УЧ-Метод пособие ЭЛ ИЗМЕРЕНИЯ. Учебнометодическое пособие по учебной дисциплине электрические измерения
 Скачать 6.36 Mb.
|
|
- Схема устройства ферродинамических приборов Введение стального сердечника приводит к значительному повышению чувствительности и ослаблению влияния внешних магнитных полей, но вместе с этим появляются потери на гистерезис и вихревые токи, снижающие точность приборов. Ферродинамические приборы изготовляют классов точности 1,0 и 1,5. Электростатические приборы Электростатическая система использует силы электростатического взаимодействия между подвижными и неподвижными электродами. В приборах электростатической системы отклонение подвижной части связано с изменением ѐмкости, которое происходит вследствие изменения: а) активной площади пластин; б) изменения расстояния между пластинами. На рисунке 2.13 изображѐн прибор, работа которого основана на изменении активной площади пластин. Рисунок 2.13 - Схема устройства электростатических приборов Данный механизм состоит из подвижных и неподвижных частей. Неподвижная часть – несколько камер 2 (чем больше камер, тем больше чувствительность). Камера 2 – две металлические пластины с воздушным зазором. В зазор входит алюминиевая пластина 1 подвижной части. Если к подвижной и неподвижной пластинам подвести измеряемое напряжение, то они зарядятся противоположными по знаку зарядами. Под действием сил притяжения подвижные пластины стремятся внутрь камер. Поворот подвижных пластин, жѐстко укреплѐнных на оси, вызовет закручивание упругих элементов, которые создают противодействующий момент. При равенстве моментов подвижная часть остановится и на шкале появится измеряемое напряжение. Применяются в вольтметрах высокого напряжения (до 300000 В). Приборы, работающие по принципу изменения расстояния между электродами, состоят из двух неподвижных пластин 1, между которыми на двух металлических ленточках подвижная пластина 3. Подвижный электрод электрически соединѐн с одной и изолирован от другой пластины. При наличии напряжения пластина 3 притягивается к одной и отталкивается от другой пластины 1. Перемещение пластины 3 посредством тяги 7 и мостика 4 передаѐтся на ось 6 и стрелку 5. Противодействующий момент создаѐтся весом пластины 3 (35) Применяется в вольтметрах с пределом измерения исчисляющихся в киловольтах. Характеристики проборов электростатических систем: - применяется в цепях постоянного и переменного тока; - рабочие частоты 20 Гц - 30 МГц в маломощных цепях; - класс точности 1,0; 1,5; 2,5. Однако может быть 0,1 и 0,05; - не влияет температура воздуха, внешние магнитные поля; - малое собственное потребление тока; - показание прибора зависит от внешнего электрического поля (в данном случае применяют электростатическое экранирование). Рисунок 2.14 - Электростатический измерительный механизм с изменением расстояния между электродами В результате того, что разноимѐнные заряды притягиваются – возникает вращающий момент. Успокоение магнитоиндукционное реже жидкостное. Достоинства: 1) Не чувствителен к изменению температуры 2)На показания не влияет, частота и форма кривой переменного напряжения Недостатки: 1) Сильное влияние внешних магнитных полей. 2) Малая чувствительность На базе этого измерительного механизма строят Вольтметры! Индукционные приборы Индукционная система основывается на взаимодействии переменных магнитных полей, создаваемых неподвижными катушками, с токами индукционными этими полями в подвижной части механизма. В настоящее время практически используются счетчики электрической энергии индукционной системы. Измерительный механизм этой системы имеет два независимых магнитопровода, разнесенных в пространстве. Рисунок 2.15 – Схема устройства индукционных приборов Принцип работы устройства заключается в следующем. 2 электромагнита представляют измерительный механизм счетчика. Они расположены под углом 90° друг к другу. В магнитном поле этих электромагнитов находится диск, выполненный из алюминия. Счетчик включается в работу путем подсоединения с электроприемниками токовой обмотки последовательно, а с электроприемниками напряжения – параллельно При номинальном напряжении 220 В обмотка катушки напряжения имеет обычно 8-12 тысяч витков провода диаметром 0,1 — 0,15 мм. Токовая катушка через которую протекает полный ток нагрузки имеет обычно количество ампер, витков в пределах 70 — 150, т.е. при номинальном токе 5 А обмотка содержит от 14 до 30 витков При прохождении переменного тока по обмоткам в сердечниках возникают магнитные потоки переменной величины. Они пронизывают диск, в результате чего индуцируют вихревые токи. При взаимодействии последних с магнитными потоками создается усилие, которое вращает диск. Он, в свою очередь, связан со счетным механизмом, который учитывает частоту вращения диска. Цифры, расположенные на счетном механизме фиксируют расход электрической энергии Выпрямительные приборы Выпрямительные приборы. Среди приборов такого типа распространены амперметры и вольтметры, которые представляют собой соединение выпрямительного преобразователя и магнитоэлектрического измерительного механизма (рисунок 2.16). В качестве преобразователей используются однополупериодные и двухполупериодные схемы выпрямителей. Последние могут быть с четырьмя или двумя диодами и двумя резисторами. Такие измерительные механизмы реагируют на среднее значение вращающего момента. В схеме двухполупериодного выпрямителя ток по нагрузке протекает в течение всего периода, поэтому чувствительность такого преобразователя в два раза выше. Класс точности таких преобразователей 1,0 и ниже. Из-за использования выпрямительного измерительного механизма эти приборы обладают наивысшей чувствительностью и наименьшим потреблением энергии среди электромеханической группы. Недостатком таких приборов является зависимость показаний от частоты сигнала (собственная ѐмкость диодов, индуктивность рамки) и температуры (работа диодов зависит от температуры). а) б) Рисунок 2.16 - Схемы включения измерительного механизма и диодов а) однополупериодная схема выпрямления; б) двухполупериодная схема выпрямления 2.13 Назначение, схемы включения и область применения шунтов и добавочных резисторов. Схемы включения, режимы работы измерительных трансформаторов В измерительной технике для расширения диапазона измерения приборов широкое распространение получили масштабные преобразователи: пассивные, работающие за счет энергии объекта исследования, и активные, работающие за счет дополнительного источника питания. К пассивным преобразователям относятся шунты, добавочные резисторы, измерительные трансформаторы, делители напряжения. К активным – электронные измерительные усилители. Шунты служат для расширения пределов измерения аналоговых амперметров. Рисунок 2.17 - Схема включения шунта Чтобы в измерительный механизм поступал ток Iим, меньший в n раз измеренного тока I, параллельно цепи ИМ подключают шунт, сопротивление которого определяется по формуле Rш = Rим (n - 1), (36) где Rим – сопротивление измерительного механизма, n = I/Iим (37) п- коэффициент шунтирования (рисунок 2.17). Добавочные резисторы служат для расширения пределов измерения аналоговых вольтметров и включаются последовательно с измерительным механизмом Рисунок 2.18 - Схема включения добавочного резистора Если напряжение постоянного тока, необходимое для полного отклонения подвижной части измерительного механизма, равно Uим, а измеряемое напряжение U = n ∙Uим, то добавочное сопротивление Rд = Rим / (m - 1), (38) m=U/Uv (40) где Rим – сопротивление измерительного механизма m- масштабный множитель. Делители напряжения выполняют резистивными , емкостными и индуктивными дисплеями. Резистивные делители обычно делают многопредельными с коэффициентами 10:1, 100:1, 10000:1 с полным сопротивлением делителя от 100 до 10 кОм и максимальным входным напряжением 100 В. Измерительные трансформаторы В настоящее время в технике больших токов и высоких напряжений измерения электрических величин производят только через так называемые измерительные трансформаторы — трансформаторы тока (ТТ) и трансформаторы напряжения (ТН), так как непосредственные измерения с применением шунтов и добавочных резисторов весьма затруднительны. Так, наибольший ток, который еще можно измерить непосредственным включением прибора, составляет 600 А, а напряжения - до 2 кВ. К тому же шунты и добавочные резисторы получаются громоздкими и дорогими из-за применения для них специальных сплавов, дающих незначительные температурные погрешности, а прикосновение к таким приборам в сетях высокого напряжения опасно для жизни. Трансформатор тока состоит из сердечника и двух обмоток с числами витков . Сердечник набирают из тонких листов электротехнической стали с большой магнитной проницаемостью. Первичную обмотку I включают последовательно нагрузке, в цепи которой необходимо измерить ток, а вторичную II замыкают непосредственно на амперметр. Так как сопротивление прибора мало, то можно считать, что трансформатор работает в данном случае в режиме короткого замыкания, при котором общий магнитный поток определяется разностью (геометрической суммой) потоков, созданных первичной и вторичной обмотками. Принцип работы трансформатора тока можно сравнить с принципом работы обычного силового трансформатора. В самом деле, измеряемый ток, протекая по виткам первичной обмотки, создает в ее незначительном сопротивлении весьма незначительное падение напряжения, т. е. на первичной обмотке получается небольшое напряжение, которое и трансформируется как в силовом трансформаторе. Так как число витков вторичной обмотки значительно больше числа витков первичной, то магнитный поток, действующий в первичной обмотке, создает во вторичной значительно большее напряжение при меньшем токе. Трансформатор тока применяют не только для включения амперметров, но и для включения токовых обмоток ваттметров, счетчиков и фазометров. Для правильности показаний последних необходима правильная передача фазы тока, поэтому выводы обмоток трансформатора тока определенным образом маркируют: первичную (линия) и вторичную — (измеритель), Рисунок 2.19 – Схема подключения трансформатора Рисунок 2.20 - Схема подключения трансформатора с несколькими подключенными измерительными приборами причем генераторному концу соответствуют зажимы и Их. Один и тот же трансформатор тока может быть использован для одновременного включения нескольких измерительных приборов (рис. 2.20), однако включение большего числа измерительных приборов нежелательно. Это объясняется тем, что по мере увеличения числа приборов их общее сопротивление возрастает и режим работы трансформатора тока все более отходит от режима короткого замыкания (т. е. уменьшается ток вторичной обмотки). Помимо расширения пределов измерения трансформатор тока отделяет вторичную цепь, в которую включен амперметр, от первичной, изолируя тем самым прибор от высоких напряжений сети. Поэтому измерительные приборы монтируют обычными способами на распределительных щитах. На случай пробоя изоляции между обмотками для безопасности один вывод вторичной обмотки заземляют так, чтобы при пробое изоляции провод с высоким потенциалом оказался замкнутым на землю. Трансформаторы тока изготовляют всегда таким образом, чтобы номинальный вторичный ток составлял 5 А. В тех случаях, когда измерительные приборы находятся на значительных расстояниях от трансформатора тока, для уменьшения падения напряжения в подводящих проводах номинальный вторичный ток делают равным 1 А. Вторичную обмотку работающего трансформатора тока нельзя размыкать и оставлять разомкнутой. Она всегда должна быть замкнута на прибор или, если это невозможно в некоторых случаях, например при замене испорченного прибора, ее следует закорачивать проводником. Это необходимо потому, что при разомкнутой вторичной обмотке вторичный ток равен нулю, магнитный поток в сердечнике обусловлен лишь большим первичным током (а не разностью потоков первичного и вторичного токов, как при его нормальной работе). Этот большой магнитный поток создаст высокое напряжение на вторичной обмотке опасное для обслуживающего персонала. Кроме того, чрезмерно большой магнитный поток для данного сердечника (сердечник рассчитывают на рабочий поток) может вызвать опасное нагревание этого сердечника, поэтому вторичную цепь делают всегда механически прочной и надежной. Конструктивно трансформаторы тока оформляют в зависимости от назначения по-разному. Среди переносных трансформаторов тока, имеющих, как правило, несколько коэффициентов трансформации, наиболее удобным трансформатором являются измерительные клещи (рис. 2.21) — трансформатор с разъемным сердечником, смонтированный вместе с амперметром. При нажатии на рукоятки сердечник размыкается и им обхватывается провод с измеряемым током. После прекращения нажима на рукоятки специальная пружина плотно замыкает сердечник и амперметр показывает значение тока в проводе. В данном случае провод с измеряемым током является первичной обмоткой этого трансформатора тока. Точность таких измерений невысока, но большое удобство заключается в измерении тока без разрыва провода, т. е. практически в любой точке проводной линии. Широкое распространение для точных измерений, а также в учебной лабораторной практике получил универсальный трансформатор тока УТТ-5, дающий возможность получить несколько коэффициентов трансформации. На рисунке 2.20 изображены принципиальная схема (а) и внешний вид (б) трансформатора УТТ-5. Рисунок 2.21 - Переносной трансформатор тока Рисунок2.22 - принципиальная схема (а) и внешний вид (б) трансформатора УТТ-5 Рисунок 2.23 - Трансформатор напряжения Рисунок 2.24 - Схема включения трехфазного индукционного счетчика через измерительные трансформаторы На случай отключения прибора без выключения трансформатора из цепи имеется токопроводящая скоба, которой можно замкнуть накоротко вторичную обмотку (зажимы Их ). Трансформаторы тока применяют в современных щитовых многопредельных амперметрах. Трансформатор напряжения (рис. 2.22, а, б) состоит из сердечника и двух обмоток: первичной и вторичной. Его устройство и принцип работы сходны с силовым трансформатором небольшой мощности, работающим в режиме холостого хода. Первичную обмотку включают на измеряемое напряжение а вторичную замыкают на вольтметр или на обмотки напряжения счетчиков, ваттметров, фазометров и т. д. Так как сопротивление этих обмоток велико, то режим работы трансформатора напряжения можно считать режимом холостого хода, т. е. изменения первичного напряжения пропорциональны изменениям вторичного при постоянном коэффициенте трансформации k. Что же касается фазы вторичного напряжения, то она противоположна фазе первичного, а для правильности показаний ваттметров, фазометров и т. д. необходимо совпадение фаз первичного и вторичного напряжений. Этого можно добиться соответствующей маркировкой зажимов трансформатора. Принято зажимы первичной обмотки трансформатора напряжения маркировать А и X, а зажимы вторичной — а их, причем генераторными концами являются А и а. Все трансформаторы напряжения изготовляют таким образом, чтобы номинальное вторичное напряжение у них было стандартное и равное 100 В. На случай пробоя изоляции обмоток в целях безопасности обслуживающего персонала один зажим вторичной обмотки и стальной кожух трансформатора напряжения обязательно заземляют. В конструктивном выполнении трансформаторы напряжения очень похожи на маломощные силовые трансформаторы. При напряжениях свыше 6 кВ их делают с масляным заполнением. В качестве примера приведем схему включения трехфазного индукционного счетчика через измерительные трансформаторы (рис. 2.24). Здесь обе токовые катушки счетчика включены через трансформаторы тока ТТ, а обмотки напряжения — через трансформаторы напряжения ТН. На случай пробоя изоляции в целях безопасности обслуживающего персонала по одному зажиму вторичных обмоток каждого трансформатора заземлены. 2.1.4 Компенсатор постоянного тока. Аналоговые электронные вольтметры Компенсаторы - приборы, к воторых измерение производится методом сравнения измеренной величины с эталонной. Существуют компенсаторы постоянного и переменного тока, компенсационные методы применяются в цифровых приборах. Рассмотрим принцип компенсационного метода. Рисунок 2.25 – Принципиальная схема компенсатора Измеряемое Uх и компенсирующее U K включены встречно индикатору равенства. Регулируя U K добиваемся, чтобы индикатор показывал 0. В этом случае U X =U K Компенсаторы — приборы в которых измерение производится методом сравнения измеряемой величины с эталонной. Принцип действия компенсатора основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого напряжения известным падением напряжения на образцовом резисторе. Момент полной компенсации фиксируется индикаторным прибором (нуль-индикатором), Разработаны компенсаторы переменного и постоянного тока. Компенсационный метод применяется также в цифровых измерительных приборах. Рисунок 2.26- Упрощенная схема компенсатора Упрощенная принципиальная схема компенсатора постоянного тока для измерения напряжения Ux. Источник, постоянного напряжения Е 0 обеспечивает протекание рабочего тока Iр по цепи, состоящей из последовательно включенных измерительного Rи, установочного (образцового) Rу и регулировочного Rрег резисторов. В качестве источника образцовой ЭДС (меры ЭДС) используется нормальный элемент Енэ — изготавливаемый по специальной технологии гальванический элемент, среднее значение ЭДС которого при температуре 20° С известно с точностью до пятого знака и равно Енэ = 1,0186 В. Установочный резистор R у, представляет собой катушку сопротивлений специальной конструкции с точно известным и стабильным сопротивлением. В схеме элемент НИ — нуль-индикатор, реагирующий на очень маленькие постоянные токи (чувствительность по току S ни — порядка 10 -10 дел/А). С помощью переключателя нуль-индикатор вначале включается в цепь установочного сопротивления Rу (положение переключателя 1). При этом регулировочным сопротивлением Rрег добиваются отсутствия тока в цепи нуль индикатора. Это означает, что IрRу= Енэ, откуда значение рабочего тока определяется через соотношение Iр = Енэ / Rу =10-nА (для каждого типа компенсатора величина п — число индивидуальное и неизменное, что обеспечивается постоянством параметров источника напряжения Енэ и установочного сопротивления Rу ). Затем нуль-индикатор включается в измерительную цепь (положение переключателя 2) и изменением измерительного сопротивления Rи-добиваются нулевого тока, а значит; равенства Ux=IрR= ЕнэR/Rу. Итак, измеряемое напряжение определяется с достаточно высокой точностью и без нарушения работы измерительной цепи, так как в момент измерения ток через индикатор не протекает. С помощью компенсатора можно также определять ток в исследуемом устройстве, преобразовав его предварительно в напряжение согласно формуле Ix = Ux/R 0 , (41) где R 0 — образцовое сопротивление. В современных конструкциях компенсаторов вместо нормального элемента часто применяются эталонные (в частности стабилизированные) источники напряжения с более высоким значением коэффициента стабилизации, что позволяет расширить верхний предел измерения компенсатора до нескольких десятков вольт. Погрешность компенсатора постоянного тока определяется погрешностями резисторов Rи, Rу , ЭДС нормального элемента Енэ , а также чувствительностью нуль-индикатора. Современные потенциометры постоянного тока имеют класс точности от 0,0005 до 0,2. Верхний предел измерения до 1...2,5 В. При достаточной чувствительности мульти индикатора нижний предел измерения может составлять единицы нановольт. Компенсационные методы используются также для измерений и на переменном токе. Электронные измерительные приборы Это приборы, в которых основными функциональными узлами являются различные электронные преобразователи, в качестве выходных устройств используются магнито - электрические измерительные механизмы, а в некоторых типах электронно - лучевые трубки (ЭЛТ). Группа А-приборы для измерения силы тока. А1- установки для поверки амперметров. А2- амперметры постоянного тока А3- амперметры переменного тока А4- универсальные. Группа В-Приборы для измерения напряжения. В1- установки для поверки вольтметров. В2- вольтметры постоянного тока. В3- вольтметры переменного тока. В4- импульсные. В5- фазочувствительные. В6-селективные. В7-универсальные. В8- измерители отношения напряжений. Электронные вольтметры постоянного тока Предназначены для измерения напряжений в цепях постоянного тока. Рисунок 2.27 – Схема электронного вольтметра постоянного тока Измерение постоянных напряжений от долей вольта до нескольких киловольт может осуществляться с помощью электронных вольтметров, которые содержат измерительный механизм и ламповый или транзисторный усилитель постоянного тока. Существует несколько разновидностей электронных вольтметров постоянного тока, однако все они характеризуются структурной схемой, показанной на рисунке. Электронные вольтметры переменного напряжения Предназначены для измерения напряжений в цепях переменного тока. схема а схема б Рисунок 2.28 - Схема электронного вольтметра переменного напряжения Схема а – характеризуется широким частотным диапазоном 20Гц - 1000МГц, но недостаточно высокой чувствительностью. Схема б – характеризуется узким частотным диапазоном 10Гц - 20 МГц ,но более высокой чувствительностью. Универсальные электронные вольтметры Предназначены для измерения напряжений в цепях постоянного и переменного тока. Рисунок 2.29 – Схема универсального электронного вольтметра Входное устройство – состоит из аттенюатора, с помощью которого расширяют предел измерения вольтметра. Усилитель - для повышения чувствительности вольтметра , является усилителем мощности. МЭИМ – магнитоэлектрический измерительный механизм – электромеханический преобразователь. П- преобразователь (детектор) –преобразует переменное напряжение в постоянное. Конструктивно вольтметры переменного тока могут быть выполнены с выносным пробником, в состав которого входит входное устройство , или входное устройство с усилителем. Это позволяет увеличить чувствительность за счет снижения потерь сигнала на проводах. 2.1.5 Цифровые измерительные приборы В настоящее время, конечно, большее распространение получили цифровые вольтметры – приборы с цифровым отсчетным устройством и аналого-цифровым преобразователем, в котором напряжение (или другие физические величины; частота, сдвиг фаз и т.д.) автоматически преобразуются в цифровой код. Такие приборы имеют ряд преимуществ перед стрелочными: обладают широким диапазоном измеряемых напряжений (от 1 мВ до 1000 В), быстродействием, позволяют проводить измерения с малыми погрешностями (0,01 - 0,005), так как принцип действия большинства приборов основан на методе сравнения, а цифровой отсчет исключает погрешность считывания. Цифровые вольтметры позволяют также вводить данные измерений непосредственно в вычислительные машины, что позволяет в дальнейшем обрабатывать полученные данные более оперативно. К недостаткам можно отнести сложность устройства, меньшую надежность и высокую стоимость. Существуют различные принципы построения цифровых вольтметров постоянного тока: По типу используемых элементов в схемах они делятся на: • электромеханические; • электронные; • комбинированные. По способу аналого-цифровых преобразований подразделяются на приборы с: • пространственным кодированием; • промежуточным преобразованием (в интервал времени, частоту, фазу и т.д.); • уравновешенным образцовым напряжением (наиболее точные). Обобщенная структурная схема электронного цифрового вольтметра представлена на рисунке. Рисунок 2.30 - Обобщенная структура схема электронного цифрового вольтметра Входное устройство представляет собой высокоомное сопротивление (порядка 10МОм) или катодный (эмиттерный) повторитель с калиброванным делителем. Сравнивающее устройство (нуль-орган) служит для сравнения измеряемого и образцового напряжения. Управляющие устройства состоят из генератора импульсов, задающего циклы измерения и управляющего работой логических схем. Преобразователь напряжения в код создает образцовое напряжение U ОБР , которое подается в сравнивающее устройство. Электронный ключ представляет собой устройство, которое включает или переключает выходное напряжение под действием одного или нескольких входных напряжений, называемых управляющими. Электронные счетчики осуществляют отсчет измеряемого напряжения в цифровом коде (обычно в двоичной системе). В цифровых вольтметрах нашли применение: преобразователь «напряжение – временной интервал – цифровой код», время-импульсный преобразователь интегрирующего типа, преобразователь «напряжение – частота – цифровой код», которому в силу особенностей измерения частоты также относится к АЦП интегрирующего типа. На практике встречаются цифровые вольтметры с АЦП поразрядного уравновешивания. Преобразователи интегрирующего типа используются в большинстве современных цифровых вольтметров. При этом вольтметр измеряет среднее значение напряжения за период интегрирования, что позволяет при соответствующем выборе периода интегрирования подавить напряжение аддитивных помех, присутствующих в исследуемом сигнале. АЦП «напряжение – временной интервал – цифровой код». Структурная схема и временный диаграммы, поясняющие принцип работы, приведены на рис. 2.31, а и б соответственно. На схеме приняты обозначения: ССI и ССII – схемы сравнения, ГЛИН – генератор линейно изменяющегося напряжения, ФТ – формирователь временного интервала, ВС – временной селектор, Г – генератор счѐтных импульсов, СЧ – счѐтчик импульсов, ОУ – отсчѐтное устройство, БУ – блок управления. Рисунок 2.31 АЦП работает следующим образом. Напряжение с генератора линейно изменяющегося напряжения подаѐтся на две схемы сравнения, где сравнивается с нулевым напряжением (начало интервала времени) и с измеряемым напряжением (конец интервала времени). Импульсы начала и конца соответствующего интервала подаются на формирователь, формирующий импульс, длительность Тх которого пропорциональна величине измеряемого напряжения. На один из выходов временного селектора поступают импульсы с генератора счѐтных импульсов, которые далее проходят на счѐтчик, если на второй вход временного селектора воздействует импульс, сформированный формирователем. Количество подсчитанных импульсов m за время Т при неизменной частоте генератора счѐтных импульсов пропорционально величине измеряемого напряжения. Цифровые вольтметры, использующие подобные АЦП, имеют погрешность 0,1 - 0,05%. Преимуществом таких АЦП является простота их технической реализации. Это преимущество теряется при повышении требования к точности преобразователя в основном за счет усложнения конструкции ГЛИН. Время-импульсные АЦП интегрирующего типа. Наибольшее распространение получили АЦП с двойным интегрированием. Структурная схема и временные диаграммы, поясняющие принцип работы приведены на рис. 2.32, а и б соответственно. На схеме введены дополнительные обозначения: ИНТ - интегратор (например RC), БУ - блок управления. АЦП работает следующим образом. Блок управления формирует последовательность прямоугольных импульсов с длительностью Т 1 , и пауз - длительностью T 2 . В момент появления импульса входное напряжение uвх подается на вход интегратора. Интегрирование напряжения осуществляется за время Т1, По окончании импульса заканчивается первый такт интегрирования. В начале такта Т 2 от интегратора отключается измеряемое напряжение Uвх, и подключается опорное образцовое напряжение Еобр обратной полярности. Во втором такте интегрируется