Ćwiczenie – Przetworniki pomiarowe wielkości elektrycznych

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie podstawowych układów i właściwości przetworników stosowanych

w przyrządach i systemach pomiarowych.

2. Wprowadzenie teoretyczne

Przetwornikiem pomiarowym wielkości elektrycznych X nazywamy obwód elektryczny, który

przystosowuje mierzoną wielkość do postaci Y łatwiej mierzalnej. Wartość Y musi być związania z wartością X
znaną zależnością. Wśród przetworników analogowych wyróżnia się przetworniki skali, takie jak boczniki,
dzielniki napięcia, przekładniki, wzmacniacze i inne oraz przetworniki zmieniające charakter wielkości
elektrycznej, takie jak przetworniki prostownikowe, przetworniki wartości skutecznej RMS-DC, przetworniki
mocy, częstotliwości i inne. Osobną grupę stanowią przetworniki cyfrowe, które tu nie są omówione.

Prostym przykładem przetwornika skali jest bocznik stosowany przy pomiarach prądu I

x

, rys.1.

I

x

R

b

U

b

Rys. 1. Schemat bocznika o 4 zaciskach przeznaczonego do pomiaru prądu

Mierzony prąd I

x

wyznacza się z pomiaru napięcia U

b

na rezystancji bocznika R

b

.

b

b

x

R

U

I

=

(

1)

Innym przykładem przetwornika jest wzmacniacz pomiarowy, rys. 2, o współczynniku wzmocnienia

k

u

= U

wy

/U

we

, stosowany do pomiarów małych napięć i jednocześnie zapewniający dużą rezystancję wejściową

układu.

k

u

U

we

U

wy

Rys. 2. Wzmacniacz pomiarowy jako przetwornik napięcia

Mierzoną wartość napięcia U

x

, doprowadzoną do wejścia wzmacniacza można określić na podstawie

pomiaru większego napięcia wyjściowego U

wy

u

wy

we

x

k

U

U

U

=

=

(

2)

Drugą grupę stanowią przetworniki zmieniające charakter wielkości mierzonej. Przy pomiarach napięć

i prądów przemiennych stosuje się przetworniki prostownikowe. Ich zadaniem jest przystosowanie napięcia
lub prądu przemiennego do pomiaru miernikiem prądu stałego, analogowym lub cyfrowym. Przykłady
pasywnych (bez wzmacniaczy) przetworników prostownikowych pokazano na rys. 3.

W układzie a) lub b) przetwornika z rys. 3 z pomiaru wartości średniej napięcia lub prądu wyjściowego

można określić wartość napięcia wejściowego. Najczęściej napięcie przemienne określa się w wartościach
skutecznych U

sk

(U

RMS

). Zależność wartości średniej U

śr

(U

av

) przebiegu wyprostowanego od wartości

skutecznej U

sk

jest związana z kształtem przebiegu przemiennego i określa ją współczynnik kształtu krzywej

śr

sk

k

U

U

k

=

(

3)

Dla przebiegu sinusoidalnego k

k

= 1,11 , dla prostokątnego k

k

= 1,00, dla innych kształtów współczynnik ten

ma inne wartości. Mierniki wyposażone w przetworniki wartości średniej są skalowane w wartościach
skutecznych przebiegu sinusoidalnego. Przy pomiarach przebiegów o innych kształtach występują znaczne
błędy pomiaru, tzw. błędy od kształtu krzywej .

str. 1

Ćwiczenie – Przetworniki pomiarowe wielkości elektrycznych

U

we

U

śr

R

U

we

U

śr

R

C

U

we

U

m

b)

c)

a)

Rys. 3. Przykłady układów przetworników prostownikowych : a) jednopołówkowy wartości średniej,

b) dwupołówkowy wartości średniej, c) wartości szczytowej

Układ c) z rys.3 umożliwia pomiar wartości szczytowej przebiegów. Dla przebiegu sinusoidalnego istnieje

ścisła zależność między wartością szczytową U

m

a wartością skuteczną U

sk

, U

m

/U

sk

= 2 . Miernik wyposażony

w taki przetwornik może być wyskalowany w wartościach skutecznych przebiegów sinusoidalnych. Przy
pomiarach przebiegów o innych kształtach wystąpią znaczne błędy.

Ze względu na nieliniową charakterystykę prostowników, zależność między napięciem wyjściowym

a wejściowym jest nieliniowa. Przetworniki prostownikowe bez wzmacniaczy umożliwiają pomiary napięć
większych niż 1V.

Przetworniki prostownikowe, wyposażone we wzmacniacz elektroniczny, umożliwiają pomiar napięć od

małych wartości, rzędu miliwoltów, zapewniając jednocześnie dużą rezystancję wejściową np. 1 MΩ. Przykłady
aktywnych ( ze wzmacniaczami ) przetworników prostownikowych pokazano na rys. 4.

U

we

U

wy

+

-

+U

-U

U

we

U

wy

+

-

+U

-U

a)

b)

+

-

+

-

Rys. 4. Układy aktywnych przetworników prostownikowych : a) wartości średniej, b) wartości szczytowej

str. 2

Ćwiczenie – Przetworniki pomiarowe wielkości elektrycznych

Przetwornik z rys 4a) ma na wyjściu napięcie wyprostowane dwupołówkowe. Dzięki zastosowaniu

prostownika w gałęzi ujemnego sprzężenia zwrotnego charakterystyka przetwornika jest liniowa

we

wyśy

U

k

U

=

(

4)

Przetwornik wartości szczytowej z rys.4b) ma charakterystykę liniową. Oba układy przetworników

aktywnych umożliwiają pomiary napięcia o przebiegach sinusoidalnych, podobnie jak przetworniki
prostownikowe bez wzmacniaczy. Przy pomiarach przebiegów niesinusoidalnych występują duże błędy od
kształtu krzywej.

Poprawne pomiary przebiegów przemiennych odkształconych od sinusoidalnych umożliwiają przetworniki

wartości skutecznej ( RMS – DC ). W przetwornikach takich doprowadzony prąd lub napięcie, o przebiegach
silnie odkształconych i w szerokich granicach częstotliwości są przetwarzane w napięcie stałe zależne od
wejściowej wartości skutecznej.

Prostym przykładem przetwornika RMS – DC jest przetwornik termoelektryczny, rys.5. Zbudowany jest

z drutu grzejnego o rezystancji R

g

, do którego przymocowana jest spoina termoelementu.

I

+

-

R

g

E

Rys. 5. Przetwornik termoelektryczny

Pod wpływem mierzonego prądu drut grzejny podgrzewa się zależnie od kwadratu skutecznej wartości

prądu. Jednocześnie podgrzewa się spoina termoelementu. Na wolnych końcach termoelementu powstaje
napięcie termoelektryczne E o wartości zależnej od różnicy temperatur spoiny i wolnych końców. Tak więc
w przetworniku obowiązuje zależność

(

5)

2

sk

I

c

E

=

Charakterystyka tego przetwornika E(I) jest paraboliczna.
Istnieją różne rodzaje przetworników wartości skutecznej. We współczesnych miernikach wykorzystuje się

scalone przetworniki wartości skutecznej. Przykładem takiego przetwornika jest układ scalony AD 736, który
ma na wyjściu napięcie stałe proporcjonalne do skutecznej wartości napięcia na wejściu

we

sk

wy

U

k

U

=

( 6)

gdzie współczynnik k

≈ 1.

Przykładem innego rodzaju przetworników jest układ częstościomierza analogowego, w którym napięcie

przemienne o badanej częstotliwości f

x

jest przetwarzane w ciąg impulsów. Zasadę działania takiego

przetwornika ilustruje rys. 6.

Jednemu okresowi mierzonego przebiegu odpowiada 1 impuls prądu i

wy

. Średnia wartość impulsów jest

proporcjonalna do mierzonej częstotliwości f

x

. Układ formujący przebieg prostokątny zapewnia stabilizację

amplitudy. Dzięki temu średnia wartość impulsów prądowych I

wy

zależy tylko od częstotliwości f

x

przy

znacznych zmianach wartości napięcia wejściowego w przetworniku.

str. 3

Ćwiczenie – Przetworniki pomiarowe wielkości elektrycznych

str. 4

R

I

wy

U, f

x

C

i

wy

t

t

u

u

a)

b)

Rys. 6. Zasada działania przetwornika częstotliwości; a) układ przetwornika, b) przebiegi prądu i napięcia w układzie

3. Program ćwiczenia

A. Układy pasywnych (bez wzmacniaczy) przetworników prostownikowych (o diodach germanowych) na

przykładzie woltomierzy:

jednopołówkowy wartości średniej,
dwupołówkowy wartości średniej,
układ woltomierza wartości szczytowej.

Schematy układów przedstawia rys. 3.

W przedstawionych układach wyznaczyć charakterystyki I

śr

(U

sk

) trzech układów woltomierzy

prostownikowych o zakresach 1V i 10V. Wykreślić zmierzone charakterystyki obu zakresów w jednym
układzie współrzędnych, przyjmując względną skalę napięć U

we

/U

zakr

(0 – 1). Z ekranu oscyloskopu odrysować

kształt napięcia wyprostowanego zaznaczając skalę napięcia.

B. Układy aktywnych (ze wzmacniaczami) przetworników prostownikowych o charakterystyce liniowej:

dwupołówkowy wartości średniej,
przetwornik wartości szczytowej.

Schematy tych układów przedstawia rys. 4.

W przedstawionych układach wyznaczyć charakterystyki I

śr

(U

sk

) obu układów na wszystkich zakresach

pomiarowych. Charakterystyki te wykreślić w jednym układzie współrzędnych dla trzech zakresów, oddzielnie
dla obu układów, przyjmując względną skalę napięć U

we

/U

zakr

(0 –1). Z ekranu oscyloskopu odrysować kształt

napięć wyprostowanych na zaciskach mikroamperomierza zaznaczając skalę napięcia.

C. Układy przetworników wartości skutecznej (RMS-DC):

przetwornik termoelektryczny w układzie amperomierza,
przetwornik z układem scalonym AD 736 w układzie woltomierza.

W układach wyznaczyć charakterystyki odpowiednio U

wy

(I

we

) i U

wy

(U

we

) dla trzech zakresów, wykreślić

przebiegi wyznaczonych charakterystyk.

D. Układ częstościomierza z ustrojem magnetoelektrycznym
Schemat układu przetwornika częstotliwości przedstawia rys. 6.
Zakres pomiaru częstotliwości zależy od zakresu prądowego mikroamperomierza mierzącego prąd

wyjściowy. Zmianę zakresu umożliwia opornik dekadowy R

b

bocznikujący mikroamperomierz.

Wyznaczyć charakterystykę I

wy

(f

x

), przy stałej wartości napięcia wejściowego, przy kilku rezystancjach R

b

np. 10-5-1-0,5 kΩ. Przy wybranej wartości R

b

sprawdzić wpływ zmian wartości napięcia wejściowego

w granicach ± 30%. Wykreślić charakterystyki częstościomierza w jednym układzie współrzędnych.