LEKCIJA_8

Лекция 8. Измерение напряжения постоянного тока

методом сравнения

В приборах для измерения напряжения постоянного тока широкое распространение получили следующие методы сравнения: компенсации и дифференциальный.

Метод компенсации основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого напряжения известным падением напряжения на опорном (измерительном) резисторе. Индикаторный прибор регистрирует равенство измеряемой и компенсирующей величин.

Для метода компенсации характерна высокая точность, определяемая точностью меры и чувствительностью индикатора. На этом методе основаны потенциометры, потенциометрические и интегропотенциометрические цифровые вольтметры.

При дифференциальном методе полного уравновешивания не происходит. Прибор измеряет разность между измеряемой величиной и мерой и отградуирован в единицах измеряемой величины. Измеряемая величина определяется по значению меры и показаниям прибора. Этот метод позволяет получить результаты с высокой точностью даже при применении относительно грубых средств измерения разности. Однако осуществление этого метода возможно только при условии воспроизведения с большой точностью меры, значение которой выбирается близким значению измеряемой величины.

Пусть значение измеряемого напряжения u_x записывается как , где u_обр — значение образцового напряжения (меры); — напряжение некомпенсации, измеряемое измерительным прибором; — погрешность измерения разности .

Так как u_обр значительно больше , то относительная погрешность измерения u_x значительно меньше относительной погрешности измерения . Если u_обр=9,9В, =0,1В, =0,01 (1%), тогда Таким образом, для достижения такой высокой точности можно применять сравнительно грубый прибор. Однако при этом измерении необходимо применять весьма точную меру u_обр, значение которой определено еще с меньшей (чем 0,01 %) погрешностью.

8.1. Потенциометры постоянного тока

Измерение тока и напряжения аналоговыми приборами непосредственной оценки производится в лучшем случае с погрешностью 0,1%. Более точные измерения можно выполнить методом компенсации. Приборы, основанные на компенсационном методе, называют потенциометрами или компенсаторами. В основном применяются схемы компенсации напряжения или ЭДС (рис. 8.1, а), электрического тока (рис. 8.1, б) и уравновешенного моста. При измерении напряжения наибольшее распространение получила схема компенсации напряжений (рис.8.1, а). В этой схеме измеряемое напряжение их уравновешивается известным напряжением компенсации u_k, противоположным ему по знаку. Падение напряжения u_k создается током I_p на изменяемом по величине образцовом резисторе R_K. Изменение сопротивления резистора R_K происходит до тех пор, пока u_k не будет равно u_x. Момент компенсации (уравновешивания) определяется по отсутствию тока в цепи индикатора И. Изменение напряжения компенсации u_k=I_pR_k можно осуществлять изменением сопротивления R_K при неизменном значении рабочего тока I_р.

Рис. 8.1. Структурные схемы компенсации постоянного напряжения (а) и тока (б)

Преимуществом компенсационного метода является отсутствие в момент полной компенсации тока от источника, измеряемой ЭДС в цепи компенсации. В этом случае измеряется именно значение ЭДС, а не напряжение на зажимах источника. Кроме того, отсутствие тока в цепи индикатора нуля позволяет исключить влияние сопротивления соединительных проводов на результат измерений. Выходное сопротивление компенсатора при этом равно бесконечности, т. е. при полной компенсации мощность от объекта измерения не потребляется.

Упрощенная принципиальная схема, лежащая в основе почти всех потенциометров постоянного тока, приведена на рис. 8.2. Она содержит три цепи: цепь образцовой ЭДС, в которую входят источник образцовой ЭДС Е_обр, образцовый резистор R_обр и индикатор И; рабочую или вспомогательную цепь, содержащую вспомогательный источник питания Е_в, регулировочный резистор R_р, магазин компенсационного сопротивления R_k и образцовый резистор R_обр; измерительную цепь, состоящую из источника измеряемой ЭДС Е_х, индикатора И и магазина компенсирующего сопротивления R_k.

Рис. 8.2. Упрощенная принципиальная схема потенциометра постоянного тока

Работа начинается с установки рабочего тока в рабочей цепи компенсатора с помощью вспомогательного источника Е_обр. Значение рабочего тока I_р контролируется по ЭДС образцового нормального элемента. Для этого при положении 1 переключателя П с помощью реостата R_p устанавливается такое значение I_р, чтобы падение напряжения, создаваемое им на резисторе R_обр, было равно ЭДС нормального элемента Е_обр. При компенсации И покажет отсутствие тока в цепи нормального элемента:

,

где _обр — значение образцового резистора R_обр при компенсации ЭДС Е_обр.

Для измерения Е_х переключатель П ставят в положение 2 и регулировкой компенсирующего резистора R_к вновь доводят до нуля ток в цепи И, при этом , где — значение компенсирующего резистора R_к при компенсации ЭДС Е_х.

Так как в момент равновесия ток в цепи индикатора отсутствует, то можно считать, что входное сопротивление R_вх потенциометра (со стороны измеряемой ЭДС) равно бе­сконечности, т. е. при компенсации напряжения (ЭДС) R_вх = ∞.

Отсюда видно одно из основных достоинств компенсационного метода измерения — отсутствие потребления мощности от объекта измерения. Из уравнения Е_х = E_обр/ видно, что неизвестное напряжение сравнивается с образцовой мерой — ЭДС нормального элемента. Среднее значение ЭДС насыщенных нормальных элементов при температуре 20 °С известно с точ­ностью до пятого знака и равно Е_обр = 1,0186 В. Так как неизвестная ЭДС Е_х связана с ЭДС нормального элемента Е_обр отношением , то, следовательно, точность результата измерения определяется точностью изготовления и подгонки образцового R_обр и компенсирующего R_k резисторов.

Точность установления момента уравновешивания определяется чувствительностью нулевого индикатора.

Следовательно, точность компенсационной схемы определяется точностью установки и поддержания рабочего тока I_р, точностью изготовления и подгонки образцового R_обр и компенсирующего R_k резисторов, чувствительностью индикатора.

Одной из основных характеристик потенциометра является его чувствительность. Под чувствительностью S потенциометра понимают S = S_и S_к, где S_и — чувствительность индикатора; S_к — чувствительность компенсационной цепи.

Чувствительность индикатора определяется применяемым измерителем, следовательно, для определения S необходимо найти чувствительность компенсационной цепи S_к. Чувствительность компенсационной цепи определяется отношением приращения тока в индикаторе , возникающего при появлении в уравновешенной цепи приращения ЭДС , к этому приращению, т. е. S_к = .

Приращение тока где R_и — сопротивление индикатора; R_x — сопротивление источника измеряемой ЭДС Е_х. Следовательно, чувствительность потенциометра

Чувствительность схемы должна выбираться в строгом соответствии с допустимой погрешностью измерения при условии .

Это выражение позволяет определить необходимую чувствительность нулевого указателя S_и > 1/S_к. В качестве нулевых указателей применяются высокочувствительные приборы непосредственной оценки, автокомпенсационные и фотокомпенсационные усилители и др. В качестве компенсирующего резистора R_к применяются образцовые магазины сопротивлений. Образцовый резистор R_обр конструктивно представляет собой магазин сопротивлений, состоящий из двух частей: неизменного сопротивления и так называемой температурной декады . Эта декада позволяет регулировать в соответствии с действительным значением ЭДС Е_обр при данной температуре, что обеспечивает точную установку рабочего тока I_обр.

По значению сопротивления измерительной цепи потенциометры делятся на низкоомные и высокоомные. Низкоомные потенциометры (с сопротивлением менее 1000 Ом) применяются для измерения малых напряжений (до 100 мВ), высокоомные (с сопротивлением более 1000 Ом) — для из­мерения напряжений до 1 — 2,5 В.

Компенсационный метод измерения принадлежит к числу наиболее точных. Потенциометры постоянного тока выпускаются классов точности 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2.

По способу введения компенсирующей величины потенциометры делятся на неавтоматические, полуавтоматические и автоматические. В неавтоматических компенсаторах большая часть измеряемого напряжения компенсируется вручную, а оставшаяся часть — автоматически.

8.2. Дифференциальные вольтметры

Дифференциальный вольтметр — это усовершенствованный потенциометр постоянного тока, сочетающий потенциометр с ручным или автоматическим уравновешиванием и микровольтметр непосредственной оценки для измерения нескомпенсированной части измеряемого напряжения. Он отличается высокой точностью, разрешающей способностью и малым потреблением от исследуемого источника напряжения. Функциональная схема дифференциального вольтметра приведена на рис. 8.3.

Декадный потенциометр, состоящий из образцового источника ЭДС Е_обр и многоступенчатого делителя напряжения R_к, представляет собой основу дифференциального вольтметра и служит для уравновешивания входного напряжения. Разность входного и компенсирующего напряжений измеряется микровольтметром непосредственной оценки. Таким образом, дифференциальный вольтметр представляет собой неполностью уравновешенную компенсационную схему, в которой напряжение определяется по отсчету декадного потенциометра и по показанию измерительного прибора. Ток, проте­кающий в цепь, определяется нескомпенсированной разностью измеряемого и образцового напряжений и полным сопротивлением цепи.

Рис. 8.3. Упрощенная схема дифференциального вольтметра

Рис.8.4. Функциональная схема дифференциального цифрового вольтметра с ручным управлением

Дифференциальный метод измерения реализован в ряде цифровых вольтметров, выпускаемых серийно. Функциональная схема одного из таких вольтметров приведена на рис. 8.4.

В приборе используется комбинация метода поразрядного кодирования на первом этапе и время-импульсного метода на втором этапе преобразования измеряемого напряжения.

Измерительная часть прибора включает в себя входной делитель напряжения Д, масштабный усилитель МУ, источник напряжения компенсации ИКН и преобразователь напряжение — время ПНВ. Преобразователь напряжение - время преобразует входное напряжение усилителя в пропорциональный интервал времени t_инф. Информация о начале и конце информационного импульса и полярности преобразуемого напряжения передается в цифровую часть прибора через импульсные трансформаторы T_p1, Т_р2, обеспечивающие хорошую развязку аналоговой цифровой частей прибора по напряжению за счет высокого сопротивления изоляции между обмотками. Цифровая часть прибора преобразует информацию к виду, удобному для индикации и записи самописцем.

Измерение напряжения производится в два этапа. На первом этапе (положение I переключателя К_л1,) коэффициент передачи масштабного усилителя равен единице, а компенсирующее напряжение равно нулю.

Импульсы генератора стабильной частоты ГСЧ f₀ через управляемый ключ К_л2 и логическую ключевую схему К_л3 в течение времени t_инф1, поступают на вход счетчика старших разрядов С_ч1 и индицируются соответственно лампами старших разрядов. На втором этапе измерения ключ К_л1 переводится в положение 2. При этом по команде из блока управления и синхронизации увеличивается коэффициент передачи масштабного усилителя, а цифровой код полученного в старших разрядах числа переписывается из Cч1 в схему памяти арифметического устройства АУ₁, которая управляет ИКН. В результате на выходе ИКН появляется компенсирующее напряжение, соответствующее коду числа старших разрядов.

Усиленная усилителем разность напряжений преобразуется в интервал времени t_инф2, в течение которого импульсы стабильной частоты f₂ поступают на вход счетчика младших разрядов Сч2.

Информация о знаке сигнала некомпенсации из ПНВ поступает в формирователь команд блока управления и синхронизации БУС, который определяет вид операции: сложение или вычитание результатов первого и второго этапов измерения, выполняемых арифметическим устройством AУ₁. Численное значение результата алгебраического суммирования кодов чисел счетчиков С_ч1 и С_ч2 и его знак индицируются цифровым индикатором.

Преобразование напряжения во временной интервал осуществляется методом следящего уравновешивания измеряемого напряжения линейно изменяющимся напряжением компенсации.

Вольтметр обеспечивает измерение постоянного напряжения в диапазоне от до 1000В на четырех поддиапазонах: 5∙10^-6 – 1; 5∙10^-5 -10; 5∙10^-4 – 100; 5∙10^-3 – 1000В. Погрешность измерения в зависимости от поддиапазона составляет 0,3 – 0,05% предела измерения. Входное сопротивление 10 МОм на пределах 1 и 1000 В, 1 МОм на пределе 100 В и 0,1 МОм на пределе 10 В. Вольтметр автоматически выдает информацию о полярности измеряемого напряжения и имеет выход для записи информации на ЦАП в двоично-десятичном коде.

Более высокую точность обеспечивают дифференциальные вольтметры с ручным уравновешиванием измеряемого напряжения. В приборе используется дифференциальный метод измерения, сочетающий в себе многодекадный источник напряжения компенсации с ручным уравновешиванием и цифровой микровольтметр, измеряющий нескомпенсированную часть входного напряжения.

Вольтметр состоит из входного делителя напряжения, шестидекадного ИКН с ручным уравновешиванием и устройства сравнения, представляющего собой автокомпенсационный цифровой микровольтметр, содержащий усилитель постоянного тока, преобразователь напряжения - время и цифровое отсчетное устройство (ЦОУ).

Наиболее важным узлом, определяющим точность дифференциального вольтметра, является ИКН. Самым простым вариантом построения регулируемого ИКН является источник образцового напряжения, нагруженный масштабным преобразователем. При этом масштабное преобразование может осуществляться при помощи резистивных, индуктивных или импульсных делителей напряжения.

В схемах дифференциальных вольтметров предпочтение отдается импульсному делителю. Основными достоинствами импульсных делителей являются: отсутствие в их схеме прецизионных резисторов; высокая точность и стабильность выходного напряжения; незначительное влияние климатических воздействий на точность деления.

Рис. 8.5. Принципиальная электрическая схема импульсного делителя образцового напряжения (а), эпюры напряжений (б) и эквивалентная схема делителя (в)

В простейшем случае импульсный делитель представляет собой усредняющее устройство, на вход которого периодически подается образцовое напряжение u_обр. На рис. 8.5, а приведена принципиальная электрическая схема импульсного делителя напряжения с RC-фильтром в качестве усредняющего устройства. В течение времени t₁ вход RC-фильтра подключается к u_обр, а в течение времени t₂ — к общей шине. Среднее значение выходного напряжения фильтра ( на рис. 8.5, б) является функцией напряжения u_обр и скважности импульсов, управляемых состоянием ключа К: .

Это выражение эквивалентно равенству, связывающему выходное напряжение обычного резистивного делителя (рис. 8.5, в) равно: , при этом точность коэффициента передачи импульсного делителя зависит от точности отношения и стабильности временных интервалов t₁ и t₂, что можно обеспечить с высокой точностью за счет формирования временных интервалов путем деления частоты задающего генератора, аб­солютная точность и длительная стабильность частоты которого значения не имеют.

Современные дифференциальные вольтметры - это устройства со сложной схемотехнической архитектурой, включающие в свой состав элементы аналоговой и вычислительной техники, решающие специфические задачи автоматического регулирования, преобразования информации, вычислительной техники и т. д. Наибольшую точность и чувствительность дифференциальных вольтметров обеспечивает итерационно-компенсационный метод измерения, при котором измеряемое напряжение компенсируется напряжением встроенного источника (цифро-аналогового преобразователя с широтно-импульсной модуляцией образцового напряжения).

Комбинация этих методов позволяет автоматизировать процессы измерения, реализовать автокалибровку (автоматическую самоповерку) и диагностику.

На основе этого метода выполнен вольтметр нового поколения, существенно отличающийся от традиционных приборов аналогичного назначения.

В основу построения прибора положен принцип функционального и конструктивного разделения прибора на функциональную (аналоговую) и управляющую (цифровую) части (рис. 8.6).

Рис. 8.6. Функциональная схема вольтметра-калибратора на основе микропроцессора: БСИ - блок сопряжения исполнительный; АВП - автоматический выбор пределов измерений; БПЦ - блок питания цифровой части; Э - экран; АК - автоматическая калибровка.

В цифровую часть вольтметра входят встроенная микро-ЭВМ с жесткой программой, управляющая совместно с органами управления передней панели и интерфейсными устройствами связи работой вольтметра. Микро-ЭВМ обеспечивает управление функциональной (аналоговой) частью БФ, передней панелью и интерфейсом связи с каналом общего пользования КОП, а также математической обработкой измерений и процессом автокалибровки прибора.

Состав и взаимосвязь основных узлов функционального блока показаны на рис. 8.7. Схема автоматического выбора пределов измерения АВП обеспечивает нормирование входного сигнала, изменяющегося в широком диапазоне напряжений, по уровню и полярности. Калибровка делителя схемы АВП осуществляется автоматически, подключением к ее входу напряжения источника автокалибровки. Цифро-аналоговый преобразователь ЦАП с диапазоном регулирования напряжения от 0 до 11,999999 В формирует компенсирующее напряжение в режимах измерения напряжения и его приращений. Усилитель постоянного тока УПТ с дифференциальной схемой сравнения работает с двумя коэффициентами передачи, задаваемыми делителем связи k_УПТ = 1 (в режиме измерения напряжения до 10^-5 В) и k_УПТ = 100 (при измерении напряжения до 10^-7 В). Интегрирующий аналого-цифровой преобразователь АЦП имеет три с половиной разряда и подключается к выходу УПТ в зависимости от установленной чувствительности непосредственно или через делитель k_АЦП (1: 100). Разность между компенсирующим и измеряемым напряжениями подается на вход АЦП с коэффициентами передачи 0,01 (k_УПТ = 1, k_АЦП = 0,01); 1 (k_УПТ = 1, k_АЦП=1) и 100 (k_УПТ = 100, k_АЦП = 1). Сопряжение управляющей и аналоговой частей прибора, формирование каналов обмена информацией между ними осуществляет блок сопряжения исполнительный БСИ.

Рис. 8.7. Функциональная схема аналогового блока прибора; ИКН - источник калиброванного напряжения; ИДИ - импульсный делитель напряжения; ПКВ - преобразователь код - время; ПНК - преобразователь напряжение – код.

Работа функционального блока в режиме измерения напряжений и приращений напряжений проходит по алгоритму на рис. 8.8.

Рис. 8.8. Алгоритм работы прибора в режиме измерения напряжения и приращения напряжения

Измеряемое напряжение U_x поступает на инвертирующий вход УПТ через схему АВП (см. рис. 8.7) измерения и полярности, обеспечивающую передачу сигнала в строго определенной полярности и при одном из коэффициентов передачи k_п = 1:1; 1:10; 1:100.

На этапе 1 после выбора предела измерения, при минимальной чувствительности усилительного тракта, k_п = 0,01 и нулевом значении напряжения на выходе ЦАП производится преобразование измеряемого напряжения в код. Полученный код заносится в три старших разряда (1 - 3) цифро-аналого­вого преобразователя, которым создается компенсирующее напряжение на неинвертирующем входе УПТ.

На этапе 2 осуществляется измерение полученной разности с целью определения последующих разрядов (3 - 5) численного выражения входного сигнала.

На этапе 3 результат первых двух измерений переписывается в ЦАП и осуществляется измерение разрядов 5 - 7 входного сигнала при максимальной чувствительности усилительного тракта. В установившемся режиме АЦП измеряется текущее значение напряжения, которое суммируется с напряжением цифро-аналогового преобразователе и в едином отсчете индицируется на цифровом табло прибора. Формирование единого отсчета по результатам измерений трех описанных этапов условно показано на мнемо­схеме в правом верхнем углу на рис. 2.24. При переполнении счетчика АЦП (емкость 2000 знаков) осуществляется переход на предыдущий этап работы вольтметра, что видно из схемы алгоритма работы.

В зависимости от требуемой разрешающей способности работа прибора может быть ограничена двумя этапами измерения (с возможностью индикации четырех или пяти старших разрядов) или тремя (с возможностью индикации шести или семи разрядов измеряемого напряжения).

Одним из основных узлов, обеспечивающих точность прибора, является ЦАП, который реализует преобразование управляющего кода в постоянное напряжение путем непрерывной последовательности широтно-модулированных импульсов фиксированной амплитуды и частоты повторения с последующим выделением среднего значения напряжения указанной последовательности им­пульсов усредняющим фильтром.

Анализ работы ЦАП с широтно-импульсной модуляцией позволяет выделить в его структуре следующие составные части (рис. 8.9): источник опорного напряжения ИОН; преобразователь код-время ПКВ, обеспечивающий высокоточное преобразование кода в длительность широтно-модулированных импульсов фиксированной частоты; импульсный делитель напряжения ИДИ, обеспечивающий с помощью ключа (ключей) формирование импульсов с амплитудой, определяемой u_оп и скважностью, устанавливаемой ПКВ; фильтр.

Импульсный делитель напряжения регулирует напряжение отдельно в пределах трех старших декад (1—3), обеспечивая основные метрологические характеристики прибора, и в пределах младших декад (4 — 6). Суммирование напряжений старших и младших декад производится с помощью делителя, образованного сопротивлениями резисторов R суммирующей сетки (12 резисторов по 2,21 МОм), и резистором К, =90,9 МОм, на которое подается поделенное вдвое импульсное напряжение ИДИ младших декад. В суммирующую точку подается также напряжение с ЦАП коррекции нуля и напряжение поправки. ЦАП коррекции нуля предназначен также для компенсации смещения нуля УПТ в процессе автокалибровки. Поправка необходима для компенсации динамической погрешности ключей. Ключи Кл, переключающие опорное напряжение, выполнены на комплементарных МОП-транзисторах и управляются от цифровой схемы (на рис. 8.9 не показаны). Формирование управляющих широтно-модулированных сигналов производится ПКВ.

Преобразователь код - время ПКВ построен по схеме с трехдекадным тактирующим счетчиком и компараторами кода. Тактирующий счетчик имеет коэффициент деления N = 1200. Всостоянии счетчика 000 формируется импульс начальной установки RS-тригтеров (Т_г1, Т_г2) в состояние 1. Импульсы, формируемые компараторами и возвращающие RS - триггеры старших и младших декад в состояние 0 (исходное), вырабатываются в момент совпадения кода счетчика и кодов управления старших и младших разрядов соответственно. Для формирования двенадцатифазного сигнала из однофазного применен 24-разрядный сдвигающий регистр, который тактируется последовательностью импульсов, представляющих собой сумму сигнала обнуления счетчика младших разрядов (второй и третьей декад) и сигнала совпадения этих декад.