опорное напряжение до момента времени, когда напряжение на интеграторе сравняется с нулем. Длительность второго такта интегрирования Тх пропорциональна величине измеряемого напряжения. Чем больше величина измеряемого напряжения, тем больше длительность второго такта. Рисунок 2.32 В большинстве современных цифровых вольтметров используется АЦП время-импульсного типа с двойным интегрированием. Погрешность таких цифровых вольтметров может достигать 0,02 - 0,005%. Для поддержания условия кратности периода интегрирования Т периоду помехи (50 и 400 Гц) в цифровых вольтметрах используют автоматическую подстройку частоты. АЦП с преобразованием напряжения в частоту. Несмотря на сравнительную сложность практической реализации, подобные АЦП используются в ряде цифровых вольтметров, а также в дополнительных блоках к электронно-счетным частотомерам. Это позволяет расширить возможности частотомеров и использовать их в качество вольтметров. Структурная схема и временные диаграммы наиболее часто используемого преобразователя приведены на рис. 2.33, а и б соответственно, где ПОС - преобразователь обратной связи; УПТ - усилитель постоянного тока, который совместно с R1, R2 и С представляет собой интегратор. Подобный преобразователь напыляют преобразователем с импульсной обратной связью. Выходная мгновенная частота преобразователя пропорциональна среднему значению напряжения за время интегрирования Ти. Однако измеренная частота на интервале измерения Тиз пропорциональна среднему значению напряжения на этом интервале. Рисунок 2.33 (a) Преобразователь "напряжение - частота" работает следующим образом. При подаче напряжения Ux на вход интегратора с постоянной времени интегратора R 1 C напряжение на выходе интегратора растет. При равенстве этого напряжения и Еобр преобразователь обратной связи вырабатывает сигнал, возвращающий интегратор в первоначальное состояние. При постоянномUx эти операции повторяются периодически. Рисунок 2.33 (б) Вольтметры, использующие подобные АЦП, позволяет получить погрешность измерения 0,1 – 0,005% и возможность подавления помех. Кодоимпульсные цифровые вольтметры В кодоимпульсных цифровых вольтметрах (в вольтметрах с поразрядным уравновешиванием) реализуется принцип компенсационного метода измерения напряжения. Упрощенная структурная схема такого вольтметра представлена на рис. 2.34. Измеряемое напряжение Ux, полученное с входного устройства, сравнивается с компенсирующим напряжением Uк вырабатываемым прецизионным делителем и источником опорного напряжения. Компенсирующее напряжение имеет несколько уровней, квантованных в соответствии с двоично-десятичной системой счисления. Например, двухразрядный цифровой вольтметр, предназначенный для измерения напряжений до 100 В, может включать следующие уровни напряжений: 80,40,20, 10, 8,4,2,1 В. Сравнение, измеряемого U‘x и компенсирующего Uк напряжений производится последовательно по командам управляющего устройства. Процесс сравнения напряжений показан на рис. 2.33. Управляющие импульсы Uy через определенные интервалы времени переключают сопротивления прецизионного делителя таким образом, что на выходе делителя последовательно возникают значения напряжения: 80, 40, 20, 10, 8, 4, 2, 1 В; одновременно к соответствующему выходу прецизионного делителя подключается устройство сравнения. Если Uк>U'x, то с устройства сравнения поступает сигнал Uср на отключение в делителе соответствующего звена, так, чтобы снять сигнал Uк . Если Uк На рис. 2.34 для наглядности показан процесс кодирования аналогового напряжения с амплитудой 63 В, из которого видно, что код, соответствующий этому сигналу, будет 01100011. Процесс измерения напряжения в кодоимпульсном приборе напоминает взвешивание на весах, поэтому приборы иногда зазывают поразрядно-уравновешивающими. Точность кодоимпульсного прибора зависит от стабильности опорного напряжения, точности изготовления делителя, порога срабатывания сравнивающего устройства. Для создания нормальной помехозащищенности (60…70 дБ) на входе приборов ставится помехоподавляющий фильтр. В целом такой цифровой прибор обладает хорошими техническими характеристиками и используется как лабораторный. Вольтметр частотно-импульсного преобразования с пнч Свойство помехозащищенности легко обеспечить, используя преобразование напряжения в частоту, а затем измерить эту частоту с помощью частотомера средних значений за интервал времени, кратный предполагаемому периоду помехи, например, за 20 мс. Обобщенная структура вольтметра будет выглядеть так, как это показано на рис. 2.35. Рисунок 2.35 - Обобщенная структурная схема вольтметра частотно- импульсного преобразования с ПНЧ Работа схемы осуществляется следующим образом. Измеряемое напряжение поступает на вход преобразователя напряжение частота (ПНЧ), на выходе которого будет присутствовать последовательность прямоугольных импульсов определенных для данной схемы логических уровней, частота F X следования которых описывается уравнением , (42) где К ПНЧ – коэффициент (крутизна) преобразования ПНЧ. Частота F X с помощью схемы преобразователя частота – код (ПЧК) преобразуется в цифровой код N X за время преобразования Т 0 , формируемое в схеме ПЧК, т.е. (43) Уравнение преобразования рассматриваемого вольтметра будет иметь вид (44) Цифровой код N X поступает на ЦОУ, в результате чего на его индикаторах отображается число, соответствующее измеряемому напряжению N X Как видно из уравнения преобразования, погрешность измерения представляет собой сумму погрешностей ПНЧ и ПЧК. Разновидности ПНЧ, используемые в ЦИУ: Преобразователи напряжение – частота (ПНЧ) служат средством преобразования электрических сигналов для различных приборов и систем. Они обеспечивают высокую помехозащищенность и чувствительность приборов. ПНЧ применяются при решении задач построения интегрирующих АЦП, измерении усредненных параметров сигналов, а также при решении задач генерации и модуляции частоты. В приборостроении наибольшее распространение получили интегрирующие ПНЧ, обладающие следующими достоинствами: а) хорошей точностью при минимальном числе необходимых прецизионных компонентов (у ПНЧ на дискретных компонентах достигается линейность от 0,1 до 0,001%, в интегральных микросхемах – до 0,01%); б) высокой помехоустойчивостью; в) малой чувствительностью к изменениям питающего напряжения; г) отсутствием дифференциальной нелинейности. ПНЧ преобразуют входное напряжение в частоту выходных импульсов, которые могут передаваться на большие расстояния без искажения информационного параметра – частоты. Интегрирующие ПНЧ можно разделить на три основных группы: 1. с заданной длительностью одного такта; 2. с заданной амплитудой напряжения на выходе интегратора; 3. с заданным интегралом непрямоугольного компенсирующего импульса. ПНЧ с заданным тактом (пнчзт) Такие ПНЧ строятся по принципу двухтактного интегрирования с фиксированной длительностью 1-го такта. Общее уравнение преобразования ПНЧ ЗТ имеет вид , (45) где U 1 , U 2 – напряжения, подключенные к входу интегратора, в первом и втором тактах преобразования соответственно; Т 1 – длительность первого такта преобразования. Обычно схемы ПНЧ ЗТ выполняются так, что U 1 = U ВХ – U 0 , U 2 = U ВХ Отсюда уравнение преобразования ПНЧ данного типа, в общем виде, можно записать следующим образом: (46) где U 0 – опорное напряжение ПНЧ. В интегральном исполнении ПНЧ ЗТ выпускаются, например, в виде микросхем КР1108ПП1, КР1143ПП1, AD650, AD652, ADVFC32 (производитель – корпорация AnalogDevices) и VFC32, VFC320 (производитель – фирма BurrBrown). Несомненным достоинством интегральных ПНЧ данного типа является, как было сказано выше, высокая линейность характеристики преобразования. Кроме того, применение интегральных ПНЧ позволяет свести к минимуму количество дополнительных внешних ЭРЭ. Однако интегральные ПНЧ имеют и ряд недостатков. К ним относятся, в частности, сравнительно узкий диапазон частот выходного сигнала, а также некоторые трудности, связанные с коррекцией погрешностей интегратора, а именно ЭДС смещения нуля и входных токов. Поэтому разработчики РЭА зачастую используют в проектах приборов и систем ПНЧ ЗТ, реализованные на дискретных элементах. Один из вариантов построения схемы такого ПНЧ приведен на рис. 2.35. Рисунок 2.36 - Функциональная схема ПНЧ ЗТ Временные диаграммы работы данной схемы приведены на рис. 2.36. Рисунок 2.37 - Временные диаграммы работы ПНЧ ЗТ Работа схемы происходит следующим образом. При включении ПНЧ и подаче входного напряжения U BX положительной полярности начинает увеличиваться напряжение U И на выходе интегратора. Как только оно достигнет напряжения стабилизации U CT стабилитрона VD1, на входе "J" триггера DD1 установится логическая "1". Таким образом, триггер перейдет в счетный режим (режим делителя частоты на 2). Первый же задний фронт импульса с выхода генератора образцовой частоты (ГОЧ) установит на выходе триггера "1", которая замкнет ключ S1 на выход источника опорного напряжения U 0 . При этом начнется формирование заданного такта Т 1 Под действием напряжения U 0 напряжение U И начинает убывать. Первый же задний фронт импульса с выхода ГОЧ установит на выходе триггера "0", который переключит ключ S1 на землю. Такт Т 1 завершится, и начнется такт Т 2 . В этом такте на вход интегратора будет поступать только напряжение U BX , и напряжение U И вновь начнет возрастать. Как только это напряжение достигнет уровня U CT , на входе "J" триггера DD1 вновь установится логическая "1". Первый же задний фронт импульса с выхода ГОЧ установит на выходе триггера "1", которая замкнет ключ S1 на выход источника опорного напряжения U 0 . Таким образом, такт Т 2 будет завершен. Далее описанный выше процесс повторяется. Получим выражение, связывающее входное напряжение U BX и выходную частоту f ВЫХ В первом такте напряжение на конденсаторе С определяется выражением (47) где t 0 = Т 1 – длительность 1-го такта преобразования, равная периоду следования импульсов с выхода ГОЧ. Во втором такте напряжение на конденсаторе С определяется выражением (48) Так как среднее значение напряжения на конденсаторе С за время преобразования равно нулю, т.е. , то (49) или (50) Период выходного сигнала (51) Отсюда уравнение преобразования ПНЧ ЗТ, выполненного по схеме рис. 2.37: (52) Достоинством такого ПНЧ является то, что точность элементов времязадающей цепи интегратора R1, C не влияет на точность преобразования. Погрешности данного ПНЧ полностью определяются операционным усилителем (ОУ) DA1 (подробно погрешности ОУ и схем на их основе рассмотрены в [1, 2]). Недостатком этого ПНЧ является сравнительно небольшое быстродействие (выходная частота не превышает 250 МГц), определяемое быстродействием триггера DD1 и ключа S1 (это самый медленный элемент схемы), а также частотными погрешностями ОУ интегратора. Еще одна схемная реализация ПНЧ ЗТ, выполненного на дискретных элементах, приведена на рис. 2.38. Рисунок 2.38 - Функциональная схема ПНЧ ЗТ с образцовым источником тока: И – интегратор; К – компаратор; _ _ – одновибратор Работает такой ПНЧ следующим образом. Под действием положительного входного сигнала U ВХ напряжение U И на выходе интегратора уменьшается. При этом ключ S разомкнут, т.