Кухарчук В.В., Кучерук В.Ю., Долгополов В.П., Грумінська Л.В. Метрологія та вимірювальна техніка

Подождите немного. Документ загружается.

спаду напруги на з’єднувальних провідниках, за допомогою яких компенсатор

з’єднано з об’єктом вимірювання.

Ці дві важливі переваги мають місце тільки в компенсаторах.

Компенсатор постійного струму

Найбільш розповсюджена схема компенсатора постійного струму наве-

дена на рис.3.25.В схемі НЕ – но-

рмальний елемент, який є зразко-

вою мірою е.р.с.; ДБ – допоміжна

атарея. В положенні 1 ключа S

регулюванням реостата R

устано-

спад напруги на зразковому резис-

показу ІР. З останньої рівності випливає, що при встановлених

з висо

Вимірявши спад напруги на цьому опорі , за законом Ома визна-

чають

За спадом напруги на R

визначають струм в

знаюч

е.р.с. та напруги з високою точністю. Класи

точності ком

лежать у межах від 0,005 до 0,5. При цьому

до декількох десятків вольт. Для розширення діапазону вимірювання можуть

влюється робочий струм компен-

сатора I

. При нульових показах ІР

торі R

дорівнює е.р.с. нормально-

го елемента E

: I

⋅R

= E

Рисунок 3.25

При точних значеннях E

та R

і високій чутливості ІР значення робочого

струму встановлюється з високою точністю.

Після встановлення робочого струму перемикач S переводиться в поло-

ження 2. Регулюванням зразкового опору R

добиваються нульового показу ІР.

При цьому I

⋅

= U

, де

– частина зразкового опору R

, яка відпо-

відає нульовому

кою точністю робочому струмі та R

визначається з відповідною точніс-

тю значення U

. При незмінному для даного компенсатора значенні робочого

струму I

регульований зразковий опір R

можна проградуювати безпосеред-

ньо у вольтах.

Для вимірювання струму в деякій вітці кола в цю вітку вмикається зраз-

ковий опір R

струм: I=U

. Для вимірювання опору його вмикають послідовно з R

(рис.3.26).

колі I, а вимірявши U

та

и I, обчислюють R

За допомогою компенсаторів можна виміряти

пенсаторів постійного струму

верхня межа вимірювання

Рисунок 3.26

не перевищує 1,5-2,5 В. Нижня межа вимірю-

вання може складати одиниці нановольт. Якщо замість НЕ використати стабі-

лізоване джерело напруги, то верхня межа вимірювання може бути підвищена

застосовуватись подільники напруги.

3.5.2 Компенсатори змінного струму

Вимірювана синусоїдна напруга

може бути представлена вектором

розташованим на площині (рис.3.27).

Вектор на площині може бути визначений дво-

а с

початко-

скла-

ладові). В обох випадках вектор змінної напруги

м пособами: 1) довжиною вектора U

та

вою фазою Ψ

; 2) взаємно перпендикулярними

довими вектора U

аx

та U

рx

(активна та реактивна

ск

визначається двома параметрами, а не одним, як

постійна напруга. У відповідності із способом визна-

чення змінної напруги розрізняють компенсатори по-

лярно-координатні та прямокутно-координатні.

полярно-координатному компенсаторі для компенсації вимірюваної

напру

висо-

кими метрологічними характеристиками. В компенсаторах змінного струму

необхідно також, щоб вимірювана та компенсувальна напруги мали однакову

частоту.

Схема прямокутно-координатного

компенсатора представлена на рис.3.28.

В ній є два контури А та Б з двома

реохордами R

КА

та R

КБ

, серединні точки

яких з’єднані між собою. Робочий

струм компенсатора в контурі А вста-

новлюється за амперметром реостатом

R. В контурі Б струм І

створюється за

допомогою котушки взаємної індуктив-

М:

Рисунок 3.27

ги U

необхідно створити напругу U

= U

, але зсунуту відносно U

на

180°. У прямокутно-координатному необхідно створити дві напруги: U

ак

та U

рк

які зрівноважують напруги U

аx

та U

рx

, відповідно. Полярно-координатні компе-

нсатори не випускаються через необхідність мати в них фазорегулятор з

ності

ББ

I ⋅==

, (3.50)

Рисунок 3.28

де R

– сумарний опір контура Б. Значення опорів R

КБ

та R

вибираються таки-

ми, щоб (R

КБ

+ R

)>>ωL

Струм

зсунутий відносно

на 90°, тому напруги U

ак

та U

рк

на реохо-

рдах R

КА

та R

КБ

також зсунуті на 90°. Переміщуючи повзуни реохордів, змі-

нюють величини та знаки напруг U

ак

та U

рк

до повного зрівноваження вимірю-

ваної напруги U

, настання якого визначається за нульовим показом ІР.

Точність вимірювання напруги U

компенсатором змінного струму об-

межен

ного струму)

перем

а в першу чергу неможливістю точного встановлення робочого струму

. Амперметри, що застосовуються для цього, мають класи точності не вищі

0,1-0,2. Крім того, похибки вносять і інші елементи, так що сумарна похибка

компенсатора звичайно знаходиться у межах ±0,5

Останнім часом для встановлення робочого струму стали застосовува-

тись так звані

компаратори, які дозволяють значно підвищити точність ком-

пенсаторів.

Компенсатори постійного та змінного струму можуть бути забезпечені

пристроями для автоматичної компенсації вимірюваної напруги. Так само, як і

в автоматичних мостах, напруга небалансу після підсилення підсилювачем по -

дається на двигун, увімкнений в коло зворотного зв’язку. За допомогою двигу-

нів (одного в компенсаторі

постійного та двох в компенсаторі змін

іщаються повзунки реохордів (регульованих опорів) до настання компен-

сації.

3.6 Вимірювання електричної енергії електронними лічил ьниками

В електронних лічильниках енергії спочатку здійснюється операція усе-

реднення миттєвої потужності за період змінного струму Т:

.dtiu

∫

⋅⋅=

Пристрої, які виконують цю операцію, називаються перетворювачами

потужності. З наведеного виразу видно, що необхідним елементом перетворю-

вача п

величина

і на навантаженні та стру-

мові в

отужності є пристрій перемноження миттєвих значень u та i. Ці пристрої

поділяють на параметричні та модуляційні.

Параметричні перемножувальні пристрої бувають з прямим та непрямим

перетворенням. При прямому перемноженні використовується чотириполюс-

ник, на вхід якого подається

одна величина (наприклад, u), а інша (і)

керує коефіцієнтом його передачі. Вихідний сигнал чотириполюсника пропор-

ційний добутку u⋅і.

При непрямому способі перемноження використовуються залежності:

⋅u

= [(u

)

–(u

–u

)

]

або

⋅u

= [(u

–(u

–u

)

де u

і u

– напруги, пропорційні, відповідно, напруз

ньому.

Справа тут полягає у тому, що технічно простіше реалізувати дії дода-

вання, віднімання двох напруг та піднесення до квадрату, ніж безпосереднє їх

перемноження. Для виконування операцій додавання (віднімання) та піднесен-

ня до квадрату застосовуються суматори та квадратори. Похибки вимірювань

головним чином залежать від метрологічних характеристик цих пристроїв.

На рис.3.29 наведена структурна схема перетворювача потужності, по-

будован го на основі реалізації залежності 4uо

ві ,

ПУ – ристрій усереднення.

рисунка видно, що U

вих

= .

⋅u

= [(u

)

–(u

–u

)

], в якій П

та П

– перетворювачі (кв адратувальні пристрої), ВП – днімальний пристрій

∫

⋅=

PK4dtuiK4

Рисунок 3.29

Найбільш точними є модуляційні перемножувальні пристрої, основані на

подвійній модуляції імпульсних сигналів Використовуються різні види моду-

ляції, серед яких найбільше розповс держали широтно-імпульсна та

амп ітудно-імпульсна модуляції (ШІМ-АІМ). На рис.3.30,

а представлена

струк

дами U

періодом T

та тривалостями додатної (t

) і від’ємної (t

) півхвиль. При t

= t

середнє зн ачення напруги на виході генератора дорівнює нулю. В широтному

модуляторі ШМ тривалість імпульсу t

збільшується при збільшенні струму i, а

– зменшується. Різниця (t

– t

) = ∆t пропорційна струму i. Відношення

∆t/T

⋅i, де K

– коефіцієнт перетворення ШМ.

В амплітудному модуляторі відбувається амплітудна модуляція імпуль-

сів, які надходять з виходу широтного модулятора.

Амплітуда імпульсів

на виході АМ пропорційна миттєвому значен-

ню напруги u на навантаженні: U

= K

⋅u, де K

– коефіцієнт перетворення АМ.

Тоді u

a ср.

= U

∆t/T

⋅u⋅K

⋅i=K

⋅K

⋅p, тобто середнє за період значення на-

пруги на виході АМ пропорційне миттєвому значенню потужності p=ui. На-

пруга на виході пристрою усереднення (ПУ):

юдження о

турна схема перетворювача потужності з ШІМ-АІМ, а на рис.3.30,

б – ча-

сові діаграми напруги, які пояснюють принцип його роботи. Генератор Г фор-

мує прямокутні двополярні імпульси напруги з постійними ампліту

PKdtiuKK

dtu

шa

cp aвих

⋅=

∫

⋅⋅⋅⋅=

∫

⋅=

, (3.51)

де T – період зміни струму i та напруги u,

K = K

⋅K – коефіцієнт перетворе рювача потужності. ння перетво

a ш

вих

ППН ПНЧ ЛІ

Uma

Рисунок 3.30

дност

б)

Електронний лічильник активної енергії будується на основі перетворю-

вача потужності з наступним інтегруванням його вихідної величини у відпові-

і з виразом W =

∫

dtP.

Одна з можливих структурних схем такого лічильника показана на

рис.3.31, де ППН – перетворювач потужності; ПНЧ – перетворювач напруги в

частот

у; ЛІ – лічильник імпульсів.

Частота

f імпульсів пропорційна потужності. Ці імпульси підраховуються

(інтегруються) лічильником імпульсів ЛІ. Отже, покази ЛІ пропорційні актив-

ній енергії W.

Рисунок 3.31

В даний час випускают ься електронні лічильники для вимірювання як

активної, так і реактивної енергії. Вони мають класи точності 0,2–2,5. Крім то-

го випускаються лічильники для вимірювання енергії постійного струму, лічи-

льники ампер-годин та лічильники вольт-годин.

ШМ

АМ УУ

а)

Гі

вих

3.7 Електронний осцилограф

Осцилограф – це прилад, призначений для спостереження, реєстрації та

имірювання параметрів досліджуваного сигналу (напруги), який залежить від

часу.

В електронному осцилограф я здійснюється шляхом фотогра-

фування зображення з екрана.

ене

кі перетворюють

до-

с жуваний сигнал перетворюється у

відхилення потоку електронів (електронного променя), я

люмінесцентний екран електронно-променевої трубки (Е

ка св

о не повторюються

періодично

) імпульсів використовуються осцилографи з тривалим світінням

постереження періодичних сигналів,

післяс

графіком досліджуваного сигналу.

На рис.3.32 показаний принцип одержа

і реєстраці

Крім електронних осцилографів існують електромеханічні. Їх називають

світлопром вими. В них використовуються електромеханічні (переважно ма-

гнітоелектричні) механізми з малим моментом інерції, я

сліджуваний сигнал в переміщення променя світла.

В електронних осцилографах до лід

кий, потрапивши на

ПТ), створює лінію,

я ітиться. Форма цієї лінії відповідає сигналу, який змінюється в часі.

Для спостереження сигналів у вигляді поодиноких (щ

ЕПТ. В осцилографах, призначених для с

вітіння невелике. Тому в таких осцилографах для одержання нерухомого

чітко видимого зображення необхідно, щоб електронний промінь періодично

прокреслював на екрані ЕПТ лінію, що є

ння нерухомого зображення пері-

одичного

сигналу.

яка зм

жання 2, 3 на екрані осцилографа в моменти t

, t

та t

. У даному

випад

Рисунок 3.32

На вертикально-відхиляльні пластини Y-Y подається досліджувана на-

пруга u

, а на горизонтально-відхиляльні пластини X-X – напруга розгортки u

інюється у часі лінійно. Штриховими лініями на рисунку показано одер-

точок 0, 1,

ку періоди повторення напруг сигналу та розгортки однакові: T

= T

Для управління променем, установлення потрібних розмірів зображення,

становлення масштабів на осях осцилограми та виконання інших операцій ос-

цилограф має комплекс функціональних вузлів. Структурна схема з набором

найбільш вживаних вузлів (блоків) в осцилографах приведена на рис.3.33.

Якщо період напруги розгортки Т

дорівнював би 2T

, напруга розгортки

змінювалась би по штрих-пунктирній лінії. На екрані осцилографа вмістилося

б дві хвилі досліджуваної синусоїдної напруги. Для одержання нерухомого зо-

браження на екрані осцилографа потрібно, щоб період T

був в ціле число n ра-

зів більший за період T

: T

= nT

. Крім того, необхідно, щоб розгортка почина-

лась кожного разу в момент часу, який відповідає одній і тій самій фазі сигна-

лу, наприклад, в момент t

на рис. ачає, що напруги сигналу та роз-

гортки

Рисунок 3.33

І ще потрібно , щоб за час зміни напруги u

від максимального додатного

до максимального від’ємного значення пучок електронів (електронний про-

мінь) не потрапляв на екран, інакше буде видна на екрані горизонтальна лінія

(під час зворотного ходу променя).

