Вимірювальні перетворювачі змінних напруг та струмів: діючих, середніх амплітудних значень

Змінні струми та напруги широко застосовуються в усіх галузях економіки. Слід зауважити, що в усіх країнах си­стеми енергозабезпечення працюють на змінному струмі.

Найбільш повною інформаційною характеристикою змінного струму є крива струму чи напруги впродовж періоду. На практиці здебільшого достатньо знати тільки найважливіші параметри змінних струмів і напруг: се­реднє квадратичне (діюче) значення, середнє випрямлене значення, амплітудне (пікове) значення.

Перетворювачі середніх квадратичних діючих значень. Середнім квадратичним (діючим, ефективним) значен­ням змінного струму називається таке значення постійно­го струму, яке на однаковому опорі за однаковий час виділяє однакову кількість теплоти.

Для отримання середнього квадратичного значення струму необхідно виконати операцію піднесення миттєвих значень до квадрату, інтегрування отриманого сигналу і добування квадратного кореня із інтегрованого сигналу.

Найбільшого поширення набули перетворювачі середніх квадратичних значень на основі термоперетворювачів.

Термоелектричний вимірювальний перетворювач скла­дається з термопари і нагрівача (рис. 2.1.5.1). Вимірюваний струм, що проходить через нагрівач, виділяє теплоту і внаслідок цього на термопарі виникає термоерс, яка вимірюється магнітоелектричним приладом.

Кількість теплоти за одиницю часу, яка виділяється в нагрівачі, прямо пропорційна квадрату діючого значен­ня змінного струму:

Термоерс, у свою чергу, прямо пропорційна кількості виділеної теплоти:

Отже, термоерс прямо пропорційна квадрату діючого значення вимірюваного струму:

Позитивною характеристикою термоелектричних при­ладів є широкий (до 100 МГц) частотний діапазон і здат­ність вимірювати струми зі спотвореною формою.

Перетворювачі середніх значень. Середнім випрямле­ним значенням (середнім значенням модуля) змінного струму називається таке значення постійного струму, яке через провідник з однаковим перерізом переносить однако­вий заряд.

Перетворювач середніх випрямлених значень скла­дається, як правило, з випрямляча змінного струму, на виході якого увімкнено фільтр нижніх частот. Випрямляч змінного струму — це перетворювач струму зі змінною полярністю і миттєвим значенням в однополярний пульсу­ючий сигнал. Найбільш поширена — мостова схема ви­прямляча. Фільтр нижніх частот призначений для виділення постійної складової пульсуючого однополярного сигналу.

Двопівперіодний випрямляч показано на рисунку 2.1.5.2. Змінна вхідна напруга подається на одну діагональ моста, а вихідна пульсуюча напруга знімається з іншої діагоналі. Впродовж додатного півперіоду вхідної напруги потенціал точки а більший за потенціал точки b (φ_a>φ_b), тому анодні потенціали діодів VD1, VD4 більші потенціалів їх катодів, р-п -переходи цих діодів зміщені у прямому напрямку і діоди VD 1, VD 4 відкриті. Опір відкритих діодів VD1, VD4

незначний, потенціали точок а, b відрізняються від по­тенціалів точок с, d напругою на відкритих діодах: φ_c=φ_a+R_dI, φ_d=φ_b+R_dI.

Потенціали катодів VD2, VDЗ впродовж додатного півперіоду вхідної напруги більші за потенціали анодів, діоди VD2, VD3 закриті і їх обернений опір набагато пере­вищує опір споживача.

Упродовж від'ємного півперіоду вхідної напруги діоди міняються ролями, тобто діоди VD1, VD4 стають закрити­ми, а VD2, VD3 — відкритими. Потенціали точок а, Ь відрізняються від потенціалів точок с, d напругою на відкритих діодах: φ_c=φ_b+R_dI, φ_d=φ_a+R_dI.

Похибка випрямляча спричинена відхиленням пара­метрів реального діода від ідеального (ненульовий опір діода у прямому зміщенні (R_d>0) і скінчений опір в оберненому зміщенні R_b≠∞). Ця похибка значно зростає, якщо амплітуда вхідного сигналу сумірна зі значенням по­тенціального бар'єру переходу.

Для зменшення похибки застосовують активні випрям­лячі на основі операційного підсилювача, у яких діоди увімкнені в коло зворотного зв'язку (рис. 2.1.5.3).

Перетворювачі амплітудних значень. Амплітудним (піковим) значенням змінного струму називається най­більше відхилення струму від усталеного значення.

Перетворювачі амплітудних значень перетворюють змінну напругу в постійну, значення якої дорівнює амплітудному значенню змінної напруги. Перетворювачі амплітудних значень

складаються з діода, призначеного для випрямлення, і конденсатора, який виконує роль елемента пам'яті. Перетво­рювач із закритим входом (рис. 2.1.5.4) реагує тільки на змінну складову напруги, а перетворювач з відкритим вхо­дом (рис. 2.1.5.5) реагує на змінну напругу, яка містить постійну складову.

Під час зростання напруги до максимального значення (у момент, коли вхідна напруга перевищує напругу на конденсаторі), діод відкривається і конденсатор починає заряджатися через відкритий діод. Напруга на конденса­торі під час заряджання майже повторює форму вхідної напруги. Відхилення напруги на конденсаторі, що заряд­жається, від вхідної напруги, тобто похибка, зумовлене сталою заряду, яка дорівнює добутку ємності конденсато­ра на сумарний опір відкритого діода і вихідного опору джерела змінного сигналу:

Отже, чим менша стала заряду, тим менша похибка. Для зменшення похибки заряду необхідно зменшувати ємність конденсатора і вихідний опір джерела змінного сигналу. Опір відкритого діода залежить від значення прямої напруги на діоді і для значень прямої напруги сумірної зі значенням потенціального бар'єру переходу (близько 0,3 В для германієвого і 0,7 В для кремнієвого діода) опір різко збільшується. Це призводить до різкого зро­стання похибки для малих амплітуд вхідного сигналу.

Пройшовши максимум, вхідна напруга зменшується. Напруга на конденсаторі, зберігаючи амплітудне значен­ня, стає більшою за вхідну напругу. Внаслідок цього потенціал катода стає більший за потенціал анода, і діод закривається.

Конденсатор в ідеальному випадку має зберігати амплі­тудне значення нескінченно тривалий час. Насправді ж, за реальних умов конденсатор повільно розряджається через вхідний опір пристрою, увімкненого на виході перетворю­вача амплітудних значень (рис. 2.1.5.6). Розряд конденсатора призводить до того, що напруга на конденсаторі відхи­ляється від амплітудного значення вхідної напруги, тобто виникає похибка перетворення. Таким чином, чим повіль­ніше конденсатор розряджається, тобто чим більша стала розряду (добуток ємності конденсатора на вхідний опір), тим менше напруга на конденсаторі відхиляється від амплітудного значення і тим менша похибка перетворення.

Відносна похибка, зумовлена частковим розрядом кон­денсатора, внаслідок чого середнє значення напруги на конденсаторі відрізняється від амплітудного значення вхідного сигналу, залежить від відношення періоду коли­вань вхідного сигналу до сталої розряду:

Зі зменшенням частоти вхідного сигналу похибка зростає і визначає нижню межу діапазону частот вхідного сигналу.

На високих частотах проявляються ємність діода і на­вантаження, індуктивність і ємність монтажних провідни­ків, діелектричні втрати і поверхневі струми конденсатора, що призводить до збільшення похибки перетворення і об­межує верхнє значення діапазону частот вхідного сигналу. Цю похибку зменшують конструктивними способами: пе­ретворювач розміщують у спеціальному виносному пробни­ку, що вмикається безпосередньо у досліджуване коло.

Для зменшення похибки і збільшення вхідного опору застосовують активні амплітудні перетворювачі на основі операційних підсилювачів (рис. 2.1.5.7).

2.1.6 Фазочутливі перетворювачі,і перетворювачі напруг та струмів в частоту, часові інтервали

Зі зменшенням частоти вхідного сигналу похибка зростає і визначає нижню межу діапазону частот вхідного сигналу.

На високих частотах проявляються ємність діода і на­вантаження, індуктивність і ємність монтажних провідни­ків, діелектричні втрати і поверхневі струми конденсатора, що призводить до збільшення похибки перетворення і об­межує верхнє значення діапазону частот вхідного сигналу. Цю похибку зменшують конструктивними способами: пе­ретворювач розміщують у спеціальному виносному пробни­ку, що вмикається безпосередньо у досліджуване коло.

Для зменшення похибки і збільшення вхідного опору застосовують активні амплітудні перетворювачі на основі операційних підсилювачів (Рис. 2.1.6.1, Рис. 2.1.6.2).

Фазочутливі перетворювачі. Змінні синусоїдні напруги і струми характеризуються трьома параметрами: амплітудою, частотою і початковою фазою. Здебільшого достатньо знати амплітудне, середнє квадратичне або середнє випрямлене значення. Проте в деяких випадках, наприклад для вимірювання активної потуж­ності, параметрів електрорадіотехнічних трактів, такої інформації замало і необхідно мати відомості про фазу, тобто знати як модуль вектора коливань, так і аргумент вектора або синфазну і квадратурну складові вектора. Фазочутливий перетворювач призначений для фор­мування сигналу, який залежав би від зсуву фаз вимірю­ваного сигналу відносно опорного. Фазочутливий перетво­рювач складається з модулятора і фільтра нижніх частот (Рис. 2.1.6.3).

На один вхід перетворювача подається вимірюваний си­нусоїдний сигнал U_х(t), а на другий — опорний сигнал U r(t) однакової частоти з U_х(t). Модулятором може служи­ти перемножувач сигналів.

Якщо на один вхід перемножувача подати вимірюваний

Сигнал , а на другий — опорний сигнал , то вихідний сигнал перемножувала

u_y(t)=u_x(t)u_r(t)=U_xU_rcosφ-U_xU_rcos(ωt+φ)

матиме дві складові: постійну складову U_xU_Rcosφ і змінну складову - U_xU_Rcos(ωt+φ), яка коливається з подвійною ча­стотою.

Якщо частоту зрізу ω_в фільтра нижніх частот вибрати набагато меншою за частоту коливань 2ю змінної складо­вої вихідного сигналу перемножувача (ω_в«2ω), то фільтр нижніх частот виділить тільки постійну складову:

U_вих=K(0)U_xU_Rcosφ

де К(0) — коефіцієнт передачі фільтра нижніх частот на постійному струмі (ω=0).

Реалізація фазочутливого перетворювача значно спро­щується, якщо за опорний сигнал вибрати прямокутні імпульси, які мають таку саму частоту, що і вимірюваний сигнал. У такому разі функції модулятора може виконува­ти електронний ключ, на вхід керування якого подається опорний сигнал (Рис. 2.1.6.3

). Електронний ключ комутує вимірюваний сигнал. Сигнал на виході ключа має вигляд, наведений на рисунку (Рис. 2.1.6.4). Середнє значення сигналу на виході ключа, яке виділяється фільтром нижніх частот,

залежить від зсуву фаз вимірюваного сигналу відносно опорного:

U_вих=kU_rU_xcosφ

де к — коефіцієнт передачі ключа.

Для поліпшення метрологічних характеристик фазочут­ливих перетворювачів модулятори сигналу з імпульсним опорним сигналом реалізуються на операційних підсилю­вачах (рис. 2.1.6.6; 2.1.6.7).