Средства измерения, классификация и метрологические характеристики

Электромагнитные измерительные преобразователи

Индуктивные первичные измерительные преобразователи представляют собой катушку индуктивности, взаимоиндуктивные (трансформаторные) - катушку взаимной индуктивности, параметры которой изменяются под воздействием входной величины. На рис. 6.2 схематически представлено несколько типов таких измерительных преобразователей.

Индуктивный измерительный преобразователь представляет собой электромагнит с обмоткой и подвижным якорем, перемещающийся под действием измеряемой величины Х. Изменение длины воздушного зазора приводит к изменению индуктивности обмотки L. Такие преобразователи обычно применяются при перемещении якоря на 0,01…5 мм.

Дифференциальный измерительный преобразователь имеет более высокую чувствительность, меньшую нелинейность функции преобразования и меньшую погрешность от влияющих величин, чем одинарный индуктивный.

В дифференциальных трансформаторных измерительных преобразователях две секции первичной обмотки, через которые пропускается переменный ток I, включены согласно, а две секции вторичной - встречно. При симметричном положении якоря относительно электромагнитов ЭДС на выходных зажимах равна нулю. Перемещение якоря вызывает сигнал dE, который идет на усилитель.

Существует достаточно широкий класс электростатических измерительных преобразователей. У емкостных измерительных преобразователей электрическая емкость или диэлектрические потери изменяются под действием измеряемой величины. Емкость Смежду двумя параллельными проводящими плоскостями S, разделенными малым зазором ? без учета краевого эффекта, определяется выражением

где ?0 - диэлектрическая постоянная, - относительная диэлектрическая проницаемость среды между электродами.

Изменяя ?, S или ?, можно изменять электрические параметры преобразователя.

Достоинства емкостных преобразователей - простота устройства, высокая чувствительность и малая инерционность. Недостатки - малая выходная мощность, необходимость использовать источники питания повышенной частоты, наличие паразитных емкостей.

Электронно-лучевые осциллографы

Электронно-лучевые осциллографы (ЭЛО) являются универсальными измерительными приборами, имеющими широчайшее применение. Они могут измерять периодические, импульсные, случайные, постоянные сигналы. Исследуемый сигнал изображается на экране в виде фигуры - осциллограммы. Осциллограммы являются функциональной зависимостью двух или трех величин.

Электронно-лучевые осциллографы применяются для измерения напряжения от долей милливольта до сотен вольт, временных интервалов длительностью от долей наносекунд до нескольких секунд и периодических сигналов частотой от нуля до сотен мегагерц.

Электронно-лучевые осциллографы подразделяют на универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие и специальные. Они могут быть одно-, двух- и более канальные.

На рис. 7.1 приведена структурная схема универсального осциллографа, основными элементами которого являются: электронно-лучевая трубка, каналы «Х», «У» и калибратор. Кратко рассмотрим их назначение и устройство.



Электронно-лучевая трубка

В осциллографах обычно применяются электронно-лучевые трубки с электростатическим формированием и управлением лучом. Электронно-лучевая трубка представляет собой стеклянный баллон, откачанный до высокого вакуума 10-5…10-7 мм рт. ст. Внутри баллона размещается нагревательный элемент, катодК, управляющий электрод (модулятор) М, три анода (А1, А2, А3) и отклоняющие пластины Х и У (рис. 7.1).

Модулятор за счет изменения на нем напряжения относительно катода управляет интенсивностью луча, т.е. яркостью свечения экрана. Первые два анода осуществляют фокусировку луча и ускорение электронов. Третий анод после отклонения на пластинах дополнительно ускоряет электронный пучок для повышения интенсивности свечения осциллограммы.

Кратко принцип действия электронно-лучевой трубки можно пояснить следующим образом. Электроны, эмитированные с катода, ускоряются и формируются в узкий пучок. Проходя мимо отклоняющих пластин, электронный луч под воздействием приложенного к ним напряжения отклоняется по двум направлениям. На люминесцентном экране электроны вызывают свечение в виде яркой точки. Конструкция электронно-лучевой трубки, форма и размер отклоняющих пластин проектируется таким образом, чтобы смещение луча было пропорционально значениям отклоняющих напряжений.

Электронно-лучевые трубки характеризуются чувствительностью - отношением отклонения луча и напряжения на отклоняющих пластинах:

Отклонение луча h под воздействием напряжения U определяется следующим выражением:

где lТ - расстояние от отклоняющей пластины до экрана;

ln - длина пластины;

d - расстояние между пластинами.

Чувствительность пластинУ - от 1 до 5 мм/В; Х - от 0,6 до 1 мм/В. Иногда используется коэффициент отклонения

При подаче на пластины напряжения высокой частоты (сотни мегагерц) интервал времени пролета электронов становится сравнимым с периодом отклоняющего напряжения, а оно в свою очередь приобретает разные значения. Это явление нарушает стабильность работы осциллографа и меняет его чувствительность. Для определения отклонения луча при высоких частотах введено понятие динамической чувствительности трубки:

где f - частота отклоняющего напряжения;

t = ln/V - время пролета электрона вдоль отклоняющих пластин.

Критической частотой трубки называют такую частоту, при которой

Кроме скорости пролета электронов на предельную частоту оказывает влияние емкость между отклоняющими пластинами и между другими электродами. Без дополнительных устройств или специальных конструкций рабочая частота обычно ограничивается 100 МГц.

Ширина луча зависит от фокусировки и обычно составляет 0.6…1 мм. Еще одна характеристика электронно-лучевой трубки - длительность послесвечения - время, за которое яркость осциллограммы уменьшается до 1%. Условно разделяют на короткое - 0,01с, среднее 0,1с и длинное - более 1с послесвечение. Длинное послесвечение необходимо для наблюдения медленно меняющихся сигналов.

Запоминающие электронно-лучевые трубки

Отдельно рассмотрим запоминающие электронно-лучевые трубки. Отличие состоит в том, что запоминающая электронно-лучевая трубка снабжена дополнительными устройствами: узлом памяти и узлом воспроизведения.

Узел памяти состоит из мишени-сетки, покрытой слоем диэлектрика и коллектора - более крупноструктурной сетки, расположенной поверх мишени. Запись изображения производится лучом высокой энергии. При перемещении луча по мишени создается потенциальный рельеф, повторяющий осциллограмму. Записанный сигнал может быть воспроизведен после его прекращения через интервал времени от нескольких минут до нескольких суток. Запоминающие трубки отличаются повышенной яркостью свечения.

Для воспроизведения сигнала служит узел воспроизведения, состоящий из подогревателя, катода, модулятора и электродов коллиматора. Катод создает пучок электронов малой энергии, плотность которого регулируется модулятором. Коллиматор формирует пучок, равномерно облучающий мишень. Потенциалы коллектора и мишени подобраны таким образом, что при отсутствии записи медленные электроны не могли бы пройти через мишень. При наличии потенциального рельефа в этих точках часть электронов проходит к экрану и вызывает его свечение.

Стирание записи производится подачей на мишень положительного напряжения, выравнивающего потенциал мишени.

Основные характеристики запоминающей электронно-лучевой трубки:

- яркость свечения в режиме воспроизведения - она регулируется напряжением на модуляторе воспроизводящего узла;

- время воспроизведения - десятки минут;

- время хранения записи - несколько дней;

- скорость записи - до 4000 км/с.

Канал вертикального отклонения луча

Канал «У» состоит из следующих узлов: аттенюатора, входного каскада, предварительного усилителя, линии задержки и оконечного усилителя. Перечисленные функциональные узлы выполняют следующие действия. Аттенюатор предназначен для калиброванного ступенчатого изменения коэффициента отклонения путем ослабления входного сигнала в 10, 100 и т.д. раз. Аттенюатор проектируется таким образом, что ослабление не должно зависеть от частоты. Он обеспечивает высокое входное сопротивление и малую входную емкость.

Входной каскад, на который поступает сигнал с аттенюатора, предназначен для усиления исследуемых сигналов в полосе частот осциллографа при минимально допустимых амплитудных, частотных и фазовых искажениях. В предварительном усилителе осуществляется регулировка коэффициента усиления и перемещения луча по вертикали.

Линия задержки состоит из ряда LC-звеньев, соединенных по схеме фильтра нижних частот. Вход и выход линии задержки нагружаются на сопротивления, равные ее волновому сопротивлению, благодаря чему линия задержки вносит минимальное искажение исследуемого сигнала.

Оконечный усилитель предназначен для создания двух симметричных противофазных напряжений, достаточных для отклонения луча электронно-лучевой трубки в пределах экрана по вертикали.

Канал горизонтального отклонения луча

Для непрерывной развертки формируется периодическое пилообразное напряжение, которое синхронизируется с исследуемым сигналом. Для ждущей развертки импульсы пилообразной формы получаются путем запуска формирующего устройства вспомогательным или исследуемым сигналом.

В канал «Х» входят: селектор синхронизации, генератор развертки и усилитель.

Генератор развертки, схема которого приведена на рис. 7.3, состоит из формирующего устройства, управляющего устройства, устройства формирования пилообразных импульсов, устройства сравнения и блокировки.

Формирующее устройство преобразует сигналы синхронизации различной формы в стабильные по характеристикам импульсы, параметры которых не зависят от формы входных сигналов синхронизации. Управляющее устройство формирует регулируемый прямоугольный импульс. Длительность импульса определяет время прямого хода луча. Запускающий импульс переводит управляющее устройство из исходного состояния в рабочее, и в устройстве пилообразных импульсов нарастает напряжение прямого хода. Это напряжение подается на усилитель и одновременно на устройство сравнения и блокировки. При достижении пилообразным напряжением установленного уровня сравнения, управляющее устройство возвращается в исходное состояние и прямой ход прекращен.

Синхронизация и запуск развертки осуществляется специальным синхроимпульсом, подаваемым на генератор из устройства синхронизации. Различают внутреннюю и внешнюю синхронизацию. При внутренней синхронизации синхроимпульсы вырабатываются из усиленного входного сигнала до его задержки. При внешней синхронизации - сигнал синхронизации подают на специальный вход осциллографа от внешнего источника.

Виды разверток

Для более полного представления канала «Х» рассмотрим виды разверток. Линейный вид развертки является наиболее распространенным. Напряжение этой развертки имеет форму пилы, поэтому луч с постоянной скоростью перемещается по экрану слева направо. Скорость луча в современных осциллографах колеблется от единиц сантиметров до десятков сантиметров в секунду, а в скоростных - до десятков тысяч километров в секунду.

Линейная ждущая развертка используется для наблюдения импульсов большой скважности, а также непериодических, случайных или однократных сигналов. Развертывающее напряжение такой развертки вырабатывается только тогда, когда поступающий сигнал на входе «У» через блок синхронизации запускает генератор развертки, который вырабатывает одиночный импульс.

Синусоидальная развертка получается при подаче на пластины «Х» гармонического напряжения

Положительный полупериод напряжения развертывает перемещение луча от центра экрана до правой его границы и обратно; отрицательный полупериод напряжения развертывает перемещение луча от центра экрана до левой его границы и обратно к центру.

Если одновременно на вход «У» подать напряжение вида

где ? - некоторый сдвиг фазы, то на экране появляется фигура Лиссажу, которая представляет собой эллипс, форма которого зависит от амплитуды исходных сигналов и фазового сдвига.

Страница: 10 из 19;

Калибратор

Калибратор - отдельный генератор сигналов с точно известной амплитудой и частотой. Он встроен в осциллограф и предназначен для точной установки коэффициентов отклонения и развертки. Для калибровки оси «У» используют постоянные напряжения обеих полярностей и напряжения в виде меандра. Сигнал калибратора строго прямоугольной формы с частотой 1-2 кГц и скважностью 2.

Многоканальные осциллографы оснащены электронным коммутатором канала «У», что позволяет наблюдать на экране несколько синхронных процессов. При этом такой осциллограф имеет несколько входов, подключаемых к усилителю с частотой развертки.

Запоминающие осциллографы оснащены запоминающей электронно-лучевой трубкой. Необходимость их обусловлена тем, что исходный одиночный или медленно меняющийся сигнал необходимо задокументировать или просмотреть заново. Структурная схема запоминающих осциллографов содержит практически все составные части универсального. Но по сравнению с универсальными они характеризуются дополнительными параметрами. Скоростные осциллографы используются для наблюдения сигналов пико и наносекундной длительности в реальном масштабе времени. Они комплектуются электронно-лучевыми трубками бегущей волны. Параметры скоростных осциллографов в основном зависят от параметров их электронно-лучевых трубок. Яркость изображения однократных сигналов обычно невелика, поэтому их используют в основном для фоторегистрации. Стробоскопические осциллографы применяются для наблюдения многократно повторяющихся импульсов малой длительности. Принцип действия стробоскопического осциллографа заключается в преобразовании нескольких идентичных сигналов малой длительности в один, имеющий большую длительность и повторяющий форму входных сигналов. Число импульсов, формирующих один сигнал, определяет коэффициент трансформации временного масштаба. Сигнал, поступающий на вход стробоскопического осциллографа, последовательно зондируется в n точках с помощью строб-импульсов. Последовательность зондирования осуществляется путем автоматического сдвига во времени строб-импульсов на интервал dt (шаг считывания). Длительность строб-импульсов не критична, но должна быть меньше периода следования. Сигнал и строб-импульсы подаются в смеситель, на выходе которого возникают импульсы напряжения. Высота этих импульсов пропорциональна мгновенным значениям исследуемого сигнала в точках зондирования. Их форма повторяет форму исследуемого сигнала. Такое преобразование растягивает во времени исследуемый сигнал во много раз.



Осциллографические измерения

Метод калиброванных шкал применяется для измерения параметров сигнала по прямоугольной шкале-сетке. Коэффициенты вертикального и горизонтального отклонения градуируются по сигналу калибратора. Процесс измерения заключается в подсчете делений шкалы и умножении на масштабный коэффициент.

Синусоидальная развертка применяется для измерения фазового сдвига, частоты, параметров модулированных колебаний. Осциллограмма при синусоидальной развертке неподвижна только при равенстве или кратности частот приложенных напряжений. При равенстве частот получаются круг, наклоненные овалы (направо - 45, 315; налево - 135, 225), наклоненные линии (направо - 0; налево - 180) в зависимости от фазового сдвига. При кратных частотах наблюдается фигура в виде восьмерки.

Измерение вольт-амперных характеристик

Для этого применяется специальная схема, изображенная на рис. 7.4. Источником коллекторного напряжения служит генератор пилообразного напряжения, которое есть напряжение развертки. Напряжение, пропорциональное току коллектора, снимается с резистора Rк. Ток базы задается генератором ступенчатого напряжения и резистором Rб. Параметры ступенчатого напряжения и напряжения развертки подобраны так, чтобы на экране получилось семейство вольт-амперных характеристик. Имеются специальные устройства, которые можно подключать к осциллографам для измерения характеристик различных транзисторов.

Контрольные вопросы

1. Какие сигналы можно измерять электронно-лучевым осциллографом?

2. Какие типы электронно-лучевых осциллографов Вы знаете?

3. Объясните принцип работ электронно-лучевой трубки (ЭЛТ).

4. Какие параметры используются для характеристики ЭЛТ.

5. Как регистрируется и воспроизводится осциллограмма в запоминающей ЭЛТ?

6. Опишите работу каналов отклонения луча по горизонтали и вертикали.

7. Какие существуют виды разверток?

8. Что такое калибратор и для чего он предназначен?

9. Объясните принцип стробоскопического преобразования сигнала.

10. Что можно измерить методом фигур Лиссажу?

Тема 8. Измерительные приборы

Измерение напряжения - наиболее распространенный вид измерений. Вольтметры здесь используются так же часто, как и осциллографы. Кратко рассмотрим основные определения и соотношения, характеризующие напряжение, как одну из характеристик сигнала.

Напряжение между точками А и В есть скалярная величина, определяющаяся следующим выражением:

где Е - напряженность электрического поля.

8.1. Характеристики переменного напряжения

Если напряжение является функцией времени (т.е. является переменным), то для его характеристики используют следующие понятия: среднеквадратическое, среднее, средневыпрямленное, пиковое.

Среднеквадратическое (действующее) - среднеквадратическое всех мгновенных значений за время накопления (или за период при периодическом законе изменения напряжения):

где Т - время накопления, определяемое постоянной времени наиболее инерционного звена в цепи.

Пиковое значение (амплитудное для гармонических сигналов) - наибольшее абсолютное значение измеряемого за время накопления сигнала (или за период для периодических напряжений). Пиковое напряжение может быть различным для разной полярности.

Среднее значение напряжения или его постоянная составляющая - среднее арифметическое всех мгновенных значений за время накопления:

Средневыпрямленное значение напряжение - среднее арифметическое всех абсолютных мгновенных значений за время накопления:

. Для разнополярных напряжений эти два значения могут существенно отличаться друг от друга. Для гармонических сигналов

Uср=0,

Uср.в.=0,637Umax.

Пиковое, действующее, средневыпрямленное напряжения связаны между собой определенной зависимостью, которая характеризуется коэффициентами амплитуды и формы.

Так же широко, как измерения напряжения, в практике используется измерение силы тока. Для измерения этой величины необходимо предварительно знать амплитуду, форму и частоту сигнала. Эти сведения позволят выбрать подходящие для каждого конкретного случая измерительные приборы. Для измерения применяют методы непосредственной оценки и сравнения. Метод непосредственной оценки осуществляют обычным прямопоказывающим прибором. Из школьного курса известно, что амперметр включают последовательно с нагрузкой, а вольтметр - параллельно ей. Очевидно, что сопротивление амперметра должно быть значительно меньше сопротивления нагрузки, а внутреннее сопротивление вольтметра значительно больше сопротивления нагрузки. Измерение постоянного тока проводится с меньшими погрешностями, чем измерение переменного. Повышение частоты измеряемого сигнала приводит, как правило, к увеличению погрешности измерения.

Метод сравнения обеспечивает более высокую точность измерений, чем метод непосредственной оценки. Этот метод реализуется с помощью приборов компенсаторов, отличающихся тем свойством, что в момент измерения мощность от измеряемой цепи не потребляется. Метод сравнения применяется в цифровых вольтметрах дискретного действия и в аналоговых компенсационных вольтметрах. Погрешность измерений при этом составляет сотые и тысячные доли процента.

Условно все имеющиеся вольтметры и амперметры можно разделить на два типа - электромеханические и электронные.

В электромеханических приборах прямого преобразования электрическая энергия преобразуется в механическую энергию перемещения подвижной части прибора. Если бы повороту подвижной части ничего бы не препятствовало, стрелка уперлась бы в край шкалы. Для того, чтобы угол отклонения ? зависел от прикладываемой величины, используют противодействующий момент. Он бывает двух типов:

- механический (пружинка, растяжка);

- электрический.

Приборы, в которых противодействующий момент обеспечивается электромагнитным полем, называются логометры.

Электроизмерительные механизмы

Электроизмерительный механизм, посредством которого происходит перемещение стрелки, бывает:

- магнитоэлектрическим;

- электромагнитным;

- электродинамическим;

- электростатическим;

- индукционным.

В магнитоэлектрическихвращающий момент создается в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля проводника с током, выполненного в виде катушки - рамки. Угол отклонения стрелки рассчитывается как

где B - магнитная индукция постоянного магнита,

s - площадь рамки,

w - число витков катушки,

W - удельный противодействующий момент,

I - сила тока в катушке.

Чувствительность по току такого механизма

не зависит от угла отклонения, т.е. магнитоэлектрические приборы имеют равномерную шкалу. Они изготовляются вплоть до класса точности 0,1.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы с механическим противодействием используют в амперметрах, вольтметрах, гальванометрах.

В логометрах противодействующая сила создается электрическим путем. Для этого подвижная часть делается в виде двух жестко скрепленных рамок. Направление токов в обмотках выбирают так, чтобы они создавали противоположно направленные моменты. Логометры с магнитоэлектрическим измерительным механизмом используют в омметрах.

Гальванометры - особочувствительные магнитоэлектрические приборы - предназначены для измерения токов, напряжений и количества электричества. Класс точности гальванометрам не присваивается, а используются они в качестве нулевых индикаторов, показывающих отсутствие тока в цепи. Обычно гальванометры выпускаются с двусторонней шкалой, т.е. нулевой отметкой посередине.

В электромагнитных измерительных механизмах вращающий момент возникает в результате взаимодействия магнитного поля катушки, по обмотке которой протекает измеряемый ток, с одним или несколькими ферромагнитными сердечниками, составляющими подвижную часть механизма. Они бывают с плоской катушкой, с круглой катушкой, с замкнутым магнитопроводом.

Катушка наматывается медным проводом и имеет воздушный зазор, куда входит эксцентрично закрепленный на оси сердечник. Материал его выбирают с наибольшей магнитной проницаемостью. При наличии тока сердечник стремится попасть в положение с наибольшей плотностью поля, т.е. втягивается в катушку. Для защиты от внешних магнитных полей (поскольку собственное поле невелико) используется экранирование.

При использовании замкнутогомагнитопровода катушка помещена в магнитопровод с полюсными наконечниками. При наличии тока сердечник стремится повернуться, втягиваясь в рабочее пространство между наконечниками. Достоинства такой конструкции состоят в повышенной чувствительности, помехозащищенности. Выражение угла отклонения от входного воздействия имеет следующий вид

где L - индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника.

Видно, что угол поворота такой системы не зависит от направления тока, т.е. ее можно использовать для измерения переменного тока, однако шкала прибора в этом случае отличается от линейной.

В электродинамических измерительных механизмах вращающий момент возникает в результате взаимодействия магнитных полей подвижной и неподвижной катушек с током. Уравнение отклонения указателя для таких приборов имеет вид

где I1, I2 - токи первой и второй катушек.

При измерении переменного тока подвижная катушка реагирует на среднее значение вращающего момента, поэтому уравнение принимает следующий вид

Ферродинамические приборы являются разновидностью электродинамических с тем отличием, что неподвижные катушки заключены в сердечнике из ферромагнитного материала. Такая конструкция обеспечивает значительное увеличение вращающего момента и хорошую защиту от внешних магнитных полей. Однако наличие сердечника увеличивает погрешность измерений.

Принцип действия электростатических приборов основан на взаимодействии двух заряженных тел. Обычно конструктивно они представляют собой подвижную и неподвижную пластины, к которым прикладывается измеряемое напряжение. Отклонение указателя описывается выражением:

где С - емкость между пластинами.

Шкала приборов с электростатическим измерительным механизмом, проградуированная на постоянном напряжении, справедлива для действующего значения напряжения любой формы. Достоинством таких приборов является: большие пределы измерений (до 1МВ), широкий частотный диапазон измеряемых напряжений (до 30 МГц). Недостатки: малая надежность, нелинейность шкалы, влияние температуры и внешнего электрического поля.

Термоэлектрические приборы предназначены для измерения в цепях высоких частот. Основой приборов такой системы является термоэлектрический преобразователь.

Электронные вольтметры делятся на аналоговые и дискретные, или их еще называют стрелочные и цифровые. По роду работы они подразделяются на вольтметры переменного, постоянного напряжения, импульсные, универсальные. Кроме того существуют вольтметры с частотно-избирательными свойствами - селективные.

В соответствии с элементом преобразования (типом первичного измерительного преобразователя) они измеряют различные параметры переменного напряжения.

Нелинейный элемент с квадратичной характеристикой используется в одноименных вольтметрах. При гармоническом входном напряжении ток, протекающий через нелинейный элемент, пропорционален квадрату напряжения:

поэтому такие вольтметры целесообразно применять для измерения действующего значения напряжения. Получить квадратичную зависимость можно при работе на нелинейном участке вольт-амперной характеристики, т.е. при малых измеряемых напряжениях. Из-за того, что этот участок составляет всего 0,2…0,3 В, используется набор диодов, на которые поданы разные напряжения для смещения рабочей точки. При этом квадратичная характеристика получается как кусочно-гладкая аппроксимация параболической кривой.

Схема нелинейного устройства с квадратичной характеристикой приведена на рис. 8.1. Параболическая кривая условно разбита на 3 участка, аппроксимированные линейными участками характеристик диодов. Каждая ячейка состоит из диода и делителя на двух сопротивлениях, с помощью которого на диоде создается напряжение смещения. Учитывая, что прямое сопротивление диода стремится к нулю, а обратное - к бесконечности, можно считать, что ток через диод не протекает, пока подводимое напряжение меньше напряжения смещения. При Uвх>Eс ток определяется характеристикой диода.

Рассмотрим работу нелинейного устройства по схеме. На диод Д1 напряжение смещения не подается. Квадратичный участок его характеристики соответствует участку 0-1 аппроксимируемой кривой. При напряжении Uвх>Eс1 открывается диод Д2. Суммарный ток соответствует участку 1-2 параболической кривой и т.д. Соединение нескольких ячеек, при котором их токи складываются, дает возможность получить характеристику в виде сложной ломаной линии, близкой к параболе. Сопротивление в цепи делителей подбирают таким образом, чтобы напряжение смещения на каждой последующей ячейке было больше, чем на предыдущей. Симметричный трансформатор и двухполупериодный выпрямитель позволяют измерять и несимметричные напряжения.

Нелинейный элемент с линейным участком характеристики - двухполупериодный выпрямитель (рис. 8.2). Постоянная составляющая тока в диагонали определяется соотношением:

Эта зависимость имеет место при любой форме измеряемого напряжения. Резистор в цепи измерительного прибора имеет сопротивление больше внутреннего сопротивления диода в открытом состоянии. Вместе с конденсатором, шунтирующим прибор, они представляют собой фильтр, уменьшающий значение высших гармоник тока, протекающего через прибор. Вольтметр, содержащий линейный детектор, называют линейным.

Нелинейный элемент с устройством памяти - пиковый детектор. Для измерения пиковых амплитудных значений напряжений в нелинейное устройство вводится запоминающий максимальное значение напряжения элемент. В схеме с открытым входом конденсатор заряжен до напряжения, близкого к максимальному, а в схеме с закрытым входом напряжение на резисторе меняется от нуля до удвоенного максимального (рис. 4.2). Во втором случае устройства, идущие следом, выделяют постоянную составляющую, равную максимальному напряжению.

Элемент с закрытым входом не реагирует на постоянную составляющую входного напряжения.

Цифровые измерительные приборы

Цифровые вольтметры. Цифровыми измерительными приборами называются приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представляются в цифровой форме.

Цифровые измерительные приборы обязательно включают два узла: аналого-цифровой преобразователь и цифровое отсчетное устройство. Для образования кода непрерывная величина дискретизируется по времени и по уровню так, что значение дискретной величины соответствует значению исходной непрерывной величины только в определенные моменты времени. Промежуток между соседними моментами времени называется шагом дискретизации.

Основные методы преобразования значений непрерывных величин в коды. По способу преобразования выделяют три основных метода:

- последовательного счета;

- сравнения и вычитания (поразрядного взвешивания);

- считывания.

При использовании метода последовательного счета происходит последовательное во времени сравнение измеряемой величины с известной, увеличивающейся или уменьшающейся скачками. Каждый скачок равняется шагу квантования по уровню.

При реализации метода поразрядного взвешивания происходит последовательное во времени сравнение измеряемой величины с известной, изменяющейся скачками по определенному алгоритму.

В методе считывания производится одновременное сравнение неизвестной величины с известными значениями, воспроизводимыми набором мер.

Погрешности цифровых измерительных приборов. На работу цифровых измерительных приборов в основном влияют два типа погрешностей: статические и динамические.

Статическая погрешность состоит из четырех составляющих:

- погрешности дискретизации;

- погрешности квантования;

- погрешности порога чувствительности;

- внешних влияний на ЦИП.

При этом надо иметь в виду, что последние три погрешности вызваны только несовершенством прибора и являются инструментальными погрешностями. Различными конструкторскими и инженерными разработками эти составляющие статической погрешности можно свести до минимума вплоть до полного исключения. Погрешность дискретизации является методической погрешностью. Это означает, что никакие технические усовершенствования в принципе не могут убрать эту погрешность, поскольку она присуща природе метода цифрового преобразования сигнала.

Динамические погрешности в цифровых измерительных приборах делятся на погрешности первого и второго рода.

К динамическим погрешностям первого рода относят погрешности, связанные с инерционностью отдельных составляющих цифрового измерительного прибора. Аналогично случаю статической погрешности, используя современную материально-техническую базу, возможно устранение этого рода погрешности путем совершенствования конструкции прибора и отдельных его частей.

Динамические погрешности второго рода возникают из-за того, что измерение происходит в момент времени t2, а результат его приписывают либо к t1, либо к t3. Такую погрешность измерения устранить в принципе нельзя.

Измерительные генераторы - этоэкранированные источники электрических сигналов, параметры которых могут регулироваться в определенных пределах.

Радиотехнические схемы, приборы должны настраиваться и проверяться в реальных условиях работы. Для этого на их входы подаются испытательные сигналы нужных частот, форм, амплитуд. Приборы, создающие сигналы известной частоты, амплитуды и формы, называются измерительными генераторами.

Они бывают низкочастотными (до 300 кГц), высокочастотными (300 кГц-300 МГц), СВЧ (300МГц-), качающейся частоты, импульсные, специальной формы, шумовые.

Современные генераторы сигналов специальной формы - весьма универсальные измерительные устройства с широким частотным диапазоном, большим числом форм выходных сигналов и электронным управлением параметрами сигналов. Иногда эти генераторы могут заменить низкочастотные, инфразвуковые, высокочастотные и импульсные генераторы. Управление генераторами можно осуществить вручную от клавиатуры на передней панели с индикацией на табло и дистанционно. В последнем случае возможно программирование частоты, формы и величины ступенчатого ослабления выходного сигнала.

Генераторы шумовых сигналов - измерительные генераторы, выходное напряжение которых представляет собой реализацию случайного процесса с контролируемыми статистическими характеристиками. К генераторам шумовых сигналов также относят генераторы случайных импульсных последовательностей. При этом случайными параметрами выходного напряжения являются моменты появления очередных импульсов и промежутка между ними.

Контрольные вопросы

1. Какие существуют характеристики переменного напряжения?

2. Что такое коэффициенты амплитуды и формы? Для чего они применяются?

3. Назовите два типа противодействующего момента в измерительных механизмах.

4. Что такое логометры?

5. Какие бывают электроизмерительные механизмы?

6. В чем заключается особенность электростатического электроизмерительного механизма?

7. Начертите нелинейный элемент с устройством памяти и объясните принцип его работы.

8. Опишите основные методы преобразования значений непрерывных величин в коды.

9. Что такое методическая погрешность?

10.Опишите динамические погрешности в цифровых измерительных приборах.

Тема 9. Измерение мощности

Здесь мы рассмотрим вопросы измерения мощности в электрических цепях. Основное внимание будет уделено измерению мощности, потребляемой нагрузкой в цепях высоких и сверхвысоких частот.

В цепях постоянного тока мощность, потребляемая нагрузкой, равна произведению тока и напряжения, и её можно определить косвенным методом с помощью амперметра и вольтметра или прямым - с помощью электродинамического ваттметра.

В цепях переменного синусоидального тока различают активную (среднюю за период) мощность:

и реактивную мощность

где U - действующее значение напряжения на нагрузке;

I - действующее значение тока, протекающего через нагрузку;

? - фазовый сдвиг между напряжением и током.

Преимущество отдаётся измерению значений активной мощности. Мощность измеряется в пределах от I0-18 до 108 Вт во всем частотном диапазоне от постоянного тока до миллиметровых длин волн. Иногда при измерении мощности используют относительные (логарифмические) единицы мощности. При этом мощность оценивают числом децибел, определяемым из соотношения:

где Р0 - мощность, принимаемая за исходный уровень.

Измерение мощности в диапазоне звуковых и высоких частот имеет ограниченное значение, т.к. на частотах до нескольких десятков МГц удобно измерять напряжения и токи, а мощность определять расчетным путем. На частотах свыше 100 МГц вследствие волнового характера процессов значения напряжений и токов теряют однозначность, т.е. их величина зависит от места включения прибора. Вместе с тем поток мощности через любое поперечное сечение линии передачи всегда остается неизменным. По этой причине основным параметром, характеризующим режим работы устройства СВЧ, становится мощность.

9.1. Интегрирующие преобразователи

Наиболее широкое применение в измерениях активной мощности промышленной частоты находят интегрирующие преобразователи. В таких преобразователях перемножение реализуется в два этапа. На первом этапе величину Х1 запоминают путем интегрирования в пределах строго определенного малого интервала времени tU:

где k1 - коэффициент пропорциональности;

tU - постоянный интервал интегрирования;

i - момент дискретизации перемножаемых величин.

На втором этапе реализуются два процесса. Величину преобразуют в пропорциональный интервал времени:

где k2 - коэффициент пропорциональности.

Практически эту операцию выполняет преобразователь, аналогичный интегрирующему аналого-цифровому преобразователю. Одновременно в пределах того же интервала времени осуществляют интегрирование второй перемножаемой величины .

Результат интегрирования определяется выражением:

где k3 - коэффициент пропорциональности.

Полагая, что в пределах постоянна, имеем:

где k = k1k2k3 - коэффициент пропорциональности.

Таким образом, выходное напряжение пропорционально произведению входных величин.

В случае использования в процессе измерений цифровых устройств определение активной мощности по измеренным мгновенным значениям тока и напряжения сводится к реализации соотношения:

где - частота дискретизации силы тока и напряжения;

Тпр - период промышленной частоты.

Практически частоту дискретизации выбирают в пределах нескольких десятков килогерц.

9.2. Метод трех вольтметров и трех амперметров

В диапазоне звуковых и высоких частот определение мощности, потребляемой произвольной нагрузкой RН, можно выполнить в результате использования схем для измерения . В способе трех вольтметров последовательно с нагрузкой RН включают дополнительный резистор R (рис.9.1). Результаты измерения позволяют построить треугольник напряжений и из него определить

Сопротивление резистора R должно иметь значение, близкое к значению Rн. Желательно, чтобы внутреннее сопротивление вольтметров также во много раз превосходило значение Rн. По этой причине способ трёх вольтметров используют в тех случаях, когда Rн достаточно мало.

Измерение мощности СВЧ

Измерение мощности СВЧ сигналов основано на эквивалентном преобразовании энергии исходных электромагнитных колебаний в другой вид энергии, удобный для измерения.

Все приборы условно можно разделить на измерители поглощенной и проходящей мощностей.

Первая группа - измерение мощности рассеиваемой на нагрузке.

Калориметрический способ используется при точных измерениях относительно большой мощности. Способ основан наэквивалентом преобразовании измеряемой энергии втеплоту и измерении приращения температуры калориметрического тела, поглотившего эту энергию. Энергия СВЧ может рассеиваться непосредственно в калориметрическом теле или на резистивной нагрузке, помещённой в нём. Независимо от формы колебаний результатом измерения будет среднее значение мощности. Различают два вида калориметрических измерений: статический (адиабатический) и циркуляционный. Статический измеритель состоит из согласованной поглощающей нагрузки, калориметрического тела и измерителя температуры. Измеряемую мощность по волноводу подводят к нагрузке, преобразуют в теплоту и нагревают калориметрическое тело. Связь между скоростью приращения температуры и значением измеряемой мощности определяется соотношением:

где Px - измеряемая мощность;

0.24 - тепловой эквивалент работы;

m - масса калориметрического тела;

с - удельная теплоемкость калориметрического тела;

???- время измерения;

(t2- t1) - приращение температуры.

В качестве рабочего тока используют воду. Повышение точности измерений достигается надежной теплоизоляцией калориметрического тела от окружающей среды. Достоинство метода - простота измерений. Недостаток метода - необходимость периодического охлаждения измерителя (отключения).

Кроме воды в качестве рабочего тела используют твёрдые (объёмные или плёночные) поглотители мощности СВЧ. Такой калориметр называют сухим. Это - коаксиальная или волноводная нагрузка, помещенная в теплоизоляционную камеру. Повышение температуры рабочего тела регистрируют с помощью блока дифференциальных термопар, горячие спаи которых контактируют с рабочим телом, а «холодные» - с корпусом прибора.

Широко распространены калориметрические ваттметры циркуляционного типа. В таких калориметрах вода циркулирует с постоянной скоростью. Значение рассеиваемой мощности определяется по приращению температуры калориметрического тела:

где G - расход калориметрического тела (воды);

d - его удельный вес.

Приращение температуры ?T измеряется с помощью двух термопар, расположенных до и после нагрузки. Недостаток метода -- необходимость вспециальных устройствах, обеспечивающих стабильность расхода воды, ее количества.



Измерение малой мощности СВЧ

Измерители малой мощности СВЧ используются для измерения от десятков нановатт до десятков милливатт. В таких ваттметрах чувствительные элементы одновременно являются согласованной нагрузкой для измеряемой мощности.

Резистивный метод

Резистивный термочувствительный элемент включается в мостовые измерительные схемы. Температурное влияние среды обычно компенсируется. Часто применяют болометры - чувствительные элементы, сопротивление которых при повышении температуры увеличивается. Болометр представляет собой стеклянный сосуд, наполненный инертным газом. Чувствительная нить выполняется из материала с высоким температурным коэффициентом сопротивления:

где Rт - сопротивление болометра;

р - рассеиваемая мощность;

R0 - начальное сопротивление болометра;

a, b - постоянные коэффициенты, зависящие от материала и конструкции чувствительной нити болометра.

Термистор-резистор с большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления:

где R0 - начальное сопротивление термистора при исходной температуре Т0;

Т - температура нагрева термистора;

? - постоянный коэффициент.

Недостаток таких ваттметров - малая мощность измеряемых сигналов.



Ваттметры проходящей мощности

Под проходящей мощностью Рпр линии передачи понимают разность мощностей падающей и отраженной:

Измерение с помощью направленных ответвителей

Непрерывными ответвителями называют устройства, которые при включении в линию передач реагируют на мощность, распространяющуюся в определенном направлении. Они позволяют отвести к ваттметру малую, но вполне определенную мощность.

Конструктивно - это система двух волноводов, связанных между собой системой двух и более щелей связи. Расстояние между щелями равно нечетному числу четвертых долей длины волны. Основной волновод называют первичным, второй - вторичным, к выходам которого подключаются согласованные нагрузки, одной из которых служит измерительный прибор, а другой - поглощающее сопротивление. Для измерения мощности падающей волны измеритель малой мощности подключается к волноводу по ходу волны, а для измерения отраженной - противоположно. Действительные значения измеряемой мощности будут превосходить показания измерительного прибора в 10…100000 раз в зависимости от коэффициента переходного затухания между волноводом и ответвителем. Обычно приборы такого типа называют рефлектометрами.

Измерение мощности с помощью эффекта Холла

Эффект Холла состоит в том, что если полупроводниковую пластинку, по которой течёт ток, поместить в магнитное поле с индукцией В, то между её точками, лежащими на прямой, перпендикулярной направлениям тока и поля, возникает разность потенциалов - э.д.с. Холла. Для измерения проходящей мощности полупроводниковую пластинку помещают в электромагнитное поле линии передач так, чтобы электрическая составляющая поля возбуждала ток вдоль пластины, а магнитная была направлена перпендикулярно ее поверхности. Ваттметры с преобразователями Холла очень просты конструктивно, имеют линейную шкалу.

Пондеромоторный ваттметр

В этом случае мощность СВЧ излучения определяется по механическому (пондеромоторному) действию электромагнитных волн. Явление механического давления электромагнитных волн было открыто П.Н. Лебедевым. Давление электромагнитных волн, испытываемое отражающей поверхностью, пропорционально значению вектора Умова-Пойтинга, который определяет плотность потока энергии, проходящую через единичную площадь.

Измерение мощности лазерного излучения

Мощность и энергию лазерного излучения называют энергетическими параметрами, которые характеризуются:

- мощностью излучения в непрерывном режиме Р;

- энергией излучения отдельных импульсов:

где tИ - длительность импульса;

- средней мощностью в импульсе:

- средней мощностью импульсно-модулированного излучения:

где Т - период повторения импульсов.

Измерения мощности лазерного излучения имеют невысокую точность (ошибки достигают 5%). Применяются различные методики измерения - калориметрический, фотоэлектрический, пондеромоторный.

Контрольные вопросы

1. Чем отличается активная и реактивная мощность?

2. Как чаще всего измеряют активную мощность промышленной частоты?

3. Как можно измерить косинус разности фаз между током и напряжением для определения мощности в диапазоне звуковых и высоких частот?

4. В каком случае используется метод трех вольтметров?

5. На чем основан метод измерение мощности СВЧ сигналов?

6. Каким способом можно точных измерить относительно большую СВЧ мощность?

7. В чем преимущество калориметрических ваттметров циркуляционного типа?

8. Как измеряют малую мощность СВЧ?

9. Что такое термистор?

10. Для чего служат направленные ответвители?

11. Опишите принцип действия пондеромоторного ваттметра.

Государственная система обеспечения единства измерений

Основные метрологические требования к средствам измерений установлены нормативными актами законодательной метрологии. Исходным документом законодательной метрологии является Закон Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений» от 27 апреля 1993 г.

Единство измерений обеспечивается двумя важнейшими условиями:

- результаты измерений должны представляться в узаконенных единицах;

- должна быть известна погрешность измерений.

Для выполнения условий обеспечения единства измерений в стране созданы:

- нормативная база;

- соответствующие технические средства;

- метрологическая служба.

Нормативная база сконцентрирована в государственных стандартах и других нормативных и рекомендательных документах Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ).

К техническим средствам обеспечения единства измерений прежде всего относятся государственные эталоны, служащие для воспроизведения размеров единиц измерений с наивысшей точностью. Другие эталоны используются в системе передачи размеров единиц от государственных эталонов всем средствам измерений.

Закон устанавливает правовые основы обеспечения единства измерений в РФ, регулирует отношения государственных органов управления РФ с юридическими и физическими лицами по вопросам изготовления, выпуска, эксплуатации, ремонта, продажи и импорта средств измерений.

Прежде всего он направлен на защиту законных интересов граждан от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений.

Основные понятия, которые используются в сфере законодательной метрологии:

единство измерений - состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью;

нормативные документы по обеспечению единства измерений - государственные стандарты, международные (региональные) стандарты, применяемые в установленном порядке, правила, положения, инструкции и рекомендации;

метрологическая служба - совокупность субъектов деятельности и видов работ, направленных на обеспечение единства измерений;

сертификат об утверждении типа средств измерений - документ, удостоверяющий, что данный тип средств измерений утвержден в порядке, предусмотренном действующим законодательством;

лицензия на изготовление (ремонт, продажу, прокат) средств измерений - документ, удостоверяющий право заниматься указанными видами деятельности.

Если международным договором РФ установлены иные правила, чем те, которые содержатся в Законодательстве РФ об обеспечении единства измерений, то применяются правила международного договора.

Государственное управление деятельностью по обеспечению единства измерений в РФ осуществляет Комитет Российской Федерации по стандартизации, метрологии и сертификации (Госстандарт России).

К компетенции Госстандарта относятся:

- межрегиональная и межотраслевая координация деятельности по обеспечению единства измерений в РФ;

- представление предложений по единицам величин, допускаемым к применению;

- установление правил создания, утверждения, хранения и применения эталонов единиц величин;

- определение общих метрологических требований к средствам, методам и результатам измерений.

В Российской Федерации в установленном порядке допускаются к применению рекомендованные Международной организацией законодательной метрологии единицы величин Международной системы единиц, принятой Генеральной конференцией по мерам и весам. Однако могут быть допущены к применению наравне с единицами СИ внесистемные единицы величин. Например, характеристики и параметры продукции, поставляемой на экспорт, могут быть выражены в единицах величин, установленных заказчиком.

Государственная метрологическая служба находится в ведении Госстандарта России и включает в себя:

- государственные научные метрологические центры;

- органы Государственной метрологической службы.

Госстандарт России осуществляет руководство:

- Государственной службой времени и частоты и определения параметров вращения Земли (ГСВЧ);

- Государственной службой стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов (ГССО);

- Государственной службой стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов (ГСССД) и координацией их деятельности.

Государственные научные метрологические центры несут ответственность за создание, совершенствование, хранение и применение государственных эталонов единиц величин, а также за разработку нормативных документов по обеспечению единства измерений.

10.1. Метрологические службы государственных органов управления Российской Федерации и юридических лиц

Государственные органы управления РФ, а также предприятия, организации, учреждения создают в необходимых случаях метрологические службы для выполнения работ по обеспечению единства и требуемой точности измерений и для осуществления метрологического контроля и надзора.

При выполнении работ в некоторых сферах создание метрологических служб или иных структур по обеспечению единства измерений является обязательным.

Права и обязанности метрологических служб определяются положениями о них, утверждаемыми руководителями организаций.

Метрологический контроль и надзор осуществляется метрологическими службами юридических лиц путем:

- калибровки средств измерений;

- надзора за состоянием и применением средств измерений;

- проверки своевременности представления средств измерений на испытания в целях утверждения типа средств измерений, а также на поверку и калибровку.

10.2. Государственный метрологический контроль и надзор