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


Zapisz się do Ligi Specjalistów i zdobywaj nagrody!

Liga Specjalistów 2.0

Jesteś profesjonalistą z branży elektrycznej lub teletechnicznej?
Jesteś uczniem lub studentem kierunku technicznego?
czytam dalej »

 


Kompleksowe inspekcje termowizyjne - gdzie szukać pomocy? »

Termowizja inspekcja

Przez ostatnie stulecie zbudowano wiele urządzeń pomiarowych w zakresie podczerwieni, ale największe możliwości i popularność zyskały rozwiązania... czytam dalej »

 


Jaki silnik elektryczny wybrać? »

silnik elektryczny

W działaniu wielu maszyn i urządzeń technicznych wymagany jest ruch postępowy lub postępowo-zwrotny. Zazwyczaj ruch ten wytwarzają (...) czytam więcej »

 


Łączniki elektroinstalacyjne - rodzaje i sposób działania?

Oświetlenie zewnętrzne LED - dobór i zastosowanie»

Ranki łączniki gniazdka oswietlenie zewnętrzen LED
W każdej standardowej instalacji elektrycznej w budynku występują gniazda wtyczkowe oraz łączniki. Ich budowa oraz sposób zamocowania zależą od miejsca zainstalowania oraz metody wykonania (...) czytam więcej » Wymiana opraw oświetlenia zewnętrznego ze źródłami LED przynosi przede wszystkim poprawę efektywności energetycznej oświetlenia ulicznego. Oświetlenie LED posiada również (...) czytam dalej »

 


Przyrządy kontrolne i pomiarowe - zobacz niezawodne rozwiązania»

narzedzia pomiarowe dla elektryka Miernik napięcia, ciągłości i kolejności faz są zaprojekotwane do testowania napięcia, fazy, polaryzacji, kolejności faz i półprzewodników. Cyfrowy multimetr oraz cyfrowy miernik cęgowy oferują idealne rozwiązania dla wszystkich wymagań i możliwych zastosowań. Mierniki wykorzystują standardowe (...) czytam dalej »


Zobacz jakie oprawy zaprezentowano na Energetab 2019  »

Wiele nowych produktów od najlepszych w branży marek »

Samochody elektryczne i  mobilne stacje elektronika
Oświetlenie awaryjne ma zapewnić bezpieczne opuszczenie zajmowanych przestrzeni podczas awarii zasilania opraw oświetlenia podstawowego. Niejednokrotnie zanik oświetlenia podstawowego nie jest spowodowany zwykłą awarią zasilania czy wyłączeniem(...) czytam więcej » Poznaj pierwszy w branży przewodnik elektroniczny po złączach. Internetowe narzędzie referencyjne ułatwiające dobór złączy. (...) chcę zobaczyć »

 


Odpowiednie oświetlenie - prawidłowy dobór oświetlenia w projekcie »

projekt oświetlenia Są takie miejsca w domu, o których nie myśli się w pierwszej kolejności. Zostawia się je na później, dopiero wtedy, gdy zadba się o ważniejsze pomieszczenia. Tak jest często (...) czytam dalej »

 


Jak zapewnić bezprzerwowe zasilanie gwarantowane? »

Kolektor słoneczny – urządzenie do konwersji energii promieniowania słonecznego na ciepło »

zasilanie gwarantowane panele słoneczne
Co rusz znaczenie tego problemu uświadamiają nam przechodzące nad naszym krajem orkany i wichury oraz widmo blackoutu, wynikające z pojawiającego się latem ogromnego zapotrzebowania na ... czytam więcej » Udział energii słonecznej w Polsce jest bardzo niski i według urzędu statystycznego, pozyskanie energii z promieniowania słonecznego w porównaniu do innych źródeł odnawialnych w 2017 roku wyniósł niecałe 1%.... czytam dalej »

Szafy energetyczne, sterowniczne, rozdzielcze - dlaczego nie wiesz co wybrać? »

szafy rozdzielcze i sterownicze Zgrupowanie urządzeń elektroenergetycznych wraz z szynami zbiorczymi, połączeniami elektrycznymi, elementami izolacyjnymi i osłonami, służący do rozdziału energii elektrycznej i łączenia oraz ... czytam dalej »


Bezprzewodowa automatyka domowa - i możesz sterować wszystkim w domu »

Intuicyjne oprogramowanie do projektowania listew ze złączkami !

Automatyka domowa - sterowaniem ze smatfona Projektowanie listew - oprogramowanie
Nowoczesny smartdom powinien być gotów na każde życzenie. Dlatego rozwiązania bezprzewodowej automatyki domowej dają Ci zdalną kontrolę nad funkcjami Twojego domu - oświetleniem, roletami, ogrzewaniem ... czytam więcej » Intuicyjne oprogramowanie do projektowania listew ze złączkami oraz profesjonalnego opisywania oznaczników do złączek szynowych, przewodów, kabli, urządzeń i instalacji. Oprogramowanie dostępne jest bezpłatnie na stronie www ... chcę poznać »

Małe, średnie i duże systemy sterowania »

Sterowniki plc Jeszcze kilka lat temu sterowniki PLC „tylko” wspierały pracowników przy wykonywaniu monotonnych zadań i zwiększaniu szybkości produkcji. Aktualnie każda produkcja ... 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?

Technologie robotyczne zgodne z koncepcją Industry 4.0 » »

wyświetlacze cyfrowe robotyka i automatyka
Współpracujący z dowolnym nadajnikiem sygnału w standardzie 4-20 mA. Urządzenia nie wymagające dodatkowego zasilania. Do obszaru zastosowań ... czytam więcej » Nowoczesne urządzenia mechaniczne nic nie znaczyłyby bez ukrytej w nich elektroniki, dizęki której ... czytam dalej »


Odczyty cyfrowe - przyrządy przeznaczone do wyświetlania położenia »

czytniki cyfrowe Współpracują z przetwornikami przemieszczeń liniowych (liniały) i kątowych (enkodery). Wykonywane są w różnych wersjach dostosowanych do (...) czytam dalej »


1-fazowe liczniki energii elektrycznej - widziałeś to?!

Inteligentny system dystrybucji mocy »

Liczniki energii jakie wybrać moc
Wymagania stawiane licznikom energii elektrycznej zawarte są w normach oraz przepisach (...) czytam dalej » Uniwersalne zastosowanie, w pojedynczych szafach sterowniczych, jak też w kompletnych systemach... 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 »
10/2019

AKTUALNY NUMER:

elektro.info 10/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Projekt zasilania pompowni pożarowej
  • - Przekładniki niekonwencjonalne wykorzystywane w automatyce elektroenergetycznej
Zobacz szczegóły
COMEX S.A. COMEX S.A.
O firmie COMEX S.A. od początku swojej działalności, tj. od 1987 zajmuje się kompleksową obsługą klientów w zakresie zasilania...

Ciekawe strony

Elektryk na Fixly.pl

EPS System - agregaty prądotwórcze

Producent oświetlenia

Ciekawa Architektura

Instalacje

Literatura fachowa

Rekuperacja

Termomodernizacja

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