Izmeritelnye_preobrazovateli_Mironov

Наибольшее распространение получили схемы омметров, приведенные на рис. 19.9; 19.10; 19.11.

Рис. 19.9. Первый вариант омметра с усилителем постоянного тока

Рис. 19.10. Второй вариант омметра с усилителем постоянного тока:

U – напряжение стабильного источника питания; УПТ – усилитель постоянного тока; R0 – образцовое известное сопротивление; Rx – измеряемое сопротивление;

И – измеритель магнитоэлектрической системы

Для схемы, приведенной на рис. 19.9, можно записать:

U x =U Rx R+x R0 .

Считая, что Rx<<R0, получаем

	U x =U	Rx	,
		R
		0

R

α = k U x = k U Rx ,

0

(19.26)

(19.27)

(19.28)

где α – показание измерителя магнитоэлектрической системы (совпадает с показаниями омметра);

k – коэффициент преобразования УПТ и измерителя.

Соотношение (19.28) свидетельствует, что показания омметра, построенного по схеме рис. 19.9, прямо пропорциональны измеряемому сопротивлению.

Для схемы, приведенной на рис. 19.10, можно записать:

321

U 0 =U			R0			.	(19.29)
		Rx + R0
Считая, что Rx>>R0, получаем
U 0	=U		R0	,			(19.30)
			Rx
α = k U 0 = k U					R0		(19.31)
					Rx .

Соотношение (19.31) свидетельствует, что показания омметра, построенного по схеме рис. 19.10, обратно пропорциональны измеряемому сопротивлению.

Очевидно, что омметры по первой схеме (см. рис. 19.9) целесообразно использовать при измерении малых сопротивлений, а омметры по второй схеме (см. рис. 19.10) – для измерения больших сопротивлений.

В омметрах, построенных по схеме рис. 19.11, использован операционный усилитель, в цепь отрицательной обратной связи которого включен резистор Rx.

Рис. 19.11. Схема электронного омметра с операционным усилителем:

ОУ – операционный усилитель; Rx – измеряемое сопротивление; Ro – образцовое известное сопротивление; U – напряжение стабильного источника питания; И – измеритель магнитоэлектрической системы

Операционный усилитель (ОУ) имеет большой коэффициент усиления К, большое входное сопротивление и очень малые входные токи, которыми можно пренебречь. Тогда потенциал точки «а» близок к нулю и падение напряжения на Rx можно принять равным напряжению на измерителе (см. рис. 19.11). Следовательно, токи I0 и Ix равны и справедливы соотношения

322

I0 = I x =		U0			=		U x			,	(19.32)
		R
								R	x
	0
U0	=U ,										(19.33)
U x =U			Rx			,					(19.34)
				R0
α = SU	U			Rx				,			(19.35)
					R0

где α – показание измерителя магнитоэлектрической системы, являющееся одновременно показанием рассматриваемого омметра;

SU – чувствительность измерителя И по напряжению.

Таким образом, согласно (19.35), показания электронного омметра, построенного по схеме рис. 19.11, прямо пропорциональны измеряемому сопротивлению.

Рассмотренные схемы нашли применение в приборах, выпускаемых серийно. Омметры типов Е6-12; Е6-15 имеют структуру, близкую к схемам рис. 19.9 и 19.10. Омметры типов Е6-10; Е6-13 построены по схеме, приведенной на рис. 19.11.

Сведения по электронным омметрам приведены в литературных источни-

ках [1; 67; 73; 101; 108; 109].

Мостовые методы измерения сопротивлений, широко используемые на практике, в настоящем учебном пособии не рассматриваются. Сведения по этим методам измерений приведены во многих других учебных пособиях (см., например, [1; 2]).

323

20.ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

20.1.Общие положения

Работа большинства цифровых измерительных приборов основана на преобразовании непрерывной (аналоговой) измеряемой величины в дискретную (цифровую). Исключение составляют некоторые приборы, предназначенные для измерения дискретных величин (счетчики ядерных частиц, счетчики числа импульсов и т. д.). Процесс цифрового кодирования непрерывной величины является совокупностью квантования (дискретизации) этой величины по уровню

ипо времени.

Вцифровых измерительных приборах (ЦИП) происходит автоматическое преобразование входной измеряемой величины в цифровой код. Автоматизм преобразования измеряемой величины в цифровой код является определяющим признаком ЦИП. На этом основании приборы, в которых результат измерения хотя и выводится на цифровое отсчетное устройство, но образуется за счет ручных операций, к цифровым не относятся. Так, компенсаторы напряжения постоянного тока и мосты с декадными магазинами сопротивлений, в которых уравновешивание выполняется вручную, цифровыми приборами считать не принято.

ЦИП включают в себя два обязательных функциональных узла: аналогоцифровые преобразователи (АЦП) и цифровые отсчетные устройства (ЦОУ). Кроме АЦП и ЦОУ, цифровые приборы могут содержать цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). АЦП и ЦАП применяют не только как узлы ЦИП, но и как автономные устройства.

Врезультате квантования измеряемой величины по уровню возникает погрешность дискретности, обусловленная тем, что бесконечное множество значений измеряемой величины отражается лишь ограниченным количеством показаний ЦИП.

Погрешность дискретности присуща ЦИП и отсутствует у аналоговых приборов. Однако эта погрешность не является препятствием для увеличения

324

точности приборов, так как соответствующим выбором числа уровней квантования погрешность дискретности можно сделать сколь угодно малой. Практика показывает, что ЦИП, как правило, имеют значительно меньшие погрешности, чем аналоговые приборы, предназначенные для измерения тех же самых физических величин.

Дискретизация непрерывной величины x(t) по времени проводится в целях преобразования x(t) в дискретную (прерывную) во времени величину, которая совпадает с соответствующими значениями x(t) только в определенные моменты времени. Промежуток времени между двумя соседними моментами времени дискретизации называется шагом дискретизации, который может быть постоянным или переменным.

Дискретизация по времени (так же, как и квантование по уровню) непрерывной измеряемой величины является принципиальным источником погрешности ЦИП. Однако выбором соответствующего шага дискретизации (как и уровня квантования) рассматриваемая погрешность может быть сведена к минимуму.

Вконструктивном отношении ЦИП можно разделить на электромеханические и электронные. В первых используются контактные элементы (шаговые двигатели, реле), во вторых – бесконтактные элементы (электронные или полупроводниковые). Развитие ЦИП идет по пути замены контактных устройств бесконтактными.

Взависимости от преобразования измеряемой величины в код различают ЦИП последовательного преобразования, ЦИП пространственного преобразования, ЦИП поразрядного уравновешивания (кодоимпульсные) и др.

По роду измеряемой величины ЦИП подразделяют на вольтметры, частотомеры, омметры, фазометры и т. д. Часто ЦИП являются универсальными, что позволяет одним прибором измерять разные электрические величины. Например, универсальный цифровой прибор может быть предназначен для измерения постоянных и переменных напряжений, постоянных и переменных токов, электрических сопротивлений и т. д.

325

Дополнительные сведения по ЦИП приведены в литературных источни-

ках[1; 2; 5; 35].

20.2. Электромеханические цифровые приборы

Электромеханические («контактные») цифровые приборы имеют в своем составе шаговые двигатели, реле, переключатели и т. д. В силу того, что они имеют большое время измерения и небольшой срок службы, они не нашли широкого применения. К достоинствам этих приборов следует отнести их малую погрешность. В качестве примера ниже рассматривается электромеханический цифровой вольтметр, предназначенный для измерения постоянных напряжений

(рис. 20.1).

Рис. 20.1. Упрощенная схема электромеханического цифрового вольтметра:

Ux – измеряемое напряжение;	ДВ – шаговый двигатель;
Uo – опорное напряжение;	ДШ – дешифратор;
ЭС – элемент сравнения;	ЦОУ – цифровое отсчетное устройство;
У – усилитель;	П – переключатель

Сплошными линиями на рис. 20.1 показаны электрические цепи, а пунктиром – механические связи. Шаговый двигатель ДВ может быть связан с ДШ и ЦОУ электрически или механически, в зависимости от конструктивного исполнения конкретного типа прибора, что отмечено на рисунке двумя линиями (сплошной и пунктирной).

326

U =U x −U k .

Компенсирующее напряжение Uk, подаваемое на ЭС для сравнения с измеряемым напряжением Ux, определяется соотношением

	U k =	U0	ni ,	(20.1)
		n

где n – число сопротивлений R (общее число ступеней делителя напряжения); ni – число включенных ступеней делителя напряжения.

Отметим, что Uk изменяется ступенями с дискретностью ∆Uk = U0/n. Значение ∆Uk определяет погрешность дискретности прибора. Теоретически погрешность дискретности может быть сколь угодно малой (ограничения имеют конструктивный и технический характер). Она зависит от числа сопротивлений, образующих делитель напряжения. Значение ∆U на выходе элемента сравнения напряжения равно разности напряжений Ux и Uk:

(20.2)

Если Ux ≠ Uk, то ∆U ≠ 0 подается на вход усилителя у и после усиления воздействует на шаговый двигатель ДВ, который начинает перемещать подвижный контакт переключателя П. При этом изменяется компенсирующее напряжение Uk, снимаемое с делителя. Увеличение Uk (если Ux>Uk) или его уменьшение (если Ux<Uk) происходит до тех пор, пока Uk не станет примерно равно измеряемому напряжению Ux. При этом двигатель ДВ останавливается и с ЦОУ производится отсчет показаний. Дешифратор ДШ, связанный с двигателем и управляющий цифровым отсчетным устройством ЦОУ, обычно (как и ЦОУ) – электронное устройство. В этом случае связи между ДВ, ДШ и ЦОУ электрические. Но рассматриваемые устройства могут быть и электромеханическими. Тогда связи между ними механические.

Следует отметить, что вместо шагового двигателя часто используются электромеханические реле, которые осуществляют необходимую коммутацию в измерительных цепях. Делители напряжений выполняются, как правило, декадными (например, декада целых единиц измеряемой величины, декада десятых долей, декада сотых долей и т. д.).

327

Быстродействие электромеханических ЦИП составляет 1–2 измерения в секунду. Типичный класс точности – 0,05. Известны электромеханические цифровые приборы и более высокого класса точности (от 0,01 до 0,005).

20.3. Электронные цифровые приборы

20.3.1. Времяимпульсные вольтметры

Времяимпульсные вольтметры относятся к приборам последовательного преобразования. Они основаны на преобразовании измеряемого напряжения во временной интервал и измерении полученного интервала путем заполнения его высокочастотными импульсами (рис. 20.2).

Рис. 20.2. Структурная схема времяимпульсного вольтметра:

ГТИ – генератор тактовых импуль-	ГП – генератор пилообразного напряже-
сов;	ния;
Л3 – линия задержки;	ЦОУ – цифровое отсчетное устройство;
ДШ – дешифратор;	ГВ – генератор высокочастотных импуль-
	сов;
ЭС – элемент сравнения;	Ux – измеряемое напряжение (постоянное
К– ключ;	или медленно меняющееся);
СЧ – счетчик импульсов;	Uy – управляющее напряжение

Работа прибора протекает в следующей последовательности. Такт работе прибора задает генератор тактовых импульсов (ГТИ), вырабатывающий с заданной периодичностью прямоугольные импульсы u1 и u2. Импульс u1 поступает на счетчик импульсов (СЧ) и переводит его в исходное состояние («сбрасывает на ноль»). Импульс u2 поступает на линию задержки (ЛЗ). С некоторой задержкой (необходимой для перевода СЧ в исходное состояние) на выходе ЛЗ

328

появляются импульсы u3 и u4. Импульс u3 поступает на ключ (к) и открывает его. Импульс u4 поступает на генератор пилообразного напряжения (ГП) и запускает его. С выхода ГП пилообразное напряжение u5 поступает на элемент сравнения (ЭС). Одновременно на ЭС подается измеряемое напряжение Ux. Через открытый ключ К высокочастотные импульсы u7 поступают на СЧ. Счет импульсов счетчиком СИ продолжается до тех пор, пока напряжения Ux и u5 не станут равны друг другу и ЭС не выработает импульс u6, который закроет ключ К. Число импульсов, накопленное в счетчике СЧ, преобразуется дешифратором (ДШ) в управляющее напряжение Uy, воздействующее на цифровое отсчетное устройство (ЦОУ), с которого и производится отсчет результата измерения.

На рис. 20.3 приведены временные диаграммы, поясняющие работу рассматриваемого прибора. Быстродействие времяимпульсных вольтметров обычно составляет 10–15 измерений в секунду. В отдельных случаях быстродействие может достигать 50–60 измерений в секунду.

Рис. 20.3. Временные диаграммы

329

Отметим еще раз, что измеряемое напряжение преобразуется во временной интервал ∆t, который заполняется импульсами, следующими с частотой fo = 1/To. Количество импульсов N ≈ ∆t/T0 подсчитывается счетчиком и отображается на цифровом отсчетном устройстве прибора.

Времяимпульсные приборы имеют сравнительно большие погрешности. Это объясняется наличием погрешности дискретности из-за несовпадения появления счетных импульсов с началом и концом интервала ∆t, а также за счет нелинейного коэффициента преобразования. Другим недостатком этих приборов является их низкая помехозащищенность, что требует применения специальных фильтров для подавления помех.

Промышленность выпускает ЦИП, построенные на описанном принципе. Все они имеют погрешности нисколько большие, чем цифровые приборы, построенные на других принципах. Например, погрешность универсального вольтметра типа ВК7-10А/1 при измерении постоянного напряжения составляет около 0,1–0,2 %.

20.3.2. Уравновешивающие вольтметры

В вольтметрах уравновешивающего преобразования (другое название – вольтметры сравнения) используется обратная связь, которая предполагает наличие в схеме цифро-аналогового преобразователя, преобразующего код (или число импульсов) в аналоговое напряжение. Существует несколько способов уравновешивания (сравнения) измеряемого напряжения с аналоговым напряжением обратной связи. Ниже рассмотрен уравновешивающий вольтметр с реверсивным счетчиком (рис. 20.4).

330