Пета електронни измервателни уреди Електронни аналогови измервателни уреди

Цифровите амперметри и омметри почти не се произвеждат като самостоятелни уреди, а обикновено влизат в състава на комбинираните цифрови прибори (мултицети). Изключение правят някои уреди със специално предназначение в промишлеността.

Методите за измерване на електрически ток са разгледани в част 3.1. Цифровите амперметри се строят на базата на цифровите волтметри, които измерват пад на напрежение върху еталонно съпротивление (шунт), а индикацията е в единици за ток. Характеристиките на цифровите амперметри зависят основно от качествата на използваните шунтове, които трябва да бъдат с малко съпротивление, с висока точност и мощност.

Цифровите омметри използват метода на преобразуване на съпротивлението в напрежение, което се измерва с цифров волтметър. Съществуват различни начини за извършване на това преобразуване. Един от разпространените способи е с използване на операционен усилвател, в чиято верига за обратна връзка е включено измерваното съпротивление, а на входа е подадено еталонно напрежение. С цифров волтметър се измерва изходното напрежение на усилвателя.

(5.30) ; ,

където e еталонно напрежение, е входното съпротивление на усилвателя.

От (5.30) се вижда, че зависимостта между неизвестното съпротивление и измереното напрежение е линейна и индикацията на цифровият волтметър може да е в единици за съпротивление.
5.2.6. Микропроцесорни цифрови уреди

Бързото развитие на интегрални схеми и микропроцесорите доведе до тяхното поевтиняване и разширяване на приложението им. Използването на микропроцесорите в измервателните устройства е масово. Това улеснява процеса на управление на измерването, създава възможност за автоматизиране работата на уредите и процесите на измерване, позволява бързо обработване и систематизиране на получената измервателна информация, повишава значително метрологичните характеристики на уредите.

Прилагането на микропроцесорите разкри нови възможности и подходи за изграждане на цифрови измервателни уреди. Обикновено, микропроцесорът представлява полупроводников уред, изпълнен на основата на една или няколко програмируеми големи интегрални схеми и е предназначен за обработване на информация в цифров вид. За тази цел микропроцесорът се свързва с допълнителни устройства в микропроцесорни системи. Към тези допълнителни устройства се отнасят постоянна и оперативна памет, устройства за съгласуване интерфейси за входа и изхода, шини (вериги или линии), по които се предават данните за адреси и управление, генератор на тактови сигнали, необходими за управление на всички устройства в микропроцесорната система.

В състава на обща структурна схема на микропроцесорен цифров волтметър влизат входно устройство, аналого-цифров преобразувател, микропроцесор и дисплей. Входното устройство е аналогов преобразувател, а също така е предназначено за преобразуване на променливо напрежение в постоянно. От входно устройство постоянното напрежение постъпва в аналого-цифровия преобразувател, в който се преобразува в цифров код и се подава в интерфейса на микропроцесора. Той управлява продължителността на интегрирането и изработва съответните сигнали за входа на цифровата информация. За отразяване на резултатите от измерването се използва цифров дисплей, който може да показва цифри, единиците за измерване, думи и букви. Съвременните цифрови микропроцесорни волтметри са многофункционални измервателни уреди. Те позволяват да се умножава или дели входното напрежение на постоянна величина, да се изчислява отклонението на резултата от зададена стойност, да се определя отношение на величините и техните средни, ефективни и амплитудни стойности, да се извършва статистическа обработка на резултатите от измерването, да се запомня цифровата информация и други.

Освен цифрови микропроцесорни волтметри са разработени и комбинирани цифрови микропроцесорни уреди за измерване на напрежение, ток, съпротивление, честота, фазова разлика, мощност, електрическа енергия и други величини.
5.2.7. Електронни цифрови електромери [2]

Широко приложение за измерване на електрическата енергия в еднофазни и трифазни промишлени и битови електрически вериги получиха електронните цифрови електромери, които изместват индукционните електромери, използвани масово досега.

Принципът на работа е аналогичен на този на времеимпулсните електронни волтметри. Измерваният ток се преобразува в пропорционален интервал от време, който се запълва с импулси с определена честота. На фиг. 5.19 а е показана обща структурната схема на еднофазен цифров електромер, а на фиг. 5.19 б е илюстриран принципът му на действие.



а)




б)

фиг. 5.19

Схемата на електронен цифров електромер включва:

- входно устройство ВУ, което преобразува стойността на консумирания ток в пад на напрежение . Преобразувателят може да бъде с датчик на Хол, с токов трансформатор или с резисторен делител. По-голямо приложение намират последните два вида поради своите по-добри качества. Токовите трансформатори са с феритна тороидална сърцевина, като проводника с измервания ток преминава през отвора на тороида, а паралелно на вторичната намотка се свързва резистор с малка стойност на съпротивлението, върху който се формира пад на напрежение , пропорционален на тока протичащ към консуматора. Използването на токов трансформатор в цифровия електромер е много удобно, тъй като позволява включването му към контролираната верига без прекъсване на силовите захранващи проводници (единият от проводниците се прокарва през отвора на магнитоправода) и същевременно премахва необходимостта от използване на мощни шунтови резистори, които при измерваните на практика токове биха имали твърде големи размери.

Резисторните делители представляват медни масивни пластини, в двата края на които се получава пад на напрежение пропорционално на измервания ток .

- широчинно-импулсен модулатор ИМ, който изработва правоъгълни импулси. Дължината на тези импулси зависи от нивото на входния сигнал , който от своя страна е пропорционален на консумирания в момента ток (фиг. 5.19 б). При увеличаване на стойността на консумирания ток (по-голяма амплитуда на ) дължината на импулсите нараства, при по-малка консумация – намалява. Импулсният модулатор се състои от еднопътен изправител, който пропуска само положителната полувълна на входния сигнал и ограничител по амплитуда на получения импулс с период . Изходът на ИМ се използва като разрешаващ сигнал за работата на генератора на импулси ГИ и по този начин при по-голям коефициент на запълване (по-голяма консумация на електрическа енергия) след генератора излизат по-голям брой импулси, а при по-малко запълване, по-малък брой импулси.

- генератор на импулси ГИ със стабилизация по честота. Честотата на импулсите (съответно ) е строго постоянна и е значително по-голяма от честотата (съответно ) на входното напрежение , което е пропорционално на консумирания ток . Генераторът се отпушва само при постъпване на импулс от импулсния модулатор. При по-голяма дължината на импулса на изхода се получават по-голям брой импулси с честота .

- честотен делител ЧД за намаляване на честотата с необходимия коефициент. Тъй като честотата на импулсите, с които се отчита консумираната електрическа енергия е значително по-малка от честотата на импулсите след генератора, се налага включването на поредица от последователно свързани делители на честота след генератора на импулси.

- брояч на импулси Б, на изхода му се формира и запаметява код с подходяща бройна система, който съответства на постъпилите на входа му единични импулси;

- дешифратор ДШ за преобразуване на работния код (двоичен или двоично-десетичен) в комбинация от цифрови сигнали за управление на цифровия индикатор;

- цифров индикатор ЦИ, чрез който стойността на измереното напрежение се представя с десетично число.

Разработени са както еднофазни електромери, така и трифазни електромери за активна и реактивна енергия, които могат да бъдат еднотарифни, двутарифни и тритарифни. Схемите на свързване на цифровите електромери към електрическите вериги са същите както при индукционните електромери.

В цифровите електромери е предвиден импулсен изход или инфрачервен порт с цел да може електромера да се включи към Система за автоматично отчитане (AMR). AMR позволява електромерите да бъдат отчитани дистанционно чрез радио, мрежа за връзка или телефонна линия.
5.3. Електроннолъчев осцилоскоп

5.3.1. Устройство и принцип на работа на електроннолъчевия осцилоскоп

Електроннолъчевият осцилоскоп се използва за наблюдение и измерване на моментни стойности и изменението на електрически величини. Чрез подходящи преобразуватели може да се измерване и неелектрически величини. Осцилоскопът е най-универсалният електронен измервателен уред. Практически той е безинерционен уред.

На фиг. 5.20 е показана опростена блокова схема на електроннолъчев осцилоскоп. Електроннолъчевата тръба (ЕЛТ) 1 е основна част на осцилоскопа и представлява преобразовател на напрежение в отклонение на електронен поток (лъч). Тя се състои от херметически затворена стъклена тръба със специална форма. В нея е създаден вакуум и са разположени електроди, които генерират и управляват електронен лъч, попадащ върху специален екран 2. Екранът може да е сферичен или плосък. От вътрешната страна е покрит с луминифор. Когато върху него попадне електронния лъч, той свети. Цветът на светенето зависи от състава на покритието. Зелено светене се наблюдава при покритие от цинков сулфид (ZnS). Синьото и виолетовото светене на екрана (калциев-волфрамов окис CaWO₄) осигуряват висока чувствителност при фотографиране.

фиг. 5.20

Електронният поток се създава от катода 6, който се нагрява от отоплителна верига. Катодът 6 е обхванат от цилиндричния електрод 5 с малък отвор (Венелтов цилиндър), на които се подава отрицателно спрямо катода напрежение. Чрез регулиране на това напрежение с потенциометъра R₁ се променя интензивността на електронния лъч и яркостта на неговата следа върху екрана 2. Фокусиращият анод 4 представлява цилиндър, в който са разположени две или три диафрагми. На него се подава напрежение от 300 до 500 V, а на ускоряващия анод 3 – напрежение от 2 до 5 kV. Чрез потенциометъра R₂ се изменя напрежението на анод 4, което осигурява добро фокусиране на образа на лъча върху екрана на осцилоскопа. Електронният лъч, ускорен от напрежението на електрода 3 преминава през двете двойки управляващи електроди и , отклоняващи лъча във вертикална посока и в хоризонтална посока съответно. Електроните, които бомбардират екрана 2, избиват от него вътрешни електрони, които трябва да се отстраняват от тръбата. Те се отвеждат чрез проводим за електроните графитен пласт (аквадаг), разположен по страничните стени на тръбата и е електрически свързан с ускоряващия анод 3.

В основен режим на работа към хоризонтално отклоняващите електроди от генератора за развивка се подава отклоняващо напрежение с трионообразна форма u_Р (фиг. 5.21), а на вертикално отклоняващите електроди се подава изследваното напрежение. Ако периодът на изследваното напрежение е кратен на периода на напрежението на развивката u_Р, върху екрана ще се получи фигура, която съответства на формата на изследваното напрежение (неподвижен образ на n периода на входния сигнал ).

В случай, че изследваното напрежение е подадено на вертикално отклоняващите електроди , а напрежението на развивката u_Р не е включено към хоризонтално отклоняващите електроди лъчът ще се движи непрекъснато нагоре – надолу около изходното си положение (при променливо напрежение). Поради послесветенето на тръбата и инертността на възприемане на човешкото око трептящият лъч се вижда като една вертикална отсечка, чийто размер зависи от амплитудата на изследваното напрежение и чувствителността на тръбата във вертикална посока.

фиг. 5.21

Времето (периода) на развивката е , а честотата - .

Напрежението на развивката в генератора се получава с помощта на схеми, в които се използва принципът на зареждане и разреждане на кондензатор. Времето за зареждане на кондензатора определя времето на правия ход на лъча, а времето за разреждане – времето на обратния ход на лъча. Основното изискване което трябва да изпълняват генераторите за развивка е да имат линейно напрежение в продължение на времето . Нелинейното напрежение на развивката във времето води до изкривяване на изследвания сигнал върху екрана на осцилоскопа.

Важен параметър на електроннолъчевата тръба е продължителността на послесветенето. То се определя като време през което яркостта на светенето в момента на прекратяване действието на електронния лъч се намалява до 1% от яркостта на светенето при действието на лъча. В зависимост от продължителността на това време се различават осцилоскопи с кратко (под 0,01 s), средно (до 0,1 s) и продължително (по-голямо от 0,1 s) послесветене. По-голямата продължителност на послесветенето облекчава наблюдението на бавно изменящи се периодични процеси.

В състава на електроннолъчев осцилоскоп влизат усилватели за хоризонтално и вертикално отклонение, които служат за усилване на измерваното напрежение. Поради ниската чувствителност на тръбата при изследване на напрежения с малка стойност се извършва тяхното предварително усилване. За тази цел се използват основно усилватели за постоянен ток, към които се поставят следните изисквания: възможно по-голям коефициент на усилване и неговата неизменност в целия диапазон на работните честоти, минимално изкривяване на входното напрежение и голямо входно съпротивление. Плавното и стъпалното регулиране на усилването се осъществява с потенциометри и образцови стъпални делители на напрежение, включени в съответните канали на осцилоскопа. Входните делители на напрежение са комбинирани (RC вериги) и са необходими за избора на чувствителността на усилвателите. Чрез тях се снема пад на напрежение кратно на 10. Те трябва да имат по-голямо съпротивление и минимален капацитет, а също и постоянен коефициент на деление за целият честотен диапазон на съответния канал на осцилоскопа.

Образът на екрана е неподвижен, ако отношението между честотите на изследвания сигнал и разгъващото напрежение е рационално число. При нарушаване на това условие образът започва да се движи в хоризонтално направление по произволен начин. Това явление се избягва чрез блока за синхронизация (не е показан на фиг. 5.20), който принудително задейства генератора за развивка малко преди началото на правия ход. За целта се формират краткотрайни импулси, като се използва входния сигнал (вътрешна синхронизация), външно напрежение (външна синхронизация) или мрежово напрежение.

В захранващия блок мрежовото напрежение 220 V, 50 Hz се преобразува в постоянно напрежение, стабилизира се и се използва за захранване на останалите блокове на електроннолъчевия осцилоскоп.

Основни показатели на качествата на осцилоскопа са:

- номиналните коефициенти на отклонение (номинални константи за напрежение);

- входен импеданс;

- максимална скорост на развивката;

- честотен обхват.

Номиналните коефициенти на отклонение се определят с изразите:

(5.31) и ,

където и са максималните стойности на напреженията, предизвикващи отклонения от лъча и във вертикално и хоризонтално направление. Константите имат размерност μV/дел., mV/дел. и V/дел. Тези константи са нанесени на делителите на напрежение, включени в съответните канали на осцилоскопа. В някои случаи се работи с реципрочните стойности на константите, които дефинират чувствителността на осцилоскопа.

Максимална скорост на развивката се определя от коефициентите на развивка (константи за време), които са нанесени на стъпалния превключвател на развивката и са валидни при определено положение на плавния регулатор. Те имат размерност μs/дел., ms/дел. и s/дел.

Входовете на осцилоскопа са несиметрични, т.е. винаги едната клема на входните усилватели (Y или X) е свързана към корпуса. Входните импеданси са високи (от 0,5 до 2 МΩ) и се представят с паралелно свързани активно съпротивление и капацитет.

Честотният обхват на осцилоскопа се отнася главно за вертикалния канал, тъй като хоризонталния канал има по-малки честотни възможности. Ограничава се от най-ниската и най-високата честота, за които честотната грешка по отношение на средните честоти не надвишава определена стойност. Производителите на осцилоскопи използват и параметъра честотна лента на пропускане, т.е. граничните честоти, при които коефициентите на отклонение намаляват с 3 dB (около 30% ).

В измервателната практика са намерили приложение различни видове осцилоскопи: еднолъчеви, двулъчеви, импулсни и др.

При импулсните запомнящи осцилоскопи развиващото напрежение (фиг. 5.21) има голямо време , като пускането на генератора за развивка е синхронизирано с началото на следвания импулс (така наречената чакаща синхронизация). Освен това техните екрани имат допълнително диелектрично покритие, което осигурява достатъчно дълго послесветене на образа. Използват се при изследване на еднократни процеси, например непериодични импулсни сигнали.

За едновременно измерване на няколко напрежения се използват най-вече двулъчеви осцилоскопи. Те имат аналогична електронна схема на еднолъчевите. В една електроннолъчева тръба на такъв осцилоскоп са монтирани две несвързани електронно-оптични системи създаващи два електронни лъча, преместващи се по един екран. Принципът на работа на двулъчевия осцилоскоп е аналогичен на принципа на работа на еднолъчевия.

Съвременните осцилоскопи са комплектувани с редица спомагателни устройства (за фотографиране, за дистанционно управление и други), повишаващи техните експлоатационни възможности.

От принципа на работа на електроннолъчевата тръба следва, че осцилоскопите са измервателни уреди, чувствителни към напрежение. Следователно, всички електрически и неелектрически величини, които може да се преобразуват в напрежение може да бъдат измерени.

За да се определи големината на даденото напрежение трябва да се знае номиналния коефициент на отклонение на лъча във вертикално направление (5.31) в μV/дел., mV/дел. и V/дел.

Максималната стойност на измерваното напрежение се определя с израза:

(5.32) V,(μV, mV) ,

а ефективната стойност ще бъде:

(5.33) V,(μV, mV).

За удобство по време на отчитането на , генераторът на развивка може да се изключи, при което осцилограмата се редуцира до вертикална отсечка с дължина .

Точността на осцилоскопите при измерване на напрежения е по-ниска от тази на волтметрите. Въпреки това при изследване на преходни процеси и деформирани напрежения в импулсната техника се предпочита използването на електроннолъчев осцилоскоп.