Лекція 2. Електровимірювальні прилади

1. Загальна характеристика процесів вимірювання

В залежності від способу отримання результату, сукупність процесів вимірювання (всі вимірювання)розділяють на прямі та непрямі.

Прямі вимірювання

Вимірювання цього виду характеризуються тим, що шукане значення досліджуваної фізичної величини визначається безпосередньо за показами приладу, який використовується для цілей вимірювання.

Наприклад, вимірювання струму чи напруги в електричному колі відноситься до прямих вимірювань.

Непрямі вимірювання

Вимірювання цього виду характеризуються тим, що шукане значення досліджуваної фізичної величини знаходять розрахунковим шляхом на підставі відомої функціональної залежності між цією шуканою величиною і величинами, які отримують за результатами відповідних прямих вимірювань.

Наприклад, вимірювання опору деякого елемента (ділянки) електричного кола із застосуванням вольтметра (яким здійснюється вимірювання напруги на цьому елементі) та амперметра, яким здійснюється вимірювання струму, що протікає крізь вказаний елемент (ділянку) електричного кола.

В залежності від способу застосування вимірювальних приладів та мір розрізняють три методи отримання значення досліджуваної величини в процесі вимірювання, а саме:

- метод безпосереднього оцінювання,

- метод порівняння,

- диференціальний метод.

При методі безпосереднього оцінювання значення вимірюваної величини визначається за показами відповідного пристрою відліку вимірювального приладу прямої дії (наприклад, амперметр, вольтметр тощо).

При методі порівняння вимірювана величина порівнюється з величиною, яка відтворюється мірою (відповідною зразковою величиною). При вимірюванні за цим методом значення зразкової величини регулюється до досягнення рівності зі значенням вимірюваної величини. При цьому вимірювальним приладом фіксується значення зразкової величини. Для реалізації цього методу вимірювальний прилад має характеризуватися високою чутливістю, і зазвичай зветься нульовим приладом або нуль-індикатором. Найуживаніші на сьогодні методи порівняння розділяють на мостові і компенсаційні.

Найбільшу точність можна досягти застосовуючи диференціальний метод вимірювання. Відповідно до цього методу вимірювана величина урівноважується деякою заздалегідь відомою величиною не повністю, а надалі шляхом прямого відліку вимірюється різниця вимірюваної величини і вказаної відомої величини. Диференціальний метод застосовується для порівняння (і подальшого вимірювання) величин, що мало різняться одна від одної.

2. Засоби і методи вимірювання

В процесі вимірювання електричних величин застосовують відповідні засоби (вимірювальні прилади), які мають відповідним чином нормовані метрологічні характеристики. Такі засоби можна розділити на окремі види відповідно до їх складності та функціональних можливостей.

Рис. 2.1. Види засобів вимірювання електричних величин

Міра призначена для відтворення досліджуваної фізичної величини заданого значення. Серед сукупності мір виокремлюють (відповідно до їх призначення) еталони, зразкові міри, робочі міри.

За своєю суттю, електровимірювальні прилади – це технічні об’єкти, які слугують для сприйняття досліджуваної величини (сигналу) і перетворення цієї величини у сигнал вимірювальної інформації у доступній для сприйняття формі. В залежності від призначення сигнал вимірювальної інформації може подаватися у формі доступній для сприйняття органами зору або слуху людини, або у формі, придатній для подальшого оброблення електронними пристроями.

На вході будь-якого вимірювального приладу розміщується вимірювальний перетворювач. Досліджуваний сигнал надходить саме на вимірювальний перетворювач де перетворюється у інформаційний сигнал, придатний для подальшого оброблення згідно вибраного методу, який реалізується відповідними технічними засобами. Існують перетворювачі електричної величини в електричну (наприклад, шунти, подільники напруги, вимірювальні трансформатори) і неелектричної величини в електричну (наприклад, термопари, терморезистори, тензорезистори тощо).

Електровимірювальна система – це сукупність об’єднаних для виконання визначених завдань засобів вимірювання і допоміжних пристроїв, призначених для вироблення сигналів вимірювальної інформації.

Вимірювальна інформаційна (інформаційно-вимірювальна) система – це сукупність засобів вимірювання і допоміжних пристроїв, призначених для вироблення сигналів вимірювальної інформації, яка надходить (в тому числі одночасно) від декількох джерел у формі, яка зручна для подальшого оброблення, передавання та використання в автоматизованих та автоматичних системах управління.

Похибки вимірювання і класи точності

Похибка засобу вимірювання – це різниця між значенням фізичної величини, відображеної на даному вимірювальному приладі, та істинним значенням цієї величини.

Похибки розділяють

- за характером проявлення – на систематичні та випадкові;

- за залежністю від змінення у часі – на статичні і динамічні;

- за залежністю від умов виникнення – на основні і додаткові;

- за способом числового вираження – на абсолютні, приведені і відносні.

Абсолютна похибка () – це різниця між показами приладу А та реальним (дійсним) значенням вимірюваної величини А_р. Тобто

Відносна похибка (δ) – це подане у відсотках відношення абсолютної похибки  до реального значення вимірюваної величини А_р. Тобто

Приведена похибка (γ_пр) – це подане у відсотках відношення абсолютної похибки  до максимального значення шкали приладу A_max. Тобто

Узагальненою характеристикою точності засобів вимірювання є клас точності, який визначається приведеною похибкою.

Для електромеханічних вимірювальних приладів стандартами встановлено 8 класів точності: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4.

Приналежність приладу до визначеного класу точності вказує, що основна похибка даного приладу на всіх діленнях шкали не перевищує значення, яке визначене класом точності цього приладу.

Крім поняття похибки для характеристики вимірювального приладу користуються також поняттями:

- чутливість приладу (S) – відношення переміщення вказівника (стрілки) приладу (кількість ділень – dα) до величини змінення вимірюваної величини dx, що обумовило це переміщення. Тобто

.

- постійна приладу (ціна ділення) (C) – величина, зворотна до чутливості; показує, якому зміненню вимірюваної величини відповідає відхилення вказівника приладу на одне ділення шкали. Тобто

Похибки вимірювання виникають внаслідок недосконалості реалізованого методу вимірювання, обмеженої точності засобів вимірювання, індивідуальних особливостей спостерігача (оператора).

Відповідно до наведеного, всі похибки вимірювання розділяють на:

- методичні, які обумовлені недосконалістю застосованого методу вимірювання;

- інструментальні, які пов’язані з похибкою самих засобів вимірювання;

- суб’єктивні, які залежать від особливостей органів відчуття спостерігача.

Чисельно похибки вимірювання подаються так само, як і похибки засобів вимірювання і розділяються на абсолютні та відносні.

2.1. Вимірювальні прилади з електромеханічними перетворювачами

Узагальнена структурна схема вимірювальних приладів з електромеханічними перетворювачами (електромеханічних приладів) наведена на рис. 2.2.

На рис. 2.2. прийняті позначення:

x - вимірювана величина;

y - проміжна електрична величина;

α - кут переміщення рухомої частини приладу;

ВК – вимірювальне коло приладу, в якому реалізується перетворення однієї електричної величини у другу електричну величину;

ВМ – вимірювальний механізм, призначений для утворення обертового моменту; складається з рухомої і нерухомої частин.

Рис. 2.2. Узагальнена структурна схема електромеханічних приладів

У вимірювальному колі приладу реалізується перетворення

.

У вимірювальному механізмі приладу реалізується перетворення

.

Вимірювальний механізм електромеханічних приладів складається з рухомої і нерухомої частин. Одна або обидві вказані частини містять обмотки і відповідні затискачі, через які до приладу підводиться струм або напруга.

Струм або напруга спричиняють утворення механічних сил, які діють на рухому частину і викликають її переміщення, пропорційне значенню вимірюваної величини.

Існуючі вимірювальні системи розділяють на види в залежності від фізичних явищ, на яких спирається механізм утворення обертового моменту. Усього на сьогодні існує 12 систем електромеханічних приладів.

В табл. 2.1 наведені найпоширеніші з існуючих видів вимірювальних систем, їх скорочена назва та умовне позначення. зазначимо, що умовне позначення виду вимірювальної системи приладу зазвичай вказується на його шкалі.

Таблиця 2.1.

Магнітоелектричні прилади

Магнітоелектричні прилади характеризуються наявністю магнітоелектричного вимірювального механізму. Такий механізм містить нерухомий постійний магніт і рухому котушку, крізь яку в процесі вимірювання проходить струм.

Котушка виконана з намотаного на алюмінієвому каркасі тонкого мідного ізольованого проводу і закріплена на розтяжках (пружинах), які утворюють момент протидії й одночасно слугують струмопроводами. За умови, що обертовий момент М_об і момент протидії М_пр дорівнюють один одному, тобто за умови:

кут повороту котушки і механічно зв’язаного з нею вказівника (стрілки) буде пропорційним вимірюваному струму.

Постійний магніт, який входить до складу вимірювального механізму даного виду, утворює достатньо сильне магнітне поле, а тому навіть при малих значеннях вимірюваних струмів можна отримати достатній обертовий момент. Саме це і обумовлює високу чутливість приладів МЕ системи, їх низьку сприйнятливість до зовнішніх магнітних полів та достатньо мале власне споживання електроенергії.

Прилади МЕ системи характеризуються лінійною залежністю обертового моменту від струму, а тому стійкі до електричних перевантажень та мають рівномірну шкалу.

Для розширення межі вимірювання МЕ-приладів доводиться застосовувати додаткові резистори або шунти.

Прилади з МЕ вимірювальною системою застосовуються у колах постійного струму. При застосуванні в колах змінного струму (переважно у вихідних колах високочутливих приладів) використовуються відповідні випрямлячі.

Електромагнітні прилади

Електромагнітні прилади характеризуються наявністю електромагнітного вимірювального механізму, який в загальному випадку складається з нерухомої котушки (зазвичай плоска або кругла) і рухомого феромагнітного осердя.

Як результат взаємодії магнітного поля котушки, обмоткою якої тече вимірюваний струм, з феромагнітним осердям виникає обертовий момент, завдяки якому вказане осердя втягується всередину котушки.

При переміщенні осердя закручуються спіральні пружини, в наслідок чого виникає момент протидії. Функцію струмопроводу в приладах цієї системи вказані спіральні пружини не виконують. Для захисту від зовнішніх магнітних полів вимірювальний механізм ЕМ виду розміщується у феромагнітному екрані.

Обертовий момент, завдяки якому переміщується вказівник (стрілка) приладу, пропорційний квадрату величини (сили) струму, що протікає котушкою, а отже шкала ЕМ-приладів – нерівномірна, що є головним недоліком таких приладів. Тим не менш можливість застосування ЕМ-приладів в колах як постійного, так і змінного струму сприяє їх сьогоденному поширенню у різних галузях техніки і промисловості.

Робоче магнітне поле ЕМ приладу, яке збуджується вимірюваним струмом, відносно слабке, а тому чутливість таких приладів невелика; клас точності зазвичай не перевищує 1,5.

До недоліків ЕМ-приладів слід віднести і появу додаткової похибки при переході від вимірювань у колах змінного струму до вимірювань у колах постійного струму, яка обумовлена залишковою намагніченістю осердя.

В той же час, прилади ЕМ системи допускають великі перевантаження, адже пружини, які утворюють момент протидії, не є струмопроводами. Крім того, ці прилади простіші за конструкцією і дешевші за прилади МЕ системи.

Приладами з електромагнітною вимірювальною системою вимірюють переважно змінну напругу і струм при невеликих значеннях частоти.

Електродинамічні прилади

Вимірювальний механізм приладів електродинамічного виду містить дві котушки:

- нерухому, яка складається з двох однакових частин, розділених повітряним зазором,

- рухому, яка виконана без каркасу з мідного або алюмінієвого проводу.

Нерухома котушка виготовляється з мідного проводу, намотаного на ізоляційний каркас, який складається з двох частин. В повітряному зазорі нерухомої котушки розміщується рухома частина приладу.

Котушки ЕД приладів можуть виготовлятися як круглими, так і прямокутними. Для включення обмотки рухомої котушки в електричне коло використовуються пружини або розтяжки. Для «заспокоєння» рухомої частини застосовують магнітоіндукційні та повітряні «заспокійники».

При наявності в котушках струмів I₁ и I₂ виникають електромагнітні сили взаємодії, які намагаються повернути рухому котушку так щоб вісі обох котушок співпали (тобто щоб співпали магнітні потоки нерухомої і рухомої котушки). Момент протидії утворюється як наслідок закручування пружин.

За такої конструкції відхилення стрілки приладу пропорційне добутку струмів рухомої і нерухомої котушок, тобто

Отже, ЕД-прилади при відповідному включенні в електричне коло можна застосувати як ватметри.

В колах змінного струму ватметри з електродинамічною вимірювальною системою використовують для вимірювання активної потужності. 

Постійна ватметра визначається як:

де U_н, I_н - межа вимірювання напруги і струму у відповідних вітках електричного кола (в які саме й включені обмотки котушок ватметра);

α_max - максимальне значення (кількість ділень) шкали приладу.

За таких умов величина потужності становитиме:

При відповідних варіантах включення ЕД-прилади можна використати як амперметри і вольтметри. При цьому слід враховувати, що електродинамічні амперметри і вольтметри мають нерівномірну шкалу.

Прилади ЕД системи придатні для вимірювань у колах як змінного, так і постійного струму.

В ЕД-приладах вимірювані струми збуджують відносно слабке магнітне поле, тому власне споживання енергії такими приладами і їх чутливість до впливу зовнішніх магнітних полів відносно невеликі. За необхідністю для нівелювання впливу зовнішніх магнітних полів застосовують магнітні екрани, що, звичайно, ускладнює прилад і підвищує його вартість.

Прилади ЕД системи (особливо амперметри) надто чутливі до перенавантаження, мають високу вартість та обмежений частотний діапазон вимірюваних змінних струмів. Однак точність цих приладів може бути вельми високою – класу 0,2 і навіть 0,1, що пояснює їх застосування у системах різноманітного призначення.

Індукційні прилади

Індукційний вимірювальний механізм складається з одного або декількох нерухомих електромагнітів і рухомої частини, яка зазвичай виконується з алюмінію у вигляді диска. Електромагніти і диск розміщуються так, що змінні магнітні потоки виявляються направленими перпендикулярно плоскості вказаного диска. Ці магнітні потоки збуджують (індукують) в диску вихрові струми.

Взаємодія магнітних потоків електромагнітів зі струмами в диску приводить до утворення обертового моменту, який спричиняє переміщення (обертання) рухомої частини механізму (алюмінієвого диску). Електромагніти збуджуються вимірюваними змінними струмами. Величина обертового моменту залежить від величини струмів в котушках електромагнітів та кута зсуву фаз між цими струмами.

Гальмівний момент створюється за допомогою постійного магніту, який охоплює край алюмінієвого диска. Утворюваний гальмівний момент за таких умов буде пропорційний швидкості обертання диску і перешкоджатиме обертанню цього диску при відсутності в ньому вихрових струмів, обумовлених струмами електричного кола, до якого прилад включений.

Індукційні прилади використовують для вимірювання потужності й енергії в колах змінного струму.

Такі прилади характеризуються високою точністю і чутливістю, однак, складністю конструкції і високою вартістю.

Активну енергію в колах змінного струму вимірюють індукційними лічильниками Схема включення таких лічильників аналогічно схемі включення ватметра. При цьому величина активної енергії  розраховується як

Де C – постійна лічильника;

n – кількість обертів диска за проміжок часу t.

Постійна лічильника C дорівнює активній енергії, яка відповідає одному оберту диска. Тобто

де P - активна потужність, що виділяється в електричному колі;

t - час, протягом якого в даному електричному колі виділяється активна потужність Р.

Активна енергія в системах енергозбереження вимірюється за допомогою двох- і трьохелементних лічильників, включених через вимірювальні трансформатори струму і напруги. Застосування трансформаторів обумовлене необхідністю узгодження параметрів електричної системи і лічильника.

Реактивну енергію вимірюють спеціальними індукційними лічильниками реактивної енергії.

2.2. Мостові і компенсаційні методи вимірювання

Мостові і компенсаційні методи вимірювання відносяться до приладів, якими реалізується метод порівняння. Згідно цього методу значення вимірюваної величини встановлюється як результат порівняння зі зразковою мірою. Техніка таких вимірювань складніша, ніж за допомогою приладів прямих вимірювань, але точність суттєво вища.

2.3. Мостові методи вимірювання

Вимірювальний міст – це пристрій, який призначений для вимірювання параметрів резисторів, котушок індуктивності та конденсаторів. В залежності від характеру (постійний або змінний) струму, при якому слід проводити вимірювання розрізняють вимірювальні мости постійного та змінного струму.

Вимірювальні мости постійного струму

Вимірювальні мости постійного струму використовують для вимірювання опорів резисторів (див. рис. 2.3). Вимірювальний міст має чотири плеча і дві діагоналі. В діагональ сd включений нуль-індикатор (НІ, наприклад, гальванометр постійного струму), а в діагональ ab – джерело ЕРС (E).

Рис. 2.3. Вимірювальний міст постійного струму

В плечі моста (див. рис. 2.3) включені:

Rx = R₁ – невідомий опір;

R₃, R₄ – плечі відношення;

R₂ – плече порівняння – резистор, опір якого регулюється.

Рівноваги моста добиваються регулюванням опору резистора R₂ так, щоб покази нуль-індикатора дорівнювали нулю, що відбувається за умови

Це означатиме, що потенціал точки с дорівнює потенціалу точки d: φ_c=φ_d.

При цьому струм I₁ дорівнюватиме струму I₂, а струм I₃ – струму I₄:

Враховуючи наведене, відповідно до другого закону Кірхгофа для лівого і правого контурів моста можна записати:

Поділивши поелементно верхнє рівняння на нижнє та врахувавши однаковість струмів у відповідних плечах моста, отримуємо:

Звідси матимемо:

.

Наведене рівняння є умовою рівноваги вимірювального моста. Отже вимірювальний міст є урівноваженим за умови, що добутки опорів його протилежних пліч дорівнюють один одному. З наведених співвідношень знаходимо невідомий опір, а саме:

Зазначимо, що крім урівноважених вимірювальних мостів застосовуються і неврівноважені мости. При цьому процес урівноваження не доводиться до кінця і на діагоналі моста cd залишається напруга U_cd, яка фіксується вихідним приладом. За показами вказаного вихідного приладу можна зробити висновок щодо величини вимірюваного опору.

Вимірювальні мости змінного струму

Мости змінного струму (рис. 2.4) застосовуються для вимірювання величин індуктивності, ємності та взаємної індуктивності.

Рис. 2.4. Вимірювальний міст змінного струму

В загальному випадку рівняння рівноваги наведеного на рис. 2.4 вимірювального моста можна подати у вигляді:

Отже, як і в мостах постійного струму, в мостах змінного струму умовою рівноваги є рівність добутків опорів (комплексних) протилежних плечей. Зважаючи на те, що опори вимірювального моста змінного струму подаються в комплексному вигляді як:

умову рівноваги вимірювального моста змінного струму можна записати у вигляді двох рівнянь, одне з яких характеризує співвідношення між модулями, а друге – між фазами відповідних комплексних опорів, розміщених у плечах моста, а саме:

Для конкретної схеми, поданої на рис. 2.4, умова рівноваги запишеться як:

Враховуючи, що

отримуємо:

Таким чином, за допомогою моста змінного струму можна вимірювати параметри індуктивного або ємнісного елемента, якщо відомі параметри інших елементів, які входять до складу моста. Для підвищення продуктивності та точності вимірювань застосовують мости з вбудованою мікроконтролерною системою.

2.4. Компенсаційні методи вимірювання

Компенсаційний метод вимірювання покладений в основу приладів порівняння, які отримали назву потенціометрів.

Головне призначення компенсаційного методу – вимірювання малих величин ЕРС (наприклад, ЕРС на виході термопари) і градуювання електровимірювальних приладів.

Суть методу полягає у порівнянні невідомої ЕРС або напруги із заздалегідь відомою величиною (ЕРС або напруги), яка береться за зразок. В основному для вимірювання малих величин ЕРС або напруги застосовують потенціометри постійного струму. Потенціометри змінного струму застосовують для вимірювання магнітних величин. Найпростіша схема потенціометра постійного струм наведена на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Схема потенціометру постійного струму

У наведеній на рис. 2.5 схемі можна виділити три контури.

Контур I утворює коло робочого струму.

Контури II та III утворюють вимірювальне коло.  

До контуру I входять:

Е_доп - допоміжна батарея;

R_рег - регулювальний резистор;

R_N - зразковий резистор, опір якого відомий з високою точністю (величина цього опору вибирається в залежності від величини робочого струму);

R_K - компенсаційний резистор, опір якого регулюється і відомий з високою точністю.

До контурів II та III входять:

E_H - ЕРС нормованого (іноді кажуть нормального) елемента (відома з високою точністю);

E_x - невідома ЕРС;

НІ –нуль-індикатор.

Перший етап вимірювання – калібрування потенціометра, тобто встановлення робочого струму.

Перемикач П встановлюємо в положення 1.

За допомогою резистора R_рег регулюємо робочий струм I_роб до тих пір, поки нуль-індикатор не покаже 0, що відповідатиме ситуації, за якої струм через НІ не проходить. Тобто маємо

I_ні = 0.

Це означає, що ЕРС нормованого елемента (діє в контурі II) урівноважується падінням напруги на зразковому резисторі R_N. Тобто маємо:

Звідки

Другий етап вимірювання – реалізація процесу вимірювання ЕРС.

Перемикач П встановлюємо в положення 2.

Змінюючи величну компенсаційного резистора R_к, досягаємо того, щоб струм через НІ знову став дорівнювати нулю. Це означає, що невідома ЕРС Е_x урівноважується падінням напруги на частині компенсаційного резистора – R¹_K (див. рис. 2.5). Тобто маємо:

Підставивши в останнє співвідношення визначену раніше величину робочого струму I_роб, отримуємо величину невідомої ЕРС як:

Точність вимірювання E_x визначається:

- чутливістю нуль-індикатора (НІ);

- незмінністю робочого струму I_роб, тобто стабільністю Е_доп;

- точністю виготовлення резисторів R_N та R_К (останній зазвичай виконується у вигляді високостабільних багато-декадних магазинів опорів).

Потенціометри, що на сьогодні випускаються серійно, мають класи точності від 0,005 до 0,5. Однак максимальна напруга, яку можна виміряти такими потенціометрами постійного струму не перевищує 2 В.

Зазначимо, що компенсаційний метод застосовується для градуювання амперметрів і вольтметрів. Для цього встановлюють положення рухомого елемента потенціометра так, щоб струм нормального елемента дорівнював нулю. При цьому, знаючи опір потенціометра, можна отримати відповідність між відхиленнями стрілок амперметра і вольтметра з величинами вимірюваних струмів. Змінення опору регульованих резисторів в колах амперметра і вольтметра, дозволяє градуювати шкали цих приборів.

Переваги компенсаційних методів вимірювання:

- висока точність вимірювання, адже величини Е_Н, R_N відомі з високою точністю;

- компенсаційне вимірювальне коло функціонує без відбирання енергії від об’єкта вимірювання, адже в робочій фазі вимірювання

I_ні = 0;

- створені умови для вимірювання дуже малих величин ЕРС і напруги, адже в момент компенсації струм від джерела Е_x у компенсатор не надходить;

- відсутній вплив на результати вимірювань опору з’єднуючих провідників.

Недоліки компенсаційних методів вимірювання:

- складність виготовлення високоточних потенціометрів;

- висока вартість;

- помітний вплив на покази приладів зовнішніх факторів (наприклад, вібрації, температури тощо).

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.

4. Презентація до лекції 2

Для завантаження натисніть сюди: "Презентація до лекції 2".