Аналоговые и цифровые измерительные приборы. Общие представления

Электронные измерительные приборы. Определения

Согласно ГОСТ IEC600500-300—2015 (п. 311-03-04) электрический измерительный прибор (electric measuring instrument) — это измерительный прибор, предназначенный для измерения электрических или неэлектрических величин с помощью электрических или электронных средств.

По установившейся в измерительной технике терминологии в практике измерений электронным измерительным прибором (ЗИП) принято называть СИ, состоящий из измерительного преобразователя и магнитоэлектрического измерительного прибора (если стрелочный), либо цифрового измерителя (если цифровой).

Все ЗИП делятся на аналоговые и цифровые. У аналоговых на выходе — стрелочный измерительный механизм, а у цифровых — аналогово-цифровой преобразователь и цифровой измеритель.

Преимущества цифровых ЗИП.

Для цифровых ЗИП можно выделить следующие шесть преимуществ перед аналоговыми:

• 1) универсальность: измерения U, I, Р, R,f, (р как для постоянного, так и для переменного тока;
• 2) автоматический выбор предела и полярности измерений;
• 3) автоматическая коррекция погрешности;
• 4) более высокая точность измерений;
• 5) удобство цифровой индикации;
• 6) цифропечатающая регистрация и ввод/вывод на ЭВМ.

Недостаток цифровых ЗИП всего один — понижение точности по мере повышения частоты при измерении на переменном токе.

Простейшая структурная схема ЗИП (рис. 4.1) включает входной узел ВУ, детектор Д, усилитель постоянного тока УПТ и измерительный механизм ИМ.

Рис. 4.1. Простейшая структурная схема ЭИП

Детектор — основной узел ЭИП, по виду которого классифицируются все цифровые вольтметры (ЦВ). Типовая схема детектора одного из ЦВ показана на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Типовая электрическая схема детектора одного из ЦВ

Основные свойства и применение электронных измерительных приборов

Приборы амплитудных значений (так называемые пиковые ЦВ) работают на принципе запоминания через диод амплитуды измеряемого сигнала, т. е. конденсатор заряжается до амплитуды и дает показания на выходе.

Приборы среднеквадратичных значений (их еще называют приборами действующих либо эффективных значений) реализуют на выходе формулу

за счет трех основных процессов: квадрирования, усреднения и извлечения квадратного корня.

Это и есть известная из ТОЭ формула среднеквадратического (действующего, эффективного) значения синусоидального тока (напряжения). На рис. 4.3 показан его график.

Важно запомнить

На среднеквадратическое (действующее, эффективное) напряжение реагируют все приборы электромагнитной системы (включая цифровые), а на средневыпрямленное — приборы, измеряющее однополярные напряжения на выходе всех выпрямителей переменного тока.

Рис. 4.3. График действующего напряжения (тока), измеряемого соответствующими приборами электромагнитной системы (включая цифровые)

Формула для средневыпрямленного тока (напряжения)

Его график представлен на рис. 4.4.

Рис. 4.4. График средневыпрямленного (среднего за полупериод) синусоидального тока (напряжения)

Такое напряжение однополярной формы характерно на выходе выпрямителей, преобразующих переменный ток в постоянный (рис. 4.5).

Во всех цифровых измерительных приборах, включая ЦВ, применяются узлы так называемого время-импульсного преобразования (ВИП), работающие по принципу «напряжение — время» (преобразователи напряжение — время, ПНВ). Существует в основном два типа таких ПНВ: ПНВ-ШИМ и ПНВ-ЧИМ.

Рис. 4.5. Типичная форма напряжения (тока) на выходе двухполупериодного выпрямителя без фильтра сглаживания

Рисунок 4.6 иллюстрирует принципы формирования широтно-импульсной (ШИМ) и частотно-импульсной (ЧИМ) модуляций. В случае ШИМ длительность выходных импульсов пропорциональна амплитуде измеряемого сигнала при определенной частоте.

Рис. 4.6. ШИМ и ЧИМ

При ЧИМ1 формируются короткие импульсы с частотой, пропорциональной модулирующему параметру (например, той же амплитуде). Частота импульсов задается в диапазоне, например, от 100 Гц до 100 кГц. Хотя у приборов, использующих принцип ЧИМ1, высокая разрешающая способность, они из-за широкого спектра частот неэффективны для передачи информации по линиям связи или записи на магнитные носители.

Приборы, функционирующие на основе принципа ЧИМ2, узко-полосны, так как при этом формируется центральная частота с заданным отклонением (девиацией). Каждый принцип применяется в соответствии со своим назначением.

Способ формирования ПНВ-ШИМ. Цифровые узлы ВИП ПИВШИМ формируют прямоугольные импульсы, у которых частота постоянная (f= const), а в ее пределах меняется ширина (скважность) импульсов.

Входное воздействие (например, измеряемое напряжение постоянного тока и_изм в ЦВ) подается на двухпороговый компаратор (триггер Шмитта ТШ). ТШ откликается (срабатывает) при равенстве величин напряжений треугольных импульсов от генератора (ГТИ) и измеряемых напряжений 1/_изм (рис. 4.7). В зависимости от величины 17_изм меняется скважность (ширина) сформированных импульсов.

Рис. 4.7. Структурная схема ПНВ-ШИМ и график ее работы

На выходе фильтра нижних частот (ФНЧ) (рис. 4.8) выделяется среднее значение выходных импульсов для их дальнейшей обработки в преобразователе «напряжение — частота» (ПНЧ) — для отображения на выходном индикаторе цифрового значения измеряемой входной величины.

Рис. 4.8. Величина среднего напряжения 1/_ср на выходе ФНЧ

Способ формирования ПНВ-ЧИМ. В отличие от ПНВ-ШИМ, в ПНВ-ЧИМ меняется наклон «треугольника» под воздействием измеряемого напряжения 1У_ИЗМ, так что частота/меняется пропорционально этому и_изм (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Графики в ПНВ-ЧИМ: измеряемое напряжение меняет наклон треугольных импульсов ГТИ¹

На рис. 4.10 показан еще один график режима НИМ при двухполярном напряжении ГТИ (малом его нарастании и длительном спа-

¹ Тихонов А. И. Информационно-измерительная техника и электроника : учеб, пособие по курсу лекций. Омск : Изд-во ОмГТУ, 2008.

де импульсов ГТИ) и инвертирующем ТШ, при этом частота ТШ при длительности импульса С₂ меньше частоты

Рис. 4.10. График режима ЧИМ при двухполярном напряжении ГТИ: измеряемое напряжение больше нуля, среднее значение ТШ большое, частота малая

Вопросы и задания для самоконтроля

• 1. Что называется электронным измерительным прибором?
• 2. Каковы преимущества цифровых ЭИП по сравнению с аналогичными стрелочными ЭИП? И какой единственный недостаток?
• 3. Изобразите простейшую структурную схему ЭИП и поясните ее элементы.
• 4. На каком принципе функционируют измерительные приборы амплитудных (пиковых) значений?
• 5. Каков принцип работы измерительного прибора среднеквадратичных значений и чему равно его значение на выходе прибора? Как еще в технике называется это значение переменного тока?
• 6. Для чего необходимы приборы средневыпрямленного значения и чему оно равно на выходе данных приборов?
• 7. В чем заключается принцип формирования импульсов широтно-импульсной (ШИМ) и частотно-импульсной (ЧИМ) модуляций преобразователями типа «напряжение — время» (ПИВ)? Изобразите их форму.
• 8. В чем заключается способ формирования импульсов типа ПНВ-ШИМ?
• 9. В чем заключается способ формирования импульсов типа ПНВ-ЧИМ?