Принципы построения цифровых измерительных приборов.

Классификация и характеристика измерительных приборов

Классификация электрических измерительных приборов возможно по множеству принципов:

1) по используемому в измерительных приборах «базовому» электрическому преобразователю:

- электромеханические («базовый» преобразователь - МИМ);

- термоэлектрические (например, мощность можно измерять по выделяемому теплу);

- электронные (например, выпрямитель в мультиметрах);

2) по роду тока: приборы для измерения на переменном токе, постоянном токе и универсальные измерительные приборы (мультиметры);

3) по диапазону частот: низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные измерительные приборы;

4) по виду отображаемой прибором величины:

- аналоговые (например, стрелочные);

- аналогово-электронные (газоразрядная трубка, жидкокристаллическая аналоговая шкала);

- цифровые (вывод информации производится путем десятичного отсчета измеряемой величины).

Примечание: в литературе принято разделять измерительные приборы на аналоговые и цифровые. Будем считать это не вполне корректным, т.к. в любом измерительном приборе с выводом измерительной величины в виде десятичного цифрового отсчета имеются аналоговые измерительные преобразователи. Например, в мультиметрах имеются измерительные шунты, измерительные аналоговые усилители, измерительные добавочные сопротивления, напряжения, аналоговые выпрямительные устройства (измерительная мостовая выпрямительная схема).

5) по форме представления информации: показывающие и регистрирующие (возможна их комбинация).

Измерительные приборы могут различаться по множеству следующих признаков: условиям эксплуатации, условиям применения, условиям надежности, помехозащищенности и т.п.

Наиболее значимые классификационные признаки у большинства измерительных приборов можно прочитать по шкале прибора, лицевой панели, задней части корпуса (пояснительные таблицы). Также более детальная информация по классификационным признакам прибора приводится в его документации и характеристиках (паспорт).

Отметим важные характеристики измерительных приборов:

1. Чувствительность – это изменение выходной величины прибора (например, угол отклонения стрелки в ответ на вызвавшее его изменение измерительной величины – напряжения или сопротивления).

S = dα/du

Чувствительность в большинстве случаев имеет размерность – [град/В], и [Бит/В] – для цифровой шкалы. Шкала прибора может быть линейной, тогда чувствительность одинакова во всех точках шкалы, это характерно для измерителей на постоянном токе, т.е.:

S = α/B = const

Если шкала прибора нелинейная, тогда чувствительность будет разной, что характерно для измерителей на переменном токе, для которых имеет место выпрямительные преобразования, т.е.:

S = ∆α/∆B

2. Порог чувствительности – это минимальное изменение входной величины способное вызвать изменение выходной величины, различимое без дополнительных устройств. В измерительных приборах с цифровым отображением результата измерения порог чувствительности равен единице самого младшего разряда.

3. Предел измерения – это значение диапазона измерительной величины от x_min до x_max, при изменении которых погрешность прибора нормирована.

4. Диапазон рабочих частот – погрешность в нем нормирована.

5. Вариация показаний – это средняя разность показаний прибора в определенной точке шкалы при медленном «подходе» к этой точке шкалы «сверху» и «снизу».

x_в = ‌‌‌/ ∆_н – ∆_в /

Замечание: вариация показаний может быть определена только с использованием образцового прибора.

6. Погрешность измерений

Погрешность может быть:

- абсолютная

,

где А_х – показания полученные с использованием прибора, погрешность которого рассматривается; А – в абсолюте это действительное значение измеряемой величины (на практике берется значение, которое получают с помощью прибора с более высоким классом точности чем у данного, т.н. «образцового» прибора);

- относительная - это погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности к действительному значению;

,

- приведенная – это относительная погрешность, в которой абсолютная погрешность отнесена к условнопринятому значению (в большинстве случаев это конечное шкалы прибора) постоянному во всем диапазоне измерений или его части;

.

По максимально допустимой приведенной погрешности определяют и класс точности измерительного прибора. В РФ класс точности присваивается из номенклатурного ряда: 1*10ⁿ; 1,5*10ⁿ; 2,0*10ⁿ; 2,5*10ⁿ; 4,0*10ⁿ; 5,0*10ⁿ; 6,0*10ⁿ, где n=1, 0, -1, -2,…? (n=1, 0, -1, -2 – доступные на нашем уровне измерительные приборы, выше – прецизионные приборы).

7. Входное сопротивление характеризует степень «паразитного» воздействия измерительного прибора на контролируемый или энергетический поток. Такое воздействие, к сожалению, неизбежно при любом измерении. Любой измерительный прибор привносит в контролируемый энергетический поток свои параметры, тем самым, изменяя контролируемую величину от действительного значения.

При электрическом измерении при постоянном токе и «низкой частоте» влияние входного сопротивления измерительного прибора на контролируемый энергетический поток заключается в потреблении прибором электрической мощности. Характерным примером такого потребления энергии является подключение амперметра и вольтметра к контролируемой цепи:

P_PA=I²*R_PA – паразитное потребление электрической мощности при подключении амперметра;

Отсюда очевидно, что для уменьшения «паразитного воздействия» амперметра на контролируемый им энергетический поток его сопротивление должно быть минимизировано (в идеале должно стремиться к нулю).

P_PV=U²/R_PV - паразитное потребление электрической мощности при подключении вольтметра;

Отсюда очевидно, что для уменьшения «паразитного воздействия» вольтметра на контролируемый им энергетический поток его сопротивление должно быть как можно больше (в идеале должно стремиться к бесконечности).

При измерении в электрических параметрах на средних и высоких частотах (СЧ и ВЧ соответственно), тем более на сверхвысоких частотах (СВЧ), необходимо учитывать комплексность входного сопротивления измерительного прибора. Полная эквивалентная схема электрического измерительного прибора приведена на рисунке 5.

Рис. 5. Эквивалентные схемы входного импеданса электрических измерительных приборов: а) полная схема; б)схема с исключением резонансной частоты

При измерениях на переменных токах СЧ, ВЧ, СВЧ измерительный прибор потребляет электрическую мощность от контролируемого им энергетического потока только своим активным сопротивлением (R_вх). Естественно реактивную составляющую входного сопротивления не потребляют.

При использовании электрических измерительных приборов для измерениях на токах СЧ, ВЧ, СВЧ необходимо учитывать возможность резонанса входной цепи прибора (рис. 5а) на определенных частотах, собственная резонансная частота цепи прибора:

, (1) – резонансная частота входной цепи прибора.

Каким образом необходимо это учитывать? Частота контролируемой величины должна быть как минимум в 3 раза меньше резонансной частоты f₀ (но лучше в 10 раз), тогда возможность резонанса на f₀ исключена и эквивалентная схема представлена на рис. 5б.

, (2)

На практике входной импеданс принято оценивать раздельно: входным сопротивлением (активным) и входной емкостью. Например, для универсального осциллографа входное сопротивление равно 1 мОм, а входная емкость - n (пФ).

8. Динамические характеристики оцениваются следующей группой: ПХ, ЧХ: АЧХ, ФЧХ, АФЧХ, ПФ.

На практике, когда динамические погрешности не учитываются, динамические характеристики электрических измерительных приборов принято оценивать временем установления.