Принцип дії інтегруючого вольтметра В 7-27

Цифрові інтегруючі вольтметри є найбільш точними приладами для вимірювання напруг постійного та змінного струмів завдяки високим коефіцієнтам придушення перешкод нормального виду. Перешкода нормального виду це змінна напруга промислової частоти f= 50 Гц, яка накладається на сигнал вимірювальної інформації.

Реальна часова діаграма напруги на вхідних затискачах вольтметра, приєднаного до джерела вимірюваної постійної напруги U_x, показана на рис.5.2.

Для зменшення дії U_mn перешкоди у цифрових вольтметрах інтегруючого типу використовується засіб двотактного інтегрування.

Інтегратор – це операційний підсилювач з конденсатором в колі зворотного зв’язку. Напруга на виході інтегратора змінюється по лінійному закону.

(2)

де U_mn, ω- амплітудне значення та кутова частота напруги перешкоди;

U_xсер – середнє значення напруги U_x за час Δt_інт.

Якщо Δt_інт= T∙m (m =1,2,3..), а Т = 1/f, то

, (3)

(визначений інтеграл від періодичної функції за період дорівнює нулю), вплив напруги перешкоди буде зведений до нуля та U_xсер = U_x . Цифрові вольтметри інтегруючого типу вимірюють середнє значення вхідної напруги U_сер за деякий фіксований інтервал часу Δt_інт.

Спрощена структурна схема і часові діаграми, що пояснюють роботу такого вольтметра, показані на рис.5.3(а).

Умовні позначення:

ВП – вхідний пристрій; АЦП – аналого-цифровий перетворювач; I – інтегратор; ПП – порівнювальний пристрій; ПК – пристрій керування; ГІСЧ – генератор імпульсів стандартної частоти; ДШ – дешифратор; К₁, К₂, К₃ – ключі; Тр –тригер; Л – лічильник(підрахунковий пристрій); ЦД – цифровий дисплей (відліковий пристрій).

Вхідний пристрій складається з вхідного подільника, що забезпечує необхідний коефіцієнт передачі в залежності від величини вимірювальної напруги, та підсилювача для забезпечення високого вхідного опору та малих вхідних струмів вольтметра.

При відсутності сигналу вимірювальної інформації аналогові ключі К₁ і К₂ і логічний ключ К₃ розімкнені. На початку циклу вимірювання вихідним сигналом пристрою керування ПК ключ К₁ переводиться в стан „замкнуто” і перебуває в цьому стані на протязі фіксованого інтервалу часу Δt₁= Δt_інт. Через ключ К₁ на вхід інтегратора І на протязі Δt₁ подається вимірювальна напруга U_х.(рис.5.3.б). Інтервал Δt₁ являється першим тактом інтегрування (пряме інтегрування). Початок команди „пряме інтегрування” синхронізоване з напругою мережі. При позитивній полярності U_х΄ напруга на виході інтегратора І під час першого такту лінійно зменшується (рис.5.3.г).

(4)

Такт прямого інтегрування Δt₁ визначається кварцовим генератором Δt₁ = m∙T (для даного вольтметра Δt₁ = 80 мкс).

При t = Δt₁ пристрій керування видає команду „кінець прямого інтегрування”, ключ К₁ переводиться в стан „розімкнуто”, а ключ К₂ и К₃ через тригер переходять в стан „замкнуто”. Через замкнутий ключ К₂ при t = t₁ на інтегратор подається напруга U₀, полярність якої протилежна полярності U_х (рис.5.3.в). Через відкритий ключ К₃ проходять імпульси від

генератора стандартної частоти на лічильник (Л). Інтегрування U₀складає другий (зворотний) такт інтегрування, на протязі якого вихідна напруга інтегратора І лінійно збільшується (рис.5.3.г).

(5),

В момент t = t₂, коли вихідна напруга інтегратора U₁ буде дорівнювати нулю, порівнювальний пристрій ПП посилає сигнал на тригер, в результаті чого розмикаються ключі К₂ і К_3. Зворотне інтегрування закінчено.

Тривалість другого такту інтегрування визначається з умови:

(6)

Ураховуючи (1), (2), (3), (4), (5), одержимо:

U₀∙(t₂ – t₁) = U_хсер ∙Δt₁; якщо Δt₂ = t₂ – t₁; (7);

частота імпульсів ГІСЧ f₀, то , а число імпульсів N, записане у лічильнику за час зворотного інтегрування (рис.5.3, д)

, або . (8)

Приймаючи до уваги, що Δt₁,U_{0 ,}Т ₀ – постійні величини

, де (9)

Тобто число імпульсів N пропорційне вимірюваній напрузі.

Двійковий код числа N, підрахований лічильником імпульсів перетворюється дешифратором ДШ в десятковий код і висвічується на цифровому дисплеї.

2. Вимірювання електричних і неелектричних величин із застосуванням ЦВП.

2.1. Вимірювання частоти синусоїдного сигналу.

Вимірювання частоти синусоїдного сигналу і перевірка електромеханічного частотоміра, встановленого на лабораторному стенді, виконується в такому порядку:

а) зібрати схему, приведену на рис.5.4.

б) зробити перевірку працездатності частотоміра Ч3-32. Подати вхідний сигнал вимірюваної частоти з роздільного трансформатора 220/12 В на гніздо входу „A” („ВХОД А“ дозволяє вимірювати частоту від 0,1 Гц до 10 МГц);

в) встановити перемикач „РОД РАБОТЫ” в положення „f”;

г) встановити час індикації в положення, зручне для відліку показань;

д) встановити перемикач „ВРЕМЯ ИЗМЕРЕНИЯ” в одне з положень „0,001 с-100 с” в залежності від необхідної точності (для частоти 50 Гц – 10 с);

е) встановити тумблер скидання в положення „АВТОМАТ” або „РУЧН. ВНЕШН.” в залежності від режиму управління роботою частотоміра;

і) встановити тумблер „ГЕНЕРАТОР” в положення „ВНУТР.”, або „ВНЕШН.” в залежності від того, який генератор використовується при вимірюванні.

Показання цифрового і електромеханічного частотомірів записати в табл. 5.1. За даними вимірювань обчислити похибки частотомірів.

Основна відносна похибка цифрового частотоміра визначається за формулою (1), а електромеханічного частотоміра за формулою:

, (10)

де Δf –абсолютна похибка;

f_max – кінцеве значення діапазону вимірювань електромеханічного частотоміру.

Таблиця 5.1

Результати вимірювання частоти мережі

№ п /п	Час рахунку, с	Показання приладів	Похибки електромеханічного частотоміра	Відносна похибка цифрового частотоміра, %
електромеханічного частотоміра, Гц	цифрового частотоміра Гц	абсолютна, Гц	відносна, %
...

2.2. Вимірювання частоти високочастотних сигналів.

У роботі використаний частотний перетворювач ПГ, призначений для перетворення кутових або лінійних переміщень в пропорційну зміну частоти сигналу змінного струму. Індуктивний датчик ПГ перетворює кутове чи поступальне переміщення плунжера в індуктивність, яка в електронному блоці (двокаскадний підсилювач) перетворюється в частоту з допомогою автогенератора, частотозадаючим елементом якого є квазирезонансне RC-коло. Амплітуда вихідного сигналу перетворювача U_вих = (1,2 – 2) В на всьому діапазоні частот.

Частотний сигнал перетворювача може бути використаний для подачі на вхід інтегруючих пристроїв, для введення інформації в різні пристрої цифрової автоматики, в керуючі або обчислювальні машини.

Зібрати схему (рис 5.5).

Змінюючи кут повороту aчастотного перетворювача ПГ виміряти частоту на його виході при двох положеннях перемикача „час рахунку” цифрового частотоміра. Обчислити відносну похибку вимірювання і зробити висновки про вплив часу вимірювання на похибки. Дані вимірювань зане сти в таблицю 5.2.

Таблиця 5.2

Результати вимірювань високочастотних сигналів

α	Час рахунку 0,1 с	Час рахунку 1 с
f	δ	f	δ
град	Гц	%	Гц	%
1. 2. 3. 4.

2.3. Вимірювання напруги.

Зняти залежність вихідної напруги диференціально-трансформаторного перетворювача (ДТП) від переміщення мікрогвинта.

Принцип роботи ДТП.

Первинна обмотка ДТП з незамкненим магнітним колом вмикається до джерела синусоїдальної напруги. Вторинна обмотка складається з 2 секцій, які увімкнуті зустрічно. При симетричному положенні осердя відносно секцій вторинної обмотки електрорушійна сила на вихідних затискачах дорівнює нулю. При переміщенні осердя в секціях вторинної обмотки індукуються різні е.р.с. і на вихідних клемах виникає сигнал. Такий ДТП використовується для перетворення неелектричних величин (відстань, тиск, зусилля) в електричні.

Зібрати схему (рис.5.6). Виміряти напругу на виході ДТП в залежності від переміщення мікрогвинта. Довжину l, при якій вихідний сигнал знижується до нуля, визначити за допомогою електронного осцилографа С1-1.

Дані занести в таблицю 5.3.

Табл. 5.3

Результати вимірювання напруги при переміщенні мікрогвинта

l, мм
U, В
δU,%

Порівняти покази вольтметрів електромагнітної системи і В7-27, зробити висновки. Побудувати залежність U = f(l). Обчислити похибки цифрового вольтметра.