13. Další měřicí přístroje, etalony elektrických veličin.

Transkript

1 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

2 Obsah přednášky referenční zdroje D/A převodníky generátory signálu. Spektrální analyzátor Základy metrologie? veličiny SI, jejich realizace, etalony A3B38SEM přednáška 13 2

3 Referenční zdroje napětí Referenční prvek: - Teplotně kompenzovaná Zenerova dioda (definovaný proud + termostat). - Teplotní kompenzace napětí U BE bipolárního tranzistoru Referenční zdroje obvykle integrované obvody R 3 R 3 /n + R 3 + R 5 R 2 U r R X U be R 4 U2 R 1 U 1 teplotně kompenzovaná Zenerova dioda R X U k U r = U ZD (R 1 +R 2 ) / R 1 U 1 = 1,205 V, U 2 =U 1 (R 4 +R 5 ) / R 4 A3B38SEM přednáška 13 3

4 Napěťové kalibrátory (přesné D/A převodníky s šířkovou modulací) ZRN U r SO DP U 0 U 0 = U r T T A N = U r X N kde KO f N ŘO u U 0 U r T A = X f N, T N = N f N T A T N t X = číslo, které převádíme na napětí N = rozsah převodníku Sigma-delta ADC.. Existuje i ve vícebitovém provedení A3B38SEM přednáška 13 4

5 Číslicově-analogové převodníky (DAC) Příklady 4-bitového AČP: MSB LSB R U O z 3 z 2 z 1 z 0 U r 8I 4I 2I I 2R z R U r /2 R U r /4 R U r /8 2R z R z R U r 2R U n 1 i O = R 2 I zi ; zi = 0, 1 i= 0 R O U n RO = r U 16R i= z zi = 0, 1 O i z i ; MSB LSB + U O A3B38SEM přednáška 13 5

6 Digitální potenciometr = 6 bitů Potřebuji 16 odporů, nikoli 2 6 = 64 A3B38SEM přednáška 13 6

7 Nízkofrekvenční generátory měřicích signálů A3B38SEM přednáška 13 7

8 Funkční generátory A3B38SEM přednáška 13 8

9 Generátor programovatelného průběhu (arbitrary generator) A3B38SEM přednáška 13 9

10 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

11 VF selektivní voltmetr (zpravidla využívá heterodynní princip) f X PŘEDZE- SILOVAČ SMĚ- ŠOVAČ MF ZESIL. OPERAČNÍ USMĚRŇOVAČ FILTR + AČP OSCI- LÁTOR f mf,i f 0 mf f mf1 = f X f O, f mf2 = f O f X, f mf3 = f X + f O, A3B38SEM přednáška 13 11

12 Heterodynní spektrální analyzátor A3B38SEM přednáška 13 12

13 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/ 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 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 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 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

14 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

15 Veličiny SI, jejich realizace, etalony Čas / kmitočet Primární etalon cesiový rezonátor (stabilita až /rok) C.F.Coombs: Electronic Instrumentation Handbook: Sekundární etalony: termostatované krystalem řízené oscilátory (stabilita až 10-9 /rok) A3B38SEM přednáška 13 15

16 Veličiny SI, jejich realizace, etalony 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 2e h = nf 0 h 2e = 483,59790 THz / V kde h je Planckova konstanta, e je náboj elektronu Pro typický kmitočet mikrovlnného záření 70 GHz jsou výšky jednotlivých napěťových stupňů přibližně 145 µv. supravodivý drát s hrotem I supravodivé pásky U N U A3B38SEM přednáška 13 16

17 Veličiny SI, jejich realizace, etalony Elektrický odpor Kvantový Hallův jev Polovodičová struktura, teplota 0 K; mg. pole B 13 T; pak: U X U H h 0; = RH ( k) = 2 I e k C = 1 k 25812,809 ( Ω) kde: h je Plancova konstanta, e náboj elektronu, k celé číslo. Provedení: původně křemíkové tranzistory MOSFET; nyní heterostruktury na bázi GaAs nebo InP A3B38SEM přednáška 13 17

18 Veličiny SI, jejich realizace, etalony Elektrický odpor Sekundární etalony odporu: Slitiny kovů s nízkou teplotní závislostí a dobrou časovou stabilitou (např. manganin) Odchylka od jmenovité hodnoty: 10-3 až 10 5 Ω 0,001 %, vně tohoto rozsahu větší Pro měření stejnosměrným proudem: R >1Ω - vinuté drátové rezistory R < 1 Ω - tvarované pásky či plechy Pro měření střídavým proudem (definována frekvenční závislost a časová konstanta): R >1kΩ -přeložená smyčka R < 1 kω - koaxiální provedení A3B38SEM přednáška 13 18

19 Veličiny SI, jejich realizace, etalony Kapacita absolutní (Thomson Lampard) ŘEZ A - A A A l ~ C π exp C ε 0 / 13 π + exp C ε 0 / 24 = 1 / / ε 0 C1 = C2 = ln 2 = 1, π (pf/m) Sekundární: - deskové (plněné plynem) - křemenné A3B38SEM přednáška 13 19