Микропроцессорные (Цифровые) электроизмерительные приборы

Основное место в средствах автоматики сегодня занимают цифровые и микропроцессорные электроизмерительные приборы. Их принципиальное отличие от аналоговых состоит в том, что основная обработка измерительной информации осуществляется не в аналоговом, а в цифровом виде. При этом отображение и регистрация информации может быть как цифровой, так и аналоговой. Еще одним отличием микропроцессорных приборов является обязательное наличие каналов вывода измерительной информации и связи с внешними управляющими компьютерами и сетями. Обмен информацией может осуществляться как в форме унифицированного токового сигнала 4-20 мА, так и по цифровым интерфейсам и протоколам (GBIP, RS-232/485, USB, HART, Ethenet и др.).

В цифровых электроизмерительных приборах для обмена данными часто применяется метод передачи информации непосредственно по силовым сетевым проводам. Технология такой передачи данных (PLC- Power Line Communication) близка к технологии использования телефонных сетей ADSL, но включает существенно больше средств шифрования, подавления помех и выделения полезного сигнала. При построении автоматизированных систем учета электроэнергии (АСКУЭ) использование в качестве канала связи линий электропередачи позволяет избежать прокладки дополнительных коммуникаций и тем самым удешевить создаваемую систему.

Структура электроизмерительных микропроцессорных приборов полностью повторяет общую структуру микропроцессорных средств измерения, рассмотренную в части I (раздел 1.7). Т.е. они включают входную аналоговую электронику, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор, который ведет обработку сигналов, извлекает информацию об измеряемой величине, управляет ее отображением на дисплее и осуществляет связь с внешними устройствами.

Все цифровые электроизмерительные приборы имеют ограничение по величине напряжения или измеряемого тока, воспринимаемого измерительной схемой прибора. Их значения не должны превышать соответственно 5-10 В или 20-50 мА. Поэтому обязательным элементом цифровых электроизмерительных приборов являются шунты и делители напряжения, которые могут быть встроенными в измерительный прибор (для напряжений не более 1000 В постоянного тока и 700 В переменного тока или не более 10А постоянного и переменного тока) или внешними. При измерении высоких напряжений и больших значений тока совместно с цифровыми электроизмерительными приборами используются также внешние измерительные трансформаторы.

По конструктивному исполнению микропроцессорные электроизмерительные приборы могут быть переносными, настольными и щитовыми.

· Переносные и настольные приборы обычно приборы выполняются многофункциональными (мультиметры), способными измерять перемен6ное и постоянное напряжение и ток, сопротивление, частоту, сдвиг фаз.

·
Щитовые микропроцессорные электроизмерительные приборы как правило выполняются специализированными. Причем для приборов, предназначенных для работы в средствах автоматического управления, отображение измеряемой информации не является обязательным, поскольку основной функцией таких приборов является измерение величины и передача полученной информации внешним устройствам.

Отметим, что для микропроцессорных электроизмерительных приборов понятие «специализированный прибор» совсем не означает, что он предназначен только для измерения единственной величины, например тока или мощность. Так при наличии в его составе шунта, делителя напряжения и соответствующего программного обеспечения и соответствующей схеме подключения микропроцессорный прибор способен одновременно вести измерение целого комплекса электрических величин – тока, напряжения, частоты, активной, реактивной и полной мощности, разности фаз, потребленной энергии. Такие электроизмерительные приборы (Рис. 2.71) используются, в частности в системах автоматизированного контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ). Они позволяют с помощью одного устройства не только контролировать параметры электросети и осуществлять учет потребляемой электрической энергии, но и контролировать качество этой энергии, передавать полученную информацию на узлы учета электроэнергии, сигнализировать и автоматически выполнять действия по защите электросетей при аварийных и нештатных ситуациях.

Типичные приборы АСКУЭ имеют следующие функции:

· Многотарифный учет энергии (сменные, суточные, сезонные и другие тарифы) при количестве схем тарификации до 64.

· Контроль, учет и регистрация количества потребленной и отпущенной активной, реактивной и полной электроэнергии

· Построение графиков потребления активных и реактивных мощностей

· Контроль, учет и регистрация полной, активной и реактивнойя мощности по каждой из фаз.

· Контроль и регистрация среднеквадратических значений фазных напряжений и токов по каждой фазе

· Контроль и регистрация углов сдвига фазы между основными гармониками фазных напряжений и токов;

· Контроль и регистрация частоты сети

· Обмен информацией с внешними устройствами обработки данных. В разных системах используется передача информации через оптический порт, один из интерфейсов (токовая петля 20 мА, модули интерфейса САN, МBUS, USB, GSM–модем, радио–модем) или модули передачи данных по сети переменного тока 380В

При измерении параметров переменного тока – напряжения, силы тока и мощности, наиболее объективной характеристикой являются их среднеквадратические (эффективные) значения. В некоторых случаях необходим контроль других характеристик, связанных с мгновенными значениями сигнала, например с максимальными значениями. Такие измерения не представляют большой проблемы в случае, если сигналы являются синусоидальными. Однако, особенностью цепей переменного тока является то, что реальная форма напряжения в электросети, тока, протекающего в цепи электрической нагрузки, значения потребляемой мощности или напряжения в сети существенно отличаются от синусоидального и зависят от характера нагрузки (Рис. 2.72).

Аналоговые приборы и дешевые цифровые, которые обычно градуируются при идеальном синусоидальном сигнале, при отличии формы напряжения или тока от синусоидальной будут давать показания характеризующиеся достаточно большой погрешностью. Поэтому в микропроцессорных приборах обычно используют специальные приемы, позволяющие устранить зависимость показаний от формы переменного сигнала и измерять эффективные значения характеристик переменного тока при любых параметрах нагрузки и электрической цепи.

Приборы, которые способны измерять истинное эффективное значение сигналов переменного тока, могут быть основаны на использовании одного из следующих принципов:

· Электронное умножение используется в прецизионных цифровых и аналоговых электронных приборах, осуществляются электронными схемами и заключается возведение входного сигнала (ток, напряжение, мощность) в квадрат и усреднение его по времени. Приборы такого типа могут иметь очень малую погрешность, менее 0,01%, но имеют низкое быстродействие.

· Преобразование в постоянный ток (выпрямление) используется при измерении переменного напряжения и тока в цифровых и аналоговых электронных приборах. Метод имеет достаточно низкую точность (погрешность не менее 0,5%) из-за нелинейности характеристик выпрямительных диодов. Достоинством метода является высокое быстродействие и возможность измерять сигналы высокой частоты (до 20 кГц)

· Тепловое преобразование рассматривается как один из наиболее эффективных и недорогих способов и обеспечивают малую погрешность измерений эффективного значения силы переменного тока (до 0,01%) и возможность измерение высокочастотных сигналов (до 1 ГГц) при сравнительно малом быстродействии (не более 0,01 с). В преобразователях этого типа измеряемый ток нагревает тонкую проводящую нить длиной 0,5- 1 см, к средней части которой крепится миниатюрная термопара, изолированная от самой нити. Вся эта конструкция помещается в запаянный стеклянный баллон. При повышении температуры, прямо связанном с эффективным значением измеряемого тока, на выходе термопары возникает термо-ЭДС, т.е. напряжение постоянного тока, которое далее и измеряется цифровым прибором. В зависимости от схемы подключения термопреобразователя такие приборы способны измерять ток и напряжение, величину мощности, потребляемой нагрузкой.

Перечисленные выше методы измерения параметров переменного тока используются как в микропроцессорных, так и в аналоговых электроизмерительных приборах. Два следующие метода могут применяться только с использованием микропроцессорной техники.

· Метод подвыборки заключается в том, что значения тока или напряжения в сети переменного тока измеряются через строго заданные промежутки времени t ₀ в течение множества периодов входного сигнала. При этом длительность интервалов времени между измерениями должна быть сравнима, но не равна (!), периоду переменного тока Т _п. Метод не требует дорогостоящих быстродействующих АЦП и скоростных микропроцессоров, но характеризуется малым быстродействием – для точности измерений порядка 0,1% требуется проведение измерений более 1000 периодов сигнала, т.е. более 20 с. Использование дополнительных алгоритмов обработки сигналов, например скользящего среднего, позволяет несколько повысить быстродействие таких приборов. Однако, они все равно остаются достаточно медленными, что не позволяет использовать их в электрических сетях, где возможны сколько- нибудь заметные искажения синусоидальности тока и в случаях, когда от измерительных приборов требуется одновременно и наличие защиты от перегрузки.

· Метод прямой дискретизации реализуется быстродействующими АЦП, которые оцифровывают сигнал с частотой много большей частоты переменного тока в течение 1-10 периодов. При этом жестко контролируется привязка цикла дискретизации к определенной фазе входного сигнала. После перевода в цифровую форму сигнал обрабатывается микропроцессором, который вычисляет все параметры сигнала – амплитудное значение, среднеквадратическое (эффективное) значение, частоту сигнал, сдвиг фаз, если измерения ведутся в трехфазной сети, а также все другие возможные параметры электросети. С уменьшением стоимости высокоразрядных и при этом быстродействующих сигма-дельта АЦП электроизмерительные приборы, основанные на методе прямой дискретизации, стали относительно недороги и при этом позволяют вести измерения с точностью до 0,01% при быстродействии 0,05 с и менее.

Дата добавления: 2015-03-31