Pełny numer elektro.info 7-8/2017 tylko dla Ciebie [PDF]

wystarczy założyć konto w portalu elektro.info.pl

Wprowadzenie do cyfrowych pomiarów napięcia woltomierzami z podwójnym całkowaniem

Introduction to digital measurements with double integration voltmeter
W artykule przedstawiona została zasada działania woltomierzy z podwójnym całkowaniem. Zwrócono uwagę na dokładność pomiaru i odporność na zakłócenia.
W artykule przedstawiona została zasada działania woltomierzy z podwójnym całkowaniem. Zwrócono uwagę na dokładność pomiaru i odporność na zakłócenia.
Rys. redakcja EI

Przyrządem powszechnie stosowanym do pomiaru napięcia jest woltomierz. Obecnie ­najczęściej stosuje się woltomierze cyfrowe. O woltomierzach analogowych więcej ­informacji można znaleźć w literaturze m.in. [1, 2, 3].

W artykule:

• Podstawowe wiadomości o woltomierzach i ich klasyfikacje
• Woltomierz z podwójnym całkowaniem

Woltomierze cyfrowe należy zaliczyć do najpowszechniej stosowanych przyrządów pomiarowych. Wynika to z faktu, że napięcie jest najczęściej mierzoną wielkością elektryczną.

Powszechność stosowania woltomierzy cyfrowych spowodowana jest również ich licznymi zaletami, do których należy zaliczyć:

  • dużą dokładność pomiaru,
  • automatyczny wybór zakresów pomiarowych,
  • krótki czas pomiaru,
  • bezpośredni odczyt wyniku pomiaru,
  • łatwość przechowywania i przetwarzania informacji.

O właściwościach metrologicznych woltomierzy cyfrowych napięcia stałego decyduje rodzaj zastosowanego przetwornika A/C. Z tego powodu można przyjąć, że najistotniejszym kryterium, według którego klasyfikowane są woltomierze cyfrowe, jest zasada działania przetwornika A/C.

Ze względu na zasadę działania przetworniki A/C dzielone są na dwie zasadnicze grupy:

  • przetworniki o przetwarzaniu pośrednim
  • i przetworniki o przetwarzaniu bezpośrednim.

W grupie przetworników z przetwarzaniem pośrednim podział przebiega pomiędzy przetwornikami przetwarzającymi napięcie na odcinek czasu i przetwornikami przetwarzającymi napięcie na częstotliwość.

Przetworniki bezpośrednie dzielą się na:

  • przetworniki kompensacyjne
  • i przetworniki bezpośredniego porównania [4, 5].

Wśród przetworników z przetwarzaniem napięcia na odcinek czasu do najpopularniejszych zalicza się

  • przetworniki impulsowo-czasowe
  • oraz przetworniki z podwójnym całkowaniem,

a w grupie przetworników z przetwarzaniem bezpośrednim

– przetworniki kompensacyjne z kompensacją wagową.

Stąd też do najczęściej stosowanych woltomierzy zaliczane są:

  • woltomierze impulsowo-czasowe,
  • woltomierze z podwójnym całkowaniem,
  • woltomierze kompensacyjne.

Woltomierz z podwójnym całkowaniem

Rys. 1. a) Schemat blokowy woltomierza cyfrowego z podwójnym całkowaniem, b) przebiegi czasowe [źródło: M. Strabowski, Miernictwo elektryczne – cyfrowa technika pomiarowa. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1994.]
Rys. 1. a) Schemat blokowy woltomierza cyfrowego z podwójnym całkowaniem, b) przebiegi czasowe [źródło: M. Strabowski, Miernictwo elektryczne – cyfrowa technika pomiarowa. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1994.]

W woltomierzu z podwójnym całkowaniem można wyróżnić dwie fazy przetwarzania napięcia na odcinek czasu.

  • W pierwszej fazie, której czas trwania jest dokładnie znany, całkowane jest napięcie mierzone.
  • W drugiej fazie jest całkowane napięcie wzorcowe. Czas trwania drugiej fazy jest proporcjonalny do mierzonego napięcia [4, 6].

Pierwsza faza całkowania rozpoczyna się w momencie wysłania przez układ sterujący impulsu Ut ustawiającego klucz P w pozycji 1 (rys. 1a). W tej samej chwili zostaje otwarta bramka i licznik zaczyna zliczać impulsy wzorcowe.

Dołączenie do wejścia integratora napięcia KUx powoduje, że na jego wyjściu napięcie liniowo maleje (jeśli Ux > 0) lub narasta (Ux < 0) do wartości –UC0 lub +UC0.

Faza ta kończy się w chwili, gdy licznik zliczy liczbę impulsów wynikającą z jego pojemności.

Ostatni zliczany impuls zeruje licznik oraz poprzez układ sterujący przełącza klucz P w położenie 2, inicjując w ten sposób drugą fazę całkowania.

W momencie zakończenia pierwszej fazy całkowania napięcie na wyjściu integratora przyjmuje wartość (dla Ux > 0):

  (1)

gdzie:

K – stała przetwarzania układu wejściowego,
R – oporność czynna rezystora,
C – pojemność kondensatora,
t0 – czas całkowania napięcia mierzonego Ux.

Czas całkowania t0 określony jest zależnością:

  (2)

gdzie:

Nmax – pojemność licznika,
fN – częstotliwość impulsów wzorcowych.

W drugiej fazie całkowania do wejścia integratora zostaje dołączone napięcie Uw o polaryzacji przeciwnej w stosunku do napięcia mierzonego.

Faza druga zostaje zakończona w momencie osiągnięcia przez napięcie wyjściowe integratora wartości zerowej. Moment ten wykrywany jest przez układ porównujący, który wysyła do układu sterującego impuls kończący drugą fazę całkowania.

Podczas trwania drugiej fazy całkowania przebieg napięcia wyjściowego integratora określony jest zależnością [4, 6]:

 (3)

gdzie:

Uw – napięcie wzorcowe,
Δt – czas całkowania napięcia wzorcowego.

Uwzględniając fakt, że po upływie czasu Δt napięcie UC przyjmuje wartość zerową, z (3) uzyskuje się:

 (4)

Jeśli przyjąć, że w czasie Δt licznik zliczył NX impulsów, wówczas czas drugiej fazy całkowania wyznacza się z zależności:

  (5)

Uwzględniając zależności (3), (4) i (5) uzyskuje się ostatecznie:

 (6)

Z zależności (6) wynika, że liczba impulsów zliczona podczas drugiej fazy całkowania jest proporcjonalna do mierzonego napięcia.

Wynik pomiaru odczytany na cyfrowym wyświetlaczu jest bezpośrednio wyrażony w jednostkach napięcia.

Z zależności tej wynika również, że teoretycznie na wynik przetwarzania nie mają wpływu parametry integratora oraz długoczasowa niestabilność częstotliwości generatora impulsów wzorcowych. Wynika stąd duża dokładność woltomierzy z podwójnym całkowaniem.

Stosunkowo prostymi środkami technicznymi uzyskuje się błąd pomiaru napięcia rzędu 0,01–0,05% [4, 6].

Kolejny ważny wniosek wynikający z zasady działania woltomierza z podwójnym całkowaniem wskazuje, że wynik pomiaru jest proporcjonalny do wartości średniej napięcia Ux w pierwszej fazie całkowania.

Te integracyjne właściwości woltomierzy z podwójnym całkowaniem powodują, że charakteryzują się one dużą odpornością na zakłócenia.

Miarą odporności woltomierza na zakłócenia szeregowe jest współczynnik tłumienia zakłóceń szeregowych NMRR (Normal Mode Rejection Ratio), zdefiniowany jako stosunek wskazania woltomierza przy pomiarze napięcia stałego o wartości równej amplitudzie napięcia zmiennego (zakłócającego) do wskazania woltomierza przy pomiarze napięcia zmiennego. Współczynnik ten, podawany najczęściej w decybelach, dany jest wzorem [5]:

  (7)

gdzie:

U0 – wskazanie woltomierza podczas pomiaru napięcia stałego,
Uz – wskazanie woltomierza podczas pomiaru napięcia zmiennego.

Rys. 2. Napięcie na wyjściu integratora dla różnych wartości napięć wejściowych [źródło: Z. Kulka, A. Libura, M. Nadachowski, Przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe, WKiŁ, Warszawa, 1987]
Rys. 2. Napięcie na wyjściu integratora dla różnych wartości napięć wejściowych [źródło: Z. Kulka, A. Libura, M. Nadachowski, Przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe, WKiŁ, Warszawa, 1987]

Na rys. 2. przedstawiono zmiany napięcia na wyjściu integratora w czasie przetwarzania napięcia wejściowego.

W pierwszej fazie całkowania szybkość narastania napięcia U0 zależy tylko od napięcia mierzonego UI, ponieważ RC = const.

Na rysunku przyjęto, że napięcia mierzone mają wartości ujemne UI1 < UI2 < UI3 <0 oraz że UI4 > 0.

W drugiej fazie napięcie na wyjściu zmienia się na przeciwne ze stałą szybkością niezależnie od polaryzacji.

Aby umożliwić pomiar zarówno napięć ujemnych, jak i dodatnich, wprowadza się do układów przetwornika detekcję znaku sygnału mierzonego UI.

W zależności od tego znaku, na wejście integratora w drugiej fazie całkowania podaje się odpowiednie napięcie referencyjne.

Napięcie odniesienia może pochodzić wtedy np. z dwóch źródeł różniących się jedynie tylko znakiem. Jest to tylko jeden z kilku sposobów rozwiązania tego problemu [4, 6].

Literatura

1. A. Chwaleba, M. Poniński, A. Siedlecki, Metrologia elektryczna, WNT, Warszawa 2003.
2. G. Dacko, J. Jaskulski, D. Koczela, Miernictwo elektryczne, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1993.
3. A. Marcyniuk, E. Pasecki, M. Pluciński, B. Szadkowski, Podstawy metrologii elektrycznej, WNT, Warszawa 1984.
4. M. Strabowski, Miernictwo elektryczne – cyfrowa technika pomiarowa. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1994.
5. Z. Kulka, A. Libura, M. Nadachowski, Przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe, WKiŁ, Warszawa, 1987.
6. Materiały dydaktyczne Politechniki Warszawskiej.

Czytaj też: Pomiary częstotliwości - wprowadzenie >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!

Artykuł pochodzi z: miesięcznika elektro.info 11/2017

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie


Gdzie szukać pomocy przy doborze właściwego źródła zasilania »

Dobór źródła zasilania

Optymalne rozwiązania na każdym etapie, zarówno dystrybucji, jak i tworzenia dedykowanych pakietów zasilania. Wszystko po to, aby zapewnić jak najwyższą jakość ... czytam dalej »

 


Jak zmniejszyć swój rachunek za prąd »

koszt prądu

Oszczędzanie na rachunkach za prąd w domu lub firmie jest możliwe. Wystarczy dokładnie sprawdzić (...) zobacz ile możesz oszczędzić »

 


Jednoobwodowy licznik energii - jaki wybrać?»

Zobacz co nowego poznamy na targach Energetab 2019 »

Licznik energii jaki wybrać Energetab 2019 logo
Zasilacze awaryjne trzeciej generacji z bardzo wysoką sprawnością 96% w trybie On-Line oraz ze znakomitym współczynnikiem mocy 1(...) czytam więcej » ENERGETAB – największe w Polsce targi nowoczesnych urządzeń, aparatury i technologii dla przemysłu energetycznego, to miejsce jednych z najważniejszych spotkań czołowych przedstawicieli branży elektrotechnicznej w Polsce.(...) czytam dalej »

 


Łączniki i gniazda instalacyjne - jakie wybrać?

Kamery termowizyjne Perfekcyjne dopełnienie nowoczesnego wnętrza.
Prosta, ponadczasowa forma, jakość wykonania, niezawodny system, to tylko niektóre (...)
czytam dalej »


Automatyka przemysłowa i sterowanie - na jakie produkty zwrócić uwagę »

Przewodnik po złączach - znajdż idealne rozwiązanie dla siebie »

automatyka przemysłowa Przewodnik po złączach
Jak sztuczna inteligencja wspomoże pracę elektrowni i fabryk? Aż 63 proc. respondentów twierdzi, że sztuczna inteligencja pomoże zwalczyć (...) czytam więcej » Poznaj pierwszy w branży przewodnik elektroniczny po złączach. Internetowe narzędzie referencyjne ułatwiające dobór złączy. (...) chcę zobaczyć »

 


Oznaczniki mobilne na przewody i osprzęt - które wybrać »

Kamery termowizyjne Technika laminowania taśm, zapewnia trwałe nadruki poprzez całkowitą ochronę tekstu przed czynnikami niszczącymi, takimi jak: zdrapywanie, ścieranie, zmywanie, promieniowanie UV a nawet substancj (...) czytam dalej »

 


Dobór ograniczników przepięć typu 1 »

Bezpanelowe pozyskiwanie energii słonecznej - jak to zrobić?

ograniczniki bezpanelowa energia słoneczna
Kombinowane ograniczniki przepięć jako urządzenia do ograniczania przepięć mają za zadanie zmniejszenie do bezpiecznych poziomów napięcia w instalacji elektrycznej oraz na wejściu zasilanych urządzeń: podczas operacji łączeniowych ń (...) czytam więcej » Innowacje i technologia przeszły długą drogę. Rzeczywiście wkroczyliśmy w nową generację nowoczesnych udogodnień, które nie tylko sprawiają, że nasz styl życia jest bardziej luksusowy i komfortowy, ale... czytam dalej »

Szybki i łatwy sposób na budowę Twojego indywidualnego systemu wizyjnego»

zasilanie gwarantowane Badania przeprowadzone przez Computer Business Review wykazały, że od 2013 roku mamy do czynienia z dynamicznym wzrostem przenoszenia przez przedsiębiorców zasobów danych do tzw. chmury obliczeniowej (cloud computing). W związku z tym stale wzrastają wydatki przeznaczan ... czytam dalej »


Bramka IoT chmury do integracji nowych i istniejących systemów bez konieczności programowania.»

Zobacz jak robot testuje bankomaty?

bramka iot Robot testuje bankomaty
Dzięki prostemu połączeniu z procesem za pomocą protokołów, np. Modbus/TCP, dane czujników i dane procesowe są zbierane, przetwarzane i monitorowane ... czytam więcej » Około 30 sekund zajmuje średnio wypłacenie pieniędzy z wielofunkcyjnego bankomatu ATM. Urządzenia, które są dostępne „za rogiem” w większości miast, zmieniły nasze podejście ... czytam dalej »

Jaką zastosować ochronę urządzeń elektrycznych i elektronicznych przed przepięciami »

ochrona przed przepięciami Każdy ogranicznik przepięć ma pewną określoną zdolność do przenoszenia przez siebie pewnej energii udaru. Jeśli po zadziałaniu ... czytam dalej »


Złącza silnoprądowe - czy silikon sobie poradzi?

Złącza silnopradowe Czy możemy zastosować elastyczne przewody silikonowe i czy są one odporne na uszkodzenie i wysokie temperatury? Przykładowo dla przekroju kabla 240 mm2 ... chcę obejrzeć »


Może Cię to zainteresuje ▼

Wyświetlacz cyfrowy - jaki wybrać?

Przewdonik "Eliminuj błędy
i usprawnij instalacje przewodów" »

wyświetlacze cyfrowe kable i przewody - przewodnik
Współpracujący z dowolnym nadajnikiem sygnału w standardzie 4-20 mA. Urządzenia nie wymagające dodatkowego zasilania. Do obszaru zastosowań ... czytam więcej » Poznaj najskuteczniejsze sposoby oznaczania kabli i komponentów wykorzystywanych w branżach elektrycznych i telekomunikacyjnych... czytam dalej »


Transformatory oraz dławiki dostosowane do indywidualnych wymagań »

transformatory ei Mają zastosowanie w sieciach przesyłowych i rozdzielczych. Stosowane są do zasilania układów trakcyjnych w pojazdach szynowych, w instalacjach wykorzystujących napędy (...) czytam dalej »


1-fazowe liczniki energii elektrycznej - widziałeś to?!

Switch zarządzalny – czy warto? Jaki wybrać?

Liczniki energii jakie wybrać Switche niezarządzalne
Wymagania stawiane licznikom energii elektrycznej zawarte są w normach oraz przepisach (...) czytam dalej » Switch zarządzalny daje możliwość nie tylko stworzenia siecilokalnej, ale daje wiele innicf możliwości. Między innymi pozwala także dostosować porty, a więc i parametry sieci do... czytam dalej »

Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników naszego portalu... dowiedz się więcej »
9/2019

AKTUALNY NUMER:

elektro.info 9/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Metody badania funkcji zabezpieczeń nadprądowych przekaźników elektroenergetycznych
  • - Fotowoltaika szansą rozwoju dla komunikacji miejskiej
Zobacz szczegóły

Elektryczność dla dzieci

Tauron udostępnia edukacyjną platformę e-learningową skierowaną do uczniów i nauczycieli, w której znajdują się m.in. zasady bezpieczeństwa i wyjaśnienie zjawiska elektryczności, gry...

Przekaźnik instalacyjny o wysokiej odporności na prąd udarowy

RPI-1ZI-U24A firmy Relpol, to nowy przekaźnik instalacyjny, który wytrzymuje prąd załączania 120 A w czasie 20 ms. Przekaźnik ten przeznaczony jest do załączania obwodów o wysokim...
.steute Polska .steute Polska
steute jest międzynarodowym przedsiębiorstwem specjalizującym się w projektowaniu oraz produkcji bezpiecznej, niezawodnej aparatury...
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa, w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl