Тема Измерительные преобразователи

Тема Измерительные преобразователи

Измерительный преобразователь - техническое средство с нор мированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи.

Это преобразование должно выполняться с заданной точностью и обеспечивать требуемую функциональную зависимость между входной и выходной величинами преобразователя.

Основные характеристики измерительного преобразователя - это

- функция преобразования,

- чувствительность,

- погрешность.

Различают номинальную функцию преобразования Y_ном = f_ном(X), приписываемую измерительному преобразователю согласно государственным стандартам, техническим условиям и другим нормативным документам, и реальную (рабочую) Y_р = f_р(X), которую он имеет в действительности.

Абсолютные, относительные и приведённые погрешности измерительного преобразователя определяются по входу и выходу, так как входная и выходная величины могут иметь разную физическую природу, а также вследствие того, что часто отсутствует измерительный преобразователь, по которому можно было бы поверить рабочий преобразователь.

Измерительные трансформаторы тока.

Преобразуют переменный ток от 0,8 А до 40000 А в ток с предельными значениями 1; 2; 2,5; 5 А.

 

Поэтому в трансформаторах тока первичный ток I₁ обычно больше вторичного I₂.

 

			Zнагр

 

Первичная обмотка трансформатора тока содержит малое число витков, и её выводы АВ включают в разрыв проводника с измеряемым током.

 

Число витков вторичной обмотки больше, чем первичной. К её выводам CD последовательно подключают амперметры, ваттметры и др. приборы.

По показаниям приборов, включённых во вторичные обмотки, можно определить значения измеряемых величин. Для этого их показания нужно умножить на действительные коэффициенты трансформации k_I = I₁/I₂, k_U = U₁/U₂.

 

 

Активные масштабные преобразователи. Позволяют не только изменить размер величины, но и увеличить мощность выходного сигнала

К ним относятся измерительные усилители, повышающие уровни и работающие за счёт дополнительного источника энергии

Измерительные усилители используются для усиления сигналов постоянного и переменного токов.

Связь между входным и выходным сигналами в усилителе непрерывная и однозначная.

Классификация усилителей возможна по ряду признаков:

- по полосе пропускания частот,

- по роду усиливаемого электрического сигнала,

- по типу применяемых усилительных элементов,

- по числу каскадов усиления и т.д.

Усилители постоянного тока (УПТ).

Это усилители, способные усиливать медленно меняющиеся во времени сигналы.

Низшая рабочая частота таких усилителей f_низ = 0, высшая f_выс определяется назначением усилителя.

Усилители постоянного тока применяются для усиления как медленно меняющихся сигналов, так и слабых сигналов переменного тока (например, для усиления сигналов с датчиков (термопар, фотодатчиков, тензодатчиков и др.), в осциллографах и т.д.).

Для соединения каскадов используется непосредственная связь. Отсутствие в межкаскадных связях реактивных элементов позволяет передавать постоянную и переменную составляющие сигнала.

Из-за этого УПТ свойственно такое явление, как дрейф нуля.

Под дрейфом нуля понимают самопроизвольное изменение выходного напряжения при постоянном или нулевом сигнале на входе.

Дрейф нуля обычно оценивают изменением за единицу времени входного напряжения U_вх.др., которое вызывает эквивалентное изменение выходного напряжения:

U_вх.др. = U_вых.др./K_U,

где K_U - коэффициент усиления по напряжению.

Причины дрейфа нуля: изменение питающих напряжений, температуры, постепенное изменение параметров активных и пассивных элементов схем.

 

Усилители с преобразованием напряжения (МДМ) используют, когда допустимый дрейф нуля составляет единицы микровольт:

 

Схема

В модуляторе М медленно меняющееся входное напряжение преобразуется в амплитудно модулированное переменное, которое усиливается усилителем У переменного напряжения. Усиленное переменное напряжение поступает на демодулятор ДМ.

Дрейф нуля такого усилителя значительно меньше, чем у обычных УПТ.

В настоящее время промышленностью широко выпускаются операционные усилители (ОУ) в интегральном исполнении.

Операционными усилителями называют усилители постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом, отличающиеся высоким коэффициентом усиления, большим входным и малым выходным сопротивлениями.

Условное обозначение ОУ:

Рис.

В зависимости от полярности сигналов на выходе один из входов называется инвертирующим, другой - неинвертирующим.

 

 

Схема

 

Рис. Структурная схема электромеханического измерительного прибора

 

 

Измерительная цепь обеспечивает преобразование электрической измеряемой величины X в промежуточнуюэлектрическую величину Y (ток или напряжение), функционально связанную с измеряемой величиной и непосредственно воздействующую на измерительный механизм.

Измерительный механизм является электромеханическим преобразователем, осуществляющим преобразование электрической величины Y в наглядное аналоговое показание α.

На магнитном воздействии электрического тока основаны:

- магнитоэлектрический,

- электромагнитный,

- индукционный,

- электродинамический и

- вибрационный измерительные механизмы.

  Отсчётное устройство состоит из указателя, жестко связанного с подвижной частью ИМ, и неподвижной шкалы.

Указатели бывают стрелочные (механические) и световые.

Шкала - совокупность отметок в виде штрихов, расположенных вдоль линии, по которым определяют числовое значение измеряемой величины.

Шкалы градуируют

- в единицах измеряемой величины (именованная шкала),

- либо в делениях (неименованная шкала).

 

Выпрямительные приборы

Представляют собой сочетание выпрямительного преобразователя и магнитоэлектрического ИП.

В качестве преобразователей (выпрямителей) используются полупроводниковые выпрямители (диоды) на основе кремния или германия.

В зависимости от числа применяемых диодов и схемы их включения осуществляется одно- и двухполупериодное выпрямление (преобразование) переменного тока.

Рис. Схемы включения прибора с однополупериодным (а) и двухполупериодным (б) выпрямителями

В цепи однополупериодного выпрямления (рис. а) ток через измеритель (микроамперметр), включенный последовательно с диодом VD1, протекает только в положительный полупериод напряжения U(t).

В отрицательный полупериод ток протекает через диод VD2.

Достоинства:

- высокая чувствительность,

- малое собственное потребление мощности,

- широкий частотный диапазон - возможность работы без частотной компенсации на частотах до 2000 Гц, с частотной компенсацией - до 20 кГц.

Недостатки:

- зависимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения,

- необходимость введения частотной и температурной компенсации,

- невысокая точность (1,0; 1,5; 2,5; 4) из-за нелинейности вольтамперных характеристик диодов.

Применение: выпрямительные приборы широко используют в качестве комбинированных приборов для измерения постоянных и переменных токов, напряжений и сопротивлений - ампервольтомметры (авометры).

 

Мосты постоянного тока

Наиболее точные измерения сопротивлений R постоянному току выполняются с помощью мостов постоянного тока.

Эти мосты делятся на две группы:

- одинарные (четырехплечие) и

- двойные (шестиплечие).

Одинарный мост, называемый мостом Уитстона, применяют для измерения сопротивлений от 1 Ом до 100 МОм; двойной мост, называемый мостом Томпсона, - для измерения малых величин сопротивлений - от 1 Ом и менее.

В двойном мосте влияние величин, вызывающих погрешность измерения, сведено к минимуму.

Рис. Схема одинарного моста постоянного тока

Одинарный мост (рисунок) состоит из четырех плеч: аb, bс, сd и dа.

 Три известных регулируемых сопротивления R₂, R₃ и R₄ вместе с измеряемым сопротивлением R₁ = R_х образуют замкнутый четырехполюсник аbсd

Мост называется двойным, так как он содержит два комплектаплеч отношения.

Рис. Схема двойного моста постоянного тока

 

Мосты переменного тока

Измерения сопротивления, индуктивности и емкости выполняются одинарными мостами на переменном токе:

Рис. Схема одинарного моста переменного тока

Четыре плеча аb, bс, сd и dа моста тока образуются четырьмя комплексными сопротивлениями Z₁ = Z_x, Z₂, Z₃ и Z₄.

В одну диагональ моста включается источник питания переменного тока, в другую - нуль-индикатор НИ.

Сходимость мостов - это возможность достижения состояния равновесия определенным числом переходов от регулировки одного параметра к регулировке другого.

Хорошая сходимость означает малое число операций и, следовательно, сокращение времени измерения.

Мосты переменного тока можно разделить на две группы:

1. Частотно-независимые; уравновешенные при одной частоте, они сохраняют равновесие при изменении частоты источника питания.

2. Частотно-зависимые, характеризующиеся тем, что в условии равновесия, помимо С, L, R, имеется частота, входящая в выражение реактивных составляющих сопротивления.

 

Электронные вольтметры (ЭВ) составляют наиболее обширную группу электронных приборов.

Основное их назначение - измерение напряжения в цепях постоянного и переменного тока в широком диапазоне частот.

Рис.

 

Измеряемое напряжение постоянного тока поступает во входную цепь ВхЦ, представляющую собой многопредельный высокоомный резисторный делитель напряжения.

Назначение входной цепи - согласование диапазонов измеряемого напряжения и входного сигнала УПТ.

В качестве средства отображения информации (СОИ) чаще всего используются магнитоэлектрические милли- и микроамперметры.

Сигнал с ВхЦ поступает на вход усилителя постоянного тока УПТ, который помимо функций усиления сигнала по напряжению и мощности, согласует высокое выходное сопротивление ВхЦ с малым сопротивлением рамки измерительного механизма.

 

 

Рис.

 

Рис. б. Упрощенная структурная схема электронного милливольтметра

Измеряемое напряжение после прохождения входной цепи ВхЦ поступает на вход усилителя переменного напряжения УН, далее на вход детектора Д и через усилитель постоянного тока УПТ на измерительный механизм ИМ.

 

Цифровым измерительным прибором (ЦИП) называется средство измерения, автоматически вырабатывающее дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме.

в ЦИП обязательноавтоматически выполняются следующие операции:

- квантование измеряемой величины по уровню;

- дискретизация её по времени;

- кодирование информации.

