, когда я стал углубляться в этот вопрос, то оказалось, что они, эти коробочки, еще и дают разные показания при замерах на разных пределах измерений… А это наводит на нехорошие мысли, а главное – мешает систематической работе – непонятно, что ты замерил. Вот пример – у меня есть выходник 10К, который должен иметь индуктивность первички около 30 Генри. Посмотрите, что показывает тестер на пределе 20 Генри и что на пределе 200 Генри – ну что, как тут определять правильную цифру – голосованием ?


Я бы понял, если бы испытательная частота была разной – но нет, частота замера на этих пределах одна и та же – 100 Гц….Ну а если и тестер умер ( за 5 лет сейчас у меня уже третий ) – то все сделанные ранее замеры вообще повисают в воздухе… Пришел к выводу – нужен стандарт !
Еще несколько лет назад, когда я купил выходной трансформатор у одного старого японца, у нас возник с ним спор по поводу индуктивности первички. Я замерил его своей “китайской коробочкой” и получил 70 Генри, хотя японец утверждал, что там аж 160… Когда я спросил его, как он это измерил, то прислал мне вот такую совсем простенькую от руки нарисованную схемку измерений, сущность замера которой в пояснениях не нуждается.

Сделал все как мне сказал этот уважаемый японец-сан и получилось в точности 160 Генри…. Что же тогда замерил “измеритель индуктивности” ? Я замерил на осциллографе, что на пределах 200 и 20 Генри – китайский тестер генерирует 100 Гц, а на всех остальных диапазонах – 1000 Гц. То есть выясняется, что результат измерений зависит от частоты испытательного прибора.  И еще оказалось, что результат замера также еще и зависит от величины приложенного напряжения…
Все это на превый взгляд как-то не вяжется с теорией – известно, что индуктивность катушки зависит от сечения сердечника, от количества витков и величины мю сердечника, но никак не от частоты и тем более не от величины приложенного напряжения. Но давайте не будем торопиться. В физике магнитезма есть такая формула зависимости магнитной индукции в сердечнике:

Bm = U * 10E(8) / ( 4,44*F*N*S )

где U – приложенное напряжение
F – частота переменного тока
N – количество витков в катушке
S – сечение магнитопровода.

Любой тестер ( испытатель ) подает на измеряемую катушку определенной величины и частоты напряжение, создавая в сердечнике некоторую величину магнитной индукции B. Проблема в том, что мю, то есть магнитная проницаемость сердечника мягко говоря, не является величиной постоянной, а точнее, сильно зависит от величины магниной индукции. Вот тут и становится понятно, отчего результаты замеров так сильно зависят от величин, которые вроде прямым образом на индуктивность влиять не должны – то есть от частоты и от величины приложенного напряжения. Так как величина мю с ростом величины магнитной индукции сильно увеличивается ( особенно при отсутствии зазора в магнитопроводе ), иногда в десятки раз, отсюда из приведенной выше формулы следует простое правило – результат замера индуктивности будет тем больше, чем ниже частота и чем выше величина испытательного напряжения. Поэтому всегда, когда идет разговор об индуктивности первичной обмотки выходного трансформатора, необходимо указывать, в каких условиях проводились измерения. Особенно это касается трансформаторов для двухтактников, где нет немагнитного зазора.
А раз все это так, получается есть смысл сделать замеры индуктивности первичной обмотки трансформатора не при каких-то отвлеченных значениях частоты ( в тестерах – это 100 или 1000 Гц в зависимости от диапазона ) и напряжения, а при тех значениях, которые реально будут иметь место в работающем транформаторе.  Как это и делают японцы – на частоте 50 Гц и подают небольшое ( так называемое “малосигнальное” ) напряжение на первичку. В общем, у меня появилось желание сделать прибор по той примитивной схеме от японца, но только с цифровой шкалой для удобства пользования. Вот схема прибора:


На картинке – уже собранный вольтметр, который я купил на рынке в Риге за 8 Лат ( около 11 Евро ).  У него четыре разрядные цифры, разрядную точку надо поставить между третьим и четвертым разрядом.

Детали. Нужен качественный сдвоенный потенциометр 50К, лучше логарифмический, идеально подойдет ALPS или аналогичный для аудиоприменения. Также надо точно подобрать резисторы R2 и R3.  LM1085 можно заменить на LM317, напряжение питания вольтметра может быть любым в пределах 6.8 – 10 Вольт. Сетевой трансформатор – любой маломощный с примерно подходящими напряжениями на вторичной обмотке. Измерительный вольтметр может быть любой с входным сопротивлением не ниже 10М, с пределом измерений от минус 2 до плюс 2 вольта. На вторичной обмоке транфсорматора указано на схеме номинальное напряжение 6.3 вольта, но т.к. он работает практически на холостом ходу, то фактически там есть 7.1 вольта.

Как работает схема ?  Есть два режима работы – “БАЛАНС” – балансировка  сопротивлений измерительного потециометра Р1 и тестируемой индуктивности, при этом переключатель ( тумблер с двумя парами контактов ) S2 находтся в положении, указанном на схеме.  Когда достигнут баланс ( вольтметр показывает ноль ) , тогда переключатель S2 переводится в другое положение – “ЧТЕНИЕ” и тогда можно прочитать значение индуктивности, так как потенциометр Р2, ( сдвоенный с Р1  ) будет показывать падение напряжения, в точности равное измеряемой индуктивности. Пределы изменений – от 3.2 до 159 Генри. Точность зависит от качества сдвоенного потенциометра Р1/Р2 и от точночти подбора резисторов R2 и R3.

Настройка собранного прибора.  Вначале надо отбалансировать измерительный мост. В режиме “БАЛАНС” подключают к клеммам индуктивность около 10 – 20 генри ( любой дроссель ) и выставляют ноль на вольтметре. После этого замеряя тестером  переменное напряжение на дросселе и на потенциометре Р1+ R2  и вращают движок подстроечника VR3, каждый раз подстраивая ноль на измерительном вольтметре добиваются того, чтобы измерительный вольтметр показывал ноль при равенстве измеренных тестером напряжений на дросселе и ( R2+Р1).  После этого переводят тумблер режима работы в положение “ЧТЕНИЕ” и поставив потенциометр Р2 на максимальное сопротивление, подстроечником VR2 устанавливают показание 159.2 ( т.е. 1.592 вольта ) Генри.  На этом настройка заканчивается.
В заключение – фотографии законченного изделия.

Надо отметить, что данный прибор не претендует на высокую точность измерений. Он пригоден для примерной оценки индуктивности первички выходного трансформатора или индуктивности дросселя по принятому стандарту – 50 Гц и напряжении 5 вольт RMS на тестируемой индуктивности. Метод не учитывает активное сопротивление обмотки, Но даже если активное сопротивление не учитывать, все равно для большинства реально существующих выходных трансформаторов ошибка не превысит 2 – 3 %, что вполне достаточно для поставленной задачи. В случае необходимости можно поправку на активное сопротивление внести, учитывая, что Lcorret=Ract/(2*3,14*50 ), где Ract – замеренная величина активного сопротивления обмотки, и Lfact=L – Lcorrect, где L -показания измерителя.
Также, для повышения точности измерений первички двухтактных трансформаторов ( или любых индуктивностей без немагнитного зазора ) желательно прибор включать в сеть через стабилизатор напряжения, или, хотя-бы через ЛАТР. Для измерения дросселей и индуктивности первички однотактных трансформаторов в этом необходимости нет. Например, я провел пробный замер индуктивности первичной обмотки трансформатора TW60SE, так вот при изменении сетевого напряжения ( я пользовался ЛАТРом ) от 200 до 237 вольт ( 18 % ) расхождения в показании измерителя составило менее 3 %.

*************************************************************************************************

klimanski.com

Измерение индуктивности комбинированным прибором - RadioRadar

Измерительная техника

Главная  Радиолюбителю  Измерительная техника



Комбинированный прибор [1], доработанный в соответствии с [2, 3], лишён одной важной функции - измерения индуктивности. Между тем катушки индуктивности, пожалуй, единственные самодельные элементы, с которыми радиолюбителям приходится сталкиваться в своей практике, либо наматывая их самостоятельно, либо используя сделанные кем-то. И если параметры радиоэлементов заводского изготовления указаны на их корпусах или в документации, то единственный способ получения информации об индуктивности самодельной катушки - её измерение. Поэтому в ходе очередной доработки прибора автор ввёл в него режим измерения индуктивности.

Выбранный метод измерения индуктивности заключается в следующем. Измеряемая катушка Lx образует с конденсатором C, ёмкость которого точно известна, параллельный колебательный контур. Этот контур входит в состав генератора электрических колебаний, задавая их частоту F. Эту частоту измеряют частотомером и определяют измеряемую
индуктивность по формуле

Lx = 25330/(C·F2).

Если частоту измерять в мегагерцах, а ёмкость в пикофарадах, индуктивность будет получена в микрогенри.

Чтобы снизить затраты на модернизацию комбинированного прибора, главным условием практической реализации в нём этого метода автор поставил невмешательство в существующую аппаратную часть. В приборе есть режим частотомера, имеется микроконтроллер, который с успехом может выполнить необходимые расчёты. Отсутствует лишь генератор, который целесообразно изготовить в виде внешней приставки, подключаемой к прибору через уже имеющийся на нём разъём.

Радиолюбители часто пользуются подобными приставками к частотомерам для измерения ёмкости и индуктивности. При этом для упрощения расчётов зачастую выбирают образцовую ёмкость равной 25330 пФ. В этом случае приведённая выше формула приобретает вид

Lx = 1/F2.

Примеры использования подобных приставок приведены в [4, 5]. В рассматриваемом случае использовать конденсатор именно такой ёмкости нет необходимости, поскольку микроконтроллер прибора способен выполнить расчёт при любом её значении.

Принципиальная схема приставки показана на рис. 1. Она подобна использованной в [5], а небольшие отличия связаны с применением деталей других типов. Выходной сигнал приставки представляет собой последовательность прямоугольных импульсов амплитудой около 3 В, следующих с частотой, равной резонансной частоте измерительного колебательного контура LxC 1. Назначение элементов схемы и работа устройства описаны в [4, 5] и поэтому здесь не рассматриваются.

Рис. 1. Принципиальная схема приставки

Приставку подключают к разъёму ХS1 комбинированного прибора трёхпроводным плоским кабелем. Доработка самого прибора свелась к изменению программы его микроконтроллера, которая теперь, кроме ранее имевшихся функций, предусматривает приём сигнала приставки, его обработку и вывод на ЖКИ значения измеренной индуктивности.

Основные технические характеристики

Измеряемая индуктивность, мкГн ..................8...999000

Погрешность измерения, %, не более:

от 8 мкГн до 15 мкГн .......... 5

от 15 мкГн до 20 мГн ........2,5

от 20 мГн до 150 мГн..........5

от 150 мГн до 999 мГн........20

Дискретность отсчёта индуктивности, мкГн:

от 8 до 999 мкГн ............0,1

от 1 до 999 мГн..............10

Напряжение питания, В ............5

Ток потребления, мА...............8

Интервал допустимых значений измеряемой индуктивности ограничен программно. В принципе, возможно измерение и за пределами этого интервала, особенно в сторону больших значений, однако там существенно растёт погрешность.

В приставке применены только компоненты для поверхностного монтажа, что позволило разместить их на печатной плате размерами 22x65 мм, чертёж которой показан на рис. 2. Резисторы и конденсаторы - типоразмера 1206.

Рис. 2. Печатная плата приставки

Применять в качестве С1 (входит в измерительный колебательный контур) конденсатор с номинальной ёмкостью, отличающейся от указанной на схеме, недопустимо, поскольку это может привести к сбоям в работе программы. Но подбирать его ёмкость с большой точностью нет необходимости. Подборка заменена программной калибровкой прибора. Однако желательно установить здесь конденсатор с минимальным ТКЕ, например, с диэлектриком NPO.

Готовую плату поместите в корпус подходящих размеров. Для подключения измеряемой индуктивности удобно использовать двухконтактный пружинный зажим для акустических систем.

В самом комбинированном приборе необходимо выполнить доработку, описанную в [3], если она не была сделана ранее. После неё на контакте 2 разъёма XS1 должно присутствовать напряжение +5 В. Коды из прилагаемого файла Osc-L-_2_04.hex следует загрузить в FLASH-память микроконтроллера.

После подключения приставки и подачи питания на ЖКИ прибора появится главное меню (рис. 3). Для входа в режим измерения индуктивности нужно дважды нажать на клавишу "ГН". Первое переведёт прибор в режим генератора, а второе - в режим измерения индуктивности. В верхней части экрана ЖКИ будет выведено название режима, а в его нижней строке - подсказка, из которой следует, что для выполнения калибровки должна быть нажата клавиша 2, а для измерения индуктивности - клавиша D.

Рис. 3. Главное меню

Калибровка обязательна перед первым использованием прибора. В дальнейшем её следует проводить только после ремонта прибора или приставки, а также при сомнении в правильности результатов измерения.

Несколько слов о содержании калибровки. Для вычисления индуктивности по рассмотренной в начале статьи формуле необходимо знать точное значение ёмкости колебательного контура. Но кроме ёмкости конденсатора C1, в неё входят и другие составляющие - паразитные ёмкости других компонентов и ёмкость монтажа. При первом запуске программы истинное значение контурной ёмкости программе неизвестно и она оперирует номинальным значением ёмкости конденсатора C1 22000 пФ. Задача калибровки - вычислить истинную ёмкость колебательного контура приставки, чтобы в дальнейшем в ходе измерений использовать это значение.

Для этого нужно подключить к приставке в качестве Lx катушку точно известной индуктивности Lобр. Измерив частоту сигнала, генерируемого приставкой с такой катушкой, вычислить истинную ёмкость колебательного контура по формуле

C = 25330/(Lобр.·F2)

Полученное в ходе калибровки значение этой ёмкости программа записывает в EEPROM микроконтроллера и в дальнейшем использует для вычисления индуктивности. Точность калибровки, а значит, и последующих измерений зависит от точности значения образцовой индуктивности. Поэтому нужно знать его с погрешностью не более 1...2 %, например, измерив поверенным прибором соответствующего класса точности.

При запуске калибровки на экран выводится сообщение (рис. 4) с предложением подключить к приставке образцовую индуктивность, ввести её значение и выполнить калибровку, либо отказаться от неё. Рекомендуется выбирать образцовую индуктивность в указанных на экране пределах, так как в этом случае погрешность измерения минимальна. Если в процессе ввода значения допущена ошибка, то можно, нажав на клавишу #, ввести его заново.

Рис. 4. Сообщение при запуске калибровки

Выполнив калибровку, прибор автоматически измеряет образцовую индуктивность и выводит на экран её значение (рис. 5). При отказе от калибровки измерение образцовой индуктивности также будет выполнено, но некалиброванным прибором с недостоверным результатом.

Рис. 5. Значение измеряемой индуктивности на экране прибора

Для измерения неизвестной индуктивности нужно подключить её к приставке и нажать на клавишу D прибора. При попытке измерить индуктивность, значение которой выходит за допустимые для прибора пределы, на экран будет выведено сообщение об отказе от измерения по этой причине.

Выходят из режима измерения индуктивности нажатием на одну из клавиш ОС, ЛА или ГН, переводящих прибор в соответствующие режимы работы.

Доработанная программа микроконтроллера здесь.

Литература

1. Савченко А. Комбинированный прибор на базе микроконтроллера ATxmega. - Радио, 2014, № 4, с. 18-22; № 5 с. 22-25.

2. Савченко А. Усовершенствование комбинированного прибора на базе микроконтроллера ATxmega. - Радио, 2015, № 3, с. 29-34.

3. Савченко А. Новые режимы в комбинированном измерительном приборе. - Радио, 2015, №9, с. 17-19.

4. Беленецкий С. Приставка для измерения индуктивности в практике радиолюбителя. - Радио, 2005, № 5, с. 26-28.

5. Зорин С., Королёва И. Радиолюбительский частотомер. - Радио, 2002, № 6, с. 28, 29; № 7, с. 39, 40.

Автор: А. Савченко, пос. Зеленоградский Московской обл.

Дата публикации: 10.01.2017

Мнения читателей

Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному вышематериалу:


www.radioradar.net

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о