Седалищев В.Н. Методы и средства измерений электрических величин

Подождите немного. Документ загружается.

а)

б)

в)

Рис. 8.3 Структурные схемы ЦИП, предназначенных для измерения

напряжения (а), длительности интервалов времени и частоты следования

импульсов (б), разности фаз сигналов (в).

Применение микропроцессорных систем в измерительных приборах

позволяет существенно повысить их точность, расширяет возможности и

упрощает управление процессом измерений, автоматизирует калибровку и

проверку приборов, позволяет выполнять вычислительные операции,

создавать полностью автоматизированные приборы.

Например, в ЦИП используется способность МП перестраивать свою

структуру и изменять выполняемые функции под управлением подаваемых

команд, что обусловливает его универсальность. С их помощью можно не

только автоматически выбирать предел измерения, но и изменять структуру

прибора при измерении ФВ по определенному алгоритму. При этом МП

прибора может выполнять следующие функции:

• управление процессом АЦП;

• управление работой преобразователей ФВ;

• автоматический выбор пределов измерений;

• управление приборным интерфейсом;

• управление индикатором;

• диагностика неисправностей;

• обработка измерительной

информации с целью повышения

метрологических характеристик и др.

Выполнение МП разнообразных функций обеспечивает улучшение

технико-экономических показателей приборов, что позволило создать новый

класс цифровых программируемых многоканальных ИП, способных с

высокой скоростью производить преобразование, обработку и отображение

массивов аналоговой и цифровой информации.

ЦП с МП строятся по блочному принципу, что позволяет

изменять их

структуру и возможности. Они состоят из следующих основных блоков:

коммутаторы, АЦП, МП, ОЗУ, ПЗУ, пульт оператора, модули сопряжения с

внешними устройствами и ЭВМ. Могут содержать десятки и сотни

измерительных каналов, опрашиваемых с изменяемой скоростью.

Программа прибора предусматривает выполнение основных задач по

измерению, обработке и представлению измерительной информации. Это,

например

• масштабирование;

• линеаризация характеристик датчиков;

• вычисление экстремальных и средних значений;

• сравнение с уставками;

• сжатие данных;

• автокалибровка;

• самоконтроль основных функций.

В качестве встроенных средств отображения и регистрации

информации используются многоразрядные цифровые индикаторы,

видеодисплеи, печатающие устройства и т.п.

Ввод программы может осуществляться с пульта,

с магнитных и

других носителей информации. Приборы различаются степенью сложности,

исполнения, обслуживания, стоимостью.

8.2 Аналого-цифровые преобразователи

АЦП является одним из основных функциональных элементов ЦИП.

АЦП представляет собой устройство, обеспечивающее квантование,

дискретизацию и кодирование аналогового сигнала. Исходя из указанной

совокупности процессов, происходящих в АЦП, его обобщенную

структурную схему принято представлять в виде трех взаимосвязанных

элементов.

В дискретизирующем устройстве реализуется процесс преобразования

непрерывного во времени сигнала

)(

tõ

в дискретный сигнал

)(

tõ

. При этом

значения дискретного сигнала равны мгновенным значениям исходного

непрерывного сигнала в фиксированные моменты времени. Промежутки

времени меду двумя соседними дискретными моментами времени называют

шагом дискретизации

∆

В ЦИП значение сигнала измеряется только в фиксированные моменты

времени

)(

tõ

. Частота дискретизации выбирается из противоречивых

условий. Действительно, чем больше частота дискретизации

∆

, тем

меньше потери измерительной информации, но это приводит к ужесточению

требований по быстродействию АЦП и, следовательно, к его усложнению.

Задача правильного выбора частоты дискретизации это фактически

задача выбора интервала интерполяции

∆

. При этом под правильно

выбранной частотой дискретизации следует понимать такую частоту, при

которой погрешность интерполяции оказывается не более заданной.

Рис. 8.4 Структурная схема АЦП.

При решении этой задачи принято рассматривать различные

интерполяционные полиномы.

В устройстве квантования происходит процесс замены мгновенных

значений непрерывной по размеру величины

)(

tõ

. Разность

õ∆

между двумя

соседними уровнями называется шагом квантования. При квантовании, как

и при дискретизации, теряется часть информации о непрерывной

измеряемой величине

)(

tõ

, следовательно, квантующее устройство, как и

дискретизирующее, является источником методической погрешности.

Рис. 8.5 Квантование и дискретизация аналогового сигнала.

Из сравнения реальной и идеальной функции преобразования следует,

что погрешность квантования:

êâ

∆

≤

∆

5,0

. (8.1)

Из рисунка видно, что погрешность квантования имеет характер

ломаной линии. При таком характере погрешности квантования СКО

погрешности квантования, характеризуется средней мощностью за

длительность одного импульса, определяется равенством:

êâø

∆

. (8.2)

В кодирующем устройстве происходит представление дискретного

значения сигнала в удобном для последующей обработки виде, например, в

двоичной системе счисления. Таким образом, процесс преобразования

аналогового сигнала в цифровой сигнал неизбежно приводит к

возникновению погрешностей, вызванных процедурами дискретизации и

квантования.

Рис. 8.6 Диаграммы, поясняющие погрешность квантования: а – реальная и

идеальная функции преобразования; б – кривая погрешности квантования.

Погрешность АЦП определяется суммой методической и

инструментальной составляющих:

èì

∆

. (8.3)

Методическая погрешность определяется принципом работы

преобразователя и зависит от погрешности дискретизации и квантования, а

инструментальная погрешность определяется нестабильностью работы

узлов и элементов АЦП.

Рис. 8.7 АЦП время-импульсного действия: а - структурная схема; б –

временная диаграмма.

Кроме погрешности, АЦП характеризуются ценой деления,

разрешающей способностью, чувствительностью, быстродействием.

В измерительных устройствах используют АЦП прямого и

уравновешивающего преобразования.

Прямое АЦП реализуется одним из следующих способов:

• время - импульсное кодирование;

• амплитудное кодирование;

• пространственное кодирование;

• число –

импульсное кодирование;

• частотно – импульсное кодирование.

В ЦИП наибольшее распространение получили время – импульсное и

частотно – импульсное кодирование.

АЦП время – импульсного кодирования работает на основе

последовательного преобразования измеряемого напряжения в

пропорциональный ему временной интервал. В течение этого интервала

времени на электронный счетчик поступают импульсы с известной частотой

повторения, число которых пропорционально величине

измеряемого

постоянного напряжения.

Последовательность работы рассматриваемого АЦП поясняется

временными диаграммами. При подаче на вход АЦП измеряемого

напряжения по сигналу с устройства управления показания счетчика и ЦОУ

сбрасывается, а генератор ГЛИН начинает формировать пилообразное

напряжение. В это же время на выходе компаратора начинается

формироваться импульс. При поступлении этого импульса на временной

селектор последний открывается и пропускает на вход счетчика импульсы с

генератора счетных импульсов. При достижении равенства напряжения

ГЛИН и измеряемого напряжения формирование импульса на выходе

компаратора прекращается, схема «И» закрывается и счет импульсов

прекращается. В результате счетчик регистрирует некоторое число

импульсов N за интервал времени, а ЦОУ отображает соответствующее ему

число. В дальнейшем рассмотренная процедура работы продолжается.

Длительность интервала подсчета импульсов:

t ⋅==∆

. (8.4)

С другой стороны,

=∆

. (8.5)

После соответствующих преобразований получим:

tgTNU

⋅

. (8.6)

Поскольку значение

численно соответствует скорости изменения

пилообразного напряжения V, то

VTNU

⋅

. (8.7)

Для конкретных схем АЦП значение

⋅

выбирается равным

, при

этом:

⋅=

. (8.8)

Суммарная погрешность АЦП данного типа определяется следующими

причинами:

• погрешностью преобразования измеряемого напряжения в

длительность прямоугольного импульса (нелинейность и

нестабильность ГЛИН, погрешность компаратора);

• погрешностью преобразования интервала времени в код.

Общая погрешность такого АЦП составляет обычно 0,1 %.

Более помехоустойчивой является схема с двойным интегрированием

(0,01%). Это объясняется тем, что рассматриваемый АЦП

преобразует не

мгновенное, а среднее значение входного напряжения.

8.3 Цифровые осциллографы

Одно из основных направлений совершенствования осциллографов

основано на широком использовании в их схемах цифровых методов

обработки сигналов и микропроцессоров. Структура построения

современного цифрового осциллографа (ЦО) зависит от объема и характера

функций, возложенных на используемую микропроцессорную систему.

Сравнительно простая схема

цифрового запоминающего осциллографа

представлена на рисунке. Функции генератора развертки в данной схеме

выполняет ЦАП, управляемый сигналами, поступающими на вход от

микроконтроллера. На выходе ЦАП образуется ступенчато изменяющееся

напряжение, близкое линейно изменяющемуся. Скорость развертки

ограничивается быстродействием ЦАП и микроконтроллера (до 40 МГц).

Время хранения информации в таких устройствах практически не

ограничено.

Широкие возможности имеют цифровые осциллографы с программным

управлением на основе микропроцессорных систем. Структура таких

осциллографов подобна структуре ЭВМ.

Рис. 8.8 Структурная схема цифрового запоминающего осциллографа.

Исследуемый аналоговый сигнал поступает на входное устройство, где

осуществляется согласование его параметров с АЦП, а также автоматическое

переключение каналов при многоканальном осциллографировании. С

помощью встроенных измерителей могут определяться амплитудные и

временные параметры исследуемого сигнала. После АЦП

последовательность кодов информативных параметров сигнала через

внутриприборный

интерфейс подается в ЗУ, которое, как правило, включает

в свой состав:

• ОЗУ для информативных сигналов;

• запоминающее устройство программ управления (ЗУПУ);

• ЗУ служебной информации (ЗУСИ), для хранения выводимой на

экран знаковой информации.

Из ЗУ сигналы поступают в процессор (П), отображающее устройство

или через внешний интерфейс на внешние устройства и

ЭВМ.

Наличие в составе прибора микропроцессорных систем позволяет

полностью автоматизировать работу устройства. На отображающем

устройстве прибора можно наблюдать не только осциллограммы сигналов,

но и численные значения его параметров. Современные ЦО позволяют

решать практически все функциональные задачи, возникающие при

исследовании сигналов.

Рис. 8.9 Обобщенная структурная схема цифрового осциллографа с

программным управлением.

Режимы работы ЦО могут быть разнообразными:

• осциллографирование периодических и однократных сигналов,

представляемых в аналоговой или дискретной форме;

• автоматизированное измерение и представление в цифровом виде

амплитудных и временных параметров сигналов в абсолютных и

относительных единицах;

• запись отдельных участков

сигнала;

• осциллографирование с накоплением полезного сигнала;

• логико-математическая обработка сигнала с целью повышения

точности измерений, сжатия информации;

• генерирование сигналов заданной формы;

• вывод информации на ЭВМ и др.

Изображение может представляться в трехмерном пространстве.

9. Методы и средства измерения параметров электрической

цепи

9.1 Измерение постоянного тока и напряжения

Для выполнения технических измерений постоянного тока и

напряжения в настоящее время еще широко используют

магнитоэлектрические амперметры и вольтметры с пределами измерений 0,1

мкА…6 кА и 0,3 мВ…1,5 кВ, а также и другие типы электромеханических

приборов. Для определения малых количеств электричества

быстропротекающих импульсов тока используют баллистические

гальванометры

, а для больших количеств электричества – кулонметры. Но

эти приборы вытесняются более удобными в обращении, надежными,

точными, не дорогими ЦИП.

Выбор типа измерительного устройства обусловлен мощностью объекта

измерения и необходимой точностью. При включении прибора в

измерительную цепь он изменяет ее параметры. Для уменьшения величины

методической погрешности при измерении напряжения сопротивление

вольтметра должно быть как можно большим, а при измерении тока

сопротивление амперметра как можно меньшим.

При измерениях с помощью электромеханических

приборов больших

постоянных токов используют дополнительные шунты, а при измерениях

больших значений напряжения дополнительные резисторы.

Для измерений малых токов и напряжений (от 0,1 нА и от 1 нВ)

используют гальванометры магнитоэлектрической системы, цифровые

пикоамперметры, микровольтметры, нановольтметры.

Для измерения ЭДС используют компенсаторы постоянного тока.

Измерение больших постоянных токов (более 10 кА) с использованием

магнитных преобразователей. Для проведения точных измерений используют

специальные шунты в виде медных стержней определенного диаметра,

включаемые в разрыв шинопровода. А для измерения более высоких

постоянных напряжений (до 300 кВ) целесообразно использовать

электростатические вольтметры.

9.1.1 Измерение тока и напряжения с использованием метода

непосредственной оценки

Данный метод реализуется с помощью прямопоказывающих приборов.

Вольтметр

подключается параллельно тому участку цепи, на котором

необходимо измерить напряжение. Измерение напряжения всегда

сопровождается погрешностью, величина которой зависит от внутреннего

сопротивления вольтметра

(

)

. Включение вольтметра в исследуемую цепь

искажает режим работы этой цепи.

Например, для измерительной цепи вида

Рис.9.1 Схемы измерения тока и напряжения методом

непосредственной оценки.

напряжение на резисторе

до и после включения вольтметра

определяется выражениями: