Вимірювання електричних струмів і напруг (стр. 3 из 7)
Мілівольтметри виконують за найпростішими схемами і частіше за все з однією границею вимірювань напруги. Створюють їх на основі магнітоелектричних вимірювальних механізмів для вимірів на постійному струмі.
Мілівольтметри змінного струму виконують як електронні прилади.
2.3 Амперметри і вольтметри для кіл підвищеної частоти
Для вимірювання струму на підвищених частотах (до 8000... 10 000 Гц) придатні також електромагнітні прилади. В Україні виробляли такі стаціонарні прилади на 1000, 2500 і 8000 Гц. За наявності у них феромагнітних пелюстків рухомої частини з тонкого пермалою, термічно обробленого у вакуумі чи відновлювальному середовищі, та при градуюванні їхніх шкал при струмі номінальної для них частоти, основна похибка цих приладів вкладається у межі, обумовлені їхнім класом точності (а це був клас 2,5).
Переносні амперметри електродинамічної системи також цілком придатні для вимірювань на підвищених частотах, але за наявності частотної компенсації, згідно з тим, як було розглянуто. Саме ці прилади використовують як зразкові при градуюванні та повірках стаціонарних приладів підвищеної частоти. Вибираючи зразковий прилад для вимірів на підвищеній частоті, слід орієнтуватися на позначення величини частоти на шкалі. Необхідно знати, що основна похибка приладу не повинна перевищувати значення, яке відповідає класу точності приладу лише на частоті чи у діапазоні частот, підкреслених рискою. Також треба враховувати, що при роботі приладу в діапазонах частот, позначених на шкалі, але не підкреслених (тобто у розширеному діапазоні частот), прилад може мати ще і додаткову похибку, що має не перевищувати величину похибки, зумовленої класом точності приладу. Тобто при роботі у розширеному діапазоні частот прилад може мати загальну величину похибки, вдвоє більшу за ту, що зумовлена класом точності приладу.
У колах змінного струму промислової та підвищеної частоти дуже часто застосовують випрямні прилади, що являють собою суміщення вимірювального механізму магнітоелектричної системи з напівпровідниковими випрямлячами. Ці прилади виконують комбінованими — здатними вимірювати, при відповідних переключеннях, ще й постійний струм і напругу.
Такі прилади, відомі під назвою «тестери», роблять багатограничними, їх широко застосовують у налагоджувально-ремонтних роботах.
Принципові схеми випрямних приладів, що вимірюють напругу змінного струму за допомогою магнітоелектричних вимірювальних механізмів, зображено на рис. 7.
На цьому рисунку схема (а) забезпечує однопівперіодне випрямлення струму, а схема (б і в) — двопівперіодне. Однопівперіодне випрямлення було б можливим за наявності випрямляча В1, але при цьому випрямляч необхідно розрахувати на повне значення вимірюваної напруги, якщо вимірювальний механізм з випрямлячем буде застосовано у схемі вольтметра. Наявність другого (зустрічного) випрямляча В2 дає можливість використати обидва випрямлячі на величину напруги всього у кілька вольт. Додаткові опори rД розширюють граниш вимірювання напруги.
Всім приладам з напівпровідниковими випрямлячами притаманні дві основні вади: залежність показів від величини температури та від величини частоти.
При підвищенні температури зменшуються величина опору напівпровідників та коефіцієнт випрямлення. При підвищенні частоти наявність ємності випрямлячів призводить до збільшення частки змінного струму, що, не випрямляючись, проходить повз запірний шар напівпровідника. Це зменшує коефіцієнт випрямлення (і показання приладу) зі збільшенням величини частоти.
Рис. 7. Принципові схеми випрямних приладів: а — з однопівперіодним випрямлячем; б, в — з двопівперіодним випрямлячем
Є багато схем температурної та частотної компенсації похибок у випрямних приладах. Компенсація полягає у вмиканні дротяних резисторів, виконаних з мідного проводу, в ділянки кола приладу, де необхідне збільшення опору при підвищенні температури довкілля, та у вмиканні котушок індуктивностей у ділянки, де необхідне збільшення загального опору при підвищенні частоти.
Але у багатьох випадках при створенні випрямних вимірювальних приладів не вдаються до складних схем частотної компенсації, а обмежують діапазон робочих частот величиною, що досягає 1500...2500 Гц, якщо клас приладу на змінному струмі не перевищує 2,5...4,0.
2.4 Цифрові вольтметри
Цифрові вольтметри, залежно від принципу перетворення вимірюваної напруги, поділяють на вольтметри прямого перетворення і вольтметри врівноважувального перетворення.
У вольтметрів прямого перетвореннявеличина вимірюваної напруги перетворюється на відрізок часу. Величина цього відрізку визначається цифровим лічильником, який підраховує кількість короткочасних імпульсів незмінної й точно визначеної частоти, які його заповнюють.
Структурно-функціональну схему такого вольтметра зображено на рис. 8, а, де Ux — вимірювана напруга; ВП — вхідний пристрій; АЦП — аналого-цифровий перетворювач; Л — лічильник; ДШ — дешифратор; ПІ — пристрій індикації.
Рис. 8. Структурно-функціональна схема цифрового вольтметра прямого перетворення: а — схема; б — епюри напруг
Вхідний пристрій призначено для визначення знаку вимірюваної напруги і доцільного діапазону вимірювання, що автоматично встановлюється в цьому ж пристрої, а також для встановлення положення коми на цифровому табло пристрою індикації ПІ. Аналого-цифровий перетворювач АЦП призначено для перетворення величини напруги, що вимірюється (чи пропорційної їй), на послідовність імпульсів точно визначеної і незмінної частоти з кількістю імпульсів, визначеною величиною вимірюваної напруги (майже завжди пропорційної їй). Лічильник Л призначено для підрахунку кількості цих імпульсів і вираження цієї кількості у десятковій системі, для передачі одержаного числа на дешифратор ДШ і, якщо потрібно, на ЕОМ, яку можна приєднати до цього вольтметра. Дешифратор ДІЛ. перетворює число, одержане з лічильника, у код, прийнятний для показу цього числа (величини вимірюваної напруги) на пристрої індикації ПІ.
Перетворення величини вимірюваної напруги на кількість імпульсів у АЦП виконується завдяки наявності в ньому '.оратора лінійно-змінюваної напруги.
Принцип перетворення постійної напруги певної величини у певну кількість імпульсів суворо визначеної частоти можна пояснити, розглядаючи епюри напруг, які діють у цифроаналоговому перетворювачі. Ці епюри показано на рис. 8, б.
В АІДП є генератор лінійно-змінної напруги, що весь час, поки цифровий вольтметр ввімкнений в мережу живлення, генерує змінну напругу пилкоподібної форми Uпз ділянками М — Н, де зміна напруги має проходити з однаковою швидкістю (збільшуватись). Інший генератор, що також працює весь час, поки вольтметр увімкнено в мережу, генерує короткі лічильні імпульси напруги Uлнезмінної частоти. При цьому частота генерування цих імпульсів у кілька сотень разів більша за частоту пилкоподібної напруги Uл.
АЦП також має схему порівняння вимірюваної напруги Uвз пилкоподібною напругою Uп. Ця схема виробляє короткі імпульси керування ключем, через який лічильні імпульси Uлпередаються до лічильника Л у той час, коли цей ключ відімкнено.
Перший керуючий імпульс формується в момент переходу пилкоподібної напруги через нуль, тобто у момент зміни знака напругою Uп(точка М). Цей імпульс відмикає ключ. Другий керуючий імпульс Uзз'являється в той момент, коли величина пилкоподібної напруги Uпзрівняється з величиною вимірюваної напруги Uв(точка Н). Цей імпульс Uззамикає ключ, чим припиняє проходження лічильних імпульсів до лічильника Л. Неважко зрозуміти, що час, протягом якого ключ було відімкнено (а цей час визначається кількістю лічильних імпульсів, що пройшли через ключ), визначатиме величину напруги у момент tp.
На жаль, якщо в проміжку часу між керуючими імпульсами напруга дещо змінить свою величину (як показано штриховою лінією на рис. 8, б), то вольтметр не покаже цієї зміни.
Лічильник Л підраховує кількість прийнятих ним імпульсів і перетворює їх на число, яке передає у дешифратор ДШ, що перетворює це число на десятковий код, щоб висвітлити величину виміряної напруги на табло пристрою індикації ПІ.
Воднораз відомості про підраховану лічильником кількість імпульсів можуть бути передані до ЕОМ для подальшого опрацювання, запам'ятовування та реєстрації.
Прилади, подібні до тих, що ми розглянули, є найпростішими порівняно з іншими цифровими вольтметрами, але мають обмежену точність. В усякому випадку їхній клас точності не буває вищим за 0,1 чи 0,05.
Похибки вимірювань вольтметра, який розглядався, спричинюються такими факторами:
· відхиленням частоти лічильних імпульсів від свого номінального значення;
· деякою нелінійністю пилкоподібної напруги;
· наявністю зони нечутливості схеми порівняння напруг.
Ще однією складовою похибок цього вольтметра, як практично і всіх цифрових приладів, є дискретизація вимірювань, тобто виконання вимірювань на основі підрахунку кількості короткочасних лічильних імпульсів, що пройшли через ключ протягом відрізку часу, пропорційного величині вимірюваної напруги. Але залежно від того, у який момент часу буде відкрито ключ, що пропускає лічильні імпульси в лічильник, кількість цих підрахованих імпульсів може бути різною для одного й того ж самого відрізку часу. Це пояснюється епюрами, наведеними на рис. 9. За відрізок часу, що відповідає десяти інтервалам між лічильними імпульсами, якщо початок і кінець вимірюваного відрізку часу Т1 збігаються з лічильними імпульсами, до лічильника через ключ, відкритий на час Т1, надійде десять лічильних імпульсів, які і будуть підраховані ним (рис. 9, а). Якщо початок і кінець такого самого відрізку часу Т1, не збігаються з лічильними імпульсами (це показано на рис. 9, б), то за той самий час Т1, через ключ до лічильника надійде всього дев'ять лічильних імпульсів, які так само будуть ним підраховані. Тобто одному і тому самому значенню часу Т1, а значить і напруги U1, якій відповідає цей час, можуть відповідати два, відмінні за числом, покази вольтметра. Мабуть, менше число тут буде неточним, бо відрізок часу Т1 дійсно складається з десяти проміжків часу, що є між лічильними імпульсами.