嘉兆新闻> 【白皮书】电气测量技术(上)

【白皮书】电气测量技术(上)

发 布:2019/7/16 9:22:28查 看:54

电气测量技术


安全连接

在美国,高于48V的电压被认为是足以危及人类生命的。尽管有人从上千伏的电击或携带数百万焦耳能量的雷击中幸存了下来,但我们仍应对电力持有严谨和敬畏的态度。电压并不是唯一需要我们担心的,毫安级的电流在某些情况下也可使正常人的心脏停止跳动。例如,NIOSH(国家职业安全与健康研究所)指出110V的通用电压,20mA的电流可麻痹用于呼吸的肌肉。


有效测量

高准确度的测量依赖于高准确度的设备和正确的连接。不合适的连接、串入无屏蔽导线的噪声和不恰当的接地回路必将造成不准确的数据。带有外壳的传感器设计用于确保输出信号的准确性,其内部器件布局适当,带有屏蔽和滤波,信号线与电源线、地线分开走线。


然而,无保护措施的传感器,例如热电偶和应变计,通常会混入各种噪声信号,耦合进传感器,最终污染了我们需要的信号。安装这种传感器时,必须遵守业界规范,使得传感器的输出数据可靠、无偏移、无噪声干扰。


直流电压

仪用直流电压

数据采集系统的输入端通常带有集成的多路数据选择器和信号调理电路。这些集成电路尽管可以忍受±25VDC的电压输入,但超过±10VDC的信号已经无法正确处理了。针对这一限制,可以在系统输入端接入分压器,将输入信号衰减至集成电路可以处理的范围之内。有些系统需要手动选择适当的衰减,而另一些则是自动调节量程。

 

另外,在适当连接传感器、待测对象和数据采集系统之后,需要先给数据采集系统上电,然后给予传感器适当激励,最后再激活待测对象。有些数据采集系统在掉电状态接入信号时,可能会受到损坏。


直流高压

数据采集系统中,高于24VDC即属于高压。内置或外置的分压器和特殊的信号调节器可用于将几十伏甚至几百伏的高压信号衰减至10V或更低,以保护仪器输入端电路。关于设备和操作的安全性,需要重点考虑的就是导线、端口、连接器、传感器以及其他用于减小信号泄露和抑制低电势接线端与周围物体产生火花的组件之间的高压隔离问题。


直流低压

相对于高压信号,能否成功测量低压信号则依赖于信号源与数据采集设备之间的接线技术。信号调理电路中的放大器无法辨别待测信号和通过引线串入的干扰噪声,当测量低于1V的信号时,屏蔽线或无屏蔽的双绞线可最大程度的抑制噪声,保护原始信号。屏蔽线的最佳走法是一端接地,最好是靠近信号的一端,而另一端悬空。


交流电压

交流低压

通用数据采集系统通常测量降压变压器次级线圈、钳形电流探针、电流敏感电阻current-sensing resistors或无电气隔离传感器上的低压交流信号,这些低压交流信号的共模成分越低越好,无论是相对于GND或是混有极小交流成分的浮空端。同时,应在必要的情况下将输入信号源接地。


电源插座交流电压

在美国和加拿大,通用电子线路可承载额定电压110V、60Hz的单相交流电,线路中包含三根线:火线、零线和地线。欧洲标准使用220V、50Hz交流电,日本则使用100V、50Hz(东部)或60Hz(西部)。在大多数工厂里,220/230至460/480V,单相电和三相电,Y型网络和Δ型网络都广泛应用于电气和电子控制设备之中,所有这些电压都足以致命,因此在连接或断开数据采集系统与待测设备之间的导线时,必须处于断电状态。

 

当连接电压源至数据采集系统时,接地回路上可能随时出现问题,产生噪声。零线与地线之间可能出现压差,原因很多,而且难以发现并消除,所以应当严格进行相应的屏蔽、接地和隔离。关于接地回路和干扰的更多信息请参阅第十节。


交流高压

和直流类似,数据采集系统的输入端通常无法处理峰峰值大于10V的AC信号,交流高压信号在被处理之前需要经过信号调理电路进行衰减。峰峰值高达2000V的电压信号可经过全差分衰减器后再进行测量,衰减器将调整信号至数据采集系统的差分输入范围之内,这通常是通过连接在高压输入和地之间的分压网络实现的。

 

对于具有真正的差分输入的系统而言,高输入通道和低输入通道都不能直接和地相连,高低输入通道各有一个适当的电阻分压器,用于衰减输入信号,只有衰减器的低端才可连接至地。举例来说,某设备需要提供200:1的衰减系数,并且不能对放大器的高输入阻抗造成影响,在典型系统中,两个完全匹配的缓冲放大器A和B(图4.01),位于数据采集系统前端,具有几乎相同的输入偏置电流。配套的两个分压器分别放置在高通道和低通道的前端,提供对两个输入端相同的的限流功能,使数据采集系统的准差分输入测量一个相对于模拟公共端较低的电压。因为放大器A和B的输出是完全相同的,可被视为共模电压,并被差分放大器C抑制掉。



这个方案既能衰减大信号又能衰减小信号,还可以消除输入端与地之间几百伏的直流电压。例如,低端输入50V直流电压时,高端输入110V交流电压,经过衰减,高端信号峰值为0.77V,而低端信号峰值则为0.25V,都在数据采集系统的差分输入端的可读范围之内。

 

测量单端信号时,若试图只衰减高输入端,而把低输入端接地,会导致两个问题。首先,当数据采集系统与待测信号不共地时,试图将他们连接起来会形成地回路,这会产生额外的电流,破坏仪器或设备。另一个产生误差的原因是流经两个运放(如图4.02中的A、B)输入端的输入偏置电流Ib。这个偏置电流会在分压器上产生压降,影响高输入端,然而低输入端却不会有同等程度的压降,这个压差会进一步体现在差分放大器C的差分输入端上,最终导致输出结果的偏移。



电压的有效值,峰值,平均值,均方根值

欧姆定律使得直流电压或电流的测量和计算相对简单、容易。直流功率在数学上等于直流电压和电流的乘积,表示产生的热量或所做的功。相对而言,通过交流电压和电流计算功率时,要考虑一个额外的因素,即二者相位差的余弦,也称为功率因数。当电压和电流波形同相位时,相角的余弦是1,所以电压电流的乘积就是有效功率,单位瓦特。


当存在相位差时,功率因数则小于1,因此功率也小于电压与电流简单相乘得到的值。极端情况下,比如相位差为90o时,功率因数为0,因此功率也为0,完全是无功功率,理论上不会产生任何能量,只是简单的记作VA(volt-amperes,伏特-安培)。


公式4.01 直流功率

P = E x I

其中:

E 和 I 同相位

P = 功率,单位W

E = 直流电压,单位V

I = 直流电流,单位A

 

公式4.02 交流功率

P = E x I x Cos φ

其中:

P = 功率,单位W

E = 交流电压,单位V

I = 交流电流,单位A

φ = 电压与电流之间的相位差


电压有效值

交流电压的波形就像是理想正弦波,它不断的周期性的上升、下降,所以,相同时间内,交流信号与坐标轴所围面积总是小于同等峰值的直流信号与坐标轴所围面积。也就是说,在相同的负载上,峰值100V的交流电压比直流电压所产生的热量少(见图4.03),作为补偿,必须增大交流电压的峰值,才能产生和直流电压相同的热量。交流电压的有效值正是与其产生等量的功的直流电压的值,峰值为其1.414倍。换句话说,峰值141.4V的交流电压与100V的直流电压在给定负载上,相同时间内产生相同的热量。



电压均方根值

用电压表测量做功相等的交直流电压时,为了使交流电压表和直流电压表读数刻度相同,交流电压表的刻度被调整为均方根(root mean square)值。在表盘上显示均方根值为100V的交流信号,其电压峰值为141.4V,但是和100V的直流电压做功相等(负载相同时)。对于交流信号来说,其最大偏移的正值和负值相等,所以此例中的电压峰峰值为141.4V的两倍,282.8V。

新浪微博百度贴吧微信QQ空间QQ好友分享到:

关于嘉兆
嘉兆简介
荣誉证书
加入团队
荣誉客户
联系我们
我们的品牌
客户服务
在线客服
客户留言
目录索取
设备维修
维修.校准.升级
专业培训
系统服务
设备保养
嘉兆动态
新闻中心
展会活动
基础知识库
其他服务
商城
软件无线电
激光测振仪
友情链接
关注我们
关注嘉兆科技公众号
版权信息
嘉兆科技(CORAD)所发布展示的“产品信息”,“解决方案”版权归嘉兆科技所有,嘉兆科技拥有其代理权。任何收集本站产品信息并未经嘉兆科技许可,嘉兆科技将保留追究侵权者法律责任的权利。
廉洁

粤ICP备06126740号-1 嘉兆网 © Corad Technology Ltd. 始创于1980年