Комбинированные приборы.

Литература [3, с. 55 - 57].

4.5 Технические и метрологические характеристики средств измерений

Технические. Позволяют установить назначение, область применения, а также оценить эксплуатационные возможности средств измерения.

Метрологические. Оказывают влияние на результат и погрешность измерения. 1) назначение (для измерения каких величин средство предназначено); 2) область применения (диапазон и пределы измерений); 3) характеристики погрешности (абсолютная, относительная, приведенная, а также основная и дополнительная); 4) характеристики чувствительности:

Ё порог чувствительности - это наименьшее изменение входной величины, способное вызвать заметное изменение показания прибора. Порог чувствительности фактически определяет разрешающую способность измерительного прибора;

Ё чувствительность - это способность прибора реагировать на изменение измеряемого значения

S = Дб / Дx,

где Дб - изменение положения указателя относительно шкалы;

Дх - изменение измеряемого значения, вызвавшее перемещение указателя.

Размерность чувствительности зависит от характера измеряемого значения [дел/А]; [град/А];

Ё постоянная прибора (цена деления). Для приборов, градуированных в мм, ее значение обратно чувствительности:

С = 1 / S.

Цифровое значение измеряемого значения равно произведению числа делений, отсчитанных по шкале, на цену деления шкалы;

5) входное сопротивление (входной импеданс) - сопротивление измерительного прибора со стороны его входных зажимов. Чтобы не влиять на измеряемую цепь, измерительные приборы должны иметь как можно большее активное входное сопротивление и возможно меньшую входную емкость;

6) выходное сопротивление (выходной импеданс) - сопротивление измерительного прибора со стороны его выходных зажимов. Это сопротивление определяет допустимую нагрузку прибора при подключении;

7) динамические характеристики определяют зависимость параметров выходного сигнала средства измерения от меняющихся во времени величин - параметров входного сигнала и нагрузки;

8) надежность средства измерения - определяет свойство средства измерения выполнять заданные функции, сохраняя свои характеристики в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени;

9) собственная потребляемая мощность от измеряемой цепи (чем меньше, тем точнее измерения).

Вопросы для самопроверки

Перечислить параметры средств измерения.

Чем характеризуется надежность средства измерения?

Характеристики чувствительности.

Что определяют динамические характеристики средств измерения?

Литература [3, с. 49 - 53].

Тема 5. Измерение тока и напряжения

5.1 Измеряемые параметры переменного тока и напряжения

Измерение постоянных напряжения и силы тока заключается в нахождении их значения (величины) и полярности. Целью измерения переменных напряжения и силы тока является определение какого-либо их параметра.

Параметры напряжения переменного тока:

Ё мгновенное значение - наблюдают на осциллографе и определяют для каждого момента времени;

Ё амплитуда (U_m) - наибольшее мгновенное значение напряжения за время наблюдения или за период;

Ё размах сигнала - значение напряжения от максимального до минимального;

Ё среднее значение (постоянная составляющая) (U_ср):

Ё средневыпрямленное (U_ср.в) - определяется как среднее арифметическое абсолютных мгновенных значений за период:

Ё действующее (среднеквадратическое напряжение, эффективное) (U_Д):

Связь между параметрами осуществляется через коэффициенты (табл. 6):

коэффициент амплитуды (К_а):

коэффициент формы (К_ф):

Таблица 6

Форма сигнала	Ка	Кф
синусоидальная		1,11
прямоугольная	1	1
пилообразная	1,73	1,16

Вопросы для самопроверки

1. Перечислить измеряемые параметры тока и напряжения.

2. Как рассчитать среднеквадратическое значение напряжения.

3. Формулы для определения коэффициентов амплитуды и формы.

4. Что такое размах сигнала?

Литература [3, с. 60 - 61].

5.2 Электромеханические измерительные приборы

Структурно они могут состоять из измерительной схемы (иногда может отсутствовать) и измерительного механизма (рис. 8).

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 8

Основными узлами измерительного механизма являются:

1) устройство, создающее вращающий момент. Его принцип действия определяется системой прибора;

2) устройство, создающее противодействующий момент. Для этих целей используют одну или две плоские спиральные пружины, которые одним концом крепятся к оси, а другим - к корректору. Корректор предназначен для установки стрелки прибора на нулевую отметку перед измерением. Одновременно пружины являются токопроводящими частями. Существуют приборы с электрическим противодействующим моментом (логометры);

3) успокоитель - обеспечивает быстрое затухание колебаний подвижной части измерительного механизма около положения равновесия. Они могут быть воздушными и магнитоиндукционными;

4) отсчетное устройство - шкала.

Достоинства:

Ё просты по устройству и в эксплуатации;

Ё обладают высокой надежностью;

Ё на переменном токе реагируют на действующее значение сигнала.

Вопросы для самопроверки

1. Основные узлы измерительного механизма.

2. Структурная схема электромеханического прибора.

3. Достоинства электромеханических приборов.

Литература [18, с. 56 - 59].

5.3 Виды отсчетных шкал

Диапазон показаний определяют по начальному и конечному значениям шкалы. измерение прибор метрологический напряжение

Диапазон измерений - область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средств измерений.

При равномерных шкалах обычно диапазон измерений и диапазон показаний совпадают, а при неравномерных - не совпадают (табл. 7).

Таблица 7

Равномерная шкала	Неравномерная шкала
Диапазон показаний и диапазон измерений совпадают Равномерную шкалу имеют приборы на базе измерительного механизма магнитоэлектрической системы Цена деления постоянна	Диапазон показаний и диапазон измерений не совпадают Неравномерную шкалу имеют приборы, выполненные на базе измерительных механизмов электромагнитной, электродинамической и электростатической системы Цена деления не является постоянной

По расположению нулевой отметки шкалы бывают:

Ё «0» в начале или в конце шкалы;

Ё со смещенным нулем;

Ё «0» в середине шкалы.

Основной характеристикой отсчетных шкал является цена деления, которая выражается измеряемой величиной, соответствующей одному делению шкалы (А/дел; В/дел):

где А_пред - значение предела шкалы, определяемое по положению переключателя пределов или по надписи у входных зажимов;

n_шк - число делений шкалы, определяемое по значениям оцифрованных точек с учетом количества делений между ними. Она выражается числом делений, соответствующих единице измеряемой величины (дел/А; дел/В):

Шкалы измерительных приборов могут быть отградуированы:

Ё в абсолютных единицах (В, мА, Ом);

Ё в делениях (дел.);

Ё в относительных единицах (дБ).

Затуханию 1 дБ соответствует уменьшение напряжения на 11 % (табл. 8).

Таблица 8

Затухание	Уменьшение напряжений
6 дБ	в ~ 2 раза
10 дБ	в ~3,16 раза
20 дБ	в 10 раз
40 дБ	в 100 раз
60 дБ	в 1000 раз

Точность электрорадиоизмерительных приборов определяется пределами погрешностей (основной и дополнительной) и оценивается абсолютными, относительными и приведенными погрешностями. Для радиоизмерительных приборов наиболее характерным является выражение точности измерения через абсолютную и относительную погрешности, а для электроизмерительных приборов - через приведенную.

Погрешности прибора характеризуют отличие его показаний от истинного (действительного) значения измеряемой величины.

Измерительный прибор нужно выбирать с таким верхним пределом, чтобы при измерении положение стрелки прибора находилось в последней трети (или половине) его шкалы. Это уменьшает относительную погрешность измерения.

В многопредельных приборах, где одна и та же шкала используется на разных пределах измерения, показание прибора равно отсчету, умноженному на цену деления для соответствующего предела измерения. Многопредельные шкалы могут быть заданы также множителем (10;10² и т.д.).

С целью повышения точности измерений в некоторых приборах предельные значения измеряемых параметров выбирают из ряда чисел 1, 5, 20, 100, 500 и т.д., применяя для отсчета общую шкалу с несколькими рядами числовых отметок.

Иногда предельные значения выбирают из ряда чисел 1, 3, 10, 30, 100, 300 и т.д., что позволяет исключить отсчет по первой трети шкалы; однако при этом шкала должна иметь два ряда отметок, проградуированных в значениях, кратных соответственно 3 и 10.

Промышленность выпускает разнообразные элементы отображения информации в виде буквенно-цифровых индикаторов. Индикаторы строятся на разных принципах:

Ё газоразрядные знаковые индикаторы (недостаток - высокое управляющее напряжение);

Ё светодиодные индикаторы (семисегментные);

Ё индикаторные устройства на жидких кристаллах.

Вопросы для самоконтроля

Перечислить виды отсчетных шкал.

Что является основной характеристикой отсчетных шкал?

Каким образом выбрать прибор для измерений?

Чем определяется точность электрорадиоизмерительных приборов?

Диапазон показаний и диапазон измерений.

Равномерные и неравномерные шкалы.

Использование шкал в многопредельных приборах.

Литература [8, с. 52 - 54], [15, с. 31 - 33].

5.4 Условные обозначения приборов (ГОСТ 23217-78)

Наименование	Условное обозначение
Прибор магнитоэлектрический с подвижной рамкой
Прибор электромагнитный
Прибор электродинамический
Прибор электростатический
Ток постоянный
Ток переменный (однофазный)
Ток постоянный и переменный
Ток трехфазный переменный
Прибор применять при вертикальном положении шкалы
Прибор применять при горизонтальном положении шкалы
Класс точности прибора, например 1,5
Испытательное напряжение изоляции 2 кВ
Магнитная индукция, выраженная в миллитеслах (например 2 мТл), вызывающая изменение показаний, соответствующая обозначенному классу точности

5.5 Приборы магнитоэлектрической системы

Принцип действия основан на взаимодействии магнитного поля постоянного и неподвижного (или подвижного) магнита с током, проходящим по обмотке измерительного механизма. В воздушном зазоре между полюсами постоянного магнита образуется почти равномерное радиальное магнитное поле. В этом поле свободно вращается вокруг неподвижного магнитного сердечника легкая алюминиевая рамка, на которой намотана обмотка из тонкого изолированного медного провода. Рамка закреплена на полуосях и поворачивается при протекании по ней тока, так как при этом на нее воздействует сила, направление которой определяется по правилу левой руки.

Стрелка жестко закреплена на оси, и значение измеряемой величины определяется по шкале. Равномерность шкалы прибора зависит от равномерности магнитного поля в зазоре между рамкой и магнитом.

Особенности:

Ё являются наиболее точными (классы точности 0,05 - 0,5);

Ё обладают высокой чувствительностью, которая определяется величиной отклонения стрелки прибора при измерении I (U) на единицу измерения;

Ё шкала равномерная;

Ё невозможность их использования без специальных преобразователей в цепях переменного тока;

Ё малая стойкость к перегрузкам.

Применение: в качестве гальванометров, амперметров, вольтметров, омметров (логометров).

Вопросы для самопроверки

1. Особенности приборов магнитоэлектрической системы.

2. Условное обозначение на схемах.

3. Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы.

Литература [17, с. 70 - 74], [18, с. 59 - 64].

5.6 Приборы электромагнитной системы

Принцип действия основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого в обмотке измеряемым током, с ферромагнитным сердечником.

Существуют два конструктивных варианта: с плоской катушкой и с круглой катушкой. Неподвижная катушка имеет воздушный зазор в виде щели. Подвижный плоский сердечник эксцентрично закреплен на оси. При протекании измеряемого тока по обмотке создается магнитное поле, и сердечник, втягиваясь в зазор, поворачивает ось вместе с закрепленной на ней стрелкой. Противодействующий момент создается закручивающейся при повороте пружиной.

Особенности:

Ё шкала неравномерна (квадратичная);

Ё показания прибора не зависят от направления тока, текущего по обмотке;

Ё используют в цепях переменного тока на частотах до 8 кГц;

Ё точность ниже, чем в магнитоэлектрических (0,5 - 2,5);

Ё устойчивы к перегрузкам;

Ё потребляют большую мощность;

Ё низкая чувствительность.

Применение: в цепях переменного тока в качестве амперметров и вольтметров, в частотомерах, в фазометрах, микрофарадометрах.

Вопросы для самопроверки

1. Особенности приборов электромагнитной системы.

2. Условное обозначение на схемах.

3. Принцип действия приборов электромагнитной системы.

Литература [17, с. 74 - 75], [18, с. 64 - 67].

5.7 Приборы электродинамической системы

Принцип действия основан на взаимодействии магнитных полей, создаваемых измеряемым током, проходящим по двум обмоткам катушек измерительного механизма.

Особенности:

Ё высокая точность измерений при достаточной экранировке;

Ё возможность применения на постоянном и переменном токах;

Ё используют на частотах до 1 кГц;

Ё неравномерная шкала;

Ё низкая чувствительность;

Ё большая потребляемая мощность;

Ё чувствительность к влиянию внешних магнитных полей (специальные экраны);

Ё классы точности (0,1 - 0,2).

Применение: в качестве амперметров, вольтметров, ваттметров, электронных логометров (измерение частоты, емкости, угла сдвига фаз).

Вопросы для самопроверки

1. Особенности приборов электродинамической системы.

2. Условное обозначение на схемах.

3. Принцип действия приборов электродинамической системы.

Литература [18, с. 67 - 71].

5.8 Приборы электростатической системы

Принцип действия основан на взаимодействии электрически заряженных пластин. Измеряемое напряжение подводится к подвижной и неподвижной пластинам. Между ними возникает электростатическое поле. В результате подвижная пластина втягивается в зазор неподвижной, создавая, таким образом, вращающий момент. Для увеличения вращающего момента увеличивают количество пластин. Пружина создает противодействующий момент.

Особенности:

Ё классы точности (0,5 - 1,5);

Ё большое входное сопротивление - достоинство;

Ё практически не потребляют активной мощности;

Ё шкала неравномерна и сжата в начале;

Ё имеют низкую чувствительность и измеряют малые напряжения;

Ё широкий частотный диапазон (до 10 МГц).

Вопросы для самопроверки

1. Особенности приборов электростатической системы.

2. Условное обозначение на схемах.

3. Принцип действия приборов электростатической системы.

Литература [18, с. 71 - 74].

5.9 Измерение тока

Для измерения постоянного тока наиболее часто используют приборы магнитоэлектрической системы из-за высокой точности измерения; переменного тока промышленной частоты в основном - измерительные механизмы электромагнитной и электродинамической систем.

Включение амперметра в измерительную цепь влияет на ее сопротивление, что особенно сильно проявляется на высоких частотах. Это может привести к короткому замыканию входа прибора или отдельных участков исследуемой схемы. На очень высоких частотах погрешности измерения тока становятся очень большими, и настолько меняется электрический режим цепи при включении амперметра, что измерение тока теряет практический смысл.

Включение амперметра в исследуемую цепь рекомендуется производить в точки с наименьшим потенциалом относительно земли, так как при этом появляется наименьший ток утечки, не учитываемый прибором.

Частотный диапазон применения амперметров составляет до 3 000 МГц.

Особенность измерения тока высокой частоты заключается в том, что на результат измерения будут влиять емкость прибора, место включения прибора в цепь, частота измеряемого тока.

Подгруппы амперметров:

А2 - амперметр постоянного тока;

А3 - амперметр переменного тока;

А7 - универсальный амперметр;

А9 - преобразователь тока.

Измерительные механизмы магнитоэлектрической системы без дополнительных устройств позволяют измерять сравнительно малые токи. Для расширения пределов измерения применяют специальные резисторы, называемые шунтами.

Вопросы для самопроверки

1. Подгруппы амперметров.

2. Включение амперметра в цепь.

3. Измерение переменного тока промышленной частоты.

Литература [18, с. 78 - 80].

5.10 Шунты

Для расширения пределов измерения по току в 100-1000 раз используют шунты, изготовленные из манганина. Они имеют две пары зажимов: токовые (при помощи которых шунт последовательно включается в исследуемую цепь) и потенциальные (к которым подключают измерительный механизм). Такое включение уменьшает погрешность измерения тока, которая может возникать за счет соединительных проводов и дополнительных сопротивлений. Шунт представляет собой простейший измерительный преобразователь тока в напряжение.

