Практическое занятие. Изучение конструкции и проверка измерительного прибора

Занятие по рабочей программе №14

Дисциплина: «Электротехника и электроника»

Раздел 2. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

Тема 2.1. Электроизмерительные приборы и электрические измерения

Практическое занятие №4. Изучение конструкции и проверка измерительного прибора

ХОД ЗАНЯТИЯ

1. Ознакомление с темой, целью и планом занятия.

Тема: Электроизмерительные приборы и электрические измерения.

Изучение конструкции и проверка измерительного прибора

Цель работы:

1. Изучить конструкцию измерительного прибора

2. Привести методы выбранных измерительных приборов.

3. По данным своего варианта изобразить схему и включить в нее измерительные приборы для определения неизвестных параметров задания.

4. Определить для своего варианта требуемые параметры для электрической схемы.

ПЛАН

2. Решение задач

3. Оформление работы

2. Выполнение практического задания.

1. Ознакомление с методическими указаниями.

Методические указания к практической работе № 4.

Перед их решением изучите материал «Цифровые измерительные приборы».

1.1. Общие сведения о цифровых измерительных приборах

Цифровые измерительные приборы многопредельные|, универсальные, предназначенные для измерения напряжения, постоянного и переменного|изменяемого,меняющегося,обменного,сменного| токов|, частоты, фазы, сопротивления, отношения напряжений| и других электрических, а также неэлектрических величин. Они позволяют быстро и просто проводить точные измерения|, осуществлять|свершать,совершать| оперативный множественный контроль большого|великого| числа измеряемых параметров, исключить|выключать| субъективные ошибки|ошибку| результатов измерений|, регистрировать текущую измеряемую информацию с большой|великой| точностью и скоростью и выдавать|издавать| ее в форме, удобной для обработки на быстродействующих компьютерах.

1.2. Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра

Рассмотрим обобщенную структурную схему цифрового вольтметра. Основным блоком этой схемы можно считать АЦП (аналого-цифровой преобразователь).

АЦП выполняет|исполняет| преобразование|преобразование,претворение| аналогового электрического сигнала в цифровой.

Входное устройство в зависимости от уровня исследуемого сигнала выполняет|исполняет| или его усиление (усилитель) или ослабление (аттенюатор|). При необходимости измерения переменного|изменяемого,меняющегося,обменного,сменного| тока, входное устройство выпрямляет|выпрямляет,спрямляет| его и анализирует его форму (синусоида, меандр, пилообразный|пылеобразный,пилообразный|). Результат этого анализа передается|передает| на вычислительное устройство для окончательного вычисления|исчисления| действующего значения переменной|изменяемой,меняющейся,обменной,сменной| величины. Вычислительное устройство, кроме того, содержит схемы памяти, в которых сохраняются значения измеряемой величины.

Устройство отображения информации представляет собой жидкокристаллический экран или набор семи сегментных индикаторных ламп.

Основным отличием цифрового измерительного прибора от аналогового является наличие аналого-цифрового преобразователя (далее будем называть его АЦП). Как следует из названия, АЦП выполняет преобразование аналогового сигнала в цифровой или дискретный.

1.3. Понятие аналогового и дискретного электрических сигналов

Любая|какая-нибудь| непрерывная величина, ограниченная некоторыми предельными значениями, может быть дискретизирована во времени (рис.2, а) и быть квантованная по уровню (рис.2, б).

Дискретизация — это операция преобразования|преобразования,претворения| непрерывной во времени величины в дискретную, при которой|какой| сохраняются|хранятся| ее мгновенные значения только в определенные моменты времени (моменты дискретизации).

Промежуток времени ∆t между двумя ближайшими моментами дискретизации называется шагом дискретизации.

Дискретный сигнал в отличие от непрерывного может иметь только конечное число значений.

К вантование — это операция преобразования|преобразования,претворения| непрерывной величины в дискретную путем замены ее мгновенных значений ближайшими фиксированными значениями, совокупность которых|каких| образована по определенному закону.

Разность|разность| ∆х, между двумя соседними значениями называется квантом.

При квантовании теряется часть информации, но полученное в результате квантования зна­чение величины известно с точностью, определяемой ступенью квантования. В результате равномерного квантования мгновенные значения непрерывной величины пред­ставляются конечным числом ступеней квантования.

Автоматическое преобразование непрерывной измеряемой величины или ее аналога (физической величины, пропорциональной измеряемой) в дискретную форму, а также цифровое кодирование и выдача результата измерения на отсчетное устройство в виде чисел осуществляются с помощью цифровых измерительных приборов.

Цифровой прибор содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП), устройство цифрового отсчета, а также устройства автоматики.

1.4. Классификация цифровых измерительных приборов

Цифровые приборы классифицируют по способу преобразования непрерывной величины в дискретную, структурной схеме АЦП, применяемым техническим средствам, способу уравновешивания (компенсации).

По способу преобразования различают цифровые приборы с кодо-, время- и частотно-импульсными преобразованиями.

В цифровых приборах с кодоимпульсным преоб­разованием (поразрядным кодированием) происходит последовательное сравнение значений измеряемой величины с рядом дискретных значений образцовой величины.

В цифровых приборах с времяимпульсным преобразованием значения измеряемой величины преобразуются во временной интервал.

В цифровых приборах с частотно-импульсным преобразованием происходит преобразование значе­ния измеряемого напряжения в частоту следования импульсов.

По структурной схеме АЦП цифровые приборы делятся на приборы прямого и уравновешивающего преобразо­вания. В приборах прямого преобразования отсутствует обратная связь с выхода на вход, и непрерывная измеряемая величина непосредственно преобразуется в дискретную.

По способу уравновешивания цифровые приборы де­лятся на приборы со следящим и развертывающим уравновешиванием. В приборах со следящим уравновешиванием измеряемая величина непрерывно сравнивается с компенсирующей величиной. В приборах с развертывающим уравновешиванием операция сравнения измеряемой и компенсирующей величин происходит по определенной программе. Компенсирующее напряжение принудительно изменяется от нуля до значения, равного входному напряжению.

Измерительная информация в цифровых приборах может быть представлена в десятичном коде для визуально­го отсчета и выведена в двоичном коде для передачи на внешние устройства. Каждый цифровой прибор имеет устройство цифрового отсчета, состоящее из дешифратора знаковых индикаторов и предназначенное для представления результатов измерения в цифровой форме. В настоящее время в цифровых приборах в основном применяются вакуумные (люминесцентные), газоразрядные, полупроводниковые (светодиодные матрицы) и жидкокристаллические индикаторы.

Дешифратор — комбинационное устройство, позволяющее преобразовать сочетание входных сигналов (входной код) в сигнал, действующий только на одном выходе. В циф­ровых вольтметрах дешифраторы преобразуют двоично-десятичный код в соответствующее напряжение, управляющее цифровыми индикаторами, обеспечивающими визуальную индикацию в десятичном коде.

К функциональным узлам отсчета цифрового прибора относятся также счетчики импульсов, назначением которых является подсчет числа импульсов, поступающих от АЦП; временное хранение каждого состояния; преобразование непрерывной последовательности импульсов в параллельный двоичный код; деление частоты следования импульсов.

Кроме специальных устройств цифровые приборы содержат преобразователи переменного напряжения (детекторы), входные делители измеряемого напряжения (аттенюаторы) и блоки питания, а также ряд вспомогательных узлов.

1.5. Параметры цифровых измерительных приборов

К основным параметрам цифровых приборов относятся: точность преобразования, время преобразования, диапазон преобразования, разрешающая способность.

Точность преобразования определяется погрешностью квантования по уровню, характеризуемой числом разрядов в выходном коде. Погрешность цифровых приборов имеет две составляющие, из которых одна (мультипликативная) зависит, а другая (аддитивная) не зависит от измеряемой величины. Такое представление связано с появлением в цифровых приборах погрешности квантования, обусловленной конечным числом уровней квантования.

Время преобразования — это время, затрачиваемое на выполнение одного преобразования аналоговой величины в цифровой код.

Диапазон преобразования — пределы изменения входной величины, которые полностью определяются числом разрядов и «весом» наименьшего разряда.

Разрешающая способность (чувствительность) — наименьшее различимое преобразователем изменение значения входной величины.

2. Решение задач

2.1. Общие теоретические положения

В качестве источников питания различных электронных устройств часто используют выпрямители. В состав выпрямителя (рис.3) входят следующие основные элементы: трансформатор Т – устройство для преобразования напряжения переменного тока питающей сети в требуемое переменное напряжение и разделения электрических цепей; вентиль В – выпрямляющее устройство, обладающее односторонней проводимостью электрического тока; фильтр Ф – устройство, обеспечивающее необходимое ослабление пульсации выпрямленного напряжения.

+

Т

В

Ф

_

Рис. 3. Структурная схема выпрямителя.

Вентиль преобразует переменное напряжение в пульсирующее, что обеспечивает его свойством односторонней электропроводимости. При прямом напряжение сопротивление вентиля близко к нулю, а при обратном напряжении оно становится очень большим. В качестве вентилей можно использовать ламповые диоды, различные газоразрядные приборы – газотроны, тиратроны, игнитроны и др. Однако в настоящее время большинство выпрямителей выполняют на полупроводниковых диодах (германиевых и кремниевых).

Силовые полупроводниковые диоды по сравнению с другими имеют ряд преимуществ: более высокий КПД; постоянную готовность к работе, большой срок службы, малые массу и габариты, высокую надежность.

Вольтамперная характеристика полупроводникового диода (рис.4, б) отличается от идеальной характеристики вентиля (рис.4, а), так как при обратном напряжении диод проводит ток. Однако у хороших диодов обратные токи весьма малы и несущественно влияют на работу выпрямителя. В табл.1 приведены основные электрические параметры полупроводниковых диодов, наиболее часто используемых в схемах выпрямителей. На рис.5 представлена простейшая схема однополупериодного выпрямителя, в состав которой входят трансформатор Т, диод VД и нагрузка R.

Ia Ia

VД

U₁ U₂ R U₀

0 Ua 0 Ua

а) б) Рис.5. Схема однополупериодного выпрямителя.

Рис. 4. Идеальная (а) и реальная (б)

вольтамперные характеристики

полупроводникового диода.

Диаграммы напряжений и тока в схеме однополупериодного выпрямителя показаны на рис.6. Ток в цепи нагрузки, включенной последовательно с диодом, проходит лишь в те моменты времени, когда к миму приложено прямое напряжение. Каждую половину периода напряжение вторичной обмотки трансформатора меняет знак. Поэтому в течение полупериода к диоду приложено прямое напряжение, в течение следующего полупериода – обратное.

Рис. 6. Диаграммы напряжений и токов

в схеме однополупериодного выпрямителя.

Через диод и нагрузку ток проходит только в одном (прямом) направлении, т.е. ток в нагрузке постоянен по направлению, но пульсирующий. Выпрямленное напряжение совпадает по форме с выпрямленным током. Частота пульсации выпрямленного напряжения равна частоте сети.

Пульсирующие ток и напряжение содержат постоянные составляющие. Среднее за период значение выпрямленного (пульсирующего) напряжения, т.е. его постоянная составляющая, определяется выражением U₀=U_2m/, где U_2m – амплитуда напряжений во вторичной обмотке трансформатора, или U₀= U₂/=0,45 U₂, где U₂ - действующее напряжение.

Максимальное значение обратного напряжения, прикладываемого к диоду, равно амплитудному значению: U_обрm=U_2m=U₀.

Качество выпрямителю характеризуется отношением постоянной составляющей U₀ выпрямленного напряжения к действующему значению переменного напряжения U₂: U_0­/U₂. Чем больше значение этого отношения, тем выше качество схемы выпрямителя. Для однополупериодного выпрямителя U₀/U₂=0.45.

Важным требованием к выпрямителю является снижение переменной составляющей выпрямленного напряжения, которое характеризуется коэффициентом пульсации К_П, равным отношению амплитудного значения переменной составляющей выпрямленного напряжения к его постоянной составляющей: К_П=Um/U₀. Коэффициент пульсации часто определяют по первой гармонике: К_П1 = U_m1/U₀, где U_m1 – амплитуда первой гармоники выпрямленного напряжения. Для однополупериодного выпрямителя К_П1=1,57.

К выпрямителям предъявляется так же требование, касающееся режима работы вентилей: обратное напряжение на закрытом вентиле не должно на много превышать выпрямленное напряжение. Выполнение этого требования характеризуется отношением максимального значения обратного напряжения U_{обр m} к среднему значению выпрямленного напряжения U₀: U_{обр m}/U₀. Для однополупериодного выпрямителя U_{обр m}/U₀=.

Схемы однополупериодных выпрямителей имеют ряд существенных недостатков: малое значение выпрямленного напряжения, большой коэффициент пульсации и др. На практике используют различные схемы двухполупериодных выпрямителей. На рис.7 представлены схемы двухполупериодного выпрямителя с выводом от середины вторичной обмотки трансформатора а) и мостовая б).

Р ис. 7. Схемы двухполупериодных выпрямителей:

а) – с вводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора; б) – мостовая.

Н аиболее распространена мостовая схема, благодаря тому, что не требуется трансформатор, имеющий отвод от середины вторичной обмотки. Четыре диода схемы образуют мост, к одной диагонали которой присоединяют концы вторичной обмотки трансформатора, а к другой – нагрузка выпрямителя. Диоды работают поочерёдно попарно: при положительной полуволне напряжение U₂, которая соответствует прямому напряжению диода VД₁, ток проходит через VД₁, нагрузку и VД₃, а при отрицательной полуволне напряжение U₂, соответствующей прямому напряжению диода VД₂, ток проходит через VД₂, нагрузку и VД₄. На рис.8 представлены диаграммы напряжений и тока в мостовой схеме. Частота пульсаций выпрямленного напряжения здесь в два раза больше, чем в однополупериодной схеме, что увеличивает среднее значение выпрямленного напряжения: U₀=2U_2m/=2 U_2m/. Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения по первой гармонике К_П1=0,667.

Рис. 8. Диаграммы напряжений и токов в

схеме двухполупериодного выпрямителя.

Максимальное значение обратного напряжения на закрытых диодах равно амплитудному значению напряжения U_2m, так как падение напряжения на открытых вентилях близко нулю: U_{обр m}=U_2m=U₀/2=1,57U₀.

Простейшие схемы выпрямителей имеют большой коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения. Поэтому далее предусматриваются сглаживающие фильтры.

2.2. Двухполупериодный мостовой выпрямитель

Рис. 9.

В один из полупериодов когда потенциал точки А выше потенциала точки В. По отношению к диодам VD1, VD3 – это прямое напряжение, поэтому диоды VD1, VD3 открыты (диоды VD2, VD 4 при этом заперты обратным для них напряжением) В контуре протекает ток по цепи:

Тр(А) – VD1 – R_н – VD3 - Тр(В).

В следующий полупериод потенциал точки В выше потенциала точки А. По отношению к диодам VD2, VD4 – это прямое напряжение, поэтому диоды VD2, VD4 открыты (диоды VD1, VD3 при этом заперты обратным напряжением). В контуре протекает ток по цепи:

Тр(В) – VD2 – R_н – VD 4 -Тр(А).

Для двухполупериодной мостовой схемы выпрямителя запишем соотношения:

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения:

U₀ =2 × 0,318 U_2m = 0,9 U₂ .

Частота пульсаций: f_п = 2 f_c .

Коэффициент пульсаций: К_П =0,67

Наибольшее обратное напряжение: U_обр = U_2m / 2 = 1,57 U₀ .

Среднее значение тока: I_ср. = 0,5 I_0.

При выборе диода необходимо следить за тем, чтобы выполнялись неравенства:

U_{обр доп.} ≥ U_обр, I_{ср. доп..} ≥ 0,5 I_0.

Если первое неравенство не выполняется, то необходимо несколько однотипных диодов включить последовательно. Если второе неравенство не выполняется, то необходимо несколько однотипных диодов включить параллельно.

2.3. Варианты 1—10.

Составить схему мостового выпрямителя, включить в нее амперметр, вольтметр, ваттметр. Приборы выбирать исходя из величины полученной в расчете. Использовать стандартные диоды, параметры которых приведены в табл.2. Мощность потребителя Р_d (Вт) с напряжением питания U_d (В) Пояснить порядок составления схемы для диодов с приведенными параметрами. Данные для своего варианта взять из таблицы.

Таблица 2

Контрольные вопросы

1. Для чего служат цифровые измерительные приборы?

2. Достоинства и недостатки цифровых измерительных приборов.

3. Опишите структурную схему цифрового вольтметра. Дайте характеристика её блокам.

4. Что называется шагом дискретизации?

5. Что называется квантованием аналогового электрического сигнала?

6. Что называется уровнем квантования?

7. От чего зависит погрешность дискретизации аналогового сигнала?

8. Приведите классификацию цифровых измерительных приборов.

9. Приведите параметры цифровых измерительных приборов

10. Пояснить назначение схемы выпрямителя.

11. Какие элементы можно использовать в качестве вентилей?

12. По какому закону изменяется напряжение на сопротивлении нагрузки в двухполупериодном выпрямителе?

13. Как называется напряжение, получаемое на выходе выпрямителя и каковы ее отличия от синусоидального напряжения?

14. Что называется коэффициентом пульсаций?

15. Чему равен коэффициент пульсаций для двухполупериодного выпрямителя?

16. Чему равно наибольшее обратное напряжение для двухполупериодного выпрямителя?

17. Чему равна постоянная составляющая выпрямленного напряжения для двухполупериодного выпрямителя?

18. Чему равна частота пульсаций для двухполупериодного выпрямителя?

19. Чему равен коэффициент пульсаций для двухполупериодного выпрямителя?

20. Чему равно наибольшее обратное напряжение для двухполупериодного мостового выпрямителя?

3. Оформление работы

Работа выполняется вручную на двойном листе в клеточку (четыре страницы). Наличие полей (2-3 см – обязательно)

На первой странице выполняется следующая запись:

Практическая работа № _____

Тема: _____________________

Дисциплина: ______________

Группа: ___________________

Студент:__________________

На второй странице (на развороте листа) выполняется следующая запись: цель работы; условие задачи; схему задачи; решение задачи.

Третья и четвёртая страница используется для продолжения решения задачи, векторной диаграммы (если есть в задании); ответа, записи и решения следующей задачи.

Если одного двойного листа оказалось недостаточно для выполнения практической работы, можно вложить внутрь дополнительный лист в клеточку (одинарный или двойной). В этом случае на верхней строке листа должна быть надпись:

ПР №2, _________________________________

(фамилия, инициалы)

В этом случае все листы работы должны быть пронумерованы, номер страницы проставляется в нижней части листа.

Записи выполняются ручкой с чернилами синего цвета

Все схемы выполняются карандашом и с использованием соответствующих чертёжных инструментов.

4. Сдача работы на проверку

Работа сдаётся преподавателю на проверку

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

1. Составить конспект практической работы

2. Ответить письменно на контрольные вопросы

3. Выполнить Задание. (В соответствии с вариантом, вариант 1 - №1 по списку в учебном журнале, №11 – вариант 1, №12 – вариант 2 и т.д.)

Основные источники:

1. Данилов, И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники. – М. : Высшая школа, 2010. - 752с.

2. Ермуратский, П.В., Лычкина Г.П., Минкин Ю.Б. Электротехника и электроника. — М.: ДМК Пресс, 2011. — 416 с.

3. Электротехника и электроника / Под ред. Б.И. Петленко. – М. : Издательский центр «Академия», 2008.- 320 с.

4. Иванов, И. И., Соловьев, Г. И., Фролов, В. Я. Электротехника и основы электроники. — СПб. : Издательство «Лань», 2012. — 736 с.

Дополнительные источники:

1. Долгов, А.Н. Сборник задач по физике с решением и ответами. Электричество и оптика. – 186с.

2. Зайцев, А.П. Общая электротехника и электроника. – Томск : Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2002. – 178с.

3. Козлова, И. С. Электротехника. Конспект лекций. - ЭКСМО, 2008. - 160 с.

4. Мартынова, И.О. Электротехника: учебник / И.О. Мартынова. — М .: КНОРУС, 2015. — 304 с.

5. Петленко, Б.И. Электротехника и электроника. Москва, 2003. – 230 с.

6. Прошин, В.М. Электротехника для неэлектрических профессий. М :. – Академия, 2014. - 456с.

7. Прошин, В.М. Электротехника. М. : - Академия, 2013. – 288с.

Преподаватель: Владимир Александрович Волков