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

 


Jak zoptymalizować sieci produkcyjne i sterujące »

Czy znasz, ekologiczną alternatywę dla agregatów »

drukarka etykiet systemy zasilania
Czujniki inteligentne działają coraz lepiej ze względu na dostępność coraz mniejszych i atrakcyjniejszych cenowo mikrokontrolerów. Dzięki nim nasze czujniki są w stanie (...) czytam więcej » W połączeniu z elektroniką prezentuje ona szczyt nowoczesnej technologii agregatów prądotwórczych (...) czytam dalej »

 


Szukasz  producenta komponentów przemysłowych? Sprawdź ich »

Kamery termowizyjne Dzięki wykorzystaniu innowacyjnych rozwiązań stosowanych w sektorze opieki zdrowotnej, zastosowaniach konsumenckich i przemysłowych, te podstawowe (...) czytam dalej »

 


 


Oznaczniki kabli i przewodów - jakie wybrać »

Gdzie znajdziesz systemy zasilania dla każdej dziedziny przemysłu »

drukarka etykiet systemy zasilania
Sposoby oznaczania kabli i przewodów w elektrycznych są różne.Jedne mniej trwałe, a inne (...) czytam więcej » Oferują zaawansowane usługi badawczo-rozwojowe obejmujące elektronikę, wbudowane oprogramowanie, mechanikę systemu zasilania (...) czytam dalej »

 


Gdzie znajduje zastosowanie współczesna termowizja?

Kamery termowizyjne Zadbaj o bezpieczeństwo i uniknij awarii. Za pomocą kamery termowizyjnej możliwe jest bezdotykowe sprawdzenie instalacji elektrycznej przy pełnym obciążeniu. Dzięki temu można (...) czytam dalej »

 


Jak odwzorować światło dzienne przy użyciu opraw oświetleniowych »

Bezpanelowe pozyskiwanie energii słonecznej - jak to zrobić?

Ośiwetlenie - jakie wybrać? bezpanelowa energia słoneczna
Rodzaj oświetlenia ma również fundamentalny wpływ na nasz wzrok oraz bezpośrednio wpływa na nasze ciało, umysł i (...) 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 »

Jaką drukarkę do oznaczeń elektrycznych wybrać»

etykietowanie kabli i przewodów Priorytetem przy oznaczaniu sieci i jej poszczególnych elementów czy kolejnych aparatur w szafach rozdzielczych, kilometrów kabli, dziesiątek przełączników czy kolejnych aparatur w szafach rozdzielczych jest ...... czytam dalej »


Automatyka i czujniki - dlaczego to takie ważne »

Poznaj tajemnicę elektryków - złączki bezszynowe »

Czujniki i automatyka złączki bezszynowe
Zarówno w sektorze energetyki tradycyjnej jak i odnawialnej, czujniki oraz automatyka muszą być odporne na oddziaływaniu warunków środowiskowych. Ekstremalne ... czytam więcej » Czy wiesz jak wykonać montaż i jak można łączyć ze sobą złączki bez użycia szyn ... czytam dalej »

Zasilacze a odporność na zwarcia - dlaczego to takie ważne?

Promocje na kamery termowizyjne W sieciach zasilających obiekty przemysłowe i użyteczności publicznej powszechnie stosuje się zasilacze bezprzerwowe UPS w celu ochrony ważnych urządzeń odbiorczych, wrażliwyc ... 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 ... czytam dalej »


Może Cię to zainteresuje ▼

Wyświetlacz cyfrowy - jaki wybrać?

Kable i przewody - dobierz odpowiednie do swojego projektu »

wyświetlacze cyfrowe kable i przewody - jakie wybrać
Współpracujący z dowolnym nadajnikiem sygnału w standardzie 4-20 mA. Urządzenia nie wymagające dodatkowego zasilania. Do obszaru zastosowań ... czytam więcej » Właściwie wykonana i dostosowana do konkretnych zagrożeń środowiskowych instalacja elektryczna powinna do minimum ograniczać zagrożenia... czytam dalej »


Jak odwzorować światło dzienne przy użyciu opraw oświetleniowych »

Uwaga konkurs! Znasz "elektrycznych" producentów? Zagraj i wygraj atrakcyjne nagrody »

Oświetlenie jakie wybrać aby przypominało światło dzienne Konkurs
Rodzaj oświetlenia ma również fundamentalny wpływ na nasz wzrok oraz bezpośrednio wpływa na nasze ciało, umysł i ... czytam dalej » Weź udział w letnim konkursie i zgarnij nagrody. Co tydzien nowa gra i nowa szansa na wygraną. Sprawdź się i zawalcz o wygraną! chcę zagrać »

Co jeszcze potrafią enkodery Ethernet?

UPS zasilacze Rynek systemów przemysłowych dynamicznie się rozwija, a standard Industrial Ethernet jest przyszłością systemów (...) czytam dalej »


Jak komunikować urządzenia w środowisku przemysłowym?

Urządzenia przeciwprzepięciowe (SPD) - jakie wybrać ?

Switche zarządzalne spd ograniczniki przepięć
Switche niezarządzalne to urządzenia, które mają za zadanie przekazywanie danych między urządzeniami w wymagającym środowisku przemysłowym. Ich zadaniem jest zapewnienie przede wszystkim stabilnej, jak również wydajnej komunikacji.(...) czytam dalej » Ochronniki przepięciowe odpowiednie do zastosowań w instalacjach 230 V lub 400 V, systemy jedno- lub trójfazowe, wymienny moduł warystora i zamknięty moduł iskiernika, wizualna i zdalna sygnalizacja stanu warystora oraz ... 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 »
6/2019

AKTUALNY NUMER:

elektro.info 6/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Wpływ stacji szybkiego ładowania pojazdów elektrycznych na sieć elektroenergetyczną
  • - Projekt zasilania oświetlenia terenu bazy logistycznej
Zobacz szczegóły
Cantoni Motor S.A. Cantoni Motor S.A.
Grupa Cantoni została pionierem w produkcji silników elektrycznych już w XIX wieku i od tego czasu kontynuuje misję wdrażania...
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