Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

Измерение напряжения на различных участках электрической цепи

Напряжение — один из ключевых параметров электрической цепи. Измерение напряжения на различных участках электрической цепи даёт представление о происходящих процессах и режимах работы схемы. Кроме того, зная величину напряжения, можно вычислить другие характеристики, такие как ток, сопротивление, мощность.

Приборы

Измерения производят с помощью вольтметра или комбинированного прибора — мультиметра в соответствующем режиме. В настоящее время электромеханические стрелочные приборы повсеместно вытеснены электронными и практически вышли из употребления. Ещё один вариант — электронный измерительный блок, подключаемый к компьютеру. Далее, для наглядности будем использовать пример простейших, широко распространённых моделей электронных мультиметров.

Измерение напряжения

  1. Вставляем щупы в гнёзда, обозначенные символами: «СОМ» сommon (общий провод) — черный щуп; «VΩ» — красный щуп.
  2. Поворотным переключателем устанавливаем режим работы и предел измерения: «V-» или «V DC» — режим работы с постоянным U; «V~» или «V AC» — режим работы с переменным U.

Предел устанавливается уровнем выше, чем предполагаемое измеряемое напряжение. Например, если вы предполагаете, что напряжение выше 20, но ниже 200В, то следует установить переключатель напротив 200В. В ситуации, когда параметры цепи неизвестны, лучше начать с максимального предела. Неправильный выбор предела, при слишком большой разнице установленного и фактического U, может привести к выходу вольтметра из строя. Модели с автоматическим пределом, как у прибора, изображённого справа, выбор предела осуществляется самим прибором автоматически.

Установка щупов по цветам не имеет физического смысла, щупы одинаковые. Так делается потому, что традиционно черный цвет считается проводом отрицательной полярности (минус), красный — положительной (плюс). При соблюдении этой условности проще ориентироваться в показаниях. Если дисплей прибора перед показанием не содержит знак «-», значит полярность соответствует цветам проводов, как указано выше.

Вольтметр обладает высоким входным сопротивлением, поэтому подключается параллельно источнику питания или измеряемому участку схемы

Дисплей прибора покажет:

  • рисунок 1 — напряжение источника питания;
  • рисунок 2 — падение напряжения на участке цепи.

Напряжение в разных участках цепи

Если схема достаточно сложная, то в разных её участках напряжения и токи будут иметь различные значения. Измерить напряжение на разных участках электрической цепи можно подключая вольтметр параллельно измеряемому участку или относительно общего провода. Это может быть одна или несколько нагрузок, соединённых последовательно или параллельно в различных сочетаниях.

Напряжение будет измерено между теми двумя точками, куда подключены щупы прибора.

C помощью вольтметра, можно косвенно измерить и вычислить другие электрические величины, ток, сопротивление, мощность.

Состояние контакта

Бывает так, что нужно понять, замкнут или разомкнут контакт реле или выключателя, при том что сам контакт увидеть нельзя и нет возможности отключить питание. Сделать это поможет вольтметр. По схеме на рисунке слева вольтметр подключен параллельно контакту, состояние которого нам нужно понять.

  • Если контакт разомкнут, его сопротивление очень большое, оно значительно превышает сопротивление нагрузки. Падение напряжения на этом участке велико, вольтметр покажет наличие напряжения.
  • Если контакт замкнут, сопротивление этого участка равно нулю, оно гораздо ниже сопротивления нагрузки. Падение напряжения отсутствует, показания прибора нулевые.

Второй вариант на рисунке справа: вольтметр подключен параллельно нагрузке и показывает:

  • нулевые значения, когда контакт разомкнут;
  • ненулевые значения когда замкнут.

Данный метод одинаково применим для схем с источником питания постоянного, или переменного напряжения.

Все приведённые схемы содержат гальванический элемент постоянного тока в качестве источника питания. Это сделано для упрощения. Вместо гальванического элемента может быть использован источник переменного тока, отличие будет только в положении переключателя режимов мультиметра для измерения переменного напряжения «V ~» или «V AC».

Зная как измерить напряжение на разных участках цепи, можно получить представление о работе схемы, найти неисправности, увидеть недостатки, правильно подобрать компоненты. Так же как краски на картине, напряжение, ток и сопротивление отражают суть и смысл электрической схемы, формируют картину процессов, происходящих в этой схеме или в отдельном её участке.

Читайте также:

Лабораторная работа № 4. Измерение напряжения на различных участках электрической цепи.

Измерение напряжения на различных участках электрической цепи.

Цель работы: Измерить напряжение на участке цепи, состоящем из двух последовательно соединенных спиралей, и сравнить его с напряжением на концах каждой спирали.

Для измерения напряжения на полюсах источника тока, или каком-нибудь участке цепи применяется прибор, называемый вольтметром. Многие вольтметры по внешнему виду очень похожи на амперметры. Для отличия вольтметра от других электроизмерительных приборов на его шкале ставят букву V. Вольтметр подключается к цепи иначе, чем амперметр. В то время, как амперметр включают последовательно с участком цепи, на котором нужно измерить силу тока, вольтметр включают параллельно участку цепи, напряжение на котором нужно измерить.

В описании предыдущей лабораторной работы мы сравниваем силу тока на участке цепи с количеством воды, протекающей через желоб за единицу времени.

Продолжая эту аналогию можно сравнить напряжение на данном участке цепи с разницей уровней, на которых находятся концы желоба. Чем больше разница уровней, тем больше количество протекающей по желобу за единицу времени воды. То есть сила тока на участке цепи пропорциональна напряжению на его концах. Теперь, если представить себе длинный желоб с текущей водой и мысленно разбить его на несколько участков, видно, что разница уровней между концами желоба равна сумме разниц уровней между концами его участков независимо от конфигурации желоба. То есть напряжение на концах некоторой последовательной электрической цепи равно сумме напряжений на ее участках. В чем нам и предстоит убедиться на практике.

Пример выполнения работы:

Дополнительное задание:

Вывод: с учетом погрешностей измерения, которые мы провели, напряжение на полюсах источника совпадает с суммой напряжений на участках цепи.

Электрические измерения. Схема измерения величин напряжения, силы тока, сопротивления.

Измерение таких параметров как напряжение, сила тока, сопротивление для систем сигнализации не отличается от методов измерения перечисленных величин в других электрических цепях. Для дальнейшего рассмотрения темы нам понадобятся:

  • схема измерения,
  • закон Ома,
  • минимальные навыки пользования мультиметром (тестером).

Несколько небольших уточнений:

  • рассматриваемые методы измерений применимы к цепям, не содержащим емкостей и индуктивностей,
  • измерения электрических величин напряжения, тока, сопротивления производятся для участка цепи, имеющего активное сопротивление, поэтому приемлимы как для постоянного напряжения (тока) так и для переменного,
  • сопротивлением соединительных проводов пренебрегаем. Вопросы влияния сопротивления соединений на значения параметров электрических цепей рассмотрены на странице "питание сигнализации, видеонаблюдения".
  • участки цепи, обозначенные на схемах как резистор (R), можете рассматривать как отдельный элемент или совокупность элементов электрической цепи, имеющих общее сопротивление R.

Измерение напряжения.

Это измерение производится путем подключения вольтметра (мультиметра в режиме "измерение электрического напряжения") параллельно измеряемому участку (схема на рис.1). Следует отметить, что измерение между точками 1-5 даст значение напряжения на всей цепи, остальные случаи - для соответствующих участков.

Эту схему мы еще используем, рассматривая вопросы измерения силы электрического тока и сопротивления при помощи вольтметра.

Измерение силы тока.

Используется амперметр или мультиметр (тестер) в режиме "измерение тока", подключаемые последовательно измеряемой цепи. Значение силы электрического тока измеряется для всей цепи (схема - рис.2).

Измерение сопротивления.

Наиболее трудоемкий процесс. Во первых, при непосредственном подключении тестера (мультиметра) (схема рис.3) напряжение и ток в цепи должны отсутствовать, во вторых, (схема рис.4) другие элементы (участки) цепи будут оказывать влияние на результат, поэтому их придется отключить, чтобы схема измерения соответствовала рисунку 3.

Выход, однако, есть. Его рассмотрим ниже.

Косвенные измерения электрических величин.

Для этого самое время вспомнить закон Ома. Формула, а также ее производные, которые нам понадобятся выглядят следующим образом:

I=U/R (формула 1),

U=I*R (формула 2),

R=U/I (формула 3), где

I - электрический ток
U - напряжение
R - сопротивление.

Единицы измерения (размерность) указанных величин соответственно:

А - ампер,
В - вольт,
Ом - ом.

На практике (для слаботочных цепей) они не всегда удобны, поэтому можно использовать:

мА - милиампер (1000 мА=1А),
В - вольт,
кОм - килоом. (1000 Ом=1кОм).

Внимание! Одновременно используйте единицы измерения из одного ряда. Если Вы подставляете в формулу закона Ома значения силы тока в мА, то сопротивление получите в кОм и никак иначе.

Как можно видеть из приведенных выше формул, зная значения двух величин, можно вычислить третью. Рассмотрим практическое применение закона Ома при проведении измерений электрических величин. Из схемы измерения напряжения видно, что оно не требует нарушения электрической цепи, поэтому осуществляется наиболее просто. Измерение силы тока в последовательной цепи можно произвести один раз поскольку он будет одинаков во всех участках. Однако, следует быть внимательным, ибо, если схема цепи имеет вид, приведенный на рисунке слева, то суммарный ток распределится по участкам цепи, согласно закона Кирхгофа: I=I1+I2+In.

Завершая тему, продемонстрирую как на практике выглядит применение закона Ома при проведении электрических измерений.

Возьмем схему на рисунке 1. Предположим, что в результате измерений мы получили следующие значения:

Общая сила тока для цепи- I=0,5 A,
Напряжения U1=10 B, U2=5 B.

Тогда значения сопротивлений будут:

R1=U1/I=10/0,5=20 Ом
R2=U2/I=5/0,5=10 Ом.

Как видите, все просто.

© 2010-2021 г.г.. Все права защищены.
Материалы, представленные на сайте, имеют ознакомительно-информационный характер и не могут использоваться в качестве руководящих документов

Вольтметр, рассчитанный на измерение напряжения до 20 В, необходимо включить в сеть

Условие задачи:

Вольтметр, рассчитанный на измерение напряжения до 20 В, необходимо включить в сеть с напряжением 120 В. Какое для этого потребуется дополнительное сопротивление, если сила тока в вольтметре не должна превышать 5 мА?

Задача №7.5.13 из «Сборника задач для подготовки к вступительным экзаменам по физике УГНТУ»

Дано:

\(U_0=20\) В, \(U=120\) В, \(I_0=5\) мА, \(R_{доп}-?\)

Решение задачи:

Для измерения напряжения на каком-либо участке электрической цепи, к нему параллельно подключают вольтметр. При этом если предел измерения вольтметра (т.е. максимальное значение напряжения, которое может измерить вольтметр) не позволяет измерить напряжение на этом участке, то к вольтметру последовательно соединяют дополнительное (также называют добавочное) сопротивление \(R_{доп}\). 3}\;Ом = 20\;кОм\]

Ответ: 20 кОм.

Если Вы не поняли решение и у Вас есть какой-то вопрос или Вы нашли ошибку, то смело оставляйте ниже комментарий.

Вольтметр. Зависимость силы тока от напряжения. Измерение напряжения на различных участках электрической цепи

Тип урока: урок развивающего контроля и рефлексии.

Используемые технологии: здоровьесбережения, информационно-коммуникационные, групповые, развития исследовательских навыков.

Цель: закрепить и углубить теоретические и практические навыки учащихся по теме “Измерение напряжения на различных участках электрической цепи”.

Формируемые УУД: предметные: научиться использовать приобретенные умения экспериментатора на практике; метапредметные: строить продуктивное взаимодействие со сверстниками; контролировать, корректировать и оценивать действия партнера; с достаточной полнотой и точностью выражать свои мысли в соответствии с задачами и условиями коммуникации; составлять план и последовательность действий; сравнивать результат и способ действий с эталоном с целью обнаружения отклонений и отличий; контролировать и оценивать процесс и результаты деятельности; формулировать выводы, адекватные полученным результатам; личностные: формирование самостоятельности в приобретении практических умений; усвоение правил поведения в школе; формирование бережного отношения к школьному оборудованию.

Приборы и материалы: источник питания, лампочки, резисторы, ключи, амперметры, вольтметры, соединительные провода, электронное приложение к учебнику.

Ход урока

I. Организационный момент

(Учитель и ученики приветствуют друг друга, выявляются отсутствующие. Учитель проводит инструктаж по работе с электрическими приборами.)

II. Актуализация знаний. Проверка домашнего задания

(Учитель проводит фронтальный опрос по вопросам и заданиям учебника, задает дополнительные вопросы. Три ученика записывают на доске решение домашних задач.)

III. Изучение нового материала. Выполнение лабораторной работы

Для измерения напряжения служит прибор, называемый вольтметром. В отличие от амперметра, который включается в разрыв электрической цепи, вольтметр подключается параллельно участку цепи, на котором измеряется напряжение.

(Учитель демонстрирует учащимся анимационный ролик 91 “Включение вольтметра в цепь” из электронного приложения к учебнику.)

Существует определенная зависимость силы тока в цепи от напряжения на источнике.

Демонстрация. При увеличении количества источников питания (т. е. при увеличении напряжения) в электрической цепи, состоящей из резистора, ключа, амперметра и вольтметра, сила тока будет возрастать прямо пропорционально напряжению.

(Учитель снимает несколько показаний с амперметра и вольтметра, и вместе с учащимися строит график зависимости силы тока от напряжения.)

Вывод. Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на его концах.

(Ученики выполняют тренировочное задание № 92 из электронного приложения к учебнику. Учитель напоминает последовательность действий при измерении напряжения.)

Последовательность действий при измерении напряжения

1. Установить, для измерения какой величины используется данный прибор (если на шкале есть буква V — прибор используется для измерения напряжения).

2. Установить, на какое максимальное напряжение рассчитан прибор.

3. Установить, для какого тока (постоянного или переменного) можно использовать прибор.

4. Определить цену деления прибора.

5. Определить, какое значение напряжения показывает прибор.

Во всех лабораторных опытах, где используется вольтметр, нужно сначала собрать цепь без него, а затем подключить вольтметр к тому участку, на котором измеряют напряжение. Вольтметр можно переключать от одного участка к другому, не разбирая остальные участки цепи.

(Лабораторная работа выполняется согласно инструкции учебника. В ходе выполнения лабораторной работы ученики должны собрать последовательную электрическую цепь, состоящую из источника питания, ключа, двух реостатов, зарисовать ее в тетрадях, указав расположение вольтметра для трех случаев, и измерить напряжение сначала на каждом из реостатов в отдельности, а затем на двух сразу. Сравнить полученные значения напряжения.) (Ученики выполняют дополнительные задания.)

1. Две лампы включены в электрические цепи, в которых сила тока равна, но, несмотря на это, одна из ламп горит менее ярко, чем другая. О чем свидетельствует этот факт? Какой вывод о напряжении на лампах можно сделать?

2. При напряжении 100 В сила тока в резисторе равна 5 А. Какая сила тока будет в резисторе, если напряжение, поданное на него, уменьшить в два раза?

IV. Подведение итогов

(После выполнения лабораторной работы ученики самостоятельно делают вывод.)

Вывод. При последовательном соединении проводников напряжение на них суммируется.

V. Рефлексия

(Ученики оценивают свою работу на уроке и качество усвоения материала, заполнив анкету.)

Вопросы анкеты

1. Вспомни и запиши тему урока.

2. Какие термины, факты, закономерности ты усвоил(а) на уроке?

3. Считаешь ли ты полезными, интересными полученные знания?

4. Какую оценку за урок ты бы себе поставил(а)?

Домашнее задание

1. § 41,42 учебника, вопросы к параграфам.

2. Выполнить упр. 26, 27 на с. 119, 121 учебника.

Лабораторная работа № 4. Измерение напряжения на разных участках электрической цепи.

Лабораторная работа № 4

«Измерение напряжения на разных участках электрической цепи»

Цель уроки: Научить учащихся правильно подключать вольтметр, определять цену деления вольтметра. Измерить напряжение на участке цепи, состоящем из двух последовательно соединенных резисторов, и сравнить его с напряжением на концах каждого резистора.

Приборы и материалы: источник питания, спирали-резисторы - 2 шт., низковольтная лампа на подставке, вольтметр, ключ, соединительные провода.

Указания к работе:

  1. Соберем цепь из источника питания, резисторов и ключа, соединив все приборы последовательно. Замкнем цепь.

  2. Измерим напряжения , на концах каждого резистора и напряжение U на участке цепи, состоящем из двух резисторов.

  3. Вычислим сумму напряжений + на обоих резисторах и сравним ее с напряжением U. Сделаем вывод.

  4. Начертим схему собранной нами цепи и покажем на ней, куда подключается вольтметр при измерении напряжения на каждом резисторе и на двух резисторах вместе.

Дополнительное здание 1

Измерим напряжение на полюсах источника питания и на зажимах лампы. Сравним эти напряжения.

Дополнительное задание 2

  1. Поочередно соберите электрические цепи по схемам, изображенным на рис.1. Запишите показания вольтметра.

  2. Сделайте вывод, сравнив полученные показания вольтметра.

  3. Поочередно соберите цепи по схемам, изображенным на рис. 2. Запишите показания вольтметра.

  4. Сделайте вывод, сравнив полученные показания вольтметра.

Ответьте на вопросы:

  • Одинаково ли напряжение для проводников, соединенных последова­тельно? Параллельно?

  • К
    ак найти напряжение участка цепи, состоящего из последовательно соединенных проводников, зная напряжение на каждом?

р
ис. 1

рис. 2

Пример выполнения работы

Р
ассмотрим следующую цепь:

И
змерим напряжение на первой спирали (см. схема 1), на вто­рой спирали (см. схема 2) и U на двух спиралях вместе (см. схема 3). Теория предсказывает следующее соотношение: U = + .

Про­верим его на практике.

Самостоятельная работа с разноуровневыми заданиями

по теме «Электрическое напряжение»

Уровень 1

  1. Какой физической величиной пользуются для измерения напряжения?

  1. Каким прибором измеряют напряжение? Как его включают в цепь?

Уровень 2

  1. Две лампы включены в электрические цепи, в которых силы тока равны, но несмотря на это одна из ламп горит менее ярко, чем дру­гая. О чем свидетельствует этот факт? Какой вывод о напряжении на лампах можно сделать?

  1. На одном участке цепи при перемещении по нему 100 Кл электриче­ства была совершена такая же работа, как и при перемещении 600 Кл электричества на другом участке. На концах какого участки напря­жение больше и во сколько раз?

Уровень 3

  1. Чему равно напряжение на участке цепи, на котором совершена ра­бота 500 Дж при прохождении 25 Кл электричества?

  1. Вычислите работу, которая совершается при прохождении через спи­раль электроплитки 15 Кл электричества, если они включена в сеть напряжением 220 В.

Уровень 4

  1. При переносе 240 Кл электричества из одной точки электрической цепи в другую за 16 мин совершена работа в 1200 Дж Определите напряжение и силу тока в цепи.

  1. Какова сила тока в лампочке велосипедного фонарика, если при на­пряжении 4 В в ней за 1 с расходуется 0,8 Дж электроэнергии?

Домашнее задание: §41 учебника; вопросы и задания к параграфу; № 1266, 1267, 1273,

Электрическое напряжение: определение, формула, вольтметр

 

Электрический ток – это проходящие через проводник электроны, несущие отрицательный заряд. Объем этого заряда или, иными словами, количество электричества характеризует силу тока. Мы знаем, что сила тока одинакова во всех местах цепи.

Электроны не могут исчезать или «спрыгивать» с проводов и нагрузки. Поэтому, силу тока мы можем измерить в любом месте электрической цепи. Однако, будет ли одинаковым действие тока на разные участки этой цепи? Давайте разберемся.

Проходя по проводам, ток лишь слегка их нагревает, однако не совершает при этом большой работы. Проходя же через спираль электрической лампочки, ток не просто сильно нагревает ее, он нагревает ее до такой степени, что она, раскаляясь, начинает светиться. То есть в данном случае ток совершает механическую работу, и довольно приличную работу. Ток тратит свою энергию. Электроны в том же количестве продолжают бежать дальше, но энергии у них уже поменьше.

Определение электрического напряжения

То есть электрическое поле должно было «протащить» электроны через нагрузку, и энергия, которая при этом израсходовалась, характеризуется величиной, называемой электрическим напряжением. Эта же энергия потратилась на какое-то изменение состояния вещества нагрузки. Энергия, как мы знаем, не пропадает в никуда и не появляется из ниоткуда. Об этом гласит Закон сохранения энергии. То есть, если ток потратил энергию на прохождение через нагрузку, эту энергию приобрела нагрузка и, например, нагрелась.

То есть, приходим к определению: напряжение электрического тока – это величина, показывающая, какую работу совершило поле при перемещении заряда от одной точки до другой. Напряжение в разных участках цепи будет различным. Напряжение на участке пустого провода будет совсем небольшим, а напряжение на участке с какой-либо нагрузкой будет гораздо большим, и зависеть величина напряжения будет от величины работы, произведенной током. Измеряют напряжение в вольтах (1 В). Для определения напряжения существует формула: 

U=A/q,

где U - напряжение,
A – работа, совершенная током по перемещению заряда q на некий участок цепи.

Напряжение на полюсах источника тока

Что касается напряжения на участке цепи – все понятно. А что же тогда означает напряжение на полюсах источника тока? В данном случае это напряжение означает потенциальную величину энергии, которую может источник придать току. Это как давление воды в трубах. Эта величина энергии, которая будет израсходована, если к источнику подключить некую нагрузку. Поэтому, чем большее напряжение у источника тока, тем большую работу может совершить ток.

Вольтметр

Для измерения напряжения существует прибор, называемый вольтметром. В отличие от амперметра, он подключается не произвольно в любом месте цепи, а параллельно нагрузке, до нее и после. В таком случае вольтметр показывает величину напряжения, приложенного к нагрузке. Для измерения напряжения на полюсах источника тока, вольтметр подключают непосредственно к полюсам прибора.

Нужна помощь в учебе?



Предыдущая тема: Сила тока: природа, формула, измерение амперметром
Следующая тема:&nbsp&nbsp&nbspСопротивление тока: притяжение ядер, проводники и непроводники

Если напряжение измеряется между двумя точками на проводе без сопротивления между ними, является ли напряжение нулем?

Похоже, у вас совпадают напряжение и ток.

Напряжение правильнее называть электродвижущей силой. Сам по себе он не течет и не передает энергию.

Ток (обычно измеряется в амперах) - это мера того, сколько электрического заряда перемещается за единицу времени. Ток сам по себе не является потоком энергии.

Поток энергии называется мощностью.Чтобы получить питание, вам нужен как ток (\ $ I \ $), так и напряжение (\ $ E \ $). Мощность равна произведению двух:

.

$$ P = IE $$

Это помогает думать об этом с точки зрения аналогичных механических систем, поскольку мы можем наблюдать механические системы непосредственно нашими чувствами. Механические системы также имеют мощность, где она равна произведению силы и скорости:

$$ P = Fv $$

Если у вас есть сила, но нет скорости, у вас нет силы. Примером может служить резинка, натянутая между двумя неподвижными опорами.Ремешок оказывает давление на опоры. Это напряжение - потенциальная энергия. Но ничего не движется, и никакая энергия, хранящаяся в растянутой полосе, не передается ни на что другое.

Однако, если лента может двигать опоры, теперь у нас есть скорость. По мере того как полоса перемещает опоры, энергия, запасенная в растянутой ленте, будет преобразована в кинетическую энергию опор. Скорость, с которой происходит эта передача энергии, и есть мощность.

Напряжение - это сила, перемещающая электрический заряд. Ток - это скорость электрического заряда. Сопротивление - это то, насколько легко перемещать опоры.

Вот механическая система, более похожая на вашу схему:

У нас есть жесткое кольцо, прикрепленное к двигателю, которое прилагает некоторую силу, чтобы повернуть его. К кольцу также прикреплен тормоз, препятствующий повороту кольца. Чтобы эта аналогия была правильной, это должен быть тормоз, обеспечивающий силу, пропорциональную скорости кольца, движущегося через него.Представьте, что он соединен с вентилятором, так как кольцо вращается быстрее, вентилятор вращается быстрее, создавая большее аэродинамическое сопротивление.

Если двигатель прилагает силу \ $ 1 кН \ $, то тормоз должен прилагать одинаковую силу в противоположном направлении. Если тормозная сила не равна силе двигателя, тогда на кольцо будет действовать результирующая сила, которая будет ускорять или замедлять его до тех пор, пока тормозная сила не станет равной, и кольцо будет вращаться с постоянной скоростью. Таким образом, если сила двигателя постоянна, скорость кольца зависит от силы тормоза.Это аналог закона Ома.

Какие еще силы действуют на кольцо? Поскольку мы рассматриваем идеализированную систему без трения, их нет. Если бы вы вставили тензодатчики в точки A и B, вы бы измерили разницу между ними. B сжимается, когда двигатель толкает кольцо в тормоз, преодолевая его сопротивление, а A растягивается, когда двигатель всасывает его из тормоза.

Но в чем разница между B и C? здесь ничего нет. Если это интуитивно не очевидно, подумайте о том, что вы должны вырезать зазор в кольце и вставить руку, чтобы машина могла его разбить.Есть ли момент, когда вы бы предпочли это сделать? Нет, ваша рука будет разбита одинаково независимо от того, где вы это сделаете с левой стороны кольца.

Силы, измеряемые тензодатчиками, аналогичны напряжению. Мы можем измерять только напряжения относительно некоторого другого напряжения. Вот почему в вашем вольтметре два щупа. Куда бы вы ни положили черный провод, он обозначается как «0V». Итак, сценарий, который вы представляете в своем вопросе, похож на измерение разницы между B и C: она равна нулю.

Это кажется немного странным, потому что мы знаем, что на всей стороне кольца действует сжимающая сила.Похоже, это должно быть на пользу. Но подумайте вот о чем: вес всего газа в атмосфере Земли дает давление на уровне моря около 15 фунтов на квадратный дюйм. Означает ли это, что мы можем создать машину, которая приводится в действие только потому, что она подвергается этому давлению? Нет. Чтобы работать с этим атмосферным давлением, нам нужна разница в и давлений. Без разницы мы не можем заставить воздух двигаться. Рассмотрим еще раз определения власти, приведенные выше, и должно стать ясно, насколько это верно.

Измерения напряжения

: практическое руководство - NI

Хотя многие датчики выдают напряжение постоянного тока, которое можно измерить с помощью мультиметра или устройства сбора данных, основная задача этого технического документа - изучить общие измерения постоянного тока, не требующие установки промежуточного датчика.

Основы измерения напряжения

Чтобы понять, как измерять напряжение, важно понимать основы того, как вы проводите измерения. По сути, напряжение - это разность электрических потенциалов между двумя интересующими вас точками в электрической цепи.Однако общая путаница заключается в том, как определяется контрольная точка измерения. Контрольная точка измерения - это уровень напряжения, при котором выполняется измерение.

Методы опорных точек

Есть в основном два метода для измерения напряжений: грунтовая ссылки и дифференциальная.

Основание ссылочного Измерения напряжения

Один из методов - измерить напряжение относительно общей точки или точки «земли». Часто эти «заземления» стабильны и неизменны и обычно составляют около 0 В.Исторически термин «земля» произошел от обычного применения, когда за счет прямого подключения сигнала к земле потенциал напряжения равен 0 В. Заземленные входные соединения особенно хороши для канала, который соответствует следующим условиям:

  • Входной сигнал высокого уровня (более 1 В)
  • Длина проводов, соединяющих сигнал с устройством, составляет менее 10 футов (3 м)
  • Входной сигнал может иметь общую опорную точку с другими сигналами

Заземление обеспечивается либо устройством, выполняющим измерения, либо измеряемым внешним сигналом.Когда заземление обеспечивается устройством, такая установка называется несимметричным режимом с привязкой к земле (RSE), а когда земля обеспечивается сигналом, такая установка называется несимметричным режимом без привязки (NRSE).

Большинство приборов предлагают аналогичные конфигурации контактов для измерений аналогового входа. Следующий пример демонстрирует этот тип измерения с использованием шасси CompactDAQ и модуля аналогового ввода NI 9205 (см. Рисунок 1).


Рисунок 1.Шасси CompactDAQ с модулем аналогового ввода NI 9205

На рисунке 2 показана схема подключения для измерения напряжения RSE с использованием шасси NI cDAQ-9178 с NI 9205, а также распиновка для модуля. На рисунке 2 контакт 1 соответствует каналу «Аналоговый вход 0», а контакт 17 соответствует общему заземлению.

Рис. 2. Односторонний режим с заземлением

На рисунке 3 показана схема подключения для измерения напряжения NRSE с использованием cDAQ-9178 с NI 9205.На рисунке контакт 1 соответствует каналу «Аналоговый вход 0», а контакт 35 соответствует каналу «Контроль аналогового входа». Этот канал, особенно для измерений NRSE, может обнаруживать напряжение земли, создаваемое сигналом.

Рисунок 3. Односторонний режим без ссылки

Измерение дифференциального напряжения

Другой способ измерения напряжения - определение «разности» напряжения между двумя отдельными точками в электрической цепи.Например, чтобы измерить напряжение на одном резисторе, вы измеряете напряжение на обоих концах резистора. Разница между напряжениями - это напряжение на резисторе. Обычно измерения дифференциального напряжения полезны для определения напряжения, которое существует на отдельных элементах схемы, или если источники сигнала зашумлены.

