Цифровые вольтметры переменного напряжения

Электрические сигналы (напряжение или ток) характеризуются мгновенным u(t), средним Uср (для периодического сигнала постоянная составляющая U0), средневыпрямленным Uср. в, среднеквадратичным (действующим, эффективным) U и пиковым (для периодических сигналов амплитудным) Uм значениями (рис.1). Аналогично, для тока: i(t), Iср, I0, Iср. в, І, Ім.

Все значения напряжения (тока) могут быть определены соответствующим вольтметром (амперметром) или с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Кроме того, мгновенные значения напряжения можно наблюдать на осциллографе и определять их для каждого момента времени по осциллограмме.

Рисунок 9.2. Определение параметров переменного напряжения периодического однополярного (а), разнополярного несимметричного (б) и симметричного (в) сигналов

Среднее значение напряжения является среднеарифметическим из мгновенных значений за один или несколько периодов.

,

где n = 1,2,3….

Для симметричных относительно оси времени напряжний Ucp= 0, поэтому в основном пользуются средневыпрямленным значением– средним значением модулей мгновенных значений напряжений

.

Все, выпускаемые промышленностью вольтметры, носящие название вольтметр средних значений, измеряют средневыпрямленные значения. Это связано с тем, что на практике, при измерении напряжений, в подавляющем большинстве случаев, измеряются симметричные сигналы, среднее значение которых равно нулю.

Среднеквадратичное (действующее, эффективное) значение напряжения

.

В приведенных формулах указано, что число периодов напряжения, за которое производится измерение, должно быть целым. Действительно, если выполнено это условие, то результат измерения справедлив для любого интервала времени и не зависит от времени начала измерения.

Пиковое значение Uм (амплитудное для гармонического сигнала) – наибольшее мгновенное значение напряжение за время измерения (за период или полупериод). При разнополярных несимметричных кривых напряжения различают положительное или отрицательное пиковое значение.
Каждому закону изменения напряжения (форме кривой мгновенных значений) соответствуют определенные количественные соотношения между амплитудным, среднеквадратичным и средним значениями напряжений. Эти отношения оцениваются коэффициентом амплитуды

и коэффициентом формы

.

В зависимости от режима работы измерительного преобразователя и градуировки шкалы прибора, его показания могут соответствовать среднему, среднеквадратичному или пиковому (амплитудному) значениям измеряемого напряжения.
В соответствии с измеряемым параметром различают вольтметры и амперметры амплитудного (пикового), среднеквадратичного, средневыпрямленного, (среднего) значения.

В связи с тем, что на практике, наиболее часто необходимо измерять среднеквадратичные значения напряжения, то и градуировку шкал многих вольтметров, кроме импульсных, производят в среднеквадратичных значениях синусоидального напряжения. Однако, если известна форма кривой измеряемого напряжения и известны коэффициенты kа и kф, то по одному из параметров напряжения можно определить два других. При измерении такими вольтметрами синусоидальных напряжений расчеты других параметров напряжения можно производить непосредственно по формулам:

и .

Если же измеряются несинусоидальные напряжения такими вольтметрами, то показания таких приборов должны быть переоценены, и в показания внесены поправки в соответствии с значениями и для измеряемого сигнала. Но если форма измеряемого сигнала неизвестна или она известна, но невозможно определить k ф и k а (например, форма сигнала – искаженный треугольный сигнал), то при этих измерениях неизбежно возникает дополнительная погрешность из-за отличия формы измеряемого напряжения от синусоидальной. Эта погрешность может достигать 20% и даже больше.

Переменного напряжения можно измерить, предварительно преобразовав его в постоянное. Цифровые вольтметры постоянного напряжения были рассмотрены нами выше. Упрощенная структурная схема такого измерителя изображена на рисуноке 9.3.

Рисунок 9.3 Структурная схема цифрового вольтметра переменного тока

Основная погрешность данного цифрового вольтметра будет определяться аналоговой частью.

Для того, чтобы показания среднеквадратичного (действующего) значений вольтметра были равны среднеквадратичному значению напряжения при любой форме кривой измеряемого сигнала, преобразователь переменного напряжения в постоянное должен осуществлять преобразование в соответствии со следующей зависимостью

.

Таким образом, необходимо в каждый момент времени возводить в квадрат мгновенные значения u(t) измеряемого напряжения, затем проинтегрировать это напряжение за целое число периодов и далее извлечь квадратный корень. В результате получим среднеквадратичное значение напряжения. Функциональная схема преобразователя, который осуществляет эти операции изображена на рисунке 9.4.

Рисунок 9.4. Функциональная схема преобразователя переменного напряжения в постоянное по среднеквадратическим значениям

Вольтметры для измерения амплитудных значений имеют разнообразные структурные схемы. При этом в любой схеме имеется преобразователь переменного напряжения в постоянное – преобразователь амплитудных значений (пиковый детектор) с открытым входом (рисунок 9.5) или закрытым входом (рисунок 9.6).

Рисунок 9.5. Схема (а) и временные диаграммы входных и выходных сигналов (б) преобразователя амплитудных значений с открытым входом

В амплитудных преобразователях с открытым входом конденсатор заряжается практически до максимального положительного (при данном включении диода) значения входного напряжения через открытый диод VD, когда на входе действует положительная полуволна этого напряжения б). Когда ко входу преобразователя приложена отрицательная полуволна, то диод VD закрыт. Пульсации напряжения на конденсаторе объясняются его подзарядкой при открытом диоде, когда , и его разрядом через резистор R при закрытом диоде, когда . Для того, чтобы пульсации напряжения на выходе преобразователя были незначительными необходимо, чтобы постоянная заряда емкости С

,

где – сопротивление открытого диода;
– верхняя частота измеряемого напряжения, а также постоянная разряда

,

где – нижняя частота измеряемого напряжения.
При этом среднее значение выходного напряжения

.

Особенностью амплитудных преобразователей с открытым входом является то, что они реагируют на постоянную составляющую входного сигнала. Так, при наличии постоянной составляющей во входном сигнале , выходное напряжение преобразователя равно

.

В вольтметрах амплитудных значений, выпускаемых промышленностью чаще всего применяется схема преобразователя с закрытым входом (рисунок 9.6).

Рисунок 9.6 Схема преобразователя амплитудных значений с закрытым входом

Условия работы и все процессы, происходящие в схеме аналогичны процессам, происходящим в преобразователе с открытым входом. Отличие состоит в том, что выходное напряжение снимается с диода VD, где имеется большая переменная составляющая, поэтому в таких преобразователях устанавливается фильтр нижних частот . Второе, очень важное отличие, заключается в том, что эти преобразователи не реагируют на постоянную составляющую входного сигнала. И даже при наличии постоянной составляющей во входном сигнале , выходное напряжение преобразователя равно амплитудному значению только переменной составляющей.

10. ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ ПАРАМЕТРОВ R, C, L

Измерительные мосты предназначены для измерения параметров элементов электрических цепей: сопротивлений, индуктивностей, ём­костей, т.е. пассивных электрических величин. Следовательно, необ­ходима их активизация, в результате которой пассивную величину пре­образуют в активную – напряжение и_х или ток I _x. При активизации к объекту измерения подводится энергия от дополнительного источника питания. Подобным же образом формируется и уравновешивающая активная величина. В зависимости от вида активной величины образуют контур или узел уравновешивания. В результате получают структурную схему, изображенную на рисунке 10.1.

Рисунок 11.1 Структурная схема моста

Усло­вие равновесия моста, схема которого приведена на рисунке 10.2.

,

где –комплексные сопротивления.
Пусть измеряется , тогда из уравнения

видим, что в состояние равновесия мост может быть приведен измене­нием любого из сопротивлений или двумя из них, или все­ми вместе.

Уравновешивание мостов переменного тока осуществляют не толь­ко по модулю, но и по фазе.

Рисунок 11.2 Измерительная схема моста

Если мост работает на постоянном токе, то уравнение примет вид

где – сопротивления постоянному току.

Мосты могут быть автоматизированы.

Основным достоинством мостов с уравновешиванием токов являет­ся наличие общей точки у индикатора равновесия, источника питания и некоторых плеч. Заземление общей точки позволяет повысить помехо­защищенность схем и применять их в широком диапазоне частот. Они применимы только для измерения комплексных сопротивлений.

Цифровой метод измерениязаключается в аналоговом преобразовании измеряемого параметра во временной интервал и последующим его измерением цифровым способом.

Для измерения активных сопротивлений и ёмкостей преобразование осуществляется на основании апериодического разряда конденсатора. Принцип действия преобразователя основан на определении постоянной времени цепи разряда конденсатора через активное сопротивление. В качестве образцового элемента выбирают либо резистор, либо конденсатор.

Структурная схема электронно-счетного измерителя ёмкости (рис. 11,3) состоит из двух частей: измерительного преобразователя и измерителя временного интервала.

В исходном состоянии ключ S₁ находится в положении 1, а конденсатор С_x заряжен до стабилизированного напряжения Е. Начало измерений задаётся управляющим устройством, сигналом которого ключ переводится в положение 2, и начинается разряд конденсатора через резистор R_обр по экспоненциальному закону

.

Это напряжение поступает на вход сравнивающего устройства, на другой вход которого поступает опорное напряжение , где e = 2,7172.

Рисунок 10.3 Структурная схема электронно-счетного измерителя ёмкости

Это напряжение поступает на вход сравнивающего устройства, на другой вход которого поступает опорное напряжение , где e = 2,7172… В момент равенства напряжений сравнивающее устройство вырабатывает импульс, отстоящий от начала разряда конденсатора на интервал времени . Таким образом, измерение ёмкости сводится к измерению временного интервала, заданного началом разряда конденсатора с управляющего устройства, и интервальным импульсом устройства сравнения. Одновременно с начальным импульсом управляющее устройство вырабатывает импульс сброса, устанавливающий в нуль показания цифрового измерителя временных интервалов.

Погрешность измерения ёмкости содержит следующие составляющие: нестабильность порога срабатывания сравнивающего устройства, погрешность образцового сопротивления, погрешность цифрового измерителя. На практике суммарная погрешность составляет примерно 1% от предела измерений ± 1 (единица) младшего разряда счета. Величина измеряемых ёмкостей находятся в пределах 100 пФ – 100 мкФ. Прибор может быть использован также для измерения активных сопротивлений. Для этого стоит лишь вместо C_x установить конденсатор образцовой ёмкости, а измеряемый резистор включить вместо R_обр.

11 ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРОВ В ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРАХ

Применение микропроцессоров в измерительных при­борах явилось одним из важнейших этапов в развитии приборострое­ния.

Следует отметить, что микропроцессоры не являются измеритель­ными устройствами. Они предназначены для выполнения вычислитель­ных и логических операций с высокой скоростью и точностью. Совместная их работа с аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобра­зователями в измерительной технике позволила резко повысить точ­ность, надёжность и быстродействие приборов, расширить их возмож­ности, создавать программируемые, полностью автоматизированные устройства.

Применение микропроцессоров позволило прежде всего улучшить метрологические характеристики – точность, чувствительность, поме­хоустойчивость. Повышение точности было достигнуто за счет введе­ния калибровочных операций, позволяющих минимизировать как адди­тивную, так и мультипликативную погрешность. Для исключения адди­тивной составляющей погрешности АЦП его входные зажимы замыкаются накоротко и заземляются. При этом число, полученное на выходе АЦП, характеризующее смещение, запоминается. При измерении оно вноситься в результат как поправка.

Для исключения мультипликативной составляющей погрешности перед циклом измерения на вход АЦП подаётся воспроизводимая мерой величина А₀. На выходе при номинальном значении чувствительности должно быть число В. Такое же число хранится в памяти микропроцессорной системы. При изменении чувствительности преобразователя на выходе АЦП получим число . Отношение В/В^/, вычисляемое микропроцессором, вводиться как поправочный множитель.

Повышение пороговой чувствительности и помехоустойчивости приборов достигается обработкой сигнала по алгоритмам, приведённым в первой главе, или по другим алгоритмам, включающим операции вычисления оценки среднеквадратического отклонения результата измерения, решения вопроса, выполняется ли гипотеза о нормальном распределении вероятностей случайных погрешностей, а также операции вычисления доверительных границ случайных погрешностей.

Цифровая фильтрация сигналов позволяет повысить чувствительность и расширить диапазон измеряемых величин в сторону малых значений.

Рассмотренные приёмы позволяют полнее использовать метрологические свойства мер и приблизить погрешности измерительных приборов к погрешностям применяемых в них образцовых мер.

Важным направлением применения микропроцессоров в измерительной технике является возможность получения различных математических функций измеренных значений и решения систем уравнений, что позволяет сравнительно просто перейти от косвенных, совокупных или совместных измерений к прямым. Причём микропроцессорные вычислители могут осуществлять эти операции с высокой точностью, значительно превышающей точность аналоговых вычислительных устройств. Многие приборы, содержащие микропроцессоры, позволяют автоматически выполнять запрограммированные функциональные и логические преобразования, например:

1.Умножение найденного значения на константу.

2.Определение отклонения измеряемой величины от заданной в абсолютных единицах, относительных или в процентах.

3.Сложение или вычитание константы.

4.Вычисление отношений: деление на константу, нахождение частного от деления одного результата измерения на другой результат, деление константы на результат измерения.

5. Нахождение максимума и минимума из ряда измерений.

6. Определение выхода измеряемой величины за пределы уставки максимума и минимума. Представление результата измерения в логарифмических единицах.

8. Линеаризация зависимостей.

Применение микропроцессорной техники позволило создавать мно­гофункциональные приборы, предназначенные для измерения несколь­ких параметров сигналов или характеристик объекта исследования. Функциональные возможности таких устройств определяются выполняе­мой программой, их можно легко видоизменить путем перехода к дру­гой программе, хранимой в ПЗУ. Программируемая логика работы в от­личие от жесткой создает гибкость перестройки, позволяет наращи­вать функции при модернизации прибора без существенных изменений в его схеме.

В результате сокращения числа компонентов в схеме прибора вследствие выполнения многих функций микропроцессорными системами уменьшились их габариты, вес, потребляемая мощность и стоимость. Существенно сократились сроки разработки измерительной аппа­ратуры.

Часто для получения новых свойств прибора не требуется значительных изменений в его схеме и тем более в конструкции. Раз­работка сводится к созданию необходимого программного обеспечения. Если учесть, что имеется библиотека совершенных типовых приклад­ных программ, то разработка програм­много обеспечения сводится к рациональному выбору имеющихся прог­рамм.

Пример структурной схемы микропроцессорного вольтметра показан на рисунке 11.1.

Коэффициент передачи масштабирующего устройства изменяется автоматически в зависимости от величины входного сигнала. Он работает по принципу устройства автоматического определения предела. АЦП производит аналого-цифровое преобразование. Быстродействие данного вольтметра будет определяться быстродействием АЦП, тогда время преобразования АЦП:

Рисунок 12.1 Структурная схема микропроцессорного вольтметра

Период дискретизации также определяется быстродействием АЦП. Контроллер содержит микропроцессор, который позволяет найти и действующее значение напряжения, и амплитудное, и средневыпрямленное. Микропроцессор вычисляет значения этих напряжений и передает их на цифро-отсчетное устройство. ЦАП по сигналу контроллера может вырабатывать переменное напряжение с известными параметрами, которое применяется для калибровки вольтметра. Процесс калибровки может происходить и автоматически.

По приведенному принципу измерения строятся мультиметры, которые позволяют измерять разные параметры сигнала и цепи (,,,).

Частотный диапазон прибора определяется временем преобразования АЦП. Сейчас существуют АЦП, которые измеряют переменное напряжение с частотой до 100 МГц

13 ИНФОРМАЦИОННО-измерительные системы

Усложнение современного производства, развитие научных исследований привело к необходимости измерений одновременно сотен и тысяч физических величин. Значительно увеличились потоки измерительной информации, возросла сложность ее обработки с целью принятия решений, что вызвало появление такого вида средств измерений, как измерительные системы.

Совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого пространства (среды, объекта и т.п.) с целью измерения одной или нескольких физических величин, свойственных этому пространству (объекту, среде и т.п.) называется измерительной системой (ИС). Различают: 1) измерительная информационная система (ИИС) – система, предназначенная для целей представления информации в виде, необходимом потребителю; 2) измерительная контролирующая система (ИКС) – система, предназначенная для целей контроля параметров технологического процесса, явления, движущегося объекта и т.п.; 3) измерительная управляющая система (ИУС) – система, предназначенная для целей автоматического управления технологическим процессом, движущимся объектом и т.п.; 4) измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) – функционально объединенная совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенных для выполнения в составе ИИС конкретных измерительных задач.

Из приведенных определений видно, что данное разделение весьма условно. Все виды измерительных систем взаимно перекрываются, их структурное построение во многом аналогично. На рисунке 13.1 приведена обобщенная структурная схема измерительной системы.

Рис. 13.1 Общенная структурная схема измерительной системы

Некоторые составляющие в конкретной ИС могут отсутствовать. Основная область применения ИС: научные исследования, испытания и контроль сложных изделий, управление технологическими процессами. По организации алгоритма функционирования различают:

1) системы с жестким алгоритмом функционирования – алгоритм работы ИС постоянен, не меняется;

2) программируемые системы – алгоритм работы ИС меняется в соответствии с заранее заданной программой, учитывающей особенности функционирования объекта;

3) адаптивные системы – алгоритм работы, а иногда и структура ИС, изменяются в зависимости от изменений измеряемых величин и условий работы объекта исследования.

С целью универсализации ИС все разнообразные измеряемые и контролируемые физические величины представляют унифицированными электрическими сигналами (непрерывные, импульсные, кодово-импульсные сигналы, параметры или диапазоны изменения параметров которых нормируются государственными стандартами).

Дата добавления: 2014-01-07