Sibprompost.ru

Стройка и ремонт
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Структурные схемы и принцип действия электронных вольтметров

Структурные схемы и принцип действия электронных вольтметров

Обобщенная структурная схема вольтметра постоянного тока приведена на рис. 6.26, а. Она включает входное устройство, усилитель постоянного тока А1 и электромеханический измерительный прибор PV1. Входное устройство предназначено для создания высокого входного сопротивления, чтобы уменьшить влияние вольтметра на измеряемую цепь. Оно состоит из делителей напряжения – аттенюаторов, с их помощью изменяют пределы измеряемых величин. В некоторых вольтметрах входное устройство содержит эмиттерный повторитель (или истоковый – при использовании полевых транзисторов).

К УПТ предъявляются высокие требования: малый дрейф нуля, высокая стабильность усиления, малый уровень шумов. В вольтметрах постоянного тока высокой чувствительности входной сигнал преобразуется в переменный, усиливается и затем вновь преобразуется в напряжение постоянного тока.

Рис. 6.26. Структурная схема вольтметра переменного тока

Обобщенная структурная схема вольтметра переменного тока показана на рис. 6.26, б. Принцип действия такого вольтметра состоит в преобразовании переменного напряжения в постоянное, которое измеряется стрелочным электромеханическим прибором. В качестве преобразователя переменного напряжения в постоянное используются пиковые (амплитудные) детекторы, детекторы среднеквадратического и средневыпрямленного значения напряжения. Применение того или иного преобразователя переменного тока в постоянный определяет способность вольтметра измерять то или иное значение напряжения.

На обобщенной схеме показаны усилитель переменного напряжения А1 и УПТ А2, включенные после преобразователя VI. Однако в практических приборах применение обоих усилителей встречается очень редко. Используется либо додетекторное усиление, либо последетекторное.
В высокочувствительные измерители напряжения вводят усилители переменного напряжения, часто широкополосные с полосой пропускания от единиц герц до десятков мегагерц.

Для обеспечения широкой области рабочих частот вплотьдо 1 ГГц усилители переменного напряжения не применяют, а применяют усилители постоянного тока.

Цифровые вольтметры

В цифровых вольтметрах переменного напряжения используется аналоговое преобразование измеряемого переменного напряжения в постоянное. В импульсных цифровых вольтметрах находят применение специальные АЦП – амплитудно-временные преобразователи. В вольтметрах с уравновешивающим преобразованием используются соответствующие АЦП.

Цифровые вольтметры прямого преобразования более просты по устройству, но имеют меньшую точность. Их различают по используемому способу аналого-цифрового преобразования: с временным, временным с интегрированием и частотным преобразованием. Интегрирующие цифровые вольтметры, измеряющие среднее значение напряжения за время измерения, обладают повышенной помехозащищенностью. Структурная схема вольтметра (рис. 6.27) включает в себя входное устройство, устройство для определения полярности измеряемого напряжения, устройство для автоматического выбора измерения, АЦП, счетчик импульсов, преобразователь кодов (дешифратор) и цифровое отсчетное устройство. Входное устройство содержит делители напряжения и предназначено для расширения пределов измерения. Оно обеспечивает достаточно высокое входное сопротивление вольтметра. Устройство определения полярности измеряемого напряжения основано на определении последовательности срабатывания двух устройств сравнения. На первое подается пилообразное напряжение, принимающее значения от –U до +U, и измеряемое напряжение. Устройство срабатывает (выдает импульс) в момент равенства напряжений. Другое устройство сравнения срабатывает в момент равенства пилообразного напряжения нулю. Сигнал полярности подается в цифровое отсчетное устройство. Устройство автоматического выбора пределов измерения сравнивает измеряемое напряжение с набором напряжений и управляет делителем.

Читайте так же:
Электросчетчик лэмз цэ2727 50а

Цифровые вольтметры с уравновешивающим преобразованием строятся в основном по двум типам структурных схем: с использованием программирующего устройства и цифрового счетчика. В них измеряемое напряжение уравновешивается дискретно-изменяющимся компенсирующим образцовым напряжением. На рис. 6.28, а, б показаны эти структурные схемы.

Рассмотрим работу вольтметра, построенного по схеме с цифровым счетчиком (рис. 6.28, б). Тактовые импульсы поступают на цифровой счетчик через управляющее устройство, определяющее порядок заполнения ячеек. Счетчик изменяет состояние элементов преобразователя кода и компенсирующее напряжение. Измеряемое напряжение, поступающее на устройство сравнения, сравнивается с компенсирующим напряжением. В зависимости от знака этой разности на выходе устройства сравнения управляющее-устройство либо продолжает пропускать тактовые импульсы на счетчик, либо нет. Новый цикл измерений начинается с момента сбрасывания на нуль показаний счетчика. В этот же момент в исходное состояние приводится компенсирующее напряжение и на счетчик начинают поступать счетные импульсы.

Разработка структурной схемы часов

Проанализируем как должно работать разрабатываемое устройство. Часы обязательно должны содержать устройство измерения времени, которое в свою очередь всегда состоит из генератора эталонных интервалов времени и счётчика этих интервалов. Структурная схема устройства измерения времени приведена на рисунке 1.


Рисунок 1. Структурная схема устройства измерения времени

В качестве генератора эталонных импульсов в различное время использовали различные устройства. Это и вытекание воды или песка из какой-либо ёмкости и движение тени от солнца по циферблату и даже горение нити в огненных китайских часах.

В простейшем случае генератор импульсов эталонной длительности должен вырабатывать минутные импульсы. В простейшем случае генератор импульсов эталонной длительности должен вырабатывать минутные импульсы. Однако реализовать стабильный генератор такой длительности достаточно сложно. Даже в механических часах в качестве генератора импульсов эталонной длительности использовался маятник с периодом колебаний от одной до нескольких секунд.

В качестве генератора эталонных импульсов мог бы подойти кварцевый генератор, так как этот тип генераторов обладает высокой стабильностью колебаний. Но кварцевые генераторы вырабатывают колебания в диапазоне от 1 до 30 МГц. Это соответствует временным интервалам от 0.03 до 1 мкС. Тем не менее, если воспользоваться делителем частоты, выполненном на двоичном счетчике, то можно получить импульсы с периодом 1 минута.

Выберем частоту работы кварцевого генератора. Здесь можно использовать кварцевый резонатор с частотой 32768Гц, предназначенный для использования в часах. Этот резонатор специально разрабатывался для применения в часах, поэтому его частота кратна степени двойки (2 15 = 32768). В результате можно использовать обычный двоичный делитель.

Здесь хотелось бы отметить, какая грандиозная задача была решена разработчиками кварцевых кристаллов. Дело в том, что если посчитать длину акустической волны в кварце, то кварцевый резонатор получился бы впечатляющих размеров. Толщину кристалла кварца можно определить по общеизвестной формуле для длины волны. Как известно скорость распространения звуковой волны в кристалле кварца равна 5570м/с, тогда длина волны будет равна:

Читайте так же:
Как обновить счетчик электроэнергии

То есть толщина кварцевого резонатора должна быть как минимум равна половине длины волны — 8,5см. Ну, как, впечатляет? Длина кварцевого кристалла соответственно должна быть, по крайней мере, в пять раз больше. Казалось бы, это неразрешимая проблема для малогабаритных и дешёвых устройств, однако разработчики кварцевого резонатора сумели решить её.

Первым решением проблемы является то, что низкочастотные кварцевые резонаторы изготавливаются с использованием не объемных, а поверхностных волн. Точнее крутильных колебаний. В результате в резонаторе используется вся его длина. Скорость распространения волны по поверхности кварца значительно ниже скорости распространения волны в его объеме и равна 3515м/с. Однако даже в этом случае размеры кварцевого резонатора получаются значительными:

Решением проблемы оказалась разработка кварцевого резонатора, реализованного по принципу камертона. В таком резонаторе возбуждаются не объемные колебания, а колебания двух параллельно расположенных стержней, как это показано на рисунке 2.

В такой конструкции частота резонанса зависит от упругости кварца, длины и толщины зубьев получившейся вилки камертона.

Стоимость часовых кварцевых резонаторов оказалась минимальной из всех кварцевых резонаторов. Благодаря своей распространённости, малой цене, габаритам и малой частоте часовые кварцевые резонаторы начинают применяться практически во всех цифровых устройствах.

Для нас полезными свойствами часового кварцевого резонатора является малая цена, малые габариты, кратность частоты одному герцу и относительно малая частота резонанса. Последнее свойство определяет частоту задающего генератора, и, как следствие, малое потребление тока этим генератором от источника питания.

Итак, для формирования секундных импульсов (частота 1 Гц) потребуется делитель частоты на 32768. Для формирования из секундных импульсов минутных импульсов потребуется ещё один делитель частоты. Так как в минуте содержится 60 секунд, то нам потребуется делитель на 60. Уточнённая структурная схема разрабатываемого цифрового устройства приведена на рисунке 2.


Рисунок 2. Уточнённая структурная схема устройства измерения времени

Теперь займёмся схемой счётчика временных интервалов. Он будет состоять из счетчика минут и счётчика часов. Мы знаем, что счётчик минут должен работать по основанию 60. В то же самое время мы привыкли воспринимать числа в десятичной системе счисления. Поэтому будет удобно разбить счётчик минут на два счётчика: на десятичный счётчик и счётчик, считающий до шести.

Счетчик часов можно выполнить по основанию 12 и по основанию 24. Пусть в наших часах счётчик будет работать по основанию 24. При этом для удобства отображения информации, также как и в счётчике минут, реализуем его на двух десятичных счетчиках.

Следующий блок, который обязательно должен входить в состав часов — это устройство индикации. Ведь никого не устроят часы, которые будут точно отсчитывать время, но при этом мы не сможем увидеть результат!

Читайте так же:
Электросчетчики нева 101 как устроен

Выберем в качестве устройства отображения времени светодиодные семисегментные индикаторы. В этом случае мы получим устройство, способное работать при отрицательной температуре и обладающее при этом наиболее простой схемой.

Для преобразования кода, в котором работает счётчик минутных импульсов, в семисегментный код нам потребуется дешифратор. То есть, блок индикации будет состоять из дешифраторов и собственно индикаторов. Уточнённая структурная схема часов приведена на рисунке 3.


Рисунок 3. Структурная схема часов

И, наконец, последнее замечание. Любые часы время от времени требуют коррекции своего значения с целью синхронизации своих показаний с всемирным временем. В нашей схеме это будет делать блок коррекции, который в свою очередь будет состоять из кнопок и схемы установки внутреннего состояния счётчика временных интервалов.

На этом можно завершить разработку структурной схемы. Полная структурная схема часов с учётом блока индикации и блока коррекции времени приведена на рисунке 4.


Рисунок 4. Уточнённая структурная схема часов

Теперь, после того как составлена структурная схема часов, можно приступить к разработке их принципиальной схемы.

Понравился материал? Поделись с друзьями!

  1. Микушин А.В., Сажнев А.М., Сединин В.И. Цифровые устройства и микропроцессоры. СПб, БХВ-Петербург, 2015.
  2. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы. М, Радио и связь, 1987.
  3. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. СПб, БХВ-Петербург, 2004.
  4. Digital Logic Pocket Data Book, texas instrument, 2003.
  5. http://www.ti.com/sc/logic/

Вместе со статьей «Разработка структурной схемы часов» читают:

ЭЛЕКТРОННЫЕ ВАТТМЕТРЫ И СЧЕТЧИКИ

Электронные ваттметры строятся на основе измерительного пре­образователя мощности в напряжение, на выходе которого устанав­ливается магнитоэлектрический механизм.

Принцип работы преобразователей заключается в реализации за­висимости . Отсюда следует, что необходимым элемен­том является устройство для перемножения и и i — множительное устройство (МУ). Различают параметрические и модуляционные МУ.

Параметрические МУ могут быть с прямым и косвенным перемно­жением. При прямом перемножении используется четырехполюсник, на вход которого подается одна величина (например и), а вторая ве­личина i управляет коэффициентом передачи (рис.8.21,а ). В этом слу­чае выходной сигнал . Для указанной схемы имеем

;

Тогда выходной сигнал

. (8.18)

а) 6)

Рис 8 21. Структурные схемы электронных ваттметров

В качестве устройств усреднения здесь служит измерительный ме­ханизм ИМ. Поэтому

. (8.19)

Угол отклонения магнитоэлектрического ИМ

. (8,20)

Параметрические МУ могут быть построены с использованием косвенных способов умножения. Например, рассмотрим равенство

, то

Постоянную составляющую 4RUI можно измерить магнито­электрическим ИМ, а переменная составляющая отфильтруется им. Структурная схема ваттметра с таким параметрическим МУ показа­на на рис 8 21,б, где И — инверторы, Сум — сумматоры, Кв — квадратирующие устройства. Эта схема обладает невысокой точностью измерения мощности из-за трудностей подбора элементов с квадра­тичной характеристикой. Инверторы (рис.8.22,а) и сумматоры (рис.8.22,б) достаточно просто реализуются на операционных усилите­лях. Пример схемной реализации квадратирующего устройства, выпол­ненного на диодно-резистивных ячейках, показан на рис. 8.22,в.

Читайте так же:
Счетчик однофазный сколько поверка

Рис.8.22. Схемы операционных устройств

Наиболее точными являются модуляционные МУ, основанные на двойной модуляции импульсных сигналов — широтно-импульсной и амплитудно-импульсной. Структурная схема и временные диаграммы такого преобразователя мощности в напряжение показаны на рис.8.23. Генератор Г вырабатывает прямоугольные импульсы с постоянной амплитудой периодом и длительностями положительной и отрицательной полуволн. При среднее значение напряжения . Под действием тока i в широтно-импульсном модуляторе (ШИМ) длительности и изменяются по закону

,

где — коэффициент преобразования ШИМ.

Среднее значение напряжения на выходе ШИМ за период:

.

В амплитудно-импульсном модуляторе (АИМ) амплитуда этих им­пульсов модулируется пропорционально напряжению и, т.е.

,

где — коэффициент преобразования АИМ.

Тогда среднее значение напряжения на выходе АИМ будет равно

т.е. пропорционально мгновенному значению мощности.

Рис 8 23 Схема преобразователя мощности в напряжение (а) и его временные диаграммы (б)

Рис.8.24 Структурная схема электронного счетчика активной энергии

Измерительный механизм ИМ усредняет это напряжение.

(8.21)

где Т— период изменения тока i и напряжения и.

Электронные счетчики активной энергии строятся на основе рас­смотренных преобразователей с последующим интегрированием вы­ходной величины в соответствии с зависимостью . Одна из возможных реализаций имеет структурную схему, показанную на рис. 8.24. Здесь Пр — преобразователь мощности в напряжение (один из рассмотренных выше), ПНЧ — преобразователь напряжения в час­тоту, Сч — счетчик импульсов. Напряжение wBblx преобразователя про­порционально активной мощности, как показано выше. Это напря­жение преобразуется ПНЧ в частоту if которая также получается про­порциональной мощности Р. Выходные импульсы с полученной час- тотой пересчитываются счетчиком Сч и, следовательно, его показа­ния пропорциональны энергии W.

Вопрос 8.8. Какие типы преобразователей используются в элек­тронных ваттметрах?

8.8.1. Квадратирующие преобразователи.

8.8.2. Параметрические и модуляционные множительные устройства. 8 8.3. Суммирующие преобразователи.

Последнее изменение этой страницы: 2017-05-05; Просмотров: 385; Нарушение авторского права страницы

Исследование счетчиков электрической энергии

Страницы работы

Содержание работы

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра “Теоретические основы электротехники”

Лаборатория электрических измерений

Лабораторная работа № 56

“Исследование счетчиков электрической энергии”

студент группы ЭТ-401

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ.. 3

2. ПРОГРАММА РАБОТЫ.. 3

3. ПЕРЕЧЕНЬ ПРИМЕНЯВШИХСЯ ПРИБОРОВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ. 3

4. ФОРМУЛЫ ВРАЩАЮЩИХ МОМЕНТОВ ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО И ФЕРРОДИНАМИЧЕСКОГО СЧЕТЧИКОВ. 3

5. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ФЕРРОДИНАМИЧЕСКОГО СЧЕТЧИКА. 4

6. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ДЕЙСТВИЯ ИНДУКЦИОННОГО СЧЕТЧИКА. 4

8. СХЕМА СОЕДИНЕНИЙ. 6

9. ТАБЛИЦЫ НАБЛЮДЕНИЙ И ВЫЧИСЛЕНИЙ. 6

10. РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ И ПРИМЕРЫ ВЫЧИСЛЕНИЙ. 6

11. КРИВАЯ ОТНОСИТЕЛЬНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ДЛЯ ФЕРРОДИНАМИЧЕСКОГО СЧЕТЧИКА. 8

13. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.. 8

Знакомство с устройством различных счетчиков электрической энергии и их применением, опытное определение их основных характеристик.

2. ПРОГРАММА РАБОТЫ

1. Ознакомление с устройством исследуемых счетчиков.

2. Поверка ферродинамического счетчика.

3. Измерение энергии различными счетчиками.

Читайте так же:
Счетчики трансформаторы тока тшп

3. ПЕРЕЧЕНЬ ПРИМЕНЯВШИХСЯ ПРИБОРОВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Характеристика измерительных приборов

Наименование и тип прибора

Система прибора

Класс точности

Заводской номер

Предел измерений

Цена деления

Тип счетчика

Заводской
номер

, В

, А

, Гц

,

[об.(имп.)/кВт×ч]

4. ФОРМУЛЫ ВРАЩАЮЩИХ МОМЕНТОВ ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО И ФЕРРОДИНАМИЧЕСКОГО СЧЕТЧИКОВ

,

где — коэффициент пропорциональности.

,

где , — действующие значения напряжения и тока;

— коэффициент пропорциональности;

— угол сдвига фаз между током и напряжением;

— активная мощность, потребляемая нагрузкой.

5. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ФЕРРОДИНАМИЧЕСКОГО СЧЕТЧИКА

Принцип действия счетчика основан на взаимодействии магнитного потока и проводника с током. В счётчике имеется неподвижная и подвижная обмотки. Неподвижная (токовая) обмотка уложена в пазу цилиндрического сердечника из пермаллоя и подключена к шунту Ш, по которому протекает ток нагрузки. Магнитный поток, создаваемый неподвижной обмоткой, замыкается через воздушный зазор и внешний магнитопровод. Индукция магнитного поля будет пропорциональна току нагрузки. Подвижная обмотка состоит из трёх одинаковых секций, расположенных под углом 120 0 . Секции соединены между собой треугольником и подсоединены к коллектору. Каждая секция выполнена из большого числа витков тонкого провода. Секции, прикреплённые к верхнему и нижнему алюминиевым каркасам, образуют жесткую цилиндрическую конструкцию подвижной части счетчика, которая вращается в зазоре между сердечником и внешним магнитопроводом. Стальная ось, которая свободно проходит через отверстие в сердечнике, вращается в подшипниках. На оси крепятся подвижная обмотка счетчика, тормозной диск, червяк редуктора счетного механизма и коллектор. Через подвижную обмотку независимо от тока нагрузки, будет проходить ток, пропорциональный приложенному напряжению. При взаимодействии магнитного потока неподвижной обмотки и тока подвижной возникает вращающий момент.

6. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ДЕЙСТВИЯ ИНДУКЦИОННОГО СЧЕТЧИКА

Принцип действия основан на взаимодействии магнитных потоков, создаваемых двумя электромагнитами, с вихревыми токами, индуктируемыми в алюминиевом диске. Тормозной момент создается полем постоянного магнита. При установившейся скорости вращения диска энергия, регистрируемая счетчиком за какое-то время, будет пропорциональна числу оборотов за тоже время.

7. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОННЫХ СЧЕТЧИКОВ С ПОЯСНЕНИЕМ

Структурная схема счетчика Ф600 и его включение в цепь

Структурная схема счетчика Ф604 и его включение в цепь

Счетчик Ф604 имеет большую точность и содержит элементы интегральных схем, имеющих широкие функциональные возможности. Как видно из рисунка 2 в счетчике Ф604 используются блоки с иными, по сравнению с счетчиком Ф600, функциональными задачами, изменена также схема включения в цепь.

Структурная схема счетчика Ф440 и его включение в цепь

Счетчик Ф440 предназначен для учета активной энергии на электровозах переменного тока, а также на других потребителях переменного тока. В схеме используются интегральные микросхемы.

8. СХЕМА СОЕДИНЕНИЙ

9. ТАБЛИЦЫ НАБЛЮДЕНИЙ И ВЫЧИСЛЕНИЙ

Результаты поверки ферродинамического счетчика

, В

,

, мА

, об.(имп.)

, с

, кВт

, с

, %

, %

%

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector