Цифровые омметры

Электронные омметры  широко используются для измерения активных сопротивлений в диапазоне 10^-4 – 10¹² Ом при измерении сопротивлений резисторов, изоляции, контактов, поверхностных и объемных сопротивлений и в других случаях.

В основе большинства электронных омметров лежат достаточно простые схемы (рис. 51). Для схемы, приведенной на рис. 51а, постоянное напряжение на входе усилителя равно . При R₀ >>R_x  это напряжение пропорционально измеряемому сопротивлению R_x и шкала прибора линейна относительно R_x ( ). Во второй схеме, рис 51 б, обычно R_x>>R₀  и поэтому показания выходного прибора обратно пропорциональны измеряемому сопротивлению, т. е. шкала прибора носит гиперболический характер ( ).

В рассматриваемых схемах предполагается, что входное сопротивление усилителя R_вх отвечает условиям       R_вх >>R_{x max} (для первой схемы) и   R_вх >>R₀  (для второй схемы), а входной ток усилителя (сеточный ток) достаточно мал по сравнению с током через резисторы  R₀ и R_x.

Рис. 51. Схемы электронных омметров

В электронных омметрах широко используются также линейные преобразователи измеряемого сопротивления в напряжение на основе усилителей постоянного напряжения, охваченных параллельной ООС. На рис. 52 приведена схема такого омметра. Цепь ООС образована резисторами R₀ и R_x . Если коэффициент усилителя достаточно большой, то даже при максимальном выходном напряжении усилителя напряжение на его входе мало по сравнению с U_{вых max} (U_y= U_{вых max}/K_yU).

Рис. 52. Схема электронного омметра на основе

усилителя с обратной связью

Выбрав E>>U_y, получим . В свою очередь . Пренебрегая входным током усилителя по сравнению с I₁ и I₂ , получаем  I₁ = I₂. Из этого следует, что . Таким образом, выходное напряжение усилителя линейно относительно измеряемого сопротивления. При измерении достаточно больших сопротивлений резисторы    R_x и R₀  с схеме рис. 52 меняют местами, и тогда , т. е. получается гиперболическая шкала. Точность омметров при линейной шкале характеризуется приведенной погрешностью по отношению к пределу измерения. При нелинейной (гиперболической) шкале погрешности прибора характеризуется также приведенной погрешностью, %, но по отношению к длине шкалы, выраженной в миллиметрах, т.е γ=(ΔI/I_шк)100. В этом случае под значением приведенной погрешности ставится значок V.

 

4.3.3. Цифровые ваттметры и счетчики электрической энергии

Цифровые ваттметры для измерения мощности и цифровые счетчики электрической энергии с классом точности не более 0,5 в настоящее время являются более перспективными по сравнению с аналоговыми приборами. Это обусловлено, в первую очередь, возросшими требованиями точности измерения мощности и энергии в энергетических системах народного хозяйства промышленно развитых стран. Как известно из работы [30] для измерения мощности необходимы приборы классов точности от 0,1 до 0,2, а для измерения энергии от 0,2 до 0,5. Это объясняется тем, что энергоснабжающим предприятиям наносится существенный ущерб от не точности измерения при относительно больших потребляемых потоках энергии. Кроме того, высокая точность измерения необходима в связи с внедрением автоматизированных систем управления технологическими процессами и информационно-измерительных систем с автоматическим сбором информаций по потреблению электроэнергии. Применяемые в настоящее время индукционные счетчики энергии с классом точности 2,0 не могут обеспечить требуемые точность измерения в этих условиях. Кроме того, на работу индукционных счетчиков большое влияние оказывает частота сети, вследствие чего высшие гармоники учитываются с большими погрешностями. В работе [14] показано, что при измеряемой мощности более 169 кВт целесообразно применять электронные счетчики электрической энергии.

Более того, необходимость измерения мощности возникает не только при учете потребляемой энергии в отраслях народного хозяйства, т.е. энергосетях промышленной частоты, но и для оценки мощности многочисленных источников радиотехнических сигналов в широких пределах (от до Вт) во всем частотном диапазоне (от постоянного тока до сверхвысоких частот миллиметрового диапазона). Измерение мощности диапазона звуковых и высоких частот имеет ограниченные значения, так как на частотах до нескольких десятков мегагерц, как правило, удобнее измерять напряжение и токи, а мощность определять расчетным путем. На частотах свыше 100 МГц вследствие волнового характера процессов значения напряжения и токов теряет однозначность и результаты измерений начинают зависеть от места включения приборов. Вместе с тем, поток мощности через любые поперечные сечения линий и передачи всегда остается неизменным. По этой причине основным параметром, характеризующим режим работы сверхвысокочастотного устройства, становится мощность.

Активная составляющая мощности однофазного переменного тока

P = U·I·cosφ, (23)

где U, I – среднеквадратические напряжения и тока; φ – фазовый сдвиг между ними.

Если нагрузка чисто активная (φ = 0), то мощность переменного тока

. (24)

Отметим, что при активной нагрузке электрическая энергия полностью преобразуется в тепловую и ее количество теплоты Q, выделяющиеся за 1 с., пропорционально подведенной мощности:

,

где k – коэффициент пропорциональности.

Если в цепи имеет место импульсный процесс, то его можно характеризовать импульсной мощностью, определяемой, как среднее значение мощности за время одного импульса τ:

. (25)

Обычно эта мощность определяется путем измерения средней мощности за период повторения импульсов

(26)

Выражения для электрической энергии получают путем интегрирования по времени приведенных выше выражений для мощности.

Построение цифровых ваттметров и счетчиков электрической энергии в соответствии с формулами (23–26) основаны на реализации операции умножения и интегрирования мгновенной мощности. Поэтому при проектировании ваттметров и счетчиков электрической энергии, особое внимание уделяется перемножающему устройству, от метрологических характеристик которого и зависит главным образом погрешность измерения.

Сравнительный анализ широко применяемых электронных схем умножения, выполненных на операционных усилителях и импульсных логических элементах микроэлектроники, показал, что наиболее перспективной реализацией перемножающего устройства является схема импульсного перемножения двух аналоговых сигналов по способу ШИМ-АИМ (широтно-импульсной-амплитудно-импульсной модуляции), которая позволяет добиться погрешности умножения меньшей 0,01 % в полосе рабочих частот несколько сотен герц [15].

Функциональная схема импульсного перемножающего устройства (ИПУ), входящего в состав электронного счетчика электрической энергии в качестве одного из основных узлов, а также принцип перемножения иллюстрируется схемой рис. 53 и графиками рис. 54.

ИПУ включает в себя два основных узла: широтно-импульсный модулятор (ШИМ) и амплитудно-импульсный модулятор (АИМ). Основное назначение ИПУ: сформировать на выходе импульсное напряжение , среднее значение которого прямо пропорционально произведению двух входных сигналов и , то есть мгновенной мощности P:

, (27)

г де и – амплитуды напряжений, пропорциональные соответственно току и напряжению в нагрузке; и – масштабные коэффициенты для этих напряжений; k – коэффициент пропорциональности; Р – мгновенная мощность.

Рис. 53. Функциональная схема счетчика: DA1 – интегратор; DA2 – триггер Шмитта; DA3 – компаратор; DA4 – инвертор; DD1, DD2 – электронные ключи; DA5.1 – повторитель; DA52 – инвертор; DA53 – инвертирующий интегратор; DA5.4 – инвертирующий триггер Шмитта; ФНЧ – фильтр нижних частот

Рис. 54. Временные диаграммы, поясняющие работу узла ШИМ

Формирование этого напряжения в ИПУ осуществляется по описанному ниже способу «ШИМ – АИМ» следующим образом.

Пусть на входы ИПУ XS1 и XS2 подаются напряжения любой формы, например, – постоянное напряжение +5 В, пропорциональное току , и – также постоянное напряжение +5 В, пропорциональное напряжению в нагрузке, то есть

; , (28)

где и – соответствующие коэффициенты пропорциональности.

Как видно из схемы, подается на узел ШИМ, а – на вход узла АИМ.

В соответствии с этим, напряжение подвергается процессу широтно-импульсной модуляции, то есть формируются импульсы, скважность которых, то есть отношение периода к длительности (ширине) импульса, прямо пропорциональна величине напряжения . В свою очередь, сформированное узлом ШИМ импульсное напряжение модулируется по амплитуде второй контролируемой величиной в амплитудно-импульсном модуляторе, в результате чего конечная амплитуда этих импульсов на выходе ИПУ оказывается прямо пропорциональной величине .

Таким образом, на выходе ИПУ формируется величина произведения двух сигналов, пропорциональная мгновенной мощности.