Счётные импульсы с периодом To < Tx называются метками времени. Основные элементы схемы (рисунок 7.2,а) и их действие рассмотрены ранее. Отличие состоит в том, что стробирующий импульс устанавливается равным измеряемому периоду. Счётчик импульсов СЧ подсчитывает число импульсов на интервале Тх Мх = Тх / То, или Тх = МхТо. Суммарная относительная погрешность измерения периода нормируется в процентах и определяется по формуле дт = ± 100 [дкг + То / Тх]. Одним из основных параметров электрического гармонического колебания, определяющих состояние колебательного процесса в любой заданный момент времени, является фаза. Наряду с фазой одного колебания используется соотношение фаз двух колебаний. В этом случае используется понятие фазового сдвига. На рисунке 7.3 приведены схема и диаграммы, поясняющие принцип работы цифрового фазометра. Цифровой фазометр (ЦФ) работает следующим образом. Преобразователь ц t из подаваемых на его входы синусоидальных сигналов u1 и u2 с фазовым сдвигом ц формирует последовательность прямоугольных импульсов u3, имеющих длительность t и период повторения Т, равные соответственно сдвигу во времени и периоду повторения входных сигналов.

Импульсы u3, а также счётные импульсы u4, вырабатываемые формирователем счётных импульсов, и, имеющие период повторения То, подают на входы временного селектора ВС. ВС открывают на время , равное длительности ?t импульсов u3, и в течение этого интервала пропускает на вход счётчика импульсы u4. На выходе селектора формируются пакеты импульсов u5, следующие с периодом Т. За один период исследуемых сигналов на счётчик поступит число импульсов, равное n = t / To. В ЦФ период счётных импульсов задают в виде То= Т / (36*10m), где m = (1,2,3…). ЦФ показывает (индицирует) фазовый сдвиг пропорциональный числу импульсов ц = n / 10m-1. Для уменьшения погрешностей применяют ЦФ среднего значения фазового сдвига (рисунок 7.4). Схема данного фазометра отличается от предыдущего наличием второго временного селектора ВС2. Первый ВС1 выделяет пачки в n импульсов в пакете, соответствующие мгновенным значениям угла сдвига фаз. Для усреднения результата измерения пакеты импульсов поступают на устройство, выдающее m таких пакетов за калиброванный отрезок времени Тк >> Т. Стробирующий импульс длительностью Тк образуется на выходе формирователя импульсов ФИ, представляющего делитель частоты. Сигнал u7 с временного селектора ВС2 поступает на счётчик СЧ, связанный с ЦОУ. Общее число импульсов, поступивших на СЧ, будет N = nm = t / To? . Kд To / T = Kд t / T = Kдц / 360o.

Лекция №8. Измерение характеристик усилителя

Содержание лекции: - измерение амплитудно- частотных характеристик; коэффициента нелинейных искажений. Цели лекции: - изучить методы измерения характеристик усилителя в системе сертификации продукции.

Любой электронный усилитель должен иметь сертификат соответствия. В этом документе обязательно должны быть указаны чувствительность, полоса частот, выходная мощность и коэффициент нелинейных искажений.

Для оценки качества звучания усилителя снимают его частотную характеристику при выходной мощности, значительно меньшей номинальной. Это достигается подачей на вход усилителя уровня сигнала в 3-- 10 раз ниже расчетного. Такой режим работы усилителя устанавливается для того, чтобы возможные завалы и подъемы частотной характеристики не были сглажены появлением нелинейных искажений. Для большинства УЗЧ при воспроизведении грамзаписи входное напряжение равно 100--250 мВ, а с микрофонного входа УЗЧ - 1-2 мВ.

Для определения области линейного режима работы усилителя снимается амплитудная характеристика, представляющая собой зависимость выходного напряжения от входного. Обычно амплитудные характеристики УЗЧ снимаются на частоте 1000 Гц, так как в этой точке усиливаемого диапазона частот коэффициент усиления максимальный.

Для снятия амплитудной характеристики на вход усилителя подают напряжение различной амплитуды и измеряют выходное напряжение с помощью электронного вольтметра или градуированного осциллографа. Входное напряжение увеличивают до получения на выходе усилителя напряжения, в 1,5 раза превышающего номинальное значение, или до того момента, при котором напряжение на выходе перестанет увеличиваться. По полученным значениям строят зависимость . Амплитудная характеристика УЗЧ показана на рисунке 8.1.

По амплитудной характеристике находим линейный участок. Диапазон входных напряжений составляет 5 - 25 мВ. Полоса пропускания (диапазон усиливаемых частот) - это полоса частот в пределах категорий коэффициент усиления измеряется не больше, чем это допустимо по техническим регламентам.

Таблица 10.1 - Полоса частот

Назначение усилителя	Нижняя граничная частота fн, Гц	Верхняя граничная частота fв, кГц
Телефония Радиовещание на длинных, средних и коротких волнах Радиовещание на УКВ Запись и воспроизведение звука среднего качества Высококачественная звукозапись, усиление радиосигналов	150-300 50-100 50 70-100 20-50 20-30	2,5-5 5 15 5-8 10-20 6000-8000

Поясним технологию получения амплитудно-частотной характеристики исследуемого, например, усилителя промежуточной частоты (УПЧ) при помощи осциллографа и генератора качающейся частоты (ГКЧ). Функциональная схема измерения приведена на рисунке 8.2.

Поддерживая на входе усилителя постоянный уровень сигнала, ГКЧ изменяет частоту в обе стороны от контрольной частоты 1 кГц. На экране ЭЛО наблюдается осциллограмма - график амплитудно-частотной характеристики.

По оси ординат отсчитываются нормированные значения коэффициента усиления, выраженные в децибелах Kн(f) = 20 lg (Kf / K f=1 кГц). В сторону уменьшения частот берут контрольные точки сначала через 100, а затем через 50 и 25 Гц. В сторону увеличения частот контрольные частоты берут через 2,5--5 кГц, усиление на частотах 25 Гц и 20 кГц проверяют только для высококачественных усилителей. Одновременно измеряют выходное напряжение на каждой из этих частот. По полученным результатам измерения строят амплитудно-частотную характеристику УЗЧ. Реальная частотная характеристика усилителя с учетом акустических систем имеет вид кривой 4 ( рисунок 8.4 ).

Амплитудно-частотная характеристика и допустимые частотные искажения определяют полосу частот усилителя. Например, для сетевых радиоприемников II класса полоса частот 100-10000 Гц, а для усилителей малогабаритных транзисторных приемников - 200-3500 Гц.

Рассмотрим, как форма амплитудно-частотной характеристики влияет на качество воспроизведения звуковых сигналов.

Частотные искажения в области крайних звуковых частот субъективно воспринимаются на слух как ухудшение качества звучания: завалы на частотах 2-3 кГц и выше делают звучание тусклым, ухудшают разборчивость речи, излишнее усиление приводит к подчеркиванию шипящих и свистящих звуков и неестественно резкому звучанию музыки, раздражающему слух. Частотные искажения в области частот 100-200 Гц и ниже нарушают красоту тембра, а чрезмерное их усиление вызывает ощущение неприятного бубнящего звучания. Нелинейными называют искажения формы выходного сигнала, обусловленные нелинейностью элементов схемы УЗЧ. Основная причина появления нелинейных искажений в УЗЧ - нелинейность входных и выходных характеристик усилительных приборов, трансформаторов и других элементов аппаратуры. В результате этого в спектре частот усиливаемого сигнала появляются гармонические составляющие, частоты которых в целое число раз выше основной частоты. Наличие напряжения этих частот приводит к искажениям звука, которые увеличиваются по мере увеличения подаваемого на вход УЗЧ уровня сигнала.

Нелинейные искажения УЗЧ можно определить с помощью специального прибора - измерителя нелинейных искажений (рисунок 8.5).

Прибор содержит: усилитель Ус, имеющий ступенчато регулируемый коэффициент усиления; заграждающий фильтр Ф, который пропускает все частоты, за исключением той частоты, на которую он настроен; электронный вольтметр действующего значения ЭВ, имеющий квадратичную характеристику. Показания вольтметра пропорциональны корню квадратному из суммы квадратов всех гармонических составляющих приложенного к нему напряжения. Измерение коэффициента нелинейных искажений осуществляется следующим образом. Сначала на вольтметр подается исследуемое напряжение Uх, минуя фильтр (переключатели II1 и П2 в положении 1), и с помощью регулируемого резистора R стрелка вольтметра устанавливается на последнее деление шкалы, что соответствует 100% приложенного напряжения. Затем Uх подается на вольтметр через фильтр, подавляющий основную волну (переключатели в положении 2), и перестройкой фильтра добиваются минимального показания вольтметра. Отклонение стрелки вольтметра будет соответствовать значению в процентах:

Практическое значение имеют вторая и третья гармоники. Допустимое значение определяется назначением усилителя. Коэффициент нелинейных искажений в зависимости от полосы пропускания УЗЧ измеряют на частотах 50, 100, 200, 400, 1000, 2000 и 5000 Гц.

В УЗЧ среднего класса для воспроизведения речи и музыки допустимый коэффициент нелинейных искажений 5-7%.

Лекция №9. Измерение сопротивления, емкости и индуктивности

Содержание лекции: метод сравнения; измерение сопротивления, емкости, индуктивности.

Цели лекции: изучить мостовые методы измерения сопротивления, емкости, индуктивности; уметь определять параметры, погрешности измерении.

При методе сравнения измеряемую величину в каждом опыте сравнивают с мерой. Результат измерения (сравнения) оценивается по сравнивающему устройству индикатору.

На постоянном токе в качестве индикатора применяют гальванометр (высокочувствительный ИМ магнитоэлектрической системы). На переменном токе применяют фазочувствительные микроамперметры либо ЭО в упрошенном виде.

Наиболее часто метод сравнения реализуется в схемах мостов постоянного тока, применяемых для измерения сопротивления.

На (рисунке 9.2) представлена схема одинарного моста постоянного тока, предназначенная для измерения больших сопротивлений (10 Ом….1 МОм).

Из теории электрических цепей известно, что при каких-то значениях Rx, R2 - R4 мост будет сбалансирован, т.е. Iг = 0.

Это возможно если или (9.1)

Для осуществления процедуры равенства, элементы цепи должны быть регулируемыми. Сопротивление R2 (сравнения) выполняется в виде многодекадного магазина сопротивления.

Наиболее часто используются декады с номинальными значениями одной позиции

Магазины сопротивлений разделяют на семь классов точности: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; и 1. Число, обозначающее класс точности магазина сопротивлений, указывает допустимое значение основной погрешности измерения при нормальных условиях. Относительная погрешность измерения сопротивления одинарным мостом может быть получена из (9.1) в виде:

. (9.2)

Для измерения малых сопротивлений (< 10 Ом) применяются двойные мосты (рисунок 9.3). Из схемы видно, что сопротивления плеч отношения R1 и R3 выполнены в виде одинаковых штепсельных магазинов сопротивления.

Два плеча сопротивления (магазины сопротивления R2 и R4) выполнены также в виде одинаковых декадных рычажных магазинов сопротивления. Причём рычажные переключатели связаны между собой:

Мосты переменного тока служат для измерения полного сопротивления, ёмкости, индуктивности, взаимной индуктивности, частоты и других параметров.

Рассмотрим наиболее распространенную простейшую схему уравновешенного четырехплечевого моста (рисунок 9.4). Так как плечи моста в общем случае есть комплексные сопротивления, то равновесие моста может произойти при выполнении двух условий

. (9.3)

Наличие двух уравнений указывает на необходимость регулирования для достижения равновесия не менее двух параметров модуля Z и фазового угла ц.

Уравнение (9.3) указывает на правильность подбора плеч при составлении мостовой схемы, при сравнение ёмкости с индуктивностью их надо располагать в противоположных плечах схемы, а ёмкости с ёмкостью или индуктивности с индуктивностью - в смежных.

При изменении частоты питающего напряжения в общем случае равновесие моста может быть нарушено из-за реактивности сопротивлений и поэтому условия равновесия будут справедливы лишь для одной частоты питающего напряжения.

В производственных условиях необходимо измерять параметры конденсаторов и индуктивностей.

При равновесии моста (рисунок 9.5), когда , получаем равенство:

(9.4)

где параметры измеряемой ёмкости;

ёмкость образцового конденсатора;

регулируемое сопротивление;

Из (9.4) имеем два уравнения:

(9.5)

(9.6)

(9.7)

Для того, чтобы сделать раздельный отсчёт ( и ) надо обеспечить режим работы моста, при котором два регулируемых элемента действуют на каждый элемент цепи, входящие два уравнения равновесия.

Погрешность измерения Сх = на частоте 1кГц не должна превосходить:

(9.8)

Погрешность измерения , не должна быть больше чем:

(9.9)

Мост переменного тока для измерения индуктивности и её добротности выполняется по схеме (рисунок 9.6).

Если то получим уравнение баланса моста:

(9.10)

Это уравнение расписывается на два:

(9.11)

(9.12)

(9.13)

Чувствительность указателя равновесия должна быть такой, чтобы отмечать расстройку моста на величину, численно равную 0.5 допускаемой основной погрешности (класс моста). Соответственной должна быть и дискретность отсчётного устройства.

При выполнении этих условий погрешность измерения определяется тремя составляющими - сопротивлениями измерительной схемы.

Измерение мощности. Содержание лекции: - принципы, методы, приборы и схемы измерения мощности. Цели лекции: - изучить методы и приборы измерения мощности. Измерение мощности - определение значения электрической мощности. При измерении мощности следует учитывать существование различных составляющих мощности: активную, реактивную и полную мощности. К измерению мощности относят во многих случаях измерение коэффициента мощности.

Измерение мощности постоянного тока - определение электрической активной мощности в цепях постоянного тока.

Для измерения мощности постоянного тока косвенным методом в простейшем случае проводятся измерения тока и напряжения.

Определение мощности путем измерения тока и напряжения - метод косвенных измерений мощности постоянного тока и полной мощности переменного тока.

Электрическая мощность есть произведение тока и напряжения.

На основе измерения тока и напряжения (аналогично определению сопротивления путём измерения тока и напряжения) определяется активная мощность постоянного тока

измерение погрешность осциллограф телекоммуникационный

(10.1)

И на основе измерения эффективных значений переменного напряжения и тока определяется полная мощность

(10.2)

Измерение тока и напряжения может осуществляться при помощи выпрямительной схемы. При этом следует принимать во внимание, какая мощность определяется: выходная мощность источника напряжения или мощность, потребляемая нагрузкой.

Так как любое средство измерений имеет собственное потребление мощности, то при любой схеме измерения возникает неизбежная систематическая погрешность, которая при точных измерениях, особенно при измерении малых значений мощности, должна учитываться и корректироваться (таблица 10.1)

Таблица 10.1 - Определение мощности путем измерения тока и напряжения.

Мощность выделяемая источником, Рс	Схема измерения	Мощность потребляемая нагрузкой. Рн
Вентильное подключение по напряжению		Вентильное подключение по току
Вентильное подключение по току		Вентильное подключения по напряжению

Примечания: 1) U, I - измеренные значения напряжения и тока; 2) - мощность потребляемая вольтметром, Rв - его внутреннее сопротивление; 3) - мощность, потребляемая амперметром; RI - его внутреннее сопротивление.

Для измерения тока и напряжения на постоянном токе используются приборы магнитоэлектрической системы (ИМ МЭС) с шунтами и добавочными сопротивлениями.

Для измерения тока и напряжения на переменном токе используются приборы электромагнитной и электродинамической систем. На рисунке 10.1 представлена схема устройства ИМ электродинамической системы (ИМ ЭДС). 1 - неподвижные катушки; 2 - подвижная рамка Рисунок 10.1 - Эектродинамический измерительный механизм

Весьма просто измерение мощности, можно произвести при помощи ваттметра непосредственной оценки, выполненного на базе электродинамического измерительного механизма (рисунок 10.2)

Уравнение шкалы ваттметра при измерении мощности имеет вид: на постоянном токе

 (10.3)

на переменном токе:

(10.4)

где - коэффициент пропорциональности.

Шкала такого ваттметра - линейная . например, ваттметр Д 539 класса точности 0.5 имеет шкалу на 150 дел, номинальный ток параллельной цепи 3мА и она рассчитана на 150 В , последовательная катушка рассчитана на ток 5 А и

Обычно такие ваттметра называется косинусными, потому, что они градуируются при . Постоянная ваттметра равна

, (10.5)

где - соответственно, номинальный ток и напряжение; номинальное число делений.

Существует несколько методов измерения мощности в сетях переменного тока. Они определяются доступностью включения ваттметра и степенью асимметрии нагрузки. Самый простой метод - метод одного ваттметра. Метод одного ваттметра - метод непосредственного измерения активной мощности. Мощность активная - физическая и техническая активная величина, характеризирующая полезную электрическую мощность.

Мощность активная является активно действующей мощностью, т. е. мощностью, вызывающей (возможно, преднамеренное) воздействие на электрооборудование, например нагрев, механические усилия.

В цепях постоянного тока и переменного с активной нагрузкой (т. е. когда ток и напряжение совпадают по фазе, ) имеется активная мощность

.

При произвольной нагрузке в цепи переменного тока только активная составляющая тока , иначе говоря, часть полной мощности, определяемая коэффициентом мощности, является полезной (используемой)

P~ =U~ I ~ cosц = S cosц .

Метод одного ваттметра применяется для: измерения мощности в двухпроводных цепях постоянного тока, измерения активной мощности в однофазных цепях переменного тока (ваттметр включается в двухпроводную цепь по одной из основных схем включения ваттметра); измерения активной мощности в симметрично нагруженных трехфазных трех- и четырехпроводных системах.

При симметричной нагрузке мощности в фазах одинаковы. Поэтому достаточно измерить мощность в какой - либо одной фазе (рисунок 10.3) и утроить результат. Иногда умножение на 3 осуществляется путем соответствующей градуировки шкалы.

Для измерения мощности при полной или частичной асимметрии применяют метод 3-х ваттметров. Метод трех ваттметров- метод непосредственного измерения активной мощности в симметрично и несимметрично нагруженных трехфазных сетях с нулевым проводом или без него.

Общая активная мощность трехфазной сети равняется сумме мощностей трех фаз

.

Их точное определение осуществляется путем одновременного измерения мощности в каждой фазе с помощью трех отдельных ваттметров или одного многодиапазонного ваттметра. При этом возможно непосредственное, полукосвенное или косвенное подключение ваттметров. В четырехпроводных системах цепи напряжения подключаются (в данном случае через добавочные сопротивления) к нулевому проводу (рисунок 10.4, а). В трехпроводных системах три цепи напряжения присоединяются нулевыми точками сопротивлений к искусственной нулевой точке (рисунок 10.4 б).

Самой распространенной схемой для электрических сетей переменного тока на 3 - 10 кВ является схема измерения мощности по методу двух приборов (схема Арона)

При разности фаз (между током и напряжением) более 600 () один из ваттметров имеет отрицательное отклонение. Изменяя подключение цепи напряжение на обратное, делают отклонение вновь положительным и вычитают показания этого прибора из показания другого ваттметра.

По измеренным значениям двух ваттметров в схеме Арона для прямых измерений активной мощности Р1 и Р2 коэффициент мощности случае симметричной нагрузки сети вычисляют по формуле

, (10.7)

или определяют по диаграмме (рисунок 10.5, б) При этом необходимо строго учитывать знаки Р1 и Р2 .

Измерение расхода электрической энергии. Содержание лекции: - принцип действия и устройство индукционного счётчика; принцип построения цифровых счётчиков. Цели лекции: - изучить основы измерения расхода электрической энергии.

Расход энергии есть суммарная мощность, отпущенная электропотребителю за какой-то интервал времени (час, сутки, месяц, год)

. (11.1)

Измерение расхода электроэнергии производится электросчетчиками. Они бывают электромеханические, электронные и цифровые.

Электромеханический счетчик известен как интегрирующий прибор индукционной системы. Индукционный счетчик весьма сложный прибор. 1-параллельный электромагнит; 2 - токовый электромагнит Рисунок 11.1 - Схематическое устройство электросчётчика Он состоит (рисунок 11.1) из неподвижной и подвижной частей. Неподвижная часть содержит два рабочих электромагнита- токовый (последовательный) и напряженческий (параллельный)для создания вращающего момента, постоянный магнит для создания противодействующего момента. Подвижная часть счетчика выполнена в виде алюминиевого диска толщиной 1,2 - 1,5 мм диаметром около 90 мм. Диск крепится к алюминиевой оси толщиной 2.5 мм.

Электромагниты представляют собой магнитные системы из электротехнической стали с катушками (обмотками).

Одна из обмоток (токовая) выполнена из провода относительно большого сечения, соответствующего номинальному току счетчика; она имеет мало витков и включается в сеть последовательно. Другая обмотка - обмотка напряжения - состоит из 8 - 12 тыс. витков тонкой проволоки Ш 0,08 - 0,12 мм и включается в сеть параллельно.

Электромагниты создают рабочие потоки и , которые пронизывают диск и создают в нем наведенные токи. Эти токи взаимодействуют с переменными потоками и создают вращающий момент, действующий на диск

, (11.2)

где Квр - конструктивный коэффициент.

Тормозной момент создается постоянным магнитом

, ( 11.3)

где - конструктивный коэффициент,- поток постоянного магнита, n- скорость диска. В установившемся состоянии, когда , имеем расход электроэнергии

, ( 11.4 )

где N - полное число оборотов диска. CH - номинальная постоянная счетчика определяется через передаточное число Cz. Передаточное число - число оборотов диска электрического счетчика cоставляющее единицу отсчета. На лицевом щитке большинства счетчиков имеется надпись ‹‹1 кВт•ч = Сz оборотов››, в которой Сz есть заданное число оборотов на 1 кВт?ч ( число оборотов диска, обеспечивающее изменение показания на 1 кВт?ч ). При нормировании значения постоянной счетчика используются члены числового ряда или десятичные кратные и дольные числа: 120; 150; 187,5; 240; 300; 375; 480; 600; 750; 960.и т. д. Зная передаточное число можно найти СН.

. (11.5)

Устанавливаются следующие метрологические характеристики счетчиков.

Номинальное напряжение - это напряжение, положенное в основу при нормировании параметров счетчиков. Для однофазных счетчиков 127 и 220 В , для трехфазных 127, 220, 380 В (счетчики непосредственного включения) и 100 В (при включении обмоток напряжения с помощью измерительных трансформаторов напряжения). Номинальное напряжение принимается за 100%

Номинальный ток - это ток, положенный в основу при нормировании параметров счетчиков. Для одно- и трехфазных счетчиков обычно номинальный ток 5 или 10 А .

Основная погрешность- относительная погрешность счетчика в учете электрической энергии при данной нагрузке

, (11.6)

где Сg - действительная постоянная, которую можно измерить при помощи ваттметра и секундомера

, (11.7)

где N0 - целое число оборотов диска счетчика за время t, c; Pвт - показания ваттметра, Вт. Обороты подсчитываются по специальной черной метке на торце диска в смотровом окне кожуха. В смотровом окне кожуха располагается щиток прибора, в прорезях которого видны цифры барабанчиков счетного механизма и диск счетчика. На щиток наносятся паспортные данные счетчика: передаточное число, номе ГОСТ, заводской номер счетчика, год изготовления и т. д. В нижней части цоколя, называемой присоединительной клеммной коробкой, располагаются зажимы, служащие для подключения счетчика в цепь. Клеммная коробка закрывается пластмассовой крышкой.

В зависимости от допустимой относительной погрешности электросчетчика выпускаются различного класса точности .

Так например, однофазный индукционный счетчик И446 -СО по метрологическим данным, относится к классу точности 2.0, его чувствительность не ниже 1% номинального тока. Максимальный ток, до которого гарантируется точность счетчика, составляет 300% IH.

Для учета электрической энергии в трехфазных электрических цепях применяют двух- и трехэлементные индукционные счетчики. Такие счетчики представляют собой совокупность двух или трех однофазных механизмов (элементов), вращающие момент которых действуют на общую подвижную часть. Общий вращающий момент системы равен сумме вращающих моментов отдельных элементов. Устройство передачи на счетный механизм такое же, как в однофазных счетчиках. Конструктивно двухэлементные счетчики могут быть выполнены одно- и двухдисковыми.

В настоящее время для измерения расхода электрической энергии применяются электронные счетчики с цифровой индикацией. Примером такого счетчика может служить многофункциональный микропроцессорный счетчик электроэнергии серии АЛЬФА. Он обеспечивает:

1) Учет электроэнергии по 4 тарифным зонам с классом точности 0.2 и 0.5;

2) Измерение активных и реактивных энергий и мощностей в двух направлениях;

3) Фиксацию максимальной мощности нагрузки в часы утреннего и вечернего максимума;

4) Запись и хранение графика нагрузки в памяти счетчика;

5) Передача результатов измерений по цифровым каналам связи.

В цифровых СЭ достижим практически любой класс точности, при условии выбора соответствующей элементной базы и алгоритмов обработки информации.

Цифровой СЭ может осуществлять статистические исследования, например, вычислять среднюю мощность потребления нагрузки и ее дисперсию, а также хранить информацию о накопленной энергии за произвольные промежутки времени.

Цифровые СЭ могут выполняться в различных конструктивных исполнениях. Применение цифровых дисплеев (рисунок 11.6) позволяет значительно повысить удобство представления информации для пользователя

Датчик напряжения обычно выполняется в виде образцового резистивного делителя напряжения. Датчик тока выполняется в виде электронного трансформатора тока - преобразователя ток - напряжение. Сигналы о значениях тока и напряжения перемножаются для получения значений мгновенной мощности. Мгновенная мощность поступает на интегрирующий преобразователь мощность - частота.

Примерами подобных преобразователей, выпускаемых российскими производителями, являются, например, КР1095ПП1 - специализированная ИС измерителя активной мощности, выпускаемая заводом «Ангстрем» БИС, КР1446ПМ1, или разработанные специалистами НПФ « Прорыв» и ООО «Силиком» БИС SPM-1 и SPM-2.

В простейшем случае цифрового СЭ, когда требуется лишь измерение числа импульсов, вывод информации на дисплей и защита при аварийных сбоях напряжения питания ( то- есть, фактически, цифрового функционального аналога существующих механических счетчиков), система может быть построена, например, на базе микроконтроллера фирмы MOTOROLA MC68HC05KJ1.

Лекция № 10. Информационные измерительные системы

Основой любой формы управления, анализа, прогнозирования, планирования, контроля или регулирования - достоверная исходная информация, которая может быть получена путём измерения требуемых физических величин (ФВ), их параметров и показателей. Измерение является экспериментальным процессом, при котором, используя вспомогательные средства, сравнивают неизвестное значение измеряемой величины с принятой единицей измерений и определяют, какое число раз эта единица содержится в измеряемой величине. Для этого единицу величины воспроизводят в удобном для измерения виде - в так называемой мере. В принципе измерять можно большую часть свойств различных объектов (твёрдых тел, жидкостей, газов, технических систем), выбрав для этого пригодную соответствующую меру. Многие из свойств, такие как размеры, масса, плотность, температура и другие, допускают их количественное определение, другие можно измерять косвенным образом (например, цвет оптического излучения по длине волны этого излучения). При косвенном способе используют пригодную для измерения величину, связанную с искомой известной математической зависимостью, например, термо-э.д.с (ТЭДС). термопары (термоэлемента). На рисунке 1.1 схематично показаны термоэлемент.

Термоэлемент относится к элементарному первичному измерительному преобразователю - датчику. Пару датчик - прибор можно рассматривать как единую систему (рисунок 1.1,а) и как два последовательно соединённых устройства (рисунок 1.1,б). В первой из схем можно выделить измеряемую величину - температуру д (входной сигнал) хе; носитель сигнала ха, преобразуемый в отклонение стрелки вдоль шкалы на длину L дуги; информативный параметр - длину L, отсчитываемую от нулевой отметки на шкале до деления, против которого остановилась стрелка. Во втором случае входными сигналами являются измеряемые величины хе = д и хb = uд - термо-э.д.с. Носителями сигнала ха являются термо-э.д.с. и отклонение стрелки, а информативными параметрами - значение термо-э.д.с. и перемещение L стрелки. В первом случае измерительное устройство есть измерительный прибор (ИП), во втором - измерительная система (ИС). До сих пор под ИС подразумевали всю совокупность измерительных приборов и устройств, необходимых для проведения измерений. При этом к понятию ”система” были отнесены как одиночный прибор, так и сложная измерительная установка. До сих пор не рассматривалась конфигурация (архитектура) и структура ИС. На рисунке 12.2 приведена внутренняя структура ИС.

В тех случаях, когда измеряемая величина не является активной, необходимо воспользоваться источником возбуждения, который будет оказывать воздействие на измеряемый объект. Тогда отклик объекта (вместе с самим воздействием) будет содержать желаемую информацию. Естественная физиологическая ограниченность возможностей человека в восприятии и обработки больших объёмов информации привело к появлению комплексных измерительных систем (КИС). КИС (в дальнейшем -просто ИС) - совокупность функционально объединённых СИ, средств вычислительной техники СВТ, например, микро- ЭВМ) и вспомогательных устройств, соединённых между собой каналами связи, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации о ФВ, свойственных данному объекту, в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления. В зависимости от назначения ИС разделяются на измерительные, контролирующие и управляющие. Особое место занимают автоматизированные системы обработки информации и управления (АСОИУ). По числу измерительных каналов ИС подразделяются на одно-, двух-, трёх- и многоканальные. Двух- и более канальные системы могут быть связанными между собой. Многоканальные ИС представляют собой один из самых распространенных видов ИС и содержат в каждом измерительном канале набор элементов

Важной их разновидностью являются информационно-измерительные системы (ИИС), предназначенные для представления измерительной информации в виде, необходимой потребителю.

Структурная схема ИИС ИИС содержит следующие устройства: - устройства измерения, включающие в себя первичные и вторичные измерительные преобразователи и собственно измерительное устройство, выполняющее операции сравнения с мерой, квантование, кодирование, а в отдельных случаях и коммутатор; - устройство обработки измерительной информации, выполняющее обработку измерительной информации по определённому алгоритму (сокращение избыточности, математические операции, модуляция и т.п.); - устройство хранения информации; - устройство представления информации в виде регистраторов и индикаторов; - устройство управления, служащее для организации взаимодействия всех узлов ИИС; - устройство воздействия на объект, включающее в себя генераторы стимулирующих воздействий. Информация от ИИС может поступать в ЭВМ или выдаваться оператору. Оператор или ЭВМ могут воздействовать на устройство управления ИИС, меняя соответственно программу её работы. В ряде ИИС некоторые устройства и связи могут отсутствовать. При наличии в составе ИИС компьютера PCI (ISA) или другой микро-ЭВМ информация к ним может поступать непосредственно от устройств обработки или (и) хранения. Современные ИИС представляют в виде блок-схем связанных между собой функциональных блоков (ФБ) (рисунок 12.5). Функциональными блоками являются: -первичные преобразователи, размещённые постоянно в определённых точках пространства или сканирующие (перемещающиеся в пространстве); - множество аналоговых преобразователей: нормирующие преобразователи аналоговых сигналов (масштабные преобразователи, преобразователи различного вида модуляции сигнала), унифицирующие преобразователи (приведение сигналов к диапазону стандартных значений или к согласованному уровню ), коммутаторы аналоговых сигналов, аналоговые вычислительные устройства, устройства памяти, сравнения, аналоговые измерительные приборы (показывающие и регистрирующие); - множество аналого-цифровых преобразователей (АЦП); - цифровые устройства - формирователи кодоимпульсных сигналов, коммутаторы, универсальные цифровые вычислительные устройства (микропроцессоры, микро-ЭВМ), накопители информации, устройства вывода, отображения и регистрации информации, цифровые индикаторы и панели; - цифроаналоговые преобразователи (ЦАП).

Управление работой последующего ФБ (ФУ) производится последовательно после того, как закончится преобразование в предыдущем ФБ. Каждый ФБ выполняет заданную операцию над измерительной величиной, а все вместе выполняют заранее заданную операцию над входным сигналом. В схеме на рисунке 12.6.в показаны интерфейсные узлы (ИФУ) каждого ФБ. В принципе под интерфейсом понимается совокупность механических, электрических и программных средств, позволяющих объединить ФБ в единую систему. Например, интерфейсRS-232-C соединяет два устройства и предназначен для связи компьютеров между собой, а также для подключения к компьютеру стандартных внешних устройств. Компьютер имеет 25-контактный (DB25P) или 9-контактный (DB9P) разъёмы для подключения интерфейса RS-232-C. Все ФБ соединены общей шиной управления. Несмотря на простоту такой структуры, функциональные возможности её ограничены нельзя менять состав ФБ. В ИИС с радиальной структурой (рисунок 12.7) обмен сигналами между ФУ (ФБ) происходит через центральное устройство управления - контроллер, который задаёт режим работы ФБ, изменяет их число и состав, а также связи между блоками и порядок обработки информации.

Лекция № 11. Измерительные вычислительные комплексы

Важной разновидностью ИИС являются измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) - функционально объединённая совокупность средств измерений, компьютеров и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения конкретной измерительной задачи. Основными признаками принадлежности СИ к ИВК являются: наличие (микро) процессора или компьютера; программное управление средствами измерений; наличие нормированных метрологических характеристик; блочно-модульная структура, состоящая из технической (аппаратной) и программной (алгоритмической) подсистем. Техническая подсистема должна содержать: СИ электрических и неэлектрических величин (измерительные компоненты); средства вычислительной техники (вычислительные компоненты), меры текущего времени и интервалов времени; средства ввода-вывода аналоговых и цифровых сигналов с нормированными метрологическими характеристиками. В программную подсистему ИВК входят системное и общее прикладное программное обеспечение (ПО), в совокупности образующие математическое обеспечение системы. Системное ПО представляет собой совокупность программного обеспечения компьютера и дополнительных программных средств, позволяющих работать в аналоговом режиме, управлять измерительными компонентами, обмениваться информацией внутри подсистем комплекса, проводить диагностику технического состояния. Программное обеспечение представляет собой взаимодополняющую, взаимодействующую совокупность подпрограмм, реализующих: - типовые алгоритмы эффективного представления и обработки измеритель- ной информации, планирования эксперимента и других измерительных процедур; - архивирование данных измерений; - метрологические функции (поверка, аттестация, характеристики погрешностей). По назначению ИВК делятся на типовые, проблемные и специализированные. Типовые комплексы предназначены для решения широкого круга типовых задач автоматизации измерений, испытаний или исследований независимо от области применения. На рисунке 13.1 приведена структурная схема типовой ИВК. Основными составными частями комплекса являются: - компьютер ISA (PCI) с периферийными устройствами, подключёнными к нему, в том числе посредством компьютерной сети; - измерительные каналы (ИК), предназначенные для преобразования в цифровой код заданного числа сигналов; - программное обеспечение; - интерфейс, организующий связь технических устройств ИВК с компьютером; - формирователь испытательных сигналов, которыми воздействуют на объект измерения с целью получения измерительных сигналов (например, i-й сигнал вырабатывается с помощью последовательно соединённых ЦАП i и преобразователя напряжение - испытательный сигнал ПНИСi). Структура ИВК содержит аналоговый измерительный (АИП) и аналого-цифровой (АЦП) преобразователи. При обработке нескольких измерительных сигналов одним АЦП в состав комплекса включается коммутатор, предназначенный для поочерёдного подключения сигналов к входу АЦП. Коммутатор может включаться как после АИП (ИК1), так и перед ним (ИК N).

АИП предназначен для преобразования измерительного сигнала в сигнал, однородный с входным сигналом АЦП (т.е. в напряжение), масштабирования (ослабления или усиления) его до уровня, необходимого для проведения операции аналого - цифрового преобразования с минимальной погрешностью. При наличии нескольких измерительных сигналов (К сигналов в ИК1) АИП состоит из К независимых последовательно соединённых первичных преобразователей и управляемых компьютером масштабируемых усилителей. Если же измерительные сигналы являются однородными физическими величинами и могут быть поочерёдно выбраны (скоммутированы), то в ИВК целесообразно установить один АИП (ИК N), Он последовательно во времени проводит преобразование измерительного сигнала и его масштабирование. АЦП преобразует сигнал в цифровой код и передаёт его через интерфейс в компьютер. Работой всей аппаратной части ИВК управляет компьютер посредством: - подачи управляющих сигналов различного рода; - считывания и передачи по требуемым адресам цифровой информации (сигналы ДАННЫЕ и АДРЕС). Под АДРЕСОМ понимается уникальный цифровой код, присвоенный конкретному ФБ или его части и позволяющий компьютеру однозначно идентифицировать данное устройство. Рассмотрим принцип построения автоматизированной системы коммерческого учёта электроэнергии (АСКУЭ) ОАО «Томскнефть » ВНК

Данная система охватывает 12 энергообъектов класса напряжений 220/110 кВ, по которым проходит граница балансовой принадлежности с ОАО «Томсэнерго», 1 энергообъект ОАО «Тюменьэнерго» и 1 - принадлежит НК «ЮКОС». Проблема сбора информации от удалённых друг от друга объектов более 600 км решена путём использования спутниковой космической связи системы Глобал- Стар. В целом система была спроектирована и внедрена на основе счётчиков СЭТ4-ТМ02.2 (производства Нижегородского завода им Фрунзе), контроллеров ОМЬ-40, программного обеспечения СТМ ОМЬ. Рисунок 13.3 - Электронные многофункциональные счётчики: а - Евро-Альфа; б - СЭТ 4-ТМ02.2 Определяющим требованием к счётчикам являются класс точности не хуже 0,5, глубина хранения профиля нагрузки с получасовым интервалом не менее 35 суток в энергонезависимой памяти, измерение активной и реактивной электроэнергии и мощности в двух направлениях.

Список литература

1. Информационно - измерительная техника и электроника: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / [Г.Г.Раннев и др.] - М.: Изд. Центр «Академия»,2006.

2. Раннев Г.Г., Тарасенко А.П. Методы и средства измерений: Учебник для студ. высш. учеб. заведений. - М.: АС АДЕМА,2004.

3. Харт Х. Введение в измерительную технику. - М.: Мир,1999.

4. Классен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. - М.: Постмаркет,2000.

5. Ратхор Т.С. Цифровые измерения. Методы и схемотехника. - М.: Техно-сфера, 2004.

Размещено на Allbest.ru