к. на выходе одновибратора "0". Когда напряжение U И уменьшится до нуля, компаратор переключается в из "1" в "0", запуская тем самым одновибратор. Одновибратор формирует импульс стабильной длительности Т И , который управляет ключом (последовательность этих импульсов является выходным сигналом ПНЧ). Ключ замыкается, и ток I ОП от источника тока в течение Т И поступает на вход интегратора, вызывая увеличение выходного напряжения интегратора. Далее описанный процесс повторяется. Импульсы тока I ОП уравновешивают ток, вызываемый входным напряжением U ВХ . В установившемся режиме , (53) откуда следует, что частота сигнала на выходе схемы (54) где U ВХср – среднее значение входного напряжения за период Т. Это выражение показывает, что точность преобразования определяется точностью установки опорного тока I ОП , точностью формирования длительности импульса одновибратора Т И , а также точностью резистора R. Емкость конденсатора С не оказывает влияния на частоту ПНЧ. Данная схема имеет более широкий диапазон преобразования по сравнению со схемой, приведенной на рис. 2.36, за счет того что коммутация тока I ОП производится токовым ключом, быстродействие которого выше, чем быстродействие потенциального ключа. Однако, как видно из уравнения преобразования, и количество источников погрешностей в этой схеме больше. Основной недостаток этой схемы: неравномерная расстановка выходных импульсов. Эти импульсы синхронизированы с импульсами опорной частоты f 0 с выхода ГОЧ. На выходе ПНЧ присутствуют "пачки" импульсов, и лишь среднее значение выходной частоты будет соответствовать уравнению преобразования. 2.1.6 Особенности измерения тока и напряжения повышенной и высокой частот. Безопасность при измерении тока и напряжения Для измерения и обнаружения малых токов (10 -11 - 10 -5 А) и напряжений (меньших 10 -4 В) применяют гальванометры – высокочувствительные измерительные механизмы обычно магнитоэлектрической системы. В отличие от приборов, шкалы которых градуируются в измеряемых величинах, гальванометры имеют неименованную шкалу, цена деления которой указывается в паспортных данных прибора или определяется экспериментально. Измерение постоянных токов и напряжений можно производить с помощью амперметров и вольтметров электромагнитной и электродинамических систем. Они применяются в основном для измерений в цепях переменного тока. Для измерения тока и напряжения промышленной частоты наиболее часто используют приборы электромагнитной и электродинамической систем. Для измерения в диапазоне частот 40 - 500 Гц используются электромагнитные амперметры и вольтметры в виде стационарных или переносных приборов. Стационарные (щитовые) приборы изготавливают однопредельными, чаще всего на 5А и 100В, а переносные – многопредельными. Амперметры представляют собой непосредственно измерительный механизм электромагнитной системы. Число витков катушки и толщина провода выбираются в зависимости от значения измеряемого тока таким образом, чтобы образующееся магнитное поле в месте расположения ферромагнитного сердечника обеспечило полное отклонение подвижной части измерителя при номинальном значении тока. Электромагнитные амперметры способны выдерживать большие перегрузки по току; мощность, потребляемая амперметрами на 5 - 10 А, примерно равна 0,5 - 2,0 Вт. В электромагнитных вольтметрах последовательно с катушкой измерительного механизма включено без реактивное добавочное сопротивление. Катушка изготавливается из большого числа витков тонкого медного провода. Для того чтобы вольтметр имел одну шкалу для измерения на постоянном и переменном токе, его полное сопротивление Z V должно по возможности иметь активный характер, т.е. Z V = RV. Это достигается ограничением частотного диапазона измеряемых напряжений и таким подбором добавочного сопротивления, при котором реактивностью цепи вольтметра можно пренебречь. Температурная и частотная погрешности у вольтметров электромагнитной системы больше, чем у амперметров. Это объясняется большим числом витков катушки измерительного механизма. Мощность, потребляемая вольтметром, в зависимости от его конструкции и пределов измерения колеблется в пределах от 3 до 20 Вт. Электродинамические приборы используются обычно для измерения тока и напряжения в диапазоне 40 Гц - 1 кГц. При более высоких частотах появляется значительные дополнительные (частотные) погрешности. Выпускаемые вольтметры переменного тока содержат различные преобразователи переменного напряжения в постоянное. Шкалы вольтметров могут градуироваться для разных параметров переменного напряжения. При градуировке шкалы имеет большое значение форма переменного напряжения. Следовательно, в зависимости от принятого преобразователя и условий градуировки вольтметр переменного тока может измерять одни параметры напряжения переменного тока, а показывать другие значения. При градуировке шкалы учитывается коэффициент пересчета k П измеряемого параметра переменного напряжения в показываемое значение. Это приводит к тому, что показания различных вольтметров переменного тока при измерении одного и того же параметра переменного напряжения могут быть различны. Необходимо отметить, что подавляющее большинство вольтметров переменного тока (за исключением импульсных вольтметров) проградуировано в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения |