§13. Электронные аналоговые приборы и преобразователи

Электронные аналоговые приборы и преобразователи — СИ, в которых преобразование сигнала измерительной информации осуществляется с помощью электронных устройств. Выходной сигнал таких СИ является непрерывной функцией входного сигнала.

Такие СИ используются, в частности, для измерения любых электрических величин: тока, напряжения, сопротивления и т.п.

Достоинства

1. Высокая чувствительность — достигается за счет электронных схем, как правило, операционных усилителей.

2. Широкий диапазон измеряемых значений.

3. Малое потребление из измерительной цепи.

4. Широкий частотный диапазон измерительных сигналов.

Среди электронных аналоговых измерительных преобразователей широкое распространение получили преобразователи с унифицированным выходом (выходным сигналом):

Действительно, поскольку число n измерительных преобразователей в информационно-измерительной системе может быть весьма большим, измерительные каналы удобно делать унифицированными — выдающими сигнал одного вида.

 Унифицированные сигналы:

1. по напряжению: 0 ÷ 10 В;

2. по току: 0 ÷ 5 мА. 

Если такие унифицированные сигналы снимают с выхода датчиков, то все, что идет далее по измерительному тракту, может быть совершенно одинаковым. Следовательно, и обрабатывается одинаково. Это означает существенное удешевление измерительной системы.

§13.1. Электронные аналоговые вольтметры

Структура

электронная входная цепь

+

магнитоэлектрический измерительный механизм

Характеристики

1. Высокая чувствительность.

2. Широкий диапазон измеряемых напряжений: от десятков нановольт (на постоянном токе) до десятков киловольт.

3. Высокое входное сопротивление:

R_вх > 1 МΩ

4. Широкий диапазон частот:

= (постоянный ток) ÷ сотни МГц

5. Класс точности:

1,0 ÷ 4,0.

Рассмотрим следующие виды электронных аналоговых вольтметров.

1. Вольтметры постоянного тока.

На приведенной схеме ВД — входной делитель, УПТ — усилитель постоянного тока, ИМ — измерительный механизм (магнитоэлектрический).

Отклонение стрелки вольтметра α равно

,

где k_ВД — коэффициент преобразования входного делителя, k_УПТ — коэффициент преобразования усилителя постоянного тока, S_U — чувствительность по напряжению.

Входной делитель масштабирует входной сигнал, УПТ — обеспечивает высокое входное сопротивление.

Замечание. УПТ с высоким k_УПТ построить можно, но это резко снизит точность измерений. Поэтому на практике k_УПТ  1.

Описанная структура используется для милливольтметра (минимальный измерительный сигнал 10 мВ). Для измерения меньших напряжений используется структура М–ДМ (модулятор-демодулятор) для УПТ:

На приведенной схеме М — модулятор, ДМ — демодулятор, Г — генератор, У_~ — усилитель переменного тока, ИМ — измерительный механизм.

В качестве М и ДМ используются электронные аналоговые ключи.

Для этой схемы u_вых = ku_x, k ≤ 10⁵.

Недостатком является то, что схема зависит от полярности входного сигнала.

2. Вольтметры переменного тока.

Существуют 2 схемы:

(I)

(II)

На этих схемах Пр — преобразователь переменного тока в постоянный, У_~ — усилитель переменного тока, ИМ — измерительный механизм.

Вольтметры типа I имеют широкий частотный диапазон: 10 Гц ÷ 1 ГГц, но невысокую чувствительность.

Вольтметры типа II обеспечивают бóльшую чувствительность, но верхняя граница частотного диапазона снижается до 10 МГц.

В зависимости от типа преобразования переменного тока в постоянный, выделяют вольтметры амплитудных значений, вольтметры средних значений и вольтметры действующих значений.

Вне зависимости от типа преобразования, шкала вольтметров переменного тока градуируется в действующих значениях синусоидального напряжения.

Преобразователи амплитудных значений (пиковые детекторы)

1. Пиковый детектор с открытым входом

Схема:

Время заряда конденсатора

,

время разряда

.

Недостатком данной схемы является то, что при наличии постоянной составляющей входного сигнала, она проходит на выход:

2. Пиковый детектор с закрытым входом

Схема:

Показания прибора равны

Преобразователи средних значений

Показания прибора равны

3. Универсальные вольтметры:

4. Импульсные вольтметры — используются для измерения амплитуды импульсных всплесков с характеристиками:

   1. длительность импульса τ = 10 ÷ 100 нс;

   2. скважность θ = T/τ до 10⁹ (T — период сигнала).

5. Селективные вольтметры — предназначены для измерения действующего значения в некоторой полосе частот или действующего значения отдельных гармоник переменного входного сигнала.