Досліджувана напр уга подається на вхід Y каналу вертикального відхи-

лення. За допомогою вхідного атенюатора вхідна напруга зменшується до та-

кого значення, щоб

вона могла бути без спотворень підсилена підсилювачем

вертикального відхилення, напруга з виходу якого потрапляє на вертикально-

відхиляльні пластини. З підсилювача вертикального відхилення в моменти

+n2π), де n = 0, 1, 2… (див. рис.3.33) в положенні 1 перемикача S

подається

короткий імпульс, який запускає схему синхронізації. Сигнал зі схеми синхро-

нізації надходить на вхід схеми управління розгорткою і далі на генератор пил-

коподібної напруги, через перемикач S

в положенні 1 на підсилювач горизон-

тального відхилення і, нарешті, на горизонтально-відхиляльні пластини ВПТ.

Якщо для запуску схеми синхронізації використовується досліджуваний

сигнал (ключ S

в положенні 1) нхронізація називається внутрі-

3.32. Це озн

повинні змінюватись у часі синхронно, тобто ці напруги повинні бути

синхронізовані між собою.

, то така си

ЕПТ

Вхід синхронізації

Вхід Z

Вхід Y

Вхідний

атенюатор

Схема

управління

розгорткою

Генератор

розгортки

Підсилювач

горизонтально-

го відхилення

Підсилювач

вертикально-

го відхилення

Калібратор

Схема син-

хронізації

Блок

живлення

Вхід Х

шньою при положенні 2 ключа S

синхронізація може бути здійснена зовніш-

нім сиг

альної напруги і далі на горизонта-

льно-

ложенні 2 перемикача S

на вхід підсилювача горизонтал

на подати напругу від іншого джерела, наприклад, для вимірювання частоти

за допомогою фігур Ліссажу.

Для контролю за коефіцієнтами вертикального та горизонтального відхи-

лення та їх коректування у багатьох осцилографах є калібратор – генератор,

який виробляє стабільну за амплітудою та частотою напругу.

На вхід Z подаються сигнали,

за допомогою яких можна промодулювати

досліджувану напругу за яскравістю світіння, тобто накласти “мітки” на дослі-

джуваний сигнал.

Промисловістю випускається велика кількість осцилографів різного при-

значення та з різноманітними характеристиками. Осцилографи поділяються на

універсальні, швидкісні, стробоскопічні, запам’ятовувальні, багатопроменеві,

спеціальні. Найбільш розповсюдженими є універсальні.

3.8 Світлопроменевий осц

ю світлового променя. Вони застосовуються для дослідження про-

есів з верхньою частотою, яка не перевищує 30 кГц. Перевагою цих приладів

є простота побудови, можливість реєстрації великого числа (до 36) процесів.

Основними вузлами найбільш розповсюджених світлопроменевих

осци-

лографів є: магнітний блок з осцилографічними гальванометрами (ОГ), оптич-

на система, пристрій розгортки та відмітник часу.

Побудова та принцип дії світлопроменевого осцилографа пояснюється

схемою на рис.3.34.

Тонкий промінь світла за допомогою оптичного пристрою від лампочки

Л направляється на дзеркальце осцилографічного гальванометра ОГ. Осцилог-

рафічний гальванометр являє собою закріплену на розтяжках

мініатюрну ру-

хому рамку магнітоелектричного вимірювального механізму, поміщену в ме-

талевий немагнітний кожух з полюсними наконечниками з магнітом’якого ма-

теріалу. Звичайно зовнішній діаметр кожуха дорівнює 6 мм. Така конструкція

гальванометра з кожухом та ручк овлення в гнізда магнітного бло-

а називається гальванометром–вставкою. Магнітний блок складається з одно -

го

спіл

налом, а в положенні 3 ключа S

– напругою мережі живлення.

В положенні 1 перемикача S

напруга з генератора, яка змінюється ліній-

но, надходить на вхід підсилювача горизонт

відхиляльні пластини для розгортки у часі досліджуваної напруги. У по-

ьного відхилення мо-

илограф

Світлопроменеві осцилографи являють собою електромеханічні прилади,

призначені для реєстрації та спостережень змінних у часі електричних сигналів

за допомого

ою для встан

ьного для декількох вставок постійного магніту з магнітопроводом з гні-

здами для вставок. Таким чином, рамка ОГ знаходиться в сильному магнітному

полі постійного магніту.

ромінь світла від дзеркальця ОГ, проходячи через призму П, розділя-

ється н два, один з них потрапляє на фотоплівку, яка рухається із швидкістю

V, а другий – спочатку на гранований дзеркальний барабан розгортки РБ, а по-

тім – на матовий екран Е. При протіканні струму

і, зв’язаного з досліджуваним

проце іксуют

и і дзеркальний барабан приводяться в рух двигуном.

сом, через рамку ОГ, вона відхиляється. Ці відхилення ф ься на фо-

топлівці ФП і спостерігаються на екрані Е. Стрічкопротяжний механізм для

фотоплівк

Лінза

ОП

РБ

ОГ

ФП

СМ

В деяких світлопроменевих осцилографах екран для спостереження за

процес

Для вибору масштабу часу застосовуються спеціальні відмітники часу, за

допомогою яких на носій наносяться мітки через певні інтервали часу. Інтерва-

ли між мітками на носієві залежа ості руху носія V, яка

задається

вигуном з редуктором. При наявності багатоступеневого редуктора можна ви-

брати ш

раф типу НО63. У ньому є сім ЕПТ,

одна з

Рисунок 3.34

ом відсутній. В таких осцилографах здійснюється тільки реєстрація

процесів на фотоносії.

ть від швидк

видкість носія, обертання дзеркального барабана та частоту міток, від-

повідні частоти досліджуваного сигналу.

В даний час з’явились світлопроменеві осцилографи, у яких замість ОГ

використовуються мініатюрні електронно-променеві трубки. Це дозволяє ре-

єструвати процеси з широким частотним спектром (до 100 кГц

). Прикладом та-

кого осцилографа може служити осцилог

яких використовується для одержання міток часу. Недолік такого осци-

лографа – низька чутливість (0,14 мм/В).

Контрольні питання

1. Наведіть узагальнену структурну схему електронного вольтметра по-

стійного струму і поясніть функціональні призначення кожного елеме-

нта цієї схеми.

2. Наведіть структурні схеми вольтметрів змінних напруг (детектор-

підсилювач і підсилювач-детектор). Наведіть порівняльну характерис-

тику цих схем (за чутливістю і частотним діапазоном).

3. Які детектори застосовуються в амплітудних (пікових) вольтметрах?

Наведіть структурну схему і поясніть принцип дії амплітудного вольт-

метра. За якою структурною схемою реалізовано даний засіб вимірю-

вання?

5. Структурна схема, принцип дії електронного вольтметра діючих зна-

чень. Виведіть рівняння перетворення для даного вольтметра.

6. Поясніть суть методу заряду-розряду конденсатора.

7. Структурна схема, принцип дії, часові діаграми роботи

електронного

конденсаторного частотоміра. Виведіть рівняння перетворення.

8. Структурна схема, принцип дії, часові діаграми роботи електронного

фазометра. Виведіть рівняння перетворення для такого фазометра.

9. Наведіть схему моста Уітстона. Виведіть умову рівноваги для мостів

постійного і змінного струму.

10. Які мостові схеми застосовують для вимірювання активних опорів?

Галузь застосування одинарних і подвійних

мостів.

11. Які ви знаєте схеми заміщенн ора?

2. Наведіть методику виведення умови рівноваги мостів для вимірювання

ємн

порівняно з

іншими засобами вимірювання електричних вел

16. Стр

ема і принцип дії компенсатора змінного струму.

сучасні підходи до побудови електронни

20. Наведіть

структурну схему електронно-про

крийте призначення кожного блока осцилографа.

21. Який елемент виконує функції розгортки? Покажіть форму сигналу на

вих

рювання тривалості імпульсу, періоду, частоти,

різниці фаз, амплітуди за допомогою осцилографа.

я конденсат

ості конденсатора.

13. Наведіть дві схеми вимірювання індуктивності: зрівноваження змінною

індуктивністю; зрівноваження змінною ємністю.

14. Структурна схема , принцип дії і галузь застосування автоматичного

моста постійного струму.

15. Дві схеми компенсації напруги. Переваги компенсаторів

ичин.

уктурна схема і принцип дії компенсатора постійного струму.

17. Структурна сх

18. Які ви знаєте

х лічильників

електричної енергії?

19. Поясніть принцип одержання нерухомого зображення на екрані елект-

ронно-променевої трубки.

меневого осцилографа. Роз-

оді генератора розгортки.

22. Наведіть методику вимі