Меню

Измерения напряжения тока мощности цифровыми приборами



Измерение тока, напряжения и мощности

Измерение тока. Для измерения тока используются амперметры. Амперметр включается в цепь таким образом, чтобы через него проходил весь измеряемый ток, т.е. последовательно. Поэтому его сопротивление должно быть малым по сравнению с сопротивлением цепи.

Для измерения постоянного тока используются приборы магнитоэлектрической системы, реже приборы электромагнитной системы. Для измерения переменного тока частотой 50 Гц в основном применяют приборы электромагнитной системы. Сопротивление этих приборов лежит в пределах от долей ома до нескольких ом.

Для расширения пределов измерения амперметров в цепях постоянного тока используют шунты. Их сопротивления подсчитывают по формуле:

где Iан — номинальное значение тока амперметра; Rа — внутреннее сопротивление амперметра; Iш — ток, проходящий через шунт.

Для расширения пределов измерения амперметров в цепях переменного тока используют измерительные трансформаторы тока.

Измерение напряжения. Для измерения напряжения используют вольтметры.

Вольтметры включаются параллельно участку электрической цепи, на котором измеряют напряжение. Вольтметр должен иметь большое сопротивление по сравнению с сопротивлением соответствующего участка цепи. В цепях постоянного тока используют вольтметры магнитоэлектрической системы, но обычно с добавочным сопротивлением.

Для расширения пределов измерений вольтметров в цепях постоянного тока до 4500 В служат добавочные резисторы (сопротивления). Их сопротивление определяют по формуле:

где Uн — номинальное напряжение прибора; Umax — максимальное измеряемое напряжение; RV — сопротивление вольтметра.

В цепях переменного тока используют вольтметры электромагнитной и электродинамической системы.

Измерение мощности. Мощность в электрической цепи синусоидального тока определяется по формуле:

P=U I · cos(Ð ),

где U и I — действующие значения напряжения и тока; j =Ð — угол разности начальных напряжения и тока (угол сдвига фаз).

Для измерения мощности в электрических цепях необходимо измерить напряжение, ток и угол сдвига фазы. Для этого используется прибор — ваттметр с двумя катушками. Это приборы электродинамической и ферродинамической измерительных систем. Катушка напряжения включается параллельно участку цепи, подобно вольтметру, ее зажимы на лицевой стороне ваттметра обозначены буквой U. Токовая катушка включается в цепь последовательно, подобно амперметру, ее зажимы обозначены буквой I (рисунок 1.4.).

Рисунок 1.4 — Схема включения ваттметра

На ваттметре начало токовой катушки и катушки напряжения отмечены звездочками, это генераторные зажимы. При измерении активной мощности эти зажимы включаются со стороны источника энергии. Такие же особенности имеет и так же включается в сеть фазометр — прибор, предназначенный для измерения угла сдвига фаз j. Он позволяет непосредственно определить по шкале угол j и cos j.

Цена деления многопредельного ваттметра определяется по формуле:

где Uп, Iп— предельные значения напряжения и тока, указанные на соответствующих зажимах прибора; n — число делений шкалы.

Активная мощность, измеряемая ваттметром,

где Wизм — число делений шкалы, указываемое стрелкой прибора.

Таким же образом определяется цена деления амперметра и вольтметра, если шкала прибора не проградуирована в единицах измерения.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Лекция № 9. Измерение электрических величин цифровыми приборами

date image2014-01-31
views image1889

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Цифровыми называют приборы, в которых информация об непрерывно-изменяющейся (аналоговой) измеряемой величине автоматически преобразуется в эквивалентные дискретные значения цифровых кодов. Отсчетные устройства цифровых приборов также как правило отображаю информацию в виде цифрового кода.

К преимуществам цифровых приборов относятся:

1. Высокая точность.

2. Высокая помехозащищенность, т.к. измерительная информация представляется в виде цифрового кода, т.е. в виде последовательности нулей и единиц.

3. Возможность реализации достаточно сложных алгоритмов обработки измерительной информации, а так же широкие возможности по хранению и передаче измерительной информации другим цифровым устройствам.

Основным элементом любого цифрового измерительного прибора является аналого-цифровой преобразователь, осуществляющий преобразование аналогового сигнала, содержащего измерительную информацию, в эквивалентный ей цифровой код. Принципиально не исключена возможность непосредственного преобразования различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удается решить лишь в редких случаях из-за сложности таких преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в функционально связанные с ними электрические, а затем уже с помощью преобразователей напряжение-код — в цифровые. В данном случае, считаем, что входной сигнал АЦП представляет собой аналоговый сигнал в виде напряжения, изменяющегося во времени.

Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывных сигналов, которую реализуют с помощью АЦП, представляет собой преобразование непрерывной функции времени u(t), описывающей исходный сигнал, в последовательность чисел (где j=0,1,2. n, — шаг квантования по времени) отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. Эту процедуру можно разделить на две самостоятельные операции. Первая из них называется дискретизацией или квантованием по времени и заключается в преобразовании непрерывного сигнала в дискретные отчеты, между которыми значение сигнала неопределенно. Вторая называется дискретизацией или квантованием по уровню, при этом дискретные отсчеты, значения которых могут принимать бесконечное число значений из заданного диапазона, заменяются отсчетами, значения которых могут принимать лишь фиксированное число значений. Т.о. на первом этапе непрерывный во времени сигнал преобразуется в последовательность значений, наблюдаемых в дискретные моменты времени, а на втором – эти значения, округляются до ближайшего фиксированного уровня. Вместо аналогового сигнала u(t) на выходе АЦП прилучается последовательность двоичных кодов.

Читайте также:  Мощность сабвуфера для машины

В основе дискретизации непрерывных сигналов лежит принципиальная возможность представления их в виде взвешенных сумм

где a­j – некие отсчеты или коэффициенты характеризующие сигнал в j-й момент времени, — набор функций, позволяющих восстановить сигнал по отсчетам.

Наиболее распространенной формой дискретизации является равномерная, в основе которой лежит теорема отсчетов. Согласно этой теореме в качестве коэффициентов aj следует использовать мгновенные значения сигнала в дискретные моменты времени , а период дискретизации выбирать из условия

где fmax— максимальная частота спектра преобразуемого сигнала. При этом выражение (1) переходит в известное выражение теоремы отсчетов

Для сигналов со строго ограниченным спектром это выражение является тождеством. Однако спектры реальных сигналов стремятся к нулю лишь асимптотически. Применение равномерной дискретизации к таким сигналам приводит к возникновению в системах обработки информации специфических высокочастотных искажений, обусловленных выборкой. Для уменьшения этих искажений необходимо либо увеличивать частоту дискретизации, либо использовать перед АЦП дополнительный фильтр нижних частот, ограничивающий спектр исходного сигнала перед его аналого-цифровым преобразованием.

Соответствие между кодом и измеряемым сигналом задается выражением

где — погрешность преобразования на данном шаге.

Процесс квантования по уровню приводит к возникновению ошибки дискретизации или квантования по уровню, максимальное значение которой равно , где — единица младшего разряда преобразователя. Дисперсия этой ошибки равна

Инструментальная погрешность АЦП Da обусловлена несовершенством отдельных элементов его схемы и влиянием различных дестабилизирующих факторов, что приводит к отклонению характеристики квантования от идеальной, при этом могут возникать аддитивная погрешность, обусловленная смещением нуля кривой (погрешность нуля), и мультикативная погрешность, обусловленная изменением угла её наклона (погрешность передачи). Таким образом исчерпывающей характеристикой статического режима работы АЦП является его характеристика квантования.

Статические погрешности, т.о. включают в себя четыре составляющих:

2. Погрешности реализации уровней квантования.

3.Порешность, вызванная наличием порога чувствительности АЦП.

4. Погрешности вызванные влиянием внешних факторов, в т.ч. погрешность нуля и погрешность передачи.

При преобразовании динамически изменяющихся сигналов возникают погрешности, во-первых связанные с ограниченными частотой квантования и временем преобразования, в связи с чем изменения измеряемой величины в пределах периода квантования никак не учитываются в выходном кодом. Во-вторых т.н. аппертурной погрешностью.

Основной закономерностью дискретизации в динамическом режиме является то, что за счет конечного времени одного преобразования и неопределенности момента его окончания, зависящего в общем случае от параметров входного сигнала, не удается получить однозначного соответствия между значениями отсчетов и моментами времени, к которым их следует отнести. В результате при работе с изменяющимися во времени сигналами возникают специфические погрешности, динамические по своей природе, для оценки которых вводят понятие апертурной неопределенности, характеризующейся обычно апертурным временем.

Апертурным временем ta называют время, в течение которого сохраняется неопределенность между значением выборки и временем, к которому она относится. Эффект апертурной неопределенности проявляется либо как погрешность мгновенного значения сигнала при заданных моментах измерения, либо как погрешность момента времени, в который производится измерение при заданном мгновенном значении сигнала. При равномерной дискретизации следствием апертурной неопределенности является возникновение амплитудных погрешностей, которые называются апертурными и численно равны приращению сигнала в течение апертурного времени.

Если использовать другую интерпретацию эффекта апертурной неопределенности, то ее наличие приводит к «дрожанию» истинных моментов времени, в которые берутся отсчеты сигнала, по отношению к равноотстоящим на оси времени моментам. В результате вместо равномерной дискретизации со строго постоянным периодом осуществляется дискретизация с флюктуирующим периодом повторения, что приводит к нарушению условий теоремы отсчетов и появлению уже рассмотренных апертурных погрешностей в системах цифровой обработки информации.

Такое значение апертурной погрешности можно определить, разложив выражение для исходного сигнала в ряд Тейлора в окрестностях точек отсчета, которое для j-й точки имеет вид

и дает в первом приближении апертурную погрешность

.

Обычно для оценки апертурных погрешностей используют синусоидальный испытательный сигнал , для которого максимальное относительное значение апертурной погрешности .

Если принять, что для N-разрядного АЦП с разрешением 2 -N апертурная погрешность не должна превышать шага квантования, то между частотой сигнала, апертурным временем и относительной апертурной погрешностью имеет место соотношение

Читайте также:  Питание потребляемая мощность разъемы питания

.

Для обеспечения дискретизации синусоидального сигнала частотой 100 кГц с погрешностью 1% время преобразования АЦП должно быть равно 25 нс. В то же время с помощью такого быстродействующего АЦП принципиально можно дискретизировать сигналы, имеющие ширину спектра порядка 20 МГц. Таким образом, дискретизация с помощью самого АЦП приводит к существенному расхождению требований между быстродействием АЦП и периодом дискретизации. Это расхождение достигает 2. 3 порядков и сильно усложняет и удорожает процесс дискретизации, так как даже для сравнительно узкополосных сигналов требует весьма быстродействующих АЦП. Для достаточно широкого класса быстро изменяющихся сигналов эту проблему решают с помощью устройств выборки-хранения, имеющих малое апертурное время.

Классификация АЦП имеет вид:

В настоящее время известно большое число методов преобразования напряжение-код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации.

В основу классификации АЦП положен признак, указывающий на то, как во времени разворачивается процесс преобразования аналоговой величины в цифровую. В основе преобразования выборочных значений сигнала в цифровые эквиваленты лежат операции квантования и кодирования. Они могут осуществляться с помощью либо последовательной, либо параллельной, либо последовательно-параллельной процедур приближения цифрового эквивалента к преобразуемой величине.

АЦП параллельного типа.

АЦП этого типа осуществляют квантование сигнала одновременно с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику входного сигнала. На рис. 3 показана реализация параллельного метода АЦ-преобразования для 3-разрядного числа.

Благодаря одновременной работе компараторов параллельный АЦП является самым быстрым. Недостатком этой схемы является высокая сложность. Действительно, N-разрядный параллельный АЦП сдержит 2 N-1 компараторов и 2 N согласованных резисторов. Следствием этого является (при высокой разрядности) высокая стоимость и значительная потребляемая мощность.

Источник

ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ постоянных напряжений и токов

Для измерения импульсных и переменных напряжений (пиковое, средневыпрямленное и среднеквадратическое значения), а также переменного тока обычно используются вольтметры постоянного тока совместно с соответст­вующими преобразователями.

Вольтметр с время-импульсным преобразованием. На рис. 3 показана его структурная схема, а на рис. 4 даны временные диаграммы, поясняющие ра­боту вольтметра. Измеряемое постоянное напряжение преобразуется в интер­вал времени, который заполняется счетными импульсами. Число импульсов, подсчитываемое счетчиком, пропорционально измеряемому напряжению. Изме« рение. осуществляется циклами, задаваемыми устройством управления (ручно! или автоматический режим).

clip_image002

Рис. 3. Структурная схема вольтметра с время-импульсным преобразованием

clip_image004

Рис. 4. Временная диаграмма ра­боты вольтметра с время-импуль­сным преобразованием

В начале цикла тактовый импульс устройства управления, устанавливает счетчик в исходное состояние и запускает ге­нератор пилообразного напряжения. В мо­мент прохождения пилообразного напря­жения через нуль компаратор 2 выдает короткий импульс, который переключает триггер. Временной селектор открывается, и на счетчик поступают счетные импульсы. В момент совпадения пилообразного нап­ряжения с измеряемым срабатывает ком­паратор 1 и переводит триггер в исходное состояние. Временной селектор закрывает­ся, прекращая прохождение счетных им­пульсов на счетчик. Таким образом счетчик подсчитывает счетные импульсы в течение времени Дt.

Как видно из рис. 4, измеряемое нап­ряжение Ux=Дt tgз. Численное значение tgз равно скорости изменения пилообраз­ного напряжения и, a Дt=m/FСЧ (Fсч — частота следования счетных импульсов; т — число счетных импульсов, посту­пивших на счетчик). Поэтому Ux=mv/Fc4.

Для каждого вольтметра число FCЧ/u=const и его выбирают равным 10 k , где й=?0, 1, 2, 3. Тогда показания счетчика дают непосредственное значение измеряемого напряжения в цифровом выражении Ux=ml0- K , В [14].

Вольтметр с двойным интегрированием. На рис. 5 дана структурная схема вольтметра, а на рис. 6 — временные диаграммы, поясняющие его работу. Цикл измерения Г„ состоит из интервалов времени Ti и Г2, задаваемых со­ответственно длительностью импульсов и паузой между ними (рис. 6).

clip_image006

Рис. 5. Структурная схема вольтметра с двойным интегрированием

В начале цикла устройство управления вольтметра (см. рис. 5) вырабаты­вает импульс калиброванной длительности с крутым фронтом и срезом. На время, равное длительности этого импульса, переключатель S1 замыкается в положение 1 и на вход интегратора подается измеряемое постоянное напряжение. Начинается процесс интегрирования «вверх». Крутизна напряже­ния «1 (угол наклона а) пропорциональна значению измеряемого напряжения Ux Про­должительность процесса интегрирования «вверх» определяется длительностью T1 уп­равляющего импульса uyпр. В момент окон­чания импульса (t Tt) триггер перебрасы­вается из состояния 0 в состояние 1. Пере­ключатель S1 переводится в положение 2, и вход интегратора подключается к источнику эталонного напряжения Uэт, полярность ко­торого противоположна полярности измеряе­мого напряжения.

clip_image008

Рис 6. Временная диаграмма ра­боты вольтметра о двойным ин­тегрированием

Начинается процесс интегрирования «вниз» — напряжение на выходе интегра­тора линейно убывает. Скорость убывания этого напряжения пропорцио­вальна значению эталонного напряжения UЭТ. В момент прохождения линейно-падающего напряжения через нуль компаратор выдает импульс, размыкающий переключатель S2 и возвращающий триггер в исходное состояние. На выходе триггера образуется импульс длительностью At, который заполняется счетными импульсами, подсчитываемыми счетчиком.

Читайте также:  Расчет мощности инфракрасных обогрев

К концу интервала T1 напряжение на выходе интегратора будет

С момента начала интервала T2 это напряжение снижается со скоростью убывания, определяемой эталонным напряжением U,T. Через время Дt выход­ное напряжение вернется в нулевое положение. При этом

Ux T1/(RC) = Uэт A t/(RC); Д t = T1 Ux/Um.

Учитывая, что Дt=m/FCЧ, получаем:

Ux= m Uэт/(Fcч Т1) = m10 – q ,

где Fсч — частота следования счетных импульсов.

Погрешность преобразователя напряжение — интервал времени получается достаточно малой, так как длительность импульса Т1 и эталонное напряжение Uэт могут поддерживаться постоянными с высокой точностью. При выборе ин­тервала усреднения равным или кратным периоду сетевого напряжения, нап­ример 40 мс, вольтметр с двойным интегрированием позволяет осуществить эф­фективную защиту от помех, имеет малую погрешность измерения (примерно O,0I% Ux ±1 младшего разряда счета).

clip_image010

Рис. 7. Структурная схема вольт­метра с преобразованием напря­жения в частоту

Цифровой вольтметр с преобразованием напряжения в частоту. Его струк­турная схема дана на рис. 7. В этом вольтметре преобразование напряжения импульсы, частота следования которых FK пропорциональна измеряемому напряжению (Fx kUx),, позволяет заменить интегрирование суммированием «а определенный интервал времени. Основными узлами вольтметра с преобразованием напряжения в частоту являются: входное устройство, измерительный преобразователь и цифровой частотомер, в котором генератор калиброванных; временных интервалов времени совместно с устройством управления выраба­тывает стробирующий импульс длительностью Дtк. Этот импульс подается на вход 2 временного селектора, ко входу 1 которого подводится последователь­ность импульсов с частотой следования Fx. Счетчик подсчитывает число им­пульсов, заполняющих интервал.

Начальная частота (при Uх = 0) должна быть минимальной и составлять единицы герц. Иначе потребуются специальные меры для устранения ее влия­ния на показания.

Погрешность измерения вольтметров с преобразованием напряжения в час­тоту составляет 0,01 — 0,5%.

Цифровой вольтметр с подразрядным уравновешиванием (рис. 8). Работа такого вольтметра основана на последовательном сравнении значения изме­ряемого напряжения с рядом эталонных напряжений, значения которых разли» чаются по определенному закону (чаще всего по закону размещения разрядов в двоичной системе счисления), т. е.

Ux = Uэт (an2 n + ап—1 2 п 1 + …+а12 1 + а2 0 ).

где at принимает значение либо 0, ли­ло 1, а n представляет собой число двоичных разрядов разложения. Таким образом, для определения измеряемого напряжения Ux необходимо найти раз­рядные коэффициенты a1.

clip_image012

Рис. 8. Структурная схема вольтмет­ра с поразрядным уравновешиванием

Один из вариантов решения этой задачи методом взвешивания и показан на рис. 8. Измеряемое напряжение со входного устройства поступает на один из входов компаратора. На второй его вход поступает напряжение из блока эталонных напряжений. Устройство уп­равления, определяющее алгоритм работы всего прибора, выдает в блок эталонных напряжений тактовые импульсы. В соответствии с тактовыми импульсами на компаратор последовательно пос­тупают эталонные напряжения, соответствующие разрядам кода. Цикл начи­нается со старшего, разряда. В компараторе измеряемое напряжение сравни­вается с эталонным, т. е. из Ux вычитается Uвт*2 n . Если разность положи­тельна, то напряжение на выходе компаратора не меняется и устройство уп­равления не меняет своего режима работы. Оно вырабатывает следующий так­товый импульс, который к предыдущему Uэт*2 n подключает напряжение сле­дующего, более младшего, разряда и т. д. Если же. после какого-либо такто­вого импульса разность становится отрицательной, то компаратор, переклю­чившись, воздействует на устройство управления, которое выдает в блок эта­лонных напряжений импульс, снимающий эталонное напряжение подключен­ного в этом такте разряда. Этот разряд пропускается. А в следующий такт подключается напряжение, соответствующее следующему, более младшему, разряду и т. д.

Процесс заканчивается после сравнения измеряемого напряжения с полным набором эталонных напряжений. Эталонные напряжения, оставшиеся включен­ными к моменту равновесия, дают значение измеряемого напряжения Ux в оп­ределенном коде. С помощью дешифратора, входящего в устройство вывода, данный код преобразуется в десятичный, а число, соответствующее использо­ванному набору эталонных напряжений, передается в устройство цифрового отсчета.

Приборы этого типа имеют высокую точность (при стабильных питаю­щих напряжениях) и высокое быстродействие.

Измерители постоянного тока. Они строятся на базе цифровых вольтмет­ров постоянного тока. Принцип измерения постоянного тока основан на изме­рении постоянного напряжения, образующегося на эталонном резисторе (шунте) за счет протекания через него измеряемого тока. Эталонные шунты, переклю­чаемые в зависимости от диапазона измерения, включаются в масштабный усилитель на интегральном ОУ. Рассчитывают шунты обычно так, чтобы паде­ние напряжения на них (при любом диапазоне измерения) не превышало 100 мВ при предельном значении измеряемого тока. Напряжение, усиленное масштабным усилителем, подается на цифровой вольтметр, выполненный по лю­бой из приведенных ранее структурных схем.

Источник