Лекція 2. Електровимірювальні прилади

3. Поняття про цифрові й електронні вимірювальні прилади

Цифрові вимірювальні прилади

Принцип дії цифрових вимірювальних приладів базується на перетворенні вимірюваної величини (наприклад, напруги) в електричний код, який може бути відображений, наприклад, у цифровому вигляді на дисплеї приладу. Цифрові прилади використовують для вимірювання частоти, напруги, інтервалів часу, різниці фаз тощо. Структурна схема цифрового вольтметра постійного струму наведена на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Структурна схема цифрового вольтметра постійного струму

На представленому рис. 2.6 прийняті позначення:

U_X – вимірювана напруга;

ВхПр – вхідний пристрій, призначений для забезпечення високого вхідного опору приладу, змінення межі вимірювання, визначення полярності вхідного сигналу;

АЦП – аналого-цифровий перетворювач, призначений для перетворення аналогової величини в дискретний сигнал у вигляді електричного коду, взаємопов’язаного зі значенням вимірюваної величини;

ЦПВ – цифровий пристрій відліку та індикації, який реєструє результат вимірювання.

В цифровому вольтметрі вимірювана напруга U_x спочатку перетворюється в пропорційний інтервал часу Δt. Тобто маємо:

де S – крутизна перетворення.

Надалі отриманий інтервал часу Δt перетворюється в пропорційну цьому інтервалу кількість імпульсів:

де f - частота імпульсів.

В цифровому пристрої відліку й індикації (ЦПВ) підраховується величина n і після відповідного перетворення відображається на дисплеї зазвичай у вигляді відповідного десяткового числа, яке відповідає виміряній величині. Зважаючи на те, що частота f велика, а крутизна перетворення S мала, навіть малим значенням вимірюваної напруги U_X відповідатиме значна кількість імпульсів n. Це забезпечує високі чутливість і точність приладу. Крім того, цифрова індикація результатів вимірювання, яка зазвичай застосовується у таких приладах,забезпечує об’єктивність відліку показань.

Преваги цифрових приладів:

- малі похибки вимірювання (зазвичай від 0,1 до 0,01 %) в широкому діапазоні вимірюваних напруг (від 1 мкВ до 1000 В);

- високі швидкодія, чутливість і точність;

- об’єктивність відліку показів;

- подання результатів вимірювань у цифровому вигляді з можливістю реєстрації цих результатів пристроями друкування;

- можливість використання вимірювальної інформації в обчислювально-управляючих та інформаційно-вимірювальних системах.

Недоліки цифрових приладів:

- складність виготовлення і ремонту;

- висока вартість;

- швидка втомлюваність оператора при спостереженні за цифровими індикаторами.

Слід зазначити, що з розвиненням мікроелектроніки вплив вказаних факторів на рішення щодо застосування цифрових приладів поступово зменшується.

Електронні вимірювальні прилади

Електронні вимірювальні прилади – це відповідне сполучення електронного перетворювача й електромеханічного вимірювального механізму. На сьогодні існує чимало варіантів виконання таких приладів. Принцип побудови і особливості застосування електронних приладів стисло розглянемо на прикладі електронного вольтметра.

Характерна особливість електронних вольтметрів – великий вхідний опір (до 10 Мом), що суттєво розширює область їх застосування у порівнянні з електромеханічними вольтметрами, вхідний опір яких зазвичай знаходиться в межах від 5 до 10 кОм. Крім того, електронні вольтметри можуть мати дуже високу чутливість, що вельми важливо при точних вимірюваннях.

Структурні схеми електронних вольтметрів, призначених для вимірювань в колах постійного та змінного струму наведені на рис. 2.7, де прийняті позначення:

ВхП – вхідний пристрій (зазвичай реалізується як високоомний резистивний подільник напруги);

ППН – підсилювач постійної напруги, призначений для збільшення чутливості і підсилення потужності вимірюваного сигналу з метою подальшого приведення у дію магнітоелектричного вимірювального механізму;

МП – магнітоелектричний вимірювальний прилад, відхилення стрілки якого пропорційне величні вимірюваної напруги;

ПР – перетворювач змінної напруги (середнього, діючого або амплітудного значення) у постійну.

Рис. 2.7. Структурна схема електронного вольтметра, призначеного для вимірювання в колах постійного (а) та змінного (б) струму

До основних переваг електронних вольтметрів у порівнянні з електромеханічними зазвичай відносять:

- великий вхідний опір (до 10 МОм);

- висока чутливість;

- широкий діапазон вимірювань – від десятих вольта до сотень вольт.

Зазначимо, що точність електронного вольтметра не може бути вища ніж точність індикатора, в якості якого нерідко використовується прилад з електромеханічним вимірювальним механізмом.