Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. Учебник для вузов. Ленинград: Энергоатомиздат, 1983. - 315 с.

Государственное профессиональное

Образовательное учреждение

«Енакиевский металлургический техникум»

ПМ 01. МДК. 01.02 Методы осуществления стандартных и сертификационных испытаний, метрологических поверок средств измерений

Раздел 2. Технологические измерения параметров процесса

Тема 1 Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации

Тема 1.7

Лекция 24

«Аналоговые и цифровые вторичные приборы. Классификация и принцип действия. Обозначения на лицевой панели аналоговых вторичных приборов»

План.

1. Аналоговые и цифровые вторичные приборы и их классификация.

2. Принцип действия аналоговых вторичных приборов.

3. Цифровые вторичные приборы.

4. Контрольные вопросы.

5. Вопросы для самостоятельного изучения.

6. Литература. Информационные ресурсы.

Преподаватель ____________________ Г.В. Лунина

1. Электроизмерительными приборами (ИП) называют средства электрических измерений, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации, т.е. информации о значениях измеряемой величины в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, например, амперметр, вольтметр, ваттметр, фазометр.

Вторичными называют измерительные приборы, вырабатывающие сигналы измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Приборы (или измерительные системы) имеют обычную типовую структуру, изображенную на рис. 1.

Чувствительный элемент 1 находится под непосредственным воздействием измеряемой величины. Преобразовательный элемент 2 преобразует сигнал измерительной информации в удобную для использования форму. Измерительный механизм 3 осуществляет собственно процесс измерения.

Элементы 1 – 3 в общем случае образуют первичный преобразователь (первичный прибор) I. Результат измерения преобразуют передающим преобразовательным элементом 4 и по линии связи л.с. передают на вторичный прибор II. Этот прибор содержит: промежуточный измерительный преобразователь 5, измерительный механизм 6, отсчетное устройство 7, предназначенное для отсчитывания значений измеряемой величины с помощью шкалы и указателя.

Рисунок 1 – Структурная схема измерительной системы.

Если измерительная информация требуется в нескольких точках наблюдения или используется в системах управления, то вторичный прибор может содержать один или несколько передающих преобразователей 8. Несколько передающих преобразователей может находиться и в первичном приборе.

По виду выдаваемой информации различают аналоговые и цифровые приборы.

Аналоговый прибор – ИП, показания которого являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. К аналоговым приборам относятся ИП, у которых указатель жестко связан с подвижной частью измерительного механизма. Независимо от назначения аналогового ИП и от разновидности применяемого в нем измерительного механизма любой прибор содержит общие для всех аналоговых приборов узлы и элементы. Это – отсчетное устройство, имеющее нанесенную на циферблат шкалу, устройства по созданию противодействующего и успокаивающего моментов, опорное устройство.

Цифровой прибор – ИП, автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представлены в цифровой форме. Цифровые приборы состоят из входного устройства, предназначенного для преобразования входной аналоговой величины, например, масштабного, аналого-цифрового преобразователя, преобразующего ее в код, который подается на цифровое отсчетное устройство, где индицируется в виде ряда цифр. Наряду с полной автоматизацией процесса измерения для цифровых ИП характерны высокая точность, быстродействие, малое потребление мощности от объекта измерения, индикация результата измерения в форме чисел, возможность выдачи результата измерения в виде кода во внешние устройства, например, в ЭВМ.

По физическим явлениям, на которых основана работа ИП, их можно разделить на электромеханические и электронные.

Названия различных систем электромеханических ИП зависят от способа преобразования в них электромагнитной энергии, подводимой к прибору, в механическую энергию перемещения подвижной части:

1. магнитоэлектрические,

2. электродинамические,

3. индукционные

4. электростатические,

5. электромагнитные.

Электронные ИП представляют собой устройства, содержащие большое число преобразователей, выполняющих функции генерирования, усиления, выпрямления, преобразования электрических сигналов определенной формы, аналогового сигнала в дискретный и наоборот, сравнения и др.

По характеру и виду измеряемых величин электронные ИП условно объединяют в группы, в т.ч.:

1) приборы, предназначенные для измерения значений физических величин, параметров и характеристик сигналов;

2) приборы, предназначенные для измерения характеристик и параметров компонентов, входящих в радиоэлектронные цепи;

3) измерительные установки, системы;

4) измерительные генераторы – маломощные источники сигналов.

К приборам первой группы относятся электронные осциллографы, вольтметры, частотомеры, фазометры, анализаторы спектров и др., предназначенные, как и аналогичные электромеханические приборы, для измерения значений почти всех физических величин. Эти приборы обладают большим динамическим диапазоном, для них характерна малая мощность потребления, возможность использования их в цепях постоянного и переменного тока широкого диапазона частот с различной формой сигнала. Электронные вольтметры обладают большим входным сопротивлением, благодаря чему ими можно выполнять измерения в цепях маломощных источников сигнала.

К приборам второй группы относятся измерители емкостей конденсаторов, индуктивностей катушек, сопротивлений резисторов, добротности контуров, параметров полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, амплитудно-частотных характеристик и др.

По способу представления измерительной информации ИП делятся на показывающие и регистрирующие.

2. Измерительные (вторичные) приборы имеют следующие структурные части:

1. измерительный, блок,

2. отсчетное устройство,

3. блок регистрации,

4. дополнительные устройства (сигнализирующие, регулирующие, дополнительные преобразователи для дальнейшей передачи показаний).

Основой измерительного блока является преобразователь-компенсатор одного из типов: потенциометрический, индукционный, и т. д., которым при помощи усилителя и реверсивного двигателя компенсируется сигнал, поступающий от первичного преобразователя (датчика). В некоторых измерительных приборах, например – милливольтметрах, логометрах, усилители отсутствуют стрелка перемещается вдоль шкалы непосредственно за счет энергии измерительного сигнала с использованием магнитоэлектрических преобразователей.

Отсчетные устройства обеспечивают индикацию измеренной величины при помощи шкалы и стрелки или цифровых индикаторов. Кинематическая схема автоматического показывающего прибора дана на рис. 2. Прибор имеет круглую шкалу без блока записи данных. Управляемый сигналом усилителя реверсивный двигатель 15 через вал 14, шестерни 13, 12, 10 и вал 14 перемещает скользящий контакт 9 компенсирующего реохорда (потенциометра) 8, выполненного в виде диска, по окружности которого в пазах уложена обмотка из манганиновой проволоки. Кроме того, вал 11 посредством муфты 7 поворачивает шкив 6 и стрелку на шкале. К шкиву 6 прикреплен тросик, который поворачивается по ряду направляющих роликов 16 и передвигает в горизонтальной плоскости каретку 1. Каретка имеет контакты 2, скользящие по дополнительному реохорду 3, который может быть использован для передачи сигнала, пропорционального измеряемой величине, на другие приборы. Рассматриваемый прибор имеет также сигнальные контактные устройства 5. Для установки сигнальных контактов на нужные значения контролируемой величины служит прямолинейная шкала, вдоль которой можно перемещать указатели контактов: зеленый (min) и красный (max). Эти контакты могут быть использованы и для регулирования. Замыкание контактов происходит в тот момент, когда на них воздействует палец 4, закрепленный на каретке 1 и перемещающийся вместе со стрелкой основной шкалы.

Рисунок 2 – схема автоматического показывающего прибора

Показывающий и регистрирующий прибор с ленточной диаграммой (рис. 3) также имеет реверсивный двигатель 15, который через шестерни 1—4, 14 и зубчатый сектор 12 управляет индукционным компенсатором 13, а через лекало 5, рычаг 6, шестерни 7— 9 — дополнительными выходными индукционными преобразователями 10 и 11. Кроме того, движение от реверсивного двигателя через указанные шестерни и центральную ось передается на лекало 16, по образующей которого катится ролик, прикрепленный к рычагу 17. Рычаг и ролик прижимаются к лекалу пружиной, насаженной на ось рычага. На конце рычага 17 имеется вилка, в которую входит палец 20 каретки, в конструкцию которой входят стрелка 22 с лампочкой подсвета 23, перо 24 и чернильница 21. При вращении центральной оси и лекала 16 рычаг 17 передвигается в вертикальной плоскости и перемещает каретку по направляющим 18 и 19 вдоль шкалы. Диаграммная лента 26 вставляется в прибор через валики 25, 28 и передается в приемное устройство 27. В. процессе работы лента с постоянной скоростью перематывается с рулона 26 в устройство 27, проходя под пером 24. Приборы с ленточной диаграммой обычно имеют устройства для переключения скоростей движения диаграммы, например 20; 40, 60, 120, 240 мм в час и т. д.

В качестве реверсивных двигателей в измерительных приборах компенсационного типа применяются электродвигатели, имеющие короткозамкнутый ротор и две обмотки на статоре. Одна из этих обмоток (сетевая) подключается к сети через последовательно включенный конденсатор для сдвига фазы напряжения по отношению к фазе напряжения во второй — управляющей обмотке. Электромагнитные поля двух указанных обмоток, сдвинутые по фазе, создают вращающий момент, приложенный к ротору.

Рисунок 3 – Схема автоматического регистрирующего прибора.

3. В цифровой технике тоже применяют показывающие и регистрирующие способы представления информации, а также цифро-аналоговые преобразователи, позволяющие представлять цифровые величины в аналоговой форме и аналого-цифровые для преобразования аналогового сигнала в дискретный (цифровой).

Цифровыми измерительными приборами (ЦИП) называют такие, которые в соответствии со значением измеряемой величины образуют код, а затем в соответствии с кодами измеряемую величину представляют на отсчетном устройстве в цифровой форме. Код может подаваться в цифровое регистрирующее устройство, вычислительную машину или другие автоматические устройства, что обусловило широкое практическое применение этих приборов в технике. Например, такие электронные аналоговые приборы, как частотомеры и фазометры, вытесняются цифровыми приборами, которые обладают относительной простотой преобразования этих параметров в кодовый сигнал.

ЦИП обладает рядом преимуществ: объективность и удобством отсчета результата измерения; возможностью измерений с высокой точностью при полной автоматизации процесса измерения; высокой быстротой действия и чувствительностью; возможностью дистанционной передачи результатов в виде кода без потерь точности; сочетанием ЦИП с вычислительными и различными автоматическими устройствами.

К недостаткам ЦИП относятся сложность, (следовательно, малая надежность, и высокая стоимость), Развитие микроэлектроники устраняют эти недостатки.

Особенно плодотворные результаты дает использование микропроцессоров, которые позволяют осуществлять, например, такие функции, как автоматическая коррекция систематических погрешностей, диагностика неисправностей, обработка полученных данных, управление отдельными узлами ЦИП и т.д.

Принцип работы ЦИП основан на дискретном представлении непрерывных величин.

ЦИП состоит из двух обязательных узлов; аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и цифрового отсчетного устройства (ОУ). АЦП выдает код в соответствии со значением измеряемой величины. ОУ отражает это значение в цифровой форме. АЦП применяются также в измерительных, информационных управляющих и других системах и выпускаются промышленностью в качестве самостоятельных средств измерения. Обычно они имеют на выходе двоичный код и могут быть значительно быстрее действовать по сравнению с АЦП, применяемыми в ЦИП. Быстродействие же ЦИП ограничивается инерционностью зрительного восприятия. Многие ЦИП содержат предварительные аналоговые преобразователи (АП). Их используют для изменения масштаба входной величины Х или ее преобразования в другую величину y=f(x), более удобную для выбранного метода кодирования.

Метрологические и другие технические характеристики ЦИП определяются методом преобразования в код. В ЦИП, предназначенных для измерения электрических величин, применяются метод последовательного счета и метод поразрядного уравновешивания. Соответственно, различают ЦИП последовательного счета и ЦИП поразрядного уравновешивания (кодоимпульсные). В зависимости от того, какое значение величины измеряется, ЦИП делятся на приборы для измерения мгновенного значения и приборы для измерения среднего значения за определенный промежуток времени (интегрирующие).

По роду измеряемой величины ЦИП подразделяются на вольтметры, омметры, частотомеры, фазометры, мультиметры (комбинированные), в которых предусматривается возможность измерения нескольких электрических величин и ряда параметров электрических цепей.

По области применения выделяются ЦИП лабораторные, системные и щитовые.

По принципу действия и конструктивному исполнению цифровые приборы разделяют на электромеханические и электронные. Электромеханические приборы имеют высокую точность, но малую скорость измерений. В электронных приборах используется современная база электроники. Несмотря на схемные и конструктивные особенности, принцип построения ЦИП одинаков

Рисунок 4. Структурная схема ЦИП

Измеряемая величина (Х) поступает на входное устройство прибора ВУ, где происходит масштабное преобразование сигнала, затем он поступает на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), где аналоговый сигнал преобразуется в соответствующий код, который отображается в соответствующий код, который отображается в виде числового значения на цифровом отсчетном устройстве (ЦОУ). Для получения всех управляющих сигналов в цифровом приборе предусмотрено устройство управления. Входное устройство прибора устроено аналогично электронному прибору, а в некоторых конструкциях на его входе используется фильтр для исключения помех.

В зависимости от способа аналого-цифрового преобразования приборы разделяют на устройства прямого преобразования и компенсационные (с уравновешивающим преобразованием).

В основе работы цифровых измерительных устройств последовательного счета лежит принцип последовательного приближения значения эталонного сигнала, генерируемого схемой прибора, к значению измеряемого сигнала.

В ЦИП последовательного приближения происходит последовательное во времени сравнение измеряемой величины с известной квантованной величиной, изменяющейся по определенному алгоритму.

В ЦИУ считывания происходит одновременное сравнение измеряемой физической величины с заранее заданным набором значений эталонных сигналов.

На рисунке представлены графики, отражающие принцип работы рассмотренных типов ЦИП

Рисунок 5. Принципы преобразования измеряемого сигнала в ЦИП

Рассмотрим основные характеристики АЦП, знание которых необходимо для правильного сравнение возможностей различных преобразователей, а значит грамотного выбора прибора для измерения. Для упрощения будем считать, что входным сигналом АЦП является напряжение постоянного тока.

1. Длина шкалы L характеризует число возможных уровней преобразования АЦП. Длина шкалы ЦИП определяется разрядностью АЦП.

2. Разрядность n – это число двоичных разрядов (бит) или десятичных разрядов. Если разрядность АЦП – n двоичных разрядов (бит), то длина шкалы L=2ⁿ. Например, при n=11 бит значение L=2048. Если разрядность АЦП n десятичных разрядов, то L=10ⁿ. Например, при n равном четырем полным десятичным разрядам, значение L=9999, или округленно L=10000.

Цифровые средства измерения, предназначенные для работы с человеком, а не в составе измерительных систем, имеют десятичные цифровые отсчетные устройства, т.е. индикаторы, отражающие числа в десятичной системе счисления и состоящие из нескольких десятичных разрядов

3. Разрешающая способность R – это величина обратная длине шкалы L и характеризующая чувствительность АЦП. Чем больше длина шкалы, тем лучше разрешающая способность и выше качество преобразования.

4. Значение кванта q – единицы младшего значащего разряда определяется отношением номинального значения входного напряжения (или верхнего значения диапазона измерения) к длине шкалы L.

Например, если длина шкалы цифрового мультиметра L=1999 точек, округленно 2000, и выбран диапазон измеряемых напряжений , то вес кванта в этом режиме q=1 мВ. Чем меньше значение кванта, тем выше чувствительность, а значит и точность преобразователя.

5. Погрешность квантования – погрешность связанная с автоматическим округлением. Это разница между реальной ступенчатой характеристикой преобразования и идеальной линейной. Эта погрешность является неистребимой, но может быть достаточно небольшой. Максимальное значение такой погрешности лежит в диапазоне ±q/2. Реальная суммарная погрешность современных АЦП зависит не только от погрешности квантования и обычно находится в диапазоне 2-5 единиц младшего значащего разряда (т.е. от 2q до 5q).

6. Частота дискретизации – характеристика позволяющая оценить динамические свойства АЦП (скорость преобразования), т.е. возможность его работы с быстро меняющимися сигналами. Значение может выражаться числом преобразований в секунду – отсчетов в секунду или слов в секунду, или в герцах. Например, если сказано, что =1МГц, то это означает, что при изменяющемся входном напряжении преобразователь в течение 1 секунды может выдать 1млн. различных результатов, соответствующих текущим (мгновенным) значениям входного сигнала.

7. Длительность цикла преобразования (шаг дискретизации) – это величина обратная частоте дискретизации, означающая интервал времени, необходимый для выполнения одного полного цикла преобразования. Значение выражается в единицах времени: с, мс, мкс и т.д. Если известно значение частоты, например , то значение .

Вопросы:

1. Как классифицируются вторичные приборы?

2. Устройство показывающего аналогового прибора?

3. Устройство регистрирующего аналогового прибора?

4. Особенности и классификация цифровых вторичных приборов?

5. Основные характеристики цифровых приборов?

Домашнее задание:

1. Выучить определения.

2. Выучить условные обозначения.

3. Законспектировать: устройство приборов магнитоэлектрической системы.

Литература:

Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. Учебник для вузов. Ленинград: Энергоатомиздат, 1983. - 315 с.

2. Панфилов В.А., Электрические измерения – 3-е изд., испр., М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 288 с.

3. Авдеев Б.Я., Антонюк Е. М.. Основы метрологии и электрические измерения.

Мейзда, Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ. – М: Мир, 1990, 535 с

Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 70; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!