книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

в частотном диапазоне от 30 Гц до 100 кГц при разрешающей способ­ ности несколько микровольт. Рабочий диапазон частот входных сиг­ налов таких вольтметров достигает 20 МГц. Разработаны электронные

Тенденции развития ЦИП, АЦП и ЦАП направлены на улучшение их метрологических характеристик, расширение функциональных возможностей, повышение надежности, снижение стоимости. Реше­

микропроцессоров, представляющих собой вычислительно-логические устройства в интегральном исполнении.

Применение микропроцессоров позволяет осуществлять, например, такие функции, как автоматическая калибровка, коррекция система­ тических погрешностей, диагностика неисправностей, обработка дан­ ных, изменение вида функций преобразования прибора и т. д. К таким приборам относится, например, отечественный цифровой мультиметр 1Ц1531, который обеспечивает работу по 11 программам при основной погрешности 0,01 % [151. В дальнейшем ожидаются рост производства подобных приборов и улучшение их метрологических характеристик при расширении функциональных возможностей.

10.6. Цифровые информационно-измерительные системы

Согласно ГОСТ 16263—70, измерительной системой называется совокупность средств измерений (мер, измерительных приборов и пре­ образователей) и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, которая предназначена для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обра­ ботки, передачи и (или) использования в автоматизированных системах управления. Кроме того, информационно-измерительная система (ИИС) должна обеспечить представление измерительной информации в форме, доступной для восприятия человеком в виде именованных чисел, гра­ фиков, высказываний, отображающих состояние исследуемого объекта.

ИИС совместно с цифровыми ЭВМ, осуществляющими обработку измерительной информации и выполняющими функции управления ра­ ботой системы, составляют измерительно-вычислительные комплексы

(ИВК).

По функциональному назначению ИИС подразделяются на несколь­ ко групп.

Одну из групп составляют системы, которые автоматически осуще­ ствляют прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения, причем три последних вида измерений выполняются путем математи­ ческой обработки результатов прямых измерений аппаратурным либо программным путем.

К другой группе относятся ИИС, которые выполняют функции измерения и контроля параметров исследуемого объекта. Эти систе­ мы именуются системами автоматического контроля (САК).

К третьей группе принадлежат системы, выполняющие функции технтеской диагностики (СТД), которые на основании полученной ин­ формации об исследуемом объекте дают возможность определить место его повреждения и выявить его причину. Обычно эти системы работа­ ют совместно со средствами вычислительной техники и выдают резуль­ таты в виде определенных логических выводов либо обобщенных ха­ рактеристик. Дальнейшим развитием СТД явились ИИС распознавания образов.

ИИС может быть либо автономной, либо неавтономной. Автоном­ ность предусматривает восприятия выходной информации человекомоператором. Если информация предназначена для ввода в иную, более сложную систему (например, автоматизированную систему управ­ ления, измерительно-вычислительный комплекс и т. п.), то ИИС неавто­ номна и является составной частью более сложной системы.

Классификацию ИИС целесообразно проводить по виду входных величин, форме выходной информации, принципам построения системы.

Входные величины могут быть независимыми либо взаимосвязан­ ными, их значения могут изменяться во времени и распределяться в пространстве по определенным законам. Измеряемые величины могут быть непрерывными либо дискретными, активными либо пассивными.

В зависимости от протяженности линии связи различают системы ближнего и дальнего (телеизмерительные) действия. Важной особенно­ стьютелеизмерительных систем является существенное влияние харак­ теристик линии связи на качество работы системы.

По виду информации, курсирующей в ИИС, средства измерения, обработки, хранения и передачи могут быть аналоговыми, цифровыми либо гибридными (аналого-цифровыми).

По виду организации ИИС различают системы с окесткими алгоритм мами, программируемые и адаптивные. Программируемые системы изменяют алгоритм работы в соответствии с различными, заранее из­ вестными фазами функционирования объекта исследования, адаптив­ ные — в соответствии с текущей ситуацией.

_ В связи с усложнением объектов исследования требуется произво­ дить измерение и передачу значений значительной совокупности вели­ чин. Тракты прохождения всех сигналов должны быть определенным способом разделены, чтобы каждый из сигналов попал к своему адре­ сату. Простейшее разделение — пространственное, при котором каж­ дой из измеряемых величин отводится индивидуальная линия связи; иные методы разделения — как линейные (временное, частотное, по форме сигналов), так и нелинейные предполагают передачу сообщений по одной линии связи.

Основные блоки ИИС. В состав обобщенной структурной схемы ИИС входят 1251:

1. Средства первичных измерительных преобразований (блок дат­ чиков).

2.Измерительные устройства, обеспечивающие выработку сигна­ лов измерительной информации.

3.Средства обработки измерительной информации, в которых осуществляется математическая и логическая обработка результатов измерения по определенному алгоритму.

4.Средства транспортировки информации в пространстве (на рас­ стояние) или (и) во времени (хранение). Содержат линии связи и запо­ минающие устройства.

5.Средства представления информации, содержащие устройства преобразования информации к удобному для потребителя виду, а также устройства индикации и регистрации. Измерительная информация, полученная посредством ИИС, отображается: показаниями группы ана­ логовых приборов соответственно числу измерительных каналов; по­ казаниями одного прибора, который подключается к выходам измери­ тельных трактов последовательно по времени; с помощью группы цифровых отсчетных устройств; с помощью мнемонических схем; в ви­ де графиков на выходе аналоговых самописцев либо дисплеев (с коментариями в виде знаковой информации), точечных графиков, таблиц, цифр на выходе специальных пишущих машин и соответствующего раз­ мещения точек на перфокартах.

Выбор того или иного способа отображения выходной информации ИИС зависит от ее значения, числа измерительных каналов, целей использования полученной информации и т. п.

6.Устройства управления, организующие взаимодействие блоков

ИИС согласно заранее заложенной программе либо в соответствии

стекущим временем или текущей ситуацией в системе.

Всостав ИИС, кроме основных, входят и вспомогательные блоки, обеспечивающие нормальное функционирование системы:

1.Блок адаптации по измеряемому параметру (уменьшающий ста­ тистическую либо смысловую избыточность) и по условиям связи (при­ спосабливающий систему к изменению помеховой обстановки в линии связи).

2. Блоки унификации выходных сигналов датчиков, осуществля­ ющие преобразования выходной электрической величины последних в унифицированную электрическую, а также смещение нулевого уров­ ня, масштабирование и коррекцию статических и динамических ха­ рактеристик первичных преобразователей. Унифицированными сиг­ налами являются: напряжение постоянного тока 0...10 мВ, 0...1 В, 0...10 В, —0,25...+ 0,25 В, 0...0,5 В, 0...2 В; сила тока 0...5 мА, 4...20 мА, 0...20 мА, —5 ...+ 5 мА, 0...100 мА; частота 50 Либо 400 Гц (ГОСТ 9895—78).

Унифицирующие преобразователи (УП) могут быть индивидуальными и "групповыми. В первом случае УП включен на выходе только од­ ного первичного измерительного преобразователя, а в другом — под­ ключается последовательно во времени к выходам отдельных рреобразователей совокупности. Если выходным информативным парамет­ ром первичного измерительного преобразователя является напряжение либо сила постоянного тока, то УП выполняют чаще всего в виде схе­ мы с модуляцией — демодуляцией, позволяющей гальванически разделить вход и выход УП, включая трансформатор на входе либо выходе усилителя переменного тока. УП можно выполнять с исполь­ зованием операционных усилителей, в том числе с нелинейными функ­ циями преобразования.

3. Коммутирующие устройства, используемые при временнбм раз­ делении каналов. К коммутаторам ИИС предъявляется ряд требований,

обусловленных условиями их работы и необходимостью обеспечения качественной работы системы. Особо важными характеристиками явля­ ются погрешность и быстродействие коммутаторов, но при этом также существенное значение имеют размеры, надежность (ресурс), потреб­ ляемая мощность, виброустойчивость и др. В зависимости от кон­ струкции ключевых элементов коммутаторы подразделяются на кон­ тактные (с механическими контактами) и бесконтактные, у которых включение либо отключение канала осуществляется изменением про­ водимости диодов, транзисторов (в том числе полевых), чувствительных элементов оптоэлектронных и гальваномагнитных устройств. Контакт­ ные ключи обладают незначительным сопротивлением в замкнутом состоянии и большим — в разомкнутом. Благодаря, этому аддитивная и мультипликативная составляющие погрешности незначительны. Быстродействие контактных ключей мало, их можно использовать на частотах переключения, не превышающих нескольких сотен герц. Бесконтактные ключи могут работать на частотах до десятков и сотен мегагерц, но наряду с этим преимуществом они обладают недостатком, заключающимся в значительно большем сопротивлении в замкнутом состоянии и меньшим в разомкнутом, чем контактные.

По принципу функционирования коммутаторы подразделяются на такие, которые отключают либо закорачивают неопрашиваемые каналы, и комбинированные.• Коммутаторы с отключением неопрашиваемых каналов бывают одно- и многоступенчатыми, в которых каж­ дая из групп первичных преобразователей через выходные ключи со­ единена со своим групповым коммутатором. Преимуществом много­ ступенчатого коммутатора является уменьшение количества элементов управления им.

Если ИИС осуществляют не только измерение, но и контроль, то используются задатчики уровней сигнала (уставок) с устройствами сравнения. С их помощью обеспечивается задание в цифровой или аналоговой форме определенных размеров контролируемых величин.

Кроме упомянутых блоков, в состав ИИС входят устройства самоповерки и диагностики, контролирующие работу собственно ИИС с целью увеличения их метрологической и эксплуатационной надеж­ ности, блоки питания и т. п.

Как уже упоминалось ранее, применение в составе ИИС электрон­ ных вычислительных машин дает возможность строить измерительно­ вычислительные комплексы. ИВК, как и ИИС, строят по агрегатно­ модульному принципу с обеспечением метрологической, информаци­ онной, конструктивной и эксплуатационной совместимости отдельных средств и групп средств и блоков между собой. Кроме того, в ИВ К обеспечивается еще и программная совместимость, т. е. унификация, согласованность и нормирование правил обмена информацией между функциональными блоками и модулями.

Этот вид совместимости, как и информационная, и конструктивная совместимости, обеспечивается и н т е р ф е й с а м и . Наибольшее распространение при построении сложных ИИС и ИВК в настоящее время получили интерфейс САМАС (Сошри1ег АррПсаИоп Гог Меазигтеп1 апб Соп1го1) и приборный интерфейс фирмы «Хьюлетт Пак­ кард» (США), принятый Международной электротехнической комис-

сией в качестве международного стандарта. Отечественной промышлен­ ностью выпускается несколько типов ИВК (например, ИВК-6, ИВК-7 и др.).

Наиболее простыми в построении являются малогабаритные ИИС широкого применения, которые, как правило, строят по схеме, изобра­ женной на рис. 10.15.

В состав системы входят: первичные измерительные преобразователи ПИП1,..., ПИПн (блок датчиков), выходы которых подключены через соответствующие преобразователи УП ко входам коммутатора К\ блок преобразования измерительной информации БПИИ (можно ис­ пользовать АЦП либо ЦИП определенного унифицированного элек­

управления работой отдельных блоков и системы в целом.

По такой схеме, в частности, построены отечественные ИИС типов К200, К484/1, К484/2м, К729-11, К-70 и др.

Г л а в а 11. ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

11.1. Общие сведения

Диапазон значений тока и напряжения, измеряемых в современной

практике, весьма широк: от 10-17 до 10е А и от 10~9 до 10е В; их час­ тотный диапазон составляет от нуля до сотен мегагерц. В табл. 11.1 приведены ориентировочные данные о приборах, наиболее часто при­ меняемых для измерений тока и напряжения.

Выбор приборов должен осуществляться исходя из соответствия их свойств конкретным условиям измерений, а также с учетом особенно­ стей методик измерений, которые рассмотрены в последующих парагра­ фах. При этом следует иметь в виду, что, как правило, наиболее высо­ кий класо точности имеют приборы, пределы измерений которых от­ вечают средней области диапазонов применения, указанных в табл. 11.1 (примерно от 0,01 до 10 А и от 0,1 до 600 В); с приближением к краям диапазонов, особенно в сторону малых значений тока и напря­ жения, классы точности снижаются (характеристики конкретных ти­ пов приборов приводятся в справочной литературе).

Выбирая метод и средство измерения, следует учитывать не только примерное значение амплитуды и частоты измеряемой величины, до­ пустимую погрешность измерения, ожидаемые значения влияющих величин, но также и мощность цепи, в которой осуществляется изме­ рение. Дело в том, что включение амперметра или вольтметра в эле-

Таблица 11.1

П р и м е ч а н и е . Сплошными линиями обозначены диапазоны измерения самими приборами: прямой — постоянных, волнистой — переменных тока и напряжения; штриховые линии обозначают диапазоны измерения при использовании дополнитель­ ных преобразователей: шунтов (Ш), добавочных резисторов (ДР), трансформаторов тока (ТТ) н напряжения (ТН), делителей напряжения (ДН).

ктрическую цепь, особенно маломощную, может вызывать изменение измеряемой величины и возникновение погрешности метода.

Действительно, пусть, например, требуется измерить ток 1Х по­ требителя, обладающего сопротивлением Я и питаемого от источника э. д. с. Е с внутренним сопротивлением # 0. Значение тока 1Х в этой цепи

хД+ Д0 •

После включения в цепь амперметра, имеющего сопротивление Яа , ток в цепи изменится и станет равным 1а = Е/(Я + Я0 + Ял). Амперметр измерит именно это значение, вследствие чего возникнет погрешность метода, относительное значение которой

или, учитывая, что

1аК = Р* и 12аР0= РНо, 12а Р а = Ра,

имеем

Ра

Рк + Р«а + рл '

откуда видно, что значение погрешности метода зависит от отношения мощности, потребляемой амперметром, к суммарной мощности иссле­ дуемой цепи.

В случае измерения падения напряжения 11х потребителя имеем соответственно

а после включения вольтметра с сопротивлением Ру параллельно со­ противлению Р

РМ у

Р+ Р у

ЩГ

^0 +

Погрешность метода в этом случае

лр у,ря

°»*ДУ~ 1+Д/До ’ откуда следует, что погрешность 6Мду пропорциональна отношению

мощности вольтметра и потребителя и уменьшается с увеличением отношения сопротивлений Р/Р0, а также с увеличением сопротивления вольтметра.

Таким образом, как при измерении тока, так и при измерении на­ пряжения следует выбирать приборы, которые потребляют мощность значительно меньше мощности, рассеиваемой в исследуемой цепи. При измерениях переменных токовой напряжений необходимо счита­ ться также с влиянием реактивных'составляющих сопротивлений при­ боров на режим исследуемой цепи, особенно — на резонансные'явления.

Следует заметить, что рассмотренные погрешности метода пол­ ностью отсутствуют в тех случаях, когда амперметр или вольтметр остается постоянно включенным в цепь в ее рабочем режиме.

При одновременном включении в цепь амперметра и вольтметра, как это имеет место, например, при измерении мощности (см. п. 12.1)

или сопротивления (см. п. 14.2), к рассмотренным выше погрешностям метода, обусловленным нарушением режима в исследуемой цепи, при­ бавляются погрешности метода, связанные с местом включения прибо­ ров в цепь. Действительно, при включении приборов по схеме рис. 12.1, а вольтметр измеряет напряжение 11х, а амперметр — сум­ му токов 1Х + /к, вследствие чего возникает погрешность метода измерения тока

В схеме рис. 12.1, б амперметр измеряет ток 1Х, а вольтметр — сумму напряжений 11х + 11а, и имеет место погрешность метода из­ мерения напряжения

Следовательно, в этом случае необходимо выбирать приборы, по­ требляющие мощность, значительно меньшую мощности Рх, и приме­ нять ту схему их включения, которая обеспечивает минимальную погрешность метода.

11.2. Измерение постоянных тока и напряжения

Для измерения постоянных тока и напряжения наиболее часто используются магнитоэлектрические приборы, которым свойственны высокая чувствительность, точность и широкий диапазон измерений. Стрелочные (а также со световым указателем) магнитоэлектрические приборы со встроенными шунтами и добавочными резисторами позво­

ляют измерять ток от 10“ 8 до 50 А и напряжение от 10~5 до 1000 В,

агальванометры — обнаруживать ток и напряжение, начиная с 10“ и А

и10“® В, причем наиболее точные магнитоэлектрические приборы, предназначенные для измерения средних токов и напряжений (при­ мерно от 10 мкА до 30 А и от 10 мВ до 60 В), имеют классы точности 0,2 и даже 0,1. Магнитоэлектрические вольтметры с наружными доба­ вочными резисторами можно использовать для измерения напряжения до 20 кВ, а милливольтметры с наружными шунтами — для измерения тока до 10 кА.

Основные схемы измерения напряжения и тока приборами прямого преобразования представлены на рис. 11.1. При измерении напряжения вольтметром с добавочным резистором (рис. 11.1, в) имеем

(/, = ^ + / ^ = ^ ( 1 + - ^ - ) ,

где Vу — показание вольтметра; /у и Я,у — ток и сопротивление вольт­ метра; Дд — сопротивление добавочного резистора.

Номинальный ток добавочного резистора должен совпадать с то­ ком полного отклонения вольтметра, а его сопротивление выбирается таким, чтобы множитель 1 ■+• Яд/Ду был целым числом, кратным 2, 5 или 10. Класс точности добавочного резистора должен быть выше класса точности вольтметра.

где 11ш, /ш, Яш— падение напряжения на шунте, его ток и сопротив­ ление; Кту, 1,пу — сопротивление и ток милливольтметра.

Милливольтметр подключается к потенциальным зажимам шунта' калиброванными проводами (гк) с нормированным сопротивлением, равным 0,035 Ом для пары проводов. Падение напряжения на прово­ дах 11ту учитывается при градуировке милливольтметра, поэтому его показание определяется падением напряжения на шунте, т. е. Цпу = = Цш-

При /щ ^ 0,003/С, где К — класс точности шунта, значением тока 1ту пренебрегают (погрешность от этого пренебрежения,’не пре­

где г/ш.вон, /ш.ном — номинальные значения напряжения и тока шунта. Номинальное напряжение шунта и предел измерения милливольт­ метра должны совпадать; класс точности шунта должен быть выше клас­

са точности милливольтметра.

Для измерения токов, превышающих 10 кА (что соответствует максимальному значению номинального тока серийных шунтов), мож­ но воспользоваться параллельным соединением нескольких шунтов, при котором потенциальные зажимы всех включенных параллельно в цепь измеряемого тока шунтов соединяются калиброванными прово­ дами с зажимами милливольтметра.

Для измерения самых больших токов, а также при измерении тока в цепях высокого напряжения, когда для защиты обслуживающего персонала необходимо изолировать цепь измерительного прибора от высокого напряжения, применяют измерительные трансформаторы по­ стоянного тока (см. п. 7.2) совместно с магнитоэлектрическими измери­ телями.

Электродинамические приборы по точности не уступают магнито­ электрическим, однако их диапазоны измерений намного уже (от 1 мА до 10 А по току и от 1 до 600 В по напряжению) и они потребляют значительно большую мощность; поэтому их применение на постоян­ ном токе ограничено. Из-за сравнительно узких диапазонов измерений, большой мощности потребления и невысокой точности не находят