--PAGE_BREAK--І. Теоретична частина 1.1 Принципи побудови цифрових електровимірювальних приладів
Принципово будову більшості цифрових електровимірювальних приладів може бути пояснено на основі структурної схеми, зображеної на рис.1, де X— вхідна (вимірювана) величина; ВП — вхідний пристрій; АЦП — аналого-цифровий перетворювач; ОП — обчислювальний пристрій; ДКП — декодуючий пристрій; ПІ — пристрій індикації; ПУ — пристрій управління; БЖ — блок живлення.
Рис.1
Структурна схема цифрового приладу
У вхідному пристрої ВП, залежно від розміру вхідної величини X, автоматично вмикається потрібний діапазон вимірювання з одночасною подачею через пристрій управління ПУ, команди на пристрій індикації ПІ про положення коми між цифрами Індикатора та про індикацію знаку вхідної величини. У цьому ж пристрої може відбуватися перетворення вимірюваної величини в напругу постійного струму або в інтервал часу, чи в частоту електричних імпульсів. У аналого-цифровому перетворювачі АЦП виконується перетворення сигналу, що надходить сюди з вхідного пристрою ВП, у цифрову форму з видачею цифрових кодових сигналів для подальшої обробки, яка проходить у обчислювальному пристрої ОП. Далі цифровий сигнал проходить до декодуючого пристрою ДКУ, де він перетворюється у форму, придатну для сприйняття пристроєм індикації ПІ, щоб висвітлити число, що показує вимірювану величину X.
Водночас цифровий сигнал, після виходу його з обчислювального пристрою, може передаватися на реєструючий пристрій РП і на електронно-обчислювальну машину ЕОМ для подальшої реєстрації (друкування) чи обробки.
Пристрій управління ПУ регламентує роботу всієї вимірювальної схеми приладу, а блок живлення БЖ забезпечує живлення кожної зі складових частин приладу напругою потрібної величини при необхідній потужності для кожної з них.
1.2 Цифрові частотоміри
Принцип дії цифрових частотомірів заснований на підрахунку числа періодів вимірюваної невідомої частоти за точно відомий відрізок часу.
Структурно-функціональну схему такого цифрового частотоміра зображено на рис.2, а. Епюри напруг, що відповідають позначеним літерами ділянкам наведеної схеми частотоміра, показано на рис.2, б.
На схемі позначено: Щ — напруга невідомої вимірюваної частоти, Ф2 — формувач імпульсів вимірюваної частоти, К — електронний ключ, КГ — кварцовий генератор точно відомої високої частоти, Ф1 — формувач прямокутних імпульсів частоти, генерованої кварцовим генератором КГ, ПЧ — подільник частоти, ФІЧ — формувач імпульсів точного часу, Л — декадний лічильник, ДШ — дешифратор, ПІ — пристрій індикації.
Головним вузлом, що забезпечує точність виміру частоти в цьому приладі, є кварцовий генератор високої частоти. Власне висока частота тут не потрібна, але кварцові генератори саме на високій частоті здатні працювати з високою точністю і за прийнятних розмірів кварцової пластини. Щоб запобігти впливу температури середовища на частоту кварцового генератора, всі його частини вміщено в термостат обмеженого об'єму з власним нагрівачем та автоматичним регулятором температури. Це забезпечує стабілізацію температури всередині термостата на рівні 50.60°С незалежно від температури довкілля, що змінюється у нормальних межах, тобто не перевищує 40°С.
Для більш чіткої роботи інших елементів схеми синусоїдальна напруга кварцового генератора перетворюється формувачем Ф1 на послідовність імпульсів напруги майже прямокутної форми. Ця послідовність імпульсів, потрапляючи в подільник частоти ПЧ, після багаторазового поділення перетворюється на прямокутні імпульси малої частоти з суворо витриманим часом Т кожного періоду (рис.2, б, епюра є).
Рис.2
Структурно-функціональна схема цифрового частотоміра:
а —
схема, б — епюри напруг
Ці імпульси, попадаючи у формувач імпульсів часу ФІЧ, формуються у прямокутні імпульси напруги (епюра є), які надходять у коло керування електронним ключем К, примушують його відмикатися на точно дозовані проміжки часу (наприклад, на 1 с), протягом яких цей ключ пропускає через себе у лічильник Л сформовані формувачем Ф2 пакети імпульсів (епюра ж). Лічильник, порахувавши число імпульсів, вміщених у пакеті (тобто ту кількість, що пройшла через ключ К протягом часу 7), і перетворивши це число у десяткову форму, надсилає це число до дешифратора ДШ, де воно перетворюється на код, сприйнятний для цифрового пристрою індикації, на якому і висвітлюється вимірюване значення частоти напруги. Разом з тим сигнал про величину виміряної частоти після лічильника Л (а іноді й після дешифратора) може спрямовуватись до ЕОМ для зберігання чи подальших розрахунків.
За допомогою цифрового частотоміра можна вимірювати частоту зі значно більшою точністю, ніж частотомірами інших систем (можна вести виміри з похибкою, що не перевищує ОД.0,01%).
Підвищення точності цифрових частотомірів можна досягти, підвищуючи стабільність кварцового генератора і збільшуючи величину часу Т.
Завдяки високій точності й можливості передавання результату вимірювань безпосередньо до ЕОМ нині широко застосовують саме цифрові частотоміри. Із застосуванням перетворювачів неелектричних величин (наприклад, швидкості обертання) у напругу змінного струму, частота якої однозначно пов'язана з контрольованою величиною, можливості цих частотомірів ще більш поширюються.
продолжение
--PAGE_BREAK--1.3 Вібраційні частотоміри
В енергетиці чи не найбільшого поширення набули електромагнітні вібраційні частотоміри. їхня дія базується на явищі механічного резонансу коливань пружних пластин під дією збуджувальних коливань, створюваних силами тяжіння електромагніта, котушка котрого живиться під джерела змінного струму, частоту якого бажано виміряти.
Такі частотоміри можуть бути виконані з безпосереднім (рис.3, а) чи посереднім (рис.3, б) збудженням. У обох різновидах частотомірів елементами, чутливими до частоти, є пружні пластини 3 з загнутими кінцями 4, розташовані в ряд проти прорізів, зроблених у шкалі 5 (у частотоміра з безпосереднім збудженням може бути і два ряди таких пластин, як видно з рис.3, а). У обох видозмінах таких частотомірів електромагніт 2 з обмоткою 7 створює змінне магнітне поле, яке у частотоміра з безпосереднім збудженням викликає притягання сталевих пластин 3до полюса електромагніта, а у частотоміра з посереднім збудженням — притягання якоря 6, жорстко пов'язаного з основою 7, на якій закріплено кінці всіх пластин 3. Ці пластини можуть бути виконані як зі сталі, так і з якогось іншого пружного матеріалу (наприклад, бронзи). Якір 6 з основою 7 закріплено на двох пружинах 8 до цоколя приладу 9.
Таким чином, у частотомірів обох видозмін всі пружні пластини 3 вібрують з частотою, вдвоє більшою, ніж частота напруги живлення обмотки 1. А вдвоє більшою тому, що за один період напруги живлення і сталеві пластини 3, і якір 6 притягуються до полюсів електромагніта 2 й відпускаються від нього двічі, незалежно від полярності полюсів цього електромагніта. Але амплітуда вібрації кінців 4 цих пластин буде різною: найбільшою у тієї пластини, власна частота коливань якої дорівнює частоті сили збудження (тобто вдвоє більша за частоту напруги живлення). Менші амплітуди коливань будуть у сусідніх пластин, власна частота коливань яких трохи більша і трохи менша від подвоєної частоти напруги. І чим більш відмінною будуть власні частоти коливань пластин від цієї подвоєної частоти напруги, тим меншим буде розмах коливань кінців 4 цих пластин 3. Частоту коливань напруги знаходять за тією позначкою частотоміра, проти якої видимий розмах коливань кінця пластини 3 є найбільшим. На рис.3, в, де зображено шкалу частотоміра, показано, як виглядає показання розглянутих частотомірів, коли частота напруги мережі становить 49,5 Гц.
Рис.3
Будова вібраційних частотомірів
1.4 Аналогові частотоміри
Аналогові частотоміри можуть бути:
· електродинамічними;
· феродинамічними;
· електромагнітними;
· випрямними;
· електронними.
Електродинамічні частотоміри — це прилади зі стрілковим покажчиком, виконані на основі електродинамічного логометра. Вони вирізняються відносно високим класом точності, зручністю в користуванні, бо дають можливість робити відлік за положенням стрілки на шкалі, градуйованій безпосередньо у герцах.
Схему одного з переносних частотомірів, що виробляються в Україні, зображено на рис.4. На схемі позначено: Р1і Р2 — обмотки рухомих рамок приладу, жорстко закріплених на осі рухомої системи під прямим кутом одна до одної; НК1 і НК2 — обмотки нерухомих котушок; L— котушка індуктивності з феромагнітним осердям, що має невеликий повітряний проміжок; С1 — конденсатор, який створює резонансний контур з котушкою L; r1— додатковий опір, rш— підгінний опір; С2 — конденсатор, реактивний опір якого обмежує величину струму, що проходить через обмотку рамки Р2; AT— автотрансформатор, що дає можливість при величинах номінальних напруг контрольованої частотоміром мережі 36, 100, 127 або 220 В подавати на вимірювальний механізм певну величину напруги, на якій проводилось градуювання приладу. Зауважимо, що відхилення величини напруги мережі у межах ±10 % від її номінальної величини викликає лише невелику додаткову похибку у показаннях, яка не виходить за межі, допустимі для класу приладу. Частотоміри за наведеною схемою виробляють у декількох модифікаціях. Всі пі прилади здатні вимірювати частоти від 45 до 1650 Гц. Діапазон вимірювань частоти кожним з цих приладів відповідає ±10 % від значення середньої частоти, вимірюваної даним приладом, тобто від 45.55 до 1350.1650 Гц.
Клас точності цих приладів — 0,2, тобто їхня основна похибка не перевищує ±0,2 % від середньої частоти, вимірюваної приладом.
У цих приладах зі зміною величини частоти змінюються також величина і фаза струму у нерухомих котушках HK1і НК2 і у рухомій котушці-рамці Р1. Так, якщо за частоти, що відповідає показанню посередині шкали приладу, величина реактивного індуктивного опору вітки, за якою проходить струм І1, дорівнюватиме величині ємнісного реактивного опору конденсатора С1 тоді через наявність резонансу напруг струм І1буде найбільшим і перебуватиме у фазі з напругою Uf.
електровимірювальний прилад частота напруга
Рис.4 Схема електродинамічного частотоміра
Рамка Р1під дією обертового моменту, створеного взаємодією струму в рамці з магнітним потоком нерухомих котушок НК1 і НК2, перебуватиме у положенні, де площини цієї рамки і нерухомих котушок збігатимуться. Дією рамки Р2 можна знехтувати, бо через неї проходить струм І2, зсунутий відносно напруги Ufмайже на 90°. Якщо ж величина частоти напруги Ufбуде відмінна від частоти резонансу fр, то фаза струму І1 відносно напруги Ufвже не збігатиметься з напругою, і кут зсуву по фазі струму І1, відносно струму І2 буде відмінним від 90°. Тоді магнітний потік нерухомих котушок, взаємодіючи зі струмом І2, створить обертовий момент, що буде врівноважений моментом, створюваним рамкою Р1при повороті рухомої частини приладу на кут, відповідний вимірюваній частоті напруги Uf. Зі схеми видно, що величина напруги Ufневпливає на кут відхилення рухомої частини, бо зміна величини напруги однаково вплине як на величину струму І1, так і на величину струму І2. Це призведе до однакової зміни величин обертових моментів, створюваних рамками Р1 і Р2, котрі протидіють один одному, тобто не змінить рівноваги між ними за даного положення рухомої частини приладу.
У цьому приладі, як і у всякому логометрі, відсутні спіральні пружини, а струм підводиться до рамок за допомогою трьох тонких «безмоментних» струмопідводів.
Феродинамічні частотоміри, побудовані на основі феродинамічних логометрів, можуть бути виконані на основі електричних схем, аналогічних схемам електродинамічних частотомірів.
Різниця між ними лише в тому, що споживана потужність у феродинамічного приладу може бути суттєво меншою, ніж у електродинамічного. Часто феродинамічні частотоміри виконують на основі найпростіших однорамочних логометрів, у котрих як діючий, так і протидіючий моменти створюються однією рамкою, через яку водночас проходять два струми: один (що створює момент протидії) викликаний ЕРС взаємоіндукції від дії струму, що є у обмотці нерухомої котушки, другий (той, що створює діючий момент) викликаний напругою мережі, частота якої вимірюється. Ця напруга прикладена до ємнісно-індуктивного кола приладу.
Як і у частотоміра електродинамічної системи, так і у феродинамічного для підводу струму до рамки використано «безмоментні» струмопідводи, але їх всього два. Електромагнітний частотомір виконано на основі двокотушкового електромагнітного логометра, котрий має на своїй рухомій частині два феромагнітних осердя, кожне з яких взаємодіє з одною із нерухомих котушок. Обертові моменти електромагнітних систем, до яких входять згадані котушки і осердя, спрямовані зустрічно. Кожну з обмоток котушок ввімкнено послідовно з дроселем і конденсатором, які налаштовано в резонанс на відмінні величини частот. Одна — нижче за найменшу вимірювану частоту, друга — вища за найбільшу вимірювану частоту. Завдяки цьому рівність обертових моментів, що діють протилежно, в згаданих раніше системах буде одержано при різних величинах вимірюваної частоти у певних положеннях покажчика приладу на шкалі. Рухома частина цього приладу не має ні моментних пружин, ні безмоментних струмопідводів.
Випрямні частотоміри, створені на основі магнітоелектричних логометрів, діють аналогічно тому, як діє електромагнітний частотомір. Тобто вони мають два резонансні контури: резонансна частота одного нижча за найменшу вимірювану, а іншого — вища за найбільшу вимірювану. Але змінні струми, що протікають у вказаних контурах, випрямлюються двопівперіодними випрямлячами і надсилаються до рамок рухомої частини магнітоелектричного логометра, кут повороту якої залежить від відношення цих струмів. Згідно з цим, положення стрілки на шкалі логометра визначатиме величину частоти напруги. У електронного частотоміра приладом, що показує частоту, є магнітоелектричний міліамперметр, увімкнутий у коло вихідного каскаду електронного підсилювача. Вхідне коло підсилювача приєднане до частотно залежного ланцюга, струм якого мало залежить від величини напруги, частота котрої вимірюється. Завдяки наявності електронного підсилювача, потужність, споживана з вимірювального кола, у електронного частотоміра значно менша, ніж у всіх розглянутих вище частотомірів.
продолжение
--PAGE_BREAK--1.5 Електромеханічні частотоміри
Для вимірювання частоти у вузькому діапазоні (45.55Гц) з невисокою точністю (одиниці процентів) застосовуються електродинамічні й електромагнітні частотоміри. В електродинамічних частотомірах застосовують логометричний вимірювальний механізм, який складається з двох рухомих котушок, закріплених на одній осі під деяким кутом одна до одної, яка може вільно обертатися у магнітному полі нерухомої котушки (рис.5). Параметри рухомої котушки та елементів R2, L2, С2 добирають так, щоб резонансна частота
припадала на середину вимірюваного діапазону частот.
Рис.5
У разі відхилення вимірюваної частоти від середини діапазону змінюються опори реактивних елементів ХС1=l/2πfxC1, ХС2=l/2πfxC2,XL2=l/2πfxL2і співвідношення між струмами в котушках, унаслідок чого стрілка відхиляється на кут, пропорційний вимірюваній частоті fx. Аналогічно працює й електромагнітний частотомір.
1.6 Вимірювальний перетворювач частоти в струм
В аналогових електронних частотомірах застосовується попереднє перетворення частоти в напругу. Принцип дії вимірювального перетворювача частоти в напругу ґрунтується на формуванні імпульсів, частота яких дорівнює вимірюваній частоті, а електричний заряд імпульсів є постійним. Середнє значення струму таких імпульсів пропорційне вимірюваній частоті.
Вимірювальний перетворювач частоти в напругу становить основу так званого конденсаторного частотоміра, спрощену схему якого наведено на рисунку 6. Періодичний сигнал із частотою fxнадходить на вхід формувача прямокутних імпульсів, частота яких дорівнює вимірюваній частоті. Прямокутні імпульси діють на перемикач, який з'єднує конденсатор із джерелом стабільної напруги. Упродовж часу тривалості імпульсу Ті конденсатор заряджається до напруги U0. Заряд, який накопичився за цей час на обкладках конденсатора, становитиме: Q=UC.
Рис.6
Після закінчення дії імпульсу перемикач повертається у початковий стан і з'єднує конденсатор із резистором R. Конденсатор розряджається, і через резистор проходить струм розряду, середнє значення якого прямо пропорційне вимірюваній частоті:
Напруга на резисторі Rпрямо пропорційна струму, тому середнє значення напруги на резисторі Ux=RQfxвиділяється фільтром низької частоти і вимірюється вольтметром магнітоелектричної системи.
1.7 Гетеродинний вимірювальний перетворювач частоти
Перетворення частоти сигналу широко застосовується в різних радіотехнічних пристроях. Суть частотного перетворення сигналу полягає у тому, що синусоїдний сигнал ux(t) =Uх√2sin(2πfxt+Ψx) з вимірюваною частотою fxперемножується із зразковим сигналом u(t) =U√2sin(2πft+Ψ) з відомою частотою f:
(1)
Як відомо з тригонометрії, добуток двох синусоїдних функцій виражається через різницю синусоїдних функцій:
(2)
Застосовуючи тригонометричну тотожність (2) до добутку (1), отримаємо
Отже, на виході перемножувача буде сума двох коливань: одне з коливань має частоту fx-f, а друге — частоту fx+f. Пристрій, за допомогою якого здійснюється перемножування двох синусоїдних сигналів, називається «амплітудним модулятором», «змішувачем», «перемножувачем». За допомогою електронних фільтрів можна виділити із суми двох коливань одне. Здебільшого на практиці виділяють коливання з різницевою частотою fx-f. Якщо плавно змінювати частоту fзразкового генератора, то частота fx-fнаближатиметься до нуля. Це можна зафіксувати за допомогою осцилографа або на слух за допомогою головних телефонів за висотою тону.
продолжение
--PAGE_BREAK--1.8 Частотомір із перетворенням похибки квантування в інтервал часу
Основною похибкою, яка обмежує точність частотомірів, є похибка квантування. Перетворенням похибки квантування Δtв електричний заряд q, а заряду в інтервал часу ΔT(у десятки разів більший за Δt) і наступним вимірюванням інтервалу ΔTможна в десятки разів підвищити точність вимірювання частоти. Цей спосіб застосовується у цифровому універсальному частотомірі 43-64, генератор квантувальних імпульсів якого має частоту 100 МГц. На першому етапі вимірювання вимірюваний інтервал часу Тхквантується імпульсами з періодом Т0=1·10-8 с. При цьому виникають похибки Δt1і Δt2. Сумарна похибка перетворюється в заряд конденсатора. Впродовж інтервалу Δt1відбувається заряджання, а протягом інтервалу Δt2— розряджання конденсатора струмом 1·10-6 А. Далі конденсатор розряджається струмом 1·10-7 А. Тривалість розряджання дорівнює ΔТ=10·Δt=10· (Δt1-Δt2). Потім ΔTквантується імпульсами з періодом Т0=1·10-8 с. Таким чином, похибка зменшується з 1·10-8 с до 1·10-9 с.
ІІ. Механічна частина2.1 Вимірювання частоти електричної напруги
На підприємствах енергетичного профілю частоту найчастіше вимірюють за допомогою частотомірів, використання яких не викликає ніяких труднощів. Більшість частотомірів приєднують безпосередньо до мережі, частоту котрої необхідно виміряти, або до окремого джерела живлення змінного струму, частоту напруги якого слід контролювати. Необхідно лише впевнитись, що номінальна величина напруги мережі чи окремого джерела збігається з номінальною величиною напруги частотоміра, а також у тому, чи довіряти показанням частотоміра зразу ж після вмикання під напругу, чи лише після певного часу його роботи. Цей час може бути необхідний, щоб частини частотоміра, що містяться всередині його корпуса, нагрілися власним теплом, яке виникає в обмотках та осердях частотоміра, до належної температури.
Крім того, ще до встановлення і приєднання частотоміра необхідно впевнитись у відповідності умов у помешканні, де намічено встановити частотомір, тим умовам, які передбачені технічним описом приладу.
Більшість частотомірів, що застосовуються на електричних станціях та в енергосистемах, мають обмежену точність (клас їхньої точності 1,5; 1,0; 0,5; 0,2).
Разом з тим ці частотоміри потребують періодичної повірки, перш за все відомчої, яку з дозволу Державних метрологічних органів проводять метрологічні підрозділи підприємств і організацій, де експлуатують прилади. Повірка необхідна також після ремонту приладів.
При таких повірках необхідно забезпечити клас точності зразкового засобу вимірювання у 4.5 разів вищий за клас приладу, що повіряється. Якщо зразкових приладів необхідного класу точності немає, то використовують метод порівняння частот зразкового високоточного вимірювального генератора і джерела напруги змінної частоти, від якого живиться частотомір, що проходить повірку. Використовують ще і метод вимірювання частоти за допомогою частотомірного мосту.
Безпосереднє вмикання частотоміра на генератор зразкових частот часто буває неможливим через малу потужність таких генераторів.
Досить надійним методом порівняння двох частот є метод биття, реалізація якого можлива згідно зі схемою рис.7.
На цьому рисунку позначено:
ЗГ — генератор зразкової частоти; ГЧ — генератор змінної частоти живлення приладу; ЧМ — частотомір, що повіряється; П1, П2, П3 — підсилювачі; І — індикатор наявності коливань напруги; П — потенціометр.
Для чіткої роботи схеми необхідно, щоб підсилювачі П1 і П2 були однотипними, а величини напруг на їхніх виходах — однаковими (щоб досягти цього, у схемі є потенціометр П, за допомогою якого на вході до підсилювача П2 можна встановити яку завгодно величину напруги).
Індикаторний прилад І — це прилад для вимірювань постійного струму з нульовою позначкою посередині шкали. Він має бути здатним витримувати величину напруги змінного струму, яка виникає на виході підсилювача П3 при появі на його вході складених напруг, створених підсилювачами П1 і П2.
Рис.7
Точне вимірювання частоти методом биття
Порядок повірки частотоміра на подібній вимірювальній схемі може бути таким. Генератором зразкової частоти ЗГ встановлюють значення однієї з частот, вимірюваних частотоміром ЧМ. Генератором ГЧ встановлюють приблизно таку саму частоту (за показаннями частотоміра ЧМ), після чого звертають увагу на показання індикатора І. Якщо величини обох частот мало відрізняються між собою, то між напругами, що є на виходах підсилювачів П1 і П2, виникає биття — тобто почергове складання і віднімання миттєвих значень цих напруг.
Змінюючи величину частоти генератора ГЧ, досягають такого стану, при якому частота биття напруги стане зовсім малою (десь одне коливання за 5.10 с). У цьому разі можна вважати, що частоти напруг генераторів ЗГ і ГЧ зрівнюються.
Якщо в цей час показання покажчика частотоміра, що проходить повірку, відрізняється від частоти, генерованої генератором ЗГ, то, віднявши від показу частотоміра ЧМ (у герцах) дійсну частоту, з якою працює генератор ЗГ, можна визначити величину похибки частотоміра.
Метод биття можна застосовувати у виробничих лабораторіях при повірках частотомірів завдяки нескладності потрібного обладнання та достатньо високої точності вимірювань.
Застосовуючи зразковий кварцовий генератор з багатоступінчастим подільником частоти, можна отримати зразкову частоту з похибкою близько 0,000001 %.
Використовуючи термостатовані камертонні генератори, можна досягти точності, на порядок чи два меншої. Їх можна використовувати й без подільників частоти.
Іноді для визначення рівності вимірюваної і зразкової частот як нуль-індикатор використовують телефонну трубку. Це зовсім простий метод, який не вимагає додаткової апаратури, треба лише, щоб величини напруг зразкової і контрольованої частот були достатніми (і безпечними) для телефонної трубки. Але користуватись цим методом доцільно тільки при порівнянні підвищених і високих частот, бо людське вухо нездатне сприймати звуки з частотою, нижчою за 12.15 Гц. Наявність такої «мертвої» зони при порівнянні частот порядку 1000.5000 Гц і вище майже не впливає на точність вимірювань, але при порівнянні частот порядку 40.60 Гц вона зовсім недоречна, бо суттєво зменшує точність порівняння.
продолжение
--PAGE_BREAK--