Аналоговые и цифровые приборы

1.

Аналоговые и цифровые
Приборы

2.

Средства измерений
Меры
Однозначные,
многозначные,
наборы мер
Измерительные
преобразователи
Измерительные
приборы
Первичный,
промежуточный,
масштабный,
датчик
и т.д.
Показывающие,
регистрирующие,
аналоговые,
цифровые
и т.д.
Измерительные системы;
Информационно-измерительные системы;
Информационно - измерительные
комплексы
Измерительные
установки

3. Меры электрических величин

Меры ЭДС.
Меры ЭДС или нормальные элементы - обратимые гальванические
элементы с высокостабильным значением ЭДС, применяемые для
измерительных целей.
Меры электрических сопротивлений
Образцовые и рабочие меры выполняются в виде
образцовых катушек сопротивления.
Номинальное сопротивление R=1010 – 10-5 Ом
R = 10n, где n - целое число.
Классы точности от 0,0005 до 0,2.
R0x10 n
A
R2=10xR1
R3= 100xR1
R1
B1
B2
B3
B4
R4=1.000xR1
B5
R5= 10.000xR1

4. Измерение электрических величин

Элементы электроизмерительных приборов
а
Шунты
Шунт измерительный 75ШС
Шунт многопредельный Р357
Рис. ХХХ Измерительные шунты
в
U
Добавочные
сопротивления
Делители
напряжения
Рис. ХХХ. Делители
напряжения

5. Схемы компенсационного преобразования

Автоматические самопишущие мосты
Автоматические самопишущие
потенциометры
Измерение и регистрация
физических величин температуры, давления,
расхода и других
Многоканальные системы
- одновременная
регистрация сигналов с
нескольких 1-12 датчиков

6.

Классификация измерительных приборов
По форме индикации измеряемой величины различают
измерительные приборы:
• показывающие - допускают только отсчитывание
показаний
при
измерении
величины
(например,
стрелочный или цифровой вольтметр);
• регистрирующие - с регистрацией показаний на
каком-либо
носителе
информации.
Различают
самопишущие и печатающие измерительные приборы.

7.

По форме преобразования измерительных сигналов:
аналоговые
и
В аналоговых ИП
цифровые приборы
показания являются непрерывной функцией
изменений измеряемой величины. Непрерывная измеряемая
величина вызывает подобное ей непрерывное отклонение
указателя по шкале. (Приборы, у которых указатель жестко
связан с подвижной частью измерительного механизма).
Цифровые
ИП
вырабатывают
дискретные
сигналы
измерительной информации, их показания представляются в
цифровой форме. Принцип действия цифровых ИП основан на
квантовании измеряемой (или пропорциональной ей) величины.

8.

В зависимости от структурной схемы
преобразования измерительного сигнала
различают приборы:
• прямого преобразования,
• сравнения (компенсационного преобразования),
• комбинированные.

9.

В
приборе
измерительного
прямого
преобразования
сигнала
происходит
преобразование
только
в
одном
направлении, т.е. без применения обратной связи.
Структурная схема прибора прямого преобразования
X1
X
Пр 1
X2
Пр 2
XN-1
…..
XN
Пр N
ИУ

10.

В приборе сравнения измеряемая величина сравнивается с
величиной, значение которой известно. Известная величина
воспроизводится с помощью меры или набора мер.
Структурная схема прибора сравнения :
X1
X
Сх Ср
X2
XN-1
XN
Пр 1
…..
Пр N
ИУ
Пр 0m
…..
Пр 01
Xm
Мера
ΔX = X - Xm
ΔX = 0 нулевой метод
X = Xm
ΔX ≠ 0 диффер. метод X = Xm + ΔX

11.

Универсальные вольтметры и мультиметры
Аналоговая часть - набор преобразователей измеряемых
величин в Ux=, коммутируемых на вход ЦВ постоянного тока.
Условно
выделяют
универсальные
вольтметры
и
мультиметры.
Универсальные вольтметры обеспечивают измерение Ux= ,
Ux~ , Ix= , Ix~ , R.
Имеют преобразователи Ux~ / Ux= ; Ix= / Ux= ; Ix~ /Ux= ; Rx / Ux=.
Мультиметры имеют дополнительные преобразователи –
например, измеряют С, L, f, T

12.

Комбинированный измерительный прибор - ампервольтомметр является
универсальным многопредельным прибором. Он используется для измерения
токов и напряжений в цепях постоянного и переменного токов, а также для
измерения активных сопротивлений. Некоторые типы комбинированных
приборов позволяют измерить емкость конденсаторов и параметры транзисторов.
В качестве источника питания в приборах используются химические элементы,
вставляемые
во
внутрь
корпуса
прибора.
Универсальность комбинированных приборов определяется широкими
пределами измерений , удовлетворительной погрешностью, малой потребляемой
мощности,
малыми
габаритами.
Структурная схема комбинированного
прибора (рис. 35) состоит:
1-измерительного
механизма
ИМ
магнитоэлектрической системы, ,
2-делителя напряжения,
3-детектора
(выпрямительное
устройство),
4-набор шунтов,
5-набор резисторов омметра,
6-устройство коммутации УК режима
работы и пределов измерения прибора,
Ro -резистор для калибровки шкалы
измерения сопротивления,
Е- автономное электропитание омметра

13.

Измерение постоянных напряжений
цифровыми вольтметрами
ЦВ
–
прибор, автоматически вырабатывающий дискретные
сигналы
измерительной
информации,
показания
которого
представлены в цифровой форме.
Структурная схема:
АЦП – преобразование измеряемой непрерывной (аналоговой)
величины
в
цифровой
код
(
дискретизация
измеряемой
величины, квантование ее по уровню и цифровое кодирование)

14.

В зависимости от структурной схемы АЦП
• вольтметры с прямым преобразованием без
обратной связи;
• вольтметры с уравновешивающим
(компенсационным) преобразованием с
отрицательной обратной связью.
В зависимости от метода аналого-цифрового
преобразования выделяют ЦВ:
• с время - импульсным преобразованием;
• с частотно - импульсным преобразованием;
• с кодо - импульсным преобразованием.

15.

• Характеристики среднестатистического цифрового
вольтметра постоянного тока:
– диапазон измерения: 100 мВ, 1 В, 10 В, 100 В,
1000 В;
– входное сопротивление - высокое, обычно более
100 МОм;
– порог чувствительности (другие названия - квант
или единица дискретности) на диапазоне 100 мВ
может быть 1 мВ,100 мкВ, 10 мкВ;
– количество знаков (длина цифровой шкалы)
10000 знаков;
– помехозащищенность.

16. Цифровые мультиметры.

Включение
в
схему
цифрового
вольтметра
микропроцессора и дополнительных преобразователей позволяет
превратить его в универсальный
измерительный прибор мультиметр.
Цифровые мультиметры измеряют постоянное и
переменное напряжение, силу тока, сопротивления резисторов,
частоту электрических колебаний и т.д. Блок нормализации
сигналов с помощью соответствующих преобразователей
приводит входные измеряемые параметры (напряжения
переменного и постоянного тока, сопротивления постоянному
току и пр.) к унифицированному сигналу и который подается на
вход АЦП.
Последний действует обычно по методу двойного
интегрирования. Блок управления обеспечивает выбор режима
работы для заданного вида измерений, управление АЦП,
дисплеем и создает нужную конфигурацию системы измерения.

17.

Основой блока управления является микропроцессор, который связан
с другими узлами через сдвигающие регистры. Управление микропроцессором
осуществляется с помощью клавиатуры, расположенной на панели управления
или через стандартный интерфейс (блок сопряжения; стык) подключаемого
канала связи. Программа работы микропроцессора хранится в постоянном
запоминающем устройстве ПЗУ и обеспечивается с помощью оперативного
запоминающего устройства ОЗУ.
Для измерений используют встроенные высокостабильные и
прецизионные
резистивные
делители
опорного
напряжения,
дифференциальный усилитель ДУ и ряд внешних элементов (аттенюатор и
устройство выбора режима, блок опорного напряжения uоп). Все импульсные и
цифровые устройства синхронизируют сигналами генератора тактовых
импульсов.

18. Измерение омметром

Омметр представляет собой
миллиамперметр
с
магнитоэлектрическим
измерительным механизмом и
включается последовательно с
измеряемым сопротивлением
Rx и добавочным резистором
Rд в цепь постоянного тока.

19. Метод амперметра - вольтметра

Метод амперметра вольтметра
Выбор
метода
измерений
зависит
от
ожидаемого
значения
измеряемого
сопротивления и требуемой
точности.
Наиболее универсальным из
косвенных методов является
метод амперметра-вольтметра.
Rx<<Rv
А
E
V
~
Сx
Сx большого
номинала (Хс <Rv)
Rx >>Ra
А
E
~
V
Сx
Сx малого
номинала (Хс >RA)
Метод
амперметра-вольтметра
основан
на
измерении
тока,
протекающего через измеряемое
сопротивление
и
падения
напряжения на нем. Применяют две
схемы
измерения:
измерение
больших сопротивлений (рис.,а) и
измерение малых сопротивлений
(рис.,б). По результатам измерения
тока и напряжения определяют
искомое сопротивление
19

20. Измерение на переменном токе

Если значения сопротивлений более 1 Ом, применяют омметры с
последовательной схемой измерения, а для измерения малых
сопротивлений - с параллельной схемой. При пользовании омметром с
целью компенсации изменения напряжения питания необходимо произвести
установку стрелки прибора. Для последовательной схемы стрелка
устанавливается на нуль при шунтированном измеряемом сопротивлений.
(Шунтирование производится, как правило, специально предусмотренной в
приборе кнопкой). Для параллельной схемы перед началом измерения
стрелку устанавливают на отметку "бесконечность".
Чтобы охватить диапазон малых и больших сопротивлений,
строят омметры по параллельно-последовательной схеме.
В этом случае имеются две шкалы отсчета Rх
Rx'
X x'
P
I2
Z R
'
x
2
'
x
2
2
P
U
2
I I

