ЕРВ

Цифрові електровимірювальні прилади — це засоби вимірювання, що виробляють сигнали вимірювальної інформації в цифровій формі. Ці прилади мають деякі переваги порівняно з аналоговими приладами, що полягають у зручному зчитуванні показань, у можливості простого виведення показів до реєстрації на друкувальні пристрої та введення вимірювальної інформації до обчислювальних машин. Вони мають малі похибки, значні діапазони вимірюваних величин та великий вхідний опір.

На електричних станціях ці прилади успішно використовуються для вимірювання частоти напруги, бо вони за точністю вимірювання переважають аналогові частотоміри і, головне — можуть працювати в режимі визначення відхилення частоти (у відсотках) від її номінального значення. Це дає змогу персоналу своєчасно розпізнавати напрям і швидкість відхилення частоти від номінального значення та оперативно реагувати на це.

Разом з тим у цифрових приладах є ряд недоліків, які ніколи не дадуть змогу їм витіснити з обігу аналогові прилади. Це — значна складність схеми, значна вартість, менша, порівняно з аналоговими приладами, надійність, складність ремонтів, незручність у користуванні, коли оператору необхідно спостерігати за показами технологічного процесу та за досягненням вимірюваною величиною максимальних чи мінімальних значень.

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 — аналогоцифровий перетворювач; ОП — обчислювальний пристрій; ДКП — декодуючий пристрій; ПІ — пристрій індикації; ПУ — пристрій управління; БЖ — блок живлення.

Рисунок 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 електроннообчислювальну 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.

Цифрові вольтметри, залежно від принципу перетворення вимірюваної напруги, поділяють на вольтметри прямого перетворення і вольтметри врівноважувального перетворення.

У вольтметрів прямого перетворення величина вимірюваної напруги перетворюється на відрізок часу. Величина цього відрізку визначається цифровим лічильником, який і підраховує кількість короткочасних імпульсів незмінної й точно визначеної частоти, які його заповнюють.

Структурно-функціональну схему такого вольтметра зображено на рис. 2, а, де U_x — вимірювана напруга; ВП — вхідний пристрій; АЦП — аналогоцифровий перетворю- І вач; Л — лічильник; ДШ — дешифратор; ПІ — пристрій індикації.

Вхідний пристрій призначено для визначення знаку вимірюваної напруги і доцільного діапазону вимірювання, що автоматично встановлюється в цьому ж пристрої, а також для встановлення положення коми на цифровому табло пристрою індикації ПІ. Аналого-цифровий перетворювач АЦП призначено для перетворення величини напруги, що вимірюється (чи пропорційної їй), на послідовність імпульсів точно визначеної і незмінної частоти з кількістю імпульсів, визначеною величиною вимірюваної напруги (майже завжди пропорційної їй). Лічильник Л призначено для підрахунку кількості цих імпульсів і вираження цієї кількості у десятковій системі, для передачі одержаного числа на дешифратор ДШ і, якщо потрібно, на ЕОМ, яку можна приєднати до цього вольтметра. Дешифратор ДШ перетворює число, одержане з лічильника, у код, прийнятний для показу цього числа (величини вимірюваної напруги) на пристрої індикації ПІ.

Рисунок 2. Структурно-функціональна схема цифрового вольтметра прямого перетворення: а – схема; б – епюри напруг

Перетворення величини вимірюваної напруги на кількість імпульсів у АЦП виконується завдяки наявності в ньому генератора лінійно-змінюваної напруги.

Принцип перетворення постійної напруги певної величини у певну кількість імпульсів суворо визначеної частоти можна пояснити, розглядаючи епюри напруг, які діють у цифроаналоговому перетворювачі. Ці епюри показано на рис. 2, б.

В АЦП є генератор лінійно-змінної напруги, що весь час, поки цифровий вольтметр ввімкнений в мережу живлення, генерує змінну напругу пилкоподібної форми U_n, з ділянками М — Н, де зміна напруги має проходити з однаковою швидкістю (збільшуватись). Інший генератор, що також працює весь час, поки вольтметр увімкнено в мережу, генерує короткі лічильні імпульси напруги U_л незмінної частоти. При цьому частота генерування цих імпульсів у кілька сотень разів більша за частоту пилкоподібної напруги U_n.

АЦП також має схему порівняння вимірюваної напруги U_B з пилкоподібною напругою U_n. Ця схема виробляє короткі імпульси керування ключем, через який лічильні імпульси U_л передаються до лічильника Л у той час, коли цей ключ відімкнено.

Перший керуючий імпульс формується в момент переходу пилкоподібної напруги через нуль, тобто у момент зміни знака напругою U„ (точка М). Цей імпульс відмикає ключ. Другий керуючий імпульс U_з з’являється в той момент, коли величина пилкоподібної напруги U„ зрівняється з величиною вимірюваної напруги U_B (точка Н). Цей імпульс Uз замикає ключ, чим припиняє проходження лічильних імпульсів до лічильника Л. Неважко зрозуміти, що час, протягом якого ключ було відімкнено (а цей час визначається кількістю лічильних імпульсів, що пройшли через ключ), визначатиме величину напруги у момент t_р.

На жаль, якщо в проміжку часу між керуючими імпульсами напруга дещо змінить свою величину (як показано штриховою лінією на рис. 2, б), то вольтметр не покаже цієї зміни.

Лічильник Л підраховує кількість прийнятих ним імпульсів і перетворює їх на число, яке передає у дешифратор ДШ, що перетворює це число на десятковий код, щоб висвітлити величину виміряної напруги на табло пристрою індикації ПІ.

Воднораз відомості про підраховану лічильником кількість імпульсів можуть бути передані до ЕОМ для подальшого опрацювання, запам’ятовування та реєстрації.

Прилади, подібні до тих, що ми розглянули, є найпростішими порівняно з іншими цифровими вольтметрами, але мають обмежену точність. В усякому випадку їхній клас точності не буває вищим за 0,1 чи 0,05.

Похибки вимірювань вольтметра, який розглядався, спричинюються такими факторами:

• відхиленням частоти лічильних імпульсів від свого номінального значення;
• деякою нелінійністю пилкоподібної напруги;
• наявністю зони нечутливості схеми порівняння напруг.

Ще однією складовою похибок цього вольтметра, як практично і всіх цифрових приладів, є дискретизація вимірювань, тобто виконання вимірювань на основі підрахунку кількості короткочасних лічильних імпульсів, що пройшли через ключ протягом відрізку часу, пропорційного величині вимірюваної напруги. Але залежно від того, у який момент часу буде відкрито ключ, що пропускає лічильні імпульси в лічильник, кількість цих підрахованих імпульсів може бути різною для одного й того ж самого відрізку часу. Це пояснюється епюрами, наведеними на рис. 3. За відрізок часу, що відповідає десяти інтервалам між лічильними імпульсами, якщо початок і кінець вимірюваного відрізку часу Т₁ збігаються з лічильними імпульсами, до лічильника через ключ, відкритий на час Т₁ надійде десять лічильних імпульсів, які і будуть підраховані ним (рис. 3, а). Якщо початок і кінець такого самого відрізку часу Т₁ не збігаються з лічильними імпульсами (це показано на рис. 3, б), то за той самий час Т₁ через ключ до лічильника надійде всього дев’ять лічильних імпульсів, які так само будуть ним підраховані. Тобто одному і тому самому значенню часу Т₁, а значить і напруги U₁ якій відповідає цей час, можуть відповідати два, відмінні за числом, покази вольтметра. Мабуть, менше число тут буде неточним, бо відрізок часу Т₁ дійсно складається з десяти проміжків часу, що є між лічильними імпульсами.

Рисунок 3. Епюри напруг, що показують причину виникнення похибки від дискретності вимірів

Збільшуючи частоту лічильних імпульсів або ж накопичуючи кількість підрахованих імпульсів (за 8... 16 циклів) вимірювань та усереднюючи їх результат, зменшують величину такої похибки. Хоча при цьому вірогідність похибки, хоч і меншої, все ж лишається.

Крім цифрового вольтметра прямого перетворення, що розглядався, є ще складніші за схемою та будовою цифрові вольтметри врівноважувального перетворення і вольтметри слідкуючого врівноважування, у яких вимірювана напруга постійного струму врівноважується напругою, створеною автоматично керованою потенціометричною схемою. Такі вольтметри можуть допускати похибку в межах 0,001 % від верхньої границі вимірювання, але вони трудомісткі у виготовленні та дорого коштують.

Для вимірювання величини змінної напруги користуються цифровими вольтметрами, що мають у своїй схемі додатковий перетворювач змінної напруги на пропорційну їй постійну, вимірювану цифровими схемами, які використовуються при вимірюваннях напруг постійного струму.

На жаль, перетворювачі змінної напруги в напругу постійного струму мають обмежену точність перетворювання, й тому точність цифрових вольтметрів змінного струму буде меншою, ніж у цифрових вольтметрів постійного струму.

В цілому цифрові вольтметри протягом останніх десятиріч набули значного розповсюдження, особливо в галузі наукових досліджень, хоча в умовах енергетичних підприємств все ж таки переважно користуються електромеханічними приладами, як більш надійними та дешевшими.

Цифрові прилади використовують головним чином у заводських лабораторіях як зразкові при повірках приладів нижчого класу точності.

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. 4, а. Епюри напруг, що відповідають позначеним літерами ділянкам наведеної схеми частотоміра, показано на рис. 4, б.

На схемі позначено: U_fx — 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. 4, б епюра е).

Рисунок 4. 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 Т), 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 0,1...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.