Измерения в цепях переменного тока

Измерения в цепях переменного тока играют ключевую роль в проектировании, наладке и эксплуатации электрических и электронных систем. В отличие от постоянного, переменный ток (AC) характеризуется переменными во времени параметрами — амплитудой, частотой и фазой, — что требует более сложных методов и инструментов измерения. Правильное определение таких величин, как сила тока, напряжение, мощность, угол фазы и частота, позволяет не только контролировать работу оборудования, но и обеспечивать его безопасность, надежность и энергоэффективность. В данной статье рассматриваются как теоретические основы, так и практические аспекты измерений в AC-цепях — от базовых принципов до использования современных измерительных приборов.

Вольтметры и амперметры AC

Электромеханические измерительные механизмы, применяемые в этих цепях, бывают двух типов: основанные на конструкции для постоянного тока и специально разработанные под переменку. Например, измерительные головки с подвижной катушкой и постоянным магнитом (PMMC) не подходят для прямого подключения к переменному напряжению — стрелка будет хаотично дергаться, меняя направление на каждом полупериоде. Это связано с тем, что такие механизмы, как и двигатели с постоянным магнитом, чувствительны к полярности вольтажа или направлению тока.

Чтобы использовать такую стрелочную головку в цепях AC, сигнал необходимо сначала выпрямить — чаще всего это делается с помощью диодов. Диоды работают как односторонние клапаны: пропускают ток в одном направлении и блокируют в другом. При использовании мостовой схемы из четырёх диодов можно добиться постоянного направления тока через измерительный механизм на всем протяжении переменного цикла.

Альтернативный подход — использовать конструкции, изначально нечувствительные к полярности. Например, механизмы с железными подвижными элементами (вставками), которые втягиваются в катушку с током. Такая схема позволяет измерять I или U независимо от направления.

Как и в случае с измерениями постоянного сигнала, для расширения диапазона измерений могут применяться последовательно подключаемые резисторы (мультипликаторы) или делители напряжения.

Вместо резисторов могут быть и конденсаторы — это позволяет избежать выделения тепла, так как энергия не рассеивается в виде потерь.

Также существуют электростатические измерительные механизмы, основанные на притяжении между заряженными пластинами. Они имеют очень высокое входное сопротивление и подходят для измерения больших напряжений, но отличаются низкой чувствительностью и высокой подверженностью механическим помехам.

Действующее значение напряжения

Один из ключевых вопросов в измерении переменного сигнала — определение действующего значения (RMS). Ни один из рассмотренных до сих пор типов механических измерителей не отображает истинное RMS-значение — они показывают среднее, которое может заметно отличаться. Например, при синусоиде среднее значение составляет 0,637 от амплитуды, тогда как RMS — 0,707. Для коррекции шкалы измерения в приборах используют коэффициент пересчёта, равный примерно 1,11. Правда этот метод работает только при условии, что форма сигнала — чистая синусоида. Для треугольных или прямоугольных сигналов такой пересчёт уже даёт неверный результат.

Реальный способ измерения RMS вне зависимости от формы сигнала — преобразование электрической энергии в тепловую. Если подключить измеряемое напряжение к резистору и зафиксировать выделяющееся тепло с помощью термопары, можно получить точное значение действующего значения. Несмотря на технические сложности, такой подход используется в современных высокоточных приборах, обеспечивая «истинное RMS» (true RMS).

Расширение диапазонов измерения для переменного тока также может осуществляться с помощью трансформаторов. Потенциальные и токовые трансформаторы обеспечивают масштабирование сигнала без потерь и с электрической изоляцией. С их помощью можно использовать стандартные маломощные измерительные механизмы для оценки высоких токов и напряжений в промышленных системах. Такие трансформаторы особенно распространены в трёхфазных панелях, где малогабаритные амперметры, рассчитанные на 5 А, получают сигнал от тороидальных трансформаторов, пропущенных через силовые провода.

На схеме выше токовый трансформатор (CT) уменьшает ток, трансформатор напряжения (PT) — напряжение. Из-за высокой стоимости и громоздкости трансформаторы применяются только в высоковольтных и мощных цепях. В бытовых и лабораторных измерениях по-прежнему используются резистивные делители и шунты, как и в схемах DC.

Измерение частоты и фазы

Одной из важных электрических величин, не имеющей эквивалента в цепях постоянного тока, является частота. Измерение частоты особенно важно в системах АС, которые проектируются для работы на строго определённой частоте. Если переменное напряжение генерируется электромеханическим генератором, частота будет прямо пропорциональна скорости вращения его вала. В таком случае измерить частоту можно, просто измерив скорость вращения. Но при необходимости измерения частоты на удалении от генератора требуются другие методы.

Один из простых, хотя и грубых способов измерения частоты в энергетических системах основан на механическом резонансе. Любой физический объект, обладающий упругостью, имеет собственную частоту, на которой он предпочитает вибрировать. Классический пример — камертон: при ударе он издаёт звук определённой тональности, связанный с его длиной. Более длинные камертоны резонируют на более низкой частоте.

Представьте себе ряд камертонов разной длины, установленных рядом на общей основе, которая вибрирует с частотой измеряемого переменного напряжения (или тока) с помощью электромагнита. Камертон, резонансная частота которого ближе всего к частоте возбуждающего сигнала, будет вибрировать сильнее остальных. Если сделать «камертоны» из металлической полосы в форме грабель, получится так называемый язычковый (или вибрационный) частотомер.

Пользователь наблюдает концы всех язычков, которые колеблются под действием переменного напряжения, подаваемого на катушку. Язычок, частота резонанса которого ближе всего к измеряемой, будет колебаться сильнее остальных.

Такие приборы не отличаются высокой точностью, но они просты, надёжны и часто используются в переносных генераторных установках, где требуется приблизительная настройка частоты на 50 или 60 Гц (США).

Принцип их работы можно реализовать и в электрической форме, используя резонанс LC-контуров. Частотомер на LC-резонансе представляет собой контур с катушкой и конденсатором, подключённый параллельно, один или оба компонента которого подстроечные. При настройке контура на резонанс с внешним сигналом напряжение на нём достигает максимума, что фиксируется стрелочным или другим индикатором. Настройка производится по максимуму показаний, а значение частоты считывается с калиброванной шкалы. Это фактически настраиваемый фильтр, принцип работы которого аналогичен балансировке мостовых схем.

Данный метод популярен у радиолюбителей, особенно в тех случаях, когда не требуется физическое подключение к исследуемой цепи: достаточно, чтобы катушка или конденсатор улавливали электромагнитное поле сигнала.

👉 Наиболее точные методы измерения частоты, как правило, основаны на сравнении неизвестной величины с эталонной, при этом измерительный прибор лишь указывает на совпадение частот. Это же лежит в основе работы мостовых схем, например, моста Уитстона.

Для получения эталонной частоты используется кварцевый резонатор — современный аналог камертона. Кварц обладает пьезоэлектрическими свойствами: он генерирует напряжение при механическом деформировании и, наоборот, деформируется под действием приложенного напряжения. Кварцевая пластина, вырезанная и настроенная на определённую частоту, при возбуждении будет «звонить», как камертон, а её механические колебания можно фиксировать в виде электрического сигнала. Такой резонатор заключают в корпус, снабжённый выводами. С электрической точки зрения кварц можно представить как эквивалент резонансного LC-контура с дополнительной параллельной ёмкостью, обусловленной конструкцией.

Кварцевые резонаторы обладают очень высокой добротностью (Q), значительно превосходящей традиционные LC-контуры, благодаря минимальному сопротивлению и высокой стабильности свойств кварца. Именно поэтому кварцевые часы столь точны: генератор в них стабилизирован кварцем. В лабораторной практике резонаторы могут дополнительно стабилизироваться термостатом (например, помещением в мини-печь), чтобы исключить влияние температуры.

👉 Абсолютный эталон частоты на сегодняшний день — атомные часы, работающие на резонансе отдельных атомов, например, цезия или ртути. Частота этих резонансов настолько стабильна, что национальные эталонные лаборатории используют их для создания и передачи частотных сигналов, применяемых в научной и метрологической практике.

Теперь к практической части: как сравнить неизвестную частоту с эталонной? Один из способов — использовать электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) осциллографа. В таких трубках есть отклоняющие пластины по вертикали и горизонтали. Если подать один переменный сигнал на вертикальные пластины, а другой — на горизонтальные, на экране возникнет фигура, называемая фигурой Лиссажу, форма которой зависит от соотношения и фазовой разности частот.

Если частоты равны, фигура будет простой. При одинаковой амплитуде и нулевой фазовой разности это будет прямая линия под углом 45° (вверх).

При фазовом сдвиге 90° или 270° получится окружность.

Если сдвиг 180°, линия будет направлена в противоположную сторону.

При различных частотах фигуры становятся сложными и позволяют оценить отношение частот. Например, при соотношении частот 2:1 горизонтальная частота вдвое больше вертикальной. Чем сложнее соотношение частот, тем сложнее фигура.

Если соотношение частот не является точным целым числом, фигура будет «двигаться» — вращаться или искажаться со временем. Если же частоты кратны, фигура остаётся устойчивой.

Таким образом, фигуры Лиссажу удобны для сравнительного измерения частоты, особенно если в распоряжении имеется точный генератор-эталон.

Измерение мощности AC

Измерение мощности в данных цепях значительно сложнее, поскольку наличие фазового сдвига не позволяет просто перемножить значения ампер и вольт, полученные с помощью измерительных приборов. Необходимо устройство, способное определять произведение мгновенных значений I и U. К счастью, электродинамическая система прибора (с подвижной и неподвижной катушками) хорошо справляется с этой задачей.

Измерение мощности в трёхфазных цепях может быть реализовано с помощью двух таких систем с общей осью, соединяющей подвижные катушки. Тогда один общий указатель показывает суммарную мощность на шкале. Это делает механизм хоть и сложным, но технически осуществимым.

Оригинальный подход к созданию электронного измерителя мощности, формирующего электрический сигнал, пропорциональный мощности в цепи (в отличие от прибора с механическим указателем), основан на эффекте Холла. Этот эффект был открыт Эдвином Холлом в 1879 году: при прохождении тока по проводнику, помещённому в перпендикулярное магнитное поле, на поперечном сечении проводника возникает напряжение.

Оно пропорционально произведению силы тока и напряжённости магнитного поля. Его величина также зависит от материала проводника. Специально подготовленные полупроводники создают большее напряжение Холла, поэтому современные датчики строятся именно на их основе.

Если сконструировать прибор, в котором через чувствительный элемент протекает ток, пропорциональный вольтажу в цепи, а магнитное поле создаётся катушками, по которым протекает электроток нагрузки, то напряжение Холла будет пропорционально мгновенной мощности в цепи (произведению I и U). В отличие от механических систем, такой датчик не имеет подвижных частей и обеспечивает моментальное измерение мощности.

Интересно, что выходное напряжение датчика Холла — постоянное (DC). Это связано с тем, что полярность выходного сигнала зависит от направления как тока, так и магнитного поля. Поскольку и ток, и поле в цепи AC меняются одновременно (каждые полпериода), полярность выходного сигнала остаётся неизменной.

Если ток и напряжение в цепи находятся в противофазе на 90° (что соответствует нулевому коэффициенту мощности), то пики не совпадают, и среднее значение выходного напряжения Холла будет нулевым, что отражает нулевую активную мощность.

При фазовом сдвиге менее 90° выходной сигнал будет иметь переменную составляющую, но среднее значение будет отличным от нуля. Если пропустить сигнал через фильтр низких частот, то можно выделить постоянную составляющую, которая пропорциональна активной мощности и отображается чувствительным стрелочным прибором.

Измерение энергии в ватт-часах

Иногда важно не только измерять мгновенную мощность, но и учитывать потреблённую энергию за определённый промежуток времени. В этом случае результат выражается в джоулях или, чаще, в ватт-часах (Wh).

Механические счётчики электроэнергии работают по принципу электродвигателя: создаётся вращающееся магнитное поле, от которого вращается алюминиевый диск (ротор). Скорость вращения пропорциональна мгновенной мощности. Этот диск вращает счётный механизм, аналогичный одометру, который учитывает общую потреблённую энергию.

Нагрузочная катушка создаёт магнитное поле, связанное с током нагрузки, а напряженческая катушка — с вольтажом сети. Таким образом, скорость вращения диска зависит от произведения I и U, то есть от мгновенной мощности.

Измерение качества электроэнергии

Раньше в крупных сетях понятие «качество электроэнергии» практически не использовалось — кроме разве что коэффициента мощности. Большинство нагрузок были линейными, то есть не искажали форму синусоиды и не вызывали протекания искажённого тока. Сегодня это уже не так: нелинейные электронные нагрузки становятся всё более распространёнными как в быту, так и в промышленности. Это приводит к тому, что напряжение и электроток в таких системах содержат множество гармоник — высокочастотных составляющих, кратных основной частоте сети, которые искажают форму синусоиды.

Избыточные гармоники могут вызывать ряд проблем:

• перегрев трансформаторов;
• чрезмерные токи в нулевом проводнике в трёхфазных системах;
• радиопомехи, мешающие работе чувствительной электроники;
• снижение мощности на выходе электродвигателей;
• трудности в поиске источника проблемы.

Поэтому инженерам и техникам необходимо средство для точного обнаружения и измерения этих явлений.

👉 Качество электроэнергии — это степень «чистоты» сигнала переменного тока, то есть насколько он свободен от гармоник. Прибор, оценивающий гармонический состав, называется анализатором.

Простой способ оценки качества

Без специализированного прибора можно получить приблизительную оценку качества напряжения, сравнив показания двух вольтметров:

• обычного усредняющего прибора (например, электромеханического);
• и истинно-среднеквадратичного (True RMS) цифрового прибора.

Обычные вольтметры рассчитывают среднеквадратичное значение по усреднённой амплитуде, предполагая, что измеряется синусоидальное. Если форма сигнала искажена, их показания будут неточными. True RMS приборы, наоборот, измеряют значение независимо от формы сигнала.

👉 Чем больше разница между показаниями двух приборов — тем хуже качество электроэнергии, то есть тем выше уровень гармоник. В идеале, показания должны совпадать в пределах допуска приборов.

Визуальная оценка с помощью осциллографа

Другой способ — подключить осциллограф к цепи и визуально оценить форму сигнала. Чистая синусоида указывает на хорошее качество питания, а искажения формы — на наличие гармоник:

Точные измерения с анализатором спектра

Для количественной оценки качества электроэнергии необходимо специальное оборудование — анализатор спектра низких частот, также известный как анализатор качества энергии. Этот прибор выполняет спектральный анализ входного сигнала, то есть разбивает его на составляющие частоты — как призма разлагает белый свет на цвета. Результат отображается на экране в виде гистограммы, где каждая колонка соответствует гармонике:

На шкале:

• «1» — это основная частота сети (50 Гц);
• «3» — третья гармоника (180 Гц);
• «5» — пятая (300 Гц) и так далее.

Высота столбиков показывает относительную амплитуду каждой гармоники. Идеальный синусоидальный сигнал отображается как единственный столбик над “1”, без других компонентов.

Принцип работы

Такие приборы, по сути, выполняют быстрое дискретное преобразование Фурье (БПФ, FFT):

• сигнал многократно считывается и оцифровывается;
• вычисляется вклад каждой гармоники;
• отображается частотный спектр.

👉 Разные типы нелинейных нагрузок создают характерные, скажем так «подписи» спектра, и опытный техник может определить источник помех по его форме. Например, частотные преобразователи, импульсные блоки питания и светодиодные лампы создают разные характерные гармоники.

Мостовые схемы измерителей AC

Конфигурация, известная как мост, может быть полезной для измерения неизвестных сопротивлений. Это справедливо и для переменного тока. Напомним, мостовая схема представляет собой две делительные цепи напряжения, подключённые к одному источнику, с индикатором нулевого значения, соединённым между ними, который показывает «баланс» при отсутствии напряжения между средними точками делителей:

Баланс моста определяется соотношением сопротивлений в ветвях. Любое из четырёх сопротивлений может быть неизвестным, а его значение определяется из соотношения остальных трёх, значения которых точно известны.

Одним из преимуществ такой схемы будет то, что напряжение источника питания не влияет на точность измерения. Чем выше оно, тем легче обнаружить разбаланс с помощью нулевого индикатора и, следовательно, повысить чувствительность измерения. Однако даже при низком значении измерение остаётся корректным.

👉 Мосты переменного тока работают по тому же принципу, только при этом используются комплексные величины, так как необходимо учитывать не только амплитуду, но и фазу. Для индикации «нуля» необходим прибор, способный регистрировать очень малые переменные напряжения — например, осциллограф, чувствительные электромеханические приборы или даже наушники, если частота сигнала лежит в звуковом диапазоне.

Для повышения чувствительности наушников их подключают к мосту через согласующий трансформатор. Наушники обычно имеют низкое сопротивление (например, 8 Ом) и требуют сравнительно большого тока. Применение трансформатора позволяет адаптировать низкотоковые сигналы к сопротивлению наушников.

С помощью наушников с закрытыми амбушюрами удаётся обнаруживать электротоки менее 0,1 мкА. Хорошие результаты достигаются как с силовым трансформатором (соотношение 120/6 В), так и с выходным звуковым (например, 1000:8 Ом). При использовании кнопочного выключателя для прерывания цепи такая схема позволяет регистрировать сигналы от постоянных, до частот выше 2 МГц — даже при неслышимой частоте в наушниках будет слышен «щелчок» при каждом переключении. Подключённая к резистивному мосту, схема будет выглядеть так:

При прослушивании наушников во время настройки плеч моста, баланс достигается, когда при замыкании/размыкании выключателя не слышно щелчков (или тона — если частота находится в слышимом диапазоне).

Если рассматривать мосты переменного тока в общем случае, где необходимо соблюдение соотношения не только сопротивлений, но и, как часто говорят в зарубежной технической литературе — «импедансов», удобно изображать каждый элемент моста как «чёрный ящик» с определённым комплексным импедансом:

Для баланса моста необходимо, чтобы:

Z1 / Z2 = Z3 / Z4

где Z — комплексные значения, учитывающие и амплитуду, и фазу. Недостаточно, чтобы совпадали только модули импедансов — при различии фаз всё равно будет наблюдаться напряжение на индикаторе, и мост будет разбалансирован.

Мостовые схемы позволяют измерять самые разные параметры — ёмкость, индуктивность, сопротивление или добротность. Неизвестный параметр сравнивается с эталонным, который может быть подстроен до достижения нуля на индикаторе. В зависимости от конфигурации, результат либо считывается напрямую с настроечного элемента, либо вычисляется по формуле.

Ниже приведена симметричная схемы моста для измерения индуктивности. Она так называется из-за зеркальной симметрии относительно вертикальной оси. Баланс достигается путём настройки эталонного реактивного элемента. В реальных схемах для компенсации потерь часто добавляют подстроечный резистор в цепь эталонного элемента, но в теоретических они опущены.

Сложнее устроена схема моста Вина, которая позволяет измерять не только ёмкость, но и эквивалентное последовательное сопротивление «реального» конденсатора. Она использует в качестве эталона параллельное соединение конденсатора и резистора, которое балансирует неизвестное последовательное соединение конденсатора и резистора.

Так как настраиваются два параметра (Rs и Cs), баланс достигается не сразу. После настройки значения Rs и Cs считываются, и параметры неизвестного элемента рассчитываются по той же формуле.

👉 Предполагается, что эталонный конденсатор имеет пренебрежимо малое внутреннее сопротивление или оно известно заранее и учитывается при расчётах. Мост Вина особенно полезен для измерения «потерь» в электролитических и других неидеальных конденсаторах, а также применяется как частотомер — в этом случае используются фиксированные конденсаторы, а частота определяется по настройке переменных резисторов.

Вариантом является мост Максвелла-Вина, позволяющий измерять индуктивность по известному сопротивлению и ёмкости. Он предпочтительнее симметричных мостов, поскольку высокоточные индуктивности сложно изготовить. Также он устраняет ошибки, вызванные взаимной индукцией между двумя катушками, так как здесь используется только одна.

Для удобства настройки обычно переменными делают Rs и Cs. Хотя можно оставить Cs фиксированным и настраивать больше резисторов, баланс при этом достигается сложнее. В отличие от обычного моста Вина, баланс мостов Максвелла не зависит от частоты источника, а иногда работает даже при смешанных частотах.

👉 Существует множество и других вариантов мостов, но общий принцип остаётся неизменным: сравнение неизвестного параметра с эталонным и достижение нулевого сигнала на детекторе.

Проблемой чувствительных мостов может быть паразитная ёмкость между концами индикатора и землёй. AC может протекать по таким путям, вызывая разбаланс. Проблема усугубляется, если один из выводов источника жёстко заземлён — сопротивление утечки снижается, а ток утечки возрастает.

Чтобы уменьшить этот эффект, можно удерживать индикатор в нулевом потенциале относительно земли, применяя делитель напряжения — схему, называемую заземлением Вагнера. Это делитель, создающий такое же напряжение и фазу, как и ветви моста. Его средняя точка заземляется, и при правильно подобранных сопротивлениях мостовые точки также будут в потенциале земли, не создавая токов утечки через паразитные ёмкости.

Обычно в схеме предусмотрен переключатель, позволяющий соединять индикатор либо с мостом, либо с цепью заземления Вагнера. Если в обоих положениях сигнала нет, это означает не только баланс моста, но и отсутствие влияния паразитных ёмкостей.

Преобразователи измерительных сигналов

Так же, как существуют устройства для измерения физических величин с выдачей информации в виде постоянного тока (например, термопары, тензодатчики, pH-зонды и т. д.), разработаны и специальные устройства, работающие по аналогичному принципу, но с переменным током. Во многих случаях требуется передавать информацию о положении механических частей с помощью электрических сигналов. Особенно актуально это для автоматизированного управления станками и в робототехнике. Простейший способ реализовать это — использовать потенциометр:

Правда потенциометры имеют некоторые недостатки. Они работают на принципе механического контакта между ползунком и резистивной дорожкой, из-за чего со временем изнашиваются, а их выходной сигнал становится всё менее точным. Возможно, вы замечали такой эффект, пытаясь отрегулировать громкость на старом радио — при повороте ручки в динамиках слышится «треск». Это следствие плохого контакта ползунка. Кроме того, такой контакт может вызывать искрение при перемещении. В большинстве схем ток настолько мал, что искрение незаметно, но если устройство работает во взрывоопасной среде (пары, пыль), риск возгорания становится реальным.

Используя переменный электроток, можно полностью избавиться от скользящих контактов. Если вместо потенциометра применить переменный трансформатор, получится устройство под названием LVDT (линейный дифференциальный трансформатор). Его схема выглядит так:

Устройство представляет собой трансформатор с одной первичной обмоткой (питается от внешнего источника переменного напряжения) и двумя вторичными, соединёнными встречно (с противофазой 180°). Сердечник свободно перемещается внутри обмоток. Если сердечник в центре, то напряжения на вторичных обмотках равны, и на выходе — ноль. При смещении от центра возникает разность вольт, пропорциональная отклонению. Фаза выходного сигнала показывает направление смещения.

Преимущества LVDT по сравнению с потенциометром:

• Нет физического износа, так как отсутствует контакт между подвижной и неподвижной частями.
• Нет риска искрения.
• Надёжность и долговечность.

Обычно LVDT возбуждается переменным напряжением до 10 В RMS с частотой от сетевой (50 Гц) до 20 кГц. Но при высоких скоростях перемещения сердечника возникают проблемы: чем выше частота, тем быстрее можно «отслеживать» движение. Например, при 50 Гц и очень быстром движении выходное напряжение не успевает даже сформировать один полный цикл, и определить точное положение становится невозможно.

Существуют также вращающиеся версии — RVDT (вращательные дифференциальные трансформаторы), где сердечник вращается, а не перемещается поступательно. Такие устройства могут быть рассчитаны на полный круг (360°).

На основе той же идеи работают синхроны (или сельсины) — устройства, конструктивно напоминающие многофазные электродвигатели или генераторы. У них вращается ротор с одной обмоткой, питаемой переменным напряжением, а статор содержит обычно трёхфазную обмотку в форме звезды (или двухфазную — тогда устройство называется резольвер). Синхрон имеет трёхфазный статор и вращающееся поле. Резольвер — двухфазный.

Сигналы на обмотках статора зависят от положения ротора. Такие устройства можно использовать попарно: при одинаковом возбуждении и соединении роторов оба вала будут синхронно следовать друг за другом. Это позволяет, например, передавать положение руля или гироскопа на большие расстояния.

Линейное движение можно также передать через зубчатую рейку и шестерню. Один из таких приборов — индуктосин (Inductosyn), линейный аналог резольвера. Он состоит из фиксированной волнистой обмотки с шагом 0.1 дюйма (или 2 мм) и подвижной части (слайдера) с двумя обмотками, смещёнными на четверть шага, чтобы на выходе формировались синус и косинус. Это позволяет точно отслеживать не только перемещение, но и направление:

Такой датчик можно использовать как инкрементальный энкодер — отсчитывать количество шагов от начальной позиции. Для получения абсолютного положения требуется дополнительный резольвер, определяющий полный проход по всей длине.

Преобразователь индуктосин имеет трансформационное отношение 100:1, что означает выходное в милливольтах при возбуждении в несколько вольт. Такие слабые сигналы преобразуются в цифровой код (например, 12-битный) с помощью преобразователя резольвера в цифру (RDC). Достижимое разрешение — до 0.6 мкм.

Существуют и вращающиеся версии с 360 шагами на оборот. В сочетании с 12-битным RDC обеспечивается разрешение лучше 1 угловой секунды.

Ёмкостные преобразователи переменного тока

До этого момента мы рассматривали в основном индуктивные преобразователи. Однако существуют устройства, основанные на изменении ёмкости, которые также используют переменный ток для выявления этих изменений и формирования переменного выходного сигнала.

Напомним: ёмкость между двумя проводящими поверхностями зависит от трёх ключевых факторов:

1. площади перекрытия этих поверхностей;
2. расстояния между ними;
3. диэлектрической проницаемости материала, находящегося между ними.

Если два из этих параметров остаются постоянными, а третий изменяется, то любое измерение ёмкости будет отражать именно эту переменную.

Метод ёмкостного зондирования уже более века используется для регистрации физиологических изменений в организме. Ещё в 1907 году немецкий исследователь Г. Кремер провёл опыт, поместив металлические пластины по обе стороны от сердца лягушки и зафиксировав изменения ёмкости, возникающие при наполнении и опорожнении сердца кровью. Позже аналогичные измерения выполнялись у людей — пластины размещались на груди и спине для регистрации дыхания и сердцебиения. Более точные измерения проводились с помощью металлических зондов, установленных на концах катетеров, вводимых в сердце. При достаточно высокой частоте переменного тока и чувствительном приёмнике можно не только отследить насосную активность сердца, но и различать его звуки.

Конструкции ёмкостных преобразователей

Подобно индуктивным преобразователям, ёмкостные устройства могут быть выполнены в виде самостоятельных модулей. В некоторых из них одна из пластин подвижна и изменяет либо площадь перекрытия, либо расстояние между пластинами. В других — между неподвижными пластинами перемещается диэлектрик.

Варианты изменения ёмкости: (а) изменение площади перекрытия, (б) изменение расстояния между пластинами, (в) изменение объема диэлектрика. Для повышения чувствительности и снижения влияния побочных факторов применяются дифференциальные конструкции, аналогичные по принципу LVDT. Примеры таких преобразователей приведены ниже.

Дифференциальный преобразователь изменяет соотношение ёмкостей путём: (а) изменения перекрытия, (б) изменения расстояния, (в) изменения диэлектрика.

Такие устройства имеют три вывода: два — от крайних пластин, и один — от общей (центральной) пластины. При смещении подвижной части ёмкость между одной парой увеличивается, а между другой — уменьшается. Это делает такие преобразователи идеальными для включения в мостовую схему, аналогичную тензометрическим датчикам.

Мост измеряет разность ёмкостей между крайними и центральной пластинами. При симметричном положении выход равен нулю. Смещение приводит к разбалансировке моста, и его выходное напряжение становится пропорциональным изменению. Направление смещения можно определить по фазовому сдвигу сигнала. Такой подход прост в реализации и широко используется.

Схема измерителя Twin-T

Интересной альтернативой мосту является схема «Twin-T», использующая диоды. Во время положительного полупериода переменного напряжения заряжается один конденсатор, при отрицательном — другой. Одновременно с этим они разряжаются через сеть резисторов.

Благодаря этой схеме формируется разность постоянных напряжений, которая зависит от ёмкости каждого конденсатора. Эта разность может быть снята с нагрузочного резистора, подключённого между узлом схемы и землёй.

Если оба конденсатора имеют одинаковую ёмкость, напряжение на резисторе отсутствует. При разбалансировке — появляется постоянное, пропорциональное разности ёмкостей. Добавив фильтр низких частот, можно убрать переменную составляющую и оставить только полезный сигнал.

Преимущества схемы Twin-T:

• Выходной сигнал — постоянное, не требующее фазового анализа.
• Может напрямую управлять электромеханическим индикатором, без усилителя.
• Все элементы схемы заземлены, что снижает влияние паразитных ёмкостей.
• Не требуется точный подбор диодов — схема устойчива к их разбросу.
• Работает как с синусоидальным, так и с прямоугольным питанием (при 50% скважности).

Эта схема легко реализуется, устойчива к наводкам и выдаёт стабильный выход даже в сложных условиях.

Выводы и литература

Итого, измерения в цепях переменного тока (AC) требуют особого подхода, учитывая переменчивую природу тока и напряжения. В таких цепях основными параметрами являются эффективные значения вольтажа и электротока, которые должны быть точно измерены для обеспечения правильной работы электрического оборудования. Для этих целей используются различные измерительные приборы, такие как цифровые мультиметры, амперметры и вольтметры, которые могут точно фиксировать эти значения. Также важным аспектом является измерение частоты тока и фазового сдвига между U и I, что необходимо для анализа работы цепей, содержащих индуктивные и ёмкостные элементы. Кроме того, необходимо учитывать, что измерения здесь могут зависеть от формы сигнала, что важно для точности, особенно в сложных цепях с гармониками или при использовании нелинейных элементов. В таких случаях применяются специализированные приборы, способные фиксировать как среднеквадратичные значения, так и мгновенные отклонения параметров.

Литература

1. Ким М. Г. Электронные измерения и приборы. — М.: Изд-во МГТУ, 2006.
2. Семенов В. И. Измерения в электрических цепях. — СПб: Энергия, 2010.
3. Бородин А. Н. Теория и практика измерений в электрических цепях переменного тока. — М.: Наука, 2004.
4. Калиничев В. В. Электрические измерения. — М.: Высшая школа, 2008.
5. Романов А. В. Основы электротехники и измерений в цепях переменного тока. — М.: Радио и связь, 2012.