Спектр импульсных сигналов

Низкие частоты обеспечивают в форме импульса крышу. Чем меньше эти составляющие, тем меньше спад вершины импульса. Вместе с этим, скорость нарастания и спада импульса зависит от высокочастотных составляющих в разложении сигнала. Чем больше частота, тем круче фронты импульса. Для передачи сигнала необходимо устройство, имеющее одинаковые коэффициенты передачи во всем диапазоне спектра импульса. Но такое устройство технически выполнить сложно. Поэтому всегда решают задачу: спектр выбрать поуже, а параметр импульса получше.

Основной критерий оптимизации: скважность передачи импульсных сигналов. Но сегодня в реальных системах она достигает 100Мбод = 10⁸ единиц информации в секунду.

Импульсные сигналы стремятся передавать положительной полярности, так как полярность определяется питающим напряжением, хотя и применяют импульсы отрицательной полярности для передачи информации. При измерении величины напряжения импульсных сигналов обращают внимание на прибор: пиковый вольтметр (амплитудный), средних значений, среднеквадратичных значений. Средние и среднеквадратичные значения напряжения зависят от длительности импульса. Пиковое значение – нет. Передача импульсных сигналов по проводным линиям приводит к заметному искажению сигналов: спектр сигнала сужается в высокочастотной части, поэтому фронт и спад импульса увеличиваются.

По природе любые электрические сигналы делят на 2 группы: детерминированные, случайные.

Первые в любой момент времени могут быть описаны конкретным значением (мгновенным значением U(t)). Детерминированные сигналы составляют большинство.

Случайные сигналы. Природа их появления непредсказуема заранее, поэтому их нельзя вычислить, обозначить в конкретной точке. Такие сигналы можно лишь исследовать, провести эксперимент, по которого определить вероятностные характеристики сигналов. В энергетике к таким сигналам относят: помехи электромагнитных полей, искажающие основной сигнал. Дополнительные сигналы появляются при разрядах полных или частичных между линиями передач. Случайные сигналы анализируют, измеряют с помощью вероятностных характеристик. С точки зрения погрешностей измерения, случайные сигналы и их влияние относят к дополнительным случайным погрешностям. При этом если их величина на порядок меньше основных случайных, их из анализа можно исключить.

Импульсные сигналы не используют для передачи электрической энергии. Импульсные сигналы применяют для передачи информации, с помощью них передают цифровой код. Для представления информации используютследующие характеристики.

Длительность импульса как параметр: широтно-импульсная модуляция. Широко применялась в импульсных системах старого поколения.

Число-импульсный код (ЧИК) показывает число импульсов (событий), которые будут приняты (переданы) за фиксированный интервал времени. При этом меняется период следования импульсов, и их длительность. На сегодня этот способ основной при передачи данных измерения (счетчики электрической энергии преобразователь температуры, давления).

Временно-импульсная модуляция (ВИМ) – запаздывание переднего фронта импульса от фиксированных точек. Период и амплитуды импульса постоянны. Способ применяют в дальномерах. Недостаток: существует “слепая зона” – минимальное время, на котором не различить отраженный сигнал.

Рис. Числоимпульсный код.

Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ). Первичные преобразователи (физическую величину в электрический сигнал) на сегодня ориентируются на ЧИК, который может предаваться по типовым линиями телеизмерения в форме токовых и потенциальных сигналов.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) - при постоянном периоде следования и амплитуде, изменяется длительность импульса.

Лучше надежно использовать токовые посылки (импульсы тока), как более защищенные от внешних помех потенциальный сигнал по напряжению лишь на расстоянии 1,5- 2 метра.

Электромеханические измерительные приборы. Принцип

действия, особенности применения. Общие характеристики.

При измерениях, имея объект измерения, мы должны характеристику этого объекта преобразовать в некое числовое значение . На практике сложились три подхода в получении количественной информации:

• электромеханические преобразователи (стрелочные приборы);

• цифровые методы измерения (цифровые измерительные приборы);

• использование средств измерительной техники для получения количественных характеристик;

1.Электромеханические преобразователи действуют по следующей схеме: характеристики объекта измерения в измерительной цепи преобразуются в уровень тока и реже в напряжение. При этом формируемый ток, проходя через индуктивные элементы, порождает магнитный поток, последний формирует некий угол , пропорциональный величине измеряемого параметра . Этот угол измеряется сектором шкалы – линиями, полосками с количественными характеристиками.

( считывается)

2.Цифровые измерения. Стремление исключить подвижные элементы из средств измерения, привело к появлению электронных , а далее цифровых методов измерения. В основе цифровых методов измерения – измерительная цепь преобразует некую физическую величину в уровень напряжения , которую можно измерить на измерительном сопротивлении, преобразуя .

В отличие от первого пути, получение кодированной информации происходит без вмешательства субъекта. Поскольку индикаторы чаще всего отображают цифры 0-9, преобразование с выхода АЦП идет в двоично-десятичных кодах. Основная сложность в цифровых методах – получить нужный уровень сигнала на входе АЦП (нормированный уровень), поскольку АЦП должен работать по всему диапазону. Основная нелинейность в этих приборах – нелинейность измерительной цепи (до АЦП). Как первый, так и второй подходы – измерение одного параметра.

Достоинство второго способа – возможность усреднения результата, несколько раз измеряли, но индикацию отправили среднее.

3. Измерение требований к качеству параметров объекта привело к построению измерительно-вычислительных систем (комплексов). Это новый уровень в получении информации. Нормативными документами на сегодня вводятся системы качества параметров, в которых оговорены методы получения информации: только с использованием вычислительной техники. Система, построенная на основе средств вычислительной техники, предусматривают следующую структуру.

Принципиальное отличие: вводится управление в процедуру считывания информации с объекта. Управление позволяет считывать информацию с объекта в установленные точки времени. Поскольку автомат, то время измерения малое. Автоматические режимы измерения расширяют возможность в получении информации, увеличивая ее достоверность. Результаты измерения накапливаются в памяти ЭВМ и могут быть обработаны: не забываем про ЦОС (цифровая обработка сигналов). Главным недостатком ИВС является их высокая стоимость, которая в конечном счете распределяется на себестоимость продукции.

Использование любого из трех подходов для получения количественной информации опирается на экономическую целесообразность.

Структура электромеханического измерительного прибора.

Электромеханические измерительные приборы имеют следующую структуру:

Некая физическая величина воздействует на измеряемую цепь. Последовательно формирует электрический сигнал (ток, напряжение), пропорциональный измеряемой величине. Этот сигнал воздействует на измерительный преобразователь, формируя механический момент или силу. Которые воздействуют на отсчетное устройство, что позволяет считывать результат измерения в единицах измеряемой величины.

Чем проще реализованы измерительная цепь и преобразователь, тем надежнее, дешевле прибор.

Таким образом, подобные устройства целесообразно применять в измерениях, не требующих высокой точности. В общем случае электромеханические измерительные преобразователи используют преобразование части рабочего тока в пропорциональный магнитный поток, далее в угол отклонения.

Основная проблема электромеханических преобразователей – их нелинейность по диапазону. Часто формально характеристику преобразования представляют так называемой S-кривой, причем особенность: начальный участок S- кривой пологий. Нелинейность объясняется механикой, чаще всего- растяжки, пружины и т.д.

В зависимости от типов преобразователей, различают системы измерительных приборов:

1) магнитоэлектрическая система:

2) электродинамическая система:

3) ферродинамическая система:

4) электромагнитная система:

5) электростатическая система:

6) вибрационная система:

7) термоэлектрическая система:

Структура электронного измерительного прибора

Рис. Электроизмерительный прибор.

Электроизмерительные приборы включают обязательно три блока:

1. Первый измерительный преобразователь

2. Функциональный преобразователь

3. Электронный усилитель

В зависимости от формы представления результата приборы делятся на электронные и цифровые (с цифровым отсчетом).

Первые электрические, используют в качестве отсчетного устройства (стрелки шкалы), поэтому включают измерительный механизм.

Вторые - преобразуют уровень выхода сигнала усилителя, цифровой код (в АЦП) и на элементах индикации отображают измеренную величину в форме цифр.

Приборы с цифровым отсчетом не содержат механических частей. Поэтому имеют значительно меньшую погрешность при измерении, но более сложные. На практике могут использоваться и другие приборы, например, с телевизионным преобразователем, которые включают большее число блоков, их относят к измерительным системам.

В области электрических измерений к числу преобразуемых параметров относят - что измеряем:

1.Напряжение и силу постоянного тока.

2. Средневыпрямленное значение переменного напряжения и тока.

3. Среднеквадратическое (действующее) значение напряжения и тока.

4. Пиковые значение напряжения и тока.

5. Активная мощность.

6. Реактивная мощность.

7. Частота переменного тока (период).

8. Разность фаз.

9. Активное сопротивление.

10. Значение индуктивности и емкости.

11. Модуль и объект комплексного сопротивления.

12. cos ф

13. Распределение энергетических соотношений по частоте (спектр).

14. Число оборотов вала.

15. Комплексный показатель качества электричества.

Помимо основных измеряют и неэлектрические характеристики: температуру среды, влажность, давление и т.д. Посредством измерительных преобразований - это множество преобразуется к:

1. Постоянному напряжению.

2. Амплитуде значения переменного напряжения.

3. Постоянный ток.

4. Частота (период).

5. Интервал времени - как частный случай периода.

Задача измерительных преобразований - сформировать электрический сигнал, один или несколько параметров которого пропорциональны измеряемой величине Х. Любой измерительный прибор обязан работать на вышесказанных условиях.

Частный случай измерительного преобразования - нормализация. Получение однородного выходного сигнала, пропорционально по своему значению, входному. Например, простейший измерительный преобразователь - резистивный делитель напряжения. При измерениях высоких напряжений используют делители, когда одна и та же величина U(t) преобразуется в U (t), т.е. U(t)→U (t); Способ простой: при включении в цепь делителя необходимо помнить, что делитель шунтирует нагрузку основной цепи и выбирать величину сопротивления с учетом характеристик цепи. Более преемлемым в энергетике вариантом является использование трансформаторов для этих же цепей:

Рис. Использование трансформатора тока и напряжения в цепях

Число витков первичной обмотки небольшое, зато вторичная обмотка может иметь значительное число витков. Падение напряжения на первичной обмотке трансформируется в напряжение во вторичной обмотке, которое может быть значительно большим. ИТТ (измерительный трансформатор тока) и ИТН (измерительный трансформатор тока) - преобразователи (нормализаторы). Промышленность чаще всего выпускает ИТТ, причем как в переносном варианте, так и в стационарном. Переносной вариант – измерительные клещи. ИТН чаще стационарные.

Фазоповоротные схемы.

В ряду функциональных преобразований особое место занимают некоторые устройства: Фазоповоротные схемы времяимпульсные измерительные преобразователи, преобразователи частоты изменения амплитуды. Фазоповоротная схема строится, как правило, на основе активных элементов. На сегодня основной активный элемент - операционный усилитель. Операционный усилитель охвачен отрицательной обратной связью (ОС), уменьшающей коэффициент передачи каскада. В целом коэффициент передачи зависит от величины R_ОС,R1,R2.

Рис. Фазоповоротная схема (схема 1)

Сдвиг по фазе входного гармонического сигнала осуществляется за счет «затягивания» его на входе емкостью С. Постоянная цепи CR₂ определяет величину сдвига. Если входной сигнал подавать симметрично на оба входа усилителя, получается дифференцирующая схема и выходной сигнал - разностное напряжение относительно земли. Применяется не часто. Как правило, оба входа объединяются, и входной сигнал подключается относительно земли.

Рис. Сдвиг по фазе входного гармонического сигнала

Возможно изменение схемы. Сх.1 не используется на НЧ. Сх.2 используется на ВЧ.

Времяимпульсные измерительные преобразователи предназначены для замены синусоиды на последовательность импульсов. Если у входного синусоидального сигнала существует амплитудное значение, частота, сдвиг по фазе, то у времяимпульсного преобразователя информационный параметр - это длительность импульса.

В качестве простой схемы преобразователя используют операционный усилитель: выбрав большой коэффициент передачи усилитель ограничивает выходной сигнал и он имеет форму, близкую к прямоугольнику.

Для улучшения характеристики на вход усилителя включают ограничитель.

Рабочая, так как входной сигнал не должен превышать напряжение питания. Измерительные преобразования изменений частоты в изменении амплитуды. Контроль измерения частотных характеристик сигнала возможно через измерение пропорциональной величины амплитуды напряжения. f . В основе схем частотно-зависимые элементы. Рабочий элемент схемы - операционный усилитель.

Очень хорошо развиты преобразователи форм напряжения, т.е. U →U , U →U ,U →U .Основным преобразователем для этих цепей является детектор переменного напряжения. В технике используют термин: измерительная головка. Имеет форму щупа и преобразует переменную величину напряжения в максимальную, средневыпрямленную или действующую величину. Выбор типов зависит от соотношения R и частоты измерительного напряжения. Интересно преобразование частоты измерительного сигнала в величину напряжения

Рис. Типовая схема ограничителя

Рис. Схема с ограничением

Рис. Двойной Т-мост

На входе ОУ включен двойной Т-мост (мост Вина). Основная частотная характеристика двойного Т-моста: коэффициент передачи такой схемы по частоте K(w):

Рис. Зависимость коэффициента передачи от частоты

он изменяется с изменением частоты, в результате сигнал, определяемый напряжением, изменяется пропорционально.

Рис. Зависимость напряжения от частоты

В качестве входных частотозависимых цепей можно с успехом применять резонансные характеристики контуров, RLC фильтров, которые дадут изменение коэффициента передачи, но большую нелинейность. В схемах автоматики часто необходимо зафиксировать факт изменения частоты (релейный сигнал). Поэтому в них и применяют линейные RLC фильтры.

Измерительные и функциональные преобразователи входят как обязательные элементы в состав любого измерительного прибора. Непосредственно измерительный механизм, оставаясь постоянным, не может реагировать на сигналы в широком диапазоне, поэтому измерительные и функциональные преобразователи в зависимости от переключателей диапазона измерений формируют на входе сигналы той оптимальной величины, что необходима для измерительного механизма, т.е. играет роль своеобразных делителей. Поскольку основными измеряемыми величинами являются напряжение и уровень тока, функциональные преобразователи не зависимо от рода входной величины на выходе формируют величину напряжения (реже тока). Недостаток: на практике следует работать на одной половине диапазона(он не широкий). На близких частотах измерение автоматическое. Преобразователи физических величин позволяют сократить номенклатуру средств измерения, уменьшить стоимость, но внести это может определенную погрешность.

Измерение электрического тока в цепях.

1. Измерение величины постоянного тока

2. Измерение величины переменного тока промышленной частоты

1. Классификация измерительных приборов, измерение величины постоянного тока:

Разделяют их на 2 группы: электромеханические и электронные, в том числе цифровые. Принципиальное различие между группами в том, что приборы электронные имеют усилитель входного сигнала. Регулировка диапазона в электронных приборах удобнее, диапазон шире. Электромеханические приборы, как правило, ослабляют сигнал (делят, уменьшают при переключении диапазона). Если электромеханический прибор имеет конструктив только измерительного механизма, предел измерения у него фиксирован.

ИПр ИМ ОУ

фиксированный диапазон

В большинстве случаев для измерения величины постоянного тока электромеханическими приборами используют измерительный механизм магнитоэлектрической системы.

Прибор с 2-мя рамками для уравновешивания стрелки (логометр)

Приборы этой системы составляют абсолютное большинство лабораторных точных измерителей. Класс точности приборов высок и составляет порядка (0,05;0,1;0,2).

Структура электромеханического амперметра:

Конструктивно измерительный прибор имеет подковообразный магнит с замыканием. В магнитопроводе находится легкая рамка, соединенная со стрелкой или с указателем. Прибор последовательно включается в цепь, следовательно необходимо, чтобы по нему протекал ток пружины- растяжки играют двойную роль. Они служат проводниками для тока: растяжка, рамка, растяжка, создают противодействующий момент, останавливающий рамку в конкретном положении. Пружины при этом закручиваются и с увеличением угла поворота усиливается тормозящий момент ( ), который пропорционален углу поворота - . Угол отклонения пропорционален току, проходящему по рамке, и коэффициенту: ; . Рамка в магнитном поле при этом отклоняется и растяжки, закручиваясь, формируют тормозящий момент, при каком-то токе моменты приравниваются, рамка остановится.

Пружины не могут обеспечить полной линейности в начальном и конечном диапазонах отклонения. Отсюда шкала ограничена. При прохождении электрического тока по рамке формируется рабочий крутящий момент, пропорциональный току в рамке:

Рамка отклоняется, когда

т.е ток определяется параметрами измерительного механизма.

Приборы магнитоэлектрической системы позволяют измерять малые значения постоянного тока с высокой точностью. С ростом величины тока размеры увеличиваются (провод рамки должен быть толще), поэтому для измерения больших токов такие приборы не применяют. К ним добавляют измерительные преобразователи - шунты - (параллельно включаемые сопротивления строго фиксированной величины).

Главное достоинство конструкции: простота измерения, линейность в диапазоне. Недостаток:

Рис. Параллельное включение шунта

а) с увеличением тока увеличивается нагрев проводника на рамке и он может расплавиться.

б) с увеличением толщины проводника, масса рамки увеличивается, увеличивается инерционность и точность. Для уменьшения колебания стрелки используют успокоители – поршнево-воздушные и магнитные, но любой успокоитель вносит погрешность. Известно, что для расширения пределов измерения импульсов тока используют шунты. Через R_Ш протекает большая часть тока.

Внимание! Введение шунта снижает точность измерительного механизма. Главным недостатком измерительных механизмов этой системы является не стойкость к механическим воздействиям. Конструкция легкая, непрочная. Поэтому измерительные механизмы не выносят ударов, вибраций, агрессивной внешней среды. Отсюда приборы используют в лабораторных условиях.

Любой способ измерения величины тока можно отнести к прямым или косвенным методам. Принято к косвенным относить вычисление величины тока как падение напряжения на резисторе известной величины.

=

Вычислять по закону Ома можно, но погрешность результата будет значительно превышать погрешности как вольтметр, так и резистора вместе взятые. Поэтому способ используют для оценки величины тока. Аналогичный подход используют в цепях, когда нет в близи нагрузочного резистора известной величины.

Рис. Подключение измерительного резистора в разрыв цепи

В разрыв рабочей цепи включаем , величина которого точно известна при прохождении тока по измерительному резистору, на нем формируется падение напряжения, через которое определяем значение рабочего тока. Величина измерительного сопротивления выбирается малой (1-10 ом) с целью, чтобы влияние на рабочий ток в цепи была минимальной. Следует стремиться к тому, чтобы на нагрузке активное сопротивление на порядок, на 2 было больше измерительного резистора. Опыт проводится без амперметра, поэтому диапазон частот в схеме не критичен. Сопротивление имеет чисто активный характер. Более точные результаты дают прямые измерения с использованием как эл/механических, так и цифровых средств измерения. Для измерения постоянного тока используют амперметры магнитоэлектрической системы.

Приборы магнитоэлектрической системы могут иметь 2 рабочих катушки, ток по которым протекает в разных направлениях, что даёт возможность формировать два момента: рабочий и тормозной. Растяжек пружин нет, шкала более линейна, но механическая прочность конструкции слабая, поэтому логометры используют лишь при проведении опытов, единичных регламентов и т.д. Класс точности от 0,01 до 2. Электронные приборы основаны на измерении величины падения напряжения на измерительном резисторе.

Рис. Измерение напряжения электронным прибором

Метод косвенный, хотя шкала в значениях тока. Прибор последовательно включается в измеряемую цепь, через измерительный резистор протекает ток, создавая на нем падение напряжения. Напряжение усиливается активными элементами прибора и поступает на измерительный механизм. В зависимости от последнего, приборы разделяют на просто электронные и цифровые.

У электронных измерительный механизм, как правило, магнитоэлектрической системы.

В промышленности необходимость измерения величины постоянного тока не высока. Чаще всего эти изменения проводят при регламентных работах, проведение каких-либо опытов и исследований, но приборы электромеханической системы вытесняются в таких случаях цифровыми приборами.

Цифровые приборы имеют шкалу с десятичными разрядами, поэтому в них усиленный сигнал преобразуется в двоично или двоично-десятичный код и отображается на индикаторах. Цифровые приборы более точные, удобные в пользовании. Основным достоинством электронных приборов считается широкое изменение коэффициента передачи (усиление), что приводит к возможности измерения в большом диапазоне.

Недостаток - более сложные, потребляют энергию. Измерительный механизм вносит определенную погрешность в измеряемую цепь, включение последовательно сопротивления прибора уменьшает реальный ток цепи, поэтому стремятся снизить сопротивление прибора. Но в электромеханических приборах это приводит к снижению чувствительности. Электронные приборы более гибки и измерительное сопротивление в них можно взять небольшим. Помимо приборов магнитоэлектрической системы для постоянного тока используют электромагнитную систему, электродинамическую, термоэлектронную. Все эти приборы имеют большую погрешность.

Структура цифрового амперметра:

Рис. Структура цифрового амперметра для измерения постоянного тока

Поскольку АЦП один, то для его нормального режима необходимо переключать диапазон измерения, тем самым обеспечивая на резисторах разной величины при разном токе одинаковое падение напряжения. Главным признаком у цифровых амперметров является переключатель диапазонов измерения по току (как правило подекадно).

Технические сложности с делителями (измеряемыми резисторами) не позволяют выполнять амперметры с очень широким диапазоном измерения. Как видно из приведенных схем измерение постоянного тока требует решения определенных технических задач, в тоже время такие приборы не часто востребованы. Поэтому цифровые амперметры объединяют в комбинированные приборы: мультимеры - универсальные измерители, с тем чтобы уменьшить стоимость. Приборы для измерения тока постоянного тока с высокой точностью довольно сложны и имеют высокую стоимость.

2. Амперметры переменного тока промышленной частоты:

С реди электромеханических систем используют амперметры электромагнитной системы, электродинамической и ферродинамической систем. Для измерения токов промышленной частоты чаще используют электромагнитную систему, т.к. катушку электромагнита можно намотать толстым проводом, собственное сопротивление не большое, допустимый рабочий ток не высокий. Вместе с тем малые величины тока формируют малый магнитный ток и соответственно не могут втянуть пластину электромагнита. Поэтому электромагнитные приборы используют для больших токов, электродинамические и ферромагнитные – для малых токов. Класс точности как электромагнитных, так и электродинамических амперметров не высок, порядка 0,2-1,5. Электромагнитные амперметры имеют схему замещения, включающую L и R (индуктивность и собственное сопротивление). Кроме того, мы должны учитывать индуктивность проводников, поэтому с ростом частоты переменного тока увеличивается влияние реактивностей и точность прибора падает. На промышленной частоте (50, 400, 1000Гц) наращиванием (распределением) индуктивности и емкости пренебрегают поэтому схема как правило имеет вид:

Эти конструкции частотозависимы и на шкале таких приборов диапазон рабочих частот, например: 40-65 Гц. Заявленные на шкале параметры точности амперметра соответствуют, если сам сигнал близок к синусоидальному. В противном случае – несоответствие, для расширения предела измерения рекомендуют использовать трансформаторы тока (если токи большие и традиционно - шунты).

Приборы магнитоэлектрической системы для измерения переменного тока не применяют. Если измеритель комбинированный применяют выпрямитель переменного тока (мостовая схема выпрямления) и измерительный мел-м магнитоэлектрической системы. Чаще непосредственно используют измерительные механизмы других систем, электромагнитные системы, в которых в которых измеряемый ток проходит через катушку с отверстием.

Рост числа витков n к увеличению R прибора.

Электродинамическая система. Измерительный механизм такой системы представляет из себя катушку с проводом, в котором вращается рамка. Катушки соединены последовательно, поэтому вращение магнитных потоков достаточно хорошее, также нужны пружинки для М_тормоз .

Рис. Прибор электродинамической системы

Электродинамические измерительные механизмы имеют несколько меньшую точность (индекс 0,5; 1; 1,5; 2) и сопротивление прибора также оказывает влияние на точность расчета. С целью увеличения магнитного потока постоянную неподвижную катушку помещают в сердечник, получают приборы ферродинамической системы и обозначают:

Рис. Прибор ферродинамической системы

В приборе электродинамической системы переключение пределов измерения выполняется за счет коммутации рабочих обмоток катушки. На переменном токе в электродинамической системе можно изменять пределы измерения. Измерение больших величин переменного тока требует использования измерительных преобразователей тр-ров тока.

Рис. Прибор термоэлектрической системы

Приборы термоэлектрической системы имеют малое собственное сопротивление. Диапазон измерения широк от десятков mA до десятков ампер. Для измерения больших значений тока применяют трансформаторы тока. Любой шунт у прибора уменьшает его собственное сопротивление. Отсюда, приборы с R_Ш более удобны для измерения с малой нагрузкой. Включение амперметра в цепь приводит к нарушению естественного состояния цепи. Электрические приборы для измерения тока имеют стандартную величину сопротивления прибора, порядка 10 Ом.

Зависимость показаний прибора от формы тока.

Здесь следует ориентироваться на действительные значения переменного тока (аналогично напряжению). Абсолютное большинство амперметров переменного тока рассчитаны на синусоидальный сигнал.

Зависимость показаний от частоты.

С ростом частоты переменного тока (400 - 1000 Гц) сказывается инерционность прибора, поэтому меньшую погрешность имеют приборы с выпрямлением. Обязательно стрелку прибора рассчитывают до частоты 10 - 30 кГц, не больше. С учетом некоторой стандартности приборы без шунтов имеют предел измерения 100 mA (200 mA). Менее точные (электродинамические) порядка 1 А.

Цифровые амперметры:

Используют принцип выпрямления. Причём, в большинстве выпрямитель однополупериодный.

Рис. Структура цифрового амперметра для измерения переменного тока

Заметим, что цифровые амперметры менее критичны к частоте сигнала и диапазон у них шире. В комбинированных приборах невысокой точности используют магнитно-электрическую головку с выпрямлением при измерениях переменного тока.

Измерение величины напряжения в цепях.

1. Прибор для измерения постоянного напряжения.

2. Прибор для измерения переменного напряжения промышленной частоты.

1. Прибор для измерения постоянного напряжения.

Методы

косвенные прямые

(U=IR)

Косвенная оценка величины напряжения используется в тех случаях, когда результат имеет справочное (оценочное) значение.

Прямые измерения подразумевают применение средства измерения, т.е. вольтметра. Вольтметр бывают: - электромеханической системы

- цифровые

- система вычисления

Электромеханические приборы:

Они основаны на использовании электромагнитного поля, создаваемого током в измерительной цепи. Отсюда непосредственно инструмент реагирует на величину тока (а это есть амперметр).

Рис. Замена вольтметра на амперметр и добавочное сопротивление

Прибор для измерения напряжения подключается параллельно нагрузке, поэтому R >>R .

С учётом схемы включения приходиться идти на компромисс, когда подбираются такие параметры измерительной цепи, которые обеспечат небольшое влияние на режим работы основной цепи и само средство измерения (амперметр) имеет литература ой точности исследуют магнитно-электрическую головку с выпррямлением 0000000000000000000000000приемлемую чувствительность. Поскольку измеряем постоянный ток амперметры магнитоэлектрической системы, что позволяет сконструировать универсальный прибор для измерения постоянного тока – амперметр и вольтметр.

Типовые вольтметры постоянного тока имеют небольшой предел измерения. Причина: с увеличением измеряемого напряжения увеличивается ток, текущий по измерительной цепи, следовательно, и влияние прибора на рабочую цепь. Д ля увеличения диапазона измерения напряжения чаще всего применяют делители. В любом случае цепочка делителей высчитывается дополнительно помимо приведенной погрешности, поэтому рекомендуется применять приборы с большим входным сопротивлением. Делители на резисторах в корпус вольтметров не помещаются, но добавочное сопротивление обязательно. При этом возможны два включения добавочных сопротивлений: последовательное включение резисторов (рис. 9) и параллельное включение (рис. 10):

Последовательное включение резисторов более эффективно по использованию элементов, но погрешность при этом увеличивается, она может суммироваться по всем включенным последовательно резисторам. Чтобы обеспечить требуемый класс точности необходимо выбирать точные резисторы.

Параллельная схема допускает использование менее точных резисторов, однако всякий раз работает только одна цепь. При использовании в вольтметрах измеряемых механизмов магнитно-электрической системы предельное значение тока в этих приборах небольшое. Расширение пределов измерения электромеханических приборов по постоянному току – использование резистивных делителей, внешних по отношению к вольтметру.

Рис. Параллельное включение добавочных

сопротивлений

Величина напряжения, измеряемого элементами измерительно-механическими (ИМ) обычно ограничена: 300 В, реже 600 В.

Рис. Включение делителя в цепь измерения

Д ля увеличения диапазона измерения напряжения чаще всего применяют делители. В любом случае цепочка делителей высчитывается дополнительно помимо приведенной погрешности, поэтому рекомендуется применять приборы с большим входным сопротивлением, а этим требованиям отвечают e вольтметры, величина которых достигает нескольких десятков МОм. Для справки: сопротивление электродинамического вольтметра = 1 кОм.

Электронные вольтметры постоянного напряжения имеют следующую структуру:

Рис. Структура электронного вольтметра постоянного напряжения

Блок делителей

Входное напряжение поступает в блок делителей где в зависимости от диапазона в высокоомных делителях формируется часть от измеряемой величины. Далее усилитель постоянного тока (УПТ) на ОУ, выходной сигнал которого и регистрируется измерительным механизмом. Большое значение придается стабильности коэффициента передачи УПТ. Делители высокоомные, с тем они должны быть точными. Промышленность же особо точные высокоомные резисторы не выпускает, поэтому делители собирают из цепочки резисторов, подбирая при настройке. Суммарная погрешность такой схемы может превышать погрешность ИМ.

Небольшие величины постоянного напряжения измеряют с помощью компенсаторов. Компенсатор - источник ЭДС, величину которой можно изменить с большой точностью (например набором переключателей). Значение напряжения фиксируется на компенсаторе при совпадении стрелки с нулевым значением.

Рис. Измерение напряжения с помощью компенсатора

Компенсаторы - не самые простые элементы, поэтому их применяют в точных лабораторных измерениях. При измерении высоких напряжений с помощью компенсаторов на входе их ставят делители. Для измерения величины постоянного напряжения чаще применяют ИМ известных систем. Недостаток - погрешность вследствие отвлечения тока в цепи ИМ.

Цифровые вольтметры

Более точной считаются вольтметры с цифровым отсчетом, когда вместо измерительного механизма используется АЦП и индикаторы. В лабораторных работах для точных измерений применяют компенсаторы - более точные устройства, но громоздкие для постоянного использования. Часто встречающиеся сигналы постоянного тока, изменяются по величине. Прибор отметит мелькание младших разрядов. Стрелочный прибор - стрелка будет вибрировать, но занимать среднее положение.

Рис. Измерение напряжения цифровыми вольтметрами

Изначально принцип получения информации основан на том же подходе: отнять часть тока из измеряемой цепи. Отличие: величина такого тока может быть небольшой, входная цепь цифрового вольтметра на несколько порядков больше, чем добавочное сопротивление вольтметра. Входная цепь любого вольтметра с АЦП имеет делители часто подекадно, что позволяет переключать напряжения 10,100, 1000В. Делители на резисторах целесообразно использовать на низких частотах, т.к. сказывается емкость элементов. Делители могут быть как выносными, так и встроенными. Делитель позволяет уменьшить входной сигнал для прибора, а добавочный резистор - уменьшает ток через прибор.

Аттенюатор – делитель.

Входные цепи цифрового вольтметра могут работать как в режиме усиления для малых напряжений, так и для деления, это связано с тем, что диапазон входных значений для АЦП на каждом пределе изменений должен быть одинаков. Измерение с помощью ИВС (измерительно-вычислительных систем) предусматривают дополнительно аналогово-цифровой преобразователь, который может быть внешним выносным, либо встраиваемым в ЭВМ. Для измерения высоких напряжений (свыше 1 кВ) используют выносные делители: 1:10; 1:100.

Измерительные величины постоянного тока в промышленности значительного распространения не нашло (кроме схемы техники). Используют для проведения опытов, регламентов, контроля работы электрических схем.

2. Измерение переменного напряжения промышленной частоты:

Принцип получения информации в вольтметрах постоянного тока перенесен и на вольтметры переменного тока. Отличие: электромеханические измерительные приборы для переменного тока – электромагнитная система, электродинамическая и ферродинамическая системы могут работать с большими токами. Поэтому добавочное сопротивление менее критично. Вместе с тем обе указанных системы имеют меньшую чувствительность, чем магнитоэлектрическая система. Это находит отражение в классе точности вольтметров переменного тока (0,5; 1,0; 1,5). Поскольку оба измерительных механизма имеют катушку индуктивности L и вольтметры переменного тока, построенные на их основе частотозависимы, поэтому на лицевой панели шкалы указывается диапазон частот, в пределах которого измерения имеют объявленную погрешность. Если же сигнал сложной формы, электромеханические вольтметры не гарантируют достоверности результатов. ИМ электромагнитной и электродинамической систем используют с добавочными сопротивлениями, подключенными последовательно к катушкам. Ток полного отклонения в таких приборах может достигать 200 mA уже при напряжении порядка 30 В, поэтому наибольший предел измерения в вольтметре с добавочными сопротивлениями 600 В. Повысить его можно с помощью первичных преобразователей: измерительными трансформаторами.

Рис. Измерительный трансформатор в цепи измерения

Напряжение его, подключенное к нагрузке, снижает точность измерения, поскольку собственные потери не учитываются. Делители на резисторах целесообразно использовать на низких частотах, т.к. сказывается емкость элементов. Делители могут быть как выносными, так и встроенными. Делитель позволяет уменьшить входной сигнал для прибора, а добавочный резистор - уменьшает ток через прибор. Приборы электромеханические сохраняют свои позиции, при которых текущее значение стационарно, используются на щитах, пультах, индикаторах. Вместе с тем, цифровые вольтметры более удобны в пользовании, обеспечивают высокую точность, поэтому в последнее время они внедряются повсеместно по критериям точности. Основное отличие структуры цифрового вольтметра переменного напряжения от рассматриваемого в входном преобразователе.

Рис. Структура цифрового вольтметра

С

Электромеханические вольтметры на сегодня применяют на 300 – 600В. Как правило, щитовые. Цифровые вольтметры обеспечивают более высокую точность результатов, менее частотозависимы и более удобны в практике. Вольтметры переменного тока измеряют действующее значение переменного напряжения. Действующее значение напряжения – величина постоянного напряжения, при котором с наличием одинаковых нагрузок выделается одинаковая мощность. Действующая величина напряжения переменного тока – некая энергетическая характеристика, которая принята из удобства работы.

Помимо измерения действующего значения разработаны приборы для получения амплитуды постоянной составляющей напряжения. Максимальная или амплитудная величины напряжения измеряются вольтметрами амплитудных значений. Абсолютное большинство электромеханических вольтметров переменного тока проградуировано в еденицах действительного напряжения. Поэтому для получения амплитудных значений нужно использовать дополнительную цепь – детекторную головку (выпрямитель, рис. 12).

VD

R

Вх

Вых

C

Рис. Включение в цепь пикового детектора

Схема на рис. называется пиковым детектором. Схема выпрямляет входной сигнал и величина выходного напряжения у выхода U_MAX. В технике получить большую составляющую разряда конденсатора = 2,2RC сложно, поэтому чаще такую схему называют квазипиковой детектор. Эти схемы применяют для измерения максимальных значений переменного напряжения.

Скорость разряда зависит от параметров цепи и чем больше постоянная разряда τ, тем медленнее разряжается конденсатор. Изменяя величину емкости конденсатора, можно измерять действующее значение и амплитудное значение. Выпрямительные элементы позволяют подобрать параметры так, чтобы конденсатор разряжался очень медленно и мы измеряли пиковое значение напряжения. Пиковый (квазипиковый) вольтметр позволяет измерять максимум значений за интервал времени. Пиковый вольтметр используют для получения амплитудных значений пикового сигнала.

Приборы используют для анализа сигналов в схемах защитной автоматики и анализа переходных процессов. Как правило, выпрямительные схемы используют в цифровых приборах, но имеются универсальные приборы, измеряющие постоянный ток и напряжения и переменный ток и напряжение. В них просто выпрямление и шкала с действующими значениями.

Вторая особенность в измерении напряжения в получении средних значений. Как правило, эта величина интересна, когда сигнал однополярный, но не постоянный по величине. Для его получения необходим также преобразователь на основе выпрямителя. Но его постоянная соизмерима с временем измерения, которое может изменяться.

U(t)

t

Рис. Двуполярный, но не постоянный по величине сигнал напряжения

Эта энергия используется при исследовании цепей для характеристики сигналов: гармоники, шумы.

Время измерения усредняет величину U₀, поэтому основная трудность - это подбор времени измерения.

Амплитудные

пиковые

квазипиковые

максимальные

Конструктивно сам детектор часто выполняют в выносном делителе. Среднее значение напряжения на интервале также измеряют электронным вольтметром, у которого постоянная интегрирования подбирается близкой к периоду следования сигнала. Наибольшей точностью при измерении U обеспечивают цифровые вольтметры, поэтому стремятся применить их во всех возможных ситуациях.

Измерение мощности постоянного и переменного тока промышленной частоты

Традиционно величину мощности в цепях переменного тока связывали с передаваемой энергией (потребляемой токоприемниками энергией). Заметим, что сама мощность как термин является не основным параметром в последнее время.

Традиционно измерение мощности производится косвенными и прямыми методами.

Прямые методы связаны с использованием ваттметра.

Косвенные методы:

– мощность переменного тока;

– мощность постоянного тока;

– мощность импульсного сигнала.

Для оценки мощности в цепях постоянного тока чаще используют косвенный метод .

Величину мощности можно измерить косвенным методом, используя лишь один осциллограф (рис.1). Падение напряжения определяем по осциллографу. Величину тока в цепи определим через измерительный резистор, который включим сами в рабочую цепь.

Если ток переменный, то можно пойти двумя путями:

1. Пересчитываем амплитудные значения напряжения и тока в действующие.

2. С экрана осциллографа считываем период сигнала. По формам кривых вычисляем отсчеты в фиксированные точки во времени. Перемножив соответствующие величины тока и напряжения (по каждому моменту времени), просуммировав их и разделив на число отсчетов, получим реальное значение полезной мощности (рис.2).

Прямые методы.

Прибор для измерения значений действующей мощности называется ваттметром. Поскольку значение мощности определяется двумя величинами – током и напряжением, в ваттметре используется две катушки: токовая (последовательная) и катушка напряжения (параллельная).

Требование к токовой обмотке: минимальное падение напряжения (минимальное собственное сопротивление). Токовая катушка выполняется толстым проводом для увеличения рабочего тока.

Катушка напряжения, напротив, должна иметь высокое сопротивление (активное и индуктивное), т.е. оказывать наименьшее воздействие на рабочую цепь.

Один конец катушки напряжения подключается со стороны генератора в рабочую цепь. Он помечается символом * и называется генераторным (рис.3).

Две катушки имеются в приборах электродинамической системы. Большая катушка неподвижная (обмотка напряжения), подвижная рамка выполняет роль токовой обмотки.

Более рациональным решением при увеличении рабочего тока считают не шунты, а применение трансформаторов тока, пусть отдельного, внешнего устройства, подключаемого в рабочую цепь. Схема подключения ваттметра с применением трансформатора тока показана на рис. 4.

Поскольку у ваттметра должно быть три точки, то необходимо поставить перемычку между концом обмотки напряжения и началом обмотки тока, как это показано на рис. 4.

При больших значениях и тока, и напряжения ваттметр подключают совместно с трансформатором тока и трансформатором напряжения. Схема такого подключения показана на рис. 5.

Измерение мощности трехфазного тока.Приборы для измерения мощности.

Самым простым путем измерения мощности в трехфазной цепи является измерение мощности отдельно в каждой цепи и затем суммирование: . Для этой цели необходим один ваттметр (рис.6). Недостаток метода: необходима перекоммутация ваттметров.

Для оперативного измерения величины мощности в каждую фазу ставят по одному ваттметру и аналогично суммируют все полученные значения.

Метод двух ваттметров используют чаще в промышленном применении (рис. 7). Но величина напряжения на ваттметре уже выше (т.к. в этом случае ваттметры включают линейно).

В последнее время вместо электромеханических ваттметров внедряют цифровые измерители мощности. Два направления:

1. Традиционный переход от аналоговой формы сигнала и вычисление в цифре (рис. 8).

2. Использование интегральных схем-перемножителей с получением цифровой индикации.

В рабочую цепь включается измерительный резистор (например, 1 Ом). С этого резистора снимается сигнал, пропорциональный току. С нагрузки считывается падение напряжения. На перемножителе (специальный усилитель с нелинейной характеристикой) получаем уровень напряжения, пропорциональный U(t)I(t), который представляем на цифровом индикаторе.

Если измерять мощность необходимо для целей текущего учета этого параметра, используют электромеханические приборы (электродинамические системы) и ваттметры, построенные на интегральных схемах. Для целей эксперимента, исследования цепей следует применять вычислительную технику с цифровым преобразованием сигнала, что позволяет не только повысить точность, но и сохранить (задокументировать) результаты работы.

Для измерения мощности в электрических цепях, в которых могут быть значительные высшие гармоники, сдвиг по фазе между током и напряжением, применяют электротепловые приборы: рабочий ток пропускают через тепловой индикатор (например, бусинку с нагревательным элементом внутри).

Измерение количества электрической энергии.

Счетчики электрической энергии постоянного и переменного тока.

Измерять количество энергии возможно двумя путями: косвенным и прямым. Косвенные методы дают оценку количества энергии и на сегодняшний день не могут служить основанием для экономических требований. Приборы для учета количества электричества – счетчики электрической энергии – на сегодня делятся на две группы: индукционного типа и электронные.

Индукционные счетчики – традиционно распространенные; для бытовых целей – однофазные; в промышленности – трехфазные – являются наиболее надежными. Срок их службы – до нескольких десятков лет. Но индукционные счетчики требуют периодической поверки.

Помимо трехфазных счетчиков активной энергии, имеются счетчики реактивной энергии, которые также используют в промышленности.

Электронные счетчики на сегодня приоритетнее в применении. Они позволяют гибко учитывать различные тарифы, имеют выше класс точности и возможность для автоматизированного учета количества электричества.

В основе работы любого индукционного счетчика лежит преобразование рабочего тока в момент вращения диска, который затем преобразуется число оборотов диска счетчика.

По конструкции однофазный индукционный счетчик (рис. 9) напоминает электрическую машину (электродвигатель), в которой роль ротора выполняет алюминиевый диск, а роль статора – корпус (магнитопровод). Ось счетчика соединена с отсчетным устройством.

Чтобы обеспечить стационарный режим вращения диска, необходимо соблюдение баланса моментов:

где – рабочий момент вращения диска;

– момент, создаваемый постоянным магнитом;

– момент силы трения;

– момент, создаваемый короткозамкнутыми кольцами;

– момент, создаваемый дополнительной (регулировоч-ной) обмоткой.

Величина магнитной индукции В в магнитопроводе зависит от его конструкции и материала магнитопровода. Поскольку магнитная проницаемость может отличаться в разных партиях, вводится магнитный зазор, ослабляющий магнитный поток. В этот зазор вставляются магнитные замыкатели – шпильки, перемещение которых позволяет изменять величину магнитного потока в магнитопроводе.

Поскольку обмотка напряжения подключена параллельно генератору, через неё течет небольшой ток; формируется магнитный поток, заставляющий вращаться диск, что приводит к самоходу – вращению диска без нагрузки. Для торможения диска при малых магнитных потоках на оси выполняют небольшую металлическую пластину (флажок), которая вращается вместе с осью. Над поверхностью диска размещают постоянный магнит, магнитное поле которого распространяется и тормозит диск. Когда флажок занимает положение ближе к магниту, возникает тормозящее усилие, и диск может остановиться. Ранее на диске размещали пластину противополюса, которая выполняла ту же роль, что и флажок на оси. Скорость вращения диска (величину рабочего момента вращения) регулируют специальной цепью: на магнитопровод токовой катушки наматывают несколько витков провода, нагруженные на реостат. При прохождении рабочего тока по цепи во вторичной обмотке наводится ЭДС, которая формирует свой магнитный поток, силовые линии которого направлены встречно основному потоку. Изменяя регулировочным резистором ток во вторичной цепи, меняем противодействующий момент, тем самым изменяя скорость вращения диска.

Постоянный магнит вытесняет своим магнитным полем наведенные токи из диска в ближайшей области, тем самым уменьшая рабочий момент вращения. Изменяя магнитный зазор между диском и постоянным магнитом, можно изменять влияние магнита (скорость вращения диска).

Для грубой регулировки скорости вращения на токовой обмотке размещают несколько (обычно 4–5) короткозамкнутых колец из алюминия. При регулировке скорости вращения в сторону увеличения перекусывают последовательно одно за другим кольца, тем самым уменьшают влияние токов в кольцах на момент вращения.

Трехфазные счетчики электрической энергии.

Трехфазные счетчики конструктивно выполнены в идеологии однофазного: имеется ось, на которой размещен не один, а два-три диска. Над каждым диском имеется токовая катушка и катушка напряжения. На каждой катушке своя регулировочная обмотка и свои короткозамкнутые кольца. Над каждым диском постоянный магнит.

Поскольку корпус общий, магнитные замыкатели влияют на все фазы. Если имеется два диска, то соответствующие катушки располагаются с двух сторон. Диски вращаются со скоростью, пропорциональной общей мощности.

Отсчетный механизм играет роль накопителя по мощности, преобразуя скорость вращения в кВтч.

Счетчики реактивной энергии выполняются аналогично трехфазным счетчикам активной энергии, отличаясь схемой соединения. Обмотки счетчика реактивной энергии подключаются по треугольнику.

Электронные счетчики электрической энергии.

Стремление уйти от механических вращающихся частей привело к использованию интегральных схем в счетчиках электрической энергии, хотя промежуточным вариантом было использование индукционных счетчиков с добавлением датчика числоимпульсного кода (ЧИК).

В электронных счетчиках электрической энергии используются специальные микросхемы, которые преобразуют рабочий ток в некий уровень рабочего напряжения, т.е. используется трансформатор. Тем самым рабочие сигналы уменьшаются. Такая микросхема вырабатывает ЧИК, который поступает в накопитель. Постоянно состояние счетчика-накопителя переписывается в энергонезависимую память и отображается на индикаторе.

Схема (рис. 10) перемножает величину, пропорциональную рабочему току, и величину, пропорциональную рабочему напряжению. Полученный результат умножения управляет частотой генератора импульсов, который формирует ЧИК.

Конструктивно счетчик имеет рабочую цепь и измерительную цепь. Микросхема потребляет энергию от генератора и формирует вторичное напряжение для счетчика, памяти и индикации (самоход у него есть).

В электронные счетчики добавляют контроллер – схему управления, которая не только управляет режимами работы внутренних микросхем, но и формирует стандартный протокол СОМ-порта. Поскольку расстояние между счетчиками может быть большим, СОМ-порты поменяли на модификацию RC-485. При наличии нескольких счетчиков вводится промежуточный блок-накопитель (мультиплексор), который собирает данные с нескольких счетчиков и по стандартному протоколу сети (через модем) связывается с диспетчером.

Измерение частоты электрических сигналов. Методы измерений.

Принято частоту электрического сигнала измерять через время, либо непосредственно. На практике необходимость в приборах для измерения частоты возникает при контроле работы линии токоприемников.

Методы сравнения.

Наиболее распространенный метод - использование осциллографа в качестве элемента индикации, т.е. результат (совпало, не совпало) выносится на основании визуального анализа субъекта изображения на экране осциллографа.

а) Фигуры Лиссажу.

Непрерывная замкнутая кривая, имеющая стабильность при целом отношении частот сигналов fх/fу = n

Рис. . Схема измерения частоты с

использованием фигуры Лиссажу.

Фигуры Лиссажу позволяют уверенно измерять при кратности частот (4-6), но при этом требуется стабильный генератор эталонной частоты. На низких частотах (10 Гц) таких приборов немного.

Погрешность измерения по этому методу оценивается погрешностью установки частоты измерительным генератором, индикатор, т.е. осциллограф не вносит погрешности. В лабораторных условиях метод дает хорошие результаты. В промышленности метод считается несколько громоздким. Преимущество диапазона равно тысячи Гц.

б) Метод круговой развертки - метод пунктирного колеса.

Суть метода: на экране осциллографа с помощью фазосдвигающей R-С цепочки, создается круговая развертка.

Рис. . Схема измерения частоты с

использованием метода пунктирного колеса.

В общем случае это эллипс, который можно преобразовать в круг подбором величин R и C. На модулятор трубки осциллографа подается измеряемый сигнал fx, если эталонная частота кратна fx, на экране наблюдается штриховая линия (f2  f1).

Основное условие получения пунктира является целое отношение величин частот. Если это не выполняется, то окружность как бы вращается по экрану, создавая впечатления простой линии. Метод позволяет измерять отношение частот до 10 - 15 уверенно.

Недостаток: требуется вход модулятора и усилитель для сигнала f2 .

Оба рассмотренных метода - сравнение с нулевым отклонением.

Имеется второй метод - метод биений, когда результат сравнения не нулевой сигнал и известные частоты объединяются на сумматоре.

Рис. . Схема измерения частоты

с использованием метода биения.

Разницу f1-f2 называют биением. Поскольку биения можно прослушать через динамик, то, уменьшая или увеличивая частоту задающего генератора, по звуку добиваются нулевых биений - пропадания звука в динамике. Поскольку нижний порог слышимости порядка 20 Гц метод имеет погрешность, определяемую этим порогом (индикатор, наушники, динамик). Как правило, метод биений применяется на высоких частотах, когда f/f1  20/f  1.

Оценить частоту периодического сигнала всегда можно с помощью осциллографа.

Электромеханические методы.

Прямые измерения получают с использованием электромеханических частотомеров и электронных (цифровых) частотомеров. Электромеханические на основе приборов электродинамической системы либо вибрационные. Главный недостаток электродинамических приборов – ограниченный диапазон измерений. В то же время это и достоинство, т.к. эти приборы ориентированны на измерение номинального значения, когда стрелка-указатель должна находиться вблизи этого номинального значения. В таком приборе имеются две подвижные рамки и основная катушка. 1-2, 3-4 – обмотки подвижных рамок, а 5-6 – основная катушка.

Рис. . Схема измерения частоты с использованием электромеханических

частотомеров на основе приборов электродинамической системы.

При прохождении тока по обмоткам 1-2, 3-4, 5-6 между ними возникает сдвиг по фазе напряжений. В результате формируется два магнитных потока, удерживающих в состоянии равновесия. Параметры L и C поддерживаются так, чтобы при номинальной частоте стрелка располагалась по середине.

Другой тип электромеханических частотомеров – вибрационные. Имеются несколько катушек (электромагнитов) с резонансными частотами, близкими к номинальной. Катушки размещают слева направо, так чтобы частоты увеличивались. Возле каждой катушки размещают гибкую пластину, один конец которой закреплен, а другой свободно может вибрировать в случае резонанса. Против свободных концов пластин имеется шкала.

При подключении источника напряжения с определенной частотой пластина начинает вибрировать, причем максимальная амплитуда вибрации пластин у той катушке, собственная частота которой, совпадает с частотой генератора. Такие приборы используют для непрерывного контроля частоты.

Рис. . Схема измерения частоты с использованием электромеханических

частотомеров на основе вибрационных приборов.

Конденсаторный метод измерения частоты.

Помимо электромеханических средств измерения, использовались ряд других: Например, конденсаторный метод. Конденсаторные частотомеры основаны на разном времени разряда и заряда конденсатора.

Рис. . Схема измерения частоты с использованием конденсаторного метода.

Напряжение на конденсаторе при разряде можно рассмотреть линейно изменяющимся во времени. Если поставить в зависимость время заряда и частоту коммутации (переключат SB), то показание вольтметра можно проградуировать в значениях частоты.

Основная погрешность прибора связана с нелинейностью характеристики напряжения во времени. Кроме этого измерительный механизм имеет класс точности, поэтому класс точности таких приборов порядка 2, диапазон измерения широк за счет переключения конденсатора.

Структурная схема цифрового частотомера. Измерение частоты следования и временных интервалов.

Электронные частотомеры основаны на использовании временного интервала.

Рис. . Измерение частоты следования и временных интервалов.

Если поставить в соответствии длительность измеряемого временного интервала периоду следования сигнала, мы можем «сосчитать» этот временной интервал. Этот принцип использовался в цифровых частотомерах. Для измерения временного интервала можно воспользоваться следующей схемой:

Рис. . Схема измерения временного интервала.

Погрешности таких измерений определяются стабильностью генератора (генератор кварцевый) и половиной периода следования частоты измерительного генератора. Технически частота генератора ограничена, поэтому такие измерители имеют фиксированную погрешность, но эта погрешность незначительна (при частоте  = 1 МГц погрешность 0,5*10^-6).

Рассматриваемый способ дает очень хорошие результаты для очень малых частот в том числе, промышленных, а интегрированные схемы позволяют выполнить приборы с малыми габаритами. Основная погрешность вносит усилитель-ограничитель, который формирует из синусоидального сигнала прямоугольный. Точность таких измерений до сотых долей процента.

Метод цифрового измерения временного окна хорошо вписывается в цифровую обработку с применением ЭВМ, т.е. можно определить не только действующее средневыпрямленное значение, но и частоту следования.

Приборы для измерения фазы.

Проблема измерения фазы возникает в промышленных установках, как между двумя когерентными напряжениями, так и между напряжением с током в одной цепи.

Рис. . Когерентные напряжения.

Когерентные U₁ и U₂ – сигналы, полученные от первого источника. Необходимость в анализе сдвига по фазе между двумя напряжениями возникает для анализа равномерности двух линий. Для определения сдвига по фазе необходимо оценить величину ∆t – временной интервалом между однотипными точками двух напряжений.

Поскольку ∆t – временной интервал, то для измерения сдвига по фазе между двумя напряжениями можно использовать электронный осциллограф, а лучше электронный частотомер, у которого имеется два входа для U₁, U₂.

Аналогично первому измерению (U₁ - U₂) можно определить U₁ (на измеренном резисторе) и U₂ (на нагрузке).

Рис. . Схема измерения сдвига по фазе с

использованием электронного осциллографа.

Метод Эллипса.

Исследуемое напряжение подается на пластины Х и У осциллографа и в случае разности по фазе на экране наблюдается эллипс, наклон которого и фазовый сдвиг.

Рис. . Схема измерения сдвига по фазе с

использованием метода Эллипса.

Вычисляют наибольшую высоту и ширину сигнала, эллипс может иметь различный наклон, поэтому знак разности не определяется. Интервал от 0 до 180 о амплитуда сигнала U1 и U2 различны. (Если они одинаковы, то получим круг). Осциллографические методы используются для оценки фазового сдвига (точность не выше 5-10 %).

Цифровой метод.

Цифровой фазометр использует принцип временного интервала между двумя сигналами.

Рис. . Измерение сдвига между двумя сигналами.

В момент перехода через 0 U₁ формируется начало импульса, конец которого в момент перехода через 0 U₂. Отсчет интервала Δ T по известному методу частотомера. Этот метод непосредственной оценки (то есть значение в единицах измеряемой величины) системной точки.

Измерение угла между током и напряжением.

Косвенный метод. Измеряем ток I, напряжение U и мощность P. По результату 3-х измерений вычисляем угол сдвига фаз как: .

Для прямых измерений угла сдвига между током и напряжением чаще всего используют электромеханические приборы, например, электродинамический фазометр с двумя катушками (электродинамический логометр). Идея измерения формируется два токовых сигнала различные по фазе. В одной цепи активное сопротивление, в другой цепи – реактивное (индуктивность).

Рис. . Схема измерения сдвига по фазе с

использованием электродинамического фазометра.

Приборы выпускают как в переносном, так и в стационарном варианте исполнения. Недостатки:

1. Не высокая точность (угол отклонения небольшой).

2. Подвижные катушки занимают определенный угол, зависящий от фазного сдвига.

Существует второй тип электромеханических приборов для измерения угла сдвига по фазе – ВАФ-85 (вольт-ампер-фазометр). В основе ВАФ-85: амперметр/вольтметр для измерения тока и напряжения и встроенный индикатор на основе сельсина. Прибор ВАФ-85 распространены в линейных службах (переносные, для регламентов и т.д.).

Для измерения сдвига по фазе используют стационарные приборы: цифровые и электродинамические; переносные измерители фазы – в большинстве типа ВАФ-85.

Измерение величины сопротивления. Методы измерений.

Для измерения сопротивления необходимо определенное возбуждение (электрическая цепь, по которой течет ток).

Согласно закону Ома в цепях постоянного тока величину сопротивления можно измерить косвенно. Погрешность результата _R >> _U, _I. Поэтому косвенные измерения – измерения приближенные. Если рассмотреть цепи переменного тока, то мы не должны забывать, что полная схема замещения двухполюсника имеет вид:

Рис. . Полная схема замещения двухполюсника.

C – емкость;

G – проводимость;

L – индуктивность;

r – сопротивление подключающих проводов.

В цепях переменного тока характеристики двухполюсника определяют через величину проводимости на переменном токе. В цепях переменного тока разделяют проводимость двухполюсника и собственное активное сопротивление, отражая это в схемах замещения. Измерения выполняют на неуравновешенных мостах переменного тока, отсчет которых отражает непосредственно величину параметра.

Прямые измерения величины сопротивления чаще всего выполняют с помощью комбинированных вольтметров, имеющих переключатели для измерения сопротивления. Приборы измеряют активное сопротивление (на постоянном токе). Принцип измерения: через измеренный вход течет ток и падение напряжения пропорционально R_X.

У вольтметра должен стоять стабилизатор тока, чтобы обеспечить линейную зависимость напряжения от сопротивления. Однако диапазон измеряемых сопротивлений широк и выполнить стабилизатор тока с таким диапазоном крайне сложно. Отсюда на омметрах имеются множества поддиапазонов (1, 10, 100, 1000 Ом).

Цифровые измерители сопротивления.

Стрелочные приборы имеют дополнительную погрешность шкалы считывания. Поэтому при точных измерениях применяют цифровые омметры. Принцип измерения тот же, но сам прибор более точный.

Рис. . Схема цифрового измерения сопротивления.

Измерение напряжения U_x пропорционально R_x при постоянном токе. Основная сложность в приборе — обеспечить постоянство тока через измерительный резистор. Следовательно, нужна схема генератора тока. Величина падения U преобразуется АЦП в двоично-десятичный код и выводится на индикацию. Диапазоны измерения выбираются так, чтобы использовать всю разрядную сетку. Переключением входных делителей, на входной сигнал ставятся делители, снимаем величину сигнала. Переключение делителей выполняется вручную (например в приборах В7-27), либо автоматически в мультиметрах. Точность цифровых измерителей сопротивления несколько выше (класс 1; 2). Наиболее точные приборы для измерения R — мосты. Причем, в зависимости от элемента регистрации мосты могут быть как простые (стрелочные), так и цифровые R₁·R_x = R₂·R_3.

Рис. . Мостовая схема измерения сопротивления.

Условие баланса моста подразумевает равенство произведений в противоположных плечах R₁R_x и R₂R₃. При этом U₁₂ = 0. Индикатор, включенный в диагональ, показывает отсутствие тока. Такой мост называют уравновешенным. Равновесие достигается изменением величины одного из резисторов. Ручка вращения R₃ связана со шкалой, проградуированной в единицах сопротивления. Таким образом, при вращении R₃ добивается равновесие моста и получают отсчет по шкале. Диапазоны измерения можно переключать, добавляя величину R₂. Как правило, мосты постоянного тока применяют для точного измерения сопротивления. Величина питания напряжения оказывает влияние на крутизну приращения тока в диагонали. Поэтому ставят элемент регулировки в питающую цепь и называют это чувствительностью. Величина сопротивления, чувствительность, зависит от индикатора, его допустимого тока. При приближенных измерениях питающее напряжение должно быть меньше, чтобы примерно определить R_х. Для большей точности напряжения (резистор) делают таким, чтобы ток в диагонали увеличился и можно точнее добиться равновесия моста. Малые значения R (например, измерение собственного сопротивления кабеля) проводят на мостах постоянного тока. Класс точности мостовых схем порядка 0,1. Если ток в диагонали моста фиксируется измерительным прибором (величину тока), мосты называют неуравновешенными. В этом случае изменять R₃ не следует. Прибор градуируется в единицах сопротивления. Диапазон и чувствительность остаются. Поскольку в неуравновешенных мостах нет элемента настройки, их погрешность меньше при тех же характеристиках измерительного прибора. В качестве индикатора измерительного прибора используют цифровые. Такие мосты называются цифровыми. Величину сопротивления можно измерять и при переменном питающем напряжении.

Измерение прибора переменного тока имеет большую погрешность, чем постоянного тока. Поэтому мост постоянного тока точнее. Величину сопротивления можно измерить и стрелочным логометром, если включить R_х в одну обмотку, а в другую — R₀.

Рис. . Схема измерения сопротивления с помощью логометра.

В той или иной форме величина сопротивления используется как информативный параметр, через который и вычисляется непосредственно значение L и C. Две величины, индуктивное и емкостное сопротивления, вместе с этим могут быть вычислены через резонансные свойства колебаний системы.

Величина емкости оказывает влияние на временной интервал τ ≈ RC. В основу всех измерений положены зависимости временного интервала от величины «С» при известном «R».

Схемы АВОметра для измерения малых и больших величин сопротивления.

Традиционно сопротивление измеряли с помощью АВОметров (ампер-вольт-омметров). Используют две схемы подключения резисторов в АВОметрах: для малых и больших (до 100 Ом и свыше 100 Ом).

Рис. . Схема для измерения малых сопротивлений

Источник напряжения обеспечивает определенный уровень тока в цепи. Мы его можем измерить с помощью переменного резистора. Если ключ К разомкнут в схеме течет ток: . В тоже время через измерительный прибор течет часть тока I₁ и стрелка отклоняется на меньший угол. Тем меньше ток в цепи прибора, чем меньше величина сопротивления.

Если R_X = 0, весь ток течет через R_X и прибор показывает ноль, т.е. шкала прямая: слева ноль, справа много. Собственное сопротивление вольтметра электромеханического R_пр  1000 Ом. Чтобы показания не влияли R_X << R_пр.

ЭДС источника может меняться, поэтому со временем нужна калибровка.

Рис. . Схема для измерения больших сопротивлений

При замыкании ключа К в схеме ток, текущий через прибор, максимальный. Включение R_X в цепь приводит к уменьшению показаний прибора, причем R_X больше, ток через прибор меньше. Шкала обратная. Калибровка нужна для установки стрелки на контрольную точку.

Правило: при калибровке таких приборов стрелка ставится на правую крайнюю точку (максимальное отклонение стрелки). Измерение пассивных элементов выполняется в обесточенной цепи, источник возбуждающего напряжения свой.

Приборы для измерения больших сопротивлений калибруются на ноль, а для малых сопротивлений на бесконечность.

Измерение величин емкости и индуктивности.

Методы измерений, приборы.

Измерение величины индуктивности L.

Методы измерения: прямые и косвенные.

Мостовой метод.

Для измерения индуктивности используют мост, в противоположные плечи которого включены реактивные элементы. На практике индуктивность измеряется мостом, в противоположное плечо которого включен конденсатор. Его величину можно изменять. Условие равновесия моста прежнее. Поэтому произведение сопротивлений противоположных плеч уравновешиваются произведением R₂R₃. Они активные, следовательно, это наиболее удобный метод. Мост получится простой. Недостаток: сказываются потери и собственные емкости и индуктивности элементов.

Имеются мосты, в которых конденсатор включен параллельно с резистором R₄.

Последнее включение используется при большой добротности контура с катушкой индуктивности. Второе - параллельное включение - малая добротность.

В лабораторных опытах применяют мосты уравновешенные, а на практике – неуравновешенные. Например, прибор Е7-14.

Неуравновешенный мост предусматривает при измерениях ряд шагов последовательности:

1. При невысокой чувствительности (ручка установлена в среднее положение) нахождение нуля.

2. Увеличиваем чувствительность, получаем разбаланс, добиваемся нулевого положения стрелки и так до тех пор, пока чувствительность не максимальна, т.е. для измерения необходимо время.

Уравновешенный мост требует лишь выбора предела измерения. Традиционно, если показание индикатора мигает, считывание не производить (вне диапазона).

Мостовые методы для измерения индуктивности могут иметь как стрелочный индикатор, так и цифровое табло. В последнем случае ток в диагонали преобразуется аналого-цифровым преобразователем.

Измерение величины емкости C.

На практике используют разнообразные методы для измерения емкости:

1. Мостовой метод;

2. Заряда, разряда конденсатора;

3. Резонансный метод;

4. Метод авометра.

Косвенные методы возможны с учетом явления резонанса.

1. Мостовой метод: применяются мосты уравновешенные, неуравновешенные. Методика аналогична индуктивности.

2. Метод заряда конденсатора.

Метод основан на заряде конденсатора прямоугольными импульсами тока. Постоянная заряда определяется и величиной емкости в цепи и напряжение на конденсаторе становится функцией длительности импульса, амплитуды. Кривая заряда быстро меняется на начальном участке и медленно на среднем и конечном. Начальный участок кривой можно считать за прямую. Поэтому амплитуда импульса может быть исключена из зависимости U_C = f(C, t_U), (t_U = const).

Недостаток метода: малые емкости конденсаторов требуют большой частоты импульсов. Большие емкости конденсаторов измеряются с большей погрешностью.

3. Резонансный метод.

Прибор называется Q – метр.

Конденсаторы подключаются параллельно, увеличивая собственную емкость. На ручке изменения частоты генератора имеются деления (отсчет прямой).

Обязательно в схеме наличие начальной (нулевой) индуктивности. Переключение диапазонов требует включения различных катушек. Для измерения индуктивности элементы чаще всего включают последовательно.

Суть прибора: первоначально без L_x, C_x параметры контура подобраны в резонанс. После подключения элемента, контур расстраивается, а изменением частоты индуктора его вновь настраивают в резонанс. Шкала проградуирована в единицах L, C. Основной недостаток Q-метра: собственные паразитные параметры не учитываются. Погрешность с измерением L и C резонансным методом приблизительно 2 %. Основной недостаток прибора: они стационарные.

Информационные системы. Понятие информации.

Обобщенная структурная модель ИИС.

Подсистемы информационного обеспечения.

1. Понятие информации.

В технике любое событие (физическое состояние объекта)

характеризуется электрическими сигналами: .

Т.о. информация об объекте считывается в форме сигнала, изменяющегося во времени напряжения (тока). Принято принимать сигнал в виде временной диаграммы. Информация может быть представлена в нескольких формах: визуальной (графической), числовой (табличной), описательной (словесной). В технике применяют визуальное и числовое представления.

Нам нужна количественная информация, так чтобы в любой момент времени можно было присвоить параметру некое фиксированное значение , т.е. .

Для работы с различными параметрами, характеристиками используют информационные системы. Если первичные характеристики известны (имеются таблицы базы данных) – информационно - справочные, информационно – поисковые системы измерять ИИС.

2. Обобщенная модель ИИС. Подсистемы информационного обеспечения.

Любая информационная система предназначена для получения, передачи, представления и хранения информации. Эту информацию следует использовать для целей получения продукта.

Информационная система – это техническая система, работающая с информацией. Обобщенной моделью такой системы является следующая:

Исходные сигналы объекта непрерывные, поэтому преобразуем их с помощью первичных преобразователей в уровни напряжения: используем типовые преобразователи (температуры, давления, влажности).

Подсистема кодирования – это аналого – цифровое преобразование с соответствующей разрядностью и временем дискретизации.

Как правило, полученные цифровые сигналы следует передать по каналу связи на расстояние. Для этой цели двоичные коды преобразуем в помехоустойчивые коды (код Хемминга) – увеличиваем разрядность передаваемого сигнала. Помехоустойчивый код остается цифровым, поэтому для передачи на расстояние преобразуем цифровой код в радиоимпульсы.

Передатчик посылает в канал связи радиоимпульсы, которые принимает приемник.

Декодирование (демодуляция) – это обратное действие для получения цифрового кода.

Преобразование в двоичный код из кода Хемминга и ввод в вычислитель цифрового кода необходимо для получения характеристик в цифровом виде, как правило, это ЭВМ.

Характеристики объекта можно восстановить, используя обратное преобразование сигнала (ЦАП).

Подсистема представления информации выполняется на основе ЭВМ любого класса. Она позволяет вычислять характеристики (вычислять другие параметры объекта по полученным данным), строить прогнозы о техническом состоянии, хранить эту информацию на разных носителях, представлять информацию как продукт и т.д.

Ф

W

ормы представления информации разнообразны, например:

Главное отличие любой измерительной системы от просто информационной системы наличие метрологии по входным сигналам. Первые два блока должны иметь гарантированную погрешность.

Информационно – измерительные системы. Типы систем,

задачи, решаемые системами, их структурные схемы.

