Laboration: Impedansmätning
Transcription
Laboration: Impedansmätning
Mätteknik 2015 Lab Impedansmätning Biomedicinsk teknik LTH 1 Laboration: Impedansmätning Lektion: Impedansmätning Läsanvisningar Carlson, Johansson: Elektronisk Mätteknik. • Kap. 1.3 – 1.5, sid. 15 – 40. • Kap. 2.8, sid 104 – 116. • Kap. 3.8, sid. 166 – 169. • Kap. 7, sid. 391 – 420. Du skall känna till och kunna kortfattat beskriva: • Impedansbegreppet och olika modeller för beskrivning av komponenter • Ström/spänning-metoden • Faskänslig likriktning • Mätbryggor, Wheatstone • Fyrterminalmätning • Inverkan av kablar vid höga frekvenser • Karakteristisk impedans och reflektionsfaktorn. Lektionsdel De första tre uppgifterna ska illustrera en metod med möjlighet till automatisk mätning av en generell (komplex) impedans. 1. Visa hur nedanstående koppling kan användas för att mäta den okända impedansen Zx (Rx+jXx) och admittansen Yx (Gx+jBx). Biomedicinsk teknik, LTH - 2 Laboration: Impedansmätning 2. I en generell impedansmeter vill man kunna dela upp en mätsignal i en reell och en imaginär del. För att förstå hur denna uppdelning går till skall vi studera funktionen hos fasdetektorn i figuren nedan. Uin X LP Uut Uref Låt insignalen vara Uin(t)= A1sin(ωt+ϕ) och referenssignal Uref(t)= A2sin(ωt+ϕref) Räkna ut utsignalen i följande två fall: a) ϕref = 0° b) ϕref = 90° Åskådliggör och tolka resultatet i ett vektordiagram. 3. I uppgift 1 visade vi hur Yx berodde på Es och Er. Låt oss skriva dessa två komplexa spänningar enligt: ∧ Er = E r ej ∧ Es = E s ϕ (Riktfas, fasen=0) Låt Es vara referenssignal i föregående uppgift. Vidare antar vi att Rr och Es i figur 1 är kända storheter. Visa hur man kan använda fasdetektorn i föregående uppgift för att mäta konduktansen, Gx, samt susceptansen, Bx, för den okända impedansen, Zx. Biomedicinsk teknik, LTH - 3 Laboration: Impedansmätning 4. För att utnyttja Pt-100 elementet som en termometer är det förstås opraktiskt att manuellt behöva nolla en Wheatstonebrygga varje gång en avläsning ska ske. Direkt mätning med en multimetern kan vara en bättre lösning men eftersom resistansförändringen per grad är ganska liten så kan det bli problem med upplösningen i mätningen om små temperaturskillnader ska mätas, t ex mellan 0 och 100 grader C. Anledningen är att Pt100 elementet har resistansen 100 Ω vid 0 grader C och denna kommer att hamna som en offset i mätningen. Denna situation kan förbättras genom att använda en Wheatstonebrygga och ”nolla” den vid en referenstemperatur, t ex 0 grader C. Genom att mäta den obalansspänning som uppkommer mellan bryggans mittuttag då temperaturen är skild från 0 grader C erhålls ett mätvärde utan offset som kan räknas om till resistans hos Pt-100 och därigenom temperatur. Ge ett förslag på en koppling där de fasta motstånden utgörs av 100 ohms resistanser och visa hur resistansändringen hos Pt-100 elementet kan beräknas ur obalansspänningen. 5. Vid resistansmätning med fyrtrådsmätning har en strömkontakt hamnat innanför spännings-anslutningarna på motståndet R, R=1,0 Ω 0.1%, se den undre figuren nedan. Normalt ligger en kontaktresistans på ca 100 mΩ . Vilket fel i mätningen av R får du pga detta? Biomedicinsk teknik, LTH - 4 Laboration: Impedansmätning 6. Sandvik AB är den världsledande tillverkaren av bl a hårdmetallverktyg. Tillverkningen utgår från ett metallpulver som mals ned till önskad kornstorlek. Pulvret fylls i en form och pressas samman under mycket högt tryck. Därefter höjs temperaturen