Седалищев В.Н. Методы и средства измерений электрических величин
Подождите немного. Документ загружается.
помощью фазовращателя. При этом в качестве нуль-индикатора может быть
использован, например, осциллограф. Измеряемый фазовый сдвиг
отсчитывают по показанию образцового фазовращателя.
Прямое измерение угла сдвига фаз осуществляют с помощью
электродинамических, ферродинамических, электромагнитных, электронных
и цифровых фазометров.
Электродинамические фазометры используют в диапазоне частот до 10
кГц, цифровые фазометры используются в маломощных цепях
в диапазоне
частот от единиц Гц до сотен МГц.
В электронно-счетных цифровых фазометрах, реализующих метод
дискретного счета, сдвиг по фазе между сигналами преобразуется во
временной интервал, заполняемый импульсами стабильной частоты с
определенным периодом, которые затем подсчитываются.
Явление зависимости фазового сдвига от частоты негативно проявляется
при прохождении многочастотного широкополосного
сигнала через
четырехполюсник. При этом форма сигнала на выходе четырехполюсника не
совпадает с формой сигнала на входе, так как разные частотные
составляющие запаздывают на разное время. Для характеристики этого
явления используют понятие группового времени запаздывания
ÃÂÇ
t
, которое
определяется как производная от сдвига фазы по частоте:
ω
ϕ
d
d
t
ÃÂÇ
=
. (9.8)
Наибольшее распространение для измерения группового времени
запаздывания получил метод Найквиста, согласно которому оно
принимается равным времени распространения огибающей сигнала,
полученного при амплитудной модуляции несущего колебания
низкочастотным сигналом. В соответствии с эти методом проводится
сравнение фазового сдвига огибающей модулированного по амплитуде
сигнала на входе и выходе исследуемого четырехполюсника.
Упрощенная
схема, реализующая данный метод, показана на рисунке.
Рис. 9.13 Схема измерения группового времени запаздывания сигнала.
Групповое время запаздывания можно определить по формуле:
Ω
∆
=
π
ϕ
2
ÃÂÇ
t
, (9.9)
где Ω - частота огибающей колебаний (частота биения колебаний).
9.6 Измерение фазового дрожания цифрового сигнала
Фазовое дрожание цифрового сигнала в цифровых системах передачи
возникает по ряду причин. Это шумы и помехи в линейном тракте цифровых
систем передачи, а также искажения цифрового сигнала. Указанные причины
приводят к дрожанию фазы стробирующих импульсов, определяющих
момент регенерации сигнала, а, следовательно, и дрожание самого
цифрового сигнала, которое накапливается в процессе многократной
регенерации сигнала в тракте системы передачи. Установлено, что закон
изменения (дрожания) фазы цифрового сигнала является нормальным. В
качестве основных характеристик фазового дрожания принято использовать
его СКО и пиковое значения. Дрожание приводит к уменьшению
соотношения сигнал/шум.
Для измерения малых дрожаний цифровых сигналов используется
метод измерения, основанный на преобразовании фазового сдвига в
импульсы, амплитуда которых пропорциональна этому сдвигу.
Фазовое дрожание может быть измерено также осциллографическим
методом по глаз-диаграмме. Для этого исследуемый сигнал подается на вход
канала вертикального отклонения. При синхронизации развертки
осциллографа от сигнала тактовой частоты и при совмещении принимаемых
сигналов во времени
на экране осциллографа наблюдается глаз-диаграмма.
На рисунке приведены два вида глаз-диаграмм: идеализированной и с учетом
фазовых дрожаний.
Рис. 9.14 Глаз – диаграмма: а – идеализированная; б – с учетом фазовых
дрожаний.
Расстояние между двумя уровнями в точке отсчета (В), определяет запас
помехоустойчивости по амплитуде при регенерации сигнала, а ширина
раскрыва (Т) отражает допуск на фазовое дрожание. Величина фазового
дрожания определяется как относительное уменьшение раскрыва диаграммы.
10. Измерение параметров элементов электрической цепи
Приборы для измерения параметров компонентов электрических цепей с
сосредоточенными параметрами подразделяются на следующие виды:
• Е2 – измерители полных сопротивлений;
• Е3 – измерители индуктивности;
• Е4- измерители добротности;
• Е6 – измерители сопротивлений;
• Е7 – универсальные измерители параметров;
• Е8 – измерители емкости;
• Е9 – преобразователи параметров.
Для измерения параметров элементов электрической цепи
используют
электромеханические, аналоговые и цифровые электронные приборы.
10.1 Электромеханические омметры
Схемы вариантов построения электромеханических омметров представлены
на рисунке.
Рис. 10.1 Схемы омметров с последовательным (а) и параллельным (б)
соединением элементов цепи.
Принцип действия электромеханических омметров основан на
зависимости тока, протекающего через прибор, от величины измеряемого
сопротивления включенного в измерительную цепь. При последовательной
схеме включения элементов измерительной цепи величина тока,
протекающий через прибор, обратно пропорциональна значению
измеряемого сопротивления:
ÊÕÏÐ
RRR
U
I
++
=
(10.1)
При замкнутых входных контактах ток в цепи максимален, а при
разомкнутых – равен нулю, поэтому у приборов данного типа шкала
неравномерная и обратная. Перед началом измерений можно проверить
исправность таких приборов и произвести установку указателя прибора на
нулевую отметку его шкалы путем замыкания накоротко его входных
контактов. Необходимость этого вызвана тем, что с течением времени
напряжение источника питания уменьшается и в результате нарушается
градуировка шкалы прибора.
Последовательные схемы обычно применяют для измерения
сравнительно больших сопротивлений. Это объясняется тем, что в данной
схеме малые сопротивления слабо влияют на изменение тока в
измерительной цепи.
При параллельном соединении измеряемого
сопротивления и
миллиамперметра ток, протекающий через прибор, с увеличением
измеряемого сопротивления растет и шкала прибора прямая и равномерная.
Такой прибор калибруется при разомкнутых зажимах, при этом стрелка
прибора устанавливается в крайнее правое положение. Параллельную схему
включения прибора используют для измерения сравнительно малых
сопротивлений, так как большие сопротивления будут мало влиять
на
показания прибора. Уравнение шкалы такого прибора имеет вид:
)(
ÏÐÕÊÏÐÕ
ÏÐÕ
RRRRR
RR
US
+⋅+⋅
+
⋅=
α
(10.2)
Для обоих вариантов схем включения прибора его шкала не
равномерная.
Приборы с логометрическим измерительным механизмом не требуют
калибровки перед началом измерения. В устройствах такого типа
противодействующий момент создается электрическим путем за счет того,
что подвижная часть измерительного механизма состоит из двух жестко
скрепленных между собой рамок.
Рис. 10.2 Схема омметра с логометрическим измерительным механизмом.
Уравнение шкалы логометра определяется отношением токов в
обмотках, а угол отклонения указателя пропорционален измеряемому
сопротивлению и не зависит от величины напряжения:
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
++
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
11
22
2
1
Ä
ÕÄ
RR
RRR
I
I
ϕϕα
. (10.3)
Метод амперметра и вольтметра широко используется при
косвенных измерениях сопротивления.
Рис. 10.3 Схемы измерения сопротивления методом вольтметра (а) и
методом амперметра (б).
Достоинство его состоит в том, что резистор, сопротивление которого
измеряется, можно поставить в реальные условия работы, т.е. пропускать
через него реально действующий ток, что важно при измерении
сопротивлений, значения которых зависит от тока. Метод прост, надежен, но
характеризуется низкой точностью.
Недостатком данного метода является то, что действительное значение
сопротивления отличается от рассчитанного по показаниям вольтметра и
амперметра. Для одной схемы результат измерений получается завышенным,
а для другой схемы – заниженным. Поэтому необходимо выбирать вариант
схемы включения прибора в зависимости от соотношения измеряемого
сопротивления и сопротивлений используемых приборов.
10.2 Электронные
омметры
Принцип работы электронных омметров основан, как правило, на двух
методах: методе стабилизированного тока в цепи делителя и методе
преобразования измеряемого сопротивления в пропорциональное ему
напряжение.
Схема омметра, построенная по методу стабилизированного тока в
цепи делителя, представлена на рисунке.
Рис. 10.4 Схема измерения сопротивления методом стабилизированного тока
в цепи делителя.
В данной схеме делитель напряжения питается от источника опорного
напряжения. Падение напряжения на измеряемом резисторе усиливается и
измеряется электромеханическим прибором. Для данной схемы справедливо
следующее соотношение:
Õ
Õ
R
RR
U
Ê
0
0
+
=
α
. (10.4)
Из формулы видно, что шкала таких приборов нелинейная.
Приборы данного типа могут использоваться для измерения малых и
больших сопротивлений в зависимости от схемы включения измеряемого и
добавочного резистора. Для повышения точности весь диапазон измерений
разбивается на поддиапазоны, каждому из которых соответствует свое
значение добавочного резистора.
В схеме, реализующей метод
преобразования сопротивления в
напряжение, применяется операционный усилитель с отрицательной
обратной связью.
Рис. 10.5 Схема омметра на операционном усилителе.
Такие схемы используют для измерения средних и больших
сопротивлений.
Напряжение на выходе ОУ будет пропорционально измеряемому
сопротивлению.
()
β
kR
R
UU
X
X
11
0
0
+
=
, (10.5)
При большом значении коэффициента усиления уравнение шкалы
такого прибора будет равномерным.
Мосты постоянного и переменного тока позволяют производить
измерения сопротивлений с высокой точностью и в широком диапазоне от
наноом (
ÎìíÎì
9
101
−
=
) до петаом (
ÎìÏÎì
15
101
=
).
Цифровые мосты обеспечивают измерение до тераом
(
ÎìÒÎì
12
101
=
).
При реализации цифровых измерителей параметров элементов
электрических цепей получили метод дискретного счета и метод
уравновешивающего преобразования.
10.3 Реализация метода дискретного счета в омметрах
При реализации метода дискретного счета преобразование измеряемого
параметра в пропорциональный ему временной интервал с последующим
измерением длительности интервала путем его заполнения
последовательностью коротких импульсов.
На рисунке приведена структурная схема цифрового измерителя
сопротивления с апериодическим разрядом образцовой емкости через
измеряемый резистор.
Рис. 10.6 Цифровой измеритель параметров элементов электрических цепей:
а – схема; б – временные диаграммы.
Су – сравнивающее устройство; ТР – триггер; ВС – временной
селектор; УУ – устройство управлении; ГСИ – генератор счетных импульсов;
ЭС – электронный счетчик; У – источник электропитания.
Принцип действия омметра поясняется временными диаграммами.
10.4 Реализация метода уравновешивающего преобразования в
измерителях параметров электрической цепи
Метод
уравновешивающего преобразования основан на сравнении
измеряемого сопротивления, индуктивности или емкости с образцовыми
мерами. При этом в качестве схемы сравнения используют мостовые
трансформаторные или RLC – схемы. В RLC – мостовых схемах одно или
несколько уравновешивающих плеч моста выполняется в виде устройства, в
котором происходит ступенчатое изменение значения R или С.
Рис. 10.7 Схема цифрового уравновешивающего моста.
По способу уравновешивания различают схемы с однонапрвленным и
следящим уравновешиванием. С однонапрвленным уравновешиванием
подбор элементов происходит по определенной программе. При следящем
уравновешивании балансировка моста может начинаться с подключения
любых значений уравновешивающих элементов, и процесс уравновешивания
может происходить в любую сторону.
10.5 Резонансный метод измерения параметров
элементов цепи
Данный метод измерения параметров элементов основан на реализации
явления резонанса в электрической цепи. На основе использования
резонансного метода измерения разработаны различные типы приборов.
Например, с помощью куметров производится измерение добротности
катушек индуктивности, емкости и тангенса угла диэлектрических потерь
конденсаторов, полное сопротивление и проводимость двухполюсников и др.
Упрощенная схема куметра представлена на приведенном рисунке.
Рис. 10.8 Схема куметра.
Для измерения добротности элемента цепи колебательный контур
настраивается в резонанс. Так как ток, протекающий через резистор
0
R
в
процессе измерения поддерживается неизменным, шкалу вольтметра,
измеряющего напряжение на выходе схемы, пропорционально добротности
измеряемого элемента.
Для измерений очень больших сопротивлений до эксаом (
ÎìÝÎì
18
101
=
)
используют баллистические гальванометры.
10.6 Измерение емкости
Диапазон измеряемых в настоящее время емкостей простирается от
пикофарад до сотен микрофарад. Выбор используемого при этом метода
зависит от значения измеряемой емкости, условий измерения (температуры
окружающей среды, частоты и величины питающего напряжения), требуемой
точности.
Косвенные методы основаны на использовании амперметра, вольтметра,
ваттметра.
Прямые методы – это мостовые и метод непосредственной оценки. Для
этой цели используют мосты переменного тока, цифровые мосты,
фарадаметры с электромагнитным или электродинамическим ИМ на
принципе логометра. Их применяют при грубых измерениях больших
емкостей. На этом принципе построены и генриметры.
Рис. 10.9 Схема измерения емкости методом вольтметра и амперметра.
10.7 Измерение индуктивности
Косвенные методы измерения индуктивности основаны на
использовании вольтметра, амперметра и ваттметра.
Прямые измерения - на основе использования мостов и методов
непосредственной оценки.
Для измерения взаимной индуктивности используют баллистический
гальванометр,
веберметр.
11. Измерение магнитных величин
Магнитные измерения тесно связаны с электрическими измерениями,
так как представляют собой части единого электромагнитного процесса. В
большинстве случаев при определении той или иной магнитной величины
измеряется практически электрическая величина, значение которой
представляет собой функцию измерения магнитной величины. Сама же
магнитная величина определяется расчетным путем на основании
соотношений, связывающих магнитные и
электрические величины.
Посредством магнитных измерений решается круг задач, к которым
относятся, например:
• исследование магнитных свойств веществ и материалов, атомов и
атомного ядра;
• контроль качества магнитных материалов и изделий из них;
• измерение магнитных полей постоянных магнитов и электромагнитов;
• исследование магнитного поля Земли и других планет;
• изучение
физических свойств материалов по их магнитным
характеристикам и др.
Каждая из этих областей исследований предъявляет свои требования к
диапазону, условиям измерения и к средствам измерения.
В нашей в стране область магнитных измерений базируется на трех
первичных эталонах – магнитной индукции и напряженности, магнитного
потока и магнитного момента. Кроме эталонов и
образцовых мер в практике
измерений используются и стандартные рабочие магнитные меры.