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 Ix, rys.1.
Rb
Ix
Ub
Rys. 1. Schemat bocznika o 4 zaciskach przeznaczonego do pomiaru prądu
Mierzony prąd Ix wyznacza się z pomiaru napięcia Ub na rezystancji bocznika Rb.
Ub
Ix = ( 1)
Rb
Innym przykładem przetwornika jest wzmacniacz pomiarowy, rys. 2, o współczynniku wzmocnienia
ku = Uwy/Uwe, stosowany do pomiarów małych napięć i jednocześnie zapewniający dużą rezystancję wejściową
układu.
Uwe Uwy
ku
Rys. 2. Wzmacniacz pomiarowy jako przetwornik napięcia
Mierzoną wartość napięcia Ux, doprowadzoną do wejścia wzmacniacza można określić na podstawie
pomiaru większego napięcia wyjściowego Uwy
Uwy
Ux = Uwe = ( 2)
ku
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 Usk (URMS). Zależność wartości średniej Uśr (Uav) przebiegu wyprostowanego od wartości
skutecznej Usk jest związana z kształtem przebiegu przemiennego i określa ją współczynnik kształtu krzywej
Usk
kk = ( 3)
Uśr
Dla przebiegu sinusoidalnego kk = 1,11 , dla prostokątnego kk = 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
b)
a)
R
Uśr
Uwe Uśr
Uwe
c)
R
Uwe Um
C
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 Um a wartością skuteczną Usk, Um/Usk = 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 M&!. Przykłady
aktywnych ( ze wzmacniaczami ) przetworników prostownikowych pokazano na rys. 4.
+
a)
Uwy
+U
-
+
Uwe
-
-U
b)
+U
+
+
Uwe
- Uwy
-
-U
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
Uwyśy = k Uwe ( 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 Rg, do którego przymocowana jest spoina termoelementu.
I
+
Rg
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
E = c I2 ( 5)
sk
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
Uwy = k Usk we ( 6)
gdzie współczynnik k H" 1.
Przykładem innego rodzaju przetworników jest układ częstościomierza analogowego, w którym napięcie
przemienne o badanej częstotliwości fx jest przetwarzane w ciąg impulsów. Zasadę działania takiego
przetwornika ilustruje rys. 6.
Jednemu okresowi mierzonego przebiegu odpowiada 1 impuls prądu iwy. Średnia wartość impulsów jest
proporcjonalna do mierzonej częstotliwości fx. Układ formujący przebieg prostokątny zapewnia stabilizację
amplitudy. Dzięki temu średnia wartość impulsów prądowych Iwy zależy tylko od częstotliwości fx przy
znacznych zmianach wartości napięcia wejściowego w przetworniku.
str. 3
Ćwiczenie  Przetworniki pomiarowe wielkości elektrycznych
a) b)
C
Iwy
u
U, fx
R
u
t
iwy
t
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 Iśr(Usk) trzech układów woltomierzy
prostownikowych o zakresach 1V i 10V. Wykreślić zmierzone charakterystyki obu zakresów w jednym
układzie współrzędnych, przyjmując względną skalę napięć Uwe/Uzakr (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 Iśr(Usk) obu układów na wszystkich zakresach
pomiarowych. Charakterystyki te wykreślić w jednym układzie współrzędnych dla trzech zakresów, oddzielnie
dla obu układów, przyjmując względną skalę napięć Uwe/Uzakr (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 Uwy(Iwe) i Uwy(Uwe) 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 Rb bocznikujący mikroamperomierz.
Wyznaczyć charakterystykę Iwy(fx), przy stałej wartości napięcia wejściowego, przy kilku rezystancjach Rb
np. 10-5-1-0,5 k&!. Przy wybranej wartości Rb sprawdzić wpływ zmian wartości napięcia wejściowego
w granicach ą 30%. Wykreślić charakterystyki częstościomierza w jednym układzie współrzędnych.
str. 4