Преимущества ЦИП перед АИП:

- удобство и объективность отсчёта;

- высокая точность измерений, практически недостижимая для аналоговых приборов

- высокая чувствительность

- широкий динамический диапазон при высокой разрешающей способности; и т.д

Недостатки:

- схемная сложность;

- относительно высокая стоимость.

Цифровые измерительные приборы - это многопредельные, универсальные приборы, предназначенные для измерения различных электрических и неэлектрических величин.

В зависимости от способа преобразования ЦИП делятся на

- приборы прямого и

- приборы уравновешивающего преобразования.

В ЦИП прямого преобразования отсутствует общая обратная связь.

Они имеют высокое быстродействие, но обеспечивают высокую точность измерений только при высокой точности всех измерительных преобразователей.

ЦИП уравновешивающего преобразования охвачен общей обратной связью.

Преобразователь обратной связи представляет собой цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) выходного дискретного сигнала N в компенсирующую величину х_к одной физической природы с измеряемой величиной х(t):

 

Рис.

 

 

Погрешность ЦИП уравновешивающего преобразования определяется в основном параметрами ЦАП.

Поэтому в ЦАП используются элементы достаточно высокой точности и стабильности.

В зависимости от характера изменения во времени компенсирующей величины ЦИП делятся:

- на приборы развёртывающего уравновешивания и

- приборы следящего уравновешивания.

Временная диаграмма развёртывающего уравновешивания

 

Диаграмма

 

	x, xk

При достижении равенства x_к = x процесс уравновешивания прекращается и фиксируется результат измерений, равный числу ступеней квантования компенсирующей величины.

Отсчёт показаний обычно производится в конце цикла изменения величины x_к.

В этом случае возникает динамическая погрешность Δ_д, обусловленная изменением измеряемой величины х(t) за интервал времени между моментами уравновешивания и отсчёта.

Временная диаграмма следящего уравновешивания:

 

Диаграмма

 

 

В приборах следящего уравновешивания уровень компенсирующей величины не возвращается к нулю после достижения равенства с измеряемой величиной, а остаётся постоянным.

При изменении х величина x_к соответственно отрабатывает (отслеживает) это изменение так, чтобы разность (х - x_к) не превышала значения шага квантования.

Отсчёт производится или в момент уравновешивания, или по внешним командам.

Схема

 

 

АП - аналоговый преобразователь,

АЦП - аналого-цифровой преобразователь,

ЦСОИ - цифровое средство отображения информации.

УУ - устройство управления,

М - мера,

ДС - дискретный сигнал.

Измеряемая величина x(t) поступает на аналоговый преобразователь  прибора АП, где происходит масштабное преобразование.

С АП сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь АЦП, где аналоговый сигнал преобразуется в соответствующий код (ДС), который отображается в виде числового значения N на цифровом средстве отображения информации ЦСОИ.

Цифровые частотомеры

Цифровые частотомеры (ЦЧ) предназначены для измерения среднего или мгновенного значения частоты периодич еского сигнала, а также абсолютного или относительного отклонения частоты от номинального значения.

Принцип действия ЦЧ среднего значения заключается в подсчёте числа периодов Т_хнеизвестной частоты f_xза образцовый интервал времени T₀, формируемый прибором. 

Результат измерения

N = T₀/T_x = T₀fx.

Структурная схема ЦЧсреднего значения и временная диаграмма его работы изображены на рисунке.

Рис. Структурная схема (а) и временная диаграмма работы  (б)цифрового частотомера

Цифровые фазометры

В современной технике широкое распространение получили фазовые методы измерения, что обусловлено их высокой точностью и помехоустойчивостью.

Типовая структурная схема ЦФМ изображена на рисунке.

 

             Рис.  Структурная схема ЦФМ

Исследуемые сигналы поступают на формирователи Ф₁ и Ф₂, которые вырабатывают импульсы u_f1 и u_f2,соответствующие моментам перехода сигналов через нуль.

Эти импульсы перебрасывают триггер Тг,на выходе которого образуется импульс u_T(t)длительностью τ_х, открывающий ключ Kна интервал времени τ_х, определяемый фазовым сдвигом (см. рис.6).

Основ ным недостатком ЦФ для измерения мгновенных значений фазовых сдвигов является ограниченность частотного диапазона со стороны верхних частот.

 

Тема Измерительные преобразователи

Измерительный преобразователь - техническое средство с нор мированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи.

Это преобразование должно выполняться с заданной точностью и обеспечивать требуемую функциональную зависимость между входной и выходной величинами преобразователя.

Основные характеристики измерительного преобразователя - это

- функция преобразования,

- чувствительность,

- погрешность.

Различают номинальную функцию преобразования Y_ном = f_ном(X), приписываемую измерительному преобразователю согласно государственным стандартам, техническим условиям и другим нормативным документам, и реальную (рабочую) Y_р = f_р(X), которую он имеет в действительности.

Абсолютные, относительные и приведённые погрешности измерительного преобразователя определяются по входу и выходу, так как входная и выходная величины могут иметь разную физическую природу, а также вследствие того, что часто отсутствует измерительный преобразователь, по которому можно было бы поверить рабочий преобразователь.