Опишите принцип действия цифрового измерительного прибора кратко

Обновлено: 05.07.2024

В современной измерительной технике все большее распространение получают цифровые измерительные приборы, в которых результат измерения выдается на световом табло в виде числа (рис. 2-39). Эти приборы удобны в обращении и позволяют быстро и точно производить измерения. Существующие цифровые измерительные приборы, как правило, универсальны. Они позволяют измерять постоянные и переменные напряжение и ток, сопротивление, емкость, индуктивность, добротность, частоту, сдвиг фаз, временные интервалы. Результаты измерений цифровых приборов

удобно регистрировать с помощью цифропечатающего устройства, а благодаря их быстродействию (до измерений в секунду) результаты измерений можно вводить в вычислительную машину или другие автоматические системы.

К недостаткам цифровых измерительных приборов следует отнести их сложность, высокую стоимость, большие габариты и массу. Однако будущее за этими приборами: использование схем на тонкопленочных резисторах, усилителей на интегральных схемах, применение сменных унифицированных блоков и т. д. позволят значительно уменьшить массу и габариты прибора, повысить точность и расширить пределы измерения.

Принцип работы цифровых измерительных приборов состоит в том, что они преобразуют непрерывную измеряемую величину в дискретный сигнал (в числовой код), а затем отсчетное устройство (устройство индикации) воспроизводит значение измеряемой величины в цифровой форме.

Существует несколько методов преобразования непрерывной величины в дискретную, из которых наибольшее распространение получил метод число-импульсного кодирования. Этим методом измеряемая величина преобразуется в пропорциональное ей число импульсов, которое подсчитывается цифровым электронным счетчиком. Электронные счетчики счет импульсов ведут, как правило, в двоичной системе счисления. В этой системе, как известно, можно записать любое число комбинацией двух цифр: 0 и 1. Применение двоичной системы счисления в цифровых приборах обусловлено тем, что для записи чисел в ней нужны элементы, имеющие всего два устойчивых состояния (например, включено — выключено), которые можно принять из цифры 0 и 1.

В цифровых измерительных приборах результат измерения, полученный в двоичной системе счисления, с помощью специального

устройства—дешифратора — переводится в десятичную систему, а затем выдается на световое табло.

В качестве примера рассмотрим несколько подробнее принцип работы цифрового вольтметра с число-импульсным кодированием. Структурная схема цифрового вольтметра, в котором измеряемая величина преобразуется во временной интервал (время-импульсное кодирование), изображена на рисунке 2-40, а временные диаграммы, поясняющие его работу, — на рисунке 2-41.

В момент когда пилообразное напряжение окажется равным измеряемому сравнивающее устройство СУ подает сигнал (конец прямоугольного импульса) на закрытие электронного ключа Счет импульсов счетчиком СЧ прекратится. При этом число импульсов образцовой частоты поступивших в счетчик СЧ за время пока электронный ключ К был открыт, оказывается

пропорциональным измеряемому напряжению

где скорость изменения пилообразного напряжения .

Полученный счетчиком СЧ результат после преобразования в десятичную систему счисления поступит далее на отсчетное устройство ОУ.

Погрешность цифровых вольтметров с время-импульсным преобразованием определяется линейностью напряжения ил и стабильностью частоты Обычно она не превышает 0,1%, но есть и более точные приборы

Цифровые измерительные приборы: достоинства и недостатки, принцип работы

Цифровые приборы — один из самых революционных способов измерения различных физических величин за всю историю человечества. Можно сказать, что в целом с момента появления цифровых технологий важность этого типа устройств во многом определила будущее всего нашего существования.

Все измерительные приборы подразделяются на аналоговые и цифровые.

Цифровые измерительные приборы обладают высоким быстродействием и высоким классом точности. Они применяются для измерения широкого класса электрических и неэлектрических величин.

В отличии от цифровых аналоговые приборы не хранят измеренные данные и не совместимы с цифровыми микропроцессорными устройствами. По этой причине необходимо записывать каждое проведенное с его помощью измерение, что может быть утомительным и требующим большого количество времени.

Главный недостаток цифровых измерительных приборов заключается в том, что они нуждаются во внешнем источнике питания или подзарядке аккумулятора после определенного времени использования. Также точность, скорость и эффективность цифровых приборов в делают их дороже аналоговых.

Цифровые измерительные приборы — приборы, в которых измеряемая входная аналоговая величина X автоматически опытным путем сравнивается с дискретными значениями известной (образцовой) величины N и результаты измерения выдаются в цифровом виде (Чем отличаются аналоговые, дискретные и цифровые сигналы).

Структурная схема цифрового вольтметра

При выполнении операций сравнения в цифровых измерительных приборах производится квантование по уровню и времени значений непрерывных измеряемых величин. Результат измерения (численный эквивалент измеряемой величины) образуется после выполнения операций цифрового кодирования и представляется в избранном коде (десятичном для отображения или двоичном для дальнейшей обработки).

Операции сравнения в цифровых измерительных приборах выполняются специальными устройствами сравнения. Обычно конечный результат измерения в таких приборах получается после запоминания и некоторой обработки результатов отдельных операций сравнения аналоговой величины X с различными дискретными значениями образцовой величины N (так же может производиться сравнение известных долей X с N, имеющей одно значение).

Числовой эквивалент X в измерительный прибор представляется с помощью выходных устройств в виде, удобном для восприятия (цифровая индикация), а в необходимых случаях — в виде, удобном для ввода в электронно-вычислительную машину (ЭВМ) или в систему автоматического управления (цифровые регуляторы, программируемые логические контроллеры, интеллектуальные реле, частотные преобразователи). Во втором случае приборы чаще всего называются цировыми датчиками.

В общем случае цифровые измерительные приборы содержат аналогово-цифровые преобразователи, блок формирования образцовой величины N или набор заранее сформированных величин N, устройства сравнения, логические устройства и выходные устройства.

В автоматических цифровых измерительных приборах обязательно наличие устройства, обеспечивающего управление работой его функциональных узлов. Кроме обязательных функциональных блоков прибор может содержать дополнительные, например, преобразователи непрерывных величин X в промежуточные непрерывные величины.

Такие преобразователи используются в измерительных приборах в тех случаях, когда промежуточную X можно более просто измерить, чем исходную. К преобразованиям X в электрические величины прибегают весьма часто при измерении разнообразных неэлектрических величин, в свою очередь, электрические часто представляются эквивалентными интервалами времени и т. д.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и выдают на выходе соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для работы с ЭВМ и другими цифровыми устройствами, т.е. обычно физический сигнал сначала преобразуется в аналоговый (аналогичный по отношению к исходному сигналу), а затем аналоговый сигнал преобразуется в цифровой.

В цифровых измерительных приборах используются различные методы автоматических измерений и измерительные схемы. Наличие дискретных N определяет специфику главным образом способов сравнения.

X и N можно сравнивать методами уравновешивания и совпадения. При 1-м методе управление изменением значений N производится до тех пор, пока не будет обеспечено равенство (с погрешностью дискретности) значений X в N или эффектов, ими производимых. По 2-му методу все значения N одновременно сравниваются с X, и значение X определяется по совпавшему с ним (с погрешностью дискретности) значению N .

При методе совпадения обычно используется одновременно несколько устройств сравнений, либо X имеет возможность воздействовать на одно общее устройство, считывающее совпавшее с ним значение N.

Различаются методы следящего, развертывающего и поразрядного уравновешивания, а также методы совпадения со следящим счетом или следящим считыванием, периодическим счетом или периодическим считыванием результатов сравнения.

Первые в истории цифровые измерительные приборы представляли собой системы пространственного кодирования.

В этих приборах (датчиках) в соответствии со схемой измерения измеряемая величина с помощью аналогового преобразователя преобразуется в линейное перемещение или угол поворота.

Далее в аналого-дискретном преобразователе происходит кодирование полученного перемещения или угла поворота при помощи специальной кодовой маски, которая наносится на специальные кодовые диски, барабаны, линейки, пластины, электроннолучевые трубки и т. п.

Маски создают символы (0 или 1) кода числа N в виде проводящих и непроводящих, прозрачных и непрозрачных, магнитных и немагнитных участков и т. п. С этих участков специальные считывающие устройства снимают вводимый код.

Наибольшее распространение получил метод устранения ошибок неоднозначности, основанный на применении специальных циклических кодов, в которых соседние числа отличаются только в одном разряде, т. е. ошибка считывания не может превышать шага квантования. Это достигается за счет того, что при изменении любого числа на единицу в циклическом коде изменяется только один символ (например, используется код Грея).

В зависимости от выполнения кодирующего устройства преобразователи пространственного кодирования могут быть разделены на контактные, магнитные, индуктивные, емкостные и фотоэлектрические преобразователи (смотрите - Как устроены и работают энкодеры).

Класс устройств, которые применяются для измерения электрических величин, называются электроизмерительными приборами. Наиболее известные из них – амперметры, вольтметры и омметры.

Сфера применения

Электроизмерительный прибор является необходимым устройством в связи, энергетике, промышленности, на транспорте, в медицине и научных исследованиях. Применяется это устройство и в быту, например для учета потребленной электроэнергии.
А если применить специальные преобразователи величин неэлектрических в электрические, то диапазон применения электроизмерительных приборов становится значительно шире.

Классификация электроизмерительных приборов

Один из существенных признаков систематизации подобных устройств - воспроизводимая или измеряемая физическая величина. Согласно ему приборы подразделяются:

- на измеряющие силу электрического тока – амперметры,

- измеряющие электрическое напряжение – вольтметры,

- измеряющие электрическое сопротивление – омметры,

- измеряющие частоту колебаний электротока – частотомеры,

- измеряющие различные величины – мультиметры или авометры, тестеры,

- для воспроизведения указанных сопротивлений – магазины сопротивлений,

- измеряющие мощность электрического тока – варметры и ваттметры,

- измеряющие потребление электрической энергии – электросчетчики и пр.

Другие признаки систематизации

Существуют и другие признаки, по которым классифицируют такой вид устройств, как электроизмерительный прибор. Это может быть:

1. Назначение: меры, измерительные приборы и преобразователи, измерительные системы и установки, прочие вспомогательные устройства.

2. Система предоставления полученного результата: регистрирующие (графическое изображение на фотопленке или бумаге либо в виде компьютерного файла) или показывающие.

3. Способ измерения: приборы сравнения или непосредственной оценки.

4. Способ использования и конструктивные особенности: переносные, щитовые (закрепляются на специальной панели или щите), стационарные.

По принципу действия классификация электроизмерительных приборов выглядит следующим образом:

электромеханические, которые, в свою очередь, подразделяются:

электронные;
электрохимические;
термоэлектрические.

Система обозначений

За рубежом заводы-изготовители устанавливают свои обозначения на выпускаемых измерительных устройствах. В России и некоторых бывших республиках Советского Союза традиционна унифицированная система знаков. Основана она на принципе работы конкретного прибора. Основные электроизмерительные приборы в обозначении всегда имеют прописную букву русского алфавита, которая указывает на принцип действия устройства. А также число, которое обозначает условный номер модели. Иногда можно встретить прописную букву М, которая обозначает, что прибор модернизированный или К (контактный). Есть и другие, обозначения. Например, Д (электродинамические приборы), Н (самопишущие приборы), Р (меры, устройства, измеряющие параметры элементов электросетей, измерительные преобразователи), И (индукционные приборы), Л (логометры) и пр.

Показатели точности

Одна из главных характеристик прибора для электроизмерений – класс точности. Их существует несколько. А определяется он по зависимости от допустимого предела погрешности, вызванной конструктивными особенностями отдельно взятого устройства.

Точность электроизмерительных приборов не может быть равна погрешности относительной или абсолютной. Последняя не является определителем точности, а относительная имеет зависимость от значения величины, подвергшейся изменению, то есть для различных участков шкалы будет иметь разные значения.

Поэтому для характеристики точности электроприбора применяется приведенная погрешность (ɣ). Определяется она отношением погрешности абсолютной конкретного прибора (∆x) к максимуму (или пределу) измеряемой величины (x_пр). Полученная величина, выраженная в процентах, и будет классом точности конкретного прибора:

Любой электроизмерительный прибор на шкале обязательно имеет указание на класс точности. Согласно ГОСТу он может быть 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1,0, 1,5, 2,5 и 4,0. На этом основании приборы можно классифицировать следующим образом:

- класс точности 0,05 и 0,1 - образцовые, использующиеся для поверки точных приборов (например, лабораторных);

- класс точности 0,2 и 0,5 – лабораторные, используются в лабораториях для производства измерений и поверки технических приборов;

- класс точности 1,0, 1,5, 2,5 и 4,0 – технические, применяются для технических измерений.

Электроизмерительные приборы: принцип действия

Работа большей части электроизмерительных приборов основана на магнитоэлектрическом эффекте. Электроны, двигаясь по проводнику электрической цепи, образуют вокруг себя магнитное поле. В нем и перемещается стрелка измеряющего устройства, реагируя на силу окружающего поля. Чем магнитное поле слабее, тем меньше отклонение стрелки и наоборот.

Если в непосредственной близости от проводника, через который не протекает электрический ток, подвешена стрелка, то реагировать она может только на магнитное поле Земли. Но если через проводник пропустить ток, стрелка будет уже реагировать на магнитное поле электрического тока. Таким образом, механическое отклонение стрелки провоцируют электроны, двигаясь через проводник. И следовательно, чем больше электрический ток, тем сильнее образованное им поле и тем дальше от начального положения отклоняется стрелка. Этот незатейливый принцип является основополагающим для большинства электроизмерительных приборов.

Описанные выше приборы проводят измерения одинаковым способом, притом что подача нагрузки и источники питания у них разные.

Измерительное смещение стрелки, провоцируемое магнитным полем движущихся электронов, указывает на какое-либо деление шкалы. Их обычно несколько, и у каждой свой предел измерения напряжения, сопротивления и тока. На некоторых приборах для удобства пользователя продуман селекторный переключатель.

Как работают цифровые измерители

Цифровые электроизмерительные приборы имеют высокий класс точности (погрешность варьируется от 0,1 до 1,0 %) и широкий предел измерений. Они быстродейственны и могут совместно работать с электронно-вычислительными машинами, что позволяет передавать результаты измерений без каких-либо искажений на различные расстояния.

Эти устройства считаются приборами сравнения и непосредственной оценки. Их работа основана на принципе перевода измеряемой величины в код, благодаря чему пользователь имеет цифровое представление информации. Ещё какие электроизмерительные приборы относятся к цифровым? Это устройства, которые, измеряя непрерывную электрическую величину, автоматически конвертируют её в дискретную, кодируют и выдают результат в цифровой форме, удобной для считывания пользователем.

Устройства, расположенные в одном корпусе

Это приборы, которые для неодновременного измерения нескольких величин используют один механизм для измерения. Или же они имеют несколько преобразователей с общим для всех отсчетным устройством (шкалой). Она градуируется в единицах измеряемых величин. Чаще всего комбинированные электроизмерительные приборы совмещают в себе устройства, измеряющие силу постоянного или переменного тока и электрического напряжения (ампервольтметры); сопротивления, силы постоянного и переменного тока, напряжение (авометры или ампервольтомметры). А также существуют универсальные цифровые электроизмерительные приборы, которые измеряют напряжение постоянного и переменного тока, индуктивность и количество импульсов.

Примером такого устройства может служить новая разработка "Актаком ADS-4031". Прибор от компании "Актаком" гармонично сочетает в себе функциональный генератор, цифровой осциллограф, частотомер, RLC-метр и цифровой мультиметр. Кроме основных пяти совмещенных устройств, осциллографический тестер благодаря дополнительным приспособлениям может использоваться для ряда других измерительных задач.

Производство и разработка электроизмерительных приборов

На территории России работают и активно продвигают на рынок свою продукцию как новые предприятия, так и заводы, ведущие свою историю со времен СССР. Рассмотрим их более подробно.

Пользуются большим спросом приборы с электронными преобразователями, измеряющими частоту реактивной или активной мощности, а также ее коэффициент. Не менее популярны индикаторы, приборы для оснащения специализированных учебных кабинетов, различные цифровые приборы и комплектующие. В конце прошлого века предприятие получило сертификат, подтверждающий систему менеджмента качества ИСО 9001, соответствующую международному стандарту.

Чебоксарский завод более 55 лет занимает лидерские позиции среди производителей электроизмерительных приборов.

65 лет назад, согласно Постановлению Совета министров СССР, был образован ВНИИЭП - Всесоюзный научно-исследовательский институт электроизмерительных приборов. Кроме научно-исследовательских работ по разработке новейших образцов техники здесь изготавливали небольшие серии высокоточных, уникальных приборов.
Разрабатывая системы электроизмерительных приборов, предназначенных для автоматизации экспериментов и промиспытаний сложной техники, институт создал измерительно-управляющие комплексы.

Электроизмерительные приборы востребованы и представлены в большом разнообразии. Они применяются в промышленности, транспортной сфере и других областях деятельности. Устройства имеют особую систему обозначения и имеют классификацию по ряду признаков, которую необходимо знать перед применением приборов.

Конструкция и области применения измерительных приборов

Для измерения различных показателей электрического тока используют специальные приборы. Такие устройства разнообразны и классифицируются по нескольким критериям, что позволяет выбрать оптимальный вариант. Все варианты образуют отдельный класс, называющийся электроизмерительные приборы.

Электроизмерительные приборы многообразны, так как необходимы в разных сферах деятельности

Многие варианты приборов обязательно предполагают наличие дисплея, на котором отображается информация. Также в конструкции присутствуют переключатель или кнопка управления прибором. Разъёмы для подключения кабелей, корпус, кнопка включения/отключения тоже являются элементами электроизмерительных приборов.

Дисплей или циферблат всегда присутствуют на приборах измерения электротока

Устройства разного типа применяют в следующих сферах деятельности:

медицина;
связь и энергетика;
научные исследования;
бытовые условия;
транспортная промышленность;
производство любого типа.

Простые или сложные модели приборов позволяют измерить силу тока и другие показатели электроэнергии. Для бытовых условий применяют простой вариант — счётчик электроэнергии, а в промышленности используются более сложные и профессиональные устройства. Таким образом, для электроизмерительных приспособлений каждого типа характерно определённое назначение.

Принцип работы

Большинство электроизмерительных устройств имеют принцип действия, основанный на том, что электроны двигаются по проводнику электроцепи и создают вокруг себя магнитное поле. Стрелка измерительного приспособления перемещается в этом поле, реагируя на его параметры. Чем ниже показатели магнитной зоны, тем меньше отклонения стрелки.

Шкала и стрелка присутствуют на многих приборах и визуализируют особенности электрического тока

При этом все приборы электроизмерительного типа по принципу действия разделяются на следующие виды:

магнитоэлектрические, в которых ток пропускается через особую рамку в виде нескольких витков изолированной проволоки. Она размещена между полюсами постоянного магнита, поля их взаимодействуют. Рамка и сидящая на одной с ней оси стрелка перемещаются на определённый угол, который пропорционален напряжению или току. Эти приспособления предоставляют точные данные, но без дополнительных устройств используются для определения небольших значений и лишь тока постоянного типа;
в электродинамических устройствах магнитное поле, в котором вращается рамка, получается не благодаря постоянному магниту, а с помощью катушки с током. У этих приборов имеются две катушки: неподвижная и подвижная (рамка, жёстко соединённая со стрелкой). Устройства оптимальны для измерения постоянного и непостоянного вариантов тока;
работа тепловых моделей осуществляется в результате нагревания током и удлинения проводников. Приборы используются как для постоянного, так и для тока переменного типа;
действие электростатических устройств основано на взаимной силе притяжения пластин. Это осуществляется в результате воздействия на них напряжения.

Видео: принцип работы измерительных приборов

Варианты классификации приборов измерения тока

Все устройства, служащие для определения параметров электрического тока, классифицируются по нескольким признакам. В зависимости от сферы и цели применения подбирают нужный вариант.

Дисплей может быть цифровым или в виде стрелки и шкалы

Виды конструкций

Классификация устройств по типу конструкции предполагает разделение приборов по внешним данным, форме, корпусу, типу дисплея или шкалы. В результате можно выделить несколько вариантов. Одним из них являются щитовые модели, которые представляют собой объёмный щит с кнопками управления и информационным табло.

Цифровые приборы имеют дисплей, отображающий максимально точный результат измерений

Стационарные не подлежат частому перемещению и устанавливаются для контроля параметров энергии в определённой зоне. В отличие от них более мобильны переносные варианты, которые позволяют провести работы в разных местах без необходимости перемещения массивного оборудования.

Классификация по роду измеряемой величины

Все электроизмерительные устройства классифицируются в зависимости от того, какую величину позволяют определить. Это необходимо для всестороннего изучения показателей напряжения, что важно в разных сферах деятельности. В результате классификации по роду определяемой величины можно выделить следующие виды оборудования:

амперметры необходимы для измерения тока;
омметры служат для определения сопротивлений;
ваттметры позволяют узнать мощность;
счётчики используют для учёта энергии;
частотомеры нужны для определения частот тока переменного типа;
угол сдвига фаз измеряют фазометры;
узнать малые величины помогают гальванометры;
осциллографы определяют часто меняющиеся показатели.

Осциллограф имеет сложную конструкцию, помогающую получить точный результат

Каждый прибор имеет определённое назначение, но многие из них имеют схожий принцип работы. Оборудование может быть разного размера, а производители представляют широкий выбор вариантов.

Разделение по роду тока

Электрический ток может быть нескольких видов и в зависимости от этого подбирают приборы для его измерения. В результате такого подхода можно выделить изделия, предназначенные для измерения и используемые лишь в цепях постоянного тока. Существуют варианты, которые применяют только в цепях с переменным электричеством. Более универсальны модели, подходящие для работы с обеими цепями.

Способы отображения информации

Существует два варианта: цифровые и аналоговые. Под цифровыми устройствами подразумевают приборы, осуществляющие в процессе измерения автоматическое преобразование определяемой величины в дискретную. При этом величина является непрерывной, а полученный результат отображается на цифровом дисплее или регистрируется цифропечатающим оборудованием.

Цифровой дисплей характеризуется чёткостью отображения

Главное преимущество цифровых моделей по сравнению с иными вариантами заключается в том, что полученный результат измерений может быть преобразован математически или физически без повышения погрешности. Одним из представителей такого вида приборов является цифровой вольтметр. Востребованы также амперметры, фазометры, частотомеры.

Аналоговые варианты часто оснащены шкалой и стрелкой. Оборудование характеризуется тем, что при измерении показатель входного сигнала преобразуется в показатель выходного импульса. Результат показывает стрелка, направленная на градуированную шкалу, имеющую определённый предел.

Шкала со стрелкой имеет определённый диапазон измерений

Три блока являются составляющими аналоговой конструкции: блок сравнения, первичный преобразователь, устройство ввода информации. Элементы соединены в систему и взаимосвязаны друг с другом.

Иные варианты систематизации

Электроизмерительные устройства широко используются и классифицируют не только по вышеперечисленным критериям, но и по другим особенностям. Часто разделение осуществляется по следующим параметрам:

назначение, то есть оборудование может быть вспомогательным, для измерений, бытового или профессионального применения;
система выдачи итогового результата, в зависимости от чего изделия могут быть регистрирующими или с выводом информации на экран;
способ измерения. Оборудование может быть использовано для сравнения или оценки показателей.

Обозначения приборов

Производители при маркировке изделий указывают определённые обозначения, которые отражают информацию о принципе действия оборудования. Прописная буква в маркировке указывает на тип работы устройства. Основными являются следующие варианты:

Разнообразные приборы имеют множество вариантов классификации

При выборе конкретного устройства учитывают обозначения в маркировке. Перед первым использованием нового оборудования требуется его настройка, выполняющаяся согласно инструкции.

Класс точности электроизмерительных устройств

Помимо иных характеристик, важное значение имеет и класс точности, который отражает особенности прибора. Точность зависит от допустимой предельной погрешности, которая может возникнуть в результате конструктивных особенностей конкретного оборудования. Выделяют по ГОСТу такие классы точности, как: 4,0 и 0,05; 0,1 и 0,2, а также 0,5 и 1,0, 1,5 и 2,5. Класс не превышает относительной погрешности устройства, определяющейся по формуле: — ɣ = ∆x / xпр * 100%. При этом ɣ — приведённая погрешность, ∆x — абсолютная погрешность, а xпр является измеряемым параметром.

Видео: классификация электроизмерительного оборудования

Оборудование для измерения разных показателей электротока представлено множеством моделей и типов. Выбор правильного устройства является залогом точных измерений и эффективной работы приборов.

Читайте также: