Rozwiązania konstrukcyjne fazoczułych wskaźników zera

Abstract

Prezentowana praca dotyczy przedstawienia dotychczasowych rozwiązań konstrukcyjnych fazoczułych wskaźników zera. Wskaźnik zera jest narzędziem pomiarowym w układach pomiarowych, w których wykorzystano metodę zerową. Metoda ta polega na badaniu powstającej różnicy wartości dwóch porównywanych (komparowanych) wielkości aktywnych (nośniki energii). Wielkości pasywne możliwe są do pomiaru jedynie wtedy, gdy zastosujemy w układzie przetworniki przetwarzające je na wielkości aktywne. Wskaźniki zera buduje się jako urządzenia analogowe i cyfrowe. Zastosowanie selektywnego wskaźnika zera o dużej czułości jest warunkiem precyzyjnych pomiarów. Dużą czułość uzyskuje się poprzez minimalizację jego współczynnika szumów oraz odpowiednie zawężenie jego charakterystyki częstotliwościowej. Projektując fazoczułe wskaźniki zera należy zwrócić uwagę na możliwość ich rozbudowy.

W pracy przedstawiono podstawowe parametry, zastosowanie oraz możliwości metrologiczne w/w urządzeń.
Autor: Tomasz KOSIOR

1. PODSTAWOWE PARAMETRY WSKAŹNIKA ZERA

1.1 POBUDLIWOSC WSKAŹNIKA

Pobudliwość napięciowa i pobudliwość fazowa to podstawowe parametry wskaźników zera prądu przemiennego. Porównanie ze sobą dwóch wartości prądu lub napięcia jest obarczone błędem zwanym błędem pobudliwości. Błąd ten zależy jedynie od mocy delta P0 przekazywanej przez obwód pomiarowy do wskaźnika. Minimum tego błędu występuje przy dopasowaniu impedancyjnym obwodu wejściowego do wyjściowego.

Zależność matematyczna opisująca błąd ma postać:


Przytoczony wzór wskazuje, że w warunkach dopasowania wskaźnika do układu pomiarowego błąd pobudliwości zależy wyłącznie od mocy delta P0. Niejednokrotnie przy budowie przyrządów wskazówkowych dąży się do tego, aby pobudliwość była możliwie największa. Jedynym ograniczeniem jest fakt, że wraz z sygnałem mierzonym do wskaźnika dostarczana jest dodatkowa moc ,której źródłem są szumy termiczne. Powstają one w rezystorach obwodu pomiarowego oraz na wzmacniaczach scalonych wskaźnika.

Maksymalną moc szumów przekazywaną przez rezystor do układu pomiarowego wyraża wzór:


Stosunek mocy sygnału niezrównoważenia układu pomiarowego do mocy szumów nie może być mniejszy od 1. To determinuje maksymalną wartość pobudliwości, którą określa wzór dla temperatury T = 300 K


Z powyższej zależności wynika, że przesunięcie granicy pobudliwości w kierunku większych częstotliwości wymaga zawężenia pasma, przy której pracuje wskaźnik lub zmniejszenia temperatury otoczenia układu pomiarowego.

1.2 SELEKTYWNOŚĆ WSKAŹNIKA

Teoretycznie całkowite zrównoważenie zerowego układu zmiennoprądowego jest możliwe tylko wtedy, gdy kształt krzywej napięcia mierzonego i porównawczego jest identyczny. Napięcie porównawcze jest zwykle sinusoidalne. Napięcie mierzone uzyskiwane jest z różnych elementów układu o nieliniowych charakterystykach i często ma kształt niesinusoidalny. Dokładność pomiarów jest zależna od zawartości wyższych harmonicznych w napięciu zasilającym lub w poszczególnych obwodach układu pomiarowego. Harmoniczne te powstają w wyniku odkształceń napięcia.

Aby zminimalizować wpływ harmonicznych stosuje się filtry klasyczne i filtry synchroniczne. Przepuszczają one jedynie harmoniczną podstawową a tłumią wyższe harmoniczne. Wykonanie selektywnych wzmacniaczy przy częstotliwości f = 50 Hz jest bardzo kłopotliwe a nawet trudne do zrealizowania. W układach zmienno prądowych zagadnienie selektywności jest bardzo istotne i musi być uwzględniane.

W przeciwnym razie wynik pomiaru będzie obarczony dodatkowym błędem a przy braku selektywności powstają trudności w zrównoważeniu układu.

1.3 IMPEDANCJA WSKAŹNIKA

Maksymalna czułość układu pomiarowego wymaga optymalnego doboru wskaźnika zera do parametrów układu. Prowadzone badania stwierdziły, że maksymalną czułość uzyskuje się, gdy reaktancje: wyjściowa układu i wejściowa wskaźnika zera, będą sobie równe, lecz o przeciwnych znakach. Ich rezystancje powinny być równe.

W praktyce zadowalamy się równością modułów tych impedancji. Wskaźniki o wzmacniaczach elektronicznych amplitudowe i fazoczułe mogą mieć wejścia symetryczne i asymetryczne. Wejścia asymetryczne może charakteryzować się dużą rezystancją, ale jeden z przewodów wejściowych musi być uziemiony.

1.4 ROZDZIELCZOŚĆ WSKAŹNIKA

W metodach zerowych prądu przemiennego do właściwego zrównoważenia modułów i faz nie wystarcza fazoczułość wskaźnika. Powinien jeszcze działać rozdzielczo tzn. zapewnić równoważenie osobno składowej czynnej i biernej sygnału. Dopiero wtedy proces równoważnia układu przebiega sprawnie i szybko. Równoważnie osobno składowej czynnej i biernej uzasadnia w pełni zastosowanie we wskaźniku dwóch mierników – jeden wskazuje składową czynną a drugi bierną sygnału.

1.5 CZUŁOŚĆ WSKAŹNIKA

W układzie wskaźnika rozróżnia się dwie czułości: czułość na składową bierną i składową czynną sygnału. W praktyce czułość wskaźnika charakteryzuje jego stała równa odwrotności czułości danego wskaźnika. Porównując czułości układów pomiarowych równoważonych przy wykorzystaniu wskaźników niefazoczułych i fazoczułych należy uwzględnić różnice jakie wynikają ze sposobu równoważenia układu. Wskaźnik niefazoczuły reaguje na zmiany amplitudy wektora napięcia niezrównoważenia, natomiast wskaźnik fazoczuły reaguje na zmiany odpowiednich składowych tego wektora.