på formen så att kornen i pulvret smälts samman (sintras) och bildar då en homogen avgjutning av formen. Just homogeniteten är viktig för materialets egenskaper och i utvecklingen av sintringsprocessen använder man sig av en resistivitetsmätning för karakterisering av slutresultatet. Er uppgift blir nu att utveckla en mätuppställning för materialanalys genom resistivitetsbestämning. I tabellen nedan finns resistivitet och temperaturkoefficient angivna för några vanliga metaller. Material Resistivitet 10-2 Ωmm2/m Temperaturkoefficient 10-3/K (vid 20 grader C) Koppar 1,724 3,96 Platina 10,6 3,62 Volfram 5,5 4,5 Järn 10-20 6,6 Silver 1,625 Aluminium 2,7 3,66 3,9 Mätobjekten utgörs av metallstavar, ca 6 mm i diameter och ca 1 m långa. a) Föreslå en mätmetod för bestämningen av resistiviteten. På lab-platsen finns bl a följande utrustning tillgänglig: Spänningsaggregat, multimetrar, oscilloskop, precisionsmotstånd, dekadmotstånd, linjal, mikrometer. b) Vilka mätproblem kan du förvänta dig stöta på under mätningen? c) Ge förslag på hur dessa kan undvikas. Lektionsuppgifter i lärobok: Kap 1.8 Uppgifter 9, 10, 14, 15, 20. Kap 2.10 Uppgift 27. Kap 3.13 Uppgifter 20, 21. Kap 7.6 Uppgifter 1, 2, 4, 11, 12. Biomedicinsk teknik, LTH - 5 Laboration: Impedansmätning Laboration: Impedansmätning Laborationsdel Målet med denna laboration är att praktiskt öva en del av de metoder som behandlats på lektionen. Laborationer är uppdelad i följande delar: • Resistansbestämning med mätbrygga och multimeter. • Mätning av små resistanser. • Effekter av transmissionsledare och impedansbestämning med reflektionsmetod. Materiel Mätbrygga och multimeter Pt-100 temperaturgivare 500 Ω precisionsmotstånd, 0,1% 2000 Ω precisionsmotstånd, 0,1% Dekadmotstånd 10*(0,1 … 1000) Ω, 0,1% Nollinstrument Spänningsaggregat Agilent 34401 Multimeter Resistivitetsmätning Metallstav på träfiberplatta Mikrometerskruv Måttband Effektmotstånd 5Ω Spänningsaggregat Agilent 34401 Multimeter Fluke 75 Multimeter Transmissionsledare Lång koaxialkabel RG-58, Z0 = 50 Ω, v = 0,66c. Kort koaxialkabel, RG-58 Kort antennkabel, 75 Ω. BNC T-kontakt Digitalt oscilloskop BNC öppen BNC kortsluten 3 st BNC med mätobjekt Leader LFG-1310 Funktionsgenerator Biomedicinsk teknik, LTH - 6 Laboration: Impedansmätning 1. Resistansbestämning med mätbrygga och multimeter Mätobjeketet är en temperaturgivare, Pt-100, som består av ett platinaelement som vid tillverkningen kalibrerats till att ha resistansen 100 Ω vid 0 grader C. Genom att temperaturberoendet hos platina är välkänt och dessutom linjärt, åtminstone över mindre temperaturintervall som 0 – 100 grader C, används givartypen ofta då man vill ha en noggrann mätning av temperatur. Resistansens temperaturberoende framgår av Tabell 1. Er uppgift blir nu att mäta rumstemperaturen via resistansen dels med bryggmetoder och dels med direkt mätning med en multimeter. Tabell 1. Utsignal från en Pt-100 temperaturgivare. 1:1 Koppla upp en Wheatstonebrygga med hjälp av lämpliga komponenter ur materiellistan och mät resistansen på Pt-100 elementet genom att balansera bryggan och omvandla till temperatur. Redovisa koppling, mätprocedur och beräkning. 1:2 Vilka felkällor kan man förvänta sig i föregående mätning? 1:3 Gör en feluppskattning i mätningen, redovisa beräkningen. 1:4 Hur påverkar en ändring av matningsspänningen mätresultatet? Prova och förklara resultatet. Stämmer resultatet med teorin för en balanserad brygga? Biomedicinsk teknik, LTH - 7 Laboration: Impedansmätning 1:5 Mät resistansen direkt med Agilent 34401 multimetern, omvandla till temperatur och ange feluppskattningen i mätningen (se specifikationer för multimetern). Jämför med bryggmetoden och diskutera fördelar och nackdelar. 1:6 Koppla upp och mät temperaturen i rummet enligt metoden i uppgift 4 i lektionsdelen. 1:7 Hur påverkar en ändring av matningsspänningen resultatet i föregående uppgift? 2. Mätning av små resistanser 2:1 I lektionsuppgift 6 har ni föreslagit en mätmetod för materialanalys genom resistivitetsbestämning. Utnyttja denna mätmetod för att bestämma materialen i de båda metallstavar som finns tillgängliga i lab-salen. Använd mätfixturen för att hålla stavarna under mätningen. Innan ni börjar mäta bör ni kort diskutera ert förslag till mätmetod med handledaren. Redovisa mätmetod och resultat. Vad finns det för felkällor som kan påverka mätresultatet? 3. Effekter av transmissionsledare och impedansbestämning med reflektionsmetod Vid mätningar vid framför allt höga frekvenser är det viktigt att kabelanslutningar i mätsystemen är avslutade för att undvika mätfel pga reflektioner och stående vågor. Detta moment ska illustrera effekter vid pulsformade signaler där de elektriska vågornas begränsade utbredningshastghet ger upphov till en del (kanske oväntade) effekter. I mätuppgifterna uttnyttjas genomgående en funktionsgenerator inställd på fyrkantvåg, max amplitud och t ex 10 kHz frekvens. En BNC T-koppling sätts på ett digitalt oscilloskop och ansluts i ena änden till funktionsgeneratorn med en kort koaxialkabel. 3:1 Anslut den långa koaxialkabeln till andra änden av T-kopplingen, låt bortre änden av kabeln vara öppen. Studera vad som händer i stegögonblicket – vad kan vara ett lämpligt område för sveptiden? Rita in i nedanstående diagram och förklara utseendet Biomedicinsk teknik, LTH - 8 Laboration: Impedansmätning Öppen ände 3:2 Gör på motsvarande sätt med kortsluten ände. Rita och förklara. Kortsluten ände 3:3 Vad blir reflektionskoefficienten för den bortre änden i de båda föregående mätningarna? Biomedicinsk teknik, LTH - 9 Laboration: Impedansmätning 3:4 Hur kan man utifrån mätningarna bestämma utbredningshastigheten för den elektriska signalen i koaxialkabeln? Gör det och jämför med tillverkarens värde som finns i materiellistan. 3:5 Genom att mäta och beräkna reflektionsfaktorn när en okänd impedans anluts till den bortre änden går det att beräkna värdet på impedansen. Visa hur den okända impedansen Zx kan mätas och beräknas och mät upp de tre okända impedanserna A, B och C som finns monterade på BNC-kontakter med den föreslagna metoden. Rita utseendet på oscilloskopsskärmen för de tre impedanserna. Vad kan man säga om noggranheten i metoden för mycket stora respektive mycket små impedanser? A B Biomedicinsk teknik, LTH - 10 Laboration: Impedansmätning C 3:6 Prova vad som händer med puls-utseendet om koaxialkabeln förlängs med en bit antenn-kabel med 75 Ohms karakteristisk impedans. Den teknik som utnyttjats i föregående mätningar kallas för TDR (Time Domain Reflectometry) eller Pulsekometri. Metoden utnyttjas t ex av Telia eller E.ON för att lokalisera kabelfel. De instrument som används är då specialdesignade för uppgiften och det går att bestämma läget för t ex kortslutning eller avbrott med hög noggranhet under förutsättning att man känner utbredningshastigheten. Därigenom kan man undvika ”onödigt” grävande och sparar på så sätt både tid och pengar. JN 150126 Biomedicinsk teknik, LTH -