Индукционные измерительные приборы.

Индукционный механизм (рисунок) состоит из одного или нескольких неподвижных электромагнитов и подвижной части в виде алюминиевого диска, насаженного на ось. Взаимодействие магнитных потоков с током, наведенным в диске, вызывает перемещение подвижной части. Индукционные механизмы по числу потоков, пересекающих подвижную часть, могут быть одноточечными (в настоящее время не используются) и многоточечными. Многоточечные делятся на два типа: с бегущим магнитным полем и с вращающимся полем.

Рисунок 30. Структурная схема индукционного механизма,

где 1,2- Сердечники,3- Диск.

Уравнение момента вращения диска:

,

где Ф₁, Ф₂ - потоки, пронизывающие диск;

с - коэффициент пропорциональности, с=с_гс₃+с₁с₄;

f - частота тока; ψ – угол сдвига между потоками

Рисунок 31. Устройство однофазного индукционного счетчика и схема включения.

 

Конструктивно электромеханический индукционный счетчик состоит из 19-ти деталей, включая крышку и пластмассовое основание кожуха. На рисунке 31 показано устройство однофазового индукционного счетчика и его основные узлы и детали устройства. Трехфазный индукционный счетчик по устройству представляет собой два однофазных в одном корпусе. Индукционный счетчик работает лишь на переменном токе.

Достоинства: значительная перегрузочная способность, нечувствительность к влиянию внешних магнитных полей из-за наличия сильного собственного магнитного поля.

Недостатки: пригодность работы только для переменного тока, чувствительность к колебаниям частоты переменного тока.

Электронный счетчик

На ряду с электромеханическими счетчиками разработаны электронные счетчики. Например, статический счетчик ватт-часов активной энергии типа ЦЭ 6827М, который является счетчиком непосредственного включения и предназначен для многотарифного учета активной энергии в однофазных цепях переменного тока. Счетчик представляет собой автоматическое цифровое множительное устройство (АЦУ) с преобразованием напряжения, пропорционального мощности, в частоту следования импульсов, суммирование которых в цифровом устройстве дает количество потребляемой энергии. В этом электронном счетчике собраны все достоинства приборов данного назначения. Счетчик может использоваться в качестве датчика приращения энергии для автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ).Электронные счетчики строятся на основе измерения мгновенных значений тока и напряжения цепи с последующим определением мгновенного значения мощности и интегрированием его в соответствии с зависимостью:

где p - мгновенное значение мощности цепи.

Статические (электронные) счетчики выпускаются как однофазные, так и трехфазные.

Структурная схема электронного однофазного счетчика электрической энергии типа ЦЭ 6827М приведена на рисунке -32, где ТТ- трансформатор тока; ШИМ- широтно-импульсный модулятор; К- ключ; АИМ- амплитудно-импульсный модулятор; УУ- устройство усреднения; ПНЧ- преобразователь напряжения в частоту; СИ- счетчик импульсов; ПР- процессор; И- интерфейс; ИТ- индикаторное табло (дисплей).

 

ПНЧ

АИМ

СИ

УУ

ТТ

I

ПР

К

ИТ

И

ШИМ

U

 

Рисунок32 Структурная схема ЭС.

В счетчике типа ЦЭ 6827М перемножение тока и напряжения производится с помощью схем ШИМ – АИМ с последующим преобразованием напряжения, пропорционального мощности, в частоту. Далее с помощью процессораPIC 34C 04 производится подсчет импульсов ПНЧ и их интегрирования и индикация на индикаторном табло дисплея. Показания дисплея счетчика автоматически изменяются каждые 8 с. Информация счетчика доступна для просмотра и коррекции. Счетчик имеет световой индикатор функционирования, питаемый литиевым элементом SL-350P, срок эксплуатации которого - 8 лет.

 

Цифровые приборы.

Бурное развитие приборостроения в середине XX столетия стало отправной точкой интенсивной разработки и внедрения цифровых измерительных приборов.

Стоит отметить, что в эти перспективные разработки внесла научный вклад и наша кафедра. На заре у истоков (1950-1970гг) первоначальных исследований развития и создания цифровых приборов и преобразователей трудились молодые, талантливые преподаватели –ученые нашей кафедры: Д.И.Малов, Е.И.Теняков и В.А.Иванцов. Эти высокоэрудированные специалисты в цифровой вычислительной технике всегда принимали активное участие во всех конференциях по цифровой измерительной технике. Интересно, что первая конференция в СССР прошла в Ленинграде в номере гостиницы «Октябрьская», на которой присутствовало всего 10 человек. Участники конференции представляли ученых из Ленинграда, Новосибирска, Новочеркасска, Пензы, и Львова. Приятно вспоминать, что сотрудниками кафедры выполнялись хоздоговорные работы с Краснодарским заводом измерительных приборов (ЗИП), направленные на разработку автоматических измерительных цифровых вольтметров и мостов. На разных этапах выполнения этой важной и ответственной работы были приглашены на работу асс. А.Н.Комов, инженер Ю. А. Бахвалов а ныне д.т.н. почетный проф. ЮРГТУ, студенты В. В. Буравлев и др. Впоследствии эти молодые инженеры защитили кандидатские диссертации по разработке и исследованию автоматических цифровых приборов и преобразователей.

Цифровым прибором называется прибор, автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измеряемой информации, выдающий результаты в цифровом виде.

Сложную электронную схему цифрового измерительного прибора представим простой структурной схемой, показанной на рисунке 33,

где:

ВУ -входное устройство;

АЦП -аналого-цифровой преобразователь;

ЦОУ -цифровое отчетное устройство; N - цифровой вход;

УУ - устройство управления.

 

Рисунок 33 Структурная схема ЦП.

Измеряемый сигнал подается на входное устройство, в котором преобразуется до необходимого значения; входное устройство содержит переключатель рода измеряемой величины, переключатель пределов измерений.

Основным блоком любого цифрового прибора является аналого-цифровой преобразователь. Это устройство преобразует аналоговый сигнал в код, соответствующий измеряемой величине, далее сигнала с АЦП подается на ЦОУ, с которого снимаются результаты измерений. Всем процессом измерения управляет УУ.

АЦП - отдельный блок. Он характеризуется разрядностью, быстродействием.

Мультиметр – комбинированный ИП, служащий для измерения параметров электрической цепи (или параметров радиодеталей)(рисунок 36(а,б)).В последние время цифровые приборы, заняли доминирующее положение в информационно –измерительной технике т.к. они имеют ряд достоинств по сравнению с обычными аналоговыми электроизмерительными приборами.

Рисунок 35. Цифровой мультиметр В7 - 40

Рисунок 34. Квантование непрерывной (аналоговой) измеряемой величины по уровню.

Рисунок -36

А)Цифровой амперметр ЩП01; 2А, класс точности -0,5; Б) Цифровой мультиметр М-830В

 

Код (обычно в виде электрического сигнала) может также подаваться в регистрирующее устройство, вычислительную машину или другие автоматические устройства. Цифровой прибор производит дискретные измерения, причем измерения дискретны как по времени (производятся не непрерывно, а только для определенных моментов времени), так и по уровню (по величине), так как ограниченным количеством цифр отсчетного устройства можно выразить конечное количество величин измеряемого сигнала. Дискретными измерениями контролируемой величины и преобразованием ее в код цифровые приборы отличаются от аналоговых приборов с цифровым отсчетом (счетчики электрической энергии), которые не производят дискретных измерений и преобразования непрерывной (аналоговой) измеряемой величины в код.

Цифровой прибор можно рассматривать состоящим из двух обязательных узлов: кодирующего (аналого – цифрового) преобразователя и отсчетного устройства

Рисунок 36. Квантование непрерывной (аналоговой) измеряемой величины по уровню

Кодирующий преобразователь производит измерение непрерывной измеряемой величины в определенные моменты времени и её квантование по уровню, т.е. подбирает каждому измеренному значению эквивалентный сигнал, который может

принимать лишь определенные дискретные значения в соответствии с устройством преобразователя и ёмкостью отсчетного цифрового устройства. По полученному эквиваленту, т.е. в соответствии с квантованным по уровню значением измеряемой величины, кодирующий преобразователь производит кодирование, т.е. вырабатывает код. Таким образом, для цифровых приборов характерна погрешность дискретности, возникающая в результате квантования измеряемой величины по уровню, т.е. обусловленная тем, что бесконечное множество значений, которое принимает измеряемая величина, в цифровом приборе может отражаться лишь ограниченным количеством показаний отсчетного цифрового устройства. Возникновение погрешности дискретности поясняет рис. 34 где x(t)- график изменения измеряемой величины во времени; t_1,t_2,t_3, …..t_n–момент времени, в которые производятся измерения; a_1,a_2,a₃…..a_n–линии, характеризующие возможные показания цифрового прибора выбранном пределе измерения (уровни квантования); А₁, А₂, А₃ ……А_n- ординаты, соответствующие показаниям цифрового прибора при измерении x(t) момента времени t_1,t_2,t_3, …..t_n.В цифровых приборах применяется двоично-десятичный код, у которого для передачи каждого десятичного разряда имеется четыре элемента кода с «весами» 1,2,4,8. Очень часто используются так же «четырехэлементные» коды, у которых каждая цифра десятичного разряда передается четырьмя элементами кода, «вес» которых соответствует четырем целым положительным числам: А₁, А₂,А₃ , А₄. Эти числа выбираются так, чтобы их линейная комбинация S=A₁K₁+A₂K₂+A₃K₃+A₄K₄ могла принимать любое целое значение от 0 до 9; К₁, К₂, К₃ , К₄ принимают значение 0 или 1. Например, А₁-А₄ выбираются такими: 4,2,2,1, или 5,2,1,1, или 2,4,2,1 и т.п.

Классификация цифровых приборов. Основные характеристики.
Для удобства изучения цифровые приборы можно классифицировать:
По назначению (измеряемой величине) цифровые приборы разделяются на вольтметр, вольтамперметр, вольтомметры, омметры, частотомеры, фазометры и т.д.
По применяемым техническим средствам все цифровые приборы делятся на электромеханические (контактные) и электронные (бесконтактные). В электромеханических цифровых приборах используются различные электромеханические узлы (реле, электродвигатели, электромеханические переключатели и т.д.) и магнитные устройства.
По способу преобразование измеряемой величины в код различаются цифровые приборы прямого преобразования и приборы сравнения. Приборы прямого преобразования пока применяются главным образом в области телеизмерений и измерений неэлектрических величины. В области электрических измерений используются, в основном, цифровые приборы сравнения.
По степени точности цифровые приборы разбиваются на классы: 0,005; 0,01; 0,02; 0.05; 0.1; 0.5; 1.0.
Электромеханические (контактные) цифровые приборы. Главным достоинством электромеханических приборов является их высокая точность (погрешность 0,01-0,005%). Недостатки этих приборов- большое время одного измерения (не менее 0,3 сек.) и ограниченный срок службы, определяемый сроком службы используемых контактных устройств (переключателей, реле).

Электронные цифровые приборы. Приборы этой группы выполняются на без-инерционных элементах, и поэтому скорость их работы очень высока, что является достоинством этих приборов. В современных электронных цифровых приборах может производиться до 10⁵ измерений в секунду. Такая скорость измерений имеет первостепенное значение в решении ряда специальных задач и, в частности, при использовании результатов измерения цифрового прибора в электронной вычислительной машине. Погрешность электронных цифровых вольтметров выше, чем у электромеханических приборов, и обычно находятся в пределах 0,1-0,5%. Цифровые электронные частотомеры могут выполнятся с очень малой погрешностью измерения, например %

Достоинства цифровых приборов:

1) объективность и удобства отсчета и регистрации результатов измерения;

2) высокая точность измерения при полной автоматизации процесса измерения;

3) высокая частота дискретных измерений;

4) возможность сочетания цифровых приборов с вычислительными и другими автоматическими устройствами;

5) возможность дистанционной передачи результатов измерения в виде кода без потери точности.

Основной недостаток цифровых приборов – их сравнительная сложность и, следовательно, высокая стоимость.