Цифрові вимірювальні прилади

Прилади, побудовані на явищі електромагнетизму, зі стрілочними або «зайчиковими» показчиками мають низку недоліків. Насамперед, вони не досить точні, мають відносно малий омічний опір (котушка струму в таких приладів має дуже малий опір), споживають відносно велику потужність та ін.

Останнім часом користуються електронними приладами при вимірюванні параметрів електричних кіл. Вони не мають тих вад, які притаманні аналоговим приладам.

Такі прилади мають значно вищі, у порівнянні з електромеханічним вимірювальним механізмом, вхідні опори. Наприклад, електронні вольтметри сягають 1 МОм у приладах широкого розповсюдження, а у спеціальних приладах до 1000 М0м.

Вони споживають мізерну потужність завдяки тому, що мають у своєму складі підсилювачі.

Нарешті, електронні прилади дають можливість представити виміряне значення у зручній цифровій формі, фіксувати час і виміряну величину у внутрішній пам'яті, передавати ці дані на комп'ютер для обробки даних вимірювань тощо.

На рис. 4 показана структурна схема цифрового вольтметра, а на рис. 5 — часові діаграми вихідних напруг блоків структурної системи. Принцип дії такого приладу полягає у наступному: блок керування є ключом за допомогою якого подається сигнал – U_керув для запуску генератора пилкоподібних імпульсів напруги – U_ГЛПНЗ і селектора; пилкоподібний сигнал разом з постійною напругою U_вх, значення якої потрібно виміряти, подається у порівняльний блок; величина вимірювальної напруги в порівняльному блоці відсікає частину пилкоподібного сигналу.

Рис. 4. Структурна схема електронного вимірювального приладу.

На графіку (рис. 5) видно, що вищі значення вимірюваної напруги зумовлюють продовження тривалості пилкоподібного сигналу. Отже, на виході ми отримуємо сигнал U_{порівняльне} , який протягом певного проміжку часу подається до селектора. Одночасно до селектора подається неперервний імпульсний сигнал від високочастотного генератора U_{генератора}, а також сигнал запуску від блоку керування. У селекторі порівняльна напруга існує протягом певного часу, що видно із графіка, і за цей час селектор пропускає ту кількість високочастотних імпульсів до лічильника, протягом якого існує порівняльна напруга у селекторі.

Рис. 5. Графіки напруг в окремих блоках електронного приладу.

Після такого циклу наступає черговий цикл. Блок керування подає імпульс до генераторів і селектора, порівняльний блок задає тривалість існування пилкоподібного сигналу залежно від вхідної вимірюваної напруги, тривалість порівняльної напруги у селекторі визначає кількість високочастотних імпульсів, які надходять до лічильника. Лічильник на ЖК або ламповому моніторі висвітлює значення вимірюваної величини.

Цифрові вимірювальні прилади широко використовуються у науково-дос­лідних лабораторіях, виробництві, лабораторіях, що займаються перевіркою та ремонтом приладів тощо.

Останнім часом широко розповсюджені комбіновані цифрові прилади, так звані мультиметри, які дозволяють вимірювати декілька параметрів: постійну та змінну напругу, постійний та змінний струм, частоту, інтервали часу, температуру та інше.

Вимірювання струму та розширення меж вимірювання амперметра

Для вимірювання силу струму, що протікає через споживач, послідовно до нього вмикають амперметр. Увімкнення амперметра не повинно впливати на параметри електричного кола, тому його опір мусить бути досить малим.

На практиці для вимірювання постійного струму використовують прилади магнітоелектричної системи, а прилади електромагнітної для вимірювання змінного і постійного струму. Опір амперметрів близький до 0,1- 0,2 0м. Для розширення меж їх вимірювання використовують шунти. Шунт відводить частину вимірюваного струму в обхід амперметра (мал. 6).

Очевидно спади напруг на шунтові та амперметрові однакові:

. (1)

Відповідно першому закону Кірхгофа . (2)

Рис. 6. Схема ввімкнення шунта

Підставимо вираз 2 у вираз 1 і визначимо з нього значення опору шунта . Поділивши чисельник та знаменник останнього виразу на , отримаємо формулу для розрахунку опору шунта, залежно від числового значення розширення меж вимірювання сили струму кратного :

Шунти виготовляють з манганіну. У приладах, розрахованих для вимірювання малих струмів (до 30А), шунти поміщають у корпусах амперметрів, а для великих - використовують зовнішні шунти. Їх використовують, головним чином, у колах постійного струму тому, що в колах змінного струму вони споживають багато енергії. Для таких кіл використовують трансформатори струму.

Принцип дії такого трансформатора подібний до звичайного силового трансформатора. Особливість конструкції полягає в тому, що первинна обмотка має мале число витків дроту великої площі поперечного перерізу, тому спад напруги на первинній обмотці досить малий. Вторинна обмотка має більшу кількість витків тонкого дроту, тому на ній отримуємо вищу напругу при меншому ніж у вторинній обмотці струмові. Трансформатор працює фактично в режимі короткого замикання, так як амперметр має малий опір.

Широке використання отримали універсальні трансформатори струму УТТ-5, які складаються із залізного осердя і двох котушок (мал. 7). Кількість витків первинної обмотки , вторинної - _. Коефіцієнт трансформації , звідки . Де I-величина вимірюваного струму.

Отже, розширення межі вимірювання амперметра збільшується у стільки разів, чому дорівнює коефіцієнт трансформації .

Вторинну обмотку трансформатора не можна залишати розімкнутою. При потребі заміни приладу її “закорочують” тому, що на її кінцях, при ввімкненому трансформаторі, висока напруга є небезпечною для людини. Номінальний вторин­ний струм завжди дорівнює 5А.

Серед переносних трансформаторів струму найзручнішими є вимірні кліщі (мал. 8). Точність їх невелика, проте вони надзвичайно зручні при користуванні.

а)	в)
б)

Рис. 7. Розширення меж вимірювання амперметра за допомогою трансформатора струму: а – схематичне зображення; б – зовнішній вигляд; в – схема ввімкнення.

Рис. 8. Вмірювальні кліщі

Вимірювання напруги та розширення меж вимірювання вольтметра

Для вимірювання напруги між двома точками електричного кола використовують вольтметр. Його вмикають паралельно до тієї дільниці кола, напругу на якій потрібно визначити. Щоб увімкненння вольтметра не призвело до зміни параметрів кола, опір приладу повинен бути значно більшим від опору цієї дільниці кола.

Для розширення меж вимірювання вольтметра використовують додатковий опір, який вмикається послідовно до нього (мал. 9). Додаткові резистори виготовляють з манганінового дроту. Такими вольтметрами вимірюють напругу до З0 кВ. постійного та змінного струмів.

Розширення меж вимірювання вольтметра в раз запишемо виразом: . Спад напруги на навантаженні дорівнює сумі спадів напруг на вольтметрі та додатковому опорі . Поділимо ліву і праву сторони рівняння на силу струму, що протікає через вольтметр, а отже і через додатковий опір. При цьому отримаємо вираз . Скориставшись законом Ома, запишемо значення сили струму на вольтметрі через спад напруги на ньому та його опір і підставимо у попередній вираз: . З останнього виразу визначимо додатковий опір

Рис. 9. Схема для вимірювання напруги вольтметром з додатковим опором

Для вимірювання високих напруг, використовують трансформатори напруги. Принцип його дії такий же, що і в трансформатора струму. Різниця між ними в тому, що трансформатор напруги є понижувальним і вмикається в коло паралельно.

Контрольні запитання

1. Які системи найпоширеніших електровимірних приладів ви знаєте? Назвати їх основні переваги та недоліки.

2. Назвати основні умовні позначення на шкалах електровимірних приладів.

3. З яких основних вузлів складаються аналогові прилади?

4. Пояснити схему та принцип дії цифрових приладів?

5. Чому амперметри виготовляють з малим внутрішнім опором, а вольтметри з великим?

6. Чи можна вольтметр вмикати в коло послідовно, а амперметр паралельно?

7. Дати визначення абсолютної, відносної та зведеної похибок.

8. Що таке клас точності приладу. На які класи точності поділяють прилади?

9. Як розширити межі вимірювання вольтметра та амперметра?

10. Як розрахувати додатковий опір та шунт при розширені меж вимірювання вольтметра та амперметра?

Лабораторна робота № 2.