21. Для выполнения этих равенств необходимо наличие в плечах моста элементов с регулируемыми параметрами. Для обеспечения условия

Схемы четырехплечих мостов
Условия равновесия
четырехплечего моста
определяются
равенствами:
Z 1Z 4 Z 2 Z 3
1 4 2 3
Рисунок 7.8 а) - обобщенная; б) - для
измерения активных сопротивлений НИ нуль-индикатор
где Z1, Z2, Z3, Z4 - модули
комплексных
сопротивлений; φ1, φ2, φ3,
φ4 - их соответствующие
фазы.
Для выполнения этих равенств необходимо наличие в плечах моста элементов с
регулируемыми параметрами. Для обеспечения условия равенства амплитуд (7.7)
наиболее удобно применять эталонное регулируемое активное сопротивление.
Элементом, обеспечивающим условие равновесия фаз (7.8), служит эталонный
конденсатор емкостью Со с малыми потерями.

22.

Схема четырехплечего уравновешенного моста постоянного тока для измерений
активных сопротивлений представлена на рис. 7.8,б. Электронный или цифровой
нуль-индикатор НИ включают в диагональ уравновешенного моста. Ток в
диагонали моста в момент измерения активного сопротивления устанавливают
равным нулю.
Для равновесия моста необходимо, чтобы выполнялось равенство откуда неизвестное
сопротивление R x R 4 R 2 R 3
R
3
R x R2
R4
7.11
Для достижения равновесия моста с активными сопротивлениями достаточно иметь
один регулируемый параметр (например, сопротивление резистора R4), как
показано на рис. 7.8,б. Пределы измеряемых сопротивлений для этих мостов
составляют от 10 -2 до 107 Ом; погрешности измерения - от долей процента до
нескольких процентов в зависимости от диапазона измерения.
Показанная на рис. 7.8,б схема моста может быть частично реализована на цифровых
элементах. Для этого регулируемый резистор изготавливают в виде набора
сопротивлений, выполненных в соответствии
с двоично-десятичным кодом.
Сопротивления поочередно включают в плечо измерительного моста до тex пор,
пока мост не уравновесится. Положение ключей характеризует собой код
измеряемой величины, поступающий затем на цифровое отсчетное устройство.

23. ДИАПАЗОН ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ ДЕЛЯТ НА ПоДДИАПАЗОНЫ:

Малых значений:
•для токов от 10-18 до 10-5 А
•для напряжений от10-10 до 10-5 В
Средних значений:
•для токов от единиц мА до десятков А
•для напряжений от единиц мВ до сотен В
Больших значений:
•для токов от десятков А до сотен кА
•для напряжений от сотен В до десятков МВ

24.

Факторы, определяющие выбор
приборов, при измерении тока и
напряжения:
1. Род измеряемого тока;
2. Диапазон частот измеряемой величины и
амплитудный диапазон;
3. Форма кривой измеряемого напряжения (тока);
4. Мощность цепи, в которой осуществляется
измерение;
5. Мощность потребления прибора;
6. Возможная погрешность измерения

25. Метрологические характеристики амперметров постоянного тока

Типы амперметров
Класс
Диапазон
точности
измерения, А
Магнитоэлектрические 0,1…4,0 3*10-7…30 (7500А с
внешним шунтом)
Электромагнитные
0,2…2,5
5*10-3…30
Электродинамические
0,1…0,5
5*10-3…30
Аналоговые
0,5…4,0
5*10-3…30
электронные
Цифровые
0,01…1,0
10-17…10(7500А с
внешним шунтом)

26. Метрологические характеристики Вольтметров постоянного тока

Типы вольтметров
Магнитоэлектрические
Класс
точности
0,1…4,0
Диапазон измерения, В
Электромагнитные
Электродинамические
Электростатические
Аналоговые
электронные
0,2…2,5
0,1…0,5
0,05…1,5
0,2…4,0
3*10-4…300 (2*104 В с
внешним добавочным
резистором)
1,5…600
7,5…600
30…7,5*104
5*10-8…103
Цифровые
0,002…1,0
10-5…103

27.

Пределы и погрешности измерения переменных
напряжений

28. ВЫВОДЫ:

• Токи и напряжения являются наиболее часто
измеряемыми параметрами, т.к. именно они
определяют режим работы любой электрической
цепи.
• Токи измеряются как прямым так и косвенным
методом (компенсаторы для прямого метода,
закон Ома – для косвенного).
• Напряжение всегда измеряется только прямым
методом
с
использованием
приборов
непосредственной оценки.

29. ВЫВОДЫ:

• Измерители тока и напряжения потребляют
определенную мощность из измерительной
цепи,
которая
определяет
величину
методической погрешности приборов.
• Т.к. диапазоны измерения токов и напряжений
весьма широки, что затрудняет измерение токов
и напряжений во всем диапазоне с одинаковой
точностью, то эти диапазоны условно делятся на
три поддиапазона: малые, средние и большие
токи и напряжения.
• Наиболее
обеспечен
высокоточными
и
эффективными
приборами
средний
поддиапазон.