elektro.info

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

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 U_t 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 KU_x powoduje, że na jego wyjściu napięcie liniowo maleje (jeśli U_x > 0) lub narasta (U_x < 0) do wartości –U_C0 lub +U_C0.

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 U_x > 0):

gdzie:

K – stała przetwarzania układu wejściowego,

R – oporność czynna rezystora,

C – pojemność kondensatora,

t₀ – czas całkowania napięcia mierzonego U_x.

Czas całkowania t₀ określony jest zależnością:

gdzie:

N_max – pojemność licznika,

f_N – częstotliwość impulsów wzorcowych.

W drugiej fazie całkowania do wejścia integratora zostaje dołączone napięcie U_w 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]:

gdzie:

U_w – napięcie wzorcowe,

Δt – czas całkowania napięcia wzorcowego.

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

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

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

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 U_x 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]:

gdzie:

U₀ – wskazanie woltomierza podczas pomiaru napięcia stałego,

U_z – wskazanie woltomierza podczas pomiaru napięcia zmiennego.

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 U_I, ponieważ R_C = const.

Na rysunku przyjęto, że napięcia mierzone mają wartości ujemne U_I1 < U_I2 < U_I3 <0 oraz że U_I4 > 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 U_I.

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.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!