Цифровые измерительные приборы

Лекция 16.
Измерительная
система
Магнитоэлектрическая
Электромагнитная
равномерная
неравномерная
Род тока
Характер шкалы
Принцип
действия
Электродинамическая
Ферродинамическая
Класс точности
Высокий 0,1-2,5,
0,5-2,5
0,1-0,5
Достоинства
Высокая чувствительность, нечувствительность к
внешним магнитным полям, малые
потери
Простота, дешевизна,
способность
выдержи вать
перегрузки,
надежность
Высокая
точность
Недостатки
Сложность,
дороговизна,
чувствительность к
перегрузкам
Чувствительность
к внешним
магнитным
полям, требуют
экранирования
Вращающий
момент
создается
взаимодействие
м
Тормозной
момент
создается
Тока в катушке с
постоянным
магнитным полем
Сердечником с
магнитным
полем катушки с
током
Чувствительность к вибрации, перегрузкам, внешним
магнитным
полям, требуют
защиты,
дороговизна
Магнитных
полей двух
катушек с
токами
Вихревым током в
каркасе катушки
Вихревыми
токами в Аl
секторе
Прочность,
надежность,
малая чувствительность к
внешним
магнитным
полям
Тока в катушке с
магнитным
полем другой
катушки
Воздушным
успокоителем
Цифровые измерительные приборы
Цифровыми измерительными приборами (ЦИП) называют такие, которые в соответствии
со значением измеряемой величины образуют код, а затем в соответствии с кодами
измеряемую величину представляют на отсчетном устройстве в цифровой форме. Код
может подаваться в цифровое регистрирующее устройство, вычислительную машину или
другие автоматические устройства, что обусловило широкое практическое применение этих
приборов в технике. Например, такие электронные аналоговые приборы, как частотомеры и
фазометры, вытесняются цифровыми приборами, которые обладают относительной
простотой преобразования этих параметров в кодовый сигнал.
ЦИП обладает рядом преимуществ: объективность и удобством отсчета результата
измерения; возможностью измерений с высокой точностью при полной автоматизации
процесса измерения; высокой быстротой действия и чувствительностью; возможностью
дистанционной передачи результатов в виде кода без потерь точности; сочетанием ЦИП с
вычислительными и различными автоматическими устройствами.
К недостаткам ЦИП относятся сложность, (следовательно, малая надежность, и высокая
стоимость). Развитие микроэлектроники устраняют эти недостатки.
Особенно плодотворные результаты дает использование микропроцессоров, которые
позволяют осуществлять, например, такие функции, как автоматическая коррекция
систематических погрешностей, диагностика неисправностей, обработка полученных
данных, управление отдельными узлами ЦИП и т.д.
Принцип работы ЦИП основан на дискретном представлении непрерывных величин.
ЦИП состоит из двух обязательных узлов; аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и
цифрового отсчетного устройства (ОУ). АЦП выдает код в соответствии со значением
измеряемой величины. ОУ отражает это значение в цифровой форме. АЦП применяются
также в измерительных, информационных управляющих и других системах и выпускаются
промышленностью в качестве самостоятельных средств измерения. Обычно они имеют на
выходе двоичный код и могут быть значительно быстрее действовать по сравнению с АЦП,
применяемыми в ЦИП. Быстродействие же ЦИП ограничивается инерционностью
зрительного восприятия. Многие ЦИП содержат предварительные аналоговые
преобразователи (АП). Их используют для изменения масштаба входной величины Х или ее
преобразования в другую величину y=f(x), более удобную для выбранного метода
кодирования.
По роду измеряемой величины ЦИП подразделяются на вольтметры, омметры,
частотомеры, фазометры, мультиметры (комбинированные), в которых предусматривается
возможность измерения нескольких электрических величин и ряда параметров
электрических цепей.
По области применения выделяются ЦИП лабораторные, системные и щитовые.
ЦИП устроены сложно, их функциональные части выполняются на основе элементов
электронной техники, в основном это интегральные микросхемы. В современных ЦИП
функциональные узлы, преобразующие аналоговые сигналы, обычно выполняются на
основе микроэлектронных операционных усилителей.
Цифровые вольтметры. Цифровыми измерительными приборами называются приборы,
автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации,
показания которых представляются в цифровой форме.
Цифровые измерительные приборы обязательно включают два узла: аналого-цифровой
преобразователь и цифровое отсчетное устройство. Для образования кода непрерывная
величина дискретизируется по времени и по уровню так, что значение дискретной
величины соответствует значению исходной непрерывной величины только в
определенные моменты времени. Промежуток между соседними моментами времени
называется шагом дискретизации.
Основные методы преобразования значений непрерывных величин в коды. По
способу преобразования выделяют три основных метода:
– последовательного счета;
– сравнения и вычитания (поразрядного взвешивания);
– считывания.
При использовании метода последовательного счета происходит последовательное во
времени сравнение измеряемой величины с известной, увеличивающейся или
уменьшающейся скачками. Каждый скачок равняется шагу квантования по уровню.
При реализации метода поразрядного взвешивания происходит последовательное во
времени сравнение измеряемой величины с известной, изменяющейся скачками по
определенному алгоритму.
В методе считывания производится одновременное сравнение неизвестной величины с
известными значениями, воспроизводимыми набором мер.
Погрешности цифровых измерительных приборов.
На работу цифровых измерительных приборов в основном влияют два типа погрешностей:
статические и динамические.
Статическая погрешность состоит из четырех составляющих:
– погрешности дискретизации;
– погрешности квантования;
– погрешности порога чувствительности;
– внешних влияний на ЦИП.
При этом надо иметь в виду, что последние три погрешности вызваны только
несовершенством прибора и являются инструментальными погрешностями. Различными
конструкторскими и инженерными разработками эти составляющие статической
погрешности можно свести до минимума вплоть до полного исключения. Погрешность
дискретизации является методической погрешностью. Это означает, что никакие
технические усовершенствования в принципе не могут убрать эту погрешность, поскольку
она присуща природе метода цифрового преобразования сигнала.
Динамические погрешности в цифровых измерительных приборах делятся на погрешности
первого и второго рода.
К динамическим погрешностям первого рода относят погрешности, связанные с
инерционностью отдельных составляющих цифрового измерительного прибора.
Аналогично случаю статической погрешности, используя современную материальнотехническую базу, возможно устранение этого рода погрешности путем совершенствования
конструкции прибора и отдельных его частей.
Динамические погрешности второго рода возникают из-за того, что измерение происходит
в момент времени t2, а результат его приписывают либо к t1, либо к t3. Такую погрешность
измерения устранить в принципе нельзя.