Многофункциональный измерительный прибор (узлы измерения тока, напряжения, сопротивления, индуктивности и емкости)

УДК 621.372.54

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР

Л.Г. ЧУБРИКОВ

Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П.О. Сухого»,

Республика Беларусь

Измерения электрических величин необходимы в производстве, учебных процессах, научных исследованиях, быту. Разработано большое количество различных аналоговых и цифровых приборов. В научных исследованиях, где требуется высокая точность, используются одно-, двухфункциональные дорогостоящие приборы. И это экономически оправдано. Но во многих производственных, учебных процессах, быту на первый план выдвигается не точность измерений, а многофункциональность прибора при небольших габаритах и невысокой стоимости. При этом, потребителей вполне устраивает погрешность измерений 1-2 %. Особенно велика потребность в таких

многофункциональных недорогих приборах для различных учебных заведений: школ, училищ, техникумов, вузов. При обычно ограниченном финансировании учебных площадей, использование в учебных лабораториях большого количества высокоточных специализированных приборов нецелесообразно и экономически невыгодно. Поэтому часто в лабораторных стендах устанавливают встроенные однофункциональные примитивные измерительные приборы с погрешностью измерений не менее 10 %, в результате чего появляются большие расхождения между расчетными и экспериментальными данными, непонятные студентам. Для измерений различных электрических величин требуется несколько встроенных приборов, что существенно увеличивает габариты и стоимость лабораторных стендов.

На кафедре «Теоретические основы электротехники» ГГТУ им. П.О. Сухого разработан многофункциональный прибор для измерения электрических величин: напряжения

(постоянного и переменного), тока (постоянного и переменного), частоты, сопротивления, емкости, индуктивности, сдвига фаз, мощности, коэффициента мощности. Этот прибор заменяет 11 специализированных приборов. Это многофункциональный единый прибор с изменяющимися внутренними связями и различным использованием функциональных блоков и узлов. Для создания такого прибора потребовались разработки новых методов измерений некоторых величин и использование новых функциональных блоков на базе скоростных фильтров сигналов, что позволило при достаточно простой структуре прибора обеспечить приведенную погрешность в пределах 1-2 %. Прибор был изготовлен в виде действующего макета и исследован в лабораторных условиях. Исследования показали, что даже в макетном исполнении, без должной тщательной настройки, получена достаточная для практики точность измерений - погрешность не превышает ±1 %, а при измерениях мощности ±2 %.

Блок-схема действующего макета приведена на рис. 1. В приборе имеется два входа для внешних сигналов: один вход для измеряемого напряжения, другой - для измеряемого тока. Все остальные измеряемые величины, кроме R, L, C, определяются на основе результатов измерений напряжения и тока. Прибор на рис. 1 собран на основе специальных функциональных блоков путем их соответствующих соединений. Это блоки: ПУ - предварительный усилитель; ФВС - фильтр верхних скоростей; ИВ -измерительный выпрямитель; ИЧ - измеритель частоты; ИФ - измеритель фазы; ПНВ -преобразователь напряжение-время; ПВН - преобразователь время-напряжение; ИА -измеритель амплитуды; ДФП - диодный функциональный преобразователь; ГС -

генератор синусоидальных колебаний; СН - стабилизатор напряжения; RLC - блок измерения сопротивления, индуктивности, емкости.

ПУ^ФВС

ИФ

ИВ

т

ДФП

ПНВ

Иуі

Иу2$-

П2

cos ф

ПВН -*

ИА

T

ПНВ -»

ПВН * ИА

U

Иу2

_г

I R L C

ПП

----- П1

Н&-1

ЛХ Сх ^х

,Рмс. І. Блок-схема макета прибора

При измерении напряжений используются функциональные блоки ПУ, ФВС, ИВ. На рис. 2 приведена электрическая схема узла измерения напряжения, построенная на основе этих функциональных блоков и входной цепи ВЦ.

П

Ri R2 R3

R4

Rs

X—

ВЦ

R6

|И VDlXZ VD2A1

DAl

Rs

R

9 И2 Rl2

R

l3

C3„ DAS

SUt>i

-----------LJ------------|_J------------L. J

гУ1 rn rt*l

DA3

Ri

DA2

Ri

>

Ri

H

Rl4 Rl4

R2i R

Hx—

R23 -Z.

C

Ris Ri6

X R'

fCZH

R

Ri

R2

X

Ri

Ri

C2

R24

Ивы 1

R

Рис. 2. Электрическая схема узла измерения напряжения

Напряжение п\ = 0 ^ 0,1 В поступает на вход дифференциального усилителя на микросхемах DA1, DA2, DA3 коэффициент усиления которого при R8 = R10 и R = R11 R9

равен K =------= 10. Усиленное напряжение u2 = 0 -И В поступает на вход ФВС,

R8

собранного на микросхемах DA4, DA5, DA6, DA7. Фильтр верхних скоростей ФВС охвачен отрицательной обратной связью (петля ООС через микросхемы DA4, DA6, DA5), а также положительной обратной связью (петля ПОС через микросхемы DA4, DA7, DA5). Суммирующий усилитель на микросхеме DA4 производит алгебраическое суммирование.

Uo

И

Так как входное напряжение и2 ФВС всегда в противофазе с компенсирующим напряжением ик, то напряжение ивс на выходе ФВС

(Дз *13 Л

ивс =--------------и1-----------и

вс в 1 в

V 12 14 У

Фильтр верхних скоростей ФВС предназначен для «стабилизации нуля» при отсутствии измеряемого напряжения на входе прибора, путем автоматической компенсации всех медленных изменений напряжения ивс («сползание нуля»). При измерении переменных напряжений производится автоматическая компенсация постоянной составляющей (напряжение и3), в результате чего происходит симметрирование положительных и отрицательных полуволн по вольт-секундной площади. С этой целью установлена цепочка Я14 - С1, постоянная времени т которой выбрана из условия

т=ад. =

J min

где /тт - минимальная частота измеряемых переменных напряжений.

Следует заметить, что для исключения влияния на т входных сопротивлений микросхемы DA6 и DA7, необходимо выбирать их с полевыми транзисторами на входах. В этом случае напряжение и3 на выходе цепочки К14 - С1 будет определять «сползание нуля» и при отсутствии ивх, и при измерении переменных напряжений. Поэтому скорость Уф настройки фильтра выбирают из условия

Уф = Узтах,

где У3тах - максимальная скорость изменения напряжения и3.

Если выразить через параметры ФВС, то

У = инсб ^20 __^12_

ф Я19 + ^20 КС К,/ ''

где инс - выходное напряжение насыщения микросхемы DA6.

При измерении постоянных напряжений на выходе усилителя на микросхеме DA7,

К

который имеет большой коэффициент усиления К = 1 +—15, появляется напряжение

К1б

насыщения. Это напряжение уменьшает скорость Уф настройки фильтра до минимальной величины, приближающейся к нулевой, согласно уравнению

Уф = уф - инс7 -------------------------------------------К|2

ф ф К + К КС К ’

К17 + К18 КСК14

где инс7 - выходное напряжение насыщения микросхемы DA7.

В этом случае ФВС практически не будет компенсировать измеряемое постоянное напряжение в процессе его измерения. По окончании измерения напряжение на выходе микросхемы DA7 снижается до нуля и ФВС переходит к нормальной компенсации гладкой помехи со скоростью Уф .

В связи с тем, что ФВС симметрирует полуволны измеряемого переменного напряжения не по амплитуде, а по вольт-секундной площади, для получения высокой точности измерения лучше использовать не измеритель амплитуды ИА, а измерительный

выпрямитель ИВ, формирующий среднее выпрямленное значение измеряемого напряжения. Измерительный выпрямитель собран на микросхемах DA8 и DA9. Для получения высокой точности преобразования в широком частотном диапазоне микросхему DA8 необходимо выбирать быстродействующей, а микросхему DA9 - с высоким входным сопротивлением. При использовании в DA8 микросхемы 544УД2, а в DA9 - 157УД2 с невысоким входным сопротивлением, собранный измерительный выпрямитель ИВ по схеме на рис. 2 без дополнительной «настроечной шлифовки» показал хорошие результаты преобразования - нелинейность характеристики и приведенная погрешность не более ± 1 % в диапазоне частот от 20 Гц и до 100 кГц.

При исследованиях макета прибора измерения напряжений производили в диапазонах входных величин 0^100 мВ, 0,1^1 В, 1^10 В, 10^100 В на частотах 50 Гц, 100 Гц, 10 кГц, 30 кГц, а также постоянных напряжений. Так как измеритель напряжения был изготовлен на микросхемах типа 157УД2, имеющих невысокое быстродействие, частотный диапазон работы измерителя напряжений ограничен до 50 кГц. При использовании быстродействующих микросхем частотный диапазон может быть расширен до 100 кГц и более.

В результате исследований выяснилось, что даже в макетном исполнении, без тщательной настройки прибора, получена приведенная погрешность измерения не более ± 1%. При надлежащей настройке эта небольшая приведенная погрешность может быть еще существенно уменьшена. Результаты исследований измерителя напряжений в виде обобщенной градуировочной характеристики приведены на рис. 3.

Рис. 3. Обобщенная градуировочная характеристика измерителя напряжения п = -1, 0, 1:

• -/=100 Гц; Д -/ = 10 кГц; х -/ = 30 кГц

Узел измерения тока построен на таких же блоках, что и узел измерения напряжения и отличается лишь входной цепью, показанной на рис. 4.

Во входной цепи в качестве преобразователя тока в напряжение используются сопротивления R1 = 0,1 Ом для тока I = 0 ^ 1 А, R2 = 1 Ом для тока I = 10 ^ 100 мА, R3 = 10 Ом для тока I = 1 ^ 10 мА, R4 = 100 Ом для тока I = 0,1 ^ 1 мА. В результате преобразований напряжение и1 на выходе входной цепи изменяется в пределах и = 0 ¥ 0,1 В, которое и поступает на вход предварительного усилителя ПУ. А далее - как описано в измерителе напряжения. Обработка результатов исследований измерителя тока показала, что приведенная погрешность измерений не превышает ±1 %.

Пр

Рис. 4. Входная цепь измерителя тока

С целью уменьшения количества блоков в приборе, блоки ФВС и ИВ узла измерения тока используются также и для измерений сопротивлений, индуктивностей и емкостей, путем подключения входа ФВС при помощи переключателя к узлу измерения ЯLC. Электрическая схема узла измерений Я^-С показана на рис. 5.

Ивых

Рис. 5. Электрическая схема измерителя R-L-C

На микросхеме DA1 собран генератор синусоидальных колебаний ГС, амплитуда которых поддерживается постоянной путем регулирования сопротивления Rt термистора косвенного подогрева, установленного в цепи отрицательной обратной связи генератора,

R

т. е. путем регулирования коэффициента усиления K = 1 н—-. С этой целью, выходное

Ri

напряжение u1 выпрямляется при помощи диода VD1, сглаживается фильтром R2C1 и сравнивается с задающим напряжением изд = const. При превышении напряжения u1 заданного значения на выходе микросхемы DA2 появляется положительное напряжение (+ инс) насыщения микросхемы, под действием которого протекает ток через VD2 и нить

нагрева термистора. Температура в термисторе повышается и сопротивление Rt уменьшается, в результате чего уменьшается амплитуда напряжения u1. Наоборот, при уменьшении амплитуды напряжения u1 на выходе DA2 напряжение (-инс) будет отрицательным. При этом ток через VD2 и, значит, через нить нагрева термистора, не протекает, термистор охлаждается, Rt увеличивается и в результате увеличивается u1.

Таким образом, поддерживается постоянной амплитуда напряжения ul на выходе генератора синусоидальных колебаний. При помощи делителя напряжения на резисторах RB и R9 входное напряжение ивх микросхемы DA3 устанавливается равным 1В. Так как

Uml = const, то и Um вх =—Um1— R9 = const. Это синусоидальное напряжение и

R + R9

используется при измерении индуктивности и емкости.

При измерении сопротивлений на вход микросхемы DA3 подается постоянное напряжение Uвх = 1 В. С этой целью в схеме измерителя установлен стабилизатор напряжения на резисторе Rl0 и стабилитроне VD3, выходное напряжение ист которого при помощи делителя на резисторах R11 и R9 уменьшается до величины

U вх = UgX R9 = 1 В.

R11 + R9 9

На микросхеме DA3 собран измерительный блок R-L-C, представляющий собой стабилизатор тока, величина которого устанавливается сопротивлением Ro = const для каждого диапазона измерений. При этом выходной ток микросхемы DA3 определяется

= = 2.

0 Ro Ro .

При измерении сопротивлений на вход DA3 подается постоянное напряжение Цвх = 1 В, к клеммам 1-2 подключается Ro, а к клеммам 3-4 подключается измеряемое

сопротивление Rx. Тогда напряжение их на клеммах 3-4 будет ux = IoRx = = — Rx .

Ro Ro

Дальнейшими блоками ПУ-ФВС-ИВ это напряжение усиливается в 10 раз.

При измерении индуктивности на вход DA3 подается синусоидальное напряжение ивх частотой /0 = 159 Гц, /0 = 1,59 Гц, /0 = 15,9 Гц. При этом в каждом диапазоне измерений

Io = = — . Тогда напряжение Ux на индуктивности (клеммы 3-4) Ux =2 к /0IoLx.

Ro Ro

При измерении емкости неэлектролитических конденсаторов к клеммам 1-2 подключается неизвестная емкость Cx, а к клеммам 3-4 подключается Ro = const, в

каждом диапазоне свое значение Ro. При частотах входного напряжения ивх /0 = 159 Гц,

/0 = 1,59 Гц, /0 = 15,9 Гц напряжение на клеммах 3-4 (на резисторе Ro) будет

Uo =2 к /0RoCxUвх =2 к /0Ro Cx (при Цвх =1).

В измерителе R-L-C используется ПУ на микросхемах DA4, DA5, DA6 такой же структуры, как и на рис. 2, но без защиты от перенапряжения на входе. Выходное напряжение ивых далее подается на вход ФВС. На рис. 6, 7, В показаны градуировочные характеристики измерителя R-L-C. Результаты исследований показали, что при должной настройке измерителя R-L-C нетрудно получить приведенную погрешность измерений, не превышающую 1 %.

п

Рис. 6. Обобщенная градуировочная характеристика измерителя сопротивлений:

Рис. 7. Обобщенная градуировочная характеристика измерителя индуктивности:

Рис. 8. Обобщенная градуировочная характеристика измерителя емкости:

• - п = -8, х - п = -7

Литература

1. Мирский Г. Я. Электронные измерения / Г. Я. Мирский. - М. : Радио и связь, 1986. -440 с.

2. Чубриков Л. Г. Скоростные фильтры сигналов / Л. Г. Чубриков. - Гомель : ГГТУ им. П. О. Сухого, 2000. - 156 с.

Получено 08.07.2005 г.