Электронные измерительные приборы

ЛЕКЦИЯ 5

ТЕМА:-Электронные измерительные приборы

Структура электронных измерительных приборов

Электромеханические прибора для электрических измерений являются дополнительной нагрузкой для рабочей цепи, в которой выполняется измерение, что увеличивает погрешность измерения. Измерение токов и напряжений на высоких частотах с их помощью затруднительно, а, зачастую, невозможно. Электромеханические измерительные приборы не позволяют использовать полученную информацию для управления в автоматическом режиме. В системах автоматического управления используются электрические аналоговые или цифровые сигналы. Электронные измерительные приборы позволяют преобразовать аналоговый сигнал в цифровой код (дискретный сигнал), что позволяет применять их в установках с микропроцессорным способом управления. Использование датчиков, преобразующих неэлектрические величины в электрический сигнал, расширяет возможности технических измерений. Электронные измерительные приборы исключают ошибки измерений, связанные с оператором, время передачи информации от датчика до исполнительного органа, в автоматических системах сводится до времени обработки входного сигнала.

  Структурная схема электронного измерительного прибора представлена на Рис.1.

 

Рис.1. Обобщенная структурная схема электронного измерительного прибора

На приведенном рисунке пронумерованные квадраты являются функциональными блоками прибора. Пунктирной линией обведены блоки, входящие в электронный измерительный прибор, предназначенный для измерения чисто электрических параметров. Функциональное назначение блоков:

Рекомендуемые материалы

1. – датчик. Датчик может быть составной частью прибора предназначенного для измерения физического параметра, но может являться элементом технического или физического устройства. Основное назначение датчика – преобразование электрической или неэлектрической величины в электрический сигнал, пригодный для обработки электронным измерительным прибором. Более общее определение понятия датчик – преобразователь любой величины к виду, удобному для использования в практических целях, например, для измерения.

2. – аттенюатор. Аттенюатор является преобразователем уровня электрического сигнала.

3.  – нормирующий усилитель.

-25-

4 – преобразователь измеряемой величины в аналоговый сигнал или цифровой код.

5– регистр памяти

6– индикатор.

В структуру измерительного прибора могут входить дополнительные блоки, согласующие ее сигналы с другими устройствами.

 Описание работы электронного измерительного прибора.

Выбор режимов работы и последовательности операций, выполняемых функциональными блоками, задается блоком управления (на рисунке не показан), его устройство, и связь с функциональными блоками определяются конструкцией и назначением измерительного прибора.

Сигнал с датчика 1 или электрический сигнал, подлежащий измерению, поступает на аттенюатор 2, являющийся частотно независимым делителем напряжения.  Аттенюатор может быть выполнен в виде емкостного или резистивного делителя напряжения, а также в виде трансформатора тока или напряжения. Со стороны входа аттенюатор имеет высокое входное сопротивление, что обеспечивает хорошее согласование по напряжению между источником сигнала и измерительным прибором. Выходное сопротивление аттенюатора согласовано с водным сопротивлением нормирующего усилителя 3. Аттенюатор изменяет величину входного сигнала до уровня, при котором гарантируется работа прибора в номинальном режиме.

Назначение нормирующего усилителя 3 превратить форму входного сигнала в форму, доступную для обработки преобразователем 4 в код (аналоговый или цифровой).  Например: - в устройствах измерения частоты сигнала синусоидальной формы синусоидальный сигнал преобразуется в импульсный сигнал прямоугольной формы. Этот сигнал поступает на вход преобразователя измеряемой величины в код 4.

Преобразователь измеряемой величины в код 4 может быть выполнен по различным схемам. Чаще всего это аналого-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП преобразует значение аналоговой величины в цифровой код, который запоминается регистром 5. Регистр является устройством временного хранения информации в дискретной форме.

Регистр памяти хранит информацию в течение одного цикла операции измерения. Продолжительность цикла измерения задается устройством управления и условиями работы измерительной установки. В системах автоматического управления технологическими процессами циклы измерения могут задаваться внешними, по отношению к измерительному прибору, устройствами управления (многоуровневые системы управления). Информация , хранящаяся в регистре памяти 5, поступает на вход индикатора.

 Индикатором может служить дисплей любого типа, обеспечивающий возможность считывания оператором, параллельно с индикатором может быть включен вход устройства управления, или регистрирующие приборы.

Электронные приборы бесконтактного измерения тока

(Токовые клещи)

Измерительные приборы, позволяющие измерить силу тока в цепи, находящейся под рабочим напряжением используются для текущего контроля технологического оборудования. Для подключения таких приборов не требуется остановки оборудования и снятие напряжения питания, что позволяет уменьшить простои оборудования.

Токовые клещи состоят из разрезного магнитопровода, размещенного на изолирующей

-26-

штанге для защиты оператора от поражения током. С помощью штанги разрезной магнитопровод закрепляется на проводнике 1, в котором необходимо измерить силу тока.

Электрическая схема токовых клещей для измерения постоянного тока показана на Рис.2. Измерительные катушки W₁ и W₂ намотаны на двух разрезных сердечниках 2 и соединены встречно. Последовательно с катушками включен резистор R. Переменное напряжение на эту цепь подается с генератора. К резистору R параллельно подключен электронный вольтметр, отградуированный в единицах силы тока. Резистор R преобразует ток в напряжение. Электродвижущие силы самоиндукции, создаваемые обмотками W₁, W₂, при отсутствии тока в измерительной цепи равны друг другу. Ток по резистору R равен нулю. Протекание тока по проводнику 1 вызывает нарушение равновесия. Проводник 1 является обмоткой для обеих сердечников и, протекающий по нему ток, создает магнитный поток Ф, суммирующийся с переменными потоками, создаваемыми катушками W₁, W₂. Введение дополнительного постоянного магнитного потока изменяет магнитную проницаемость материала сердечника, и приводит к тому, что эдс самоиндукции катушки W₁ не уравновешивается эдс самоиндукции катушки 2. По цепи резистора R потечет ток, пропорциональный току в проводнике 1.

Рис.2. Электрическая схема  бесконтактного амперметра постоянного тока

Приведенная схема токовых клещей имеет ряд недостатков. Одним из таких недостатков является смещение нулевого уровня в отсутствие измеряемого тока, этот недостаток устраняется введением обмотки смещения, охватывающей оба сердечника. Амперметр может быть использован для измерения переменного тока, имеющего частоту много меньшую чем частота измерительного генератора. Максимальная частота генератора лимитируется свойствами материала сердечника (магнитопровода).

Амперметр на базе датчика Холла.

Для бесконтактного измерения силы тока в амперметрах можно использовать эффект Холла. Для реализации этого способа измерения необходим датчик Холла, состоящий из полупроводниковой пластины Рис.3. – 1, источника постоянного тока ИТ.

-27-

Рис.3.Принцип работы датчика Холла.

Помещаем датчик в однородное магнитное поле, напряженностью Н, ориентируя ее перпендикулярно верхней плоскости пластины. Пропускаем постоянный по величине ток от генератора стабильного тока – ИТ. По пластине полупроводника начинают двигаться электроны проводимости с постоянной скоростью. На движущийся электрон со стороны магнитного поля действует сила Лоренца , где – е – заряд электрона, Н – напряженность магнитного поля, v – скорость движения электрона. Эта сила отклоняет движущийся электрон к поверхности пластины Д. При разомкнутых контактах Г и Д, между ними возникает разность потенциалов. Эта разность потенциалов создает силу, препятствующую дальнейшему увеличению плотности смещенных зарядов.  Противодействующая сила определяется Кулоновским взаимодействием и равна, где – е – заряд электрона, Е – напряженность электрического поля. Разность потенциалов между пластинами Г и Д при равенстве сил Лоренца и Кулоновской принимается за эдс Холла. . Отсюда Е_Х= Е, можно определить по выражению , где l – длина полупроводниковой пластины. Видим, что эдс Холла прямо пропорционально зависит от напряженности магнитного поля.

Напряженность магнитного поля, создаваемого прямолинейным проводником, по которому протекает электрический, ток определяется формулой  - , где r – расстояние от центра проводника до точки, в которой вычисляется напряженность магнитного поля.

Можно поместить датчик Холла вблизи проводника с током, и, измерив, напряженность магнитного поля, определить силу тока в проводнике, однако, такой способ измерения неточен по двум причинам: - магнитное поле в плоскости пластины будет неоднородным, - расстояние от центра проводника замерить сложно. Избавиться от  этих трудностей позволяет размещение полупроводниковой пластины в зазоре кольцевого магнитопровода, как это показано на Рис.4. а). В этом случае магнитное поле, создаваемое проводником 2, по которому течет ток, замыкается по магнитопроводу 1, и определяется средним значением напряженности магнитного поля, не зависящей от положения проводника относительно оси магнитопровода.

-28-

Рис.4. Размещение датчика Холла в зазоре магнитопровода - а), - подключение датчика к цепям амперметра б).

Схема подключения датчика тока к цепям измерительного прибора показана на Рис.4. б). Контурной линией обведены входные цепи измерительного прибора, состоящие из генератора стабильного тока ИТ, электронного усилителя напряжения с коэффициентом усиления К. Выходное напряжение U_вых поступает на вход электронного преобразователя напряжения в аналоговый или цифровой код, который используется, в зависимости от назначения амперметра, для считывания результатов измерения или в цепях управления технологическими процессами.

Оценить величину выходного напряжения датчика Холла, показанного на Рис.4. позволяет связь величины эдс Холла с силой тока в проводнике -  U_вых = kI , где k – коэффициент, учитывающий конструктивные параметры собственно датчика Холла и коэффициент усиления усилителя К.. Характеристика датчика остается линейной, если сердечник работает на линейном участке петли гистерезиса ферромагнитного сердечника. Диапазон частот, в котором ферромагнитный материал не вносит искажений, также определяется свойствами материала сердечника. Датчики простейшего вида могут измерять силу тока до 10³ А, и при частотах до 10⁵ кГц.

Датчик, исключающий влияние потерь на перемагничивание и вихревые токи, приводящие к перегреву сердечника, показан на Рис.5.

-29-

Рис.5. Датчик тока с компенсацией магнитного поля в сердечнике (датчик Холла 1 условно вынесен за пределы магнитопровода).

В схеме на Рис.5 датчик Холла используется для создания обратной связи в усилителе. Эдс датчика, усиленная усилителем, поступает на обмотку W_К , содержащую N витков. Протекающий по катушке ток, создает магнитный поток Ф₂, направленный встречно магнитному потоку Ф₁ создаваемому измеряемым током. Напряженность Н магнитного поля, созданного компенсационной катушкой пропорциональна току обратной связи - НW_КI_ОС, и, равна напряженности магнитного поля, создаваемой измеряемым током. При выполнении этого условия сердечник датчика всегда работает при начальной магнитной проницаемости. Измеряемый ток определяется выражением -  

Диапазон измеряемых токов датчиками такого типа задается соотношением числа витков в измерительной и компенсационной обмотках, и распространяется от единиц А до сотен кА. Частотный диапазон измеряемых токов от 0 Гц до 300 кГц. Погрешность 1%. Форма измеряемых токов любая. Датчик имеет гальваническую развязку с цепью, в которой осуществляется измерение. Характеристика датчика линейная. Датчик устойчив к перегрузкам по току, что позволяет использовать его в условиях переходных процессов в электрической цепи. При измерении импульсных токов погрешность датчика возрастает, так как импульсный сигнал содержит гармоники, из – этого каждая гармоника вносит свой вклад не пропорциональный весу этой гармоники в спектре исследуемого сигнала.

Вопросы, рассмотренные в лекции:

- типовая структурная схема электронного измерительного прибора,

- использование бесконтактных методов измерения,

- применение эффекта холла для измерения токов.

Вам также может быть полезна лекция "21.4 Психобиологическая концепция И.Эйбл-Эйбесфельдта".

-30-

Основная литература

1. Паутов В.И., Секисов Ю.Н. Основы технических измерений. Конспект лекций. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2008. Электронная версия.

2. Миронов Э.Г. Основы метрологии. Учеб.пособие. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2000.

3. Лившиц Н.С., Телешевский Б.Е. Радиотехнические измерения. М., Высш. Шк., 1992.

4. Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб.пособие для вузов. / Под ред. Н.Н.Евтихиева. М.: Энергоатомиздат, 1990.