Напряжение в цепях постоянного тока можно измерить любым измерителем напряжения, работающим на постоянном токе (аналоговыми магнитоэлектрическим, электродинамическим, электромагнитным, электростатическим и цифровым электронным вольтметрами). Выбор измерителя напряжения обусловлен мощностью объекта измерения и необходимой точностью. Диапазон измеряемых напряжений лежит в пределах от микровольт до десятка киловольт. Если объект измерения обладает большой мощностью, используют электромеханические вольтметры, мощность, потребляемую измерительными приборами, не учитывают; если же объект измерения маломощный, то мощность, потребляемую измерительными приборами, нужно учитывать либо использовать электронные вольтметры.

Методы сравнения. Нулевой метод заключается в уравновешивании, достигаемом при подключении к прибору сравнения либо двух электрически не связанных между собой, но противоположных по знаку напряжений или ЭДС, либо двух раздельно регулируемых токов. Разница, полученная в результате такого воздействия, доводится до нуля. Нулевой метод реализуется в схемах компенсации напряжений или ЭДС (рисунок 6.1, а) и токов (рисунок 6.1, б).

Рисунок 6.1 - Схемы компенсации напряжений (a) и токов (б)

Наибольшее распространение получила схема, показанная на рис. 6.1, а. В ней измеряемое напряжение Ux компенсируется равным, но противоположным по знаку известным напряжением UK.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6.2 - Классификация измерительных компенсаторов

Падение напряжения UK создается током на регулируемом компенсирующем сопротивлении RK. Изменение RK происходит до тех пор, пока UK не окажется равным Ux. Момент компенсации определяют по отсутствию тока в цепи магнитоэлектрического гальванометра G; при этом мощность от объекта измерения не потребляется.

Устройства, служащие для выполнения измерений компенсационным методом, называют потенциометрами или компенсаторами.

В практических схемах компенсаторов для обеспечения необходимой точности измерения ток в рабочей цепи определяют не амперметром непосредственной оценки, а компенсационным методом с помощью эталона ЭДС - нормального элемента. Нормальные элементы обеспечивают постоянную во времени ЭДС, равную 1,01865 В при 20 °С, внутреннем сопротивлении 500-1000 Ом, токе перегрузки 1 мкА.

С повышением температуры окружающей среды значение ЭДС уменьшается:

Et = Е20 - 0,00004(t - 20) -0,000001(t-20)2,

где Et - ЭДС при t °C;

Е20 - ЭДС при 20 °С.

Использование качественных нормальных элементов и измерительных сопротивлений, а также отсутствие потребления мощности от исследуемого объекта позволяют создавать на основе компенсаторов одни из наиболее высокоточных электроизмерительных приборов и устройств.

Измерительные компенсаторы постоянного тока обычно подразделяют на компенсаторы большого и малого сопротивления.

Компенсаторы большого сопротивления предназначены для измерения ЭДС с верхним пределом 1,2…2,5 В. Сопротивление рабочей цепи в них достигает 10 кОм на 1 В напряжения питания. Соответственно компенсаторы малого сопротивления используются для измерения малых ЭДС (например, ЭДС термопар). Рабочий ток этих компенсаторов выбирают в пределах от 1 до 25 мА.

Высокую точность компенсаторов постоянного тока характеризует основная допускаемая погрешность прибора типа РЗЗ2 U=(5Ux+0,01)10-6 B. Верхний же предел измерений этого прибора составляет 2,1211111 В.

Как и в случае с мостовыми схемами компенсаторы различных схемотехнических решений называют по имени изобретателя (первого исследователя). Например, из компенсаторов постоянного тока наиболее известны компенсатор Линдека-Роте (основан на измерении тока) и компенсатор Поггендорфа (основан на потенциометрическом принципе), принципиальные схемы которых приведены соответственно на рис. 6.3 и 6.4.

На схеме компенсатора Линдека-Роте (рис. 6.3):

Ux - измеряемое напряжение;

RN - образцовое сопротивление;

R1 - регулировочное сопротивление.

Нулевое показание гальванометра, который используется в качестве нуль-индикатора, свидетельствует о достижении компенсации. при этом Ux=I1RN. Поскольку RN=соnst, то значение I1 является мерой искомого напряжения (ЭДС): Ux~I1.

Для компенсатора Поггендорфа (рис. 6.4) существует определенная методика измерения Ux: сначала устанавливается значение рабочего тока I1 (переключатель - в положении 1) и переменным резистором R1 изменяют ток до полного его отсутствия в гальванометре G, что возможно при

ЕN = I1 RN.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6.3 - Схема компенсатора Линдека-Роте

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6.4 - Схема компенсатора Поггендорфа

Затем в режиме измерения переключатель переводится в положение 2, движок реостата Rk перемещают до отсутствия тока в G. Если Rk обеспечивает нулевое показание гальванометра, то

Ux=I1Rk=Rk EN/RN

В зависимости от значения сопротивления рабочей цепи различают компенсаторы постоянного тока большого сопротивления (высокоомные 10-40 кОм, ток рабочей цепи 10-3-10-4А, порядок измеряемого напряжения 1-2,5 В, погрешность измерения 0,02% измеряемой величины) и малого сопротивления (низкоомные 10-1000 Ом; ток рабочей цепи 10-1-10-3А, порядок измеряемого напряжения до 100 мВ, погрешность измерения 0,5% измеряемого значения).

Высокоомные компенсаторы используют для поверки магнитоэлектрических, электродинамических вольтметров. Для расширения пределов измерения напряжения в компенсаторах применяют высокоомные резисторные делители напряжения, позволяющие уменьшать измеряемое напряжение в п раз (10, 100, 1000) до значения, близкого к верхнему пределу измерения компенсатора. При использовании делителя напряжения от объекта измерения потребляется некоторая мощность, т. е. теряется одно из основных преимуществ компенсационного метода.

При измерении ЭДС источников с большим внутренним сопротивлением или напряжений, действующих в высокоомных цепях, входное сопротивление магнитоэлектрических и электронных вольтметров может быть недостаточно большим, поэтому целесообразно использовать дифференциальный или компенсационный метод.

Дифференциальный метод основан на измерении разности между измеряемым и известным напряжениями при их неполной компенсации. Схема измерения представлена на рис. 6.5. Высокоомный электронный вольтметр V1 с чувствительным пределом служит для измерения разностного напряжения между измеряемым Uх и известным UK напряжениями. Магнитоэлектрический аналоговый или цифровой вольтметр V2 используется для измерения напряжения UK. Рекомендуется при UK = 0 измерить вольтметром V1 ориентировочное значение Ux, а уж затем установить по вольтметру V2 удобное для отсчета напряжение UK. Измеряемое напряжение Ux при указанной полярности включения вольтметра Vx определяется как Ux = UK + AU.



Рисунок 6.5 - Дифференциальный метод измерения напряжения

Дифференциальный метод обеспечивает высокую точность измерения напряжения. Погрешность измерения определяется в основном погрешностью вольтметра, измеряющего UK.

Для измерения малых постоянных напряжений (порядка 10-8 В) используют гальванометрические компенсаторы. Гальванометрический компенсатор имеет высокую чувствительность при высоком входном сопротивлении.

Прямое измерение постоянного тока. Амперметр включается последовательно в разрыв исследуемой цепи.

Последовательное включение амперметра с внутренним сопротивлением RA в цепь с источником ЭДС Е и сопротивлением R (сопротивление нагрузки и источника) приводит к возрастанию общего сопротивления и уменьшению протекающего в цепи тока. Погрешность измерения тем меньше, чем меньше мощность потребления амперметра РА по сравнению с мощностью потребления цепи Р, в которой осуществляется измерение. Поэтому амперметр, включаемый последовательно в цепь измерения, должен обладать малым сопротивлением, т. е. RA - 0.

Диапазон значений постоянных токов, с измерением которых приходится встречаться в различных областях техники, чрезвычайно велик (от токов 1?10-17 А до десятков и сотен тысяч ампер). Поэтому методы и средства измерения их различны.

Измерение постоянного тока можно выполнить любым измерителем постоянного тока: аналоговым магнитоэлектрическим, электродинами-ческим, аналоговым и цифровым электронным амперметром. При необходимости измерения весьма малых токов, значительно меньших тока полного отклонения /и магнитоэлектрического измерителя, последний применяют совместно с усилителем постоянного тока. Усиления тока можно добиться при включении биполярных транзисторов по схеме с общим эмиттером, которая обеспечивает малое входное сопротивление усилителя.

Токи 10-9-10-6А можно измерить непосредственно с помощью высокочувствительных магнитоэлектрических зеркальных гальванометров и гальванометрических компенсаторов.

Косвенное измерение тока. Кроме прямого измерения токов амперметрами возможно косвенное измерение токов с помощью резисторов с известным сопротивлением R0, включаемых в разрыв цепи, и высокочувствительных измерителей напряжения. Измеряемый ток Ix = U0/R0, где U0 - падение напряжения на резисторе R0, измеренное вольтметром либо компенсатором постоянного тока.

Для получения минимальных погрешностей измерения тока сопротивление резистора R0 должно быть много меньше сопротивления цепи, в которой измеряется ток. Косвенный способ реализован в электронных аналоговых и цифровых измерителях тока.

Измерение переменного напряжения

Измерение напряжения и тока на промышленной частоте можно выполнить любыми вольтметрами и амперметрами, работающими на частоте 50 Гц. Когда объект измерения мощный, то измерения выполняют электромагнитными и электродинамическими вольтметрами и амперметрами.

Для измерения напряжения на промышленной частоте применяют также компенсаторы переменного тока, позволяющтие измерять переменное напряжение (ЭДС) с достаточно высокой точностью как с учетом фазы, так и без него.

Если фазовое положение не имеет значения, то измерение осуществляют после соответствующего преобразования компенсатором Румпфа (с помощью термопреобразователей) и полярно-координатным компенсатором. Последний содержит фазорегулятор и делитель напряжения, с помощью которых регулируется компенсирующее напряжение по фазе и модулю.

Измерение с учетом фазы предполагает, что в каждый момент времени напряжение компенсации должно быть равно по значению и противоположно по знаку неизвестному Ux , иначе говоря, должны быть одинаковыми амплитуда и частота, а сдвиг по фазе составлять 180°. Такой компенсатор принято называть компенсатором Ларсена или прямоугольно-координатным. В этих приборах компенсирующее напряжение представляет собой композицию двух компонент, отличающихся друг от друга по фазе на 90°.

При помощи компенсаторов можно измерять не только ЭДС (напряжение), но и косвенно ток, сопротивление, магнитный поток и другие величины. Компенсаторы переменного тока менее точны по сравнению с компенсаторами постоянного тока, так как отсутствует эталон ЭДС переменного тока.

Измерение напряжения и тока на повышенной и высокой частоте осуществляется вольтметрами (выпрямительными, термоэлектрическими, электростатическими, электронными), работающими в указанном диапазоне частот, а также электронно-лучевыми осциллографами. Осциллографы - приборы, чувствительные к напряжению, поэтому все измерения, выполняемые ими, сводятся к измерению отклонения электронного луча под действием приложенного напряжения. Для конкретного исследования сигнала необходимо правильно выбрать тип осциллографа, выполнив условия согласования, подключить последний к объекту измерения, заземлить, а затем определить вид синхронизации, ее амплитуду, режим развертки, длительность, коэффициенты отклонения. От правильного учета возможных искажений и погрешностей зависит точность полученных результатов измерения.

Измерение тока в цепях повышенной и высокой частоты. С увеличением частоты точность измерения переменного тока электромагнитными и электродинамическими амперметрами падает. Приборы специального исполнения имеют расширенный диапазон частот (примерно до 8-10 кГц) и используются для измерения токов в мощных цепях.

В маломощных цепях повышенной и высокой частоты ток измеряют выпрямительными, термоэлектрическими, электронными цифровыми амперметрами, аналоговыми и цифровыми электронными вольтметрами на резисторе с известным сопротивлением. Амперметр должен обладать минимальными значениями входных величин - сопротивления, индуктивности и емкости. С увеличением частоты в цепи измерения тока влияние паразитных емкостей возрастает, поэтому для уменьшения погрешностей от токов утечки амперметр следует включать на участке с потенциалами, наиболее близкими к потенциалу земли. Это особенно важно при измерениях на высокой частоте.

В цепях высокой частоты токи преимущественно измеряют термоэлектрическим амперметром (термоамперметром), представляющим собой сочетание термопреобразователя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Термопреобразователь состоит из одной или нескольких термопар и нагревателя. При протекании тока по нагревателю, выполненному из материала с большим удельным сопротивлением (нихрома, константана и др.), выделяется теплота, под действием которой нагревается горячий спай термопары, а на ее холодных концах возникает термо-ЭДС - ЕТ, зависящая от материала проводников термопары и пропорциональная разности температур горячего и холодного ее концов. Значение Ет может составлять около 30-40 мкВ на 1 °С перегрева.

Такой прибор позволяет проводить измерения в цепях как постоянного, так и переменного токов. Шкала прибора градуируется в среднеквад-ратических значениях тока.

Для увеличения чувствительности и более эффективного использования преобразователи соединяют в мостовую схему.

В зависимости от типа преобразователя эти приборы используют для измерения как постоянного, так и переменного токов в диапазоне частот 50 Гц…200 МГц. Но основное назначение термоамперметров - измерение тока в цепях высокой частоты. На высоких частотах проявляются паразитные параметры термопреобразователя и поверхностный эффект в нагревателе. Поэтому каждый прибор рассчитывают на работу до определенной частоты измеряемого тока. При измерениях несинусоидального тока показания термоамперметра будут приближенно соответствовать среднеквадратическому значению тока.

Термоэлектрические амперметры выпускают для измерения токов от 100 мкА до десятков ампер.

Для измерения малых токов до 1 А применяют вакуумные термопреобразователи. Их помещают в специальные стеклянные баллоны, из которых выкачан воздух; при этом благодаря уменьшению потерь на излучение теплоты в окружающую среду чувствительность вакуумных преобразователей повышается. Вакуумные термопреобразователи бывают контактные и бесконтактные.

Для измерения токов 1-50 А используют воздушные термопреобразователи.

К достоинствам термоамперметров относят то, что их показания не зависят от частоты и формы переменного тока, к недостаткам - малую перегрузочную способность (допускаются перегрузки не более чем на 50 %), значительную мощность потребления (на 5 А примерно 1 Вт), ограниченный срок службы, невысокую точность (с изменением температуры изменяется сопротивление нагревателя, с увеличением частоты - паразитные параметры). Классы точности термоэлектрических амперметров - 1,5; 2,5; 4. В термоэлектрических амперметрах, предназначенных для больших токов, в результате выделения значительного количества теплоты подводящие колодки сильно разогреваются. Чтобы устранить влияние перегрева, применяют кроме основной еще и компенсационную термопару, горячий спай которой укреплен на одной из колодок, а термо-ЭДС направлена навстречу термо-ЭДС основной термопары. Термоамперметры различают щитовые и переносные.

Для усиления постоянного тока термопары в термоамперметрах применяют фотоусилители. Термоамперметры с фотоусилителем многопредельны, имеют повышенную способность к перегрузкам, высокую чувствительность и частотный диапазон до 1 МГц

Измерительные преобразователи, предназначенные для изменения измеряемой величины в заданное число раз, принято называть масштабирующими. К ним относят электроизмерительные шунты, делители напряжения, усилители напряжения и тока, измерительные трансформаторы тока и напряжения и др. Рассмотрим подробнее наиболее распространенные из перечисленных преобразователей.

Для измерения больших токов применяют электроизмерительные шунты, которые являются по сути преобразователями тока в напряжение. Таким образом, шунты обеспечивают расширение пределов измерения электроизмерительных приборов по току.

Шунт представляет собой четырехзажимный резистор с нормированными показателями погрешности и номинальными значениями входного тока выходного напряжения.

Сопротивление шунта (рис. 6.6) можно представить выражением

Rш= R /(n -1)

где R - сопротивление средства измерения;

n=I1 / I2 - коэффициент шунтирования.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Шунты, как правило, изготовляют из манганина (для слаботочных цепей используют константановую проволоку). В амперметрах до 30 А шунты обычно встраивают в корпус прибора, для измерения больших токов (до 7500 А) применяют наружные шунты. Классы точности шунтов - в диапазоне от 0,02 до 0,5.

Шунты применяются в цепях постоянного тока в основном с магнитоэлектрическими приборами. С приборами других типов они не используются из-за малой чувствительности приборов, что приводит к существенному увеличению размеров шпунтов и потребляемой ими мощности. А на переменном токе возникает дополнительная погрешность от изменения частоты, что объясняется неодинаковым изменением значений сопротивлений шунта и измерительного механизма при изменении частоты напряжения.

Делители напряжения применяются для уменьшения напряжения в определенное число раз. Являются преобразователями напряжения в напряжение (рис.6.7) с номинальным коэффициентом преобразования меньше единицы.

kД = Uv /Ux=R2 /(R1+R2)

Поскольку нагрузка - сопротивление вольтметра, подключенного к делителю напряжения, изменяет коэффициент деления kД, то необходимо выбирать приборы с достаточно высоким входным сопротивлением. В зависимости от рода напряжения делители напряжения могут быть выполнены на элементах, имеющих активное, емкостное или индуктивное сопротивление.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Серийно изготавливаемые делители напряжения обычно выполняют из манганина. Такие преобразователи, например, предназначенные для расширения пределов измерения компенсаторов постоянного тока, имеют класс точности от 0,0005 до 0,01.

Для увеличения верхнего предела измерения вольтметра наиболее часто применяют добавочные резисторы, включаемые последовательно с измерительным прибором (рис. 6.8). Сопротивления добавочного резистора определяются выражением:

RД=Rv • (Ux /Uv -1)

где Ux - измеряемое напряжение;

Uv - падение напряжения на приборе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Добавочные резисторы используются в цепях как постоянного, так и переменного тока (до 20 кГц). Как и шунты, они бывают встраиваемые в корпус прибора и наружные.

Серийно выпускаются калиброванные добавочные резисторы. Они применяются с любым прибором, имеющим указанный номинальный ток. Класс точности таких преобразователей - от 0,01 до 1. Добавочные резисторы применяют для преобразования напряжения до 30 кВ.

Измерительные усилители применяются для усиления амплитуды слабых сигналов в измерительных цепях передачи, обработки и индикации. Важнейшими параметрами усилителей являются коэффициент усиления, отношение сигнал/шум, частотные характеристики, коэффициент гармоник.

Усилители классифицируют по типу усиливаемого сигнала (усилители постоянного напряжения, усилители переменного напряжения), по частоте (усилители НЧ, усилители ВЧ), по ширине полосы пропускания (широкополосный усилитель, селективный или узкополосный усилитель), по типу основной усиливаемой величины (напряжения, тока, мощности) и т.д. Широко распространенным типом усилителя (обычно в интегральном исполнении) является операционный усилитель.

К измерительным усилителям предъявляются следующие требования:

- малый отбор мощности от измеряемой цепи (высокое входное сопротивление);

- достаточная выходная мощность;

- малые отклонения частотной характеристики;

- малый дрейф;

- высокая помехоустойчивость.

Принципиальной особенностью измерительных усилителей является то, что они выполняются с нормированной погрешностью коэффициента передачи.

Измерительные трансформаторы переменного тока применяются для преобразования больших переменных токов и напряжений в определенное число раз с сохранением их фазы и, таким образом, для расширения пределов измерения приборов и гальванического разделения частей измерительной цепи.

Измерительные трансформаторы состоят из двух изолированных друг от друга обмоток: первичной с числом витков w1 и вторичной - w2 , помещенных на ферромагнитный сердечник (рис. 6.9). В трансформаторах тока, как правило, первичный ток больше вторичного, поэтому у них w1 < w2 В трансформаторах тока с I1H свыше 500 А первичная обмотка может состоять из одного витка в виде шины, проходящей через окно сердечника.

В трансформаторах напряжения первичное напряжение U1 больше вторичного U2 , поэтому у них w1 < w2 . Вторичное номинальное напряжение у стандартных трансформаторов составляет 100 или 100/ В при разных значениях первичного номинального напряжения.

Измерительный трансформатор тока является преобразователем тока в ток, первичную обмотку его включают в измеряемую цепь последовательно.

Измерительные трансформаторы тока принято характеризовать номинальным коэффициентом трансформации:

k1H = I1H /I2H

Номинальные коэффициенты трансформации указываются на щитках трансформаторов в виде отношений токов.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6.9 ? Схема включения измерительных трансформаторов

Трансформатор тока работает в режиме, близком к режиму короткого замыкания, так как в его вторичную обмотку включаются приборы с малым сопротивлением. Соответственно, режим холостого хода для трансформаторов тока недопустим.

Определение измеряемой величины по номинальному коэффициенту трансформации приводит к погрешностям. Относительная погрешность вследствие неравенства действительного и номинального коэффициентов трансформации носит название токовой:

где I1 = kIH I2 ;

I1 = k1 I2 .

Для переносных многопредельных измерительных трансформаторов тока установлены классы точности от 0,01 до 0,2. Изготовляют их на частоту от 25 Гц до 10 кГц. Для промышленной частоты 50 Гц переносные трансформаторы тока выполняют на номинальный вторичный ток 1 и 2 А. Стационарные трансформаторы тока для частоты 50 Гц изготавливают на номинальные первичные токи от 1 до 40 кА и номинальные вторичные токи 1; 2; 2,5; 5 А. Классы точности таких преобразователей - от 0,2 до 10.

Измерительные трансформаторы напряжения работают в режиме, близком к режиму холостого хода. Для них характерна погрешность напряжения

где U1 = kUH U2 ;

U1 = k1U2 .

Отметим, что во вторичную цепь нужно включать такое количество приборов, чтобы потребляемая мощность не превышала номинальной мощности трансформатора.

Стационарные трансформаторы напряжения изготавливают на номинальные первичные напряжения от 220 В до 35 кВ при вторичном - 150, 100 и 100 В для номинальной нагрузки от 5 до 25 В•А с cos ц = 0,8…1,0.

Кроме того, у измерительных трансформаторов имеется угловая погрешность, которая образуется из-за неточной передачи фазы первичной величины вторичной величине. Угловая погрешность оказывает влияние на показания приборов, отклонение подвижной части которых зависит от фазового сдвига между токами в цепях этих приборов (например, ваттметров).

Тема 7 Электромеханические приборы и преобразователи

Для измерения электрических величин широко применяются электромеханические приборы и преобразователи. Объектами электрических измерений являются все электрические и магнитные величины: сила тока, напряжение, мощность, энергия, магнитный поток и т.д. Определение значений этих величин необходимо для оценки работы всех электротехнических устройств, чем и определяется исключительная важность электромеханических приборов. Приборы этих систем часто входят в состав и других, более сложных, средств измерений.

По физическому принципу, положенному в основу построения и конструктивному исполнению, электротехнические приборы относятся к группе аналоговых средств измерения, показания которых являются непрерывной функцией измеряемой величины.

Любой прибор непосредственного отсчета состоит из измерительной цепи, измерительного механизма и вспомогательных элементов. Измерительная цепь служит для преобразования измеряемой величины в другую, непосредственно воздействующую на измерительный механизм. В измерительном механизме электрическая энергия преобразуется в механическую энергию перемещения подвижной части, обычно в угловое перемещение. К вспомогательным элементам относятся стрелка, шкала, корпус прибора и другие устройства.

По принципу действия и конструкции электромеханические измерительные преобразователи делятся на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, ферродинамические, электростатические, индукционные, термоэлектрические. Рассмотрим подробнее некоторые типы измерительных механизмов.

Принцип действия магнитоэлектрического измерительного механизма (рис.7.1) основан на силовом взаимодействии постоянного магнитного поля и проводника с постоянным током.

На концах постоянного магнита 1 закреплены полюсные наконечники 2, между которыми помещен неподвижный цилиндр 3. Полюсные наконечники и неподвижный цилиндр выполнены из магнитомягкого материала. Такая конструкция магнитной системы позволяет получить в зазоре между полюсными наконечниками 2 и цилиндром 3 равномерное радиальное постоянное магнитное поле.



Рисунок 7.1 ? Конструкция магнитоэлектрического преобразователя

В этом поле находится подвижная катушка 4, которая чаще всего наматывается на алюминиевый каркас, одновременно выполняющий роль злектромагнитного успокоителя подвижной части системы. Подвижная катушка 4 крепится на полуосях 5 или растяжках. Измеряемый постоянный ток поступает в катушку через спиральные пружины 6, которые создают противодействующий момент. Кроме того, в конструкцию магнитоэлектрического измерительного прибора входят вспомогательные элементы:

7 - устройство установки нулевого положения указателя-стрелки;

8 - указатель-стрелка;

9 - балансир;

10 - шкала.

В результате взаимодействия магнитного поля в зазоре с током в катушке создается вращающий момент, под действием которого подвижная катушка поворачивается на полуосях 5. Отклонение катушки будет продолжаться до тех пор, пока вращающий момент Мвр не уравновесится противо-действующим моментом Мпр. При этом стрелка 8 отклонится на угол б, пропорциональный току в катушке.

Вращающий момент измерительного механизма определяется в соответствии с законом электромагнитной силы:

Мвр = Fэм d = В S щ I

где Fэм- электромагнитная сила; В - индукция в зазоре; d, l - ширина и длина катушки; S - площадь катушки; щ - число витков катушки; I - ток в катушке.

К достоинствам этих преобразователей следует отнести: высокую чувствительность, малое собственное потребление мощности, достаточно высокую точность, равномерную шкалу. Класс точности выпускаемых магнитоэлектрических приборов составляет 0,1…1,0.

Недостатки приборов рассмотренной системы связаны со сложностью изготовления и низкой перегрузочной способностью.

Магнитоэлектрические приборы получили распространение в качестве амперметров и вольтметров постоянного тока с пределами измерений от долей микроампера до сотен ампер и от долей вольта до сотен вольт. Магнитоэлектрические механизмы пригодны только для измерений на постоянном токе, для работы в цепях переменного тока они комплектуюся полупроводниковыми выпрямителями.

Преобразователи этой системы также широко применяют в комбинированных приборах, представляющих собой универсальные измерительные приборы для измерения постоянного и переменного тока и напряжения, омического сопротивления, иногда электрической емкости.

Тема 8 Электронные аналоговые измерительные приборы

Электронные аналоговые измерительные приборы и преобразователи представляют собой большую группу средств измерений, применяющихся для измерения всех электрических величин: силы тока, напряжения, активного сопротивления, емкости, частоты и фазы переменного тока и т.д.

Применение электронных устройств в этих средствах измерений позволяет получить высокий уровень их метрологических характеристик: широкий диапазон измерений, малую потребляемую мощность от измеряемой цепи, высокую чувствительность и т.п.

В настоящее время широкое распространение получили электронные аналоговые осциллографы, вольтметры, омметры, измерительные генераторы сигналов и др. В то же время они вытесняются цифровыми приборами соответствующего назначения, что объясняется относительной простотой преобразования измеряемых параметров в кодовый цифровой сигнал, высокой надежностью и малой погрешностью цифровых средств измерений.

Электронно-лучевые осциллографы (далее - осциллографы) предназначены для визуального наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов. Возможность наблюдения изменяющихся во времени сигналов делает осциллографы чрезвычайно удобными для определения амплитудных и временных параметров наблюдаемых сигналов.

В настоящее время выпускается большое разнообразие осциллографов, различающихся назначением, характеристиками и функциональными возможностями. По назначению и принципу действия принято различать универсальные, стробоскопические, запоминающие и специальные осциллографы.

Универсальные (условная индексация в обозначении типономинала осциллографа, согласно советского ГОСТ - С1) - наиболее распространенная группа приборов. Они служат для исследования непрерывных и импульсных сигналов.

Стробоскопические (С7) - используются для изучения скоротечных процессов нано- и микросекундной длительности (СВЧ диапазон).

Запоминающие (С8) - применяются для детального исследования однократных, редко повторяющихся и периодических сигналов, изображения которых требуется запомнить в течение длительного времени. В аналоговых запоминающих устройствах для записи сигнала используются электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) специальной конструкции. В цифровых запоминающих осциллографах исследуемый сигнал преобразуется в цифровую форму, а затем записывается в блок памяти и может быть многократно воспроизведен на экране.

Специальные (С9) - содержат специфические узлы (специальные усилители, преобразователи, вычислители и др.), необходимые для проведения конкретных измерений, например, в телевизионной аппаратуре.

Большинство осциллографов реального времени построено по структурной схеме, приведенной на рис.8.1.

Основным элементом конструкции является ЭЛТ, внутри которой формируется узкий пучок электронов - электронный луч. Источником электронов служит катод косвенного накала.

Рисунок 8.1 ? Структурная схема универсального электронно-лучевого осциллографа

Эмиттируемые катодом электроны ускоряются, фокусируются и, попадая на слой люминофора на передней рабочей части экрана ЭЛТ, возбуждают его свечение в видимой части спектра.

Для визуального наблюдения исследуемого сигнала экран трубки покрывают одним или несколькими слоями люминофора, состав которого определяет яркость, окраску свечения и продолжительность послесвечения экрана. Современное развитие техники люминесцентных покрытий предлагает люминофоры, позволяющие выбрать практически любой цвет свечения. Поверх люминофора часто наносят тончайший слой металла (алюминия), обеспечивающего светоотражающую способность и, таким образом, дополнительно повышающего яркость свечения экрана.

45

Поскольку осциллограммы обычно рассматривают визуально, то целесообразно применять такой цвет, у которого энергетический максимум спектра по возможности совпадал с максимумом спектральной чувствительности глаза. Самым выгодным с этой точки зрения является экран с зеленым либо желтым свечением, несколько хуже человек воспринимает оранжевый, голубой и синий цвета. Для наблюдения однократных или периодических медленно протекающих процессов используют люминофоры с относительно большим временем послесвечения или запоминающие трубки специальной конструкции.

Величиной скорости потока электронов луча (от этого зависит яркость свечения точки на экране), площадью его поперечного сечения в точке соприкосновения с люминофором (размеры светящейся точки) и отклонением луча от центра экрана можно управлять изменением напряжений на соответствующих электродах ЭЛТ.

23

В электронно-лучевых осциллографах, как правило, применяют ЭЛТ с электростатическим отклонением луча. Для этого в ней непосредственно за ускоряющими анодами взаимно перпендикулярно располагают две пары пластин. Этим достигается перемещение луча по экрану в прямоугольной системе координат, что удобно и для управления лучом и при отсчете параметров исследуемой осциллограммы. Исходя из этого, напряжение, соответствующее измеряемой величине, обычно подают на вертикальные отклоняющие пластины - сигнальные (пластины расположены в двух горизонтальных параллельных плоскостях), а на другую пару пластин, временных, подают напряжение, которое равномерно перемещает луч в горизонтальном направлении (расположены в двух вертикальных параллельных плоскостях).

Работа пластин характеризуется величиной линейного отклонения луча на экране в мм при приложении к ним отклоняющего напряжения 1 В. Эта величина называется чувствительностью пластин к отклонению. Поскольку пространственное расположение пар пластин в ЭЛТ различно, чувствительность к отклонению горизонтальных и вертикальных пластин различная.

Поток электронов, испускаемый катодом ЭЛТ, обладает ничтожно малой инерционностью и поэтому мгновенно изменяет свое направление под действием электростатического поля отклоняющих пластин. Это свойство, в основном, и послужило причиной широкого применения электронно-лучевых осциллографов в качестве измерительных приборов.

Напряжение на вертикальных отклоняющих пластинах, соответствующее мгновенному значению амплитуды входного сигнала ("Вход Y"), формируется каналом вертикального отклонения. А на горизонтальные отклоняющие пластины подают импульсное напряжение специальной формы, которое смещает луч по экрану слева направо (с точки позиции наблюдателя), формируя ось времени. В результате луч на экране рисует кривую, воспроизводящую изменения исследуемого сигнала во времени.

В зависимости от назначения и конструкции ЭЛТ, минимальная величина отклоняющего напряжения колеблется в пределах от 10 до 100 В. Поэтому при работе с меньшими напряжениями сигналов возникает необходимость в их усилении. В общих чертах усилитель вертикального отклонения должен удовлетворять следующим требованиям:

- иметь достаточно большой коэффициент усиления;

- обладать линейной АЧХ во всем рабочем диапазоне частот осциллографа;

- не вносить заметных фазовых сдвигов гармонических составляющих сигнала;

- изменения напряжения на вертикальных отклоняющих пластинах всегда должны быть пропорциональны изменениям напряжения входного сигнала.

Полоса пропускания выходного усилителя должна превышать полосу пропускания тракта вертикального отклонения в 1,6...1,7 раза. В осциллографах с полосой пропускания не более 10 МГц наиболее употребительной стала конструкция двух однотактных усилителей с соединенными цепями эмиттеров. Отрицательная обратная связь по току в эмиттерных цепях транзисторов позволяет уменьшить нелинейные искажения и корректировать частотную характеристику в области средних и высоких частот полосы пропускания. Современный уровень развития интегральной схемотехники позволяет строить усилители с полосой пропускания до нескольких сотен МГц.

Одним из важнейших параметров усилителя вертикального отклонения является его чувствительность. Она соответствует минимальному значению коэффициента отклонения луча на экране: мВ/дел. Ограничение повышения чувствительности связано с уровнями внутренних шумов входных устройств (аттенюатор и входные узлы усилителя вертикального отклонения) и внешних наводок.

49

Входной аттенюатор служит для регулирования амплитуды сигнала на экране осциллографа. Его выполняют по схеме частотно-компенсированного делителя.

Для наблюдения переднего фронта коротких импульсов на выходе предусилителя включена линия задержки, которая обеспечивает задержку исследуемого сигнала на время, затрачиваемое генератором развертки на образование начала рабочего хода.



Рисунок 8.2

Для удобного визуального наблюдения осциллограммы на экране к усилителю подсвета ("Вход Z") подают специальные импульсы. Они обрабатываются усилителем-инвертором и подаются на модулятор ЭЛТ во время прямого хода, обеспечивая повышение яркости свечения луча в этот период развертки.

Напряжение, необходимое для создания горизонтальной (временной) развертки, может поступать на пластины ЭЛТ либо от внутреннего генератора (генератор развертки), либо от внешних источников периодических колебаний через специальный разъем ("Вход X"). Форма сигнала, используемого для создания горизонтальной развертки, может быть любой в зависимости от цели измерений. Однако для обеспечения равномерного перемещения луча по экрану необходимо, чтобы развертывающее напряжение изменялось линейно во времени. Характерный для осциллографов вид развертывающего напряжения представлен на рис.8.2: фп - прямой ход, интервал времени, за который луч пробегает всю рабочую часть экрана в горизонтальном направлении; фо - длительность обратного хода; фбл - длительность блокировки, интервал времени между моментом окончания обратного хода предыдущего периода и началом прямого хода следующего периода; Tр - период повторения импульсов; U0 - начальный уровень напряжения развертки; Um - амплитуда напряжения развертки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В большинстве конструкций осциллографов внутренний задающий генератор выполнен по схеме интегратора Миллера. Структурно такое звено представляет собой усилитель постоянного тока, охваченный глубокой отрицательной обратной связью через конденсатор. Если на вход интегратора подать прямоугольный импульс напряжения длительностью фи, то на выходе получим линейный пилообразный импульс практически той же длительности (рис.8.3).

Неподвижное изображение исследуемого периодического процесса можно получить лишь в том случае, если частота развертывающего напряжения равна или в целое число раз меньше частоты исследуемого сигнала. Поскольку такое соотношение без специальных регулировок редко реализуется, изображение на экране при подаче сигнала равномерно перемещается вправо или влево («плывет»). Устойчивости и четкости изображения достигают регулировкой частоты развертки - синхронизируют два колебательных процесса.

51

Для обеспечения синхронизации из канала вертикального отклонения на генератор развертки подают часть сигнала. Такая синхронизация называется внутренней. При внешней синхронизации сигнал подают в канал горизонтального отклонения непосредственно через разъем "Вход X". В осциллографах предусматривают еще один вариант синхронизации - от сети (точнее, от цепи переменного тока вторичной обмотки трансформатора питания с частотой сети и амплитудой 1 В). Такой вид синхронизации легко реализуется и необходим в работе по исследованию аппаратуры, в которой за основу длительностей периодических процессов выбраны частота сети и ее гармоники (магнитофоны, телевизоры, видеомагнитофоны и другие устройства).

Различают три режима запуска развертки луча - автоколебательный, ждущий и однократный. В автоколебательном режиме задающий генератор развертывающего устройства работает постоянно и сигнал синхронизирующего импульса к нему поступает периодически. В этом случае очень важно соблюдение условия, при котором длительность прямого хода развертки больше времени периода исследуемого сигнала, иначе на экране будет воспроизводиться только часть осциллограммы сигнала.

Режим ждущей развертки характеризуется тем, что импульс развертки вырабатывается в момент поступления исследуемого сигнала на генератор блока развертки.

В режиме однократного запуска работа генератора развертки аналогична работе рассмотренных выше режимов. Однако после каждого цикла развертки последующие запускающие импульсы блокируются до тех пор, пока не будет нажата кнопка "Готов".

Верхний предел частотного диапазона исследуемых колебаний определяется минимально возможной для данного типа осциллографа длительностью прямого хода фп. В осциллографах длительность прямого хода задают в виде коэффициентов развертки Kр = фп / l, где l - длина отрезка горизонтальной оси, соответствующая длительности фп. Численные значения коэффициентов указывают на лицевой панели прибора. Скорость развертки выбирают переключателем "ВРЕМЯ/дел" и переключателем, изменяющим коэффициент передачи усилителя горизонтального отклонения.

В качестве примера рассмотрим техническую характеристику современного универсального осциллографа С1-127 компании БЕЛВАР (рис.8.4):

Число каналов.…………………………………………..……….…2

Полоса пропускания, МГц……………………………………..…..50

Входное сопротивление, МОм…………………………….….…..….1

Входная емкость, пФ……………………………………….………..25

Коэффициент отклонения, В/дел………………………..…..10-3…5

Коэффициент развертки, мкс/дел…………………....0,005…2105

Погрешность ……………………………..±3 % (5 мВ/дел…5 В/дел)

±4 % (1 мВ/дел…2 мВ/дел)

Диапазон рабочих температур…………………….….-30…+50 0С

Потребляемая мощность……………………..50 В •А (сеть 220 В)

30 Вт (от источника постоянного тока 27 В)

Размеры рабочей части экрана, мм……………….….……..60?80

Масса, кг……………………………………………..……………….….6

Тема 9 Цифровые измерительные приборы

Цифровыми приборами называют приборы, вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представляются в цифровой форме. Как ранее отмечалось, цифровой прибор включает в себя обязательные функциональные узлы: аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровое отсчетное устройство (ЦОУ). АЦП выдает код в соответствии со значением измеряемой величины, а ЦОУ отражает это значение в цифровой форме. В настоящее время промышленность выпускает большой ассортимент АЦП и ЦАП в виде интегральных микросхем. В дальнейшем будем оперировать термином цифровое измерительное устройство (ЦИУ), под которым понимается любое из указанных выше средств измерений.

По способу аналого-цифрового преобразования выделяют следующие основные методы: а) метод последовательного счета (интегрирования, время-импульсного преобразования), при котором происходит последовательное во времени сравнение измеряемой величины X с известной квантованной величиной Хк, изменяющейся во времени скачками, причем каждый скачок соответствует шагу квантования по уровню (рис.9.1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Число ступеней, при котором наступает равенство Хк(tи) = X (с некоторой погрешностью), равно номеру отождествляемого уровня квантования. В процессе сравнения образуется единичный код, соответствующий уровню отождествляемого уровня квантования.

Метод последовательного приближения (поразрядного уравновешивания, кодово-импульсного преобразования), при котором происходит последовательное во времени сравнение измеряемой величины X с известной квантованной величиной Хк, изменяющейся во времени скачками по определенному правилу (исключая единичную систему счисления).

Значение известной величины, при которой происходит равенство Хк(tи)=X, соответствует номеру отождествляемого уровня квантования (рис.9.2).

в) метод считывания (параллельного преобразования), при котором происходит одновременное сравнение измеряемой величины X с известными величинами Хк1, Хк2,..., Хкi, значения которых равны уровням квантования (рис.9.3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Известная величина, равная измеряемой Хкi = Х(tи), соответствует номеру отождествляемого уровня квантования, на основании которого образуется код.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В соответствии с методами преобразования различают и группы ЦИУ - последовательного счета (интегрирующие, время-импульсные), последо-вательного приближения (поразрядного уравновешивания, кодово-импульсные), считывания (параллельного преобразования). Выделяют также ЦИУ, в которых применяется комбинация из рассмотренных способов преобразования.

К основным характеристикам ЦИУ относят статические характеристики преобразования, статические погрешности, диапазон измерений, число разрядов и вид кода, разрешающую способность, входное сопротивление, помехозащищенность, надежность и др. Рассмотрим некоторые из характеристик.

Входное сопротивление - сопротивление входной цепи ЦИУ. Оно влияет на потребляемую от исследуемого объекта мощность и, в конечном итоге, на результат измерения. Чтобы влияние было минимальным, например - у вольтметров, входное сопротивление делают по возможности большим.

У современных цифровых вольтметров постоянного тока на некоторых поддиапазонах входное сопротивление достигает 1010 Ом и более, а при использовании входного делителя - 106...107 Ом. Входная цепь ЦИУ может являться источником тока. Поэтому для ЦИУ нормируют предельное значение входного тока. Для ЦИУ переменного тока эквивалентную схему входной цепи принимают как параллельно включенные резистор и конденсатор, сопротивление и емкость которых указывают отдельно.

Помехозащищенность - способность ЦИУ к ослаблению действия помех. Помеха - величина, вызывающая нежелательное искажающее воздействие на измерения. Воздействие помехи невозможно или трудно оценить и им управлять. Помехи разделяют на помехи нормального и общего вида. Помехи нормального вида (например, наводки на соединительные провода) - это помехи, эквивалентный генератор которых Uп? включается последовательно с источником измеряемого напряжения (рис.9.4). Помеха общего вида возникает из-за разности потенциалов между источником измеряемого напряжения Uх и точкой заземления прибора (эквивалентный генератор Uп?? с внутренним сопротивлением Ri на рис.9.4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для уменьшения действия помех нормального вида (главным образом помехи от переменного напряжения промышленной частоты - 50 Гц) применяют фильтры и специальные принципы действия ЦИУ, например, с интегрированием входного сигнала.

Для борьбы с помехами общего вида электрическую схему и конструкцию прибора выбирают так, чтобы сопротивление контура для тока помехи через Rвх было максимальным. Это достигается, например, изолированием входной цепи прибора от его корпуса.

Ослабление действия помех в цифровых вольтметрах постоянного тока характеризуют коэффициентом подавления помехи

где UП - напряжение источника помехи;

U - изменение показаний прибора под действием помехи.

Современные ЦИП, выпускаемые для измерения различных физических величин, имеют высокие метрологические характеристики, как правило, превосходящие характеристики соответствующих аналоговых средств измерений. Это обусловило широкое применение ЦИУ.

К достоинствам ЦИП относят высокое быстродействие, большую точность измерений при полной автоматизации процесса измерений, удобство отсчета и регистрации результатов измерений, возможность сопряжения с вычислительными комплексами и устройствами, возможность дистанционной передачи результатов измерения без потерь точности и т.д.

В настоящее время в ЦИУ широко применяют большие интегральные схемы (БИС) микропроцессоров, оперативных и постоянных запоминающих устройств (ОЗУ и ПЗУ) и других элементов микропроцессорной техники.

Область применения ЦИУ постоянно расширяется. Они находят применение как в лабораторных, так и в производственных условиях для измерения различных электрических и неэлектрических величин: напряжения постоянного тока, частоты, временных интервалов, температуры, линейного и углового перемещения, давления и т.д.

В цифровых вольтметрах (ЦВ) в качестве отсчетного устройства используются цифровые знакосинтезирующие индикаторы на основе светодиодных матриц (например, В7-21А) и жидкокристаллических индикаторов ЖКИ (пример - М830В фирмы Mastech). Дорогие модели мультиметров и скопметров (например, фирмы Fluke) могут иметь цветной ЖКИ-дисплей. Индикаторное табло (дисплей), помимо непосредственного отражения результата измерений, как правило, индицирует также сигнал перегрузки, знак полярности, род и диапазон измеряемой величины. В целях расширения показаний поддиапазона при измерении физической величины, значение которой несколько превышает конечное значение установленного предела измерений, вводят дополнительный разряд с неполной индикацией. Широкое использование в качестве элементной основы интегральных микросхем позволяет создавать на базе ЦВ многофункциональные приборы - мультиметры, способные производить измерения не только тока и напряжения, но и сопротивления, емкости, индуктивности. Цифровые мультиметры в настоящее время являются одними из самых распространенных электроизмерительных приборов.

Поскольку обязательным функциональным элементом ЦВ является АЦП, цифровые вольтметры различают по методу аналого-цифрового преобразования: последовательного счета (с время-импульсным преобразованием, с преобразованием напряжения в частоту - интегрирующие и двойного интегрирования), последовательного приближения (поразрядного кодирования или с кодово-импульсным преобразованием) и др. Наибольшее распространение получили ЦВ интегрирующие и двойного интегрирования.

Работа интегрирующих вольтметров непрерывного интегрирования основана на методе преобразования напряжения в частоту. Частота повторений импульсов, пропорциональная входному напряжению, измеряется электронно-счетным частотомером.

Погрешность измерений цифровых вольтметров определяется по формуле

д = [с + d•(Uк/Uп - 1)]

где c и d - постоянные числа, характеризующие класс точности вольтметра; Uк - конечное значение установленного предела измерений; Uп - показания прибора.

Метод время-импульсного преобразования в сочетании с двойным интегрированием позволяет эффективно ослабить влияние помех, измерить напряжение обеих полярностей, получить входное сопротивление, равное единицам ГОм, и малую погрешность измерения без предъявления особых требований к постоянству линейно изменяющегося напряжения.

на рис.9.5, а представлена структурная схема цифрового вольтметра двойного интегрирования.

Принцип действия прибора основан на преобразовании измеряемой величины в пропорциональный ей интервал времени с последующим преобразованием этого интервала в дискретную форму и в цифровой код.