Дифференциальные входные соединения особенно хорошо подходят для канала, который удовлетворяет любому из следующих условий:

  • Входной сигнал низкого уровня (менее 1 В)
  • Длина проводов, соединяющих сигнал с устройством, превышает 3 м (10 футов)
  • Входной сигнал требует отдельного сигнала опорной точки заземления или возврата
  • Сигнальные провода проходят через шумную среду

На рисунке 4 показана схема подключения для измерения дифференциального напряжения с использованием cDAQ-9178 с NI 9205.На рисунке контакт 1 соответствует каналу «Аналоговый вход 0», а контакт 19 соответствует каналу «Аналоговый вход 8».

В дифференциальном режиме отрицательный сигнал подключается к аналоговому выводу, обращенному непосредственно к аналоговому каналу, который подключен к положительному сигналу. Например, «Аналоговый вход 0» будет подключен к положительному сигналу, «Аналоговый вход 8» будет подключен к отрицательным сигналам, «Аналоговый вход 1» - к положительному, «Аналоговый вход 9» - к отрицательному и так далее. Недостатком дифференциального режима является то, что он эффективно уменьшает вдвое количество аналоговых входных измерительных каналов.

Рисунок 4. Дифференциальный режим

Типы источников сигналов

Перед настройкой входных каналов и подключением сигналов необходимо определить, являются ли источники сигналов плавающими или заземленными.

Плавающие источники сигналов

Беспотенциальный источник сигнала не подключен к системе заземления здания, но имеет изолированную контрольную точку заземления. Некоторыми примерами плавающих источников сигналов являются выходы трансформаторов, термопар, устройств с батарейным питанием, оптических изоляторов и развязывающих усилителей. Инструмент или устройство с изолированным выходом является источником плавающего сигнала. Заземление плавающего сигнала должно быть подключено к земле устройства, чтобы установить местный или бортовой опорный сигнал для сигнала. В противном случае измеряемый входной сигнал изменяется, поскольку источник выходит за пределы синфазного входного диапазона.

Источники сигналов с привязкой к земле

Источник сигнала с привязкой к земле подключен к заземлению системы здания, поэтому он уже подключен к общей точке заземления по отношению к устройству, предполагая, что измерительное устройство подключено к той же системе питания, что и источник.К этой категории относятся неизолированные выходы приборов и устройств, которые подключаются к системе электроснабжения здания. Разница в потенциале земли между двумя приборами, подключенными к одной и той же энергосистеме здания, обычно составляет от 1 до 100 мВ, но разница может быть намного выше, если цепи распределения питания подключены неправильно. Если заземленный источник сигнала измерен неправильно, эта разница может проявиться как ошибка измерения. Следуя инструкциям по подключению заземленных источников сигнала, можно устранить разность потенциалов земли из измеряемого сигнала.

На рис. 5 показаны различные типы источников сигнала, а также оптимальные схемы подключения, основанные на отдельном методе измерения. Обратите внимание, что в зависимости от типа сигнала конкретный метод измерения напряжения может дать лучшие результаты, чем другие.

Рисунок 5. Типы обычных источников сигнала в сравнении с рекомендуемыми конфигурациями входов

Узнайте больше о полевой проводке и шумах для аналоговых сигналов.

Высоковольтные измерения и изоляция

При измерении более высоких напряжений необходимо учитывать множество факторов.При выборе системы сбора данных первый вопрос, который вы должны задать, - будет ли эта система безопасной. Выполнение измерений высокого напряжения может быть опасным для вашего оборудования, тестируемого устройства и даже для вас и ваших коллег. Чтобы обеспечить безопасность вашей системы, вы должны обеспечить изоляционный барьер между пользователем и опасными напряжениями с изолированными измерительными устройствами.

Изоляция

, средство физического и электрического разделения двух частей измерительного устройства, может быть разделено на электрическую и безопасную изоляцию.Электрическая изоляция предназначена для устранения путей заземления между двумя электрическими системами. Обеспечивая электрическую изоляцию, вы можете разорвать контуры заземления, увеличить синфазный диапазон системы сбора данных и сдвинуть опорный сигнал заземления по уровню на единицу заземления системы. Изоляция безопасности ссылается на стандарты, которые содержат особые требования к изоляции людей от контакта с опасным напряжением. Он также характеризует способность электрической системы предотвращать передачу высокого напряжения и переходных напряжений через ее границу в другие электрические системы, с которыми пользователь может контактировать.

Включение изоляции в систему сбора данных выполняет три основные функции: предотвращение контуров заземления, подавление синфазного напряжения и обеспечение безопасности.

Узнайте больше об измерениях и изоляции высокого напряжения.

Контуры заземления

Контуры заземления являются наиболее распространенным источником шума в приложениях для сбора данных. Они возникают, когда две подключенные клеммы в цепи имеют разные потенциалы заземления, вызывая протекание тока между двумя точками.Локальное заземление вашей системы может быть на несколько вольт выше или ниже земли ближайшего здания, а удары молнии поблизости могут вызвать разницу в несколько сотен или тысяч вольт. Это дополнительное напряжение само по себе может вызвать значительную ошибку в измерениях, но вызывающий его ток может также связывать напряжения в соседних проводах. Эти ошибки могут проявляться в виде переходных процессов или периодических сигналов. Например, если контур заземления сформирован из линий электропередачи переменного тока 60 Гц, нежелательный сигнал переменного тока проявляется как периодическая ошибка напряжения при измерении.


При наличии контура заземления измеренное напряжение Vm представляет собой сумму напряжения сигнала Vs и разности потенциалов Vg, которая существует между землей источника сигнала и землей измерительной системы (см. Рисунок 6). Этот потенциал обычно не является уровнем постоянного тока; таким образом, результатом является зашумленная система измерения, часто показывающая в показаниях составляющие частоты сети (60 Гц).

Рис. 6. Заземленный источник сигнала, измеренный с помощью системы с заземлением
, имеет контуры заземления

Во избежание образования контуров заземления убедитесь, что в измерительной системе имеется только один эталон заземления, или используйте изолированное измерительное оборудование.Использование изолированного оборудования устраняет путь между землей источника сигнала и измерительным устройством, тем самым предотвращая протекание тока между несколькими точками заземления.

В ранее упомянутой настройке CompactDAQ модуль аналогового ввода NI 9229 обеспечивает межканальную изоляцию 250 В.

Рисунок 7. Изолированный модуль аналогового ввода NI 9229 между каналами

Синфазное напряжение

Идеальная дифференциальная измерительная система реагирует только на разность потенциалов между двумя своими клеммами, входом (+) и (-).Дифференциальное напряжение на паре цепей является полезным сигналом, однако может существовать нежелательный сигнал, который является общим для обеих сторон пары дифференциальных цепей. Это напряжение известно как синфазное напряжение. Идеальная дифференциальная измерительная система полностью отклоняет, а не измеряет синфазное напряжение. Однако практические устройства имеют несколько ограничений, описываемых такими параметрами, как диапазон синфазного напряжения и коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR), которые ограничивают эту способность отклонять синфазное напряжение.

Диапазон синфазного напряжения определяется как максимально допустимое колебание напряжения на каждом входе относительно земли измерительной системы. Нарушение этого ограничения приводит не только к ошибке измерения, но и к возможному повреждению компонентов на плате.

Коэффициент подавления синфазного сигнала описывает способность измерительной системы подавлять синфазные напряжения. Усилители с более высокими коэффициентами подавления синфазных напряжений более эффективны при подавлении синфазных напряжений.

В неизолированной дифференциальной измерительной системе электрический путь все еще существует в цепи между входом и выходом.Следовательно, электрические характеристики усилителя ограничивают уровень синфазного сигнала, который можно подать на вход. Использование развязывающих усилителей устраняет токопроводящий электрический путь и резко увеличивает коэффициент подавления синфазного сигнала.

Топологии изоляции

При настройке системы измерения важно понимать топологию изоляции устройства. Различные топологии имеют несколько связанных соображений стоимости и скорости.


Межканальный


Самая надежная топология изоляции - это изоляция каналов. В этой топологии каждый канал отдельно изолирован друг от друга и от других неизолированных компонентов системы. Кроме того, каждый канал имеет собственный изолированный источник питания.

Что касается скорости, можно выбрать из нескольких архитектур. Использование развязывающего усилителя с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) на канал обычно быстрее, поскольку вы можете получить доступ ко всем каналам параллельно.Модули аналогового ввода NI 9229 и NI 9239 обеспечивают межканальную изоляцию для обеспечения высочайшей точности измерений.

Более экономичная, но более медленная архитектура предполагает мультиплексирование каждого изолированного входного канала в один АЦП.

Другой метод обеспечения межканальной развязки - использование общего изолированного источника питания для всех каналов. В этом случае синфазный диапазон усилителей ограничен шинами питания этого источника питания, если вы не используете входные аттенюаторы.

Банк


Другая топология развязки включает объединение или группирование нескольких каналов вместе для совместного использования одного развязывающего усилителя. В этой топологии разница синфазного напряжения между каналами ограничена, но синфазное напряжение между группой каналов и неизолированной частью измерительной системы может быть большим. Отдельные каналы не изолированы, но берега каналов изолированы от других берегов и от земли. Эта топология представляет собой более дешевое решение для изоляции, поскольку в этой конструкции используются один изолирующий усилитель и источник питания.

Большинство модулей аналогового ввода NI C Series, таких как NI 9201 и NI 9221, изолированы от банка и могут обеспечивать точные аналоговые измерения напряжения при меньших затратах.

Как увидеть свои измерения: NI LabVIEW

После подключения датчика к измерительному прибору вы можете использовать программное обеспечение графического программирования LabVIEW для визуализации и анализа данных по мере необходимости (см. Рисунок 8).

Рис. 8. Измерение напряжения LabVIEW

Измерение напряжения | Keysight

1.Основы измерения напряжения

1.1 Различные вольтметры и измерения напряжения

Измерение напряжения - одно из самых основных измерений в электронных измерениях. Как правило, электронные измерительные приборы подразделяются примерно на измерение напряжения, тока (или заряда), а также измерение обоих параметров (электроэнергии и импеданса). Например, осциллограф - это измерительный прибор, который отображает на экране значение напряжения, измеренное кончиком пробника, в виде временной кривой, и его можно назвать вольтметром в широком смысле, потому что физическое значение целевого измерения - это Напряжение.Однако в настоящее время это измерительное устройство, ориентированное на высокоскоростной отклик и частоту дискретизации, превышающую несколько ГГц или более, и, как правило, точность и разрешение измерения напряжения невысоки. Цифровой мультиметр - это самый простой амперметр и вольтметр, и доступны различные линейки, такие как портативный, настольный и т. Д. Он наиболее широко используется для измерения общего напряжения, поскольку доступны устройства для измерения напряжения с высокой точностью и высоким разрешением, хотя по скорости он не соответствует осциллографу.Электрометр имеет функцию измерения тока и напряжения, аналогичную цифровому мультиметру. Если сосредоточить внимание на измерении напряжения, его можно расположить с вольтметром, характеризующимся высоким входным сопротивлением на измерительной клемме, по сравнению с цифровым мультиметром. В этом документе описаны преимущества измерения напряжения с помощью электрометра.

1.2 Какое входное сопротивление у вольтметра?

На рисунке 1 показана упрощенная блок-схема при измерении напряжения источника (Vдут) с помощью вольтметра.Это типичное соединение при измерении напряжения Vdut, когда вольтметр считается идеальным вольтметром, следовательно, входное сопротивление вольтметра бесконечно, а ток, протекающий от Vdut к вольтметру, равен нулю ампер. В этом идеальном случае показание напряжения, измеренное вольтметром, такое же, как и Vdut.

Рисунок 1 Измерение напряжения с помощью идеального вольтметра

Но на самом деле фактическое входное сопротивление любого вольтметра не бесконечно, как у идеального вольтметра, и существует входное сопротивление (Rinput) параллельно идеальному вольтметру, как показано на рисунке 2.В результате ток, протекающий от источника напряжения, не равен нулю ампер.

Рисунок 2 Измерение напряжения с помощью вольтметра с входным сопротивлением

Входное сопротивление типичного цифрового мультиметра составляет 10 МОм, но существует также высокопроизводительный цифровой мультиметр, входное сопротивление которого составляет более 10 МОм. Хотя входной ток, определяемый Vdut / Rinput, течет в вольтметр в этих реальных условиях измерения, входной ток не влияет на результаты измерения напряжения в случае, показанном на рисунке 2.Однако следует отметить, что существует вероятность того, что конечное входное сопротивление в некоторых случаях вызывает ошибки в результатах измерения напряжения. В следующей главе мы рассмотрим эти случаи.

2. Погрешность измерения напряжения и способы устранения

2.1 Погрешность измерения напряжения, вызванная конечным входным сопротивлением вольтметра

В случае, когда нельзя игнорировать последовательное сопротивление между источником напряжения и вольтметром, падение напряжения, создаваемое этим сопротивлением, и входной ток, протекающий в вольтметр, является источником ошибки измерения.
На рисунке 3 показан пример, в котором последовательные резисторы присутствуют в соединительных кабелях между источником напряжения и вольтметром, где последовательные резисторы включают сопротивление соединительных кабелей, контактное сопротивление соединителя между кабельными соединениями и т. Д.

Рисунок 3 Падение напряжения на последовательных резисторах в соединительных кабелях

Ток I, протекающий через последовательное сопротивление (Rpath), вызывает падение напряжения (Verr), которое проявляется как разница между тестируемым источником напряжения и погрешностью измерения показаний вольтметра.Однако значение последовательного сопротивления, такое как сопротивление между цепями подключения, обычно составляет от нескольких мОм до нескольких Ом, и это сопротивление можно считать пренебрежимо малым по сравнению с входным сопротивлением обычно используемых вольтметров. В этом случае, поскольку ошибка напряжения выражается как отношение Rpath и Rinput (отношение находится в диапазоне примерно от 10 -8 до 10 -6 ), ошибка напряжения, вызванная Verror в путь подключения может быть незначительным в большинстве приложений.

До сих пор предполагается, что выходное сопротивление источника напряжения равно 0 Ом, но может быть случай, когда испытуемый источник напряжения имеет выходное сопротивление (Rout), как показано на рисунке 4.

Рисунок 4 Ошибка, вызванная выходным сопротивлением источника напряжения

В электрической цепи не так много случаев, когда Rout достаточно велик, чтобы показывать очевидную ошибку в показаниях вольтметра, но в таком случае, когда источник тока или эквивалент используется в качестве источника напряжения, Rout легко превышает, например, значение Rout в случае выполнения измерения напряжения с использованием стеклянного электрода в электрохимическом измерении может достигать нескольких 100 МОм.
Показание вольтметра (Vmeas) выражается как отношение Vdut, которое представляет собой напряжение тестируемого источника напряжения, и суммы Rout и Rinput.
Выражается как;


Vmeas = Vdut ∙ Rinput / (Rout + Rinput)

Если Rout ничтожно мал по сравнению с Rinput, Vmeas показывает почти то же значение, что и Vdut. Однако, если Rout достаточно велик, что нельзя игнорировать по сравнению с Rinput, это является причиной ошибки измерения напряжения.Например, при выполнении измерения с погрешностью 1% с использованием вольтметра с входным сопротивлением R 10 МОм максимальное значение Rout источника напряжения ограничено 100 кОм.
Как показывает этот пример, для измерения источника высокого выходного напряжения R важно использовать вольтметр с максимально возможным входным сопротивлением, поскольку входное сопротивление вольтметра является причиной ошибки измерения. Как описано выше, обычно входное сопротивление цифрового мультиметра находится в диапазоне от 10 МОм до 10 ГОм, входное сопротивление электрометра превышает 100 ТОм.

2.2 Ошибка, вызванная сопротивлением изоляции соединительных кабелей

Даже если входное сопротивление вольтметра достаточно высокое при измерении напряжения от источника напряжения с высоким выходным сопротивлением, существует вероятность того, что соединительные кабели и сам разъем являются источником ошибки, снижающей точность измерения. Входной разъем типичного цифрового мультиметра представляет собой банановый штекер, и обычно измерительные провода подключают непосредственно к банановому штекеру.Или, в случае экранирования внешнего шума для связи с измерительным сигналом, используется коаксиальный кабель с банан-коаксиальным преобразователем. В этих случаях напряжение источника напряжения прикладывается между двумя измерительными выводами или между центральным проводом и экраном коаксиального кабеля, а сопротивление изоляции между измерительными выводами или коаксиальным кабелем рассматривается как сопротивление шунта (Rcable ), как показано на рисунке 5.

(a) Подключение с помощью измерительных проводов

(б) Подключение коаксиальным кабелем

Рисунок 5 Сопротивление изоляции соединительного кабеля отображается как сопротивление шунта (Rcable)


На рисунке 5 показан Rcable как сопротивление изоляции коаксиального кабеля в виде упрощенной схемы, но Rcable представляет все сопротивления изоляции, включая соединительные разъемы, независимо от конструкции кабеля.
Показание вольтметра (Vmeas) выражается следующим образом.

Vmeas = Vdut ∙ (Rinput // Rcable) / (Rout + (Rinput // Rcable))

, где (Rinput // Rcable) представляет собой параллельно подключенное сопротивление Rinput и Rcable.
Это уравнение указывает, что необходимо включить Rcable в дополнение к Rinput для учета точности измерения. Сопротивление изоляции обычного коаксиального кабеля во многих случаях составляет более 1 ГОм на 1 км. В пересчете на нормальную длину кабеля (около 1 м), используемого при измерении, она соответствует более 1 ТОм.Хотя существует вероятность того, что значение сопротивления изоляции может быть выше указанного значения, можно сказать, что комбинация коаксиального кабеля с измерительным прибором с входным сопротивлением более 100 ТОм, таким как электрометр, является непропорциональной комбинацией.

2.3 Метод обеспечения высокого входного сопротивления с помощью триаксиального кабеля

Триаксиальное кабельное соединение, показанное на рисунке 6, эффективно для устранения ошибки компонента Rcable.

Рисунок 6 Подключение с помощью трехосной кабельной системы

При использовании подключения трехосного кабеля используются те же соединения как для центрального проводника, так и для внешнего экрана, что и в случае коаксиального кабеля. В дополнение к этим двум линиям между этими двумя металлическими слоями в триаксиальном кабеле есть дополнительный внутренний слой экрана, который имеет ту же конструкцию, что и коаксиальный кабель, а напряжение внутреннего экрана поддерживается на том же уровне, что и в центре. дирижер.В этом случае, поскольку напряжение между центральным проводником и внутренним экраном в идеале составляет ноль вольт, даже если сопротивление изоляции Rcable остается таким же, и ток от центрального проводника к внутреннему экрану не течет.

Поскольку от центрального проводника к Rcable нет тока, Rcable не вносит вклад в ошибку измерения напряжения. Этот метод, позволяющий сохранить потенциал экранирующей линии таким же, как и сигнальная линия, называется «защитой».

Разность потенциалов на обоих концах Rcable не становится равной нулю, потому что напряжение смещения реально существует в защитном усилителе, который дает потенциал внутреннему экрану; и эффект защиты можно ожидать, когда напряжение смещения очень мало по сравнению со значением Vdut. Например, если значение Vdut принято равным 2 В, и если используется защита, потому что напряжение смещения обычного защитного усилителя составляет около 2 мВ, тогда сопротивление изоляции Rcable кабеля становится эквивалентным увеличению в раз. 1000.
Предполагая, что значение Rcable равно 1 ТОм, Vdut нормального коаксиального кабеля применяется к Rcable и, следовательно, ток утечки Ileak, который течет к Rcable, будет следующим.

Ileak = Vdut / Rcable = 2 [V] / 1 × 10 12 [Ω] = 2 × 10 -12 [A] = 2 [pA]


Если защита обеспечивается с помощью триаксиального кабеля, то напряжение, подаваемое на Rcable, будет не Vdut, а напряжением смещения защитного усилителя Voffset,

Утечка = Vсмещение / Rcable = 2 × 10 -3 [В] / 1 × 10 12 [Ом] = 2 × 10 -15 [A] = 2 [fA]

, а ток утечки можно уменьшить до 1/1000.

2.4 Погрешность измерения, вызванная входным током смещения вольтметра

Пока что показаны ошибки, вызванные конечным значением входного сопротивления вольтметра или сопротивления изоляции измерительных кабелей.
На рисунке 7 показан другой тип ошибки, которая вызвана током смещения вольтметра. Ошибка, связанная с током смещения, возникает, даже если входное сопротивление и сопротивление изоляции бесконечны. Ток смещения (Ibias) вольтметра вызывает падение напряжения на выходном сопротивлении тестируемого источника напряжения, как
Verr = Rout x Ibias.
Ток смещения определяется спецификацией вольтметра, и важно проверять этот параметр в процессе выбора вольтметра, особенно при измерении напряжения от источника с высоким импедансом.

Рисунок 7 Влияние тока смещения

2.5 Изменение времени установления выходным сопротивлением источника напряжения

В случае высокого выходного сопротивления источника напряжения возникает дополнительная ошибка, которая зависит от времени измерения.При измерении напряжения для источника напряжения с высоким сопротивлением коаксиальный кабель часто используется для соединения между вольтметром и источником напряжения для предотвращения влияния внешнего шума, как показано на рисунке 8.

Рисунок 8 Время установления различается в зависимости от схемы источника напряжения

Рисунок 9 Установка напряжения, подаваемого на вольтметр

Поскольку существует определенная емкость между сигнальной линией и внешним экраном коаксиального кабеля, фильтр нижних частот создается выходным сопротивлением (Rout) источника напряжения и емкостью кабеля (Ccable).Когда выходное напряжение проверяемого источника напряжения изменяется или к такому источнику напряжения подключен вольтметр, испытательное напряжение на входе вольтметра медленно изменяется на постоянную времени, определяемую фильтром нижних частот.
Постоянная времени (τ) фильтра нижних частот определяется как,

τ = Маршрут x Кабель.

В качестве примера, в случае Rout = 100 МОм, Ccable = 1000 пФ, постоянная времени рассчитывается как,
τ = 100 МОм x 1000 пФ = 100 x 10 6 x 1000 x 10 -12 = 0 .1 сек.
Предполагая установку с погрешностью 0,1% относительно окончательного значения (за бесконечное время) показаний вольтметра, требуется время ожидания около 7 τ.
Время установления 0,1% = 7 x τ = 7 x 0,1 = 0,7 сек.

Следовательно, измерение должно ждать 0,7 секунды, что является временем, необходимым для установления диапазона 0,1% после того, как источник напряжения установлен на новое значение. Если измерение выполняется без ожидания времени установления, результаты измерения содержат ошибки.

2.6 Улучшение расселения с помощью ограждения

Как упоминалось выше, при измерении источника измеряемого напряжения с высоким выходным сопротивлением необходимо проводить измерения путем установки соответствующего времени ожидания с учетом времени установления, и, следовательно, время, необходимое для измерения, становится большим. Чтобы избежать этого, можно попытаться сократить время измерения, используя защиту, аналогичную 2.3.

Рисунок 10 Подключение с помощью триаксиального кабеля

Как показано на Рисунке 10, источник измеряемого напряжения и вольтметр соединены трехосным кабелем.Буферный усилитель закреплен на входе вольтметра, а внутренний экран трехосного кабеля приводится в действие. Емкость между основной линией триаксиального кабеля и внутренним экраном, который является линией измерительного сигнала, принимается как Ccable1, а емкость между внутренним экраном и внешним экраном принимается как Ccable2. Напряжение, действующее на обоих концах Ccable1, не становится препятствием для измерения напряжения, поскольку оно поддерживается на нуле буферным усилителем. С другой стороны, то же самое напряжение, что и значение напряжения Vdut измеренного источника напряжения, наконец, прикладывается к обоим концам Ccable2, и в этом Ccable2 необходимо заряжать.Ток, необходимый для этой зарядки, не зависит от значения Rout, поэтому буферный усилитель снижает низкое выходное сопротивление и может ускорить установление. Можно сказать, что использование защиты при измерении источника измеряемого напряжения с высоким значением выходного сопротивления путем объединения содержания 2.3, то есть подключение с помощью триаксиального кабеля необходимо.

3. Работа с внешним шумом

3.1 Проникновение внешнего шума

В случае, когда и выходное сопротивление тестируемого источника напряжения, и входное сопротивление вольтметра являются высокими, на него легко влияют шумы, поступающие извне из-за высокого импеданса соединительной части между источником напряжения. и вольтметр.На рисунке 11 показано упрощенное изображение, внешний шум которого вносит вклад в измерительную схему.

Рисунок 11 Шум, приходящий через емкостную связь от внешнего источника шума

Существуют различные источники шума, окружающие за пределами среды измерения. Например, кабель линии электропередачи переменного тока, амплитуда и частота которого составляют примерно 100 ~ 200 В и 50 или 60 Гц в зависимости от жилого помещения, является источником шума переменного тока.Сигнал переменного тока передается на измерительный кабель через статическую емкость (Ccouple), и это влияет на результаты измерения. На рис. 12 показано упрощенное повторное побеление на рис. 11, на котором показаны только компоненты шума на рис. 11 за счет удаления компонентов постоянного тока.

Рисунок 12 Упрощенная блок-схема эквивалентной схемы для шума

Поскольку импеданс части соединительного кабеля выражается как параллельное соединение Rout и Rinput (Rout // Rinput) в эквивалентной схеме, шум, который появляется на входе вольтметра (Vmeas), выражается как деление импеданса на Ccouple и Rout // Rinput источника шума переменного тока (Vnoise).

Vmeas = Vnoise ∙ (Rout // Rinput) / (1 / (2πf ∙ Ccouple) + Rout // Rinput)

Для уменьшения шума от источника шума переменного тока эффективно уменьшить параметр Ccouple, и одна из таких идей состоит в том, чтобы отделить источник шума от блока схемы измерения напряжения. Но этот подход неэффективен, когда значение Rout // Rinput также очень велико.
В следующем примере показан случай с реалистичным числом для получения конкретного изображения шумовых помех переменного тока.
Вот примерное число, чтобы уточнить пример:

  • Уровень шума: 100 В, 50 Гц
  • Ccouple: 0.1 пФ
  • Маршрут // Вход R: 100 МОм

Vmeas = 100 В ∙ (100 МОм) / (1 / (2π ∙ 50 Гц ∙ 0,1 пФ) + 100 МОм) = 313 мВ

Статическая емкость связи 0,1 пФ, используемая в примере, является относительно небольшим числом, но она создает шум около 300 мВ в условиях измерения высокого импеданса, и простое увеличение расстояния не всегда эффективно. Эффективно использовать кабель коаксиального типа для уменьшения емкости связи и, наконец, для снижения уровня шума.

Экранирование с помощью кабеля коаксиального типа всегда эффективно, но усреднение цикла линии питания (PLC) также очень эффективно, если основной источник шума связан только с PLC.Если данные измерений зашумлены и усреднение ПЛК еще не применяется, стоит попробовать использовать усреднение ПЛК в качестве первого выбора.

3.2. Экран с коаксиальным кабелем

Кабель с коаксиальной структурой может быть эффективным для снижения способности связи с источником шума. Как показано на рисунке 13, ток от источника шума будет течь со стандартным потенциалом через экран, потому что соединение с источником шума через электростатическую емкость становится потенциалом экрана, если используется коаксиальный кабель.Следовательно, притока тока к линии сигнала измерения не происходит, и влияние измеряемого значения внешним шумом может быть подавлено. Здесь важно полностью закрыть сигнальный провод потенциалом экрана, и, следовательно, недостаточно просто заменить проводку на коаксиальный кабель. Например, когда однолинейный провод заменяется в части, которая соединяет конец коаксиального кабеля с источником измеряемого напряжения, становится легче проникнуть внешнему шуму, поскольку линия сигнала измерения оголена в этой части.Предпочтительно использовать метод подключения, который не максимально обнажает линию с высоким импедансом.

Рисунок 13 Эффективность экранирования с помощью коаксиального кабеля

3.3. Эффект усреднения

Внешний шум может перекрывать измеренное значение, хотя желательно максимально подавить проникновение внешнего шума с помощью экрана. В это время вступает в силу усреднение измеренного значения. Упомянутое здесь усреднение означает операцию взятия среднего из серии значений измерений, которые измерялись повторно.

Можно удалить больше шума, выполнив усреднение за длительный период времени, потому что усреднение в принципе имеет эффект, аналогичный эффекту фильтра нижних частот, и становится компромиссом со временем, необходимым для измерения.
Однако шум промышленной частоты источника питания является ярким примером внешнего шума, который следует учитывать в нормальных условиях, как показано в вышеупомянутом, и, следовательно, эффективно установить наилучшее время усреднения в соответствии с этим. .Если коммерческий источник питания определенно находится в области 50 Гц, то время 1 цикла будет 20 мс, и, следовательно, если форма сигнала шума является симметричной формой положительного и отрицательного, как синусоидальная волна, то шум может быть удален. путем усреднения измеренного значения за период 20 мс.

Такой метод усреднения называется измерением PLC (Power Line Cycle), и большинство электрометров и цифровых мультиметров имеют функцию настройки PLC. Время усреднения может быть установлено в виде, например, 1 ПЛК для выполнения измерения усреднения для 1 цикла, 10 ПЛК для 10 циклов, и необходимо отметить, что если промышленная частота установлена ​​на измерительном приборе, а промышленная частота фактическая среда не совпадает, то ожидаемый эффект не может быть достигнут в достаточной степени.Измерение PLC упоминается в п. 3.1 «Измерение тока низкого уровня с использованием серии B2980A».

4. Измерение напряжения с помощью B2985A / B2987A

4.1 Способ подключения

Эта глава основана на содержании предыдущей главы и описывает метод подключения и настройку, когда измерение напряжения с высоким входным сопротивлением выполняется с помощью B2985A / B2987A. B2985A / B2987A снабжен трехосным выводом для измерения напряжения на задней панели корпуса, как показано на следующем рисунке 14.Значение входного сопротивления клеммы измерения напряжения достигает 200 ТОм или более.

Рисунок 14 B2985A / B2987A задняя панель

Эта трехосная клемма подключается, как показано на рисунке 15, а основной провод подключается к стороне высокого напряжения вольтметра. Подключение внутреннего экрана можно переключить либо на защитный потенциал, либо на общий потенциал, который находится на стороне низкого напряжения вольтметра, а внешний экран соединен с корпусом.

Рисунок 15 Схема подключения клеммы измерения напряжения B2985A / B2987A

Согласно объяснению в Главе 2, ясно, что использование защиты выгодно с точки зрения входного сопротивления и стабилизации вольтметра, и лучшая производительность этого вольтметра может быть продемонстрирована, когда внутренний экран установлен на защиту. . Однако необходимо соединить общий потенциал отдельным банановым кабелем, потому что общий потенциал нигде не появится на трехосном выводе.На рисунке 16 показано это соединение.

Рисунок 16 Подключение B2985 / B2987A и DUT (при использовании защиты)

В B2985A / B2987A общая клемма не имеет потенциала на корпусе. Это необходимо для измерения напряжения источника измеряемого напряжения, который не подключен к земле, а общее напряжение позволяет измерять напряжение до ± 500 В. Подключение является простым, если общий потенциал может быть подан на внешний экран триаксиального кабеля, но пользователь может коснуться внешнего экрана триаксиального кабеля, и, следовательно, пользователь подвергается опасности из-за общего потенциала.Чтобы этого избежать, общий потенциал подключают другим кабелем.
Когда ограждение не используется, подключение может быть выполнено с помощью одного кабеля, подав общий потенциал на внутренний экран триаксиального кабеля (Рисунок 17). Тем не менее, необходимо соблюдать осторожность при возникновении эффекта сопротивления изоляции кабеля и эффекта оседания, описанных в этой связи в главе 2.

Общий потенциал изображен как полностью плавающий как на Рисунке 16, так и на Рисунке 17, но на такое соединение легко влияет влияние внешнего шума.Сторона B2985A / B2987A может быть плавающей, когда общий потенциал соединен с потенциалом где-то на стороне измеряемого источника напряжения, но когда сторона измеренного источника напряжения также является плавающей, тогда сопротивление внешнему шуму может быть улучшено путем подключения общего потенциал с корпусом на стороне B2985A / B2987A.


Рисунок 17 Подключение B2985 / B2987A и DUT (когда защита не используется)

4.2. Настройка усреднения

Во-первых, частота промышленного источника питания устанавливается при усреднении измеренного значения с помощью B2985A / B2987A.Существуют различные промышленные частоты 50 Гц или 60 Гц в зависимости от страны и региона, и, следовательно, цель состоит в том, чтобы сделать время усреднения одинаковым с промышленной частотой для правильного выполнения вышеупомянутого измерения PLC. Достаточно выбрать только автоматическое определение ПЛК из меню, потому что B2985A / B2987A имеет функцию автоматического определения промышленной частоты. Также возможна ручная установка.

Кнопки «Coarse Res» и «Fine Res» на передней панели фактически используются для изменения условий усреднения (Рисунок 18).Если нажать кнопку «Coarse Res», время усреднения станет коротким, а если нажать кнопку «Fine Res», оно, наоборот, станет большим. Обычно есть 3 шага предустановки для изменения, а именно «Быстрая», «Нормальная» и «Стабильная», и если эта кнопка «Скорость», которая появляется в нижнем левом углу экрана во время операции, нажата, настройка выполняется Становится возможным блок ПЛК (Рисунок 19).
Диапазон настройки от 0,001 PLC до 100 PLC.

Рисунок 18 Передняя панель B2985A / B2987A

Рисунок 19 Экран дисплея B2985A / B2987A

Сводка

В этом документе приведены меры предосторожности и коэффициенты запаса погрешности при базовом измерении напряжения, а также объяснены методы противодействия.Ниже приведены ключевые моменты.

  • При измерении напряжения ток, протекающий через входное сопротивление вольтметра, становится коэффициентом запаса погрешности измерения.
  • Сопротивление изоляции соединительного кабеля, а также входное сопротивление самого вольтметра становится фактором допустимой погрешности измерения.
  • Сопротивление изоляции соединительного кабеля можно эквивалентно продемонстрировать с помощью триаксиального кабеля.
  • В случае, если источник измеряемого напряжения имеет высокое выходное сопротивление, необходимо соблюдать осторожность при настройке, исходя из емкости кабеля.
  • Время установления может быть уменьшено с помощью защиты.
  • Измерение напряжения с высоким входным сопротивлением легко зависит от проникновения внешних шумов.
  • Экран эффективен для защиты от внешнего шума.
  • Влияние усреднения на шумы промышленной частоты электросети.

Была объяснена установка, когда фактически выполнялось измерение напряжения с использованием B2985A / B2987A на их основе.

Измерение постоянного и переменного напряжения

Следуя теории, последует практический пример того, как работают измерительные приборы Dewesoft. Будет измерено напряжение в сети общего пользования. Значение входного напряжения сети общего пользования необходимо учитывать, чтобы определить, какой тип входа усилителя необходим для измерения. Общественная сеть в Европе заявлена ​​со значением 230 VRMS, но для обеспечения безопасной работы измерительных приборов необходимо учитывать пиковые значения сети для входного диапазона.Пиковое значение сети в Европе равно среднеквадратичному значению, умноженному на квадратный корень из 2, как показано в приведенном ниже уравнении.

\ (230V_ {RMS} \ cdot \ sqrt {2} \ about325V_ {peak} \)

При пиковом значении 325 В мы можем напрямую использовать модуль Sirius HV-HS, который поддерживает напряжение до 1,6 кВ. Это означает, что мы можем провести простое измерение без каких-либо дополнительных делителей напряжения или усилителей и простого подключения, как показано ниже. Будет использован канал 4, в который встроен усилитель Sirius HV-HS.Остальные каналы можно оставить неактивными (неиспользованными в программном обеспечении), поскольку они не имеют отношения к этому измерению. Следующим шагом является настройка измерительного канала в программном обеспечении, как показано ниже.

Изображение 17: Подключение однофазного напряжения к Sirius 4xHV 4xLV

Окно настройки имеет две стороны: левая сторона - сторона усилителя, а правая - сторона датчика.

Изображение 18: Канал настраивает экран в Dewesoft X

На стороне усилителя мы можем переключаться между диапазоном 50 В и 1600 В.В этом примере будет использоваться диапазон 1600 В. Фильтр низких частот также можно использовать для отсечения высоких частот, но при этом следует соблюдать осторожность. Если берется частота ниже половины частоты дискретизации, это обрезает сигнал в диапазоне измерения, это может быть полезно в некоторых приложениях, но в большинстве случаев эта конфигурация устанавливается по ошибке.

Настройка на стороне датчика заключается в выборе датчика, который будет использоваться для измерения. В этом случае напряжение измеряется напрямую без датчика, поэтому только физическая величина должна быть установлена ​​как напряжение, а единица измерения - как вольт (В).В этой части настройки можно также установить масштабный коэффициент, если для измерения используются датчики или делители. В этом случае он будет иметь значение 1, поскольку напряжение измеряется напрямую и масштабирование не выполняется.

В этом примере настройки сделаны так, чтобы можно было начать измерение. Щелкнув по кнопке Измерение. Лучше всего наблюдать синусоидальную форму волны с помощью осциллографа. При первом открытии осциллографа будет бегущая волна, которую невозможно проанализировать, это связано с тем, что программное обеспечение работает в бесплатном режиме, и измерения нужно как-то проводить.Рекомендуется добавить триггер к стандартному триггеру и определить источник и уровень триггера. Для целей этого примера его можно оставить как есть, поскольку источником запуска является канал U1, а уровень равен 0.

Изображение 19: Экран измерения напряжения с помощью простого триггера

DualCoreADC Mode

В предыдущем разделе Много говорилось о правильном выборе диапазона измерения усилителя. Пришло время взглянуть на впечатляющие возможности двухъядерного режима в усилителях Sirius.При использовании двухъядерного режима Sirius можно получить лучшее разрешение (меньше шума) при низких амплитудах. Это решается с помощью двух 24-битных аналого-цифровых преобразователей с разными диапазонами на каждом канале.

Первый аналого-цифровой преобразователь имеет полный диапазон входного канала, а диапазон второго аналого-цифрового преобразователя составляет только 5% от полного диапазона канала. Эта технология измеряет сигнал с низким и высоким коэффициентом усиления одновременно, что означает, что сигнал может быть измерен с относительно высокой амплитудой, но в то же время он имеет идеальное разрешение при низких амплитудах одного и того же сигнала.

Давайте посмотрим на разницу между двухъядерным режимом и нормальным режимом при измерении низких сигналов с высоким диапазоном:

Изображение 20: Включение двухъядерного режима в Dewesoft X

В этом примере сигнал 0,3 В постоянного тока от включенного калибратора два усилителя ACC будут измерены. На обоих усилителях будет выбран диапазон 10 В (что полная чушь), но это самый простой способ увидеть разницу между включенным или выключенным двухъядерным режимом. Это можно переключить в настройке канала, где также можно установить диапазон.

На первом канале отключим режим Dual core, на втором включим режим Dual core. Это приведет к рендерингу изображения, как показано ниже, где можно увидеть разницу в уровнях шума. Графики, представленные ниже, имеют одинаковый масштаб.

Изображение 21: Разница в уровнях шума при выключенном и включенном двухъядерном процессоре

По уровню шума нетрудно увидеть, где двухъядерный режим выполняет свою работу (справа), а где он выключен (слева). При включенном двухъядерном режиме мы получаем такой же уровень шума в диапазоне измерения 10 В, как если бы мы использовали 0.Диапазон 5 В. Это позволяет нам лучше рассмотреть более низкие сигналы.

Измерение напряжения в приложениях для сбора данных

В этой статье мы обсудим, как сегодня измеряется напряжение применительно к приложениям сбора данных (DAQ), достаточно подробно, чтобы вы:

  • См. , какие датчики и преобразователи напряжения доступны сегодня
  • Изучите основы точного измерения напряжения
  • Понимать , как различные датчики применяются в приложениях измерения напряжения

Готовы начать? Погнали!

Что такое напряжение?

Напряжение - это разность электрических потенциалов между двумя точками.Иногда его также называют напряжением или давлением из-за аналогии между водой и электричеством.

Представьте замкнутую систему водопроводных труб, в которую входит насос. Насос перемещает воду по трубам и вокруг них, создавая разницу в давлении, которая приводит в движение воду. Это давление, толкающее воду, позволяет ей выполнять работу, например, вращать турбину.

Взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением в цепи

В этой аналогии вода представляет собой электричество.Насос представляет собой источник питания. Давление, которое источник питания создает в цепи, представляет собой потенциал напряжения, а скорость, с которой движется вода, представляет собой ток.

Но давайте остановимся в этой статье на напряжении .

Напряжение переменного тока Vs. Напряжение постоянного тока

Напряжение может быть постоянным или переменным, в зависимости от тока, по которому оно протекает. В системах постоянного тока ток никогда не меняет направление. Он однонаправленный, т.е. не меняет полярности.

Но в системах переменного тока ток меняет направление, пересекая 0 В в положительном направлении, затем поворачиваясь и снова пересекая 0 В в отрицательном направлении. Вы можете увидеть как постоянное, так и переменное напряжение (и ток), представленные на графиках ниже:


Цепи постоянного тока (слева) по сравнению с цепями переменного тока (справа)

Самыми известными источниками постоянного напряжения являются обычные батарейки типа AAA или батарейки гораздо большего размера, которые запускают (или даже питают!) Ваш автомобиль. Самый известный источник переменного напряжения - это 120 или 230 В переменного тока, от которого питаются наши дома и предприятия.

Терминология измерения напряжения

Возможно, вы слышали такие термины, как «, несимметричный, », «, несимметричный, » и «, дифференциальный, », и задавались вопросом, что они на самом деле означают с точки зрения измерения напряжения. о опорной точке . Помните, что в самом начале этой статьи мы установили, что напряжение электрической разность потенциалов между двумя точками.

Несимметричные измерения

Несимметричные измерения - это измерения, которые производятся относительно земли.Сигнал передается только по положительному проводу, а другой провод связан с землей. Но кто это дает?

Если измерительный прибор обеспечивает заземление, то измерение классифицируется как « ссылки, несимметричный. »Это часто сокращенно RSE .


Пример несимметричного измерения (RSE)

С другой стороны, если сам сигнал обеспечивает заземление, то измерение классифицируется как « без ссылки, несимметричный », сокращенно NRSE .


Пример несимметричного измерения без ссылки (NRSE)

Дифференциальные измерения

Если мы игнорируем землю и измеряем между двумя точками в цепи, мы делаем дифференциальное измерение . Это называется дифференциалом, потому что мы измеряем РАЗНИЦУ между этими двумя точками. Мы действительно измеряем два сигнала вместо одного в несимметричном сценарии. В каждом дифференциальном канале действительно есть два предусилителя внутри, и эти входы являются плавающими относительно земли.


Пример дифференциального измерения (DIFF)

Плавающие источники сигналов

Вы также можете слышать об источнике сигнала «плавающий». Это просто означает, что он напрямую не связан с землей. Типичным примером такого источника может быть батарея. В случае измерения с выходов беспотенциальных источников сигнала измерительная система должна обеспечивать опорный уровень земли.

Что означают такие термины, как среднее значение, среднеквадратичное значение, размах колебаний?

Напряжение можно измерить несколькими способами.Давайте посмотрим на каждый из этих общих терминов и на то, что они означают.


Визуализация пиков, средних значений, среднеквадратичных значений для синусоидальной формы сигнала

Среднее напряжение (V AV ) - это, как уже сказано в названии, среднее значение за один период. Для чистых синусоидальных сигналов среднее значение будет равно нулю, потому что величина тока в первой положительной половине сигнала равна току в отрицательном полупериоде. Эти токи нейтрализуют друг друга, что приводит к нулю.Таким образом, взяв всего половину цикла, мы можем определить среднее значение, взяв пиковое значение пикового (макс.) И умножив его на 0,637.

Среднеквадратичное значение напряжения (среднеквадратическое значение, также известное как V RMS ) - это квадратный корень из среднего арифметического квадратов значений функции, определяющих непрерывный сигнал. Обычный способ рассчитать среднеквадратичное значение - умножить пиковое значение на 0,707. Среднеквадратичное значение - это наиболее распространенный способ выражения напряжения переменного тока.

Пиковое напряжение (V PK или V MAX ) описывает максимальное напряжение за один период.

Размах напряжения (В PK ) определяет полную амплитуду положительных и отрицательных пиков в пределах одного периода.

Пик-фактор - это отношение максимальных пиковых значений, деленное на среднеквадратичное значение сигнала переменного тока. Поскольку уровни постоянного напряжения и прямоугольные волны не имеют пиков, у них пик-фактор равен 1, тогда как у чистой синусоидальной волны пик-фактор равен 1,414.

Обратите внимание, что в большинстве измерительных систем среднее значение, среднеквадратичное значение, пиковое значение и коэффициент амплитуды обычно вычисляются за период времени, обычно это подмножество выбранной частоты дискретизации системы сбора данных.Это очень полезный способ представления этих ценностей.

Например, в программе сбора данных Dewesoft X пользователь может выбрать любое из этих значений и рассчитать их с делителем выбранной частоты дискретизации. Вот пример экрана настройки, где вы можете выбрать, какие статистические значения вы хотите отображать / записывать:

Экран настройки базовой статистики Dewesoft X

1. Вход В группе «Вход» вы можете выбрать желаемые входные каналы, для которых вы хотите рассчитать желаемую статистику.Статистика поддерживает несколько входных каналов.
2. Выходные каналы Здесь можно выбрать статистику для расчета. Затем они будут показаны как отдельные выходные каналы.
3. Тип расчета В группе Тип расчета можно определить параметры для расчета.
4. Выход Область вывода предлагает быстрый предварительный просмотр вычисленной статистики по выбранному входу, которая будет выводиться как канал, на основе выбранных опций в разделах «Выходные каналы» и «Тип расчета».

На рисунке ниже показано, как это выглядит на экране дисплея. Каналы могут отображаться в различных графических виджетах, от простых числовых дисплеев до полосовых диаграмм, гистограмм и т. Д.

Экран дисплея Dewesoft X, показывающий реальную форму волны (вверху) и статистические значения в таблице ниже и на цифровых измерителях

Что такое синфазное напряжение? Что такое подавление синфазного сигнала?

Синфазные напряжения - это сигналы, которые присутствуют на обоих выводах источника сигнала.На самом деле на обоих выводах не должно быть одинаковых сигналов, поэтому общий режим - это обычно шум, который проник в сигнальную цепь.

Лучший способ устранить или уменьшить синфазное напряжение - это провести дифференциальное измерение.

Чтобы пояснить, давайте немного отступим. В упомянутых выше несимметричных измерениях мы используем один предусилитель для измерения положительной сигнальной линии. Если шум попадает в сигнал, как мы можем сказать? Как мы можем узнать, что такое настоящий сигнал, а что за шум?

Возможно, исходя из опыта, мы можем увидеть 60 Гц поверх сигнала, но это проблема.


Представление дифференциального усилителя

Самый простой подход к устранению синфазных сигналов - использование дифференциального усилителя. Этот усилитель имеет два входа: положительный и отрицательный. Усилитель измеряет только разницу между двумя входами.

Подавление синфазного сигнала

Электрический шум на кабеле нашего датчика должен присутствовать на обеих линиях - положительной линии сигнала и линии заземления (или отрицательной линии сигнала).Сигналы, общие для обеих линий, будут подавляться дифференциальным усилителем, и будет пропущен только сигнал, как показано на рисунке ниже:


Дифференциальный усилитель успешно устраняет синфазные напряжения в пределах своего диапазона напряжения CMV

Это прекрасно работает, но есть пределы того, сколько синфазного напряжения (CMV) усилитель может отклонить. Когда CMV, присутствующий в сигнальных линиях, превышает максимальный входной диапазон CMV дифференциального усилителя, он будет «ограничиваться».В результате получается искаженный, непригодный для использования выходной сигнал, как показано ниже:


Дифференциальный усилитель искажает или "зажимает", когда его входной диапазон CMV превышает

Итак, в этих случаях нам понадобится дополнительный уровень защиты от CMV и электрических шумов в целом (а также от контура заземления, о котором пойдет речь в следующем разделе) - изоляция .

Входы изолированного усилителя «плавают» выше синфазного напряжения. Они разработаны с изолирующим барьером с напряжением пробоя 1000 вольт и более.Это позволяет ему подавлять очень высокий CMV-шум и устранять контуры заземления.


Изолированный дифференциальный усилитель подавляет даже очень высокие значения CMV

Изолированные усилители создают этот изолирующий барьер с помощью крошечных трансформаторов для развязки («плавающего») входа от выхода, небольших оптопар или емкостной связи. Последние два метода обычно обеспечивают наилучшую пропускную способность.

Что такое контур заземления?

Если их не предотвратить, контуры заземления могут стать серьезной проблемой для измерительных систем.Иногда называемый «шумом », контур заземления возникает из-за непреднамеренного подключения электрического оборудования к более чем одному пути к земле - любая разница потенциалов в этих точках заземления вызывает прохождение тока между ними, создавая токовую петлю. Это вызывает искажения сигнала, которые, если они будут достаточно высокими, могут испортить измерение.

На рисунке ниже измерительный усилитель подключен к земле (GND 1) с одной стороны. Для подключения датчика используется асимметричный экранированный кабель, металлический корпус которого размещен на проводящей поверхности в точке GND 2.Из-за длины кабеля существует разница потенциалов между GND1 и GND 2. Эта разность потенциалов действует как источник напряжения, взаимодействуя с электромагнитным шумом из окружающей среды.


Контур заземления, вызванный разностью потенциалов земли

Если датчик может быть отсоединен от GND2, это может решить проблему. Но иногда это невозможно. Кроме того, иногда ссылка на экран кабеля требуется по правилам безопасности, и поэтому его не следует удалять.

Лучшее решение - использовать дифференциальный усилитель в изолированном формирователе сигнала. С одним этим изменением проблема решена.


Устранение проблем с дифференциальным потенциалом земли через изоляцию

Контуры заземления также могут поступать от самого прибора через его собственный источник питания. Имея в виду, что наша измерительная система подключена к источнику питания, у которого есть заземление. Поэтому очень важно отделить эту ссылку от компонентов обработки сигналов прибора, чтобы гарантировать, что внутри прибора не могут возникнуть контуры заземления.


Заземление, индуцированное источником питания

Этот сценарий может стать опасным при неисправности проводки. Если посмотреть на путь высокого тока от источника питания, что произойдет, если обратная линия будет разорвана? Вся энергия будет направлена ​​через часть формирования сигнала оборудования DAQ. Это может привести к повреждению или разрушению всей системы и даже к опасным последствиям для человека, оператора инструмента.


Опасность замыкания цепи заземления источника питания

При полной изоляции пути прохождения сигнала от источника питания описанный выше сценарий невозможен.

Важные условия изоляции

Учитывая всю вышеизложенную информацию, кажется очевидным, что наши измерительные системы должны иметь, по крайней мере, дифференциальные и предпочтительно изолированных аналоговых входа .

Но когда вы просматриваете спецификации изоляции различных систем измерения и формирователей сигналов, вы можете обнаружить, что они указаны с такими терминами, как:

  • канал-земля ,
  • канал-канал и
  • банк изолированный .

Что означают эти термины и как они соотносятся друг с другом?

Изоляция канал-земля

Изоляция канал-земля определяет максимальное напряжение, которое может быть между входом канала и землей прибора. Обычно заземление инструмента связано с землей источника питания. Изолируя сигнальную землю от земли шасси, мы можем устранить большинство проблем с контуром заземления.

Схема изоляции канала от земли

Иногда это также называют изоляцией входа-выхода.Все каналы имеют общую землю, которая изолирована от земли или потенциала земли прибора. Это не было бы ограничением, если бы к системе был подключен только один источник сигнала. Но когда подключаются дополнительные сигналы, каждый из которых имеет разность потенциалов земли, это может привести к шуму во всех сигналах и проблемам с общим режимом.

Если два или более канала имеют общую землю, то они гальванически не изолированы. Будьте осторожны, когда в приборе упоминается только изоляция входа-выхода или канала-земли.

Изоляция между каналами

Изоляция между каналами определяет максимальное напряжение, которое может быть между каналом и любым другим каналом. Например, каналы не могут использовать общую шину заземления. Каждый канал также должен быть изолирован от остальной системы, например напряжение питания системы, заземление шасси и т. д. Если все каналы изолированы друг от друга, то они обязательно также изолированы от земли, поэтому изоляция канал-земля включена в межканальную изоляцию.

Диаграмма разделения каналов

Итак, если в системе есть изоляция канал-земля, это не обязательно означает, что она имеет межканальную изоляцию. НО, если система имеет межканальную изоляцию , то она также должна иметь изоляцию канал-земля.

Системы

SIRIUS DAQ от Dewesoft обеспечивают изоляцию как между каналами, так и между каналами и землей, как показано в этом коротком видео:

Изоляция банка

Изоляция банка обычно используется в системах с большим количеством каналов.В этом сценарии каналы изолированы в группах с общей изоляцией. Это можно сделать либо в целях экономии, либо по необходимости.

Изолирующие компоненты занимают место и потребляют электроэнергию. В системах измерения очень высокой плотности иногда буквально не хватает места для отдельной изоляции каждого канала.

Когда вы посмотрите на совместимые с Dewesoft преобразователи напряжения для определения напряжения далее в этой статье, вы увидите, что преобразователи сигналов SIRIUS HD (High Density) изолированы попарно, где каждые два канала имеют общий путь изоляции.Все остальные формирователи сигналов SIRIUS изолированы на каждый канал.

См. В этой статье формирователи сигналов SIRIUS для измерения напряжения.

Что такое стандарты безопасности CAT?

Глядя на технические характеристики приборов для высоковольтных входов, вы заметите такие термины, как «CAT II» и «CAT III», с некоторыми уровнями напряжения рядом с ними. Что это значит?

«CAT» относится к категории измерений IEC (Международной электротехнической комиссии), в которой указано, как и где используются приборы в отношении цепей под напряжением.Есть четыре категории, перечисленные римскими цифрами I, II, III и IV.

Эти значения CAT в основном относятся к местоположению прибора. Самое низкое значение этого параметра означает, что прибор будет расположен дальше всего от высокого напряжения и переходных потенциалов, в то время как CAT IV относится к местам, очень близким к источникам высокого напряжения и, следовательно, переходных процессов.

Тогда в пределах каждого из этих значений CAT вы часто будете видеть значения напряжения, которые относятся к способности прибора выдерживать переходные процессы вплоть до этого значения.Прибор, рассчитанный на CAT II-1000V, конечно, способен выдерживать многие переходные процессы более высокого уровня, чем прибор, рассчитанный на CAT II-600V.

Расположение примера значения CAT


Уровни CAT и стандарты безопасности по местонахождению

В основном, чем ближе оборудование подключено к первичному источнику напряжения, тем выше вероятность попадания опасных переходных напряжений в прибор и, следовательно, тем выше номер CAT.

Защита от переходных перенапряжений с помощью рабочего напряжения и CAT

Категория Рабочее напряжение Пик переходного процесса Тестовый источник
CAT II 600 В 4000 В 12 Ом
CAT II 1000 В 6000 В 12 Ом
CAT III 600 В 6000 В 2 Ом
CAT III 1000 В 8000 В 2 Ом
CAT IV 600 В 8000 В 2 Ом

В приведенной выше таблице «рабочее напряжение» относится к постоянному или переменному току RMS относительно земли.Пиковый переходный процесс относится к 20 импульсам при заданном уровне напряжения. Импеданс тестового источника исходит от В / А.

Также обратите внимание, что полное сопротивление источника для CAT III и выше составляет 2 Ом по сравнению с 12 Ом для CAT II!

Согласно A = V / R (закон Ома - основной принцип электротехники), источник 2 Ом имеет в шесть раз больше тока, чем источник 12 Ом. Вот почему номер CAT важнее, чем значение напряжения, которое следует за ним. Например, прибор с номиналом CAT II-1000V на не превосходит прибор с классом CAT III-600V из-за такой разницы в сопротивлении источника.

Итак, как узнать, какой уровень CAT и напряжение требуются для вашего высоковольтного приложения? Поскольку высокое напряжение подразумевает не только безопасность вашего оборудования, но и безопасность людей-операторов, всегда учитывайте наихудший случай с точки зрения опасных переходных процессов высокого напряжения и выбирайте прибор, который защитит вас и ваших коллег.

Кондиционеры сигналов Dewesoft с рейтингом CAT

Ассортимент продукции Формирователь сигнала CAT Уровень CAT Напряжение
SIRIUS SIRIUS-HV CAT II 1000 В
SIRIUS-HS-HV CAT II 1000 В
КРИПТОН ОДИН 1xHV CAT II 1000 В
1xHV CAT III 600 В
1xTH-HV CAT II 1000 В
1xTH-HV CAT III 600 В

Что такое перегрузка / перемодуляция сигнала?

Когда уровни сигнала выше ожидаемых, они ограничиваются преобразователем АЦП, что приводит к неправильным измерениям, а это значит, что вам придется проводить тест заново.Это, среди прочего, называется перегрузкой сигнала , ограничением и перемодуляцией .

Инженеры десятилетиями боролись с сигналами с высоким динамическим диапазоном. Динамический диапазон относится к разнице между наименьшим и наибольшим отклонением амплитуды сигнала. Представьте, что вы производите измерение, и большую часть времени сигнал находится в диапазоне милливольт, но иногда он подскакивает до 80 В. Если вы установите входной диапазон на 100 В, чтобы избежать обрезания при нарастании сигнала, разрешение будет равно 80 В. сигнал, когда он находится в диапазоне милливольт, не будет оптимальным.

Инженеры

решили эту проблему, введя один и тот же сигнал в два канала своей измерительной системы и по-разному установив коэффициенты усиления. Это более или менее решает проблему, но создает еще две проблемы:

  1. Вам необходимо вдвое больше каналов измерения в вашей системе.
  2. Анализ данных намного сложнее, потому что вам нужно вручную объединить наборы данных из двух каналов после теста, чтобы создать составной набор данных для каждого канала. Это огромная рабочая нагрузка и дополнительная нагрузка на анализ, особенно если ее умножить на множество каналов.

Лучшим решением была бы система сбора данных, в которой каждый входной канал действительно имел внутри два АЦП, каждый с разным усилением, и быстрый процессор, который автоматически выбирал бы тот, который лучше всего представлял сигнал, и объединял их в единый поток данных. .

Звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой? Это уже было сделано Dewesoft с их SIRIUS DualCore® ADC technology . Каждый канальный усилитель имеет два АЦП, которые всегда измеряют высокий и низкий коэффициент усиления входного сигнала.Это обеспечивает полный возможный диапазон измерения датчика и предотвращает ограничение сигнала.

Выше находится видео, которое показывает и объясняет больше о том, как это работает.

Технология DualCoreADC® компании Dewesoft обеспечивает соотношение сигнал / шум более 130 дБ и динамический диапазон более 160 дБ. Это в 20 раз лучше, чем у 24-битных систем, и в 20 раз меньше шума.

Преобразователи напряжения

Каждый прибор, который может измерять аналоговый сигнал напряжения, может делать это напрямую, верно? Так зачем нам вообще нужен преобразователь напряжения?

Почти каждая система сбора данных и регистратор данных в мире могут напрямую принимать низкие и средние напряжения в диапазонах 0-10 В или 0-50 В, поэтому нам не нужен датчик или преобразователь, чтобы каким-либо образом уменьшать или преобразовывать это напряжение.Для систем сбора данных, таких как модуль Dewesoft SIRIUS HV, доступны стабилизаторы сигналов от 50 В до приблизительно 1000 В, которые могут напрямую и безопасно принимать эти напряжения и внутренне понижать их, чтобы их можно было оцифровать, отобразить и сохранить.

Но при более высоких напряжениях или в любом случае, когда присутствуют опасные для жизни токи и напряжения, важно использовать трансформатор высокого напряжения для понижения высокого напряжения и изоляции оператора-испытателя от опасного напряжения и тока.Такое устройство называется трансформатором напряжения (VT) или трансформатором напряжения (PT).

Типовой трансформатор напряжения

Типичный датчик PT включает трансформатор для понижения очень высокого потенциала - даже выше 10 кВ - до безопасного уровня. Он может быть включен последовательно с контролируемой цепью или поперек нее. Первичная обмотка трансформатора имеет большое количество витков по сравнению с вторичной.

Поскольку подключенное устройство сбора данных обычно имеет очень высокий импеданс, будет протекать очень небольшой ток, поэтому вторичная обмотка ПТ почти не испытывает нагрузки.Большинство PT выводят напряжение от 50 до 200 В, что может принять почти любая система сбора данных.

ПТ

доступны для использования на открытом воздухе и предназначены для использования внутри помещений. Есть также те, которые предназначены для измерения электроэнергии. Существует также альтернатива трансформатору чистого типа, в котором после промежуточного трансформатора используется батарея конденсаторов для дальнейшего понижения напряжения. Они могут быть менее дорогостоящими, поскольку промежуточный трансформатор с относительно низким коэффициентом понижения менее дорог, чем обычный трансформатор с обмоткой с высоким коэффициентом понижения.

Третий вариант - оптический ТН. Оптические трансформаторы напряжения обычно используются на подстанциях, но не часто в приложениях сбора данных. Поскольку они работают по принципу эффекта Фарадея, согласно которому на поляризацию света напрямую влияет магнитное поле, они по своей природе изолированы. К тому же они очень точны.

Наружные ТН 36 и 200 кВ. Фото любезно предоставлено ABB.

Применение преобразователя напряжения

  • Производство и распределение энергии Испытания высоковольтных линий электропередач, синхронизация генераторов с основной электросетью,
  • Aerospace - испытания двигателей и силовых систем
  • Автомобилестроение - испытание системы электрических цепей, гибридных и электродвигателей
  • Транспорт - электрические вагоны метро, ​​испытания третьего рельса и пантографа, центры распределения электроэнергии

Преобразователь напряжения Плюсы

  • Они обеспечивают существенную безопасность инженеру-испытателю и технику
  • Простота использования
  • Большинство моделей не требуют внешнего питания
  • Длительная эксплуатация

Преобразователь напряжения Cons

Что такое сглаживание?

Допустим, ваше переменное напряжение представляет собой синусоидальную волну 10 кГц, но вы берете из него только одну выборку каждую секунду.Очевидно, полученная запись будет совершенно неправильной.

Между каждым отсчетом, который вы берете, пройдет 10 000 синусоидальных волн. Результирующий «сигнал» будет иметь форму волны, но это будет совершенно неверно. Это будет «псевдоним» фактического сигнала. Это опасно, потому что вы получаете что-то похожее на сигнал, но, конечно же, это неправильно.

Рассмотрим практический пример. На рисунке ниже представлен реальный сигнал, который мы пытаемся измерить:

Сигнал, который мы хотим измерить

А теперь представьте, что мы не отбираем его достаточно быстро.Фактически, мы производим выборку со скоростью, показанной точками на графике ниже:

Фактическое расположение образцов показано красным

Вы, наверное, уже видите, как будет выглядеть наш «сигнал» после этого процесса:

Псевдоним

Это совершенно неправильный результат: он совсем не похож на реальный сигнал. Сравним их рядом:

Слева: фактический сигнал
Справа: псевдослучайный сигнал

Наиболее очевидное решение проблемы наложения спектров - просто ускорить выборку, чтобы гарантировать, что частоты ваших сигналов никогда не будут выше, чем может выдержать частота дискретизации.

Но в практическом смысле это не всегда возможно. Например, иногда случаются неожиданные переходные процессы.

Если мы фильтруем в аналоговой области перед АЦП, мы можем предотвратить возникновение проблемы наложения спектров. Обратите внимание, что по-прежнему важно установить достаточно высокую частоту дискретизации для захвата интересующего диапазона частот, но, по крайней мере, с помощью фильтров сглаживания (AAF) мы избежим ложных («псевдонимов») сигналов, нарушающих целостность наших измерений. .

Идеальный AAF должен иметь очень плоскую полосу пропускания И очень резкую отсечку на частоте Найквиста (по существу, половину частоты дискретизации).

График спада фильтра сглаживания

Типичная конфигурация AAF: крутой аналоговый фильтр нижних частот перед АЦП предотвращает прохождение сигналов, превышающих половину максимальной полосы пропускания АЦП. Это то, что Dewesoft делает со своими 16-битными АЦП последовательного приближения, которые используются в модулях SIRIUS-HS.

Однако с их 24-битными дельта-сигма АЦП, которые присутствуют в системах сбора данных SIRIUS, KRYPTON и IOLITE почти во всей линейке продуктов, системы Dewesoft DAQ имеют дополнительный фильтр DSP на самом АЦП, который автоматически настраивается на основе выборки оценка, которую выбрал пользователь.Этот многоступенчатый подход обеспечивает наиболее надежную фильтрацию сглаживания, доступную на сегодняшний день в системах сбора данных.

Технология быстрых сигма-дельта АЦП от Dewesoft является наилучшим подходом к предотвращению наложения спектров.

Устройства для измерения общего напряжения

Voltage - один из наиболее часто регистрируемых сигналов, и практически любое оборудование DAQ в мире может его в той или иной степени измерить. Другие инструменты также могут измерять напряжение, такие как лабораторные осциллографы и вольтметры, и это лишь некоторые из них.

Вольтметры

очень точны, но имеют низкую полосу пропускания, в то время как осциллографы имеют очень широкую полосу пропускания, но, например, не так точны. В таблице ниже они разбиты на низкие и высокие диапазоны, точность и пропускную способность:

Инструмент Низкий диапазон напряжения Высокий диапазон напряжения Точность Пропускная способность
Вольтметр /
Цифровой мультиметр
Милливольт 1000 В Очень хорошо Очень низкий
Осциллограф Милливольт 50 В (выше с делителем) От удовлетворительного к хорошему Очень высокий
Регистратор данных Низкое напряжение 100 В От удовлетворительного к хорошему Низкий
Система сбора данных микровольт или милливольт от 100 В до 1000 В Очень хорошо Средний
Анализатор мощности Милливольт от 100 В до 1000 В Очень хорошо Средний

Цифры являются лишь обобщением: на рынке много инструментов, и их характеристики могут сильно различаться.

Кроме того, иногда вам нужно измерить очень крошечные напряжения, то есть в диапазоне микровольт ... и вплоть до тысяч вольт. Предварительный усилитель напряжения с несколькими входными диапазонами необходим для преобразования этих сильно различающихся уровней сигнала в нормализованный выходной сигнал, который может быть оцифрован. Иногда крошечное напряжение накладывается на большое смещение постоянного тока, что является еще одной проблемой, с которой сталкиваются многие измерительные системы.

Совместимые устройства Dewesoft для измерения напряжения в диапазоне напряжений

0-10 В 0-50 В 0-200 В 0–1000 В 1000 В +
√ совместим (xxx) = требуются модули и / или аксессуары
СИРИУС √ (НН, ВН, СТГ, ACC) √ (НН, ВН) √ (ВН) √ (ВН) √ (PT)
KRYPTON
(многоканальный
√ (НН, СТГ) √ (LV) √ (STG + DSI-V-200) √ (LV + PT) √ (LV + PT)
KRYPTON ONE
(одноканальный)
√ (НН, ВН, ACC, STG) √ (НН, ВН, СТГ) √ (НН, ВН, СТГ + DSI-V-200) √ (ВН) √ (ВН + ПТ)
ИОЛИТ √ (НН, СТГ) √ (НН, СТГ) √ (STG + DSI-V-200) √ (СТГ + ПТ) √ (СТГ + ПТ)
IOLITEd √ (НН, СТГ) √ (НН, СТГ) √ (STG + DSI-V-200) √ (СТГ + ПТ) √ (СТГ + ПТ)
DEWE-43A √ (DSI-V-200) √ (DSI-V-200) √ (PT) √ (PT)
MINITAUR √ (DSI-V-200) √ (DSI-V-200) √ (PT) √ (PT)
SIRIUS MINI

PT = потенциометрический трансформатор абсолютно необходим для безопасности, изоляции и разделения напряжения

Системы сбора данных SIRIUS

Системы сбора данных

SIRIUS HS (High Speed) доступны в широком диапазоне физических конфигураций, от модульных «срезов», которые подключаются к вашему компьютеру через USB или EtherCAT, систем для монтажа в стойку R3 и автономных R1, R2 и R8. системы со встроенным компьютером.

Линейка продуктов системы сбора данных SIRIUS

Если вы посмотрите на формирователи сигналов Dewesoft SIRIUS DualCore и SIRIUS HS , вы увидите, что все эти модули обеспечивают межканальное напряжение изоляции и напряжение между каналом и землей 1000 В (модуль HV дополнительно Категория безопасности CATII). Усилители высокой плотности SIRIUS HD изолированы попарно ± 500 В.

В реальном мире сбора данных часто бывает больше, чем просто входные сигналы - формирователи сигналов часто обеспечивают напряжение или ток возбуждения для питания датчиков.Тензодатчики, датчики веса, RTD, LVDT и акселерометры IEPE - все это хорошие примеры датчиков, которым требуется питание.

Иногда производители систем сбора данных не замечают, что важно, чтобы эти линии возбуждения были изолированы, поэтому Dewesoft обеспечивает изоляцию и / или дифференциальные входы и защиту от перенапряжения с возможностью прямого замыкания на землю в своей линейке продуктов и защищает ее инструменты и люди-операторы из контуров заземления.

Модули SIRIUS DualCore® для напряжения

Модули SIRIUS с расширенным динамическим диапазоном и их совместимость с измерениями напряжения напрямую и с использованием адаптеров DSI:

Модули SIRIUS DualCore® (до 8 входных каналов на срез SIRIUS)
LV
Низкое напряжение
HV
Высокое напряжение
STG
Универсальный / LV
STGM
Универсальный / LV
ACC
IEPE, LV
Входные диапазоны ± 200 В, ± 20 В, ± 10 В, ± 1 В, ± 100 мВ ± 1200 В, ± 50 В ± 50 В, ± 10 В, ± 1 В, ± 100 мВ ± 10 В, ± 1 В, ± 100 мВ, ± 10 мВ ± 10 В, ± 500 мВ
Входная муфта постоянный ток, переменный ток 1 Гц (3, 10 Гц SW) DC постоянный ток, переменный ток 1 Гц (3, 10 Гц SW) DC постоянный ток, переменный ток 0.1 Гц, 1 Гц
Датчик возбуждения 2..30 В биполярный, 0..24 В униполярный, макс. 0,2 А / 2 Вт НЕТ 0..20 В макс. 0,8 Вт, 0..60 мА макс. 0,5 Вт 0..15 В макс. 44 мА (только IEPE) 2,4,8,12,
Напряжение изоляции 1000 В CATII 1000V 1000 В 1000 В 1000 В

Примечание. Для возбуждения датчика в модуле LV требуется входной разъем DB9.

SIRIUS HD - Модули высокой плотности для напряжения

Модуль SIRIUS с высокой плотностью размещения до 16 каналов на срез SIRIUS для приложений с большим количеством каналов.

Модули SIRIUS HD (High Density) (до 16 входных каналов на срез SIRIUS)
HD-LV
Низкое напряжение

HD-STGS
Универсальный / LV

HD-ACC
IEPE / LV
Входные диапазоны ± 100 В, ± 10 В, ± 1 В, ± 100 мВ ± 10 В, ± 1 В, ± 100 мВ, ± 10 мВ ± 10 В, ± 5 В, ± 1 В, ± 200 мВ
Входная муфта DC DC постоянный ток, переменный ток 0.1 Гц, 1 Гц
Датчик возбуждения 2..30 В биполярный, 0..24 униполярный, макс. 0,2 А / 2 Вт 0..12V макс. 44 мА только IEPE
4,8,12 мА
Напряжение изоляции 500 В парами 500 В парами 500 В парами

Примечание. Для возбуждения датчика в модуле LV требуется входной разъем DB9.

SIRIUS HS - Высокоскоростные модули для напряжения

1 МГц 16-битная технология SAR с программно выбираемой фильтрацией без псевдонимов - идеальный выбор для записи переходных процессов.До 8 каналов на модуль SIRIUS.

Модули SIRIUS HS (High Speed) (до 8 входных каналов на каждый слайс SIRIUS)
HS-LV
Низкое напряжение
HS-HV
Высокое напряжение
HS-STG
Универсальный / LV
HS-ACC
IEPE / LV
Входные диапазоны ± 100 В ... ± 50 мВ ± 1600 В ... ± 20 В ± 50 В ... ± 20 мВ ± 10В... ± 100 мВ
Входная муфта постоянный ток, переменный ток 1 Гц (3, 10 Гц SW) DC постоянный ток, переменный ток 1 Гц (3, 10 Гц SW) постоянный ток, переменный ток 1 Гц (3, 10 Гц SW)
Датчик возбуждения 2..30 В биполярный, 0..24 В униполярный, макс. 0,2 А / 2 Вт НЕТ 0..20 В макс. 0,8 Вт, 0..60 мА макс. 0,5 Вт только IEPE
4,8,12 мА
Напряжение изоляции 1000 В CATII 1000V 1000 В 1000 В

Примечание. Для возбуждения датчика в модуле LV требуется входной разъем DB9.

Узнайте больше о системах SIRIUS DAQ.

Узнайте больше о технических характеристиках SIRIUS.

DAQ-системы DEWE-43A и MINITAUR

DEWE-43A - чрезвычайно портативная портативная система сбора данных общего назначения. Подключаемый к компьютеру через фиксируемый USB-разъем, он имеет восемь универсальных аналоговых входов, которые могут напрямую измерять низкие напряжения и напряжения до ± 200 В с помощью адаптеров DSI-V-200.

Аналоговые входы являются дифференциальными, но не изолированными. Его «старший брат» называется MINITAUR - по сути, это DEWE-43A, объединенный с компьютером и некоторыми другими функциями в одном портативном корпусе.Универсальные входы обеих систем совместимы с адаптерами DSI Dewesoft, что позволяет подключать датчик RTD к любому или ко всем из их восьми входных каналов.

Слева: портативная система сбора данных DEWE-43A
Справа: модель MINITAUR, включая встроенный компьютер

Обе модели имеют дифференциальные универсальные входы, которые в основном представляют собой полномостовые / низковольтные модули, совместимые с адаптерами серии DSI, которые доступны для многих различных датчиков, а также для напряжений до ± 200 В, как упоминалось выше.В адаптерах DSI используется технология TEDS для автоматической настройки в программном обеспечении Dewesoft X DAQ. Просто подключите адаптер DSI к входу DB9 выбранного входа, проверьте свои настройки на экране настройки оборудования в программном обеспечении Dewesoft X, и вы готовы приступить к измерениям.

DEWE-43A и MINITAUR для измерения напряжения

DEWE-43A MINITAUR
Диапазоны напряжения (прямое) ± 10 В, ± 1 В, ± 100 мВ, ± 10 мВ DualCoreADC, высокий и низкий диапазоны:
± 10 В (500 мВ), ± 1 В (50 мВ), ± 100 мВ (5 мВ), ± 10 мВ (0.5 мВ)
Диапазоны напряжения с использованием DSI-V-200 до ± 200 В до ± 200 В
Входная муфта DC DC
Питание датчика ± 5 В ± 0,1% питания датчика моста, предел 70 мА (недоступно при использовании адаптера DSI) Программируется программно от 0 до 12 В постоянного тока (16-битный ЦАП), макс. 44 мА (недоступно при использовании адаптера DSI)
Тип ввода Дифференциал Дифференциал
Защита входа от перенапряжения +70 В In + to In-: 50 В непрерывно; 200 В пиковое (10 мс)

Подробнее о DEWE-43A.

Узнайте больше о MINITAUR.

Подробнее об адаптерах DSI.

Системы сбора данных KRYPTON и KRYPTON ONE

KRYPTON - это линейка продуктов повышенной прочности, доступных от Dewesoft. KRYPTON, выдерживающий экстремальные температуры, удары и вибрацию, имеет класс защиты IP67, защищая их от воды, пыли и т. Д. Они подключаются к любому компьютеру с ОС Windows (включая защищенную модель процессора KRYPTON со степенью защиты IP67 от Dewesoft) через EtherCAT и могут быть разделены на расстояние до 100 метров (328 футов), что позволяет размещать их рядом с источником сигнала.Как и SIRIUS, они используют самое мощное программное обеспечение для сбора данных на рынке, Dewesoft X.

Типичный многоканальный модуль KRYPTON с подключенными различными адаптерами DSI

Эти чрезвычайно надежные системы также доступны в одноканальных модулях под названием KRYPTON-1. И многоканальный, и одноканальный KRYPTON обеспечивают одинаковый уровень производительности и экологической устойчивости.

Многоканальные модули KRYPTON для напряжения

Многоканальные модули KRYPTON
KRYPTON LV
Высокое напряжение изоляции
STG
Универсальный / низковольтный
ACC
Напряжение / IEPE
Количество каналов 4 или 8 каналов 3 или 6 каналов 4 канала
Диапазон напряжения ± 50 В ± 10 В, ± 1 В, ± 100 мВ, ± 10 мВ ± 10 В, ± 5 В, ± 1 В, ± 200 мВ
Входная муфта DC DC постоянный ток, переменный ток 0.1 Гц, 1 Гц
Датчик возбуждения НЕТ 0 ... 15 В макс. 0,4 Вт / канал
(предел 45 мА)
IEPE 4 мА, 8 мА
Напряжение изоляции 1000 В Дифференциал Дифференциал

Одноканальные модули KRYPTON ONE для напряжения

Одноканальные модули КРИПТОН-1
LV
Низковольтный
HV
Высокое напряжение
STG
Универсальный / LV
ACC
IEPE / LV
Диапазоны напряжения ± 50 В, ± 10 В,
± 1 В, ± 100 мВ
± 1000 В ± 50 В, ± 10 В,
± 1 В, ± 100 мВ
± 10 В, ± 5 В, ± 1 В, ± 200 мВ
Входная муфта постоянный ток, переменный ток 1 Гц DC постоянный ток, переменный ток 1 Гц постоянный ток, переменный ток 0.1 Гц, 1 Гц
Датчик возбуждения НЕТ DC свободно программируемый
через 16-битный ЦАП)
только IEPE
4 мА, 8 мА при 24 В постоянного тока
Напряжение изоляции 125 В RMS
CH, GND
CAT III 600 В
CAT II 1000 В
125 В RMS
CH, GND
125 В RMS
CH, GND

Вверху слева: высоковольтный модуль KRYPTON ONE
Выше слева: высоковольтный модуль KRYPTON ONE

Узнайте больше об инструментах KRYPTON DAQ.

Системы сбора данных IOLITE

IOLITE - это уникальный продукт, сочетающий в себе основные возможности промышленной системы управления в реальном времени с мощной системой сбора данных. С IOLITE сотни аналоговых и цифровых каналов могут быть записаны на полной скорости, одновременно отправляя данные в реальном времени на любой мастер-контроллер EtherCAT стороннего производителя.

Слева: система для монтажа в стойку IOLITEr с 12 слотами для модулей ввода
Справа: настольная система IOLITEs с 8 слотами для модулей ввода

Модули многоканального ввода IOLITE
8xLV
Низкое напряжение
6xSTG
Универсальный / LV
Количество каналов 8 6
Диапазоны напряжения ± 100 В, ± 10 В
(± 10 В, ± 1 В по запросу)
± 50 В, ± 10 В, ± 1 В, ± 100 мВ
Входная муфта DC постоянный ток, переменный ток 1 Гц
Датчик возбуждения НЕТ 0 - 12 В (биполярный), 0.0,24 В (униполярный) макс. 0,4 Вт / канал
Напряжение изоляции 1000 В Дифференциал

Узнайте больше о системах сбора данных и управления IOLITE.

Как измерить ток и напряжение с помощью осциллографа

Большинство осциллографов напрямую измеряют только напряжение, а не ток, однако есть несколько способов измерить ток с помощью осциллографа:

  1. Измерьте падение напряжения на шунтирующем резисторе - в конструкции некоторых блоков питания могут быть встроены шунтирующие резисторы для обратной связи.Один из способов - измерить падение дифференциального напряжения на таком резисторе. Обычно это резисторы небольшого номинала, часто менее 1 Ом.
  2. Измерение тока с помощью токового пробника - При использовании в сочетании с возможностями измерения напряжения осциллографа, токовые пробники могут обеспечивать широкий спектр важных измерений мощности, таких как мгновенная мощность, средняя мощность и фаза.

Чтобы ваши текущие измерения были максимально точными, необходимо выбрать и правильно применить наиболее подходящую технику.У каждого из двух вышеперечисленных методов есть свои преимущества и недостатки, которые мы рассмотрим ниже:

Измерение тока как падения напряжения на шунтирующем резисторе

Если в блок питания встроен резистор считывания тока («шунтирующий» резистор), это наиболее удобный подход.

Измерение падения напряжения на измерительном резисторе с помощью активного дифференциального пробника даст хорошие результаты, , если синфазный сигнал находится в пределах указанного рабочего диапазона пробника и падение напряжения достаточно велико .

Однако использование дифференциального пробника для сигналов низкого уровня требует некоторого внимания к снижению шума в системе измерения.

  • Используйте наименьшее доступное затухание пробника и ограничьте полосу пропускания пробника или осциллографа, чтобы уменьшить шум системы измерения.
  • Также имейте в виду, что емкость и сопротивление пробника будут параллельны чувствительному резистору, и, хотя они предназначены для минимизации воздействия на тестируемое устройство, вы должны знать, что они существуют.

Подключение сенсорного резистора последовательно с нагрузкой требует тщательного проектирования. По мере увеличения значения сопротивления падение напряжения на ампер увеличивается в соответствии с законом Ома, что улучшает качество измерения тока. Однако рассеиваемая мощность в резисторе увеличивается пропорционально квадрату тока, и необходимо учитывать дополнительное падение напряжения. Кроме того, резисторы добавляют цепи индуктивное сопротивление.

И не забывайте, что входная емкость дифференциального пробника появляется параллельно измерительному резистору, образуя RC-фильтр.

Если вы добавляете в схему резистор считывания, попытайтесь добавить его как можно ближе к земле , чтобы минимизировать синфазные сигналы на резисторе, которые измерительная система должна отклонить. И, в отличие от высокопроизводительных токовых пробников, характеристика подавления синфазного сигнала при измерениях дифференциального напряжения имеет тенденцию к падению по частоте, что снижает точность измерений высокочастотного тока с помощью измерительных резисторов.

Измерение тока с помощью токоизмерительного щупа

Ток, протекающий через проводник, вызывает образование поля электромагнитного потока вокруг проводника.Токовые пробники предназначены для определения силы этого поля и преобразования ее в соответствующее напряжение для измерения с помощью осциллографа.

Это позволяет просматривать и анализировать формы сигналов тока с помощью осциллографа. При использовании в сочетании с возможностями осциллографа для измерения напряжения пробники тока также позволяют выполнять широкий спектр измерений мощности. В зависимости от математических возможностей осциллографа, эти измерения могут включать в себя мгновенную мощность, истинную мощность, полную мощность и фазу.

Существует два основных типа токовых пробников для осциллографов:

  • Датчики переменного тока
  • Датчики постоянного / переменного тока.

Оба типа используют принцип действия трансформатора для измерения переменного тока (AC) в проводнике.

Для работы трансформатора через проводник должен протекать переменный ток. Этот переменный ток вызывает формирование и схлопывание магнитного поля в соответствии с амплитудой и направлением тока.Когда чувствительная катушка помещается в это магнитное поле, изменяющееся магнитное поле индуцирует пропорциональное напряжение на катушке посредством простого действия трансформатора. Этот связанный с током сигнал напряжения затем преобразуется и может отображаться на осциллографе в виде волны с масштабированием по току.

Простейшие пробники переменного тока представляют собой пассивные устройства, которые представляют собой просто катушку, намотанную в соответствии с точными характеристиками на магнитный сердечник, такой как ферритовый материал. Некоторые из них являются сплошными тороидами и требуют от пользователя прокладки проводника через сердечник.В токовых пробниках с разъемным сердечником используется точно спроектированная механическая система, которая позволяет открывать сердечник и зажимать его вокруг проводника без разрыва цепи при испытании. Пробники тока Splitcore обладают высокой чувствительностью и работают без питания, но они механически жесткие и обычно имеют небольшую апертуру, что может ограничивать их универсальность.

Пробники переменного тока

, основанные на технологии катушки Роговского, являются альтернативой пробникам с твердым и разъемным сердечником. Катушка Роговского использует воздушный сердечник и является механически гибкой, что позволяет открывать катушку и наматывать ее на провод или вывод компонента.И, поскольку сердечник не является магнитным материалом, катушки Роговского не насыщаются магнитным полем при высоких уровнях тока, даже в тысячи ампер. Однако они, как правило, имеют более низкую чувствительность, чем пробники с разъемным сердечником, и им требуются активные формирователи сигнала для интеграции сигнала с катушки, и, следовательно, требуется источник питания.

Для многих применений преобразования энергии пробник переменного / постоянного тока с разъемным сердечником является наиболее универсальным, точным и простым в использовании решением. В датчиках переменного / постоянного тока используется трансформатор для измерения переменного тока и устройство на эффекте Холла для измерения постоянного тока.Поскольку они включают в себя активную электронику для поддержки датчика Холла, для работы зондов переменного / постоянного тока требуется источник питания. Этот источник питания может быть отдельным источником питания или может быть интегрирован в некоторые осциллографы.

Как измерить ток с помощью осциллографа

Что измеряет осциллограф?

Большинство потребительских товаров включает электронные схемы или компоненты, и осциллограф используется на протяжении всего процесса разработки продукта для тестирования этих компонентов.Но что такое осциллограф? А что измеряет осциллограф?

Осциллограф - это прибор, который графически отображает электрические сигналы и показывает, как эти сигналы меняются с течением времени. Инженеры используют осциллографы для измерения электрических явлений и быстрого тестирования, проверки и отладки своих схем. Основная функция осциллографа - измерение волн напряжения. Эти волны отображаются на графике, который может многое рассказать о сигнале, например:

  • Время и значения напряжения сигнала.
  • Частота колебательного сигнала.
  • "Движущиеся части" цепи, представленные сигналом.
  • Частота, с которой происходит определенная часть сигнала относительно других частей.
  • Указывает, искажает ли сигнал неисправный компонент.
  • Какая часть сигнала составляет постоянный ток (DC) или переменный ток (AC).
  • Какая часть сигнала является шумом и меняется ли шум со временем.

На самом базовом уровне график, отображаемый на осциллографе, показывает, как сигнал изменяется с течением времени, при этом напряжение отображается вертикально по оси Y, а время отображается горизонтально по оси X.

Интенсивность или яркость сигнала на дисплее осциллографа иногда называют осью Z. В осциллографах с цифровым люминофором (DPO) ось Z может быть представлена ​​с помощью градации цвета дисплея.

Для получения дополнительной информации о восстановлении сигналов, целостности сигналов и измерениях формы сигналов прочтите об основах работы с осциллографами.

Что измеряет осциллограф?

Хотя осциллографы в первую очередь предназначены для измерения вольт, они могут обнаруживать и измерять множество других сигналов, включая ::

Текущий

Есть несколько способов использовать осциллограф для измерения тока; можно было бы измерить напряжение, падающее на шунтирующем резисторе.Другой - просто использовать токовый пробник.

Звук

Звук можно измерять с помощью осциллографа. Вам понадобится преобразователь (для «преобразования» аудиосигнала в напряжение), который вы затем подключите к каналу на прицеле. Затем вы отобразите сигнал как соответствующее напряжение в зависимости от времени.

Емкость

Хотя осциллограф не дает прямого измерения емкости, его можно использовать для измерения постоянной времени, чтобы определить фактическую емкость электрической системы или компонента с помощью генератора произвольных функций.

Напряжение постоянного тока

Большинство современных осциллографов позволяют автоматически измерять напряжение постоянного тока. Однако вы можете измерить его вручную, «посчитав» вертикальные сетки и умножив на вольты на деление.

Частота

Как и в случае с постоянным напряжением, большинство современных осциллографов измеряют частоту автоматически. Однако можно вычислить частоту вручную, вычислив период сигнала (с помощью курсоров или горизонтальных сеток) и разделив 1 на период, дающий вам частоту.

Индуктивность

Если у вас нет измерителя LCR, вы можете измерить индуктивность с помощью осциллографа и функционального генератора. Это будет простое измерение с погрешностью от 3 до 5%.

Подберите осциллограф, подходящий для вашего приложения

Не все осциллографы одинаковы. Поэтому, прежде чем решить, в какую машину вложить средства, важно понимать требования вашего проекта и тип осциллографа, который может вам понадобиться для получения наиболее эффективных и точных измерений.

При выборе осциллографа необходимо учитывать ряд факторов, включая полосу пропускания, время нарастания, частоту дискретизации, плотность каналов и совместимые пробники. Прочтите нашу разбивку по выбору осциллографа или ознакомьтесь с нашей полной линейкой осциллографов, чтобы найти тот, который подходит для вашего приложения.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *