Седалищев В.Н. Методы и средства измерений электрических величин
Подождите немного. Документ загружается.
Рис.6.1 Устройство электронно-лучевой трубки.
Типовая однолучевая трубка представляет собой стеклянный баллон, из
которого откачан воздух и в котором расположены подогреваемый катод,
модулятор, фокусирующий анод, ускоряющий анод, горизонтально и
вертикально отклоняющие пластины, третий анод, предназначенный для
дополнительного ускорения электронов. Внутренняя поверхность дна
баллона покрыта люминофором, способным светиться под действием
бомбардировки электронами. Электронный прожектор излучает узкий пучок
электронов, интенсивность которого может быть изменена с помощью
модулятора. Если фокусировка по осям трубки не одинакова, то возможно
появление астигматизма изображения на экране ЭЛТ. Для устранения
данного явления используют дополнительные электроды.
Так как обеспечение равенства периода следования измеряемых
сигналов с частотой развертки не всегда
возможно, то принципиальным
решением данной проблемы является синхронизация сигнала развертки
непосредственно самим измеряемым сигналом.
Структурная схема осциллографа может включать в себя следующие
основные блоки:
• электронно-лучевую трубку (ЭЛТ);
• канал вертикального отклонения (КВО), в который могут входить
аттенюатор, предварительный и оконечный усилители, линию
задержки;
• канал горизонтального отклонения (КГО), включающий в себя
генератор развертки, усилитель горизонтального отклонения, схему
синхронизации, устройство управления, устройство сравнения и
блокировки переходных процессов,
• канал управления и модуляции луча по яркости, калибраторы
уровня и временных интервалов.
Рис. 6.2 Формирование осциллограммы сигнала:
а - при
ñð
ÒÒ
=
; б – при
ñð
ÒÒ
≤
.
Рис. 6.3 Структурная схема универсального осциллографа.
Электронные анализаторы спектра в аппаратном исполнении могут
включают в себя фильтры на отдельные частоты, при этом сканируется
сигнал поочерёдно со всех фильтров или на основе реализации принципа
гетеродина, т.е. используется генератор перестраиваемой частоты и
полосовой фильтр частоты биения колебаний.
7. Измерительные мосты и компенсаторы
Широкое применение мостовых схем и компенсаторов объясняется
высокой точностью измерений, большой чувствительностью и возможностью
измерения различных параметров электрической цепи.
7.1 Мостовые схемы
Наиболее точные измерения сопротивления постоянному току
выполняются с помощью мостов постоянного тока. Мосты делятся на две
группы: одинарные и двойные.
Одинарный мост, называемый мостом Уитстона, применяют для
измерения
сопротивлений от 1 Ом до 100 Мом.
Двойной мост, называемый мостом Томпсона, используют для
измерения малых величин сопротивлений – менее 1 Ом.
Одинарный мост состоит из четырех плеч: три известных
сопротивления в плечах моста вместе с измеряемым сопротивлением
образуют замкнутый четырехполюсник. В измерительную диагональ моста
включен указатель равновесия, в качестве которого используют
магнитоэлектрический гальванометр
. В другую диагональ моста включается
источник постоянного тока.
Рис. 7.1 Схемы одинарных мостов постоянного и переменного тока
Подбором сопротивлений добиваются отсутствия тока через
гальванометр. В состоянии равновесия моста выполняется условие:
423
RRRR
x
⋅
=
⋅
,
3
42
R
RR
R
x
⋅
=
.
Отношение двух сопротивлений в плече моста является фиксированным
множителем (
3
10
−
…
3
10
) для регулируемого сопротивления в плече моста
содержащем неизвестное сопротивление.
Погрешность измерения зависит от измеряемого диапазона, по мере
увеличения измеряемого сопротивления уменьшается чувствительность
прибора, возрастает влияние сопротивления изоляции. Нижний предел
измерений ограничен влиянием сопротивления соединительных проводов.
Эти погрешности исключаются в двойном мосте. Мост называется двойным,
так как содержит два комплекта плеч отношения. При этом реализуется
дифференциальный принцип измерения.
Для создания
мостовых схем на переменном токе используют
трансформаторные и емкостные измерительные схемы. Используют для
измерения активного сопротивления, индуктивности и емкости.
Равновесие такого моста достигается при выполнении условия:
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
+=+
⋅=⋅
4231
4231
ϕϕϕϕ
ZZZZ
. (7.1)
Из данного условия следует, что для уравновешивания моста с
комплексными сопротивлениями необходима регулировка активной и
реактивной составляющих. Равенство фаз указывает, какими по характеру
должны быть сопротивления плеч моста для обеспечения равновесия
мостовой схемы. Правильный выбор регулируемых элементов моста и
питание напряжением повышенной частоты обеспечивает быстрое
уравновешивание моста и его
хорошую сходимость.
Сходимость моста – это возможность достижения состояния
равновесия определенным числом переходов от регулировки одного
параметра к регулировке другого.
Погрешность мостов переменного тока складывается из следующих
составляющих: погрешности исполнения элементов схемы, погрешности их
подгонки, от неполного учета активной и реактивной составляющих
сопротивлений плеч моста, погрешности отсчетного устройства. С
повышением частоты погрешности
возрастают.
Мостовые схемы используются для измерения как электрических, так и
не электрических величин
7.2 Устройство и принцип работы измерительных мостов и
компенсаторов
Измерение токов и напряжений приборами непосредственной оценки
производится в лучшем случае с погрешностью 0,05%. Более точное
измерение этих величин возможно с помощью приборов сравнения –
компенсаторов. В зависимости от вида
измеряемого напряжения различают
компенсаторы постоянного и переменного токов.
Компенсаторы постоянного тока используются для прямого
измерения ЭДС (напряжений), а также косвенного измерения сопротивления,
тока и мощности. Упрощенная принципиальная схема компенсатора
приведена на рисунке.
Рис. 7.2 Принципиальная схема компенсатора постоянного тока
На данной схеме можно выделить три контура: контур (I) нормального
элемента, рабочий (II) и измерительный (III) контуры.
Измерение напряжения производится в два этапа. Сначала
устанавливают рабочий ток, значение которого строго определено и
неизменно для каждого типа компенсатора. Для этого переключатель П
переводят в положение 1, и с помощью
реостата устанавливают такое
значение рабочего тока в цепи второго контура, при котором падение
напряжения, создаваемое им на нагрузочном сопротивлении будет равно
ЭДС нормального элемента. При этом нуль-индикатор покажет отсутствие
тока в цепи первого контура. Затем приступают к измерению неизвестного
напряжения. Для этого переключатель П устанавливается в положение 2 и
регулировкой
калиброванного сопротивления в третьем контуре добиваются
компенсации измеряемого напряжения.
Погрешность измерения напряжения компенсатором постоянного тока
определяется в основном тремя факторами:
• погрешностью установки и поддержанием неизменным рабочего
тока;
• погрешностью изготовления и подгонки образцового,
компенсационного и регулируемого сопротивлений;
• чувствительностью нуль - индикатора.
Существует девять классов точности компенсаторов постоянного тока
от 0,0005 до
0,2. Различают высокоомные компенсаторы (до 40 кОМ) и
низкоомные до 1000 Ом.
Компенсаторы используют также для точных косвенных измерений
токов и сопротивлений. Для измерения силы тока в исследуемую цепь
включается образцовый резистор и измеряется падение напряжения на нем.
Для измерения сопротивления последовательно с ним также включают
образцовый резистор, измеряют падение напряжения на нем
и затем
расчетным путем определяют значение неизвестного сопротивления.
В компенсаторах переменного тока для полного уравновешивания
двух напряжений на переменном токе необходимо выполнить четыре
условия: равенство напряжений по модулю, противоположность их фаз,
равенство частот, должна быть одинаковой форма кривых измеряемого и
компенсирующего напряжений.
Два первых условия обеспечивает конструкция компенсаторов. Третье
условие выполняется при питании объекта измерения и компенсатора от
одного источника. Четвертое условие выполнить практически невозможно.
В качестве индикатора равновесия на промышленной частоте
применяют вибрационный (резонансный) гальванометр. На более высоких
частотах – электронный нуль
– индикатор, на звуковых частотах – усилители
с выпрямительными приборами на выходе.
По способу компенсации неизвестного напряжения компенсаторы
переменного тока делятся на два вида:
• полярно – координатные с отсчетом измеряемого напряжения в
полярных координатах (регулируется модуль напряжения и
отдельно его фаза);
• прямоугольно-координатные с отсчетом измеряемого напряжения в
виде геометрической суммы
двух взаимнно-перпендикулярных
составляющих.
Рис. 7.3 Принципиальная схема прямоугольно-координатного компенсатора
Реохорды ab и cd равны по сопротивлению и длине, токи реохордов
равны по величине и сдвинуты на 90°, а так как средние точки реохордов
соединены электрически, то разность потенциалов между ними равна нулю.
В результате, образуется прямоугольно-координатная система напряжений с
одинаковыми масштабами по осям.
Попеременно перемещая движки
реохордов, добиваются нулевого показания нуль - индикатора, что
соответствует полной компенсации активной и реактивной составляющих
измеряемого напряжения. Значение активной составляющей
компенсирующего напряжения определяется по положению движка на шкале
реохорда ab, а реактивной составляющей – по шкале реохорда cd. Знак
начальной фазы определяется в зависимости от квадранта, в котором
находится вектор компенсирующего напряжения в прямоугольной системе
координат.
По точности компенсаторы переменного тока уступают компенсаторам
постоянного тока.
В автоматических компенсаторах постоянного и переменного токов
уравновешивание осуществляется автоматически.
Существуют компенсаторы с полным и неполным уравновешиванием.
Компенсаторы отличаются погрешностью, временем измерения.
Применяются для измерения электрических и неэлектрических величин.
8. Цифровые измерительные приборы
Цифровые измерительные приборы (ЦИП) это многопредельные,
универсальные приборы, предназначенные для измерения различных
физических величин, например: переменного и постоянного тока и
напряжения, емкости, индуктивности, временных параметров сигналов
(частоты, периода, длительности импульсов) и регистрации формы сигнала,
его спектра и т.п.
В ЦИП входная измеряемая аналоговая величина автоматически
преобразуется в соответствующую
дискретную величину с последующим
представлением результата измерения в цифровой форме.
По способу преобразования сигнала в цифровой код ЦИП
подразделяются на следующие группы:
• приборы с поразрядным кодированием (осуществляется
последовательное сравнение измеряемой величины с набором
дискретных значений образцовой величины);
• приборы с время - импульсным кодированием (значение измеряемой
физической величины преобразуется во
временной интервал с
последующим его заполнением импульсами эталонной частоты);
• приборы с частотно – импульсным преобразованием (это приборы
интегрирующего типа, в которых происходит преобразование
значения измеряемой величины в частоту следования импульсов).
8.1 Устройство и принцип работы цифроввых измерительных приборов
По принципу действия и конструктивному исполнению цифровые приборы
разделяют на электромеханические и
электронные. Электромеханические
приборы имеют высокую точность, но малую скорость измерений. В
электронных приборах используется современная база электроники.
Несмотря на схемные и конструктивные особенности, принцип построения
ЦИП одинаков.
Рис. 8.1 Структурная схема ЦИП.
Измеряемая величина (Х) поступает на входное устройство прибора
ВУ, где происходит масштабное преобразование сигнала, затем он поступает
на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), где аналоговый сигнал
преобразуется в соответствующий код, который отображается в
соответствующий код, который отображается в виде числового значения на
цифровом отсчетном устройстве (ЦОУ). Для
получения всех управляющих
сигналов в цифровом приборе предусмотрено устройство управления.
Входное устройство прибора устроено аналогично электронному прибору, а
в некоторых конструкциях на его входе используется фильтр для исключения
помех.
В зависимости от способа аналого-цифрового преобразования приборы
разделяют на устройства прямого преобразования и компенсационные (с
уравновешивающим преобразованием).
В основе работы
цифровых измерительных устройств
последовательного счета лежит принцип последовательного приближения
значения эталонного сигнала, генерируемого схемой прибора, к значению
измеряемого сигнала.
В ЦИП последовательного приближения происходит последовательное
во времени сравнение измеряемой величины с известной квантованной
величиной, изменяющейся по определенному алгоритму.
В ЦИУ считывания происходит одновременное сравнение измеряемой
физической величины с заранее заданным
набором значений эталонных
сигналов.
На рисунке представлены графики, отражающие принцип работы
рассмотренных типов ЦИП.
Рис. 8.2 Принципы преобразования измеряемого сигнала в ЦИП.
Основными элементами ЦИП являются триггеры, дешифраторы и
знаковые индикаторы. Несколько знаковых индикаторов образуют цифровое
отсчетное устройство. В ЦИП в отличие от аналоговых обязательным
элементом схемы являются АЦП и цифровые отсчетные устройства (ЦОУ).
Схемное решение ЦИП определяется видом АЦП.
В настоящее время широко распространены универсальные
электронные вольтметры (мультиметры), измеряющие напряжение, силу
тока, сопротивление.
К наиболее важным характеристикам ЦИП относятся: разрешающая
способность, входное сопротивление, быстродействие (число измерений в
секунду), точность (близость результата к истинному значению величины),
помехозащищенность.
Достоинства ЦИП: высокая чувствительность и точность измерений,
удобство отсчета показаний, возможность дистанционной передачи
измерительной информации, возможность сочетания с ЭВМ и другими
автоматическими устройствами, высокая помехозащищенность.
Недостатки: сложность устройств, высокая стоимость, невысокая
надежность.
Перспективы развития ЦИП: достигнутый уровень метрологических
характеристик в целом удовлетворяет требованиям практики и приближается
к характеристикам соответствующих эталонов, поэтому основные усилия
разработчиков направлены на повышение надежности ЦИП и создание
приборов с расширенными
функциональными возможностями,
обеспечивающими потребителю максимальные эксплуатационные удобства,
что связано с широким применением микропроцессорной техники.
В качестве примера реализации в ЦИП способа последовательного
счета можно рассмотреть устройство и принцип работы частотомера.
Основными структурными элементами таких цифровых измерительных
приборов являются:
ГИСЧ – генератор импульсов стабилизированной частоты;
К – ключ;
ПУ – пересчетное устройство;
Тг – триггер;
ОУ – отсчетное устройство;
Ф – формирователь импульсов;
БВВИ – блок выделения интервалов времени;
ГЛИН – генератор линейно изменяющегося напряжения:
ВУ - вычислительное устройство;
СУ – устройство сравнения и др.
Например, на приведенных рисунках представлены структурные схемы
некоторых типов ЦИП.