Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

_{Контрольная работа}

_{Измерение тока и напряжения}

Содержание

_{1. Измеряемые параметры напряжений}

_{2. Классификация вольтметров}

_{3. Электромеханические приборы}

_{4. Магнитоэлектрические приборы с преобразователями}

_{5. Аналоговые электронные вольтметры}

_{6. Цифровые электронные вольтметры}

_{Литература}

1. Измеряемые параметры напряжений

В телекоммуникационных системах преобладающим является измерение напряжения. Поэтому будем рассматривать вопросы измерения напряжения, по значениям которого при необходимости вычисляется сила тока.

При измерении постоянного напряжения оценивается величина и полярность. Измерение параметров напряжения переменного тока является сложной метрологической задачей, связанной с обеспечением требуемого частотного диапазона и учетом формы кривой измеряемого напряжения.

Для характеристики переменного напряжения используют следующие параметры:

- среднее значение (постоянная составляющая) U₀

(1)

где Su(t) - площадь, занимаемая кривой напряжения;

- средневыпрямленное значение U_св

(2)

- среднеквадратическое (действующее, эффективное) значение

(3)

Для несинусоидального напряжения, разложенного в ряд Фурье, т.е.

(4)

среднеквадратическое значение напряжения получается равным

(5)

Максимальное (амплитудное, пиковое) значение U_m -- наибольшее мгновенное значение напряжения на интервале наблюдения, на периоде для периодических сигналов.

В соответствии с ГОСТ 16465-70 термины "амплитудное", "пиковое", "действующее" и "эффективное" значения сигнала являются не рекомендуемыми к употреблению.

Перечисленные параметры связаны между собой посредством следующих коэффициентов:

Формы К_ф = U_ск / U_св (6)

Амплитуды К_а = U_m / U_ск (7)

Усреднения К_у = К_ф К_ф = U_m / U_св (8)

2. Классификация вольтметров

В зависимости от применяемого метода измерения напряжения вольтметры подразделяют на приборы непосредственной оценки и приборы, работающие на методе сравнения с мерой.

В зависимости от структурной схемы вольтметры разделяются на:

1 - электромеханические;

2 - электронные аналоговые;

3 - электронные цифровые.

В зависимости от рабочего диапазона частот вольтметры делят на:

1 - низкочастотные;

2 - высокочастотные;

3 - сверхвысокочастотные;

4 - широкополосные.

В зависимости от вида измеряемого напряжения вольтметры обозначают:

1 - В2 - постоянного тока;

2 - В3 - переменного тока;

3 - В4 - импульсные;

4 - В5 - фазочувствительные;

5 - В6 - селективные;

6 - В7 - универсальные.

В зависимости от характера измеряемого значения переменного напряжения вольтметры подразделяют на:

1 - амплитудные (пиковые);

2 - среднеквадратического (действующего) значения;

3 - средневыпрямленного значения.

3. Электромеханические приборы

Электромеханические приборы относятся к классу приборов непосредственной оценки и состоят из двух частей: измерительного преобразователя и измерительного механизма. В измерительном преобразователе измеряемая величина преобразуется в электрическую, удобную для измерения измерительным механизмом. Измерительный механизм электромеханического прибора работает на принципе преобразования энергии электромагнитного поля измеряемой величины в механическую энергию, т.е. в перемещение стрелки в приборе. Измерительные механизмы различаются способом преобразования электромагнитной энергии в механическую. Наибольшее распространение в телекоммуникационных системах нашли следующие системы измерительных механизмов:

1. магнитоэлектрические, основанные на взаимодействии поля постоянного магнита и одного или нескольких контуров с электрическим током;

2. электромагнитные, основанные на взаимодействии поля соленоида с сердечником из магнитомягкого материала;

3. электродинамические, основанные на взаимодействии подвижных и неподвижных контуров с токами;

4. электростатические, основанные на взаимодействии электрически заряженных тел.

Каждый измерительный механизм электромеханического прибора состоит из подвижной и неподвижной частей, на которые действуют механические силы, пропорциональные значению измеряемой электрической величины. Они создают вращающий момент относительно оси подвижной части, под влиянием которого она совершает угловое перемещение. Для отсчета измеряемой величины необходимо, чтобы каждому значению измеряемой величины и, значит, действующему моменту соответствовало определенное отклонение подвижной части. Для этого в измерительном механизме создается противодействующий момент, направленный навстречу действующему и возвращающий подвижную систему в равновесие. На основании анализа процессов, протекающих в измерительном механизме, получают соотношения для установившегося режима работы электромеханического прибора в виде уравнения шкалы.

Под действием измеряемого сигнала стрелка измерительного прибора отклоняется, прибор откликается, обеспечивая U_отк. Величина U_отк определяется значением измеряемого сигнала U_вх и свойствами измерительного механизма А. Напряжение, в котором прибор отградуирован (U_град), связано с напряжением отклика с помощью коэффициента градуировки

(9)

Рисунок 1.

Рассмотрим кратко основные свойства простейших электромеханических приборов.

1) Приборы магнитоэлектрической системы конструктивно представляют собой постоянный магнит и контур с током, выполненный в виде катушки. Они откликаются на постоянную слагаемую сигнала и градуируются также в этих значениях, т.е. коэффициент градуировки с=1 .

Достоинства: 1- высокая чувствительность, 2- хорошая защищенность от внешних магнитных полей, 3- малое собственное потребление энергии, 4- приборы могут быть выполнены высокого класса точности.

Недостатки:1- прибор измеряет только постоянную составляющую сигнала, 2- прибор боится перегрузок.

Область применения микро- и миллиамперметры в цепях постоянного тока, а с преобразованиями и в цепях переменного тока.

2) Приборы электромагнитной системы. Основаны на взаимодействии поля неподвижной катушки с полем сердечника из магнитного металла, они откликаются и градуируются в среднеквадратических значениях измеряемого тока или напряжения, т.е. коэффициент градуировки с= 1.

Достоинства: 1- простота конструкции, 2- не боится перегрузок.

Недостатки: 1- невысокая точность, 2- подвержен действию внешних полей.

Для защиты от внешних электромагнитных влияний используют экранирование и астазирование, сущность которого заключается в использовании двух катушек, включаемых так, чтобы собственные магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ были направлены в противоположные стороны. В этом случае появление внешнего магнитного потока не приведет к изменению среднего значения собственного магнитного потока.

Рисунок 2.

3) Приборы электродинамической системы основаны на взаимодействии магнитных полей системы подвижных и неподвижных контуров с токами в виде катушек, они откликаются и градуируются в среднеквадратических значениях измеряемого тока или напряжения, т.е. коэффициент градуировки с= 1.

Достоинства: 1- прибор автоматически измеряет среднюю мощность сигнала, 2- прибор может быть выполнен высокого класса точности.

Недостатки: 1- низкая чувствительность, 2-большие габариты, 3-слабая защищенность от внешних магнитных полей, 4- низкий диапазон рабочих частот.

Ферродинамические приборы отличаются тем, что неподвижная катушка имеет магнитный сердечник, позволяющий улучшить чувствительность, уменьшить габариты, но точность измерений уменьшается.

4) Электростатические приборы основаны на взаимодействии электрически заряженных проводников. Они откликаются и градуируются в среднеквадратических значениях напряжения, т.е. коэффициент градуировки с= 1.

Достоинства: 1- при измерении постоянных напряжений прибор является практически идеальным вольтметром, 2- может измерять непосредственно большие значения напряжений, 3- при измерении переменных напряжений частотный диапазон рабочих частот лежит в пределах 10-20 МГц, при этом входное сопротивление носит емкостной характер.

Недостатки:1- низкая чувствительность, 2- прибор измеряет только напряжение.

Все рассмотренные электромеханические приборы градуируются при подаче на них синусоидального сигнала и имеют коэффициент градуировки, равный 1, что приводит к независимости показаний указанных приборов от формы измеряемого напряжения.

4. Магнитоэлектрические приборы с преобразователями

Из анализа характеристик рассмотренных электромеханических приборов следует, что приборы магнитоэлектрической системы по сравнению с другими приборами обладают рядом существенных достоинств, однако для применения их в цепях переменного тока необходимо преобразование переменного тока в постоянный.

В качестве преобразователей переменного тока в постоянный могут использоваться:

1 - термопреобразователи, такие приборы называются термоэлектрическими;

2 - полупроводниковые диоды, такие приборы называются выпрямительными.

Термоэлектрические вольтметры

Термоэлектрические вольтметры представляют собой сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма с одной или несколькими термопарами. Термопреобразователь включает в себя нагреватель, по которому протекает измеряемый сигнал, и термопару, на концах которой возникает термоЭДС. В цепь термопары включен микроамперметр, измеряющий термоток. Под действием измеряемого тока i(t) в нагревателе выделяется тепловая энергия Q, величина которой пропорциональна квадрату измеряемого тока. Выделяемое тепло обеспечивает нагревание термопары, приводящее к возникновению термоЭДС и соответственно термотока i_T(t), протекающего через микроамперметр i_пр(t). Поскольку переменный ток преобразуется в постоянный путем превращения электрической энергии в тепловую, прибор будет откликаться на среднеквадратическое значение измеряемого напряжения и градуироваться также в этих значениях, т.е. с = 1.

Рисунок 3 4.1

i(t) > Q = k·i(t) > E_T > i_T(t) = i_пр(t)

V_отк = V_ск(10)

V_град = V_ск(11)

с = 1

(12)

Достоинства:

1) С=1 означает, что показания такого прибора не зависят от формы измеряемых напряжений;

2) можно производить градуировку на постоянном токе;

3) широкий диапазон рабочих частот (до 10 МГц).

Недостатки:

1) малый срок службы термопары даже при нормальных условиях эксплуатации;

2) чувствительность термопары к электромагнитным, механическим и другим воздействиям;

3) необходимость применения измерительного механизма повышенной чувствительности.

Чаще всего на основе термоэлектрической системы конструируют высокочастотные амперметры, измеряющие токи в достаточно широком диапазоне частот.

Выпрямительные приборы

Выпрямительные приборы представляют собой сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма с одним или несколькими полупроводниковыми преобразователями. Основные операции, выполняемые схемой такого прибора следующие: преобразование измеряемого напряжения с помощью полупроводникового диода, выделение постоянной составляющей и ее измерение с помощью магнитоэлектрического прибора.

В зависимости от схемного решения различают выпрямительные приборы:

а) с однополупериодным выпрямлением;

б) c двухполупериодным выпрямлением.

Магнитоэлектрический прибор реагирует на постоянный (средневыпрямленный) ток, т. е.

Выпрямительный прибор будет откликаться на средневыпрямленное значение, а градуироваться в среднеквадратических значениях синусоидального сигнала. Эти величины в соответствии с (4.6) связаны между собой коэффициентом усреднения, который в данных приборах будет являться коэффициентом градуировки. Это значит, что коэффициент градуировки будет отличаться от 1 (в схеме с однополупериодным выпрямлением с=2,22, с двухполупериодным выпрямлением с=1,11) и показание такого прибора будут содержать методическую погрешность, зависящую от формы измеряемого напряжения.

Упрощенные схемы выпрямительных приборов с однополупериодным (рис.4) и двухполупериодным (рис.6) выпрямлением, а также форма токов в измерительном приборе показана на рисунках 5 и 7 соответственно.

Рисунок 4.

Рисунок 5

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

с=2.22

Рисунок 6.

Рисунок 7

(7.16)

Основные характеристики выпрямительных приборов:

Достоинства:

1) простота конструкции;

2) высокая чувствительность;

3) широкий диапазон рабочих частот (50…10⁵ Гц)

Недостатки:

1) погрешность, обусловленная зависимостью показаний приборов от температуры;

2) дополнительная погрешность от частоты измеряемого сигнала из-за наличия емкости обратного перехода полупроводникового диода.

Для уменьшения этих недостатков вводят схемы частотной и температурной компенсации.

Рисунок 8.

R₁ - из металла

R₂ - из сплава - манганин (металл, не зависящий от температуры)

При увеличении температуры t величины сопротивлений изменяются: R₁ - увеличивается, сопротивление моста Rм - уменьшается, сопротивление R₂ остается постоянным, а результирующее сопротивление схемы практически не изменяется. Для компенсации частотной погрешности ставится конденсатор С.

Выпрямительные приборы выполняются в виде многопредельных и многоцелевых лабораторных приборов, называемых тестерами.

5. Аналоговые электронные вольтметры

Обобщенная структурная схема аналоговых электронных вольтметров (рис.9) содержит максимальное число блоков, некоторые из которых в зависимости от назначения вольтметра могут отсутствовать. В электронных вольтметрах, снабженных усилительными устройствами потребление мощности из измерительной цепи ничтожно мало. К достоинствам электронных вольтметров относятся: широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20 Гц до 1000 МГц), высокая чувствительность, хорошая перегрузочная способность.

Рисунок 9.

1. Входное устройство предназначено для:

а) ослабления сигнала в заданное число раз, позволяющего расширить диапазон в сторону больших измеряемых напряжений;

б) обеспечения входных параметров вольтметра: входного сопротивления в пределах 1 - 10 МОм, входной емкости 1 - 30 пФ.

Усилители переменного тока служат для

а) повышения чувствительности

б) расширения динамического диапазона в сторону меньших измеряемых напряжений.

Для выполнения указанных задач усилители переменного тока должны иметь заданный и высокостабильный коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот и температур, малые нелинейные искажения, малые собственные шумы и быть нечувствительными к колебаниям напряжения питания, что достигается использованием многокаскадных усилителей, охваченных отрицательной обратной связью.

3. Усилители постоянного тока служат для обеспечения согласования небольшого внутреннего сопротивления магнитоэлектрического измерительного механизма с большим сопротивлением нагрузки преобразователя. К усилителям постоянного тока предъявляются жесткие требования в отношении постоянства коэффициента усиления и малого дрейфа нуля, т. е. медленного изменения выходного сигнала при отсутствии на входе информационного сигнала. Они выполняются в виде мостовых схем с отрицательной обратной связью.

4. Преобразователи служат для преобразования переменного тока в постоянный, в качестве преобразователей служат детекторы. Детекторы можно классифицировать по функции преобразования входного напряжения в выходное на следующие типы: квадратичные, линейные, амплитудные (пиковые). Тип детектора во многом определяет свойства прибора: так вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными; вольтметры с квадратичными детекторами позволяют измерять напряжения любой формы; вольтметры с линейными детекторами пригодны только для измерения гармонического сигнала, но являются самыми простыми, надежными и дешевыми.

Аналоговые электронные вольтметры могут строиться по двум основным схемам: усилитель - преобразователь и преобразователь - усилитель. Первая из схем обладает большой чувствительностью, но частотный диапазон у таких вольтметров определяется полосой пропускания усилителя переменного тока и составляет сотни килогерц; вторая схема используется в вольтметрах для измерения напряжения значительного уровня, т.к. обеспечить большое усиление с помощью усилителя постоянного тока сложно, зато частотный диапазон таких усилителей и, соответственно вольтметров, может составлять сотни мегагерц.

Электронные вольтметры могут иметь открытый или закрытый вход по отношению к постоянной составляющей измеряемого напряжения. При закрытом входе схема вольтметра содержит разделительный конденсатор, не пропускающий постоянную составляющую сигнала, при открытом входе такого конденсатора нет и на блоки вольтметра поступает как переменная, так и постоянная составляющая сигнала.

Элементная база, используемая при создании вольтметров переменного напряжения, определяется существующим на момент создания вольтметров уровнем техники (от полупроводников образцов до микроинтегрального исполнения), однако функциональное назначение блоков остается неизменным.

Вольтметры переменного тока (типа В3)

Вольтметры переменного тока строятся по схеме усилитель-преобразователь. В качестве преобразователей могут использоваться квадратичные или линейные детекторы.

Если применяются квадратичные детекторы, то такие вольтметры называются вольтметрами среднеквадратических значений, их структурная схема приведена на рис. 10.

Рисунок. 10.

Квадратичный детектор преобразует переменное напряжение в постоянное, пропорциональное, согласно формуле (5), квадрату среднеквадратического значения измеряемого напряжения. Значит, измерение среднеквадратического напряжения связано с выполнением трех операций: возведение в квадрат мгновенного значения сигнала, усреднение и извлечение корня из результата усреднения (последняя операция обычно осуществляется при градуировки шкалы вольтметра). Возведение в квадрат мгновенного напряжения как правило производят с помощью полупроводникового диода, используя начальный участок вольт-амперной характеристики, описываемой квадратичной зависимостью. Однако протяженность квадратичного участка характеристики обычно невелика (не более 100 мВ), одним из методов для расширения этого участка является метод кусочно-линейной аппроксимации. Для этого в схему детектора включают несколько диодных ячеек и подбором напряжения смещения на диодах получают суммарную вольт-амперную характеристику, приближающуюся по форме к квадратичной кривой (рис. 11).



Рисунок 11.

Если в вольтметрах переменного тока применяются линейные детекторы, то такие вольтметры называются вольтметрами средневыпрямленных значений, структурная схема таких вольтметров приведена на рис. 12.

Рисунок 12

В таких вольтметрах в качестве преобразователя используется линейный детектор, преобразующий переменное напряжение в постоянный ток, пропорциональный средневыпрямленному значению измеряемого напряжения. Такие преобразователи выполняются по схемам двухполупериодного выпрямления и используют линейный участок вольт-амперной характеристики полупроводникового диода. Аналоговый вольтметр средневыпрямленных значений по сравнению с выпрямительным вольтметром имеет более высокую чувствительность и меньшее потребление мощности от измерительной цепи. Эти вольтметры откликаются на средневыпрямленное значение, градуируются в среднеквадратических значениях и имеют коэффициент градуировки С=1.

Импульсные вольтметры (типа В4)

Импульсные вольтметры строятся по схеме преобразователь - усилитель, в качестве преобразователя используется амплитудный детектор, напряжение на выходе которого соответствует максимальному (амплитудному) значению измеряемого сигнала. Структурная схема импульсного вольтметра приведена на рис. 13.

Рисунок. 13

Отличительной особенностью амплитудного (пикового) детектора является наличие элемента памяти, которым служит конденсатор, «запоминающий» пиковое значение измеряемого напряжения.

Простейшие схемы амплитудных детекторов:

а) детектор с последовательным включением диода (детектор с открытым входом);

б) детектор с параллельным включением диода (детектор с закрытым входом).

а) б)

Рисунок 14

Амплитудный детектор осуществляет преобразование переменного сигнала в постоянный, пропорционально значению входного сигнала, поэтому такие вольтметры откликаются на максимальные значения, градуируются в максимальных значениях и имеют С=1.

Универсальный вольтметр (типа В7)

Универсальный вольтметр позволяет измерять как постоянный, так и переменный ток. При измерении переменного напряжения вольтметр имеет схему преобразователь - усилитель. В качестве преобразователя используется амплитудный (пиковый) детектор, напряжение на выходе которого соответствует максимальному (амплитудному) значению измеряемого сигнала. При измерении постоянного напряжения оно через входное устройство подается на усилитель постоянного тока и обеспечивает отклонение стрелки магнитоэлектрического измерительного механизма. Структурная схема универсального вольтметра приведена на рис. 15.

Рисунок 15

Амплитудный детектор осуществляет преобразование переменного сигнала в постоянный, пропорциональный максимальному значению входного сигнала, поэтому такие вольтметры откликаются на максимальное значение сигнала, градуируются в среднеквадратических значениях. Эти параметры переменного напряжения связаны между собой в соответствии с (7) коэффициентом амплитуды, поэтому коэффициент градуировки универсального вольтметра равен

С =

Характеристики рассмотренных вольтметров приведены в таблице 1.

Таблица 1

Тип вольтметра	Тип преобразователя	Значение напряжения, на которое откликается вольтметр, Uотк	Значение напряжения, в котором отградуирован вольтметр, Uград	Значение коэффициента градуировки, С
Универсальный У/В	Макс. значение	Um	Ucк	0.71
Импульсный И/В	Макс. значение	Um	Um	1
Средневыпрям. знач. С/В	Средневыпям. знач.	Uсв	Uск	1.11
Среднеквадр. знач. С/К	Среднеквадр. знач.	Uск	Uск1
Выпрямит. В1 В2	Средневыпям. знач.	Uсв	Uск	2.22 - В/2
				1.11 - В/1
Теромоэлектр. Т/Э	Среднеквадр. знач.	Uск	Uск	1
Электростат. Э/С	--	Uск	Uск	1
Электродин. Э/Д	--	Uск	Uск	1
Электромагн. Э/М	--	Uск	Uск	1
Магнитоэлектр М/Э	--	U0	U0	1

В/1 - выпрямительный с однополупериодной схемой выпрямления

В/1 - выпрямительный с двухполупериодной схемой выпрямления

Для усвоения материала курса по разделу «Измерение тока и напряжения» предусматривается решение задач по определению показаний вольтметров при различных формах измеряемых напряжений.

Для определения показаний вольтметров необходимо выполнить следующие операции:

1) Записать математическую модель измеряемого напряжения;

2) Учесть тип входа; при закрытом входе вычислить постоянную слагаемую и убрать её из измеряемого напряжения;

3) Найти напряжение, на которое откликается вольтметр U_отк;

4) Найти показания вольтметра U=CU_отк

Характеристики вольтметров различных систем, необходимых при решении таких задач, берутся из таблицы 1.

Следует отметить, что наиболее близкими измерительными приборами к вольтметрам являются псофометры и измерители уровня.

Псофометр - это электронный вольтметр среднеквадратических значений, амплитудно-частотная характеристика усилителя которого определяется характеристикой, входящего в него псофометрического фильтра. Псофометрический фильтр отражает частотную характеристику избирательности органов восприятия, и вид ее установлен на основе экспериментальных исследований и рекомендаций МККТТ. Обычно в состав прибора входят два псофометрических фильтра - с телефонной и вещательной псофометрическими характеристиками.

Измеритель уровня - это квадратичный вольтметр, шкала которого проградуирована в логарифмических единицах (децибелах). Специфическим для измерителя уровня является также возможность устанавливать определенные значения входного сопротивления: 600 Ом, что соответствует входному и выходному сопротивлениям канала тональной частоты, 150, 135 и 75 Ом для групповых трактов.

6. Цифровые электронные вольтметры

Обобщенная структурная схема вольтметра

Цифровой вольтметр (ЦВ) - это средство измерений, в котором измеряемая непрерывная величина - напряжение автоматически преобразуется в дискретную, подвергается цифровому кодированию, а результат измерения представляется в цифровой форме.

Цифровые вольтметры позволяют измерять как постоянное, так и переменное напряжения.

В первом случае применяются цифровые вольтметры постоянного тока (ЦВПТ), во втором случае переменное напряжение предварительно преобразуют в постоянное напряжение, измеряемое ЦВПТ. U_x На рис. .16 показана обобщенная структурная схема ЦВ.

Рисунок 16.

При измерении постоянного напряжения оно может поступать на выходное устройство непосредственно или через фильтр, необходимый для подавления помех промышленной частоты 50 Гц и ее гармоник. Входное устройство обеспечивает высокоомный вход и расширение пределов измерения. С его выхода аналоговый сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) "напряжение - код ", а цифровой код с выхода последнего - на цифровое отчетное устройство, а также на цифровой выход.

Метрологические характеристики ЦВ определяются видом используемого АЦП. Поэтому ЦВ классифицируются в соответствии с применяемым видом АЦП, из которых наибольшее применение получили преобразователи:

1) время-импульсные;

2) частотно-импульсные;

3) кодо-импульсные.

Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразованием

В цифровых вольтметрах, содержащих АЦП с время-импульсным преобразованием, входное напряжение U_x сперва преобразуется по временной интервал Дt_x, который затем преобразуется в цифровой унитарный код и измеряется числом заполняющих его импульсов N со стабильной частотой следования.

Наибольшее распространение получили:

1) АЦП с генераторами линейно-изменяющегося напряжения (ГЛН)

2) АЦП с двухтактным интегрированием.

Цифровые вольтметры с генераторами линейно-изменяющегося напряжения

На рис. 17 приведена структурная схема цифрового вольтметра с ГЛН и временные диаграммы, поясняющие его работу.

Вольтметр работает циклами, длительность которых Т устанавливается с помощью управляющего устройства и обычно равна или кратна периоду питающей сети. В начале цикла импульс управляющего устройства запускает генератор линейно-изменяющегося образцового напряжения и сбрасывает показания предыдущего цикла, заполнявшие счетчик (рис. 17б). Входное напряжение U_x и образцовое напряжение J_o6p поступают на входы сравнительного устройства и в момент их равенства t₁ (рис. 17в) на выходе последнего возникает импульс, открывающий временной селектор (рис. 17г); через него на электронный счетчик начинают проходить импульсы от генератора счетных импульсов с частотой f_cr (рис. 17е), или периодом Т_cr.

В момент времени t₂, когда образцовое напряжение достигнет нуля, второе сравнивающее устройство вырабатывает импульс, закрывающий временной сектор; прохождение счетных прекращается, и на табло цифрового отчетного устройства появляются показания, пропорциональные числу счетных импульсов N, прошедших через временной селектор за интервал времени:



Рисунок 17

(17)

Из диаграммы напряжений следует, что

(18)

Множитель tgв численно равен скорости V изменения образцового напряжения, В/С. Подставляя ДT и V, получаем

, где(19)

=const(20)

Коэффициент k устанавливается равным 10^-m,

где m=0,1,2....

Показатель степени m изменяется при переключении пределов измерения, что отражается в положении запятой в цифровом отсчете.

Главным достоинством этих вольтметров является их сравнительная простота.

Цифровые вольтметры с двухтактным интегрированием

Структурная схема и временные диаграммы работы цифрового вольтметра с двухтактным интегрированием приведены на рис. 18.

Управляющее устройство задает цикл измерений Т_ц и вырабатывает импульс первого такта длительностью T₁, (рис. 18б). В течение известного интервала T₁, ключ находится в положении I и измеряемое напряжение U_x подается на вход интегратора (первый такт интегрирования) (рис. 18в).

В момент окончания импульса Т его срез дифференцируется (рис. 18г) и короткий отрицательный импульс переводит триггер в состояние "I", открывающие временной селектор (рис. 4.15д). Одновременно ключ перебрасывается в положение 2 и к интегратору подается известное напряжение U_обр от источника опорного напряжения в течение интервала Т_х от конца первого такта до момента равенства нулю выходного напряжения интегратора (второй такт интегрирования) (рис. 18в). Для того, чтобы в течении второго такта происходит разряд интегратора, полярность напряжения U_обр должна быть противоположна полярности напряжения U_х. В момент равенства нулю напряжение на выходе интегратора сравнивающие устройство переводит триггер в состояние "0" и временной селектор закрывается (рис. 18д). Следовательно, счетные импульсы, вырабатываемые генератором счетных импульсов, проходят через временной селектор на электронный счетчик и цифровой индикатор в течение интервала времени второго такта Т_х (рис. 18с).

Таким образом, в течение первого такта интегратор заряжается до некоторого напряжения, в течение второго такта разряжается до нуля.

Значит, справедливо соотношение

(21)

Вычислив интегралы, получим

Из этого соотношения видно, что измеряемое напряжение пропорционально полученному временному интервалу Т_х и, значит, числу импульсов N, прошедших на счетчик за интервал Т_х. Важнейшим достоинством этого метода преобразования является высокая помехоустойчивость (порядка 60 дБ) при условии, что длительность первого такта интегрирования кратна периоду помехи.



Рисунок 18

Цифровой вольтметр с частотно-импульсным преобразованием

Принцип действия заключается в преобразовании измеряемого напряжения в пропорциональную ему частоту следования импульсов, измеряемую цифровым частотомером.

Структурная схема такого вольтметра содержит преобразователь "напряжение частота", на вход которого подается измеряемое напряжение U_x, а на выходе образуется импульс с частотой f_x = pUx, где р - коэффициент преобразования.

Существует много разновидностей преобразователей "напряжение - частота".

Одна из схем вольтметра с преобразователем "напряжение - частота" на базе интегратора и временные диаграммы работы приведены на рис. 19.

Измеряемое напряжение U_x поступает на вход интегратора и конденсатор С заряжается по закону

(19)

Через интервал времени T₁, напряжение на конденсаторе достигает значения U_o6p,, получаемого от источника образцового напряжения (рис. 19 б)

(20)

В этот момент сравнивающее устройство включает формирующее устройство, вырабатывающее отрицательный импульс обратной связи с постоянной площадью, равной произведению U_oc T₂ (рис. 19 в). Этот импульс поступает через резистор R₂ на вход интегратора и разряжает конденсатор С до нуля. Время разряда равно Т₂. Далее процесс повторяется с периодом

Т_х = Т₁ + Т₂ (21)

или с частотой

(22)

Процесс разряда конденсатора можно записать так:

(23)

Приравняв результат интегрирования (23) напряжению Uc из формулы (20), получаем

(24)

и измеряемое напряжение прямо пропорционально fx , т. е.

(25)

где - постоянная величина для данного вольтметра.

Изменение U_x приведет к изменению Т₁, а значит и

(26)

Измерение f_x осуществляется цифровым частотомером.

Импульсы частоты f_x пропускаются через временной селектор в течение известного интервала времени (рис. 19г). С помощью электронного счетчика число прошедших импульсов N = f_х Т_обр фиксируется и отображается на цифровом индикаторе в единицах напряжения Ux. Интервал Т_обр = 20мс выбирается равным периоду сетевой помехи, которая усредняясь, ослабляется.



Рисунок 19

Цифровые вольтметры с кодоимпульсным преобразованием

В этих вольтметрах измеряемое напряжение уравновешивается компенсирующим образцовым напряжением, которое вырабатывается в цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП).

Компенсирующее напряжение на выходе ЦАП представляет собой систему дискретных образцовых напряжений, величина которых изменяется по закону, например, с весами 1-2- 4- 8 или 1-2-4-4.

Цифровые вольтметры с кодоимпульсным преобразованием могут быть с развертывающим (поразрядными) уравновешиванием или следящего уравновешивания.

Структурная схема вольтметра с развертывающим уравновешиванием приведена на рис. 20а.

Принцип его работы заключается в сравнении измеряемого напряжения с рядом образцовых напряжений, величина которых изменяется в течении цикла измерений по жесткой программе до получения равенства или максимального значения. Измеряемое напряжение U_x через входное устройство подается на сравнивающее устройство. Управляющее устройство вырабатывает импульсы, устанавливающие длительность цикла Т (рис. 20б) в течение которого тактовые импульсы воздействуют на ЦАП. ЦАП представляет собой делитель напряжения быстродействующими электронными или электромагнитными переключателями. При поступлении очередного тактового импульса ЦАП последовательно выдает от источника образцового напряжения U_обрi в коде 8-4-2-1 (например 8, 4, 2, 1 В), проходящие на один из входов сравнивающего устройства.

Работу вольтметра рассмотрим на примере измерений U_x = 5 В (рис. 20в).

При воздействии первого импульса управляющего устройства на сравнивающее устройство с выхода ЦАП поступает первое значение U_обрi. Если U_oбpi > U_x, сравнивающее устройство вырабатывает сигнал "много", который поступает на управляющее устройство, и в дешифраторе записывается "0" первого разряда, а напряжение U_обpi снимается.

Под действием второго тактового импульса поступает U_o6p2, если U_o6p2 < U_x, то сравнивающее устройство вырабатывает сигнал "мало" и в дешифраторе записывается "I" второго разряда. Аналогичное сравнение дискретных значений образцовых напряжений и сумм напряжений тех разрядов, которые оказались записанными в дешифраторе, происходит до конца цикла и до получения равенства

(27)

Таким образом, измеряемому напряжению U_x = 5В, соответствует кодовая запись 0101 (4+1), которая преобразуется в цифровом индикаторе в показание.

Вольтметр следящего уравновешивания работает не циклами, а в нем осуществляется непрерывное слежение за разностью между U_x и УU_обрi (сумма образцовых напряжений принимает большее или меньшее значение в зависимости от значения измеряемого напряжения). Когда достигается равенство УU_обрi = U_x (рис. 20г) код преобразуется в показание, а состояние прибора остается неизменным до тех пор, пока не изменится значение U_x. Преимуществом вольтметров следящего уравновешивания является меньшая погрешность и большее быстродействие, чем у вольтметров поразрядного уравновешивания. Основным недостатком является возможность возникновения автоколебательного режима прибора.

Рисунок 20

Основные метрологические характеристики цифровых вольтметров.

Важнейшими метрологическими характеристиками ЦВПТ является диапазон измерений (10^-7ч10³В), погрешность, быстродействие и помехоустойчивость. Общая погрешность (у лучших образцов порядка 10^-5) нормируется обычно по двучленной формуле

где a, b, с %, d % - постоянные коэффициенты;

х - измеряемая величина;

х_к - значение предела измерения.

Значения коэффициентов c и d можно выразить через а и b:

Класс точности ЦВ обозначается в виде c/d.

Проанализируем погрешности цифровых вольтметров, придерживаясь классификации их по слагаемым измерениям.

1. Погрешность меры. В вольтметрах различных типов применяются разнообразные меры, что обусловлено принципом построения прибора:

а) у вольтметров с время-импульсным преобразованием мерой служит кварцевый генератор счетных импульсов, с помощью которых измеряется интервал времени. Следовательно, погрешность меры - это нестабильность частоты кварцевого генератора;

б) у вольтметров с частотно-импульсным преобразованием мерой является кварцевый генератор образцового интервала времени, используемого для измерения среднего за интервал значения частоты. Поэтому погрешности меры те же, что и у вольтметров с время импульсным преобразованием;

в) у вольтметров с кодо-импульсным преобразованием мера - это источник образцовых напряжений. Ее погрешности обусловлены недостаточной точностью и нестабильностью образцовых напряжений.

2. Погрешность преобразования:

а) для вольтметров время-импульсного типа с генераторами линейно - изменяющегося напряжения при преобразовании измеряемого напряжения в пропорциональный ему интервал времени возникает погрешность, связанная с нелинейностью и непостоянством скорости измерения пилообразного напряжения, погрешностями сравнивающего устройства и формировании стробирующего импульса;

б)для вольтметров время-импульсного типа с двухтактным интегрированием определяется погрешностью интегратора, нестабильностью образцового напряжения, погрешностями сравнивающего устройства;

в)у вольтметра с частотно-импульсным преобразованием рассматриваемая погрешность - это погрешность преобразования напряжения в частоту;

г)у вольтметров с кодо-импульсным преобразованием зависит от погрешности сравнивающего устройства (от чувствительности и стабильности порога срабатывания).

3. Погрешность сравнения

При измерении напряжения сравнение сопровождается: погрешностью дискретности. Она возникает в результате квантования непрерывной измеряемой величины и обусловлена конечностью числа уровней квантования.

Замена истинных значений сигнала X квантовыми Х_кв вносит погрешность округления п_х -- х_кв -- х

Эта погрешность равносильна наложению на истинные значения X помехи n_x. Поэтому последовательность помех (погрешностей округления) n_x в теории сигналов называют шумом квантования. В измерительной технике погрешность, возникающую в результате квантования, называют погрешностью дискретности.

Погрешность дискретности присуща время-импульсным методам измерения напряжения, характерна для вольтметра с частотно-импульсным преобразованием и проявляется после преобразования напряжения в частоту. Она возникает в следствие того, что моменты появления счетных импульсов не синхронизированы с фронтом и срезом заполняемых им временных ворот.

Рисунок 21

В реальной схеме непосредственно подсчитываются счетные импульсы, а не периоды их следования, и поэтому округление может производится как в сторону большего, так и в сторону меньшего значения. Максимальная величина абсолютной погрешности (при правильно выбранной схеме стробирования) составляет один период следования счетных импульсов, т.е. единицу младшего разряда счета. Это иллюстрируют рисунки рис. 21 а и 21 б.

Длительность t' и t" почти одинаковы и приблизительно равны пяти периодам следования счетных импульсов, однако в ситуации, показанной на рис. 20 б, - только четыре импульса. Быстродействие -- скорость измерений есть максимальное число измерений в единицу времени, выполняемых с нормированной погрешностью. Быстродействие современных ЦВ может достигать 10² -10⁷ измерений в секунду (кодо-импульсные).

Быстродействие приборов обычно не выше 10² измерений в секунду и определяется полосой пропускания входного устройства и быстродействие АЦП.

Помехоустойчивость нормируется обычно для сетевой помехи и оценивается степенью подавления помехи в децибелах

(28)

где U_nвх и U_nвых, - напряжения помехи на входе и выходе прибора соответственно.

В заключении отметим, что время-импульсные вольтметры наиболее просты по схемному построению, кодо-импульсные - наиболее быстродействующие, позволяющие реализовать достаточно высокую точность (10^-4), частотно-импульсные - наиболее помехоустойчивые (до 60 дБ) и имеют более высокую точность измерения (10^-3), чем время-импульсные.

