Анализ работы аналоговых и цифровых измерительных приборов

Определим общее сопротивление Rобщ;

Rобщ = Uизм  ⁄ Iн = 30  ⁄ 0,005 = 6000  Ом

Определим величину добавочного сопротивления  Rдоб ;

Rдоб = Rобщ  -  Rвн =  6000 – 25 = 5975 Ом

Рис. 7 схема подключения добавочного сопротивления для изм. напряжения.

10. Для измерения больших токов  совместно с ИМ используют трансформаторы тока. В этом случае  максимально измеряемый ток увеличится в К раз, где К- коэффициент трансформации.

11. Для измерения высоких напряжений совместно с ИМ используют понижающие трансформаторы. В этом случае  максимально измеряемое напряжение увеличится в К раз, где К- коэффициент трансформации.

Рис.8 схема включения ИМ совместно с понижающим трасформатором.

Задание 1.2

На основании исходных данных для вольтметра двойного интегрирования

              - количество разрядов прибора                       3

              - показания вольтметра, Ux , В              28.6   9,74

                   - номинальное напряжение вольтметра         50 10

                   - коэффициент скорости нарастания

                     линейного напряжения k. В/с                       12.5 (5,2)

                   - частота ГИСЧ   f 0 Мгц                                                        1  2,6

              - напряжение на выходе

                интегратора U0, В                                         0,624

              - интервал времени интегрирования

                входного напряжения Ти. с                           0,12

- составить структурную схему прибора и объяснить назначение его узлов;

- составить временную диаграмму работы основных узлов прибора;

- определить время измерения и число импульсов, прошедших на вход пересчётного устройства;

- вычислить относительную и абсолютную погрешности измерения  заданного значения измеряемой величины;

-первые два пункта выполнить для частотометра.

Решение.

Электронным вольтметром называется прибор, показания которого вызываются током электронных приборов, т. е. энергией источника питания вольтметра. Измеряемое напряжение управляет током электронных приборов, благодаря чему входное сопротивление электронных вольтметров достигает весьма больших значений и они допускают значительные перегрузки.

Рис. 9. Цифровой вольтметр с двойным интегрированием :

а – структурная схема; б – временные диаграммы

Структурная схема вольтметра и времен­ные диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на рис. 9.

Цикл измерения входного напряжения их состоит из двух отрезков времени: Т = Т1 + Т2. В начале цикла измерения при t =t0 управляющее устройство вырабатывает калиброванный импульс U'упр длительности

Т1 = ТоК, где То — период следования счетных импульсов; К — емкость счетчика. В момент появления фронта управляющего импульса U'ynp

ключ замыкается в положение 1, и с входного устройства на интегратор поступает напряжение U'x, пропорциональное измеряемому напряже­нию их.

Интегрирование напряжения U'x продолжается в течение интервала Т1) (на выходе интегратора формируется нарастающее напряжение Uи), по окончании которого при t = t\ управляющий сигнал U"упp переводит

ключ в положение 2 и на интегратор с источника образцового напряже­ния подается образцовое отрицательное напряжение Uион. Одновременно с этим управляющий сигнал U"np опрокидывает триггер. Интегрирова­ние напряжения Uион происходит быстрее, так как в схеме установлено 1Uион| > U'x- На выходе интегратора формируется спадающее напряжение Uи, причем длительность интервала интегрирования Т2 тем больше, чем выше амплитуда измеряемого напряжения U'x.

В момент времени t = t2 напряжение Uи на выходе интегратора стано­вится равным нулю и сравнивающее устройство (второй его вход соеди­нен с корпусом) выдает сигнал на триггер, возвращая его в исходное со­стояние. На его выходе формируется импульс UT длительностью T2, по­ступающий на вход схемы И. На другой ее вход подается сигнал Uгеи от генератора счетных импульсов. По окончании импульса, поступающего с триггера процесс измерения прекращается. На счетчике, а значит и на цифровом отсчетном устройстве, оказывается записанным число им­пульсов N (Uсч), пропорциональное уровню измеряемого напряжения их :

Это выражение приводит к следующим формулам:

Из последних формул получим:

Время tx поступления импульсов на вход ПУ определяется из условия:

или  

Отсюда

с

где - среднее за время tи значение входного напряжения.

Таким образом, число импульсов, зафиксированных отсчетным устройством ОУ за время tx,

, но  , откуда  

Получаем:

Как видно из приведенных соотношений, погрешность результата измерения зависит от одного уровня образцового напряжения . Основными источниками погрешностей вольтметров данного типа являются:

1.   погрешность задания напряжения источником опорного напряжения;

2.   нестабильность источника опорного напряжения;

3.   погрешность задания калиброванной длительности импульса;

4.   нестабильность опорной частоты;

5.   погрешность дискретизации.

 Кроме них еще существуют погрешность порога срабатывания сравнивающего устройства и погрешность, обусловленная наличием напряжения на корпусе прибора.

 Суммарная относительная погрешность интегрирующих вольтметров может находиться в диапазоне от 0,005 до 0,02 % в зависимости от типа вольтметра.

Достоинством прибора является хо­рошая помехозащищенность, так как прибор интегрирующий. На осно­ве приборов с двойным интегрированием выпускаются приборы с более высоким классом точности, чем приборы с ГЛИН.

Рассмотренный метод времяимпульсного преобразования с двойным интегрированием позволяет осуществить эффективную защиту от помех, измерять напряжения обеих полярностей, получать большое входное сопротивление прибора (не менее 10 МОМ), достаточно малую погрешность измерений ( младшего разряда счета). Существуют вольтметры трехтактного интегрирования, для которых характерно более высокое быстродействие.

Вычислим абсолютную и относительную  погрешности;

ΔА = Аизм – Ад = Ux-Uобр=9,74 – 10,0 = - 0,26             

γ0 = (ΔА ⁄ Аизм)∙100% = (- 0,26 ⁄ 9,74)∙100% = 0,026∙100%= 2,6 %.

    Частотомер предназначен для измерения частоты синусоидальных и частоты следования импульсных сигналов,  измерения периода синусоидальных и периода следования импульсных сигналов,  измерения длительности импульсов,  измерения отношения частот электрических сигналов,  выдачи сигнала опорной частоты.

Цифровые частотомеры (ЦЧ) прак­тически вытеснили все остальные виды частотомеров и занимают доминирующее положение в комплексе аппаратуры для частотно-временных измерений. Современные типы ЦЧ позволяют измерять fx, Тх, Δtx, отношение частот и нестабильность частоты. При комп­лектовании соответствующими преобразователями они превраща­ются в цифровые вольтметры  и мультиметры.

Боль­шинство типов ЦЧ являются приборами прямого преобразования, осуществляющими счет числа идентичных событий за определенный интервал времени измерения. В зависимости от значения этого ин­тервала (называемого иногда «временными воротами») можно вы­делить ЦЧ мгновенных значений, измеряющие fx за один период колебаний Тх (аналогичны неинтегрирующим ЦВ), и ЦЧ средних значений, измеряющие fx путем подсчета числа периодов Тх за ин­тервал времени измерения Та~>Тх и деления полученного числа на Ти (аналогичны интегрирующим ЦВ).

Несмотря на многофункциональность, современные ЦЧ могут быть охарактеризованы некоторой типовой структурной схемой и определенной номенклатурой параметров, позволяющей оценить их возможности как радиоизмерительных приборов.

Структурная схема цифрового частотомера показана на рис. 10, а. Напряжение измеряемой частоты fx про­извольной формы подается на вход усилителя-ограничи­теля УО, в котором оно преобразуется в прямоугольные импульсы напряжения той же частоты fx и подается на электронный ключ ЭК.

Рис. 10. Цифровой частотомер :

а – структурная схема; б – временные диаграммы

Ключ ЭК в нормальном состоянии разомкнут, но при подаче импульса напряжения дли-тельностью Т0 от датчика интервала времени ДИВ ключ ЭК замыкается и импульсы с выхода УО поступают на вход счетчика импульсов СчИ, в котором они подсчиты-ваются. По окончании импульса Т0 ключ ЭК размыка-ется, на выходных шинах СчИ формируется код N, соот-ветствующий количеству импульсов напряжения, прошед-ших на счетчик СчИ. Этот код подается на цифровое от-счетное устройство ЦОУ, где отображается в виде цифр, а также поступает на выход частотомера для передачи во внешние устройства.

На рис. 10, б показана временная диаграмма им­пульсов, действующих в схеме: на выходе УО (fx), на выходе ДИВ (Т0) и на входе СчИ.

Обозначим через tx период импульсов частоты fXy тогда количество импульсов N, прошедших на счетчик СчИ за время Т0, будет равно:

N = T0 /tx = TQ fx.

При постоянном и стабильном значении Т0 код N прямо пропорционален fx. Точность измерения частоты fx зависит от точности задания интервала То. Современные цифровые частотомеры в качестве датчика интервала времени содержат высокочастотный генератор, снабженный делителем частоты, на выходе которого и получают импульсы с периодом Т0. Стабильность частоты кварцевых генераторов очень высока — изменение частоты после ее подстройки не превышает 10-5 % за 10 дней, поэтому цифровые частотомеры позволяют измерять частоту и связанные с ней величины с очень высокой точностью, а отсчетные устройства частотомеров содержат до семи декад. Однако изменение частоты кварцевого генератора — не единственный источник погрешности цифрового частотомера. Другой составляющей погрешности является дискретность преобразования интервала времени Т0 в код N.

Рис. 9.17. Схема проявления погрешности дискретности при изме рении частоты.

а — погрешность дискретности отсутствует; б—погрешность дискретности равна + t х ;

в — погрешность дискретности равна —t х .

Эта погрешность проявляется в том, что при одних и тех же значениях Т0 и N значение fx может быть разным и находиться в некоторых пределах; на рис. 9.17, а показан случай, когда на Т0 укладывается точно N им­пульсов с периодом tx1; на рис. 9.17,6 на интервале Т0 укладывается такое же количество импульсов N, но пе­риод tx2>tx1; на рис. 9.17, в на интервале Т0 также укла­дывается N импульсов, но здесь tx3<tx1. Погрешность дискретности не превышает ±1 отсчета по цифровому от-счетному устройству, а ее относительное значение — не более tx / To=1/(Tofx). Таким образом, границы относи­тельной погрешности частотомера в процентах определя­ются выражением

±(δTo + 1/Tofx)•100,

где δTo — относительная погрешность задания интерва­ла Т0.

Используемая литература:

1.      «Метрология, стандартизация и сертификация» Учеб. пособие для студ. всех форм обуч. В 5 ч. Ч. 3 / В.Т. Ревин. - Мн.: БГУИР,  2004 г.

2.      «Электрические измерения»  Учеб. Пособие для вузов   Р.М Демидова-Панфёрова, Ю.Н. Евланов. Энергоатомиздат, 1985г.

3.      «Электрорадиоизмерения» А.С.Елизаров, Минск «Вышэйшая школа» 1986г.

4.      «Метрология и электро/радиоизмерения в телекоммуникационных системах», учеб. для студентов ВУЗов под. ред. профессора В.И.Нефедова, Москва «Высшая школа», 2001 г.

5.      «Электрические измерения (с лабораторными работами)», Под ред. доктора техн. Наук В. Н. Малиновского, М., Энергоиздат, 1982г.