Електричні вимірювальні пристрої

    

причому   - потужність, витрачена на нагрівання термістора R_т1.  
 

Завдяки порушенню балансу моста на вході підсилювача ОП з'являється певна напруга, яка після підсилення і випрямлення діодом D спричиняє нагрівання термістора R_т2. За достатньо великого коефіцієнта підсилення ОП потужності,

розсіяні в обох термісторах, однакові, тобто        . Звідки

     Широко застосовуються у вимірювальній техніці операційні перетворювачі, тобто такі, які здійснюють над вхідною величиною математичну операцію вищого порядку: диференціювання або інтегрування. Це, відповідно, диференціювальні та інтегрувальні перетворювачі (рис. 7.20). Вихідні напруги таких перетворювачів будуть:

- для схеми на рис. 7.20,а:

- для схеми на рис. 7.20,6:

    Треба зауважити, що ідеальне інтегрування в схемі (рис. 7.20,а) можливе лише при ідеальному операційному підсилювачі та забезпеченні нульових початкових умов, тобто при розрядженому конденсаторі С₁. Крім цього, надзвичайно важливу роль відіграють параметри якості і вибір значення інтегрувального конденсатора С₁.

    При використанні високоякісних конденсаторів (виготовлених на основі фторопласту, тефлону тощо) та прецизійного підсилювача ОП (мінімальні вхідні струми та напруга зміщення) така схема забезпечує похибку перетворення в ±0,01.. .±0,02%.

    Диференціатор (рис. 7.20,6) потребує, на жаль, додаткових заходів щодо гарантії стійкості від самозбудження підсилювача ОП, що може суттєво впливати на метрологічні характеристики такого операційного перетворювача.

7.4. Компаратори електричних величин

    Компаратори як пристрої порівняння використовуються для вимірювання електричних величин їх порівнянням з мірами. Порівняння може здійснюватись одночасно з просторовим розділенням входів вимірюваної та зразкової величин або ж різночасно їх почерговим підключенням до входу компаратора. Одночасне порівняння використовується для порівняння однорідних величин, різночасове — для різнорідних, наприклад, постійної та змінної напруг. У загальному випадку компаратор містить блок масштабування вимірюваної величини, регульовану міру зразкової (однорідної) величини, диференціальний підсилювальний блок та вимірювач різницевого сигналу. При вимірюваннях використовується диференціальний метод - значення міри встановлюється близьким за значенням до вимірюваної величини, а їх різниця підсилюється масштабним блоком та вимірюється вихідним приладом.

    Компаратори електричних величин особливо зручні для реалізації функції контролю, наприклад, при серійному виготовленні електричних компонентів, номінальне значення яких повинне бути у межах певного заданого допуску, вираженого у процентах від номінального значення.

     Структурна схема компаратора змінної напруги наведена на рис. 7.21. Вимірювана напруга U_X через подільник напруги ПН подається до входу диференціального підсилювача ДП, до іншого входу якого подана вихідна напруга U_K калібратора напруги КН (багатозначної міри напруги). Різниця цих напруг ∆U=U_X – U_K підсилена диференціальним підсилювачем, може вимірюватись вольтметром, наприклад, електронним.

    У загальному випадку компаратор дозволяє вимірювати напругу диференціальним (різницевим) методом, а за умови, що різниця напруг ∆U →0 (при достатньо високій дискретності калібратора напруги, дуже мале значення напруги одиниці молодшого розряду ∆U_K) – нульовим методом, подібно як компенсатор постійного струму.

    Структурна схема компаратора постійної та змінної напруг наведена на рис. 7.22,а. Основою цього компаратора є термоелектричний перетворювач ТП, який складається із нагрівного елемента та термобатареї, спаї якої знаходяться в тепловому контакті з нагрівним елементом. Компарування напруг відбувається у два етапи. На першому етапі за допомогою перемикача SW до нагрівного елемента підводять змінну напругу U_х, внаслідок чого через нагрівний елемент з опором R_н буде протікати струм

а на виході термоперетворювача появиться термоелектрорушійна сила Е, значення якої буде пропорційним діючому значенню струму І_х. На другому етапі до нагрівного елемента термоперетворювача подають вихідну напругу U_К регульованого джерела постійної напруги РДН1. Регулюванням напруги U_к  досягають нульового показу НІ. При цьому струм нагрівного елемента буде дорівнювати

 
 

а зумовлена ним електрорушійна сила на виході термоперетворювача, як і на попередньому етапі, дорівнюватиме Е. Очевидно, що діюче значення струму І_к в цьому випадку дорівнюватиме діючому значенню струму І_х, а діюче значення напруги U_К - діючому значенню U_Х.

Вихідну напругу U_К джерела РДН1 визначають за показами компаратора напруги КН і приймають її як результат вимірювання. Отже, змінні напруги у широкому діапазоні значень та в широкому частотному діапазоні (включаючи звуковий діапазон) вимірюються найточніше порівняно з іншими методами. Значення похибки компарування напруг може бути зведене до ±(0,005... 0,02)%.

    В компараторах змінного струму (рис. 7.21,6) порівняння відбувається також у два етапи. Змінний струм (перемикач SW знаходиться у верхньому положенні) протікає через шунт R_ш та паралельно з'єднаний з ним нагрівний елемент термоперетворювача ТП. Зміною вихідної напруги регульованого джерела напруги РДН добиваються нульового показу нуль-індикатора НІ. На другому етапі зміною постійного струму І_к регульованого джерела струму РДС (перемикач SW знаходиться у нижньому положенні) досягають нульового показу нуль-індикатора НІ. Спад напруги       U_К=I_КR_ШН

на зразковому шунті R_шн вимірюють компаратором напруги КН. Результат вимірюваня знаходять за формулою

    Незрівноважений міст постійного струму, в індикаторній діагоналі якого розміщений електронний вольтметр, є найпростішим компаратором електричних опорів (рис. 7.23).

    Вихідна напруга U_В електронного вольтметра ЕВ для мостового компаратора опорів дорівнюватиме

    

де k - коефіцієнт передачі диференціального підсилювача ДП ЕВ; R_x - вимірюваний опір; R_N - зразковий опір; R_А, R_В - опори плеч відношення моста; I-струм живлення моста.

    За умови, що R_A=R_B=R враховуючи вираз для U_B, одержимо

    

а за умови 2R >>R_N+R_X  (забезпечення максимальної чутливості мостової схеми за напругою) матимемо

    Це означає, що покази вольтмера R_B є мірою різниці опорів R_X-R_N (відхилення ∆R_X опору R_X від номінального значення). Суттєвою перевагою мостового компаратора опорів є наявність тільки одного прецизійного елемента R_N .

За умови, що похибка вимірювання    не перевищує 15...20% від  

допустимого відхилення δR_N опору R_N від його номінального значення (похибка похибки), то можна вважати, що похибка вимірювання R_X визначається лише похибкою δR_N зразкового опору R_N.

    Покази вольтметра можна проградуювати у процентах (відносних одиницях) відхилення значення вимірюваного опору резистора від зразкового. Це особливо зручно при контролі опорів резисторів під час їх виготовлення або підстроювання (підгонки) при заданих допустимих значеннях відхилень опорів від номінального значення.

     Структурна схема сучасного цифрового компаратора опорів наведена на рис. 7.24. Через послідовно з'єднані вимірюваний R_x та зразковий R_N резистори пропускають струм від джерела напруги ДН. Різницю спадків напруг на цих резисторах підсилюють диференціальним підсилювачем ДП і перетворюють в цифровий код із використанням як опорної для АЦП спаду напруги на зразковому резисторі R_N. Показ цифрового вихідного індикатора N_X дорівнюватиме

 

де k_АЦП, k_ДП — коефіцієнти передачі відповідно АЦП та диференціального підсилювача ДП; І_х — вимірювальний струм.

    Найточнішими на сьогодні приладами порівняння постійних струмів є магнітні компаратори постійного струму (МКПС) (рис. 7.25).

     МКПС є системою із двох ідентичних магнітних осердь, на яких намотані дві обмотки w₁ та w₂, по яких протікають порівнювані постійні струми І₁ та І₂, при чому так, щоб створити в обмотках зустрічно направлені магнітні постійні потоки. Різниця магнітних потоків за допомогою магніто-модуляційного принципу перетворюється в детекторі балансу ампер-витків в постійну напругу. Детектор балансу ампер-витків ДБ складається з генератора збудження ГЗ для періодичного перемагнічення магнітних осердь з певною частотою та перетворювача змінної ЕРС, пропорційної до різницевого постійного магнітного потоку в осердях, на постійну напругу або струм. Рівняння вимірювання можна записати у вигляді 
 

де U_вих - вихідна напруга детектора (покази вольтметра); k_МК, k_ДБ - коефіцієнти передачі, відповідно, магнітного компаратора та детектора балансу ампер-витків,

причому розмірність добутку 

    У наведеному рівнянні не врахована адитивна складова похибки ∆A_вит , яка визначається магнітними шумами осердь. Слід, однак, зауважити, що для сучасних магнітних матеріалів (пермалоїв, аморфних феромагнетиків) адитивна складова похибки ∆A_вит = (1...10) 10^-6 A_вит. Конструктивно нескладно забезпечити I₁w₁≈I₂w₂≈(5…10)·A_вит і за таких умов вплив ∆A_вит є нехтувально малим. Із врахуванням цього та за умов, що

похибка порівняння струмів визначатиметься в основному похибкою відношення витків магнітного компаратора. Для близьких значень струмів вона становитиме ±(2...7)10^-5 %, а при збільшенні кратності струмів зростатиме (до декількох сотих процента для струмів кратності 1:1000) за рахунок конструктивно-технологічних обмежень.

    На базі МКПС може бути реалізований також компаратор постійної напруги (рис. 7.26). Струм від прецизійного джерела постійного струму ПДС протікає через первинну обмотку w₁ з регульованою кількістю витків. Ампер-витки зрівноважуються ампер-витками I₂w₂ вторинної обмотки w₂ зі сталою кількістю витків зміною струму І₂ регульованого джерела струму РДС. За умови, що покази детектора балансу ампер-витків дорівнюють   нулю, матимемо   (без урахування незначної адитивної складової похибки, зумовленої магнітними шумами):

Струмом I₂ створюється зразковий регульований спад напруги

який компенсує більшу частину вимірюваної напруги U_x. Різницевий сигнал вимірюється вольтметром V.

    Незначні схемо-технічні зміни дають можливість на базі компаратора постійної напруги створити компаратор опорів (рис. 7.27).

    Струм від презиційного джерела постійного струму ПДС протікає через обмотку w₁ і послідовно з'єднаний з нею, досліджуваний резистор R_x. Первинні ампер-витки I₁w₁ автоматично зрівноважуються вторинними ампер-витками I₂w₂ зміною струму І₂ регульованого джерела струму РДС, керованого з виходу детектора балансу ампер-витків БА. За умови, що адитивна складова похибки ∆A_вит , зумовлена магнітними шумами, є нехтувально малою, буде виконуватись умова балансу ампер-витків I₁w₁= I₂w₂   Струм І₂, протікаючи через обмотку w₂ та