Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра Электроники

 

 

ИНФОРМАЦИОННО – ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

 Конспект лекций

для студентов всех форм обучения специальности

5В071800 – Электроэнергетика

 

 

Алматы 2012

Составители: Ш.А. Бахтаев, С.Б. Абдрешова. Информационно – измерительная техника. Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 5В071800 – Электроэнергетика. – Алматы: АУЭС, 2012. – 55 с.

В данном курсе лекций освещены вопросы применения измерительной техники и измерительных технологий для контроля энергетических, параметрических и частотно-временных характеристик электрических величин в электрических сетях и системах.

Рассмотрены способы построения информационных измерительных систем с позиций актуальных проблем технического регулирования.

Конспект лекций предназначен для студентов всех форм обучения специальности 5В071800 – Электроэнергетика.

Ил. 60, табл.2, библиогр. – 5 назв. 

 

Рецензент: канд.техн.наук, доцент Б.С. Байкенов 

 

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2012 г.

  

 Ó НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2012 г.

 

1          Лекция № 1. Введение. Общие свойства средств измерений

 

Содержание лекции: информационно-измерительная техника и средства измерений.

Цель лекции: знакомство с основными определениями, с классификацией средств и методов измерений.

Система распределения и потребления электроэнергии, получаемой от энергосистем, строится таким образом, чтобы удовлетворялись основные требования электрооборудования, находящегося у потребителей.

Надёжность электроснабжения достигается благодаря бесперебойной работе всех элементов энергосистемы и применению ряда технических устройств как в системе, так и у потребителей: устройств релейной защиты и автоматики, автоматического ввода резерва (АВР) и повторного включения  (АПВ), контроля и сигнализации.

Качество электроснабжения определяется поддержанием на установленном уровне значений напряжения и частоты, а также ограничением значений в сети высших гармоник и несимметричности напряжений.

Для обеспечения постоянного контроля за работой отдельных элементов системы электроснабжения и учёта вырабатываемой и потребляемой электроэнергии подлежат измерению значения тока, напряжения, частоты, мощности и электроэнергии, для чего используют информационно-измерительную технику.

Информационно-измерительная техника (ИИТ) – совокупность функционально объединённых в одном (или в ряде) устройстве средств измерений, предназначенная для измерения.

В ИИТ важную роль имеет процесс измерения, являющийся основным путём получения количественной информации.

Измерение – познавательный процесс. В результате получаем информацию о количественном значении исследуемой физической величины. Измерения проводятся при проведении пуско-наладочных работ и в лабораториях КИП и автоматики. При эксплуатации энергетических объектов постоянно или периодически осуществляется контроль.

Контроль – установление соответствия между величиной физического параметра и заданной нормой. Контроль осуществляется при помощи преобразователей и измерительных приборов - средств измерений (СИ).

Совокупность преобразователя, средств передачи информации и измерительный прибор образуют локальную (местную) измерительную систему. Приборы устанавливают на щитах управления электростанций и диспетчерских пунктах энергосистем. Приборы устанавливаются также в распределительных устройствах. В настоящее время получили развитие информационно-измерительные системы (ИИС). Отличительным признаком этих систем является наличие вычислительной техники и микро-ЭВМ.

В таких системах связь между функциональными блоками осуществляется посредством интерфейса, например, IEEE 488, стандарт МЭК IEC.621-1.

Средства измерений – это технические устройства с наперёд заданными характеристиками. Они подразделяются на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы (просто приборы), измерительные системы.

Мера – техническое устройство, воспроизводящее определённое значение физической величины. Например: 1Ом, 10Ом. Показателями меры как средства измерений является её номинальное значение и класс точности.

Измерительный преобразователь – это СИ, предназначенное для преобразования одной физической величины в другую, удобную для передачи и измерения. Большие напряжения и токи в электроустановках можно измерить только с помощью преобразователей.

Измерительные приборы – это нормированные технические средства для измерений. Применяются различные приборы: показывающие, регистрирующие, интегрирующие. Показывающие приборы занимают значительный удельный вес во всём приборном парке.

Самые распространённые измерительные приборы для измерения тока, напряжения и мощности входят в состав электромеханической группы приборов. Все они состоят из неподвижной и подвижной частей. Взаимодействие этих частей под действием измеряемой величины приводит к перемещению указателя-стрелки. Оператор считывает число делений по шкале. Шкала в данном случае играет роль многозначной меры, деления которой были нанесены на заводе-изготовителе при помощи образцовых устройств-компараторов тока, напряжения и мощности.

Совокупность подвижной и неподвижной частей образует измерительный механизм (ИМ). Существует большое разнообразие конструкций и типов измерительных механизмов электромеханических приборов, однако все они содержат ряд общих деталей и узлов. К ним относятся корпус и отсчётное устройство прибора. Размеры корпуса и формы отсчётных устройств стандартизированы. Наибольшее распространение получили секторная и угловая формы (см. рисунок 1.1,а).

На рисунке 1.1,б представлены условные обозначения системы ИМ: 1 – магнитоэлектрический, 2 – электромагнитный, 3 – электродинамический, 4 – ферродинамический, 5 – электростатический, 6 – индукционный. Эти названия распространяются и на приборы, например, амперметр магнитоэлектрической системы, электростатический вольтметр.

Измерения могут выполняться различными методами. Метод измерения – совокупность использования физических явлений, принципов сравнения с мерой и используемых средств измерений. Измерительные системы, в которых результат определятся по шкале прибора, получили наибольшее распространение. В этих системах применяется метод непосредственной оценки. Метод непосредственной оценки (отсчёта) заключается в непосредственном определении значения физической величины по отсчётному устройству прибора непосредственной оценки.

 

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image001.gif

а)                                                     б)

Рисунок 1.1 – Типы шкал и обозначений системы приборов

 

ИС эксплуатируются при наличии внешних воздействий влияющих величин. В соответствии с установленными для конкретных ситуаций диапазонами значений влияющих величин различают нормальные, рабочие и предельные условия эксплуатации.

Рабочими называются условия измерений, при которых влияющие величины находятся в пределах своих рабочих областей. Рабочая область значений влияющей величины – это область, в пределах которой нормируется дополнительная погрешность. Предельные условия измерений – это условия, характеризуемые экстремальными значениями измеряемой и влияющих величин, которые СИ может выдержать без разрушений и ухудшения его метрологических характеристик.

Измерительные приборы обозначаются на принципиальных схемах специальными условными символами: PA – амперметр, PV – вольтметр, PW – ваттметр, PR – омметр, PS – регистрирующий прибор, PF – частотомер, PT – часы, PI – счётчик активной энергии, PK – счётчик реактивной энергии.

 

2       Лекция № 2. Измерение постоянного тока и напряжения

 

Содержание лекции: измерительные механизмы магнитоэлектрической системы; амперметры и вольтметры для измерения в цепях постоянного тока; масштабные преобразователи.

Цель лекции: изучить и усвоить методы измерения постоянных токов и напряжений в лабораторных и производственных условиях.

Контроль постоянных токов и напряжений обязателен на преобразовательных подстанциях магистрального и городского электротранспорта, электролизных заводов, электросварочных линий, на подстанциях 35 – 220кВ в шкафах управления оперативным током. Измерение постоянных токов и напряжений производится при наладке силовых цепей и схем управления агрегатов постоянного тока.

Для измерения постоянных токов применятся ИМ магнитоэлектрической системы (см. рисунок 2.1,а). Измеряемый ток подводится к измерительной подвижной рамке посредством двух спиральных пружин. Этот ток взаимодействует с полем постоянного магнита. В результате взаимодействия рамка со стрелкой начинает двигаться под действием вращающего момента. При движении пружины создают противодействующий момент. При равенстве этих моментов стрелка отклоняется на определённый угол

n = (1/C)I = SI,

где S – чувствительность, дел/A;

I – измеряемый ток, А.

Подобные ИМ могут быть только миллиамперметрами на максимальный предел измерения 500 мА, так как невозможно пропустить больший ток через миниатюрные пружины. На практике применяется миллиамперметр на ток 1мА с числом делений шкалы 50 или 100 делений с внутренним сопротивлением 1 кОм. При номинальном токе 1 мА падение напряжения на его сопротивлении составляет 1 В.Такой ИМ можно использовать для измерения тока в электрической цепи (см. рисунок 2.1,б) при условии, что максимальный измеряемый ток не превышает 1 мА. Его же можно применить для измерения напряжения в цепи (см. рисунок 2.1,в), если оно меньше 1 В.

Для расширения пределов измерения данного ИМ применяются масштабные измерительные преобразователи. Для преобразования тока используются шунты. Шунт – образцовый резистор, изготовленный из специального высокоомного материала – манганина. Шунт включается в разрез электрической цепи с большим током в минусовый провод. Шунт – весьма малое сопротивление. Поэтому он присоединяется по четырёхзажимной схеме. Он снабжён двумя парами зажимов: токовыми Т – для включения в электрическую цепь; потенциальными П – для присоединения ИМ (см.рисунок 2.1а). Этим исключается погрешность измерения за счёт влияния падения напряжения на переходных сопротивлениях токовых зажимов. Через ИМ протекает ток в КП раз меньше, чем измеряемый ток. Данный коэффициент называется коэффициентом шунтирования. Он равен отношению измеряемого тока к току, протекающего через измерительный механизм, т.е. КП = I/IП. Требуемое сопротивление шунта определяется по формуле

RП = RП/(KП – 1).

 

1 – постоянный магнит; 2 – магнитопровод; 3 – полюсные наконечники; 4 – измерительная рамка; 5 – противодействующие пружины; 7 – стрелка.

Рисунок 2.1 – Устройство магнитоэлектрического ИМ (а) и схемы его включения (б)

 

В лабораторных приборах – амперметрах и в переносных мультиметрах при измерении тока применяются многопредельные шунты (см. рисунок 2.2).

а) шунтовая;                           б) ограничительная.

Рисунок 2.2 – Схемы многопредельных амперметров

 

Амперметры в зависимости от типа позволяют измерять токи от 1мкА до 5А.

Для измерения больших токов применяются наружные стандартные шунты. Наружный или стационарный шунт изготавливается из манганиновых стержней или пластин, впаиваемых в медные наконечники (см.рисунок 2.3).

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image004.gif
Рисунок 2.3 – Внешний вид стационарных шунтов

 

Класс точности шунта показывает допустимое отклонение сопротивления шунта от номинального значения, выраженное в процентах. В соответствии с правилами устройств электроустановок (ПУЭ) рекомендуется применять шунты класса точности 0,5.

Для расширения пределов измерения по напряжению применяются добавочные резисторы Rд (см. рисунок 2.2). Добавочные резисторы изготовляются из манганиновой изолированной проволоки, которая наматывается на каркасы в виде катушек или пластин. Такой резистор есть преобразователь напряжения U в ток IВ. Прикладываемое напряжение распределяется  пропорционально сопротивлениям добавочного резистора и рамки ИМ. Добавочный резистор подключается к положительной шине. В этом случае на зажимах ИМ будет не большой потенциал. Функциональная связь между измеряемым напряжением и током через прибор линейная

U=mIВ,

где m =U / UП = U / (IПRП) – коэффициент деления.

Сопротивление добавочного резистора определяется весьма просто

RД = RП (m – 1).

В многопредельных вольтметрах применяется несколько добавочных резисторов (см. рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – Схема многопредельного вольтметра

 

Для измерения постоянных токов применяются преобразователи (датчики), принцип действия которых основан на эффекте Холла. Датчик Холла (см. рисунок 2.5,а) – полупроводниковая пластина (InAs – арсенид индия), имеющая две пары диаметрально противоположных выводов. Если к одной паре выводов подвести стабилизированный ток управления I, a пластину поместить в магнитное поле с индукцией B, то на противоположных выводах появится напряжение Холла V, пропорциональное kIB, где k – коэффициент пропорциональности. Выходное напряжение обычно не превышает 15мВ. Устройство для измерения постоянных токов в проводнике содержит охватывающий этот проводник ферромагнитное кольцо с двумя разрезами, в которые помещены элементы Холла (см. рисунок 2.5,б). Выходные напряжения элементов суммируются.

а)                                                      б)

Рисунок 2.5 – Датчик Холла (а) и устройство для измерения постоянного тока

 

3       Лекция № 3. Измерение переменных токов и напряжений

 

Содержание лекции: измерительные трансформаторы тока и напряжения; электромагнитные измерительные приборы; схемы измерения тока и напряжения.

Цель лекции: изучить назначение и метрологические параметры измерительных трансформаторов тока и напряжения, их схемы включения; принцип действия и устройство ИМ электромагнитной системы; практические схемы измерения тока и напряжения в сети переменного тока.

Схемы контроля тока и напряжения выполняются по стандартной структуре: измерительный преобразователь – проводная линия связи – показывающий или регистрирующий прибор. В качестве преобразователей применяются статические электромагнитные аппараты – измерительные трансформаторы ИТ.

Трансформаторы тока.

Трансформаторы тока (ТТ) предназначены для:

-          уменьшения измеряемого тока в электроустановках до 1000В до 5А, или до 1А с целью подключения стандартных средств измерений и аппаратов защиты;

-          отделения измерительной цепи от высоковольтных цепей в установках напряжением свыше 1000В и выполнения тех же функций, что и в низковольтных установках.

ТТ представляет тороидальный магнитопровод 1 (см. рисунок 3.1) из качественной электротехнической стали. По поверхности торойда намотана вторичная обмотка 2. Первичная обмотка в виде проходной шины 3 отделена от торойда слоем изоляции на основе эпоксидных смол.

Г – генератор (источник питания); ZН – нагрузка цепи; Л1-Л2 – начало и конец первичной обмотки; И1-И2 – начало и конец вторичной обмотки.

Рисунок 3.1 – Схема включения трансформатора тока

 

ТТ характеризуется метрологическими характеристиками:

-          номинальным первичным током – IН1 (свыше 5А – до 40кА);

-          номинальным вторичным током – IН2 (5 или 1А);

-          номинальным коэффициентом трансформации – КТН.

Коэффициент КНТТ есть номинальный коэффициент трансформации ТТ

KНТТ = w2/w1 = IH1/IH2,

где IH1, IH2 – номинальные первичные и вторичные токи ТТ.

Токовая погрешность ТТ равна

δI = 100(I2 КНТТI1)/I1, %.

Как видно из рисунка 3.2а, токовая погрешность отрицательная для промышленных ТТ и увеличивается по мере уменьшения нагрузки в электрической цепи.

Угловая погрешность δθ определяется углом θ, измеряемым в минутах  (см. рисунок 3.2, б). Угловая погрешность очень сильно зависит от коэффициента мощности cos φ в электроустановке, так как

δθ = 00291 θ tgφ.

а)                               б)                          в)

Рисунок 3.2 – Токовая (а), угловая (б) погрешности ТТ класса точности 0,5; нормированные пределы и токовая погрешность компенсированного ТТ (в)

Токовая погрешность влияет на результат измерения тока в информационных системах, так как, по существу, δI определят абсолютную погрешность коэффициента трансформации Ктт – ΔКтт = γтт×Кнтт/100.

В качестве ИМ в ИС с ТТ применяется прибор электромагнитной системы  (ЭМС) (см. рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 – Устройство ИМ ЭМС: 1 – неподвижная катушка; 2 – подвижный элемент

 

В ИМ ЭМС вращающий момент создаётся за счёт взаимодействия магнитного поля катушки с измеряемым током и подвижным лепестком из пермаллоя. Противодействующий момент создаётся одной пружиной. За счёт взаимодействия этих моментов стрелка прибора отклоняется на угол, пропорциональный α = ζ I2.Такой прибор может измерять как постоянный, так и переменный токи. На переменном токе он измеряет действующее значение тока. Шкала прибора практически линейная, но 1/5 (20%) часть в начале шкалы – не рабочая. В эксплуатации находятся приборы классов точности 1,5 и 2,5.

На рисунке 3.4 приведен внешний вид ТТ.

Для измерения напряжения в электроустановках с рабочим напряжением свыше 0.4 кВ применяются измерительные трансформаторы напряжения (ТН). ТН – обычный электромагнитный аппарат, конструктивно похожий на силовой понижающий трансформатор. На рисунке 3.5 приведена электрическая схема однофазного ТН. Первичная обмотка с большим числом витков ω1, рассчитанная на номинальное напряжение Uн1, присоединяется к электрической линии высокого напряжения UС £ UН1. Во вторичную обмотку с числом витков  ω 2 < ω 1 и, рассчитанной на номинальное вторичное напряжение UН2 = 100В, подключается ИМ ЭМС – вольтметр.

Для ТН установлен номинальный коэффициент трансформации

КНТН = ω 1 2 = UН1/UН2.

Как и ТТ, ТН имеет погрешности: погрешность по напряжению δu =100×(U2 КНТНU1)/U1%; угловую погрешность – δθ, определяемую, как и для ТТ в виде δθ = 0,0291 δ tgφ, где δ - угол, образованный вектором первичного напряжения и повёрнутым на 180о вектором приведённого вторичного напряжения (см. рисунок 3.6, б).

Обмотки ТН маркируются следующими обозначениями: первичная – заглавными буквами А (начало) и Х (конец). Концы вторичной обмотки – прописными аналогичными буквами.

Рисунок 3.4 – ИС с ТТ и ИМ ЭМС (а); проходной одновитковый ТТ с фарфоровой изоляцией типа ТПОЛ-10 на 10кВ и ток 1кА с двумя сердечниками (б); проходной шинный ТТ с фарфоровой изоляцией типа ТПШФ – 10 на 10кВ, 3кА с двумя сердечниками (1, 1! – выводы вторичных обмоток; 2 – опорные планки для шин; 3 – отверстие для ввода шин; 4 – фланец; 5 – кожух; 6 – фарфоровый изолятор)

 

а)                         б)                в)

Рисунок 3.5 – Электрическая схема (а), векторные диаграммы (б) и внешний вид (в) ТН

а)                                                б)

Рисунок 3.6 – ИС с ТН и вольтметром (а) и схема измерения тока и напряжения при помощи ИТ

 

4 Лекция № 4. Методы, измерительные преобразователи и приборы для измерения периодических сигналов

 

Содержание лекции: измерительные детекторы и преобразователи; структурные схемы ИС; каналы связи и ИС.

Цель лекции: изучить и понять особенности измерения периодических сигналов и приборную реализации методов измерения.

В ИТ весьма широко применяются синусоидальные и периодические последовательности прямоугольных импульсов, а также пилообразные и треугольные импульсы (см. рисунок 4.1 ).

Рисунок 4.1 – Периодические сигналы

 

В метрологии измерительные сигналы описываются математическими моделями. Для стационарного синусоидального (гармонического) сигнала принята модель

u(t) = Umsinωt;

i(t) = Imsin(ωt + φ).

Энергетический параметр данной модели, как известно из ТОЭ, может быть задан в виде амплитудного значения (АЗ), среднеквадратического (действующего) значения (СКЗ), среднего значения за определённый интервал, например, период (СЗ), среднего выпрямленного значения за период (СВЗ). В зависимости от поставленной измерительной задачи можно получить любое из перечисленных значений. Для этих целей применяются преобразователи – детекторы.

Детектор – первичный линейный преобразователь  переменного тока в постоянный или пульсирующий одного знака.

В качестве детектора СЗ и СВЗ применяется выпрямительный мост (см.рисунок 4.2), состоящий из четырёх полупроводниковых диодов. В диагональ моста, образованного катодной группой (знак + ) и анодной группами диодов (знак – ), включён ИМ МЭС. Данное устройство выпрямляет отрицательную часть синусоидального напряжения (см. рисунок 4.3).

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image016.gifhttp://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image017.gifhttp://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image015.gif
а) 
                                  б)                                                     в)

Рисунок 4.2 – ИС выпрямительной системы (а), чередование рабочих диодов при положительной (б) и отрицательной (в) полярности  входного сигнала

В результате чрез ИМ протекает ток в форме двух синусоидальных импульсов за период  Т= 2 π /ω. Амплитуда импульсов равна Imп =Umс/(2Rд+Rим), Rд – прямое сопротивление диода, Rим – сопротивление ИМ.

Рисунок 4.2 – Осциллограммы входного сигнала и тока ИМ

 

Среднее значение тока через прибор равно Iп ср = 2 Imп / π.

Для прибора, приведённого на рисунке 4.1,а, получим

I=2Umс/ (2Rд+Rп) = 2KuIUmc/ π,

где KuI =1/(2Rд + Rп) – коэффициент преобразования напряжения в ток.

В повседневной практике пользуемся действующими значениями, поэтому α = 2KuI1,41Uс/π. Известно, что коэффициент формы синусоидального напряжения (тока) равен Кф.син =π/(2×1,41) = 1,11. С учётом Кф.син имеем

α=KuIUс/Кф.син= 0,9KuIUс,

т.е. действительно прибор показывает действующее значение напряжения. Если шкалу проградуировать в действующих значениях синусоидального сигнала, то при её разметке  вводится множитель 0,9. Коэффициент KuI определяет пределы измерения прибора.

Практическая схема преобразователя переменного тока в постоянный на основе полупроводниковых диодов и усилителя представлена на рисунке 4.3.

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image019.jpg

1 – усилитель; 2 – диодный детектор по однополупериодной схеме; 4 – фильтр низких частот.

Рисунок 4.4 – Диодный электронный преобразователь

 

Однако данный детектор ограничен по частоте измеряемого сигнала. Он применяется для измерения сигналов с частотой не свыше 40 кГц. Для измерения напряжений и токов на высоких частотах ( до 60 МГц) применяются термопреобразователи (ТП) (см. рисунок 4.4).

Термопреобразователь ТП преобразует тепло, выделяемое в нагревателе Н за счёт измеряемого тока, в термо-ЭДС при помощи термопары Т.

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image020.jpg

а – контактная;             б – бесконтактная.

Рисунок 4.5 – Устройство ТП

 

Среднеквадратическое значение переменного напряжения можно весьма точно измерить при помощи двух термопреобразователей (ТП), включённых в схему компенсации выходного напряжения (см. рисунок 4.6). В преобразователе ТП1 измеряемое переменное напряжение преобразуется в постоянное напряжение, поступающее на усилитель УПТ1. Выходной ток данного усилителя протекает по нагревателю ТП2, термо-ЭДС которого включена встречно с термо-ЭДС ТП1. В этом заключаются компенсационные свойства данной схемы. Усилитель УПТ усиливает разность Ет1 – Ет2, сводя её к минимуму. Показание выходного прибора пропорционально действующему значению входного напряжения, причём его шкала линейная.

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image021.jpg

1 – делитель напряжения; 2 – усилитель по эмиттерной схеме повторителя; 3 – аттенюатор; 4 – усилитель переменного тока; 5 – детектор; 6 – усилитель постоянного тока; 7 – индикатор.

Рисунок 4.6 – Структурная схема преобразователя переменного тока с детектором среднеквадратических (действующих) напряжений

 

Измерение амплитудных (пиковых значений) производится с помощью специальной схемы выпрямления (см. рисунок 4.7, а). Измерительное устройство (диод, ёмкость) помещены в выносное устройство – пробник. Пробник соединяется с ИС коаксиальным кабелем. Этот кабель передаёт только постоянное напряжение, и поэтому емкость кабеля и входная ёмкость ИС никакого влияния на результат измерения не оказывают. Основным достоинством детектирования входного сигнала внутри пробника является увеличение входного импеданса. Пробник пикового детектора может обеспечить входной импеданс  Zвх, примерно равный 1Мом/1пФ.


а)                                   б)

Рисунок 4.7 – ИС с пиковым детектором (а) и вольтамперные характеристики измерительного пробника (б)

 

5       Лекция № 5. Цифровые преобразователи и приборы

 

Содержание лекции: структурная схема цифрового прибора; аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, структурные схемы.

Цель лекции: изучить и усвоить принципы устройства и работы цифровых приборов.

Цифровые измерительные приборы (ЦИП) имеют следующие достоинства: высокая точность, в том числе и в тяжёлых эксплуатационных условиях; возможность запоминать, передавать на расстояния и вводить в ЭВМ измеренные значения; удобство обслуживания и проведения измерений. Обобщённая структурная схема ЦИП представлена на рисунке 5.1.

 

 

 

 

Рисунок 5.1 – Структурная схема цифрового прибора

 

Структурная схема цифрового прибора

Входное устройство (ВУ) содержит ряд добавочных резисторов и шунтов для расширения пределов измерения по напряжению и току. Для измерения переменных напряжений и токов применяются преобразователи- детекторы. Усилитель (У) предназначен для нормирования выходного сигнала ВУ. Его максимальное выходное напряжение составляет один вольт  независимо от установленного предела измерения,  что обеспечивает  работоспособность последующих устройств. Его выполняют на базе операционного усилителя в интегральном исполнении, что обеспечивает высокую чувствительность и большое входное сопротивление порядка 1 – 10МОм.

Самым важным звеном ЦИП является аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В соответствии с классификационными признаками принято делить АЦП на три группы: последовательного счёта, считывания и поразрядного кодирования.

В АЦП последовательного счёта входная аналоговая величина преобразуется в число квантов, сумма которых определяет цифровой эквивалент.

Наиболее простым является АЦП с время импульсным преобразованием.

В АЦП ВИП выходное напряжение усилителя преобразуется в пропорциональный интервал времени, который измеряется электронно-счётным методом. На рисунке 5.2,а представлена структурная схема узла преобразования напряжения в интервал времени. На рисунке 5.2,б представлены диаграммы напряжений, поясняющие принцип преобразования. времени

 

 

Рисунок 5.2 – Преобразование напряжения в интервал

 

Преобразование производится при помощи специального генератора линейно изменяющегося напряжения ГЛИН и устройства сравнения УС – компаратора. Взаимодействие этих элементов узла, как и всего прибора в целом, осуществляет и контролирует устройство управления УУ. ГЛИН вырабатывает и выдает в УС линейное компенсационное напряжение Uк. Используется только передний фронт импульса пилообразной формы. На второй вход УС подаётся нормированное измеряемое напряжение Uнx. Измерение начинается с подачей УУ импульса запуска ИЗ в момент времени t1. Компенсационное напряжение, изменяясь линейно, в какой-то момент времени станет равным измеряемому напряжению. УС сработает как только напряжение Uk станет чуть больше напряжения Uнх и выдаст в схему импульс остановки ИО преобразования в момент времени t2. Интервал Тс = t2 – t1 можно найти просто

ТС = UНХ tgβ, или UНХ = ТС/tgβ = Кut ТС.

Измерение полученного интервала времени производится во втором узле прибора (см. рисунок 5.2, в). Как видно из данной структурной схемы, в узле задействованы электронные элементы: триггер ТГ, электронный ключ ЭК и генератор импульсов ГИ. Триггер - электронное устройство, которое может находиться в двух устойчивых состояниях. При появлении на входе S триггера импульса запуска от УУ на его выходе формируется потенциальный импульс. При появлении на входе R триггера импульса остановки ИО от УС действие потенциального импульса на его выходе прекращается. Триггер формирует на своём выходе стробирующий импульс длительностью Тс.

Генератор импульсов ГИ – образцовый кварцованный генератор, вырабатывающий прямоугольные импульсы частотой 1МГц. Эти импульсы с периодом TГ =1мкс поступают на один из входов электронного ключа ЭК постоянно сразу же, как только включили прибор. Эти импульсы  изображаются в виде вертикальных чёрточек. На второй вход ЭК подаётся сигнал – стробирующий импульс. ЭК-логическая схема совпадения. Сигнал на выходе будет только в том случае, когда имеются сигналы на обоих входах. Поэтому на выходе ЭК будет N импульсов, которые  совпадают со стробирующим импульсом, т.е.

N = Тс / Tг = Uнх tg β / Тг = Кпр Uнх,

где Кпр – коэффициент преобразования.

Подсчёт числа импульсов и преобразование их в цифровой эквивалент производится счётчиком импульсов СИ, преобразователем кодов ПК и устройством индикации УИ (см. рисунок 5.2, г). СИ подсчитывает число импульсов и преобразует их в двоичное число. ПК преобразует двоичный код, например, в семисегментный для управления жидко-кристаллическим цифровым индикатором УП.

В настоящее время наиболее распространён АЦП следящего типа (см. рисунок 5.3). Принцип работы можно понять из рассмотрения его функциональной схемы (см. рисунок 5.3, а). Импульсом запуска UЗ счётчик импульсов СИ устанавливается в нулевое состояние и подключается измеряемое напряжение UХН к устройству сравнения УС. На выходе УС начинает действовать напряжение UУС, которое подаётся на один из входов электронного ключа ЭК. На второй его вход подаются тактовые импульсы  с частотой 1 МГц от генератора импульсов ГИ. ЭК как элемент совпадения пропускает эти импульсы на вход счётчика СИ. СИ начинает считать импульсы и выдаёт на выходе кодовые  двоичные комбинации. При 8-ми разрядном счётчике это последовательность кодовых чисел: 00000001; 00000010; 00000011,….,11111111. Эти кодовые числа поступают на вход 8-ми разрядного цифроаналогового преобразователя ЦАП. ЦАП преобразует  кодовые комбинации  в дискретные значения компенсационного напряжения UК. На рисунке 5.3б приведен ступенчатый график образования напряжения UК. Когда наступит момент, что UХНUк = 0, сработает УС, UУС = 0 и ЭК будет закрыт для прохождения тактовых импульсов. Кодовая комбинация передаётся из счётчика на преобразователь кодов и устройство индикации. Для работы ЦАП используется источник образцового напряжения ИОН, который подаёт в схему опорное напряжение Uоп.

Основной характеристикой ЦАП является разрешающая способность, определяемая числом разрядов n. Теоретически ЦАП, преобразующий n – порядные коды, должен обеспечить 2n различных значений выходного сигнала с разрешающей способностью (2n-1)-1. Абсолютное значение минимального компенсационного напряжения quk (кванта напряжения) определяется как предельным принимаемым  числом 2n-1, так и максимальным выходным напряжением ЦАП Uвых. Так при 8-ми разрядах число независимых квантов (ступенек) Uk составляет http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image028.gif Выбранное с помощью опорного источника напряжение шкалы, например, 1 В, даёт абсолютную http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image029.jpgразрешающую способность в 1 / 255 = 3,9 мВ или относительную 0,4 %.

 

 

 

 

Рисунок 5.3 – АЦП следящего уравновешивания

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image031.jpg 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image030.jpg 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.4 – Схемы ЦАП

На рисунке 5.4а приведена схема простейшего 4-х разрядного ЦАП. Он состоит: из резисторов с весами Rо,Rо/2,Rо/4 и Rо/8, что соответствует двоичному коду 8-4-2-1; электронных ключей Z0,Z1,Z2 и Z3; решающего усилителя на базе операционного усилителя. Замкнутому состоянию ключа соответствует подключению соответствующего резистора. Например, десятичное число 5 отображается двоичной кодовой комбинацией http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image032.gif. Будут замкнуты нулевой и третий ключи. На рисунке 5.4б приведена более совершенная схема ЦАП. В ней используют трёхпозиционные ключи, которые подсоединяют резисторы 2R либо ко входу суммирования операционного усилителя, либо к нулевой точке. Резисторы соединены в матрицу типа R - 2R, имеющую постоянное входное сопротивление со стороны  источника Uоп, равное R независимо от положения ключей.

 

6 Лекция № 6. Электронные аналоговые и цифровые осциллографы

 

Содержание лекции: назначение; структурные схемы; устройство и принцип работы.

Цель лекции: изучить устройство и принцип работы; усвоить порядок выполнения осциллографических измерений.

Электронный осциллограф (ЭО) предназначен для визуального наблюдения и измерения параметров сигналов. С помощью ЭО исследуют периодические и импульсные сигналы, непериодические и случайные сигналы, одиночные импульсы и оценивают их параметры. По осциллограммам, получаемых на экране ЗО, можно измерить амплитуду, частоту, фазовый сдвиг, временные интервалы и другие физические величины. На базе ЭО созданы анализаторы амплитудно-частотных характеристик, спектроанализаторы для  контроля загрузки радио-эфира, различные рефлектометры для анализа состояний кабельных проводных и волоконно-оптических линий связи.

В практике электрорадиоизмерений используются различные типы ЭОоминающие, скоростные, стробоскопические и цифровые. пические и цифровые.

Каждый электронный осциллограф состоит из взаимодействующих блоков; одни из них являются общими, другие – выполняют определенные функции. Структурная схема универсального осциллографа приведена на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1 – Структурная схема электронного осциллографа

 

Устройство простейшей электроннолучевой трубки ЭЛТ представлено на рисунке 6.2

а)                                                                             б)                         в)

а) устройство; б) графическое обозначение в схемах; в) упрощенное обозначение.

Рисунок 6.2 – Электроннолучевая трубка

 

К – катод; М – модулятор; А1 – первый анод; А2 – второй анод; У и X – отклоняющие пластины; A3 – третий анод; Э – экран.

Основой ЭЛТ является электронный прожектор (электронная пушка). Электронный прожект предназначен для создания тонкого электронного луча.

Две пары электродов в виде плоских пластин Y и X образуют электростатическую отклоняющую систему (см. рисунок 6.3). При помощи переменных резисторов R3,R4 можно установить светящееся пятно в любом месте экрана ЭЛТ.

Канал вертикального отклонения У выполняет роль устройства, формирующего на экране входной исследуемый сигнал по величине и мощности. Он состоит из входного устройства ВУ и усилителя вертикального отклонения. Входное устройство содержит выводы для присоединения внешних проводников, делитель напряжения с коммутирующими элементами и корректирующими цепями. Усилитель служит для усиления входных сигналов до уровня, необходимого для воздействия па электронный луч со стороны вертикально-отклоняющих пластин.

Канал X обеспечивает управление лучом в горизонтальной плоскости. При исследовании временных зависимостей на пластины подается линейно изменяющееся (пилообразное) напряжение с требуемым периодом повторения. Генератор пилообразного напряжения Г с усилителем часто называют генератором развертки.

Рисунок 6.3 – Устройство и схема включения осциллографической электронной трубки

 

В этом же канале имеется устройство синхронизации С предварительным усилителем, которое запускает генератор синхронно с началом действия исследуемого входного сигнала. Синхронизация может быть внутренней и внешней: внешняя синхронизация производится сигналами от внешних источников через входное гнездо UС канала X.

Генератор развертки вырабатывает напряжение развертки UP пилообразной формы, с обязательным обеспечением линейности переднего и обратного ходов (см. рисунок 6.4).

а) форма развертывающего напряжения; б) линия развертки на экране.

Рисунок 6.4 – Линейная развертка

Линейно изменяющееся напряжение (см. рисунок 6.5) на горизонтально-отклоняющих пластинах плавно перемещает луч в направлении от одной пластины к другой; при обратном ходе «пилы» луч затемняется (линия 1). Если теперь подать на вертикально-отклоняющие пластины исследуемый сигнал, то электронный луч будет испытывать воздействие как пилообразного, так и исследуемого напряжения, т. е. он будет двигаться по сложной траектории (кривая 2).

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image039.jpg

Рисунок 6.5 – Формирование изображения на экране электроннолучевой трубки

 

В начальном состоянии осциллограф включен, а входной исследуемый сигнал отсутствует; на экране видна лишь горизонтальная линия 1; это означает нормальное функционирование генератора развертки.

В практике осциллографирования возможны случаи несоответствия регистрируемой кривой истинной форме напряжения исследуемого сигнала искажения осциллограмм. Они могут проявляться по-разному и вызываться самыми различными причинами. Поэтому необходимо иметь представление о возможных искажениях осциллограмм и причинах их возникновения.

Основными причинами являются:

1)       нарушение работы генератора развертки (нелинейность пилы при прямом ходе tпр (см. рисунок 6.4, а), смещение линии развертки вверх или вниз относительно центра экрана (рис.6.4, б));

2)       невыполнение условия Тр = nТу, где n – 1,2,3…

Изображение представляется наблюдателю неподвижным, если луч при каждом прямом ходе прочерчивает одну и ту же кривую. Это достигается тогда, когда период развертывающего напряжения ТР равен или кратен периоду исследуемого сигнала ТУ, т.е.

ТРУ или ТР=nТУ.

Напомним, что два колебания, у которых частоты (периоды) равны или кратны и изменению одной из частот соответствует пропорциональное изменение второй частоты, называются синхронными (одновременными). Таким образом, для получения неподвижного изображения напряжение развертки и исследуемое напряжение должны быть синхронными. Это достигается синхронизацией напряжения развертки исследуемым сигналом или внешним напряжением с периодом, соответствующим выше названному условию Важно отметить, что пилообразное напряжение не бывает строго линейным. Часто оно изменяется по экспоненте, близкой к прямой, причем степень линеаризации зависит от схемы генератора развертки. При недостаточно большой постоянной времени экспоненты форма наблюдаемого напряжения искажается.

В генераторах развертки предусматривается возможность регулирования частоты развертки: ступенчато — переключением конденсаторов различной емкости и плавно — переменным резистором. Положения переключателя градуируются как время/деление (мкс/дел, мс/дел, с/дел).

Часто осциллограф используют для исследования различных импульсных процессов, в том числе непериодических. Непрерывная развертка не позволяет наблюдать однократные импульсы, а при исследовании процессов с большой скважностью она оказывается малоэффективной. В последнем случае слишком малая часть периода следования импульсов приходится на долю импульса, а его вершина наблюдается в виде светящейся точки. Иначе говоря, большая часть периода напряжения горизонтальной развертки не используется, а масштаб получается очень мелким.

В этом случае используется ждущая развертка показанная на рисунке 6.6.

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image040.gif 

 

 

 

 

 

  

Рисунок 6.6 Осциллографирование периодической последовательности импульсов с большой скважностью

 

Суть ждущей развертки заключается в том, что генератор развертки следит за появлением импульсов на входе канала Y. Как только импульс появился, он задерживается на некоторое время, чтобы появился пилообразный импульс ждущей развертки. Длительность импульса ждущей развертки чуть больше ширина импульса.

В самой сущности ждущей развертки заложена необходимость жесткой синхронизации. Так как в качестве генератора развертки применяется одновибратор, то синхронизация достигается возбуждением его либо исследуемым сигналом, либо синхронным с ним импульсом.

 

7 Лекция №7. Цифровые приборы для измерения частотно-временных параметров сигналов телекоммуникационных систем

 

Содержание лекции: электронно- счётный метод; структурные схемы и принципы измерения частоты, периода периодических сигналов, длительности одиночных импульсов, интервалов времени, начальной и текущей фазы.

Цель лекции: изучить и усвоить принципы и методы измерения частоты, периода и угла сдвига фаз: научиться понимать структурные схемы цифровых приборов.

Фундаментом технической аппаратуры для частотно-временных измерений служит Государственный эталон частоты и времени (г.Астана) – высокоточная мера частоты и времени. Привязку к ним технических измерений осуществляют при помощи приёмников сигналов эталонных частот, передаваемых Государственными радиостанциями. Можно осуществлять приём сигналов Мирового времени со спутниковой  навигационной системы GPS и передавать данные в специальном формате по интерфейсу RS-232.

Электронно-счётный метод – метод, при котором неизвестный частотно-временной  параметр  преобразуется в интервал  времени, измеряемый дискретным способом. Поэтому часто применяют понятие – дискретный метод.

Принцип действия цифрового частотомера основан на измерении частоты в соответствии с её определением, т.е. на счёте числа импульсов за интервал времени. На рисунке 7.1 приведена структурная схема цифрового частотомера (ЦЧ) и временные диаграммы напряжений сигналов в узлах прибора.


Рисунок 7.1 – Структурная схема (а) и временные диаграммы (б) цифрового частотомера

Входной сигнал с неизвестной частотой fx подаётся на входное устройство ВУ, которое либо ослабляет, либо усиливает его до необходимого значения, например – 5В. Преобразованный по величине сигнал u1 поступает на формирующее устройство – формирователь импульсов ФИ. ФИ содержит триггер Шмитта, который срабатывает на  изменение знака синусоидального напряжения при переходе его от отрицательной к положительной полуволне. В результате получаем импульсное напряжение u2 в  виде  прямоугольных импульсов постоянной амплитуды  с периодом следования  Tx=1/fx. Эти импульсы, весьма малой длительности (порядка 1 мкс), изображаются вертикальными штрихами. Эти импульсы играют роль счётных импульсов и поступают на один из входов временного селектора ВС  (электронного ключа ЭК). На второй вход ВС подаётся стробирующий импульс длительностью То от устройства формирования и управления УФУ. УФУ своим импульсом запуска uз производит установку счётчика импульсов СЧ в нулевое состояние и открывает ВС для прохождения счётных импульсов u2. Стробирующий импульс формируется калиброванным генератором импульсов КГ и декадным делителем частоты ДДЧ. Генератор импульсов КГ вырабатывает импульсы образцовой частоты  fкг=10МГц.

Делитель частоты может выдавать на выходе импульсы с частотами: 10;1МГц; 100;10 и 1кГц; 100;10;1 и 0,1Гц. Соответственно, с ДДЧ можно получить стробирующие интервалы времени: 0,1; 1мкс; 0,01; 0,1; 1;10 и 100мс; 1 и 10с. Интервал То называется временем счёта. В течение времени То > Тх ВС пропускает на вход счётчика импульсов СЧ пакет из Nх импульсов u4 при условии, что

Nx = To/Tx = To fx, или fx = Nx/To.

Суммарная относительная погрешность измерения частоты ЦЧ нормируется в процентах и определяется по формуле

gf = ± 100 [gкг + 1/( Tofx)],

где gкг – погрешность установки частоты КГ (обычно равна (2-5), 10-8).

Из рисунка 7.1б следует, что То = NxTx - Dtн+ Dtк = NxTx - Dt д, где Dtн и Dtк – случайные методические абсолютные погрешности дискретизации (дискретности) начала и конца интервала To , вызванные случайным положением строб-импульса относительно счётных импульсов u2, поскольку строб-импульс и счётные импульсы не синхронизированы;  Dtд =  Dtн -  Dtк – общая абсолютная погрешность дискретности. Если пренебречь погрешностью  D tд, то получим число импульсов в пакете  Nx = To/Tx = Tofx, и, следовательно, измеряемая частота пропорциональна числу счётных импульсов, поступающих на счётчик fx = Nx/To. Декадный делитель частоты обеспечивает деление частоты  fкг в Кд раз. Поэтому fx = Nx fкгд

Решение многих телекоммуникационных задач связано с измерением интервалов времени. Интервалы могут быть не только повторяющимися, но и однократными. Так как период и частота дуальны, то для измерения периода применяют цифровые частотомеры. Принцип работы цифрового прибора для измерения интервалов времени поясняет рисунок 7.2. Измерение интервала времени ТХ дискретным методом основано на представлении его временным интервалом, который  заполняется  импульсами  генератора импульсов КГ.

Рисунок 7.2 – Цифровой периодометр: а – структурная схема; б – временные диаграммы

 

Заполняющие импульсы следуют с образцовым периодом То = 1/fо. Счётные импульсы с периодом To < Tx называются метками времени. Основные элементы схемы (см. рисунок 7.2,а) и их действие рассмотрены ранее. Отличие состоит в том, что стробирующий импульс  устанавливается  равным  измеряемому периоду. Счётчик импульсов СЧ подсчитывает число импульсов на интервале Тх

Мх = Тх / То, или  Тх = МхТо.

Суммарная относительная погрешность измерения периода нормируется в процентах и определяется по формуле

δт = ± 100 [δкг + То / Тх].

Одним из основных параметров электрического гармонического колебания, определяющих состояние колебательного процесса в любой заданный момент времени, является фаза. Наряду с фазой одного колебания используется соотношение фаз двух колебаний. В этом случае используется понятие фазового сдвига. На рисунке 7.3 приведены схема и диаграммы, поясняющие принцип работы цифрового фазометра.

Цифровой фазометр (ЦФ) работает следующим образом. Преобразователь Dφ ®Dt  из подаваемых на его входы синусоидальных сигналов u1 и u2 с фазовым сдвигом Dφ формирует последовательность прямоугольных импульсов u3, имеющих  длительность Dt и период повторения Т, равные соответственно сдвигу во времени и периоду повторения  входных сигналов.

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image043.gif

Рисунок 7.3 – Цифровой фазометр для измерения мгновенного значении фазы: а – структурная схема; б – временные диаграммы

 

Импульсы u3, а также счётные импульсы u4, вырабатываемые формирователем счётных импульсов и имеющие период повторения То, подают на входы временного селектора ВС. ВС открывают на время , равное длительности ∆t импульсов u3, и в течение этого интервала пропускает на вход счётчика импульсы u4. На выходе селектора формируются пакеты импульсов u5, следующие с периодом Т.

За один период исследуемых сигналов на счётчик  поступит число импульсов, равное n = Dt / To. В ЦФ период счётных импульсов задают в виде То= Т / (36×10m), где m = (1,2,3…). ЦФ показывает (индицирует) фазовый сдвиг пропорциональный  числу импульсов

Dφ = n / 10m-1.

 

8       Лекция №8. Измерение характеристик усилителя

 

Содержание лекции: измерение амплитудно-частотных характеристик; коэффициента нелинейных искажений.

Цель лекции: изучить методы измерения характеристик усилителя в системе сертификации продукции.

Любой электронный усилитель должен иметь сертификат соответствия. В этом документе обязательно должны быть указаны чувствительность, полоса частот, выходная мощность и коэффициент нелинейных искажений.

Для оценки качества звучания усилителя снимают его частотную характеристику при выходной мощности, значительно меньшей номинальной. Это достигается подачей на вход усилителя уровня сигнала в 3 – 10 раз ниже расчетного. Такой режим работы усилителя устанавливается для того, чтобы возможные завалы и подъемы частотной характеристики не были сглажены появлением нелинейных искажений. Для большинства УЗЧ при воспроизведении грамзаписи входное напряжение равно 100 – 250 мВ, а с микрофонного входа УЗЧ – 1 – 2 мВ.

Для определения области линейного режима работы усилителя снимается амплитудная характеристика, представляющая собой зависимость выходного напряжения от входного. Обычно амплитудные характеристики УЗЧ снимаются на частоте 1000Гц, так как в этой точке усиливаемого диапазона частот коэффициент усиления максимальный.

Для снятия амплитудной характеристики на вход усилителя подают напряжение различной амплитуды и измеряют выходное напряжение с помощью электронного вольтметра или градуированного осциллографа. Входное напряжение увеличивают до получения на выходе усилителя напряжения, в 1,5 раза превышающего номинальное значение, или до того момента, при котором напряжение на выходе перестанет увеличиваться. По полученным значениям строят зависимость http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image044.gif. Амплитудная характеристика УЗЧ показана на рисунке 8.1.

Рисунок 8.1 – Амплитудная характеристика усилителя

 

По амплитудной характеристике находим линейный участок. Диапазон входных напряжений составляет 5 – 25 мВ.

Полоса пропускания (диапазон усиливаемых частот) – это полоса частот в пределах категорий коэффициент усиления измеряется не больше, чем это допустимо по техническим регламентам. В таблице 10.1 приведены допустимые полосы частот для усилителей различного назначения.

Таблица 8.1 – Полоса частот

Назначение усилителя

Нижняя граничная частота fн, Гц

Верхняя граничная частота fв, кГц

Телефония

Радиовещание на длинных, средних и коротких волнах

Радиовещание на УКВ

Запись и воспроизведение звука среднего качества

Высококачественная звукозапись, усиление радиосигналов

150-300

50-100

50

70-100

20-50

20-30

2,5-5

 5

15

5-8

10-20

6000-8000

Поясним технологию получения амплитудно-частотной характеристики исследуемого, например, усилителя промежуточной частоты (УПЧ) при  помощи осциллографа и генератора качающейся частоты (ГКЧ). Функциональная схема измерения  приведена на рисунке 8.2.

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image046.jpg

Рисунок 8.2 – Функциональная схема измерения частотных характеристик

 

Поддерживая на входе усилителя постоянный уровень сигнала, ГКЧ изменяет частоту в обе стороны от контрольной частоты 1 кГц. На экране ЭЛО наблюдается осциллограмма – график амплитудно-частотной характеристики (см. рисунок 8.3).

Рисунок 8.3 – Амплитудная частотная характеристика

 

По оси ординат отсчитываются нормированные значения коэффициента усиления, выраженные в децибелах

Kн(f) = 20 lg (Kf / K f=1 кГц).

В сторону уменьшения частот берут контрольные точки сначала через 100, а затем через 50 и 25Гц. В сторону увеличения частот контрольные частоты берут через 2,5 – 5кГц, усиление на частотах 25Гц и 20кГц проверяют только для высококачественных усилителей. Одновременно измеряют выходное напряжение на каждой из этих частот. По полученным результатам измерения строят амплитудно-частотную характеристику УЗЧ. Реальная частотная характеристика усилителя с учетом акустических систем имеет вид кривой 4 (см. рисунок 8.4).

1 – идеальная; 2 – узкая полоса (завал крайних частот); 3 – широкая полоса (усиление крайних частот); 4 – эксплуатационная.

Рисунок 8.4 – Амплитудно-частотная характеристика УЗЧ при различной ширине полосы пропускания (по звуковому давлению)

 

Амплитудно-частотная характеристика и допустимые частотные искажения определяют полосу частот усилителя. Например, для сетевых радиоприемников II класса полоса частот 100-10000 Гц, а для усилителей малогабаритных транзисторных приемников – 200-3500 Гц.

Рассмотрим, как форма амплитудно-частотной характеристики влияет на качество воспроизведения звуковых сигналов.

Частотные искажения в области крайних звуковых частот субъективно воспринимаются на слух как ухудшение качества звучания: завалы на частотах 2 – 3 кГц и выше делают звучание тусклым, ухудшают разборчивость речи, излишнее усиление приводит к подчеркиванию шипящих и свистящих звуков и неестественно резкому звучанию музыки, раздражающему слух. Частотные искажения в области частот 100-200 Гц и ниже нарушают красоту тембра, а чрезмерное их усиление вызывает ощущение неприятного бубнящего звучания.

Нелинейными называют искажения формы выходного сигнала, обусловленные нелинейностью элементов схемы УЗЧ. Основная причина появления нелинейных искажений в УЗЧ – нелинейность входных и выходных характеристик усилительных приборов, трансформаторов и других элементов аппаратуры. В результате этого в спектре частот усиливаемого сигнала появляются гармонические составляющие, частоты которых в целое число раз выше основной частоты. Наличие напряжения этих частот приводит к искажениям звука, которые увеличиваются по мере увеличения подаваемого на вход УЗЧ уровня сигнала.

Нелинейные искажения УЗЧ можно определить с помощью специального прибора – измерителя нелинейных искажений (см. рисунок 8.5).

Рисунок 8.5 – Структурная схема измерителя нелинейных искажений

 

Прибор содержит: усилитель Ус, имеющий ступенчато регулируемый коэффициент усиления; заграждающий фильтр Ф, который пропускает все частоты, за исключением той частоты, на которую он настроен; электронный вольтметр действующего значения ЭВ, имеющий квадратичную характеристику. Показания вольтметра пропорциональны корню квадратному из суммы квадратов всех гармонических составляющих приложенного к нему напряжения. Измерение коэффициента нелинейных искажений осуществляется следующим образом. Сначала на вольтметр подается исследуемое напряжение Uх, минуя фильтр (переключатели II1 и П2 в положении 1), и с помощью регулируемого резистора R стрелка вольтметра устанавливается на последнее деление шкалы, что соответствует 100% приложенного напряжения. Затем Uх подается на вольтметр через фильтр, подавляющий основную волну (переключатели в положении 2), и перестройкой фильтра добиваются минимального показания вольтметра. Отклонение стрелки вольтметра будет соответствовать значению kнч в процентах

.

Практическое значение имеют вторая и третья гармоники. Допустимое значение http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image052.gif определяется назначением усилителя. Коэффициент нелинейных искажений в зависимости от полосы пропускания УЗЧ измеряют на частотах 50, 100, 200, 400, 1000, 2000 и 5000 Гц.

В УЗЧ среднего класса для воспроизведения речи и музыки допустимый коэффициент нелинейных искажений 5-7 %.

  

9       Лекция № 9. Измерение сопротивления, емкости и индуктивности

 

Содержание лекции: метод сравнения; измерение сопротивления, емкости, индуктивности.

Цель лекции: изучить мостовые методы измерения сопротивления, емкости, индуктивности; уметь определять параметры, погрешности измерении.

При методе сравнения измеряемую величину в каждом опыте сравнивают с мерой. Результат измерения (сравнения) оценивается по сравнивающему устройству индикатору (см. рисунок 9.1).

 

 

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image053.gif

 

 

 

 

  

Рисунок 9.1 – Блок-схема реализации метода сравнения по нулевому принципу

 

На постоянном токе в качестве индикатора применяют гальванометр (высокочувствительный ИМ магнитоэлектрической системы). На переменном токе применяют фазочувствительные микроамперметры либо ЭО в упрощенном виде.

Наиболее часто метод сравнения реализуется в схемах мостов постоянного тока, применяемых для измерения сопротивления.

На рисунке 9.2 представлена схема одинарного моста постоянного тока, предназначенная для измерения больших сопротивлений (10Ом….1 МОм).

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image055.jpg

Рисунок 9.2 – Схема одинарного моста

 

Из теории электрических цепей известно, что при каких-то значениях Rx, R2R4 мост будет сбалансирован, т.е. Iг = 0.

Это возможно если  или .              (9.1)

Для осуществления процедуры равенства элементы цепи должны быть регулируемыми. Сопротивление R2 (сравнения) выполняется в виде многодекадного магазина сопротивления.

Наиболее часто используются декады с номинальными значениями одной позиции 103, 102, 101, 100, 10-1, 10-2, 10-3.

Магазины сопротивлений разделяют на семь классов точности: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; и 1. Число, обозначающее класс точности магазина сопротивлений, указывает допустимое значение основной погрешности измерения при нормальных условиях. Относительная погрешность измерения сопротивления одинарным мостом может быть получена из (9.1) в виде:

.                                     (9.2)

Для измерения малых сопротивлений (< 10Ом) применяются двойные мосты (см.рисунок 9.3). Из схемы видно, что сопротивления плеч отношения R1 и R3 выполнены в виде одинаковых штепсельных магазинов сопротивления.

Два плеча сопротивления (магазины сопротивления R2 и R4) выполнены также в виде одинаковых декадных рычажных магазинов сопротивления. Причём рычажные переключатели связаны между собой.

Рисунок 9.3 – Принципиальная схема двойного моста

 

Мосты переменного тока служат для измерения полного сопротивления, ёмкости, индуктивности, взаимной индуктивности, частоты и других параметров.

Рассмотрим наиболее распространенную простейшую схему уравновешенного четырехплечевого моста (см. рисунок 9.4). Так как плечи моста в общем случае есть комплексные сопротивления, то равновесие моста может произойти при выполнении двух условий

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image061.gif                                                          (9.3)

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image062.jpg
Рисунок 9.4 – Схема моста переменного тока

 

Наличие двух уравнений указывает на необходимость регулирования для достижения равновесия не менее двух параметров модуля Z и фазового угла φ.

Уравнение (9.3) указывает на правильность подбора плеч при составлении мостовой схемы, при сравнении ёмкости с индуктивностью их надо располагать в противоположных плечах схемы, а ёмкости с ёмкостью или индуктивности с индуктивностью – в смежных.

При изменении частоты питающего напряжения в общем случае равновесие моста может быть нарушено из-за реактивности сопротивлений и поэтому условия равновесия будут справедливы лишь для одной частоты питающего напряжения.

В производственных условиях необходимо измерять параметры конденсаторов и индуктивностей.

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image063.jpg

Рисунок 9.5 – Схема моста переменного тока для измерения ёмкости

 

При равновесии моста (см. рисунок 9.5), когда http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image064.gif, получаем равенство:

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image065.gif                                             (9.4)

где http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image066.gif параметры измеряемой ёмкости;

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image067.gifёмкость образцового конденсатора;

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image068.gifрегулируемое сопротивление.

Из (9.4) имеем два уравнения:

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image069.gif,                                                    (9.5)

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image070.gif,                                            (9.6)

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image071.gif.                                    (9.7)

Для того чтобы сделать раздельный отсчёт (http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image072.gif и http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image073.gif), надо обеспечить режим работы моста, при котором два регулируемых элемента действуют на каждый элемент цепи, входящие два уравнения равновесия.

Погрешность измерения Сх = http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image074.gif на частоте 1кГц не должна превосходить:

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image075.gif.                                                                   (9.8)

Погрешность измерения http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image076.gif, не должна быть больше, чем:

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image077.gif.                                                                       (9.9)

Мост переменного тока для измерения индуктивности и её добротности выполняется по схеме (см. рисунок 9.6).

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image078.jpg

Рисунок 9.6 – Схемы моста для измерения индуктивности

 

Если http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image079.gifто получим уравнение баланса моста:

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image080.gif.       (9.10)

Это уравнение расписывается на два:

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image081.gif                                               (9.11)

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image082.gif                                       (9.12)

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image083.gif.                       (9.13)

Чувствительность указателя равновесия должна быть такой, чтобы отмечать расстройку моста на величину, численно равную 0.5 допускаемой основной погрешности (класс моста). Соответственной должна быть и дискретность отсчётного устройства.

При выполнении этих условий погрешность измерения определяется тремя составляющими – сопротивлениями измерительной схемы.

 

10  Лекция № 10. Измерение мощности

 

Содержание лекции: принципы, методы, приборы и схемы измерения мощности.

Цель лекции: изучить методы и приборы измерения мощности.

Измерение мощности – определение значения электрической мощности. При измерении мощности следует учитывать существование различных составляющих мощности: активную, реактивную и полную мощности. К измерению мощности относят во многих случаях измерение коэффициента мощности.

Измерение мощности постоянного тока – определение электрической активной мощности в цепях постоянного тока.

На основе измерения тока и напряжения (аналогично определению сопротивления путём измерения тока и напряжения) определяется активная мощность постоянного тока

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image084.gif.                                                    (10.1)

И на основе измерения эффективных значений переменного напряжения и тока определяется полная мощность

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image085.gif.                                                         (10.2)

Так как любое средство измерений имеет собственное потребление мощности, то при любой схеме измерения возникает неизбежная систематическая погрешность, которая при  точных измерениях, особенно при измерении малых значений мощности, должна учитываться и корректироваться (см. таблицу 10.1)

Таблица 10.1 – Определение мощности путем измерения тока и напряжения

 

Мощность, выделяемая источником, Рс

Схема измерения

Мощность, потребляемая нагрузкой, Рн

Вентильное подключение по напряжению http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image086.gif

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image087.jpg

Вентильное подключение по току

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image088.gif

Вентильное подключение по току http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image089.gif

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image090.jpg

Вентильное подключения по напряжению http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image091.gif

 

Примечания:

1) U, I – измеренные значения напряжения и тока;

2) http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image092.gif – мощность потребляемая вольтметром, RВ – его внутреннее сопротивление;

3) http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image093.gif – мощность, потребляемая амперметром; RI – его внутреннее сопротивление.

Для измерения тока и напряжения на постоянном токе используются приборы магнитоэлектрической системы (ИМ МЭС) с шунтами и добавочными сопротивлениями.

Для измерения тока и напряжения на переменном токе используются приборы электромагнитной и электродинамической систем. На рисунке 10.1 представлена схема устройства ИМ электродинамической системы (ИМ ЭДС).

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image094.gif

1 – неподвижные катушки; 2 – подвижная рамка.

Рисунок 10.1 – Электродинамический измерительный механизм

 

Весьма просто измерение мощности можно произвести при помощи ваттметра непосредственной оценки, выполненного на базе электродинамического измерительного механизма (см. рисунок 10.2)

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image095.jpg

Рисунок 10.2 – Схема включения ваттметра

 

Уравнение шкалы ваттметра при измерении мощности имеет вид: на постоянном токе

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image096.gif,                                            (10.3)

на переменном токе

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image097.gif,                          (10.4)

где http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image098.gif – коэффициент пропорциональности.

Шкала такого ваттметра – линейная. Например, ваттметр Д539 класса точности 0.5 имеет шкалу на 150дел, номинальный ток параллельной цепи 3мА, и она рассчитана на 150В , последовательная катушка рассчитана на ток 5А и http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image099.gif

Обычно такие ваттметры называется косинусными, потому что они градуируются при http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image100.gif. Постоянная ваттметра равна

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image101.gif,                                                 (10.5)

где http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image102.gif – соответственно, номинальный ток и напряжение;

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image103.gif – номинальное число делений.

Существует несколько методов измерения мощности в сетях переменного тока. При произвольной нагрузке в цепи переменного тока только активная составляющая тока http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image104.gif, иначе говоря, часть полной мощности, определяемая коэффициентом мощности, является полезной (используемой)

P~ =U~ I ~ cosφ = S cosφ.                                     (10.6)

Метод одного ваттметра применяется для: при симметричной нагрузке мощности в фазах одинаковы. Поэтому достаточно измерить мощность в какой – либо одной фазе (см. рисунок 10.3)  и утроить результат.

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image105.gif

Рисунок 10.3 – Схема измерения мощности одним ваттметром в электрической сети высокого напряжения

 

Общая активная мощность трехфазной сети равняется сумме мощностей трех фаз

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image106.gif.

Их точное определение осуществляется путем одновременного измерения мощности в каждой фазе с помощью трех отдельных ваттметров. В четырехпроводных системах цепи напряжения подключаются (в данном случае через добавочные сопротивления) к нулевому проводу (см. рисунок 10.4, а). В трехпроводных системах три цепи напряжения присоединяются нулевыми точками сопротивлений к искусственной нулевой точке (см. рисунок 10.4, б). четырехпроводная сеть; б – трехфазная трехпроводная сеть.

 

а – трехфазная Рисунок 10.4 – Метод трех ваттметров. Измерение активной мощности в произвольно нагруженных сетях

 

Самой распространенной схемой для электрических сетей переменного тока на 3 – 10 кВ является схема измерения мощности по методу двух приборов (см. рисунок 10.5)

 

 

 

 

 

  

б)

а – схема измерения активной мощности методом двух ваттметров; б – диаграмма для определения коэффициента мощности по отношению измеренных значений http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image110.gif.

Рисунок 10.5 – Схема Арона

 

Активная мощность может быть определена как

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image111.gif,                          (10.6)

где http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image112.gifhttp://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image113.gif – показания ваттметра http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image114.gif (дел);

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image115.gif – показания ваттметра http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image116.gif (дел).

При разности фаз (между током и напряжением) более 600 (http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image117.gif) один из ваттметров имеет отрицательное отклонение. Изменяя подключение цепи напряжения на обратное, делают отклонение вновь положительным и вычитают показания этого прибора из показания другого ваттметра.

 

11  Лекция №11. Измерение расхода электрической энергии

 

Содержание лекции: принцип действия и устройство индукционного счётчика; принцип построения цифровых счётчиков.

Цель лекции: изучить основы измерения расхода электрической энергии.

Расход энергии есть суммарная мощность, отпущенная электропотребителю за какой-то интервал времени (час, сутки, месяц, год)

.                                             (11.1)

Измерение расхода электроэнергии производится электросчетчиками. Они бывают  электромеханические, электронные и цифровые.

Электромеханический счетчик известен как интегрирующий прибор индукционной системы.

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image119.gif

1 – параллельный электромагнит; 2 – токовый электромагнит.

Рисунок 11.1 – Схематическое устройство электросчётчика

 

Он состоит (см. рисунок 11.1) из неподвижной и подвижной частей. Неподвижная часть содержит два рабочих электромагнита – токовый (последовательный) и напряженческий (параллельный)для создания вращающего момента, постоянный магнит для создания противодействующего момента.

Подвижная часть счетчика выполнена в виде алюминиевого диска толщиной 1,2 – 1,5 мм диаметром около 90 мм. Диск крепится к алюминиевой оси толщиной 2,5 мм.

Электромагниты представляют собой магнитные системы из электротехнической стали с катушками (обмотками).

Одна из обмоток (токовая) выполнена из провода относительно большого сечения, соответствующего номинальному току счетчика; она имеет мало витков и включается в сеть последовательно. Другая обмотка – обмотка напряжения – состоит из 8 – 12 тыс.витков тонкой проволоки Ø 0,08 – 0,12 мм и включается в сеть параллельно.

Для счетчика имеем расход электроэнергии

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image120.gif,                                                    (11.2)

где N – полное число оборотов диска;

CH – номинальная постоянная счетчика определяется через передаточное число Cz.

Передаточное число – число оборотов диска электрического счетчика, cоставляющее единицу отсчета. На лицевом щитке большинства счетчиков имеется надпись ‹‹1кВт∙ч = Сz оборотов››, в которой Сz есть заданное число оборотов на 1кВт×ч (число оборотов диска, обеспечивающее изменение показания на 1кВт×ч). Зная передаточное число, можно найти СН.

.                                      (11.3)

Устанавливаются следующие метрологические характеристики счетчиков.

Рисунок 11.2 – Электрическая схема подключения счетчика

 

Счетчики подключаются по специальным схемам (см. рисунок 11.3).

Для учета электрической энергии в трехфазных электрических цепях применяют двух- и трехэлементные индукционные счетчики. Такие счетчики представляют собой совокупность двух или трех однофазных механизмов (элементов), вращающие момент которых действуют на общую подвижную часть. Общий вращающий момент системы равен сумме вращающих моментов отдельных элементов. Устройство передачи на счетный механизм такое же, как в однофазных счетчиках. Конструктивно двухэлементные счетчики могут быть выполнены одно- и двухдисковыми.

В настоящее время для измерения расхода электрической энергии применяются электронные счетчики с цифровой индикацией. Примером такого счетчика может служить многофункциональный микропроцессорный счетчик электроэнергии серии АЛЬФА. Он обеспечивает:

1)       учет электроэнергии по 4 тарифным зонам с классом точности 0.2 и 0.5;

2)       измерение активных и реактивных энергий и мощностей в двух направлениях;

3)       фиксацию максимальной мощности нагрузки в часы утреннего и вечернего максимума;

4)       запись и хранение графика нагрузки в памяти счетчика;

5)       передача результатов измерений по цифровым каналам связи.

В цифровых СЭ достижим практически любой класс точности, при условии выбора соответствующей элементной базы и алгоритмов обработки информации.

Цифровой СЭ может осуществлять статистические исследования, например, вычислять среднюю мощность потребления нагрузки и ее дисперсию, а также  хранить информацию о накопленной энергии за произвольные промежутки времени.

Цифровые СЭ могут выполняться в различных конструктивных исполнениях. Применение цифровых дисплеев (см. рисунок 11.3) позволяет значительно повысить удобство представления информации для пользователя

http://lib.aipet.kz/aies/facultet/frts/kaf_ie/2/umm/ect_3.files/image123.jpg

Рисунок 11.3 – Внешний вид цифрового дисплея

 

12     Лекция № 12. Информационные измерительные системы

 

Содержание лекции: измерительная техника и измерительные системы; структурные схемы.

Цель лекции: изучить назначение информационных измерительных систем.

Основой любой формы управления, анализа, прогнозирования, планирования, контроля или регулирования – достоверная исходная информация, которая может быть получена  путём измерения требуемых физических величин (ФВ), их параметров и показателей.

В принципе измерять можно большую часть свойств различных объектов (твёрдых тел, жидкостей, газов, технических систем), выбрав для этого пригодную соответствующую меру. Многие из свойств, такие как размеры, масса, плотность, температура и другие, допускают их количественное определение, другие можно измерять косвенным образом (например, цвет оптического излучения по длине волны этого излучения). При косвенном способе используют пригодную для измерения величину, связанную с искомой известной математической зависимостью, например, термо-ЭДС (ТЭДС). термопары (термоэлемента). На рисунке 12.1 схематично показаны  две схемы, состоящие из термоэлемента и подключённого к нему прибора для измерения генерируемой ТЭДС.

а – термоэлемент δ и измерительный прибор мВ – единое целое; б – термоэлемент и измерительный прибор разнесены.

Рисунок 12.1 – Схема прибора для измерения термо-ЭДС

 

Термоэлемент относится к элементарному первичному измерительному преобразователю – датчику. Пару «датчик – прибор» можно рассматривать как единую систему (см. рисунок 12.1, а) и как два последовательно соединённых устройства (см. рисунок 12.1, б).

В первом случае измерительное устройство есть измерительный прибор (ИП), во втором – измерительная система (ИС). До сих пор под ИС подразумевали всю совокупность измерительных приборов и устройств, необходимых для проведения измерений. При этом к понятию ”система” были отнесены как одиночный прибор, так и сложная измерительная установка. До сих пор не рассматривалась конфигурация (архитектура) и структура ИС. На рисунке 12.2 приведена внутренняя структура ИС.

Рисунок 12.2 – Обобщённая внутренняя структура ИС

Естественная физиологическая ограниченность возможностей человека в восприятии и обработки больших объёмов информации привело к появлению комплексных измерительных систем (КИС).

КИС (в дальнейшем – просто ИС) – совокупность функционально объединённых СИ, средств вычислительной техники СВТ, например, микро-ЭВМ и вспомогательных устройств, соединённых между собой каналами связи, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации о ФВ, свойственных данному объекту, в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления. В зависимости от назначения ИС разделяются на измерительные, контролирующие и управляющие. Особое место занимают автоматизированные системы обработки информации и управления (АСОИУ).

По числу измерительных каналов ИС подразделяются на одно-, двух-, трёх- и многоканальные. Двух- и более канальные системы могут быть связанными между собой. Многоканальные ИС представляют собой один из самых распространенных видов ИС и содержат в каждом измерительном канале набор элементов (см. рисунок 12.3, а).

а)                                   б)

Д – датчик; М – мера; С – элемент сравнения; ВР – элемент выдачи результата.

Рисунок 12.3 – Структурная схема многоканальной (а) и сканирующей ИС (б)

 

Важной их разновидностью являются информационно-измерительные системы (ИИС), предназначенные для представления измерительной информации в виде, необходимой потребителю. На рисунке 12.4 приведена обобщённая структурная схема ИИС.

Рисунок 12.4 – Структурная схема ИИС

 

ИИС содержит следующие устройства:

          устройства измерения, включающие в себя первичные и вторичные измерительные преобразователи и собственно измерительное устройство, выполняющее операции сравнения с мерой, квантование, кодирование, а в отдельных случаях и коммутатор;

          устройство обработки измерительной информации, выполняющее обработку измерительной информации по определённому алгоритму (сокращение избыточности, математические операции, модуляция и т.п.);

-          устройство хранения информации;

-          устройство представления информации в виде регистраторов и индикаторов;

-          устройство управления, служащее для организации взаимодействия всех узлов ИИС;

-          устройство воздействия на объект, включающее в себя генераторы стимулирующих воздействий.

Информация от ИИС может поступать в ЭВМ или выдаваться оператору. Оператор или ЭВМ могут воздействовать на устройство управления ИИС, меняя соответственно программу её работы. В ряде ИИС некоторые устройства и связи могут отсутствовать. При наличии в составе ИИС компьютера PCI (ISA) или другой микро-ЭВМ информация к ним может поступать непосредственно от устройств обработки или (и) хранения. Современные ИИС представляют в виде блок-схем связанных между собой функциональных блоков (ФБ) (см. рисунок 12.5). Функциональными блоками являются:

     первичные преобразователи, размещённые постоянно в определённых точках пространства или сканирующие (перемещающиеся в пространстве);

     множество аналоговых преобразователей: нормирующие преобразователи аналоговых сигналов (масштабные преобразователи, преобразователи различного вида модуляции сигнала), унифицирующие преобразователи (приведение сигналов к диапазону стандартных значений или к согласованному уровню), коммутаторы аналоговых сигналов, аналоговые вычислительные устройства, устройства памяти, сравнения, аналоговые измерительные приборы (показывающие и регистрирующие);

     множество аналого-цифровых преобразователей (АЦП);

     цифровые устройства – формирователи кодоимпульсных сигналов, коммутаторы, универсальные  цифровые вычислительные устройства (микропроцессоры, микро-ЭВМ), накопители информации, устройства вывода, отображения и регистрации информации, цифровые индикаторы и панели;

     цифроаналоговые преобразователи (ЦАП).

Рисунок 12.5 – Функциональная схема ИИС

 

Функциональные блоки (ФБ) могут соединяться между собой по-разному. Объединение ФБ в одноступенчатой структуре можно выполнить в виде цепочной (каскадной) структуры (см. рисунок 12.6).

а)                                            б)                                  в)

а – упрощённое изображение; б – показывает взаимодействие функциональных устройств; в – более совершенное изображение.

Рисунок 12.6 – Возможные представления каскадной структурной схемы

 

Управление работой последующего ФБ (ФУ) производится последовательно после того, как закончится преобразование в предыдущем ФБ. Каждый ФБ выполняет заданную операцию над измерительной величиной, а все вместе выполняют заранее заданную операцию над входным сигналом. В схеме на рисунке 12.6.в показаны интерфейсные узлы (ИФУ) каждого ФБ. В принципе под интерфейсом понимается совокупность механических, электрических и программных средств, позволяющих объединить ФБ в единую систему. Например, интерфейс RS-232-C соединяет два устройства  и предназначен для связи компьютеров между собой, а также для подключения к компьютеру стандартных внешних устройств. Компьютер имеет 25-контактный (DB25P) или 9-контактный (DB9P)    разъёмы для подключения интерфейса  RS-232-C.

 

13     Лекция № 13. Измерительные вычислительные комплексы

 

Содержание лекции: обобщённая структурная схема ИВК; назначение и структура АСКУЭ.

Цель лекции: ознакомиться с принципами построения сложных информационно-вычислительных систем.

Важной разновидностью ИИС являются измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) – функционально объединённая совокупность средств измерений, компьютеров и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения конкретной измерительной задачи. Основными признаками принадлежности СИ к ИВК являются: наличие (микро) процессора или компьютера; программное  управление  средствами измерений; наличие нормированных метрологических характеристик; блочно-модульная структура, состоящая из технической (аппаратной) и программной (алгоритмической) подсистем.

Техническая подсистема должна содержать: СИ электрических и неэлектрических величин (измерительные компоненты); средства вычислительной техники (вычислительные компоненты), меры текущего времени и интервалов времени; средства ввода-вывода аналоговых и цифровых сигналов с нормированными метрологическими характеристиками.

В программную подсистему ИВК входят системное и общее прикладное программное обеспечение (ПО), в совокупности образующие математическое обеспечение системы. Системное ПО представляет собой совокупность  программного обеспечения компьютера и дополнительных  программных средств, позволяющих работать в аналоговом режиме, управлять измерительными компонентами, обмениваться информацией внутри подсистем комплекса, проводить диагностику технического состояния. Программное обеспечение  представляет собой взаимодополняющую, взаимодействующую совокупность подпрограмм, реализующих:

     типовые алгоритмы эффективного представления и обработки измерительной информации, планирования эксперимента и других измерительных процедур;

     архивирование данных измерений;

     метрологические функции (поверка, аттестация, характеристики погрешностей).

По назначению ИВК делятся на типовые, проблемные и специализированные. Типовые комплексы предназначены для решения широкого круга типовых задач автоматизации измерений, испытаний или исследований независимо от области применения. На рисунке 13.1 приведена структурная схема типовой ИВК. Основными  составными частями комплекса являются:

     компьютер ISA (PCI) с периферийными устройствами, подключёнными к нему, в том числе  посредством компьютерной сети;

     измерительные каналы (ИК), предназначенные для преобразования в цифровой код заданного числа сигналов;

     программное обеспечение;

     интерфейс, организующий связь технических устройств ИВК с компьютером;

     формирователь испытательных сигналов, которыми воздействуют на объект измерения с целью получения измерительных сигналов (например, i-й сигнал вырабатывается с помощью последовательно соединённых ЦАП i  и преобразователя  напряжение – испытательный сигнал ПНИСi).

Структура ИВК содержит аналоговый измерительный  (АИП) и аналого-цифровой (АЦП) преобразователи. При обработке нескольких измерительных сигналов одним АЦП в состав комплекса включается коммутатор, предназначенный для поочерёдного подключения сигналов к входу АЦП. Коммутатор может включаться как после АИП (ИК1), так и перед ним (ИК N).

Рисунок 13.1 – Структурная схема ИВК: К – для первого ИК и lN -го ИК

АИП предназначен для преобразования измерительного сигнала в сигнал, однородный с входным сигналом АЦП (т.е. в напряжение), масштабирования (ослабления или усиления) его до уровня, необходимого для проведения операции аналого – цифрового преобразования с минимальной погрешностью. При  наличии нескольких измерительных сигналов (К сигналов в ИК1) АИП состоит из К независимых последовательно соединённых первичных преобразователей и управляемых компьютером масштабируемых усилителей. Если же измерительные сигналы  являются однородными физическими величинами  и могут быть поочерёдно выбраны (скоммутированы), то в ИВК целесообразно установить один АИП (ИК N). Он последовательно во времени проводит преобразование измерительного сигнала и его масштабирование.

АЦП преобразует сигнал в цифровой код и передаёт его через интерфейс в компьютер. Работой всей аппаратной части ИВК управляет компьютер посредством:

          подачи управляющих сигналов различного рода;

          считывания и передачи по требуемым адресам цифровой информации (сигналы  ДАННЫЕ и АДРЕС). Под АДРЕСОМ понимается уникальный цифровой код, присвоенный конкретному ФБ или его части и позволяющий компьютеру однозначно идентифицировать данное устройство.

Рассмотрим принцип построения автоматизированной системы коммерческого учёта электроэнергии (АСКУЭ) ОАО «Томскнефть» ВНК (см. рисунок 3.2).

Рисунок 13.2 – Структурная схема АСКУЭ

 

Данная система охватывает 12 энергообъектов класса напряжений 220/110 кВ, по которым проходит граница балансовой принадлежности с ОАО «Томсэнерго», 1 энергообъект ОАО «Тюменьэнерго» и 1 принадлежит НК «ЮКОС». Проблема сбора информации от удалённых друг от друга объектов более 600 км решена путём использования спутниковой космической связи системы Глобал- Стар.

В целом система была спроектирована и внедрена на основе счётчиков СЭТ4-ТМ02.2 (производства Нижегородского завода им Фрунзе), контроллеров ОМЬ-40, программного обеспечения СТМ ОМЬ.

а – Евро-Альфа; б – СЭТ 4-ТМ02.2.

Рисунок 13.3 – Электронные многофункциональные счётчики

 

Определяющим требованием к счётчикам являются класс точности не хуже 0,5, глубина хранения профиля нагрузки с получасовым интервалом не менее 35 суток в энергонезависимой памяти, измерение активной и реактивной электроэнергии и мощности в двух направлениях.


Список литературы

 

1     Информационно – измерительная техника и электроника: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / [Г.Г.Раннев и др.] – М.: Изд. Центр «Академия», 2006.

2     Раннев Г.Г., Тарасенко А.П. Методы и средства измерений: Учебник для студ. высш. учеб. заведений. – М.: АС АДЕМА, 2004.

3     Харт Х. Введение в измерительную технику. - М.: Мир,1999.

4     Классен К.Б. Основы измерений. Электронные методы  и приборы в измерительной технике. – М.: Постмаркет, 2000.

5     Ратхор Т.С. Цифровые измерения. Методы и схемотехника. – М.: Техно-сфера, 2004.

  

Содержание

 

1 Лекция №1. Введение. Общие свойства средств измерений                             3

2 Лекция №2. Измерение постоянного тока и напряжения                                  5

3 Лекция №3. Измерение переменных токов и напряжений                                9

4 Лекция №4. Методы, измерительные преобразователи и приборы для измерения периодических сигналов                                                                      13

5 Лекция №5. Цифровые преобразователи и приборы                                        17

6 Лекция №6. Электронные аналоговые и цифровые осциллографы                21

7 Лекция №7. Цифровые приборы для измерения частотно-временных параметров сигналов телекоммуникационных систем                                       26

8 Лекция №8. Измерение характеристик усилителя                                            30

9 Лекция №9. Измерение сопротивления, емкости и индуктивности               35

10 Лекция №10. Измерение мощности                                                                 39

11 Лекция №11. Измерение расхода электрической энергии                             43

12 Лекция №12. Информационные измерительные системы                             45

13 Лекция №13. Измерительные вычислительные комплексы                          50

Список литературы                                                                                                 55