4.4 Електростатичні прилади

В цих приладах обертовий момент утворюється внаслідок взаємодії двох або і більше заряджених електродів, розділених діелектриком, як правило – повітрям. Шкала приладів рівномірна за винятком початкової частини (див. додаток 11).

Основні властивості: придатність як для постійної так і для змінної напруг, незалежність показів від форми кривої, зовнішньої температури і зовнішніх магнітних полів; широкий частотний діапазон (до 5...14 МГц); дуже мале власне споживання; мала чутливість. Використовуються в переносних і щитових вольтметрах діючого значення напруги.

4.5 Термоелектричні прилади

Т ермоелектричні прилади мають механізм, який являє собою сполучення гальванометра магнітоелектричної системи з термоперетворювачем, який складається з нагрівача і термопари (рис. 4.3), змінний струм І~ протікає по нагрівачу 1, який виділяє тепло. Це тепло нагріває місце спаю 2 термопари. На холодних кінцях термопари утворюється термо-ЕРС Е_т і в гальванометрі виникає струм.

Ці прилади використовують переважно для вимірювань змінних струмів високої частоти до 25 МГц і їх покази не залежать від форми кривої струму. Основний недолік – висока чутливість до перевантаження. Вони витримують перевантаження по струму приблизно в 1,5 рази.

Основні характеристики приладів різних систем наведені в додатках 12 і 13.

4.6 Цифрові вольтметри

Принцип дії цифрового вольтметра (або вольтметра дискретної дії) полягає у перетворенні вимірюваної напруги в електричний код, який надходить на цифровий індикатор. У відповідності з цим спрощена структурна схема цифрового вольтметра (рис. 4.4) складається із вхідного пристрою ВП, аналого-цифрового перетворювача АЦП і цифрового індикатора ЦІ.

Вхідний пристрій призначений для зміни масштабу вимірювання напруги U_х, фільтрування перешкод і, при вимірюванні змінної напруги, - для її перетворення у постійну. У відповідності з призначенням вхідний пристрій складається з атенюатора (дільника напруги), підсилювача, фільтра нижніх частот, перемикача полярності. У вольтметрах для вимірювання напруг змінного струму є перетворювач (випрямляч), як правило, середньо випрямленого значення. В більш досконалих вольтметрах тут же здійснюється автоматичний вибір полярності і діапазону вимірювань.

Конкретна схема цифрового вольтметра визначається видом аналого-цифрового перетворювача. Часто застосовуються вольтметри з часово-імпульсним і частотним перетворенням, з подвійним (двотактним) інтегруванням, порозрядним зрівноваженням.

Принцип роботи цифрових вольтметрів з часово-імпульсним перетворенням полягає у перетворенні вимірюваної напруги U_x в пропорційний інтервал часу t_x, який вимірюється кількістю імпульсів, що заповнюють цей інтервал і мають стабільну частоту повторення.

ГЛН- генератор лінійної напруги; ПП1,ПП2- пристрої порівняння;

К-ключ; ГЛІ- генератор лінійних імпульсів з періодом; Л- лічильник; ДШ- дешифратор; ЦВП- цифровий відліковий пристрій;

U_k - компенсуюча напруга.

Ч исло імпульсів, що надійшло на лічильник визначають як оскільки U_k=αt_x (коефіцієнт перетворення) відоме, то

де - період надходження лічильних імпульсів.

ЦВП час-імпульсного перетворення з генератором лінійної напруги відзначаються простотою практичної реалізації і значною швидкістю перетворення. Основна зведена похибка таких ЦВП=0,05-0,1 % і визначається, головним чином, нелінійністю U_k й нестабільністю частоти f_o тобто T_o.

Принцип дії цифрового вольтметра з частотним перетворенням полягає у перетворенні вимірюваної напруги в пропорційну їй частоту повторення імпульсів, яка вимірюється цифровим частотоміром.

Принцип роботи цифрових вольтметрів з порозрядним зрівноваженням полягає в порівнянні вимірюваної напруги із сумою дискретних значень зразкових напруг, які виробляються цифроаналоговим перетворювачем, з певними вагами, наприклад, 1-2-4-8 або 1-2-4-4.

Принцип роботи цифрового вольтметра з подвійним (двотактним) інтегруванням подібний до принципу часово-імпульсного перетворення, але має відмінність у тому, що тут утворюються два часових інтервали протягом циклу вимірювання, тривалість якого встановлюється кратним періоду перешкоди. Таким чином визначається середнє значення вимірюваної напруги, а перешкода послаблюється. Інтегруючі цифрові вольтметри відзначаються доброю завадостійкістю, малою похибкою вимірю­вання, але мають порівняно невисоку швидкодію. У вольтметрі В7-38 перетворення напруги в часовий інтервал здійснюється методом подвійного інтегрування. Структурна схема вольтметра дискретної дії з подвійним інтегруванням зображена на рис. 4.7.

Вимірювана напруга U_x через вхідний пристрій ВП і ключ S1 надходить на інтегратор. Напруга на виході інтегратора зростає, селектор відкритий, і імпульси з генератора імпульсів надходять на лічильник. Це відбувається до повного заповнення лічильника: N₀=N_max. Тривалість цього такту становить Т₁. Напруга на конденсаторі інтегратора набуває значення:

(4.1)

Рис. 4.7. Структурна схема цифрового інтегруючого вольтметра.

Імпульс переповнення лічильника переводить його в нульовий стан і під’єднує з допомогою ключа S1 на вхід інтегратора джерело опорної напруги U_о, причому його полярність обернена полярності U_x. За деякий час Т₂= t₂ –T₁ конденсатор розрядиться. В момент рівності нулю напруги на конденсаторі, індикатор нуля напруги закриє селектор. Імпульси в лічильник надходити не будуть. Оскільки конденсатор розрядився до нуля, то

, або (4.2)

За час Т₂ на лічильник пройде N імпульсів, причому

, (4.3)

де _імп. – період лічильних імпульсів;

f_імп – частота лічильних імпульсів генератора.

Враховуючи (4.2) і (4.3 ) , (4.4)

але , (4.5)

де N_о – максимальний об’єм лічильника.

Тоді (4.6)

Таким чином, відлік лічильника прямо пропорційний вимірюваній напрузі. Відлік не залежить від опору резистора R, ємності С і періоду _імп. На відлік впливає лише стабільність напруги зразкового джерела опорної напруги.

В даний час випускають спеціалізовані мікросхеми, які працюють по принципу подвійного інтегрування, на 3,5 десятих розряду з виходом для управління семисегментним рідкокристалічним індикатором типу ИЖЦ5-4/8 через схему узгодження. Вони об’єднують в собі всі описані вище функції. Наприклад мікросхема КР572ПВ5 (зарубіжний аналог, мікросхема серії 7106) виготовляється по технології КМОП. Вона містить (рис. 4.8) електронні ключі А1-А11, буферний операційний підсилювач DA1, який працює в режимі повторювача, операційний підсилювач DA2 – інтегратор, компаратор DA3 і цифрову частину, яка складається з тактового генератора G, логічного пристрою DD1, лічильника CT, регістра пам’яті RG і вихідного дешифратора DC. Ключі А1 – А11 включаються в визначеній послідовності логічних пристроїв DD1, працюючих сумісно з лічильником СТ.

C_зр

Рис. 4.8. Структура мікросхеми КР572ПВ5.

Схема працює по принципу подвійного інтегрування, яке широко застосовується в цифрових вимірюваних пристроях. Ідея методу подвійного інтегрування полягає в тому, що спочатку інтегруючий конденсатор заряджають чітко визначений період часу струмом, пропорційним вимірюваній напрузі, потім розряджають строго визначеним струмом до нуля. Час, на протязі якого проходить розряд конденсатора, виходить пропорційним вимірюваній напрузі. Цей час вимірюють при допомозі лічильника, вихідні сигнали якого подаються на індикатор. На виводи 30 і 31 мікросхеми подається вимірювальна напруга UВХ, на виводи 36 і 35 – зразкова UЗР.

Цикл вимірювання (рис. 4.9) складається з трьох фаз: інтегрування сигналу (ІНТ), розряду інтегруючого конденсатора (РІ) і автоматичної корекції нуля (АК). Кожній фазі відповідає певна комутація елементів мікросхеми, яка виконується за допомогою ключів на МОП-транзисторах А1 – А11. На рис. 4.8 написи біля ключів вказують фазу, протягом якої ключ замкнутий. Тривалість фази пропорційна періоду тактової частоти і точно задається лічильником СТ.

Рис. 4.9. Цикл вимірювання АЦП.

Протягом фази ІНТ, що триває 4000 періодів Т тактової частоти, вхідний сигнал через ключі A1, A2 і буферний підсилювач DA1 подається на вхід інтегратора DA2. Це викликає на конденсаторі СІНТ накопичення заряду, пропорційного по величині і відповідного по знаку прикладеній вхідній напрузі. Напруга на виході інтегратора DA2 змінюється з постійною швидкістю, пропорційною вхідному сигналу. Припустимо, що до моменту початку фази ІНТ заряди на конденсаторах СІНТ і САК і напруги зсуву нуля DA1 - DA3 рівні нулю. Оскільки вхідний струм інтегратора DA2 малий, зміна заряду на конденсаторі САК не відбувається, і він фактично не робить впливу на процес інтегрування. Конденсатор СЗР заряджений від джерела зразкової напруги до величини UЗР. В кінці фази ІНТ за допомогою компаратора DA3 визначається знак вхідної напруги по знаку напруги на виході інтегратора DA2. Чутливість компаратора DA3 така, що забезпечує правильне визначення полярності вхідного сигналу, навіть якщо сигнал складає частку одиниці відліку.

При роботі мікросхеми у фазі РІ вхідний сигнал на інтегратор DA2 не подається, до інтегратора DA2 через ключ А7, А8 або А6, А9 підключається конденсатор Сзр, заряджений до зразкової напруги і орієнтований по полярності так, щоб відбувався розряд СІНТ. Розряд триває до тих пір, поки конденсатор СІНТ не розрядиться повністю, тобто напруга на виході DA2 не стане рівною нулю. У цей момент підключений паралельно конденсатору СІНТ компаратор DA3 спрацьовує і припиняє фазу РІ. Заряд конденсаторів Сзр і САК практично не змінюється. Час розряду конденсатора СІНТ, який виражений числом періодів тактових імпульсів, і є результатом вимірювання, записаний в лічильнику СТ. Стан лічильника переписується в регістр RG, а потім перетвориться в сигнали семисегментного коду, які поступають на індикатор.

При знаку напруги на входах UBX, протилежному вказаному на рис. 4.8, сегмент G1 відображає знак "мінус". При перевантаженні на індикаторі залишається лише цифра 1 в старшому розряді і знак "мінус" (для негативної напруги). Фаза АК починається з припинення роботи лічильника, коли логічний пристрій DD1 включає ключі A3, А4 і А11. Утворена при цьому слідкуюча система, забезпечує заряд конденсаторів СІНТ і САК до напруги компенсуючої зсув нуля DA1 - DA3. Вона залишається незмінною протягом подальших фаз ІНТ і РІ. В результаті приведена до входу похибка через зсув нуля і його температурного дрейфу не перевищує 10 мкВ.

До складу мікросхеми входить тактовий генератор. Частота проходження його імпульсів визначається зовнішніми елементами Rг і Сг. Для подолання мережевих перешкод з частотами, кратними 50 Гц, частота повторення імпульсів повинна бути вибрана такою, щоб під час інтегрування, рівна 4000 періодам тактового генератора Т, укладалось ціле число К періодів мереженої напруги, рівних 20 мс.

Основними похибками інтегруючих вольтметрів є похибки внаслідок нелінійності інтегрування, кінцевого значення, смуги пропускання інтегратора та похибки квантування. Похибка внаслідок нелінійності інтегрування залежить від часу інтегрування і еквівалентної постійної часу інтегратора; кінцевої смуги пропускання інтегратора – внаслідок затримки початку зміни вихідної напруги інтегратора відносно часу комутації; квантування – похибка дискретності.