projekt multipleksera wzorców indukcyjności

Materiały XXXVI Międzyuczelnianej Konferencji Metrologów MKM’04
_________________________________________________________________________________
Andrzej MET, Krzysztof MUSIOŁ
Politechnika Śląska
Instytut Metrologii i Automatyki Elektrotechnicznej
PROJEKT MULTIPLEKSERA WZORCÓW
INDUKCYJNOŚCI
W pracy przedstawiono koncepcję układu multipleksera wzorców indukcyjności
własnej. Współpracujący z komputerem układ ma umożliwić automatyzację procesu
interkomparacji grupy złożonej maksymalnie z ośmiu wzorców.
DESIGN OF DIGITALLY CONTROLLED SWITCH FOR INDUCTANCE
STANDARD COMPARISON
In the paper conception of digitally controlled switch for inductance standard
comparison is presented. The circuit in connection with PC makes possible automation of
intercomparison process of group standard consist of eight elements.
1. WPROWADZENIE
W wielu krajach (w tym również w Polsce) wzorcem podstawowym indukcyjności
własnej jest wzorzec grupowy zawierający zwykle kilka wzorców elementarnych. W
Głównym Urzędzie Miar w Warszawie wzorzec grupowy stanowi grupa czterech cewek
powietrznych GR 1482-H firmy General Radio o indukcyjności znamionowej 10 mH.
Wykorzystanie wzorca grupowego do przechowywania i odtwarzania jednostki indukcyjności
wymaga określenia wartości grupowej. W tym celu niezbędne jest wyznaczenie wartości
przynajmniej jednego ze wzorców tworzących grupę przez komparację ze wzorcem
podstawowym w laboratorium zagranicznym o uznanej renomie (np. PTB w Berlinie lub NPL
w Londynie). Następnie w wyniku przeprowadzonych wzajemnych porównań
(interkomparacji) wyznacza się wartość grupową według algorytmów przedstawionych w [5]
i przypisuje się wartości pozostałym wzorcom grupy. Wartość grupowa jest traktowana jako
niezmienna aż do momentu następnej komparacji zagranicznej jednego ze wzorców grupy. W
tym przedziale czasowym stan wzorca grupowego jest kontrolowany metodą interkomparacji
tzn. wyznaczane są wartości każdego z wzorców w odniesieniu do wartości grupowej. Ze
względu na stochastyczne zmiany wartości rzeczywistych n wzorców tworzących grupę,
wariancja wzorca grupowego jest n-krotnie mniejsza. Dlatego dryft wzorca grupowego jest
znacznie mniejszy niż średni dryft poszczególnych wzorców grupy.
Przeniesienia wartości grupowej na wzorzec zewnętrzny podlegający kalibracji dokonuje
się umieszczając wzorzec badany na miejscu jednego z wzorców grupy i wyznaczeniu różnic
indukcyjności między wszystkimi wzorcami. Na tej podstawie określa się aktualne wartości
wszystkich wzorców grupy.
Andrzej MET, Krzysztof MUSIOŁ
_________________________________________________________________________________
138
Zarówno w procesie sprawdzania wzorca grupowego, jak i nadawania wartości grupowej
niezbędny jest precyzyjny pomiar różnic indukcyjności poszczególnych par wzorców.
Wysokie wymagania odnośnie dokładności pomiaru spełnia układ komparatora wzorców
indukcyjności, opracowany i wykonany przez zespół badawczy pod kierownictwem prof.
T.Skubisa w Instytucie Metrologii i Automatyki Elektrotechnicznej w Gliwicach. Układ
komparatora (opisany szerzej w pracach [5], [6] i [7]) ma strukturę mostka transformatorowego, w którym napięcie nierównowagi mierzone jest metodą kompensacyjną za pomocą
kompensatora napięć przemiennych. Rozdzielczość wyniku pomiaru komparatorem różnicy
indukcyjności wynosi 1nH, natomiast błąd pomiaru różnicy nie przekracza 3 ppm.
Uzyskiwana rozdzielczość i powtarzalność wyników pomiarowych dla obu składowych
impedancji umożliwiają utrzymanie w kraju wzorca 10 mH o wartości poprawnej określonej z
niedokładnością mniejszą niż 0,001 %.
W procesie interkomparacji czteroelementowego wzorca grupowego należy wykonywać
kolejno porównania 6 par wzorców, jakie można utworzyć z tej grupy. Po uwzględnieniu
kolejności wzorców w parach otrzymuje się 12 wyników pomiarów różnic indukcyjności.
Wzorce przyłączane są parami do komparatora przez mechaniczny komutator zawierający
podwójny przełącznik o 12-osiowej symetrii, który zapewnia stałą rezystancję styków i stałą
konfigurację geometryczną przewodów łączących wzorce z komparatorem. Unika się w ten
sposób otwierania termostatu z wzorcami i ręcznego dokonywania przełączeń na zaciskach,
co jest bardzo uciążliwe i powoduje niestałość rezystancji połączeń.
L2
L3
L1
RS 232
L4
RS 232
KOMPARATOR
L8
MULTIPLEKSER
L5
KOMPUTER
L7
L6
Rys. 1. Zautomatyzowany system do interkomparacji wzorców indukcyjności
Fig. 1. Automation system to inductance intercomparison process
Pomiary związane z utrzymywaniem wzorca grupowego są z reguły czasochłonne, a dla
operatora nużące, ponieważ składają się z powtarzających się czynności, które należy
wykonywać bardzo starannie. Poza tym rozciągnięcie w czasie cyklu pomiarowego jest
bardzo niekorzystne ze względu na niemożność zachowania jednakowych warunków
pomiaru. Z tego względu celowe jest zautomatyzowanie stanowiska do komparacji wzorców
indukcyjności poprzez zbudowanie odpowiedniego multipleksera, który wraz z komputerem i
komparatorem stworzy system pomiarowy służący do interkomparacji wzorców
Projekt multipleksera wzorców indukcyjności
139
_________________________________________________________________________________
indukcyjności własnej (rys.1). Zastosowanie do badań wzorców komparatora wraz ze
sterowanym komputerowo multiplekserem stwarza nowe możliwości badań: wpływu prądu,
czasu pomiaru i temperatury na wynik komparacji wzorców indukcyjności. Zmniejszenie
czasu pomiaru ograniczy efekt grzania się wzorców pod wpływem prądu pomiarowego.
2. UKŁAD MULTIPLEKSERA
2.1. Część komutacyjna
Ze względu na to, że zbudowany i zastosowany w instytucie PTB w Braunschweigu
komparator wzorców indukcyjności jest przystosowany do współpracy z komputerem
poprzez łącze szeregowe, zdecydowano, że również multiplekser będzie oparty na interfejsie
RS 232. W projekcie układu założono, że będzie on służył do interkomparacji grupy złożonej
maksymalnie z ośmiu wzorców. Elementami przełączającymi multipleksera są przekaźniki
firmy Matsushita o dopuszczalnym prądzie 20A, które w wyniku badań wykazały bardzo
małą rezystancję przejścia. Schemat części komutacyjnej multipleksera przedstawiony jest na
rysunku 2.
LA
P1
H
S1
L
P2
H
S2
L
P3
H
S3
L
H
L
P8
H
S8
LB
L
H
P9
S9
S10
L
H
P10
L
H
P11
L
S11
P16
S16
+12V
Rys. 2. Schemat części komutacyjnej multipleksera
Fig. 2. Relays part diagram
L1
L2
L3
L4
L5
L6
L7
L8
Andrzej MET, Krzysztof MUSIOŁ
_________________________________________________________________________________
140
Odpowiednie połączenia zapewniają możliwość wyprowadzenia dowolnego wzorca na zacisk
LA lub LB w wyniku wysterowania odpowiedniej cewki jednego z przekaźników P1-P16. W
danej chwili wysterowana jest tylko cewka jednego z przekaźników P1-P8 i cewka jednego z
przekaźników P9-P16. Dodatkowo zabronione są przypadki wyprowadzenia tego samego
wzorca na zaciski LA i LB, co odpowiada jednoczesnemu wysterowaniu cewek przekaźników
P1 i P9, P2 i P10 ..... P8 i P16. Łatwo obliczyć, że po uwzględnieniu powyższych założeń
możliwych jest 56 kombinacji połączeń wzorców. Końcówki LA i LB multipleksera służą do
połączenia z komparatorem za pomocą przewodów, stanowiących stałą część komparatora.
Wpływ tych przewodów na wynik komparacji może być usunięty poprzez procedurę
przestawienia wzorców [5].
L1
P1
L8
P9
P16
P2
P8
L7
P15
P10
LA
P7
L2
LB
LA LB
LA
LB
LB
LA
LA
LB
LB
LA
L B LA LB
P14
L6 P
6
P3
P11
LA
L3
P4
P12
P13
L4
P5
L5
Rys. 3. Projekt części przekaźnikowej płytki drukowanej
Fig. 3. Relays part PCB circuit design
Praktyczną realizację układu z rys.2 przedstawiono w postaci projektu płytki drukowanej
na rys.3. Płytka dwustronna posiada 32 otwory do wlutowania styków głównych
przekaźników P1-P16 . Zewnętrzne górne pola lutownicze (oznaczenie L1-L8) służą do
połączenia zacisków LOW wzorców. Współosiowo z nimi na drugiej stronie płytki
umieszczone są identyczne pola do połączenia zacisków HI. Dodatkowymi elementami płytki
(nie umieszczonymi na rysunku) są trzy gwiazdy wykonane z blachy miedzianej, z których
dwie ośmioramienne lutowane są do dolnych wewnętrznych pól (jedna do zacisków LA a
Projekt multipleksera wzorców indukcyjności
141
_________________________________________________________________________________
druga do LB), a jedna dwunastoramienna, lutowana do wszystkich górnych pól lutowniczych,
służy do wyprowadzenia zacisków LOW wzorców.
Przy projektowaniu płytki dążono do uzyskania możliwie małej rezystancją przejścia
ścieżek, a także do minimalizacji parametrów resztkowych C i L (mała powierzchnia
tworzona przez ścieżki przepływu prądu pomiarowego). Nie da się całkowicie wyeliminować
parametrów resztkowych, ale dla przedstawionego układu ścieżek są one równe dla każdej
kombinacji połączenia pary wzorców. Ze względu na swoją symetrię zaprojektowany układ
stanowi najlepszą realizację schematu przedstawionego na rys.2.
2.2. Część sterująca
Zupełnie inne wymagania stawiane są przy projektowaniu części sterującej multipleksera
(doprowadzenie sygnałów S1-S16 na rys.2). Założeniem projektu jest możliwość zarówno
komputerowego (poprzez łącze szeregowe), jak i ręcznego przełączania wzorców (rys.4). W
części sterującej można wyróżnić następujące podzespoły:
• mikrokontroler jednoukładowy AT89C2051,
• konwerter poziomów RS 232 na TTL z układem optoizolacji,
• wzmacniacze prądu w układzie Darlingtona, służące do sterowania cewkami
przekaźników za pomocą sygnałów z portów mikrokontrolera,
• dwa wyświetlacze LED (DS1 i DS2 na rys.5), z których pierwszy wyświetla numer
wzorca (1-8) wyprowadzonego na zaciski LA, natomiast drugi – numer wzorca
wyprowadzonego na zaciski LB,
• trzy klawisze (K1, K2 i K3), służące do ręcznego przełączania wzorców.
Klawiatura
dane z
komputera
RS 232
Konwerter
TTL -RS
z układem
opoizolacji
Wyświetlacz
Mikrokontroler
AT89C2051
Wzmacniacze
prądu
Rys. 4. Schemat blokowy multipleksera
Fig. 4. Block diagram of switch
Przekaźniki
Andrzej MET, Krzysztof MUSIOŁ
_________________________________________________________________________________
142
RS232
LA
LB
UZAS
DS1 DS2
K1 K2 K3
L1
L2
L3
L4
L5
L6
L7
L8
Rys. 5. Widok zewnętrzny multipleksera
Fig. 5. Front panel
Klawisz K2 służy do wyboru wyświetlacza (DS1 lub DS2), a co za tym idzie zacisku
(odpowiednio LA lub LB), którego dotyczyć będzie zmiana wzorca. Pozostałe dwa klawisze
służą do zwiększania (K1) i zmniejszania (K3) numeru wzorca na wcześniej wybranej
pozycji. Dodatkowo dłuższe przytrzymanie klawisza K2 powoduje przejście multipleksera do
cyklicznego przełączania wzorców z zadaną prędkością i określoną programowo ilość razy,
co powoduje eliminację efektu zaśniedziałych styków przekaźników.
Oprogramowanie mikrokontrolera uniemożliwia podłączenie tego samego wzorca do
zacisków LA i LB (cyfra na DS1 równa cyfrze na DS2), powodujące zwarcie zacisków
komparatora.
3. PODSUMOWANIE
Układ multipleksera wzorców indukcyjności własnej został zaprojektowany z myślą o
automatyzacji procesu interkomparacji wzorców, co przyczyni się do zwiększenia
dokładności pomiaru. Multiplekser wraz z wcześniej opracowanym i wykonanym
komparatorem wzorców indukcyjności i przy pomocy komputera z odpowiednim
oprogramowaniem stwarza szerokie możliwości badań: wpływu prądu, czasu pomiaru i
temperatury na wynik komparacji wzorców indukcyjności.
Ze względu na nieznane parametry przekaźników, które stanowią główne źródło błędów
multipleksera, trudno jest wyznaczyć parametry pasożytnicze układu z konfiguracji
geometrycznych. Parametry te zostaną wyznaczone pomiarowo po wykonaniu prototypu i
uwzględnione w programie napisanym w celu sterowania procesem komparacji, obliczenia
indukcyjności poszczególnych wzorców grupy na podstawie wyników pomiarów różnic i
wizualizacji wyników pomiarów.
Aktualnie prowadzone badania mają na celu wybranie szesnastu przekaźników, które
będą wykorzystane do zbudowania multipleksera. Przeprowadzenie pomiarów przy
wielokrotnym przełączaniu przekaźników pozwoli zaobserwować zachowanie rezystancji
styków w czasie pracy i wyselekcjonować elementy o najlepszych i zbliżonych parametrach,
które zostaną wykorzystane w prototypie multipleksera wzorców indukcyjności.
Projekt multipleksera wzorców indukcyjności
143
_________________________________________________________________________________
LITERATURA
1. Awan S. A., Jones R. G., Kibble B. P. Evaluation of coaxial bridge systems for accurate
determination of the SI Farad from the DC quantum Hall effect. Metrologia 40, s.264-270,
2003.
2. Brooks H. B.: Design of standards of inductance and the proposed use of model reactors
in the design of air-core and iron-core reactors. Journal of Research of the National
Bureau of Standards, vol.7, s.289-330, 1931.
3. Dudziewicz J. (red.): Etalony i precyzyjne pomiary wielkości elektrycznych.
Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 1982.
4. Hanke R., Droge K: Calculated Frequency Characteristic of GR1482 Inductance
Standards Between 100Hz and 100kHz. IEEE Transactions on Instrumentation and
Measurement, vol. 40, No. 6, December 1991.
5. Met A., Skubis T.: Komparator wzorca grupowego indukcyjności własnej. Podstawowe
Problemy Metrologii, Prace Komisji Metrologii PAN, Seria: Konferencje Nr1. GliwiceUstroń 1998.
6. Met A., Rzepakowska J., Skubis T., Tarłowski A.: Badania wzorca grupowego
indukcyjności własnej z zastosowaniem komparatora z multiplekserem. Mat. konf.
PPM’98, s. 202 - 206, Gliwice – Ustroń, 1998.
7. Met A.: Komparator wzorców indukcyjności. ZN Pol. Śl.; s. Elektryka; z.165; Gliwice
1999.
8. Thomas L. Zapf: Calibration of Inductance Standards in the Maxwell-Wien Bridge
Circuit. Journal of Research of the National Bureau of Standards, vol.65C, No.3, 1961.
ABSTRACT
The paper presents conception of digitally controlled switch for maintenance of inductance
standards. The switch is design for intercomparison process of inductance group standard
which consist of maximum 8 inductors. Using of the switch make possibility automation the
set-up for comparison of inductance standards. It will be possible to build a measuring system
which consist of switch, unbalanced bridge for inductance standards comparison and
computer (Fig.1). Process of standards comparison and switch will be control by computer. It
will be possible to set the measurement time and current flowing through the measured
standards. This feature allows decrease the self-heating effect. Measuring system will be
designed to measure without removing standards from the thermostat. Application of this
switch gives a new capability of inductance standards research, for example investigation of
influence the measurement time, current and temperature on results of inductance standards
comparison.
Andrzej MET, Krzysztof MUSIOŁ
_________________________________________________________________________________
144
Connection the standard to LA or LB terminals is performed by sixteen relays signed P1-P16 in
Fig.2. Practical realisation of switch circuit is shown in Fig.3. PCB has full symmetry and it is
such designed to minimise wires resistance and minimise equal residual parameters (L, C).
Digital part of switch is controlled by microcontroller AT89C2051. Block diagram of switch
is shown in Fig.4. The switch is designed for both computer (by serial interface) and manual
control. It has two displays (DS1 and DS2 in Fig.5) which shows how number of standard is
connect to LA and LB terminals. Button K2 is used to change active display. Two other
buttons (K1 and K3) enable increase or decrease number of standard.