Обобщенная структурная модель охватывает широкий спектр задач, которые можно разделить по специфике (применению) на следующие:

1. Информационно – контролирующие;

2. Информационно – диагностирующие;

3. Информационно – логические;

4. Информационно – управляющие;

5. Информационно – вычислительные комплексы.

Общим в этих пяти группах считается обязательное присутствие процедуры измерения, т. е. информация с объекта получается путем измерения, а это значит, присутствует метрология.

Процедура же решения – вычисление функций будет отличаться в зависимости от направленности самой задачи.

1. Информационно – контролирующая система.

Информация с объекта преобразуется в аналоговую или дискретную форму и сравнивается с определенными уровнями (уровень напряжения или код). При превышении порога схема сравнения формирует сигнал, оповещающий о том, что порог превышен. Проблема точности в двух сечениях: при измерении сигналов и при сравнении с порогом.

Самым простым примером можно считать автомобильную сигнализацию.

Используют для предупреждения о том, что величина контролируемого параметра превысила допустимый порог.

2. Информационно – диагностическая система.

Суть процедуры диагностики в том, что комбинация нескольких измеренных параметров сравнивается с эталонным набором таких параметров. При совпадении двух наборов вызывается сообщение (индицируется), если же совпадения нет, на индикации нет событий.

Прежде чем диагностировать объект необходимо в память системы занести набор эталонов и соответствующих им комментариев. Есть совпадение – есть событие, нет совпадения – нет события.

При диагностике технических объектов очень сложно учесть возможные комбинации параметров, поэтому диагностируются лишь основные состояния.

3. Информационно – логическая система.

Предназначена для формирования неких событий, которые могут произойти (прогноза событий) на основании измеренных входных параметров.

Логическая часть системы – это анализ комбинаций входных величин и генерация событий, соответствующих этим комбинациям. Выполняется с использованием вычислительной техники. Систему можно назвать прогнозирующей. Основное отличие от диагностики в этой системе нет жестких эталонов. События генерируются на основе вероятностного подхода, что для техники не является лучшим. Например, при испытаниях электрической машины, динамика изменения входных параметров оказалась такой, что продолжение испытаний в таком режиме может привести к отказу объекта. Событие – отказ объекта является конечным.

В логических системах анализ идет на основании приращения входных параметров. Конечно, в основе таких систем – алгоритмы анализа возможного поведения объекта.

4. Информационно – управляющая система.

Суть задач – формирование управляющих откликов на определенное внешнее воздействие.

Основная цепь: преобразователь, система определения ошибки, усилитель и управляющее воздействие на объект.

Имеется ошибка – система работает, ошибки нет – управлять нечем.

Входные параметры (измеренные) сравниваются с некой моделью требуемых параметров в этой точке. Вычисляется ошибка такого знака, чтобы через управление изменить параметры объекта, приблизив их к эталонным. Пока сигнал в цепи обратной связи формируется, первичные параметры меняются, и сигнал ошибки может поменять знак, т.е. управляющее воздействие во времени постоянно «рыскает».

5. Информационно – вычислительные комплексы.

Информационно – вычислительные комплексы – построены на основе типовых вычислительных машин, имеющих устройство связи с объектом (УСО).

Информационно – вычислительные комплексы выпускались как развитие типовой ЭВМ с полным набором документов по метрологии и по быстродействию.

Комплексы – это универсальная структура, которая может решать любую из четырех рассмотренных задач. Функцию представления из преобразования информации, типовые блоки устройств связи с объектом. Функцию индикации – периферийное устройство ЭВМ.

Дискретное представление аналоговых сигналов. Этап дискретизации непрерывного сообщения. Виды дискретного представления, теорема Котельникова.

В основе получения информации лежит принцип:

а) дискретизация по времени;

б) квантование по уровню.

Дискретизация во времени определяется теоремой Котельникова: , где - период дискретизации (период времени измерения); - верхняя частота спектра измеряемого сигнала.

1) На временной диаграмме дискретизацию можно представить следующим видом, т.е. мы заменяем непрерывный сигнал ступенчатым.

2) Второй этап: квантование по уровню – это вычисление «высоты» столбца – сколько в нем находится уровней квантов. Т. о. непрерывному значению электрического сигнала соответствует: цифровой код;

цифровой код.

Преобразование выполняется посредством АЦП.

Преобразователь в код, чаще всего в двоичный код, но также встречаются код Грея, унитарный код (единица в одном разряде).

Код Грея получается путем поворота разделенного на сегменты диска на соответствующий угол. Автоматика работает на кодах Грея.

Измерение температуры.

Для большинства технических объектов измерение величины температуры рабочего органа, окружающей среды выполняется достаточно часто в процессе и регламентах. Температура в той или иной степени показывает состояние объекта.

После электрических и измерений температуры наиболее популярная операция.

ПИПр – первичный измерительный преобразователь (t⁰ C U(t)).

Измерители температуры все основаны на использовании первичных преобразователей напряжения или тока.

Для цифровых систем управления и контроля разработаны преобразователи неэлектрических величин в ЧИК. Эти преобразователи выпускаются в конструктиве корпусов интегральных схем, на которые подается напряжение питания и с нескольких выходов читаем импульсы ЧИК-а.

Контроллер – схема на микропроцессоре опрашивает вход, на который подается ЧИК, и в течение фиксированного интервала считает эти импульсы. Получаем результат пропорциональный измеряемому параметру.

Наиболее применяемыми преобразователями являются следующие:

При прохождении тока через переход его величина зависит от собственного сопротивления перехода. Если фиксировать напряжение источника, то сопротивление перехода становится функцией температуры. Для того чтобы изменить некую температуру вводят ограничения. U_мах ≤ 0,75:0,8.

R_огр — резистор, регулирующий величину тока через диод, рабочую точку. Его наличие обязательно. Кроме того, часто резистор подстроечный. Интервал температуры с таким измерителем порядка – 10 ^о С… + 4^о С. Обычно используются кремниевые диоды (КД502, 520, 522). Поскольку уровень сигнала на диоде мал его увеличивают с помощью усилителя с большим R_LX (операционный усилитель). Если температурный диапазон необходим более широкий, применяют полупроводниковые транзисторы, часто включенные последовательно. Схема включения примерно такая же и уровень тока через транзистор измеряется с помощью цифрового вольтметра. В частности такие преобразователи используются в комбинированных приборах типа В7-27. Диапазон температуры шире - 40 ^о… + 70 ^о С. Но за счет имеющейся нелинейности характеристики, погрешность не меньше 2-5 %. Полупроводниковые преобразователи просты, надежны, но не обеспечивают высокой точности.

Точные измерения температуры (с погрешностью в 0,1 с) можно получить с использованием линейных преобразователей температуры в напряжение. Это медные и платиновые преобразователи, выпускаемые в стандартных конструктивах, например, типа ТСМ (термометр сопротивления медный) — медная проволока d = 0,1 – (0,005 : 0,12), свернутая в спираль. В зависимости от требуемой точности, размеры таких преобразователей от 50 мм до 600 мм. Чем больше сопротивление медного проводника (т.е. чем длиннее проволока), тем чувствительнее преобразователь (формула). У малогабаритных приборов величина приращения 0,004 Ом /градус С (медь).

Рис. . Термометр сопротивления медный.

В промышленности чаще используют медные проводники, а в опытах платиновые датчики. Выше точность, поскольку крутизна S платины больше.

Термосопротивление выпускают на различную величину номинального сопротивления.

R^* – регулировка чувствительности;

R₃ – установка «0».

Терморезистор включают в мостовую схему, в одно из ее плеч. Источник питания постоянного напряжения (желателен). R₃ – установка «0» или установка контрольной температуры.

Мост неуравновешенный и в общем случае в измерительной диагонали течет ток. Резистор R^*₄­­ измеряет диапазон измерения сигнала.

Для измерения температуры используют предварительную калибровку: датчик температуры помещают в воду с плавающим льдом, считается, что температура воды 0­­­­­­­⁰ С. Подстраивают резисторы с тем, чтобы показывал ноль. При испытаниях проводят торировку. Изменяя температуру объекта, получают различные значения напряжения, на выходе преобразователя получают кривую преобразования, и эта кривая должна совпадать, быть пропорциональной той кривой, которая придается преобразователю. Всякий преобразователь температуры должен иметь паспорт (кривую преобразования). Эта кривая подтверждает достоверность результатов измерения.

Большие температуры измеряют контактным или бесконтактным методом.

Бесконтактный метод на основе оптического преобразователя – пирометра. При высокой температуре тела излучают ИК – волны. В пирометре имеется небольшая труба с входным отверстием с одной стороны (глазок, линза) и индикатором, преобразующимся в некий уровень ЭДС, который показывает индикатор. Погрешность таких приборов высокая до 20%.

Используется для оценки величины параметра.

Контактный метод: используют термопары.

Особенность термопар уровень ЭДС зависит от температуры спая, зависимость эта нелинейная, поэтому необходимо использовать схему усилителей (функциональных преобразователей). Термопара не землится, поэтому для получения измеряемой ЭДС применяют специальную схему измерительных усилителей: первый каскад из двух усилителей, второй – один дифференциальный усилитель.

Термопары применяют в теплоэнергетике. Погрешность измерения в пределах 5 – ти %, даже где шла компенсация.

Недостаток со временем у нее характеристика плывет. Характеристика термопары изменяется в сторону ухудшения.

В современных микроконтроллерах имеются входные цепи, в которых выполнены схемы ЦАПов. Во время эксплуатации характеристики некоторых преобразователей могут меняться (старение, отравление и т.д.). Та величина питающего напряжения, которая была изначально подана, уже не подходит, поэтому используют ЦАПы. Снимают с них выходное напряжение для питания датчиков, в процессе эксплуатации перепрограммируют ЦАПы, записывая туда новый цифровой код, соответствующий измеренному напряжению.

Измерение температуры основано на преобразовании температуры объекта, окружающей среды в величину сопротивления (далее напряжения или тока) или ЧИК. Последний способ позволяет упростить работу с промышленными контроллерами.