Мікрокулонометр

1. Мікрокулонометр, що містить операційний підсилювач із інвертувальним і неінвертувальним входами, інтегруючий блок, блок вибору діапазону, блок установки нуля у вигляді одноступінчастого подільника напруги з обмежувальними резисторами, підключеними до виводу балансування опера ційного підсилювача, блок вхідного опору, блок індикації і блок живлення, який відрізняється тим, що операційний підсилювач виконаний у вигляді прецизійного операційного підсилювача, блок установлення нуля виконаний у вигляді двоступінчастого мостового подільника напруги, в якому другий ступінь виконаний у вигляді додаткового змінного резистора, встановленого в одне з плечей подільника, причому інтегруючий блок оснащений додатковим резистором, який зв'язує вихід прецизійного операційного підсилювача із "землею". 2. Мікрокулонометр за п. 1, який відрізняється тим, що в блок індикації включений перемикач, який дозволяє здійснювати переполюсовку вимірювального механізму. Корисна модель відноситься до електровимірювальної техніки і призначена для використання при виконанні лабораторних і практичних робіт у навчальному процесі. Відомий магнітоелектричний гальванометр (балістичний), який містить корпус, електровимірювальний механізм магнітоелектричної системи (двохполюсний постійний магніт і поворотна рамка), дзеркало, прикріплене до осі поворотної рамки, джерело світла і вимірювальна шкала (див. В.О. Арутюнов. Электрические измерительные приборы и измерения. Госэнергоиздат, 1958, с. 112...113, 122...129). Однак даний гальванометр потрібно встановлювати на капітальній стіні (капітальний фундамент), що вимагає значних матеріальних витрат, при цьому прилад стає стаціонарним, що незручно у використанні, крім того неможливо зафіксувати вимірювану величину (положення індикатора постійно міняється), а також прилад може вимірювати тільки малі струми при великих потенціалах. Відомий мікрокулонометр, який містить операційний підсилювач із інвертувальними і неінвертувальними входами, інтегруючий блок, блок вибору діапазону, блок установки нуля у вигляді одноступінчастого подільника напруги з обмежувальними резисторами, підключеними до виводів балансу вання операційного підсилювача, блок вхідного опору, блок індикації і блок живлення (див. М. Г. Целінко. Саморобні електронні прилади в лабораторному практикумі з електрики і магнетизму. Навчальний посібник. Київ: фірма «Віпол», 1995). Однак у даного мікрокулонометра недостатня точність виміру, що обумовлено застосуванням операційного підсилювача загального призначення. Крім того, при вимірюванні малої індукованої кількості електрики (на малих діапазонах) стрілочний індикатор не стійко фіксує результат виміру, внаслідок складності компенсації струму зміщення операційного підсилювача, тобто низькі чутливість і налагоджуваність приладу. Метою створення мікрокулонометра, що заявляється, є підвищення чутливості і поліпшення налагоджуваності приладу, що дозволить одержати можливість виміру більш слабкого вхідного сигналу і спростити роботу з приладом. Поставлена задача вирішується тим, що в мікрокулонометрі, що містить операційний підсилювач з інвертувальним і неінвертувальним входами, інтегруючий блок, блок вибору діапазону, блок установки нуля у вигляді одноступінчастого подільника напруги з обмежувальними резисторами, підключеними до виводу балансування операційного підсилювача, блок вхідного опору, блок інди сч ю CM 5224 кації і блок живлення, відповідно до корисної моделі операційний підсилювач виконаний у вигляді прецизійного операційного підсилювача, блок установки нуля виконаний у вигляді двоступінчастого мостового подільника напруги, у якому друга ступінь виконана у вигляді додаткового змінного резистора, встановленого в одне з плечей подільника, причому інтегруючий блок оснащений додатковим резистором, який зв'язує вихід прецизійного операційного підсилювача з «землею». Крім того, у блок індикації включений перемикач, що дозволяє здійснювати переполюсівку вимірювального механізму. Виконання операційного підсилювача у вигляді прецизійного операційного підсилювача дозволяє фіксувати більш слабкий сигнал, що надходить на вхід. Крім того, малі струми зміщення дозволяють істотно спростити балансування приладу. Усе разом узяте забезпечує підвищення чутливості і поліпшення налагоджуваності приладу. Виконання блоку встановлення нуля у вигляді двоступінчастого мостового подільника напруги, у якому друга ступінь виконана у вигляді додаткового змінного резистора, встановленого в одне з плечей подільника, дозволяє більш точно регулювати встановлення нуля приладу, що поліпшує якість налагоджуваності приладу, спрощує роботу із ним і дозволяє одержати можливість виміру більш слабкого вхідного сигналу. Оснащення інтегруючого блоку додатковим резистором, що зв'язує вихід прецизійного операційного підсилювача з «землею» забезпечує стабільність його роботи, що дозволяє в остаточному підсумку підвищути стабільність роботи в цілому і позитивно впливає на досягнення необхідних параметрів чутливості і налагоджуваності приладу, можливість виміру більш слабкого вхідного сигналу. Використання пропонованого мікрокулонометра в порівнянні з відомими дозволяє: - одержати можливість виміру більш слабкого сигналу (підвищена чутливість); - робити виміри кількості електрики з підвищеною точністю; - робити балансування нуля при різних схемах включення (вимір електростатичної електрики, кількості електрики, що переноситься струмом у провіднику, і кількості електрики, накопиченої на конденсаторі): - спростити налагоджуваність приладу. На Фіг.1 представлена функціональна схема запропонованого мікрокулонометра. Мікрокулонометр містить прецизійний операційний підсилювач 1, інтегруючий блок 2, блок вибору діапазону З, блок установки нуля 4, блок вхідного опору 5, блок індикації 6 і блок живлення 7. Прецизійний операційний підсилювач 1 містить інвертувальний 8 і неінвертувальний 9 входи, вільний вивід 10, виводи балансування 11 і 12, підведення живлення 13 (-иЖив) і 14 (+иЖив), вихід 15. Блок живлення 7 містить вхід заземлення 16 і ВХІД 17, ВИХОДИ 18 (+ижив) І 19 (-І/жив). ВИХОДИ 18 І 19 зв'язані з входами 14 і 13 прецизійного операційного підсилювача 1, відповідно. Неінвертувальний вхід 9 і вільний вивід 10 прецизійного операційного підсилювача 1 з'єднані з входом заземлення 16 блока живлення 7. Інтегруючий блок 2 містить входи 20 і 21 і вихід 22. Діодний захист 23 утворений двома зустрічне з'єднаними діодами. Конденсатор 24, діодний захист 23, перемикач 25 і резистор 26 приєднані одним виводом до входу 20. Другий вивід резистора 26 заземлений на корпус 16 через вхід 21. Другий вивід конденсатора 24, діодного захисту 23 і перемикача 25 приєднані до виходу 22. Інтегруючий блок 2 включений у зворотний зв'язок інтегрального операційного підсилювача 1 таким чином, що вхід 20 інтегруючого блоку 2 з'єднаний з виходом 15 інтегрального операційного підсилювача 1, а вихід 22 інтегруючого блоку 2 з'єднаний із інвертувальним входом 8 інтегрального операційного підсилювача 1. Вхід 21 з'єднаний з входом заземлення 16. Блок вхідного опору 5 містить вхід 27 і вихід 28, причому вхід 27 є входом (+) мікрокулонометра. Вихід 28 блоку вхідного опору 5, вихід 22 інтегруючого блоку 2 приєднані до входу 8 прецизійного операційного підсилювача 1. Блок установлення нуля 4 містить вхід 29, виходи ЗО, 31 і виконаний у вигляді двоступінчастого подільника напруги. Перший ступінь останнього виконаний у вигляді змінного резистора 32, резисторів 33 і 34. Другий ступінь подільника напруги виконаний у вигляді змінного резистора 35. Змінний резистор 32 однією стороною підключений до резистора 33, іншою - до резистора 34, а центральним входом - до входу 29. Інша сторона резистора 33 підключена до виходу ЗО, а друга сторона резистора 34 - до змінного резистора 35, друга сторона якого підключена до виходу 31. Центральний вхід змінного резистора 35 підключений до другої сторони резистора 34. У блоці установлення нуля 4 вхід 29 підключений до виходу 18 блоку живлення 7, а виходи ЗО і 31 підключені до входів 11 і 12 прецизійного операційного підсилювача 1, відповідно. Блок вибору діапазону 3 містить вхід 36 і вихід 37, причому вхід 36 з'єднаний із входом 20 інтегруючого блоку 2 і виходом 15 прецезийного операційного підсилювача 1. Блок індикації 6 містить входи 38 і 39, з'єднані з вимірювальним механізмом 40, через перемикач 41, який дає можливість здійснювати переполюсовку (зміну полярності) підключення вимірювального механізму 40. Вхід 38 з'єднаний з виходом 37 блоку вибору діапазону 3, а вхід 39 - із входом заземлення 16. Мікрокулонометр, що пропонується, дозволяє вимірювати електростатичну електрику, кількість електрики, що переноситься струмом у провіднику, і кількість електрики, накопичену на конденсаторі. Мікрокулонометр працює в такий спосіб. У робочий стан Мікрокулонометр приводиться підключенням блоку живлення 7 до електричної мережі і розмиканням перемикача 25. З виходу 18 блока живлення 7 напруга живлення +ІІжив подається на вхід 14 прецизійного операційного підсилювача 1. відповідно з виходу 19 напруга живлення -Ужив подається на вхід 13. Діапазон виміру 5224 встановлюють на блоці вибору діапазону 3 Перед початком виміру прилад балансують Стрілка вимірювального механізму 40 при розбалансуванні приладу повільно зміщується від начального нульового положення за рахунок нагромадження КІЛЬКОСТІ електрики на конденсаторі 24 Напруга живлення +ІІжив з виходу 18 блоку живлення 7 подається на центральний вхід 29 (середню ніжку змінного резистора 32) блоку установки нуля 4 і розподіляється ВІДПОВІДНО величинам опорів плечей першого і другого ступіней на виводи балансування 11 і 12 прецезійного операційного підсилювача 1 Обертанням ручок змінних резисторів 32 (грубо) і 35 (точно) задають струм, протилежний за величиною струму зміщення Стрілка вимірювального механізму 40 зупиняється При замиканні перемикача 25 стрілка встановлюється на нуль шкали Розмикають перемикач 25 -Мікрокулонометр готовий до виміру При подачі на вхід мікрокулонометра деякої КІЛЬКОСТІ електрики q B X =Jidt (у вигляді імпульсу струму довільної форми) При цьому імпульс струму надходить на блок вхідного опору 5, при проходженні через який значення амплітуди імпульсу струму зменшується обернено пропорційно величині вхідного опору 3 виходу 28 зменшений імпульс струму надходить на інвертувальний вхід 8 прецизійного операційного підсилювача 1 Далі сигнал підсилюється, інвертується і з виходу 15 надходить на вхід 20 інтегруючого блоку 2 і вхід 36 блоку вибору діапазонів 3 Конденсатор 24 інтегруючого блоку 2 заряджається до напруги _ Uвих Овх (знак "-" означає, що використання інвертуючого входу обумовлює зміну полярності сигналу) Конденсатор 24 включений у зворотний зв'язок з виходу 15 операційного підсилювача 1 на інвертувальний вхід 8 Оскільки коефіцієнт підсилення операційного підсилювача порядку 10 , то працює мікрокулонометр як перетворювач КІЛЬКОСТІ електрики в напругу, будучи інтегральним підсилювачем струму Змінюючись пропорційно встановленому діапазону, сигнал з виходу 37 блоку вибору діапазонів 3 надходить на вхід 38 блоку індикації 6 і вимірюється вимірювальним механізмом 40 Стрілка вимірювального механізму 40 відхиляється на кут, прямо пропорційний переданій КІЛЬКОСТІ електрики qBx=CUBHx, доти, поки перемикач 25 розімкнутий, при цьому стрілка вимірювального механізму 40 залишається у відхиленому стані Якщо стрілка вимірювального механізму 40 відхиляється в лівий бік - необхідно змінити полярність його пщключеня перемиканням перемикача 41 у протилежне положення Для того, щоб скинути покази вимірювального механізму 40, конденсатор 24 закорочують замиканням перемикача 25 При цьому стрілка вимірювального механізму 40 переміщується в початкове нульове положення Перед початком нового вимірювання перемикач 25 розмикають Для вимірювання КІЛЬКОСТІ електростатичної електрики при великих потенціалах до вхідної клеми 27 (+) мікрокулонометра приєднують зарядознімач, що представляє собою гостру металеву пластину на стрижні (на кресленні не показаний) Збалансовують мікрокулонометр, як описано вище Для початку виміру перемикач 25 розмикають Заряджене тіло (наприклад, ебонітова паличка) при контакті із зарядознімачем передає останньому заряд, що надходить на вхідну клему 27 і вимірюється мікрокулонометром (як описано вище) При вимірюванні КІЛЬКОСТІ електрики, що переноситься струмом у провіднику (котушці), останню підключають до вхідних клем (вхід 27 і вхід заземлення 16) мікрокулонометра Виникає струм зміщення за рахунок зміни опору інтегруючого RC ланцюга Стрілка вимірювального механізму 40 починає повільне зміщення від початкового нульового положення (пливе) за рахунок нагромадження КІЛЬКОСТІ електрики на конденсаторі 24 Для усунення цього ефекту мікрокулонометр налагоджують за допомогою ручок змінних резисторів 32 і 35 При цьому задають струм, протилежний за величиною струму зміщення, - стрілка вимірювального механізму 40 зупиняється При замиканні перемикача 25 стрілка встановлюється в початкове нульове положення Для початку виміру перемикач 25 розмикають При впливі на котушку змінним магнітним полем виникає індукований імпульс струму При цьому імпульс струму надходить на вхід мікрокулонометра (вхід 27 і вхід заземлення 16) і виміряється як описано вище Кут відхилення стрілки прямо пропорційний виміряній КІЛЬКОСТІ електрики, що переноситься струмом у провіднику (котушці) При вимірюванні КІЛЬКОСТІ електрики, накопиченої на конденсаторі, останній підключають до вхідних клем (вхід 27 і вхід заземлення 16) мікрокулонометра Виникає струм зміщення за рахунок зміни ємності інтегруючої RC ланцюга Стрілка вимірювального механізму 40 починає повільне зміщення від початкового нульового положення (пливе) за рахунок нагромадження КІЛЬКОСТІ електрики на конденсаторі 24 Для усунення цього ефекту мікрокулонометр налагоджують за допомогою ручок змінних резисторів 32 і 35 При цьому задають струм, протилежний за величиною струму зміщення, стрілка вимірювального механізму 40 зупиняється При замиканні перемикача 25 стрілка встановлюється у початкове нульове положення Для початку виміру перемикач 25 розмикають Далі конденсатор відключають від мікрокулонометра і заряджають Після передачі заряду конденсатору підключають його до входу мікрокулонометра (вхід 27 і вхід заземлення 16) Конденсатор розряджається повністю через мікрокулонометр, при цьому заряд вимірюється, як описано вище Кут відхилення стрілки прямо пропорційний вимірянній КІЛЬКОСТІ електрики, що було накопичено на конденсаторі 5224 /21 1 2 Пі /20