книги / Приборы и методы измерения электрических величин.-1

сигнала может быть исследована электронным осциллографом. Для измерения /„ых.макс используется приведенная на рис. 12.21

схема. Изменяя напряжение входного синусоидального сигнала при номинальном значении сопротивления нагрузки /?„, указанном в паспорте, устанавливают на выходе напряжение (/пш.макс и изме­ ряют его вольтметром. После этого сопротивление нагрузки заме­ няют резистором с сопротивлением К», измеряют значение напряже­ ния 0'иых и определяют максимальный выходной ток:

Измерив минимальное выходное напряжение описанным выше способом, значение минимального выходного тока определяют по формуле

Измерение коэффициента усиления напряжения Кг/- Если не требуется высокая точность определения коэффициента усиления напряжения Ки, или ког­ да подаваемое на вход ЛИС напряжение не может быть измерено непосредственно (например, на высоких ча­ стотах), то используют схе­ му, показанную на рис.

12.21.Переключатели Въ

Вг замкнуты, переключа­

тель Вя установлен в поло­ жение /. На вход ЛИС по­ дают от генератора сигна­

лов синусоидальный сигнал с параметрами, указанными в паспор­ те, измеряют переменное напряжение на выходе 11аЫ* с помощью

Для измерения Ки ЛИС с малым уровнем входного сигнала применяют схему, изображенную на рис. 12.22, где /?2 ^ 0,01 /?вх. Этот способ позволяет уменьшить погрешность измерения Ки, связанную с погрешностью вольтметра переменного тока. При из­ мерениях на высоких частотах в качестве делителя используется высокочастотный калиброванный аттенюатор.

Измерив напряжение Vг на выходе генератора, переключатель В1 переводят из положения 1 в положение 2, измеряют напряжение и шх на выходе ЛИС и определяют коэффициент усиления напряжения:

где Кл = (/?! 4- Яа)/#а — коэффициент деления.

Определив значения Кц и /?пх, можно найти коэффициент усиления мощности:

Измерение коэффициента гармоник. Измерение коэффициента гармоник /<г производится по схеме, изображенной на рис. 12.21. Плавно увеличивая напряжение входного синусоидального сигнала и измеряя напряжение выходного сигнала, устанавливают значение напряжения выходного сигнала, указанное в паспорте. После этого переключатель Бэ переводят в положение 2 и измеряют коэффи­ циент гармоник Кг выходного сигнала с помощью измерителя не­ линейных искажений (см. § 4.9).

Фактически измеряется коэффициент нелинейных искажений Кт„

Если искажения не очень велики /Сг <С 0,1, то коэффициенты Кг

На вход ЛИС подают синусоидальный сигнал и измерителем пере­ менного напряжения измеряют напряжение на ее выходе (/вы*. Затем переключатель Вг размыкают, измеряют напряжение С/пых на выходе ЛИС и входное сопротивление определяют по формуле

Измерение выходного сопротивления. Измерение /?выХ выпол­ няется по схеме, изображенной на рис. 12.21. На вход ЛИС подают синусоидальный сигнал, значение которого указано в паспорте, и измеряют напряжение на выходе (переключатель Вя установлен в положении 1). Выходное напряжение ЛИС измеряют дважды: при подключенной и при отключенной нагрузках.

Выходное сопротивление определяют по формуле

0 вм’ — напряжение при подключенной нагрузке; Vвых — напряже­ ние при отключенной нагрузке.

Измерение максимальной амплитуды импульсов входного и вы­ ходного напряжений. Для измерения ( / вх.макс* ^пых.макс исполь­

входных импульсов, подаваемых от генератора сигналов, увеличи­ вают до значения, при котором искажения формы импульсов вы­ ходного напряжения станут равными значениям, указанным в пас­ порте. После этого соответствующим измерителем напряжения измеряется максимальная амплитуда входного (выходного) напря­ жения.

Измерение времени задержки ^з д. Измерение /зад производят по схеме, приведенной на рис. 12.24. Входящие в нее элементы должны удовлетворять требованиям, указанным в методе измерения 6/гхмакс и ^вх.иинПоложение переключателей для измерения /зад показано на рис. 12.24.

На вход ЛИС подают импульс прямоугольной формы с парамет­ рами, указанными в паспорте, и измеряют /зад измерителем времен­ ных интервалов или опре­

этом переключатели Вх и В2 должны быть замкнуты и переключа­ тель В3 установлен в положение В. На вход ЛИС подают импульс прямоугольной формы с указанными в паспорте параметрами и электронным осциллографом. Измеряют интервал времени, за кото­ рый выходное напряжение ЛИС изменяется от момента первого достижения уровня 0,1 до момента первого достижения уровня 0,9 установившегося значения. Это значение и будет соответствовать времени нарастания /иар.

единым централизованным автоматическим устройством, связанным с первичными измерительными преобразователями, воспринимаю­ щими измерительную информацию о множестве физических вели­ чин и осуществляющими измерение этих величин, обработку ре­ зультатов измерения по определенной программе с последующей выдачей человеку или управляющей машине выходной информа­ ции.

В ИИС информация получается непосредственно от изучаемого объекта измерением и (или) контролем, обработкой этой информа­ ции и выдачей ее в виде совокупности именованных чисел, графи­ ков, общих выводов и команд, человеку или управляющей машине и отражающих состояние конкретного объекта.

П о н а з н а ч е н и ю р а з л и ч а ю т :

измерительные ИИС, выполняющие прямые, косвенные сово­ купные измерения с соответствующей математической обработкой (телеизмерительные ИИС, если исследуемый объект находится на очень большом расстоянии);

ИИС автоматического контроля, предназначенные для получе­ ния информации об отклонениях контролируемых величин от уста­ новленных нормальных значений;

ИИС технической диагностики, дающие информацию о неисправ­ ностях и повреждениях какой-либо системы, на основании которой решается задача отыскания места повреждений и установления при­ чин этих повреждений и неисправностей.

Развитие ИИС. В ИИС первого поколения для выполнения слож­ ных видов измерений, а также получения количественных суждений при измерении, контроле, диагностике на начальной ступени раз­ вития использовались аппаратные методы обработки информации (специализированные вычислительные устройства). Они обеспечи­ вали при централизованном циклическом сборе информации обра­ ботку по жесткой и неизменяемой программе. В ИИС первого поко­ ления применялась дискретная полупроводниковая техника. В даль­ нейшем произошла унификация ряда измерительных и вычисли­ тельных процедур: после аналого-цифрового преобразования ре­ зультаты измерений вводились в ЭВМ, где выполнялись програм­ мным путем операции обработки. В состав ИИС включались миниЭВМ.

ИИС второго поколения характеризуются адресным или адаптив­ ным сбором информации, преимущественно программной обработкой информации на ЭВМ, использованием микроэлектронных устройств малой и средней степени интеграции, блочно-модульным принципом построения систем. Объединение измерительной части с ЭВМ и дополнение их некоторыми блоками позволяет выполнять не только функции ИИС, но и автоматического регулирования и управления. Сопряжение выполняется с помощью стандартных цифровых интер­ фейсов, которые могут обеспечить более гибкую, чем в управляю­ щих вычислительных машинах, организацию совместной работы функциональных устройств между собой, с любой ЭВМ (измеритель­ но-вычислительный комплекс).

В ИИС третьего поколения на новом уровне должны сочетаться программные и аппаратные средства обработки информации. Для измерительных задач особенно важно одновременное выполнение операций измерений и обработки измерительной информации. Важ­ ными разновидностями ИИС третьего поколения могут быть системы с использованием пространственных датчиков и мини-ЭВМ, а также системы, в которых применяются микропроцессоры (МП). К ИИС третьего поколения приближаются системы сбора и обработки информации с несколькими МП, одновременно работающими в от­ дельных подсистемах, и выдачей информации на центральный процессор. В связи с созданием ИИС третьего поколения необхо­ димо разработать и выделить типовые алгоритмы сбора и обработки данных, которые рационально реализовать с помощью индивидуаль­ ных или групповых микропроцессорных средств, обслуживающих один или несколько источников и приемников информации; разра­ ботать аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, ра­ ботающие совместно с микропроцессорами.

Основные узлы ИИС. ИИС имеют следующие основные узлы.

Измерительные преобразователи, воспринимающие измеряемые ве­ личины и соединяющие ИИС с исследуемым объектом. Измеритель­ ные преобразователи различаются по принципу действия, характеру и диапазону изменения входных и выходных сигналов.

Коммутирующие устройства, предназначенные для поочеред­ ного подключения преобразователей к системе передачи или вре­ менного разделения измерительных каналов. Основными характе­ ристиками коммутирующих устройств являются коэффициент пере­ дачи, быстродействие, число входных каналов, максимальная ча­ стота коммутации каждого канала. В зависимости от используе­ мых ключей коммутирующие устройства бывают контактными и бесконтактными.

Унифицирующие преобразователи осуществляют преобразование всех измеряемых величин в единую физическую величину (ток, напряжение, частоту); изменение сигнала по значению, выполняют нелинейное преобразование выходного сигнала с целью получения линейной зависимости значений унифицированного сигнала от изме­ ряемой величины. Унифицирующие преобразователи бывают инди­ видуальные (устанавливаются до коммутатора) и групповые (уста­ навливаются после коммутатора). Включенный после коммутатора унифицирующий преобразователь является общим для всех сигналов первичных измерительных приборов. В ИИС используются унифици­ рованные аналоговые, импульсно-аналоговые, цифровые сигналы, пропорциональные измеряемой величине.

Устройства измерительные, выполняющие операции измере­ ний.

Устройства математической и логической обработки измери­ тельной информации.

Устройства хранения информации, состоящие из запоминаю­ щих устройств (ЗУ) и преобразователей информации в вид, удобный для ввода в ЭВМ, на цифропечать, визуальную индикацию и т. д.

Устройства выходной информации предназначены для передачи результатов измерения, контроля операторам. Устройства выходной информации представляют собой регистрирующие устройства, обеспечивакяцие получение результатов измерения в виде кривых, таблицы цифр; цифровые табло из светодиодов; цифровые приборы, приборы, обеспечивающие звуковую, световую сигнализацию, и др.

Линии связи — специальные линии, телефонные, телеграфные, а также линии электропередач.

ИИС бывают одноканальные и многоканальные.

§ 13.3 Использование микропроцессоров в измерительной технике

Микропроцессор (МП) — функциональное устройство с фикси­ рованным интерфейсом, предназначенным для реализации заданной системы команд. МП состоит из арифметического логического уст­ ройства, внутренних устройств памяти и управления.

Интерфейс — система сопряжения между составляющими ча­ стями (подсистемами) системы обработки данных, включающая в себя аппаратные средства, линии связи (шины) и протокол (сово­ купность правил, устанавливающих единые принципы взаимодейст­ вия подсистем).

МП иногда называют однокристальной микро-ЭВМ, выполнен­ ной на основе большой интегральной схемы (БИС), на одном кри­ сталле размещена схема центрального процессора цифровой ЭВМ. Старый метод реализации логики, основанный на соединении стан­ дартных логических схем, заменяется на метод соединения стандарт­ ной аппаратуры с логикой, хранимой в постоянном ЗУ. Вся логика размещена в очень небольшом объеме изделия, поэтому МП можно рассматривать как логический элемент.

Использование микропроцессоров и интерфейса в измерительной аппаратуре (от самых элементарных устройств до сравнительно сложных по структуре каналов сопряжения) открывает большие перспективы по созданию «интеллектуальных» приборов («думаю­ щих» приборов) недоступной ранее сложности с меньшими затра­ тами и меньшим количеством компонентов. Сложный измеритель­ ный прибор приближается к вычислительным системам, исполь­ зуются шины с определенными характеристиками, осуществляются взаимосвязи, «ведущий—ведомый», программные средства.

Дополнение прибора микропроцессором дает ряд преимуществ, *реди которых следует отметить: сопряжение с клавиатурой, по­ зволяющее вводить числа не кнопками, а цифровыми клавишами; сопряжение с дисплеем, обеспечивающее считывание текста с ЭЛТ; обновление отсчетов результатов измерений, введение масштабных множителей; выполнение обычных вычислений, связанных с изме­ нением масштаба сигнала; управление и координирование работы узлов прибора; сопряжение с другими приборами посредством со­ гласующего канала.

Прибор, дополненный «интеллектом» МП, дает возможность осу­ ществить автокалибровку. При автоматизированной калибровке

вначале измеряются данные некоторого «эталона», а затем — значе­ ние неизвестной величины и математическими средствами исклю­ чается погрешность. В вольтметре, в котором реализован этот спо­ соб, в режиме внутренней синхронизации цикл калибровки выпол­ няется перед каждым измерением. Компенсация ошибок смещения и усиления производится путем измерения нулевого («земляного») уровня сигнала, а затем фиксированного эталонного напряже­ ния.

Автокалибровка может быть выполнена с использованием метода замещения и ЗУ. Измеряются параметры отключенного от источ­ ника испытываемого элемента вместе со всеми кабелями, зажимными приспособлениями. Эти результаты вводятся в устройство памяти, затем вновь выполняются измерения при идентичных условиях, но уже в включенном к источнику испытываемом элементе, общие ошибки и отклонения в системе исключаются математическими сред­ ствами: сравнение исследуемого сигнала с ранее введенным в память калибровочным сигналом и воспроизведением результата. Таким образом, одно из важных достоинств, получаемых от использова­ ния МП, — способность самоконтроля.

МП при соответствующем программном обеспечении способен легко устанавливать местоположение повреждения в приборе и выдавать информацию об этом. Поскольку неисправности приборов возникают при включении питания, то, очевидно, что этот проме­ жуток времени вполне подходит для их обнаружения. МП можно запрограммировать на проведение специальных тестов по диагно­ стике работы прибора.

Применение МП делает другой компоновку схемы прибора. Глав­ ная особенность обычного варианта цифрового прибора, включая такие сложные операции, как умножение и линеаризация, выпол­ няются до преобразования в цифровую форму. При обычном ва­ рианте построения прибор нуждается в большом количестве логи­ ческих схем для управления процессом измерения, выводом изме­ рительной информации на цифровой индикатор, для управления работой входных и выходных устройств сопряжения и др.

прибора с МП. При использовании МП аналого-цифровой преобразо­ ватель перемещается • ко входу, так что основная доля обработки сигналов осуществляется цифровым способом.

Выполненный по данной схеме цифровой мультиметр (авометр) с МП значительно расширяет технические возможности прибора. Прибор измеряет напряжение постоянного и переменного тока (отсчет в среднеквадратичных значениях) с чувствительностью 1 мкВ, а также сопротивление, результаты измерений отображаются на светодиодное табло. Результаты измерения обрабатываются по нескольким фиксированным программам, хранимым в памяти мик­ ропроцессора и позволяющим:

1) умножать каждый отсчет на константу, вводимую с помощью клавиатуры с цифрами;