Цифрлық өлшеу аспаптары және түрлендіргіштері

ЭВ шкаласын теріс кері байланыстың тереңдігі мен аспаптың шунт кедергісін өзгерту жолымен  ТТК-ге қосады.

Айнымалы токтың ЭВ сонымен  қатар У-Д схемасы бойынша орындайды (сурет-3.5.2, б). У-Д түріндегі вольтметрлерде өлшенетін айнымалы U_х кернеуі алдымен айнымалы Айн.ТК ток күшейткішімен, ал содан кейін орташа немесе әрекетті мәні бар (көбінесе жартылай өткізгішті орындаушы) детектор көмегімен аспаппен өлшенетін тұрақты токқа түрлендіріледі.

 

 

 

 

 

 

 

 

Айнымалы токтың кеңжолақты күшейткіші Айнымалы ТК әдетте өзінше кері теріс байланыспен тұрақтандырылған үшкаскадты күшейткішті береді. Жұмысшы  жиіліктің диапазонында жоғары күшею  коэффициенті, кішкене сызықты емес  бұрмалану қамтамасызданады. У-Д  түрдегі вольтметрлердің сезімталдығы жоғары, бір микровольттен жүздеген вольт өлшеу шектерінде орындалады (бұл өлшеу кернеулерінің төменгі  шегі тек шумен ғана шектеледі; жиілікті диапазоны күшейткіштің өткізу жолағымен  шектелген 10 Гц  ¸ 10 МГц). Өлшеу шектерінің қосылуын Кір.Қ кернеуді бөлгіштер (аттенюаторлар) көмегімен жүзеге асырады. Бұл бөлгіштер кедергісі үлкен резисторлар мен бөлу коэффициенті жұмыс диапазонында жиілікке тәуелді емес сиымдылығы аз конденсатордан тұрады. Бөлгіштер әртүрлі өлшеу шектерінде орындалады - 5, 10, 15, 20 кВ және одан да жоғары.

Электронды күшейткіштерді пайдалану өлшенетін қуаттардың шегін микроватт үлесіне дейін  төмендете алады, бірақ бұл кезде  жиілік диапазоны ондаған килогерцке дейін төмендейді.

 

Электромеханикалық  аспаптар

Жалпы мағлұматтар және оладың жіктелуі

Аналогты өлшеу түрлендіргіштерінің  кеңінен қолданылатын бір түрі ол электромеханикалық түрлендіргіштер. Олар тұрақты және айнымалы ток пен  кернеулерді немесе басқада электрлік  және электрлік емес шамаларды түрлендіру үшін қолданылады. Бұл түрлендіргіштің  негізгі ерекшеліктері олардың  қарапайымдылығы, жоғары сенімділігі  мен нақтылығы.

Барлық электромеханикалық өлшеу аспаптарын 1.8.1-суретте көрсетілгендей өлшеу тізбегінен, өлшеу механизімінен  және есептегіш құрылғыдан құралатын  структуралық схема түрінде көрсетуге  болады.

1.8.1 сурет. Электромеханикалық  өлшеу аспабының структуралық  схемасы

 

Өлшеу тізбегінде кірістегі (Х) шамасы өлшеу механизіміне әсер ететін (Х₁) аралық шамасына түрленеді. Өлшеу тізбегі сондай-ақ өлшеу аралығын кеңейту және қателіктерді теңгеру (компенцациялау) үшінде арналуы мүмкін.

Өлшеу механизімінде (Х₁) аралық шамасының электромагнитті энергиясы айналдырғыш момент туғызатын электромеханикалық энергияға түрлену процессі жүріп нәтижесінде өлшеу механизімінің қозғалмалы бөлігі (a) бұрышқа орын ауыстырады (бұрылады).

Қозғалмалы бөліктің орын ауыстыруы (ауытқуы) есептегіш құрылғы арқылы анықталады. Электромеханикалық аспаптардың есептегіш құрылғысы шкала және көрсеткіштен (стрелка, жарық сәулесі) құралады. Оның көмегімен өлшеу аспабының өлшеніп отырған (Х) шамасына тең болуы керек (Ү) көрсетуі анықталады.

Электромеханикалық түрлендіргіштердің жіктелуі

Барлық электромеханикалық түрлендіргіштер жұмыс жасау  принципіне байланысты, яғни өлшеніп  отырған сигналдың электромагнитті  энергиясының түрлендіргіштің қозғалмалы бөлігінің орын ауыстыруын туғызатын  механикалық энергияға түрлену  әдісіне байланысты бірнеше түрге  бөлінеді:

магниттіэлектрлі механизм;

 логометрлік магниттіэлектрлі  механизм;

электромагнитті механизм;

 логометрлік электромагнитті механизм;

 полярланған электромагнитті механизм;

электрдинамикалық механизм;

логометрлік электродинамикалық механизм;

ферродинамикалық механизм;

 логометрлік ферродинамикалық механизм;

электростатикалық механизм:

индукциялы өлшеу механизмі.

Басқада ерекшеліктеріне, мысалы кері әсер етуші моменттің пайда  болуына байланысты механикалық  кері әсер етуші моментті және электрлі кері әсер етуші моментті (логометрлі) болып екіге бөлінеді.

Қолданылатын есептегіш  құрылғының түріне байланысты көрсеткіші механикалы- тілшелі (стрелочный) және көрсеткіші жарық пен көрсететін.

Нақтылық класына байланысты: 0,05; 0,1; 0,2;:0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 5,0. нақтылық класты.

Өлешенетін шама түріне байланысты электромеханикалық аспаптар амперметрлер, вольтметрлер, ваттметрлер, омметрлер, фазометрлер, частотометрлер, гальванометрлер  және т.б болып жіктеледі.

Сандық өлшеу  аспаптары жөнінде жалпы мағлұматтар

Негізгі түсініктемелері  мен анықтамалары. Казіргі уақытта сандық өлшеу аспаптары (СӨА) кеңінен қолданылады, оның аналогты электр өлшегіш аспаптарымен салыстырғанда, бірқатар ерекшеліктері бар. Сандық-деп көрсеткіштері сан  түрінде берілетін, өлшеу ақпараттарының дискретті сигналдарын автоматты түрде өңдейтін аспаптарды айтамыз.

Сандық аспаптарға сәйкес код – шартты сигналдардың сериясы (әдетте электрлі) немесе СӨА элементтерінің күйі немесе жағдайларының комбинациясы. Код сандық тіркеу құрылғысына, есептеу  машинасына немесе басқа да автоматты  құралдарға берілуі мүмкін.

Сандық өлшеу  аспабының жалпы құрылымдық схемасы. Сандық аспаптар – бұл әрекет принциптері өлшенетін немесе оған пропорционалды шаманы кванттауға негізделген аспаптар. Мұндай аспаптардың көрсеткіштері сан түрінде берілген. Кванттау операциясының болуы сандық аспаптарда аналогты аспптармен салыстырғанда метрологиялық сипаттама-ларды таңдап алу, талдау, жазу және мөлшерлеудің әртүрлі әдістерін тудыратын өзіне тән қасиеттердің пайда болуына әкеледі.

Сандық өлшеу аспабының  құрылымдық схемасы 3.5.3-суретте көрсетілген.

Өлшенетін Х физикалық  шама К_ПП түрлендіру коэффициенті бар алғашқы өлшеу түрлендіргішіне (ӨТ) әсер етеді. Ол Х шамасын негізінен оның орнына кернеу пайдаланылатын электр сигналына түрлендіреді. Қарастырылған жағдайда u=K_ППХ. Бұл кернеу өз кезегінде сандық аспаптың өлшеу шектерін өзгертуге қажетті масштабты өлшеу аспабына (МА) түседі. Ол өлшеу диапазонының әртүрлі сандарын қабылдай алады: 1 ден N_П-ге дейін. Өлшенетін Х шамасының өзгеру диапазоны N_П ішкі диапазондарға бөлінеді: : Х_{1 min}, … , X_{1 max}; X_{2 min}, … , X_{2 max}; … ; X_Nпmin, … , X_Nпmax, мұндағы Х_{i min}, … , X_{i max} – і-нші өлшеу диапазонының минималды және масималды нүктелері.

Өлшеу диапазондарының ішінен негізгісі және қосымшасы таңдап алынады. Негізгі деп өлшенетін шама аспаптың кірісінен САА(АЦП)-тың кірісіне дейінгі аспаптың кірісіне дейін жолындағы түрленудің ең кіші санына шыдайтын диапазонын айтады. Қалған барлық диапазондар қосымша болып саналады.

Масштабты түрлендіргіш кіріс  кернеуді берілген К_і рет (і=1,2,...,N_П) санға оның шығысындағы u_H сигналы нормаланған болу үшін, яғни оның мәндері берілген шектеуде болу үшін өзгер-теді (көбейтеді немесе азайтады). Ереже бойынша, мөлшерленген кернеудің өзгеру шектерін АСА-тың кіріс сигналының өзгеруінің мүмкінді диапазонының үлкен бөлігімен өлшенетін сигналдың барлық мүмкін мәндерінде сәйкестендіруге тырысады. Бұл АСА енгізген қателіктерді азайтуға мүмкіндік береді.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мөлшерленген  u_H = K_iK_ППX кернеу АСА-да R_АЦП разрядты сандық кодқа түрленеді. АСА-да u_H кіріс сигналының анықталған, бірге фиксирлеіп есептелген өзгеру диапазонына орындалады.

Сандық аспаптың маңызды  сипаттамасы болып аналогты өлшенетін  шаманы АСА-да қолданылатын өзінің сандық эквивалентіне түрлендіру әдісі  саналады. Сандық өлшеу аспабының  әрекет принципін оның құрамына кіретін  АСА әрекет принципімен теңестіру  қабылданған. Қазіргі уақытта СИ-де әртүрлі түрлендіру әдістері өңделіген  және қолданылады. Олардың негізгілеріне  разрядты теңестіру (тізбектей жақындасу  әдісі), екілі интегралдау және кернеуді жиілікке түрлендіру әдістері жатады.

АСА-тың метрологиялық  қасиеттері толығымен АСА-ның номиналды  квантталу сатысына тәуелді, ол мынаған  тең

мұндағы N_max, N_min - АСА-ның кіріс кодының максималды және минималды мәндері; u_H(N_max), u_H(N_min) – N_max мен N_min сәйкес АСА кіріс кернеуінің мәндері.

АСА-ның түрлендіру теңдеуі  жалпы жағдайды мына түрде беріледі

N = int(u_H/q) = int[(K_ППK_iX)/q].

Алынған екілік сандық коды кодтарды түрлендіргішке (КТ) түседі. Ол АСА-ның шығысындағы сандық кодын сандық есептеу құрылғысымен (ЕҚ) “түсінікті” кодқа түрлендіру үшін қажет. Тәжірибеде ең жиі қолданылатыны екілік кодты екілік-ондық кодқа түрлендіру жатады. Бұл сынылған түрде берілетін сандар, сондықтан әрі қарай кодтарды N арқылы белгілейміз.   Сандық ЕҚ сандық әртүрлі физикалық принциптерге негізделген табло, дисплейлер түрінде орындалады. Олар кодтарды адамға түсінікті болып келетін СИ көрсеткіштеріне түрлендіреді.

 

Сандық вольтметрлер

 

Сандық өлшеу аспаптарының ішінен аналогты-сандық түрлендіру әдістерін  қолданатын электромеханикалық және электронды топтардағы вольтметрлер ерекше орынды алады.

Кодты-импульсті түрлендіретін  электромеханикалық вольтметрлер (разрядты кодтау). Разрядты кодтау вольтметрлерін компенсаторл мен декадалы есептелген қолмен әрекет ету көпірінде пайдаланылатын теңестіру принципінде құрылған. Декада ішіндегі үлгілі (компенсациялаушы) кернеулердің шамаларын кернеудің барлық мәндерін нақты бір комбинацияда алуға болатындай етіп (мысалы,шамалары  нақты 2 : 4 : 2 : 1 қатынасында орналасқан төрт кернеу) таңдап алынады. Кернеудің таңдап алынған тізбегі код деп аталады. Үлгілі кернеулерді реле, қадамды іздеуші, электрқозғағыш түріндегі әртүрлі электрмеханикалық коммутациялы және қайта қосқыш құрылғыларының көмегімен реттейді.

Электромеханикалық вольтметрдің құрылымдық схемасы 3.6.1 суретте берілген.

Өлшенетін U_х кернеу өзінше аттенюатор – кернеудің қолмен немесе автоматты қосылған жоғарыомды бөлгіші болып табылатын кіріс құрылғысына түседі. Кір.Қ шығысынан U_х кернеуі тікелей немесе тұрақты токтың тұрақтығы жоғары күшейткіші арқылы СС (ноль-орган) салыстыру схемасына келеді.

 

 

 

 

 

3.6.1 сурет. Электромеханикалық санды вольтметрдің           

                                құрылымдық схемасы

 

 

 

 

СС-тің екінші кірісіне ТКҚ (ИОН) тіректі кернеу қореқ көзі U₀ кернеумен қоректенетін сандық потенциометрінен СП компен-сацияланатын U_K кернеуі беріледі. Тіректі кернеудің қорек көзі ретінде тұрақты кернеудің тұрақтығы жоғары электронды стаби-лизатор қолданылады. СП 2: 4: 2: 1 “салмақты” төрт резистордан тұратын үш декададан және 1 “салмақты” бір резистордан тұратын қосымша декададан тұрады. Әр декаданың резисторлардың шамасы келесі декаданың резисторларынан 10 есеге ерекшеленеді.

Өлшенетін және компенсацияланатын кернеулер арасында-ғы аралық РКҚ  релелі коммутациялы құрылғыға беріледі, олар Кір.Қ (өлшеу мен полярлығын таңдап алу шектері қайта қосу блогы) мен СП-ке берілетін сәйкес сигналдарды өңдеп шығарады. Потенциометрдің  дискретті қадамдарын РКҚ-ны теңестіру  процесінде қайта қосумен біруақытта СИ сандық индикатор мен ШСҚ шығыс  санды жазыпшығарушы құрылғы  үшін кодтар түрлендіреді. DU = U_K – U_X СП-дің кіші разрядының бірлігінен аз болғанда, өлшенетін кернеуді компенсауиялағаннан кейін, РКҚ теңестіруді доғарады да, СИ өлшенетін кернеуді ондық жүйеге тіркейді.

   Уақытты-импульсті түрлендіретін электронды вольтметрлер.          Осы түрдегі сандық вольтметрдің құрылымдық схемасы 3.6.2-суретте келтірілген.  Өлшенетін тұрақты U_х кернеуі АКГ аратәріздес кернеу генераторының көмегімен t уақыт интервалына түрленеді. Осы интервал аралығында тұрақты жиілікктерінің импульстерін есептеу жүзеге асады.

Кір.Қ кіріс құрылғысындағы өлшенетін кернеу кернеу бөлгіштерінің  көмегімен мөлшерленген мәнге келтіріледі, содан кейін тұрақты ток күшейткіші СС салыстыру схемасына (компаратор) беріледі. СС-ке АКГ-нен сонымен қатар  “ара” заңы бойынша сызықты түрде  өзгеретін компенсацияланатын U_К кернеу түседі. Уақыт моменті t₁-де (сурет 3.6.2) ББ басқару блогы АКГ жібереді де, есептеу импульстерінің генераторынан ГСч.И ”пуск” тұрақты жиіліктегі (әдетте 1 МГц) импульстер есептегішке осы арқылы түсетін, ЭК электронды кілтті ашып береді. Уақыт t₂ ,  U_К кернеуі өлшенетін U_х кернеуіне тең болған кезде, ЭК жабылады да, импульс санағыштарының импульстерін қайта санау “Сброс” тоқтатылады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.6.2 сурет. Уақытты-импульсті түрлендіретін сандық вольтметрдің схемасы

 

Саналған импульстердің N саны  Dt = t₂ – t₁ уақытында U_х кернеудің мәніне пропорционалды. Вольтметрдегі ішкі калибрлену кернеудің қатарланған қорек көзінің көмегімен алдын ала қарастырылады. Аспаптың қателігі АКГ-ның сызықтығынан, ГСчИ тұрақтығынан, СС сезімталдығынан, нольді орнату дәлдігі мен тіректі кернеуге тәуелді.

 

Өлшеу жүйелері

 

Қазіргі өндірістердің күрделенуі мен ғылыми зерттеулер-дің дамуы  жүздеген және мыңдаған физикалық шамаларды  бірмезгілде өлшеу мен бақылау  қажеттілігіне алып келді. Адамның  үлкен көлемдегі ақпараттарды қабылдап алу мен өңдеу мүмкіншіліктеріне  табиғи физиологиялық шектеулері өлшеу  жүйелері сияқты осындай ӨЖ тудырудың  бір себебі болды. Өлшеу жүйелері – бұл  берілген объектіге автоматты басқару жүйесінде автоматты өңдеуге, беруге және (немесе) қолану үшін қолайлы түрдегі физикалық шамалар жөніндегі өлшеу ақпараттарының сигналын өңдеу үшін арналған байланыс каналдарымен бір-бірімен байланысқан өлшеу құралдары, есептеу техника құралдары және көмекші қондырғыларының функционалды түрде біріккен жиынтығы. Оларға мысал болып күрделі өнеркәсіптерде дамыған және қандай да бір бұйымды өндірудің технологиялқ процесін бақылауға арналған жүйелер жатады, мысалы болат, электрэнергия және т.б. өндірістері.