Электронные цифровые измерительные приборы.

Эти приборы, как и аналоговые, обычно выполняются в виде вольтметров, а затем за счет входных устройств могут быть преобразованы в амперметры или омметры.

 

Цифровой вольтметр содержит входное устройство 1, точный усилитель 2, АЦП 3, который преобразует сигнал напряжения в какой-либо двоичный или другой код. Этот сигнал поступает на дешифратор 4, который через свои шины, к которым подводится напряжение, в зависимости от комбинации импульсов на выходе АЦП включает элементы, создающие десятичные знаки цифрового отчетного устройства 5.

В цифровых вольтметрах используются различные АЦП:

- АЦП прямого преобразования;

- АЦП частото-импульсного преобразования;

- АЦП широто-импульсного преобразования;

- АЦП последовательного уравновешивания и др.

Класс точности цифровых вольтметров Λ = 1÷0,01.

Метод компенсационного измерения ЭДС (разности потенциалов).

Принцип метода компенсационного измерения состоит в сравнении неизвестной ЭДС с падением напряжения на некотором участке электрической цепи, создаваемым эталонным источником напряжения.

 

(1)

(2)

(3)

Компенсационный метод является универсальным методом измерения, обеспечивающим исключение воздействия измерительного прибора на объект измерения. Он является частным случаем метода сравнений с мерой. Применительно к измерению ЭДС (разности потенциалов) он реализуется следующим образом: на отрезке проволоки ав постоянного сечения и удельного погонного сопротивления ρ с помощью эталонного напряжения U создается бесконечное число значений падения напряжения от 0 до U . Источник измеряемой ЭДС Е подключается к проволоке в точках а и с, причем точка с подключается через движок, который способен перемещаться по всей длине проволоки. Саму проволоку принято называть реохордом.

Источник измеряемой ЭДС и источник эталонного напряжения подключены друг к другу одноименными полюсами. Т.е. в данном методе сравниваются потенциалы. Поэтому приборы, реализующие данный метод, называются потенциометрами.

 

 

Измерение осуществляется следующим образом: наблюдают за стрелкой 0-индикатора (0-прибора) и передвигают движок Д реохорда Р до тех пор, пока значение тока через 0-прибор не станет равным 0. такое состояние называется компенсацией. Оно достигается в том случае, если падение напряжения на отрезке ас стало равным измеряемой силе Е . Понятно, что при компенсации от объекта измерения ток не потребляется, а значит, его характеристики не изменяются при подключении прибора. Важным является тот факт, что отсутствие тока в подводящих проводах исключает падение напряжения на них и влияние действия их сопротивления из-за изменения температуры на результат измерения.

В качестве 0-прибора используют магнитоэлектрический механизм или 0-гальванометр, у которого нулевое значение измеряемого тока расположено в середине шкалы.

По формуле (1) рассчитывается падение напряжения на отрезке ас. R и r – соответствующие электрические сопротивления отрезка ас и всего реохорда.

Если принять, что удельное погонное сопротивление проволоки реохорда есть величина постоянная (ρ),то справедливы выражения (2) и (3). Далее можно получить, что при этом постоянном значении эталонного напряжения и длины реохорды L, выражение, из которого следует, что искомое значение ЭДС определяется длиной l. Например, по шкалеШк, выполненной в виде линейки. Таким образом, измерение ЭДС сводится к измерению длины.

Две схемы потенциометров.

Схема а) – потенциометр с постоянной силой рабочего тока.

Схема б) – потенциометр с измеряемой силой рабочего тока.

 

 

 

Рис.а

 

 

 

 

Рис.б

Принцип действия первого потенциометра аналогичен рассмотренной выше схеме, поясняющей компенсационный метод измерения. Но есть и отличия: для контроля постоянства тока используется миллиамперметр, а изменение тока осуществляется резистором R в том случае, когда напряжение источника питания (от батареи) уменьшается. Поддержание постоянного тока необходимо, т.к. при некотором его стандартном значении осуществляется градуировка шкалы потенциометра.

Реохорд выполняется в виде медной проволоки 1, покрытой лаком, на которую виток к витку наматывается тонкая, покрытая лаком проволока, изготовленная из манганина. Диаметр этой проволоки 0,05 – 0,1мм. Причем слой лака, обращенный в сторону движка Д, снимается с помощью тонкой наждачной бумаги, что обеспечивает электрический контакт движка с материалом проволоки 2.

В схеме б) источник измеряемой ЭДС подключен непосредственно к постоянному резистору R. При этом наблюдают за стрелкой 0-индикатора, измеряют значение резистора R до тех пор, пока через 0-прибор ток не станет равным 0, что означает равенство измеряемой ЭДС падению напряжения на резисторе.

, где значение I считают по шкале миллиамперметра.

Как и в предыдущей схеме, здесь обеспечивается отсутствие воздействия на объект измерения и влияния сопротивления проводов.

Схема а) используется в автоматических лабораториях, прецизионных потенциометрах.

Схема б) используется в нормирующих преобразователях.

Схема и работа автоматического электронного потенциометра.

 

 

 

Автоматический потенциометр является измерительным прибором, который способен обеспечить непрерывное измерение ЭДС Е (разности потенциалов, поступающих на его вход). Как видно из схемы, Е предварительно складывается с падением напряжения на отрезке ас. . Если эти две величины не равны, то через входную цепь электронного усилителя ЭУ протекает ток, т.к. на вход поступает некоторая разность потенциалов . В ЭУ эта разность потенциалов преобразуется в переменную, усиливается и в виде переменного тока поступает на обмотку возбуждения ОВ реверсивного двигателя РД. На его сетевую обмотку поступает напряжение из сети, фаза которого не изменяется. Фаза напряжения ОВ сравнивается с фазой СО и в зависимости от этого изменяется направление движения ротора РД. В свою очередь фаза напряжения ОВ определяется знаком разности потенциалов на входе ЭУ. Происходит вращение ротора. Ротор механически соединен с движком Д реохорда и будет перемещать его до тех пор, пока разность потенциалов на входе ЭУ не станет равной 0 (ЭУ и РД исполняют функции 0-индикатора, рассмотренного выше). Таким образом, компенсация, а значение измеряемой ЭДС считывается по шкале прибора Шк. Все это записывается в самопишущих приборах или регистрируется с помощью печатного устройства, предназначенного для фиксации нескольких параметров. П – перо. Д – диаграмма. Лента приводится в движение синхронным двигателем СД.

В данном потенциометре для компенсации используется система автоматического регулирования с I-регулятором (интегральным, астатическим). Движок будет перемещаться до тех пор, пока вращается ротор РД, а тот в свою очередь вращается до тех пор, пока разность потенциалов на входе ЭУ не станет равной 0.

У потенциометров, предназначенных для измерения нескольких значений ЭДС, т.е. для нескольких объектов, на входе имеется коммутатор, который поочередно подключает их к входу потенциометра. При этом регистрация осуществляется с помощью печатающей каретки.

Число источников ЭДС: 2, 4, 6, 12.

В схеме: R - резистор, определяющий нижний предел измерений. R - резистор, определяющий верхний предел измерений. К - реохорд, определяющий диапазон. R (R ) – постоянный резистор. Все резисторы изготавливаются из манганина, если предназначены для измерения ЭДС. Если прибор предназначен для измерения сигнала термоэлектрического преобразователя, то он изготавливается из сульмана. Вместо сопротивления R (R ) устанавливается медное сопротивление, которое обеспечивает коррекцию сигнала термоэлектрического преобразователя при изменении температуры внешнего окружения.

R служит для подключения эталона и установки с помощью R сигнала напряжения, поступающего от источника питания. Эта процедура делается 1-2 раза в год.

Классы точности потенциометров Λ = 0,1; 0,25; 0,5; … 1,0; 1,5.

Они бывают показывающие, самопишущие, печатающие.

Нормирующие преобразователи ЭДС.

, при

В работе нормирующего преобразователя используется принцип действия потенциометра с измеряемой силой рабочего тока. В данном случае падение напряжения на сопротивление R компенсирует собой измеряемую ЭДС. Причем падение создается током отрицательной обратной связи ЭУП, а компенсация является неполной, до значения статической ошибки , значение которой увеличивается с увеличением измеряемой ЭДС.

 

 

 

В схеме данного устройства используется так называемый статический пропорциональный принцип регулирования. Когда на вход преобразователя подается ЭДС Е , на резисторе R первоначально падение напряжения равно 0, и весь сигнал ЭДС поступает на вход усилителя преобразователя. Здесь этот сигнал преобразуется из постоянного в переменный, усиливается, а затем преобразуется из переменного в постоянный. При этом на выходе усилителя формируется сигнал Uвых., который создает ток в обратной отрицательной связи усилителя. Этот ток увеличивает падение напряжения на резисторе R до тех пор, пока до окончания переходных процессов не будет выполняться условие .

 

Важным является тот факт, что значение статической ошибки за счет большого коэффициента усиления может быть выбрано очень малым, однако, не равным 0, т.к. именно этот сигнал является причиной работы всей рассматриваемой схемы (схемы регулирования).

Если =0, то сигнал на выходе усилителя тоже равен 0, и система работать не будет.

В то же время можно выбрать по отношению к выходному сигналу настолько малым, что вносимой погрешностью можно пренебречь.

Класс точности подобных преобразователей Λ = 0,2-1,5.

Сигнал в виде напряжения сопротивления нагрузки R обычно снимается и подается к ЭВВ 0-10В, а ток может быть использован в электропневматических и электрогидравлических преобразователей, что используются при регулировании биотехнических процессов.