7. Цифровые микропроцессорные вольтметры

Цифровые микропроцессорные вольтметры содержат встроенную микропроцессорную систему, осуществляющие сервисные операции обеспечение различных режимов измерений и определение ряда параметров измеряемых сигналов. Работа таких вольтметров выполняется в соответствии с программами, заложенными в запоминающем устройстве. Именно в вольтметрах наиболее полно осуществлены преимущества микропроцессорных измерительных приборов: дальнейшее повышение точности, расширение измерительных возможностей, упрощение и облегчения управления, возможность получения различных математических функций измеренных значений, статистическая обработка результатов наблюдений, самокалибровка и самодиагностика, повышение надежности и экономичности, возможность построения программируемых многофункциональных приборов. Обобщенная структурная схема цифрового микропроцессорного вольтметра представлена на рис.22.



Рисунок 22

Входной блок содержит аналоговые преобразователи: аттенюатор, усилитель, фильтр, иногда и измерительный преобразователь напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. При построении цифрового вольтметра следует правильно и рационально выбирать АЦП и микропроцессорную систему, осуществить их сопряжение, определить необходимые характеристики остальных модулей микропроцессорной системы, разработать программное обеспечение. Микропроцессорные цифровые вольтметры измеряют напряжения и постоянного и переменного тока, часто и сопротивление резистора. Они представляют собой многопредельные приборы с автоматическим и ручным переключением диапазонов измерений, приводят статистическую обработку результатов наблюдений, выполняют ряд специфических программ, существенно расширяющих возможности прибора, осуществляют автокалибровку. Эти приборы отличаются высокими метрологическими характеристиками.

напряжение вольтметр магнитоэлектрический

Литература

1. Зайцев С.А. Метрология, стандартизация и сертификация в машиностроении: Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / С.А. Зайцев, А.Н. Толстов, Д.Д. Грибанов. - М.: ИЦ Академия, 2012. - 288 c.

2. Зайцев С.А. Метрология, стандартизация и сертификация в энергетике: Учебное пособие для студентов среднего профессионального образования / С.А. Зайцев, А.Н. Толстов, Д.Д. Грибанов. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 224 c.

3. Иванов И.А. Метрология, стандартизация и сертификация на транспорте: Учебник для студентов среднего профессионального образования / И.А. Иванов, С.В. Урушев, А.А. Воробьев. - М.: ИЦ Академия, 2012. - 336 c.

4. Иванов И.А. Метрология, стандартизация и сертификация на транспорте: Учебник для студентов среднего профессионального образования / И.А. Иванов, С.В. Урушев, А.А. Воробьев. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 336 c.

5. Ильянков А.И. Метрология, стандартизация и сертификация в машиностроении: Практикум: Учебное пособие для студентов учреждений среднего профессионального образования / А.И. Ильянков, Н.Ю. Марсов, Л.В. Гутюм. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 160 c.

6. Ким К.К. Метрология, стандартизация и сертификация и электроизмерительная техника: Учебное пособие / К.К. Ким, Г.Н. Анисимов, В.Ю. Барбарович, Б.Я. Литвинов. - СПб.: Питер, 2010. - 368 c.

7. Колчков В.И. Метрология, стандартизация, сертификация: Учебник / В.И. Колчков. - М.: Форум, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 432 c.

8. Кошевая И.П. Метрология, стандартизация, сертификация: Учебник / И.П. Кошевая, А.А. Канке. - М.: ИД ФОРУМ, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 416 c.

9. Крылова Г.Д. Основы стандартизации, сертификации, метрологии: учебник / Г.Д. Крылова. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2004. - 318 c.

10. Курчаева Е.Е. Технология хранения, переработки и стандартизация животноводческой продукции: Учебник / В.И. Манжесов, Е.Е. Курчаева, М.Г. Сысоева; Под общ. ред. В.И. Манжесова. - СПб.: Троицкий мост, 2012. - 536 c.

11. Лифиц И.М. Стандартизация, метрология и подтверждение соответствия: Учебник для бакалавров / И.М. Лифиц. - М.: Юрайт, ИД Юрайт, 2013. - 411 c.

12. Логанина В.И. Стандартизация и сертификация в строительстве: Учебное пособие / В.И. Логанина, О.В. Карпова, А.М. Степанов. - М.: БАСТЕТ, 2013. - 256 c.

13. Любомудров С.А. Метрология, стандартизация и сертификация: нормирование точности: Учебник / С.А. Любомудров, А.А. Смирнов, С.Б. Тарасов. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 206 c.

14. Ляшко А.А. Товароведение, экспертиза и стандартизация: Учебник / А.А. Ляшко, А.П. Ходыкин, Н.И. Волошко. - М.: Дашков и К, 2013. - 660 c.

15. Маргвелашвили Л.В. Метрология, стандартизация и сертификация на транспорте: Лабораторно-практические работы: Учебное пособие для студ. учреждений сред. проф. образования / Л.В. Маргвелашвили. - М.: ИЦ Академия, 2011. - 208 c.

16. Маргвелашвили Л.В. Метрология, стандартизация и сертификация на транспорте: Лабораторно-практические работы: Учебное пособие для студ. учреждений сред. проф. образования / Л.В. Маргвелашвили. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 208 c.

Размещено на Allbest.ru

...