Принцип расширения пределов измерения тока при помощи шунта заключается в том, что большую часть измеряемого тока неразветвленной части цепи пропускают через шунт, а меньшую - через измерительный механизм. При этом ток прибора составляет определенную часть всего измеряемого тока. Этот принцип расширения пределов измерения характеризуется коэффициентом шунтирования:

p = I / I_им, I_ш I_им.

где R_Вт - внутреннее сопротивление измерительного механизма;

p - коэффициент шунтирования.

Схема соединения измерительного механизма с шунтом - на рис. 9.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 9

Шунты, выпускаемые промышленностью, имеют различные классы точности: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0. При измерении токов до 30 А шунты монтируются непосредственно внутри измерительного прибора, и его шкала градуируется с учетом коэффициента шунтирования. Применение шунтов дополнительно увеличивает погрешность измерения прибора за счет изменения параметров шунта во времени; за счет разных температурных коэффициентов измерительного механизма и шунта; за счет увеличения мощности потребления и уменьшения чувствительности. Их чаще используют в цепях постоянного тока, так как на переменном токе влияют частота и индуктивность элементов. Многопредельные миллиамперметры могут быть выполнены с универсальным шунтом (рис. 10).

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 10

Вопросы для самопроверки

1. Назначение шунтов.

2. Принцип шунтирования.

3. Схемы шунтов.

Литература [4, с. 48], [18, с. 80 - 82].

5.11 Измерение напряжения

Для измерения напряжения используют вольтметры, подключенные параллельно к тому участку цепи, на котором измеряется напряжение. Для уменьшения методической погрешности измерения собственное потребление вольтметра должно быть мало, а его входное сопротивление должно быть большим. Для измерения постоянного напряжения используют вольтметры магнитоэлектрической системы, а также электронные. Для измерения переменного напряжения промышленной частоты - электромагнитные и электродинамические. Переменное напряжение звуковой частоты измеряют выпрямительными вольтметрами. Переменное напряжение высокой частоты измеряют электронными вольтметрами. Шкалы всех вольтметров, кроме импульсных, отградуированы в действующих значениях.

К основным параметрам вольтметра относятся:

1) пределы измерения;

2) частотный диапазон;

3) погрешность измерения;

4) входное сопротивление;

5) входная емкость;

6) характер шкалы.

Подгруппы вольтметров:

В2 - вольтметры постоянного тока;

В3 - вольтметры переменного тока;

В4 - импульсные вольтметры;

В5 - фазочувствительные вольтметры;

В6 - селективные вольтметры;

В7 - универсальные вольтметры;

В8 - измерители отношения, разности и нестабильности напряжений;

В9 - преобразователи напряжения.

Вопросы для самопроверки

1. Подгруппы вольтметров.

2. Параметры вольтметра.

3. Измерение постоянного напряжения.

4. Измерение переменного напряжения.

Литература [18, с. 96 - 98].

5.12 Добавочные резисторы

Добавочные резисторы применяют для расширения пределов измерения напряжения. Их включают последовательно с измерительным механизмом (рис. 11). В результате включения добавочного резистора, входное сопротивление вольтметра значительно повышается и становится равным

R_Вт + R_Д,

где R_Вт внутреннее сопротивление измерителя;

R_Д - добавочное сопротивление резистора.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 11

Добавочное сопротивление уменьшает температурную погрешность вольтметров. Предел измерения вольтметра - это его номинальное напряжение. Пусть вольтметр имеет предел измерения U_пр1 и его надо увеличить в m - раз до величины U_пр2 .

Соединение измерительного прибора с добавочным резистором - на рис. 12.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 12

Ток измерительного механизма при подключении добавочного сопротивления должен сохранять свое значение:

U_пр1(R_Вm +R_Д) = U_пр1 R_Вm;

R_Д = R_Вm (m - 1),

где m - число, показывающее во сколько раз нужно увеличить предел измерения вольтметра.

R_Д = R_Вт (U/I_ном R_Вт 1 ).

Многопредельный вольтметр можно выполнять в двух вариантах:

1) с отдельными добавочными резисторами (рис. 13);

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 13

2) с универсальным добавочным резистором (рис. 14);

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 14

Вопросы для самопроверки

1. Назначение и расчет добавочных резисторов.

2. Схема с универсальным добавочным резистором.

3. Многопредельный вольтметр с отдельными добавочными резисторами.

Литература [18, с. 98 - 100].

5.13 Аналоговые электронные вольтметры

Электронные аналоговые вольтметры классифицируются:

1) по видам:

Ё постоянные (В2);

Ё переменные (В3);

Ё импульсные (В4);

Ё фазочувствительные (В5);

Ё селективные (В6);

Ё универсальные (В7);

2) по типу индикатора:

Ё стрелочные;

Ё цифровые;

3) по методу измерения:

Ё приборы непосредственной оценки;

Ё приборы сравнения;

4) по измеряемому параметру напряжения (определяется типом детектора):

Ё пиковые (амплитудные);

Ё среднеквадратические (действующего значения);

Ё средневыпрямленные;

5) по схеме входа:

Ё с открытым входом (пропускают на вход прибора постоянную составляющую измеряемого напряжения);

Ё с закрытым входом.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 15

Наиболее распространенными и надежными являются аналоговые электронные вольтметры. Структурная схема аналогового электронного вольтметра приведена на рис. 15.

Входное устройство представляет собой аттенюатор (делитель напряжения), с помощью которого расширяются пределы измерения вольтметра.

В качестве измерительного преобразователя применяют:

Ё в вольтметрах постоянного тока - усилители постоянного тока;

Ё в вольтметрах переменного тока - детекторы в сочетании с усилителями постоянного или переменного тока;

Ё в селективных вольтметрах преобразователь помимо детектирования и усиления должен обеспечивать избирательность сигнала по частоте;

Ё в фазочувствительных вольтметрах - давать возможность изменения амплитудных и фазовых параметров исследуемого сигнала.

Вольтметры переменного и импульсного тока в зависимости от назначения могут проектироваться по двум структурным схемам:

1) с детектором на входе (схема имеет широкий частотный диапазон, но недостаточно высокую чувствительность) (рис. 16);

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 16

2) с усилителем переменного тока на входе (схема имеет более высокую чувствительность, но сравнительно узкий частотный диапазон) (рис. 17).

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 17

Вопросы для самопроверки

1. Классификационные признаки электронных вольтметров.

2. Их классификация по частотному диапазону и по способу измерения.

3. Классификация по назначению и по характеру измеряемого напряжения.

Литература [3, с. 78 - 81], [4, с. 95 - 97], [12, с. 134 - 140].

5.14 Выпрямительные миллиамперметры

Используются для измерения тока звуковых частот (НЧ - от 20 Гц до 20 кГц, ультразвук от 20 кГц до 200 кГц). Принцип их работы основан на использовании выпрямительных свойств полупроводникового диода. Постоянная составляющая выпрямленного диодом тока измеряется приборами магнитоэлектрической системы.

Особенности выпрямительных приборов:

Ё градуируются в среднеквадратических значениях измеряемого тока;

Ё шкалы приборов на постоянных и переменных токах различны;

Ё имеют высокую чувствительность;

Ё классы точности: 1,5; 2,5;

Ё диапазон рабочих частот до 200 кГц;

Ё показания приборов не зависят от формы кривой измеряемой величины;

Ё широкие пределы измерений: тока от 0,2 мА до 10 А; напряжения от 0,3 В до 100 В.

Применение: для измерений синусоидальных токов и напряжений; для создания комбинированных приборов (тестеров).

1) Однополупериодная схема (рис. 18).

Через диод VD1 проходит положительная полуволна. Для уменьшения вероятности пробоя диода VD1 полуволной обратного тока, а также для уменьшения сопротивления схемы в отрицательный полупериод, основной диод и измеритель шунтируют диодом VD2, который имеет малое сопротивление для полуволны обратного тока.

2) Двухполупериодная схема (рис. 19).

Между амплитудным I_m, действующим I_Д и средневыпрямленным значением I_ср.в. тока при однополупериодной схеме выпрямления существует следующая зависимость при синусоидальной форме тока:

а)Размещено на http://www.allbest.ru

б)Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 18

При двухполупериодном выпрямлении I_Д = 1,11 I_ср.в.

Вопросы для самопроверки

1. Применение выпрямительных миллиамперметров.

2. Особенности выпрямительных приборов.

3. Однополупериодная схема выпрямления.

4. Двухполупериодная схема выпрямления.

Литература [18, с. 82 - 87].

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 19

5.15 Измерение тока высокой частоты

Для измерения тока высокой частоты применяют термоэлектрические амперметры. Термоэлектрический прибор состоит из термопреобразователя и прибора магнитоэлектрической системы. Простейший термопреобразователь содержит подогреватель и термопару из двух разнородных проводников, спаянных между собой (рис. 20).

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 20

Если место спая подогревателя и термопары нагреть, то в пограничном слое этих соприкасающихся проводников возникает термо-э.д.с. постоянного направления, величина которой зависит от свойств проводников термопары и разности температур горячего спая и холодных концов термопары. Если через подогреватель термоэлемента пропускать измеряемый ток высокой частоты, то вследствие нагрева спая в цепи термопары и прибора будет протекать термоток постоянного напряжения, и прибор даст соответствующее показание.

Для увеличения чувствительности термоэлектрических приборов термопару изготавливают из возможно более тонких проводников. Сам нагреватель изготавливают из нихрома с большим удельным сопротивлением, а термопару - из сплава золото-платина-палладий-платинородий (сплав дает высокую термо-э.д.с.).

Особенности:

Ё шкала квадратичная (сжата вначале):

;

Ё возможность измерения токов очень высокой частоты;

Ё классы точности: 1; 1,5 (высокие в широком диапазоне частот);

Ё показания приборов не зависят от формы кривых токов и напряжений;

Ё зависимость показания прибора от внешней температуры;

Ё на основе термоэлектрических амперметров можно реализовать термоэлектрические вольтметры, но на практике их не используют из-за значительной частотной зависимости сопротивления добавочного резистора.

Для расширения пределов измерения токов высокой частоты используют трансформаторы и реактивные делители тока.

По своему устройству термоэлектрические элементы разделяются на два типа: контактные и бесконтактные.

Вопросы для самопроверки

1. Принцип действия термоэлектрических приборов.

2. Особенности термоэлектрических приборов.

3. Как увеличить чувствительность термоэлектрического преобразователя?

4. Возможно ли на практике реализовать термоэлектрические вольтметры?

Литература [18, с. 87 - 93].

5.16 Цифровые измерительные приборы

Классификация:

1) по виду измеряемых величин:

Ё вольтметры и амперметры постоянного и переменного тока (напряжения);

Ё омметры и мосты постоянного и переменного тока;

Ё комбинированные приборы;

Ё измерители частоты, интервалов времени и фазового сдвига;

Ё специализированные ЦИП;

2) по виду входных физических величин:

Ё постоянного и переменного тока (напряжения);

Ё параметров электрических цепей (L, R, C);

Ё временных параметров;

3) по способу преобразования входного сигнала:

Ё прямого преобразования (отсутствует связь выхода с входом);

Ё уравновешивающего преобразования (охвачены цепью обратной связи);

4) по виду выходного дискретного сигнала:

Ё приборы с двоичной формой представления информации;

Ё приборы с десятичной формой представления информации;

Ё приборы с двоично-десятичной формой представления информации.

ЦИП содержат встроенные электронные схемы (обычно микропроцессоры), позволяющие подсоединить дополнительные устройства. Некоторые приборы содержат различные диагностические устройства, что уменьшает время устранения отказов. Большинство современных стендовых приборов имеют внутренние приспособления для калибровки. Калибровка осуществляется с пульта прибора, а значения параметров хранятся в долговременной памяти.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 21 - Структурная схема ЦИП

В последующие отсчеты вносятся поправки с учетом этих параметров. Многие ЦИП снабжены шиной интерфейса и благодаря этому могут работать как части больших измерительных систем (рис. 21).

В цифровом приборе измеряемая величина (Х) подается на входное устройство, предназначенное для выделения ее из помех и масштабного преобразования. Аналого-цифровой преобразователь преобразует величину Х в код N, который подается на цифровое отсчетное устройство, где индицируется в виде ряда цифр. Цифровые коды могут выводиться и во внешнее устройство, например в компьютер для дальнейшей обработки или хранения. Управляет работой ЦИП устройство управления путем выработки и подачи определенной последовательности командных сигналов во все функциональные узлы прибора.

Технические характеристики ЦИП:

Ё пределы измерения;

Ё цена деления;

Ё входное сопротивление;

Ё быстродействие;

Ё точность;

Ё помехоустойчивость, надежность.

Вопросы для самопроверки

1. Технические характеристики цифровых измерительных приборов.

2. Классификация ЦИП.

3. Структурная схема ЦИП, назначение основных узлов.

Литература [10, с. 140 - 143], [12, с. 113 - 116].

5.17 Цифровой вольтметр

Структурная схема цифрового вольтметра с промежуточным преобразованием во временной интервал - на рис. 22.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 22

Измеряемое переменное напряжение подается на вход преобразователя, а при измерении постоянного напряжения - непосредственно на вход сравнивающего устройства. Импульсом с устройства управления запускается генератор компенсирующего напряжения, с выхода которого пилообразное напряжение поступает на другой вход компаратора. Этот импульс запуска одновременно определяет передний фронт прямоугольного импульса на выходе сравнивающего устройства, т.е. открывает электронный ключ, пропускающий импульсы на счетчик.

Когда возрастающее пилообразное напряжение достигнет величины, равной измеряемому напряжению, компаратор срабатывает, вследствие чего заканчивается прямоугольный импульс на его выходе, и электронный ключ закрывается.

Показания цифрового вольтметра периодически повторяются и для их сбрасывания в конце каждого периода из устройства управления на счетчик поступают импульсы сброса, устанавливающие его в нулевое положение. Измеряемое напряжение определяют по формуле:

U_x = nkT,

где n = t_x/T - количество импульсов, поступивших на электронный счетчик;

T - период следования импульсов образцовой частоты;

k - коэффициент, характеризующий скорость нарастания пилообразного напряжения.

Временные диаграммы, поясняющие работу цифрового вольтметра, приведены на рис. 23.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 23

Вопросы для самопроверки

1. Принцип работы цифрового вольтметра с промежуточным преобразованием во временной интервал.

2. Назначение компаратора.

3. Назначение устройства управления.

4. От каких параметров зависит измеряемое напряжение?

Литература [18, с. 141 - 147].

Тема 6. Измерение мощности

6.1 Общие сведения

Измерение мощности в диапазоне звуковых и высоких частот имеет ограниченное значение, так как на частотах до нескольких десятков мегагерц часто удобнее измерять напряжения и токи, а мощность определять расчетным путем.

На частотах свыше 100 МГц, вследствие волнового характера процессов, значение напряжения и токов теряют однозначность, и результаты измерений начинают зависеть от места подключения прибора. На постоянном токе, а также в диапазоне низких, средних и высоких частот используют косвенные методы измерения мощности. Для измерения мощности постоянного и переменного однофазного тока используют электродинамические ваттметры (рис. 24). Такой ваттметр, включенный в цепь переменного тока, измеряет активную мощность и имеет равномерную шкалу.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 24

Косвенный метод используют от низких частот до 500 МГц. Измерения проводят с помощью амперметра и вольтметра (рис. 25). Таким методом нельзя пользоваться при изменяющихся значениях тока и напряжения из-за невозможности одновременного отсчета по двум приборам. Недостатком такого метода является необходимость вычисления мощности после каждого измерения.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 25

Активная (поглощаемая электрической цепью) мощность однофазного переменного тока:

P = UIcos,

где U, I - действующие значения напряжения и тока;

- сдвиг фазы между ними.

Если нагрузка в цепи чисто активная (=0), то мощность переменного тока:

P = UI.

Электрическую мощность переменного тока можно измерять с помощью ваттметров. Современные ваттметры на частоты до 1 МГц строятся на основе интегральных перемножителей с использованием термопреобразователей.

По уровню измеряемых электрических мощностей все измерители мощности делятся на ваттметры:

Ё малой мощности (до 10 мВт);

Ё средней мощности (от 10 мВт до 10 Вт);

Ё большой мощности (свыше 10 Вт).

Большое практическое значение имеет измерение мощности на СВЧ. В этом диапазоне используются методы преобразования электромагнитной энергии в другие виды, например в тепловую, и последующее измерение мощности преобразованной энергии. Различают два основных метода измерения мощности СВЧ-колебаний:

1) измерение мощности источника электромагнитных колебаний (генератора).

Согласно определению, мощность генератора - это мощность, отдаваемая в согласованную нагрузку. В этом случае измеряемая мощность полностью рассеивается на некотором измерительном эквиваленте нагрузки с последующим измерением мощности теплового процесса. Такие измерители называются ваттметрами поглощающего типа (рис. 26). Так как нагрузка должна полностью поглощать измеряемую мощность, то использование прибора возможно лишь при отключенном потребителе. Результат измерения будет наиболее точным, если входное сопротивление прибора полностью согласовано с выходным сопротивлением исследуемого генератора или волновым сопротивлением линии передачи;

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 26

2) измерение электрической мощности, выделяемой в нагрузке, полное сопротивление которой может быть произвольно.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 27

В этом случае между генератором и нагрузкой включается устройство, преобразующее в другую форму лишь незначительную часть передаваемой по линии энергии и не нарушающее процесса передачи (рис. 27).

Относительные результаты измерения мощности выражаются в децибелах (дБ). Они являются логарифмической величиной по основанию 10.

Коэффициент усиления усилителя:

К_усил [дБ] = 10 lg Р₁/Р₂ ,

где Р₁ - мощность на выходе;

Р₂ - мощность на входе.

За уровень отсчета мощности в системах связи обычно принимается мощность 1 мВт, рассеиваемая на сопротивлении 600 Ом. Она получается, если приложить к 600-омной нагрузке напряжение 0,775 В. Мощность, отсчитываемая до этого уровня, выражается в единицах дБм. Она определяется так же, как и мощность в децибелах, но в ее знаменатель подставляют 1 мВт:

[дБм] = 10 lg Р₁/1 мВт

Единицы дБм применяются для измерения абсолютной мощности.

Отношения напряжений или токов также можно выразить в дБ, так как они связаны с мощностью:

К_усил [дБ] = 20 lg U₁/U₂;

К_усил [дБ] = 20 lg I₁/I₂

Вопросы для самопроверки

1. От чего зависит выбор метода измерения мощности?

2. Методы измерения мощности СВЧ-колебаний.

3. Ваттметры поглощающего типа.

4. Единицы измерения мощности.

Литература [10, с. 167-170], [12, с. 233-244], [18, с. 264-270].

6.2 Методы измерения поглощаемой мощности

Измерение поглощаемой мощности наиболее распространено на высоких и сверхвысоких частотах. Существуют следующие методы измерения.

1) Тепловые методы - основаны на преобразовании электромагнитной энергии в тепловую с последующим измерением количества выделенного тепла. Достоинством тепловых ваттметров является возможность калибровки на постоянном токе, что способствует достижению высокой точности измерения мощности.

Ё Калориметрический метод - является одним из наиболее точных. Первичным преобразователем ваттметра является калориметр, где осуществляется преобразование электромагнитной энергии в тепловую. Различают калориметры с постоянной и переменной температурами.

Особенности калориметрических ваттметров:

широкий частотный диапазон;

широкие пределы и высокая точность измерений;

большая инерционность (время установления показаний несколько минут);

сложность в эксплуатации.

Ё Термисторный (болометрический) метод - основан на измерении сопротивления резистивного термочувствительного элемента, в котором электромагнитная энергия превращается в тепловую. В диапазоне СВЧ используют проволочные и пленочные болометры, а также термисторы.

Особенности болометрических и термисторных ваттметров:

широкий частотный диапазон;

высокая чувствительность;

высокая точность;

малое время установления показаний;

малые пределы измерений;

требуют применения специальных схем термокомпенсации.

Ё Термоэлектрический метод - основан на преобразовании с помощью термопар энергии СВЧ в тепловую и измерении возникающей термо-э.д.с., пропорциональной рассеиваемой в термопаре СВЧ-мощности. Метод используется для измерения малых уровней мощности.

Особенности термоэлектрических ваттметров:

малая зависимость результата измерений от температуры окружающей среды;

малые пределы измерений;

малая устойчивость к перегрузкам.

2) Электронные методы - когда измеряемая мощность преобразуется в пропорциональное напряжение постоянного или переменного тока с последующим измерением этого напряжения. Методы имеют малую инерционность, благодаря чему, можно прямо измерять мощность.

Вопросы для самопроверки

1. Перечислить методы измерения поглощаемой мощности на высоких и сверхвысоких частотах.

2. Суть и особенности термоэлектрического метода.

3. Суть и особенности калориметрического метода.

4. Суть и особенности термисторного метода.

Литература [20, с. 114 - 122].

6.3 Цифровые ваттметры

Основным элементом схемы является микропроцессор (рис. 28). Усилитель постоянного тока (УПТ) усиливает выходное напряжение термоэлектрического приемного преобразователя до значения, обеспечивающего устойчивую работу блока АЦП. Напряжение, пропорциональное измеряемой мощности, преобразуется в интервал времени, который заполняется импульсами опорной частоты. Число импульсов, пропорциональное измеряемой мощности, отображается на цифровом отсчетном устройстве (ЦОУ) или может вводиться в специализированное устройство обработки измерительной информации.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 28

Микропроцессор содержит элементы автоматического управления режимами работы и дистанционного переключения пределов измерения. Калибратор мощности переменного тока используется для самокалибровки ваттметра. Калибратор мощности постоянного тока применяется для калибровки цифрового ваттметра, работающего с преобразователями на средних и больших уровнях мощности. Все узлы ваттметра запитываются от встроенного источника питания.

Приемный преобразователь состоит из отрезка коаксиальной линии (или волновода) со стандартным высококачественным разъемом, поглощающего элемента, термоэлектрического модуля, «образца сравнения». Поглощающий элемент представляет собой тонкопленочный резистор на теплопроводящей (бериллиевой) керамике. Центральным проводником коаксиального тракта является тонкостенная трубка из нержавеющей стали, исключающая тепловое влияние внешней среды на поглощающий элемент. Для уменьшения потерь на СВЧ, трубка покрывается медью и серебром. Поглощающий элемент за счет плотной посадки имеет электрический контакт с центральным проводником. Другой его конец впаян в согласующий медный экран с серебряным покрытием. В согласующем экране предусмотрено ступенчатое изменение диаметра, что обеспечивает согласование поглощающего элемента с трактом во всем диапазоне частот.

Термоэлектрический модуль представляет собой диск с отверстием и расположен так, что горячий спай имеет тепловой контакт с внешней поверхностью согласующего экрана в месте пайки поглощающего элемента, а холодный спай - с « образцом сравнения». К выводам термоэлектрического модуля припаиваются провода соединительного кабеля. Для защиты модуля от случайных внешних тепловых воздействий используются внутренний и внешний экраны. На внешнем экране укреплены ребра, образующие вместе с экраном радиатор. Применение радиатора позволяет увеличить мощность рассеивания преобразователя.

В цифровом ваттметре благодаря применению микропроцессора осуществляется автоматический выбор пределов измерения, автоматическая установка нуля и самокалибровка; кроме того, предусматривается выход информации на канал общего пользования при его включении в состав измерительной системы.

Вопросы для самопроверки

1. Назначение калибраторов мощности постоянного и переменного токов.

2. Назначение микропроцессора.

3. Принцип действия цифрового ваттметра.

4. Из каких узлов состоит приемный преобразователь?

Литература [12, с. 243 - 244].

Тема 7. Измерительные генераторы

7.1 Классификация измерительных генераторов

Подгруппы генераторов:

Г1 установки для поверки измерительных генераторов;

Г2 - генератор шумовых сигналов;

Г3 - низкочастотный генератор;

Г4 - высокочастотный генератор;

Г5 - генератор импульсов;

Г6 - генератор сигналов специальной формы;

Г8 - генератор качающейся частоты (Swip).

Классификационные признаки:

1) по форме выходного напряжения:

Ё синусоидальных сигналов (Г3, Г4);

Ё импульсных сигналов;

Ё выходное напряжение в виде шума;

Ё специальной формы;

2) по диапазону частот:

Ё низкочастотные (от 20 Гц до 300 кГц);

Ё высокочастотные (от 0,1 до 100 МГц);

Ё СВЧ (от 1 до 40 ГГц);

3) от вида модуляции:

Ё амплитудная;

Ё частотная;

Ё комбинированная;

Ё фазовая.

Основные требования, предъявляемые к измерительным генераторам:

Ё к ширине диапазона частот;

Ё точности установки частоты и ее стабильности;

Ё сохранению заданной формы выходного напряжения;

Ё пределам изменения выходного напряжения (выходной мощности);

Ё минимальному влиянию изменения частоты на другие выходные параметры генератора;

Ё экранировке генератора.

Вопросы для самопроверки

1. Дать определение измерительного генератора.

2. Какие требования предъявляют к измерительным генераторам?

3. По каким признакам классифицируют измерительные генераторы?

Литература [12, с. 155 - 158], [17, с. 112 - 115].

7.2 Основные параметры и обобщенная структурная схема измерительных генераторов

Частотные параметры (характеризуют диапазон частот генерируемых колебаний, точность установки частоты и ее стабильность).

Параметры выходного напряжения или мощности (определяют напряжение на входе аттенюатора - опорное; пределы плавного или ступенчатого изменения выходного напряжения; сопротивление нагрузки, а также точность и стабильность установленного уровня выходного напряжения).

Основными нормируемыми метрологическими характеристиками измерительных генераторов являются:

Ё пределы и диапазон частот;

Ё пределы и диапазон уровней воспроизводимых сигналов;

Ё погрешность установки частоты;

Ё нестабильность частоты;

Ё погрешность установки выходного напряжения;

Ё пределы искажения формы сигнала.

Обобщенная структурная схема измерительного генератора представлена на рис. 29.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 29

Задающий генератор - основной функциональный узел, определяющий частоту и форму генерируемых сигналов. В зависимости от вида измерительного генератора это может быть:

Ё генератор синусоидальных колебаний;

Ё генератор периодической последовательности импульсов;

Ё генератор шума.

Преобразователь в зависимости от вида измерительного генератора может выполнять следующие функции:

Ё повышение уровня сигнала (усилитель напряжения или мощности);

Ё придавать сигналу определенную форму (модулятор).

Выходное устройство - позволяет регулировать уровень выходного сигнала и изменять его выходное сопротивление, а в случае генератора импульсов изменять полярность выходных импульсов. В его составе может быть аттенюатор, повторитель или согласующий трансформатор. Аттенюаторы измерительных генераторов калибруются в децибелах (табл. 10). При этом общий коэффициент ослабления сигнала определяется как сумма коэффициентов ослабления всех включенных звеньев. Одному децибелу соответствует значение напряжения 0,775 В. Иногда применяют несколько последовательно соединенных аттенюаторов, каждый из которых позволяет ослабить напряжение различными ступенями.

...