Виды измерений
Основные элементы процесса измерения. Теория погрешностей и обработки результатов измерений. Способы уменьшения случайных и систематических погрешностей. Оценка случайных погрешностей прямых равноточных измерений. Классификация средств измерений.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курс лекций |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 05.03.2012 |
| Размер файла | 7,5 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Принцип структурного метода коррекции состоит в выработке величины, с помощью которой можно было бы создать корректирующее воздействие на прибор.
Структурные методы коррекции по способу введения корректирующего воздействия разделяют на аддитивные и мультипликативные. При аддитивной коррекции величина, пропорциональная погрешности, обычно суммируется с выходной величиной. Мультипликативная коррекция осуществляется изменением коэффициента преобразования преобразователя корректирующей величиной, пропорциональной погрешности. Управление коррекцией погрешностей осуществляется схемами с микропроцессорами, а методы статистической минимизации направлены на снижение уровня уже возникших случайных погрешностей.
Нормирование метрологических характеристик средств измерений
Основные принципы нормирования погрешностей
Метрологическими характеристиками средств измерений называются их характеристики, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений. Они предназначены для оценки погрешностей измерений, производимых в известных рабочих условиях применения средств измерений как в статическом, так и в динамическом режимах. Для рабочих средств измерений информация об их метрологических характеристиках содержится в нормах, которые устанавливаются в нормативно-технических документах для совокупности приборов данного типа.
В настоящее время нормирование метрологических характеристик средств измерения электрических величин основывается на ряде документов законодательной метрологии, прежде всего на ГОСТ 8.401-80 «ГСИ. Классы точности средств измерений. Общие требования», ГОСТ 22261-76 «Средства измерения электрических величии. Общие технические требования», а также ГОСТ 8.009-72 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений».
К нормируемым метрологическим характеристикам средств измерений относят номинальное значение однозначной меры, номинальную статическую характеристику преобразования (уравнение преобразования) измерительного преобразователя, наименьшую цену деления неравномерной шкалы измерительного прибора, номинальную цену единицы младшего разряда кода цифровых средств измерений, характеристики систематической и случайной составляющих погрешности средства измерений, входное и выходное полные сопротивления, характеристики влияния внешних условий, характеристики инерционных свойств (динамические характеристики).
Для средств измерений устанавливаются нормальные и рабочие условия применения.
Нормальные условия характеризуются нормальной областью значений влияющих величин, характеризующих климатические воздействия и электропитание средств измерений: температура окружающего воздуха (20±5)°С, относительная влажность (65±15)%, атмосферное давление (100±4) кПа, напряжение питающей сети (220±4) В и (115±2,5) В, частота питающей сети (50±1) Гц и (400±12) Гц.
Рабочие условия характеризуются рабочей областью значений влияющих величин, характеризующих климатические и механические воздействия и электропитание средств измерений. По величине рабочей области климатических воздействий средства измерений делятся на 7 групп.
Нормальные и рабочие значения всех влияющих величин устанавливаются в стандартах или технических условиях на средства измерения конкретного вида. Для средств измерений отдельно нормируется погрешность в нормальных условиях применения и погрешности, имеющие место при выходе влияющих величин за пределы нормальной области, но остающихся в пределах рабочей области. Погрешность средства измерения в нормальных условиях применения называется основной. Погрешность средства измерения, обусловленная отклонением одной из влияющих величин от нормального значения, называется дополнительной. Основная погрешность нормируется пределом допускаемой погрешности Ддоп, как правило, без разделения на систематическую и случайную составляющую.
Формы выражения метрологических характеристик, классы точности
Пределы допускаемых основных и дополнительных погрешностей устанавливаются в виде абсолютных Д, приведенных Дпр и относительных д погрешностей.
Приведенной погрешностью дпр называется отношение абсолютной погрешности Д к нормирующему значению и выражается в процентах
где Q-измеряемая величина, а пр выражена в процентах
Способы выражения основной и дополнительных погрешностей через абсолютную, приведенную или относительную погрешности устанавливаются в стандартах на отдельные группы средств измерений. В зависимости от их точности средствам измерений присваиваются классы точности. Классы точности обозначаются с помощью ряда чисел: 1·10n; 1,5·10n; 2·10n; 2,5·10n; 4·10n; 5·10n; 6·10n, где n=1; 0; -1; -2 и т.д.
Примеры обозначения классов приведены в таблице.
135
Размещено на http://www.allbest.ru/
ЛЕКЦИЯ 6 АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ПРИБОРЫ
Приведем структурную схему электромеханического измерительного прибора.
Она включает электромеханический измерительный преобразователь (измерительный механизм - ИМ), отсчетное устройство, измерительную цепь. Электромеханический преобразователь преобразует измеряемую электрическую величину (ток, напряжение) в механическую (перемещение подвижной части механизма, обычно угловое), т.е. доступную для восприятия органами чувств человека.
Отсчетное устройство состоит из указателя, жестко связанного с подвижной частью измерительного механизма, и неподвижной шкалы. Измерительная цепь электромеханического измерительного прибора представляет собой обычно масштабный ИП (делитель, шунт, трансформатор и т. п.).
Электроизмерительный механизм состоит из подвижной части и неподвижной. Момент, который возникает под действием напряжения или тока в измерительной цепи называется вращательным. В зависимости от характера явления, используемого для создания вращательного момента, различают следующие системы измерительных механизмов и приборов: магнитоэлектрическая, электродинамическая, электростатическая, электромагнитная, индукционная.
Если на подвижную часть будет действовать только вращательный момент, то она повернется на полный угол (до упора) независимо от значения вращающего момента и измеряемой величины. Поэтому с помощью специальной пружины создают второй момент, направленный против вращающего момента. Это так называемый противодействующий момент. Равновесие наступит в том случае, если два момента будут равны. В настоящее время большое распространение получили механизмы, в которых противодействующий момент создается электрически - таким же способом, как и вращающий. Такие механизмы и приборы называют логометрами, они обладают большими измерительными возможностями по сравнению с механизмами с механически создаваемым противодействующим моментом, например, позволяют измерять отношение величин.
Maгнитoэлeктpичecкиe пpибopы
Maгнитoэлeктpичecкий измepитeльный механизм cодepжит мaгнитoпpoвoд c пocтoянным мaгнитoм и кoнтyp c тoкoм, выпoлнeнный в видe кaтyшки. Для пeрeмeщeния подвижной чacти мexaнизмa иcпoльзyeтcя энepгия взaимoдeйcтвия мaгнитныx пoлeй мaгнитa и кaтyшки. Koнcтpyктивнo мarнитoэлeктpичecкиe измepитeльныe мexaнизмы выпoлняютcя либo c нeпoдвижным пocтoянным мaгнитoм и пoдвижнoй кaтyшкoй, изгoтoвлeннoй в видe paмки, либo c нeпoдвижнoй кaтyшкoй и пoдвижным пocтoянным мaгнитом.
Haибoлee чacтo пpимeняют мexaнизмы c пoдвижнoй paмкoй (pиc. 1). Maгнитнaя cиcтeмa тaкoгo мexaнизмa cocтoит из cильнoгo пocтoяннoгo мaгнитa 1 из выcoкoкoэpцитивнoй cтaли, мaгнитoпpoвoдa 2, пoлюcныx нaкoнeчникoв 3 и нeпoдвижнoгo cepдeчникa 4. Maгнитoпpoвoд, пoлюcныe нaкoнeчники и cepдeчник изгoтавливаютcя из мaгнитoмягкиx мaтepиaлoв. Пoлюcныe нaкoнeчники имeют цилиндpичecкyю вытoчкy, в кoтopyю кoнцeнтpичecки пoмeщaeтcя cepдeчник 4. Meждy пoлюcными нaкoнeчникaми и cepдeчникoм имeeтcя вoздyшный зaзop, в любoй тoчкe кoтopoгo cyщecтвyeт paдиaльнoe мaгнитнoe пoлe c пocтoянным знaчeниeм мaгнитнoй индyкции B. Meждy пoлюcными нaкoнeчникaми и cepдeчникoм pacпoлaгaeтcя пoдвижнaя paмкa (кaтyшкa) 5, пpедcтaвляющaя coбoй лeгкий aлюминиeвый кapкac oбычнo пpямoyгoльнoй фopмы, нa кoтopый нaмoтaнa тoнкaя мeднaя или aлюминиeвaя изoлиpoвaннaя пpoвoлoкa диaмeтpoм oт 0,03 дo 0,2 мм. K paмкe c двyx cтopoн пpиклeивaют aлюминиeвыe бyкcы, в кoтopыx зaкpeпляютcя пoлyocи 6 или pacтяжки. Уcтaнoвлeннaя нa пoлyocяx или pacтяжкax paмкa мoжeт cвoбoднo пoвopaчивaтьcя вoкpyг cepдeчникa 4 нa нeкoтopый paбoчий yгoл и пepeмeщaть жecткo cкpeплeннyю c нeй cтpeлкy 7 oтнocитeльнo шкaлы. Toк к paмкe пoдaeтcя чepeз зaжимы 10 и двe cпиpaльныe пpyжины 9, coздaющиe пpoтивoдeйcтвyющий мoмeнт.
B мaгнитoэлeктpичecкиx мexaнизмax для ycпoкoeния кoлeбaний пoдвижнoй чacти cпeциaльныe ycпoкoитeли нe пpимeняютcя: мaгнитoиндyкциoннoe ycпoкoeниe пpoиcxoдит при пepeмeщeнии aлюминиeвoгo кapкaca кaтyшки в пoлe пocтoяннoгo мarнитa, a элeктpoмaгнитнoe ycпoкoeниe - oт нaвeдeнной ЭДC в oбмoткe пepe мeщaющeйcя в мaгнитнoм пoлe paмки.
Koгдa пo paмкe пpoтeкaeт измepяeмый пoстoянный тoк I, нa aктивныe чacти виткoв ee oбмoтки дeйcтвyют cилы, coздaющие вpaщaющий мoмeнт. Пoд влияниeм вpaщaющeгo мoмeнтa пoдвижнaя чacть измepитeля пoвopaчивaeтcя, зaкpyчивaeт пpoтивoдeйcтвyющиe пpyжины, чeм coздaeтcя пpoтивoдeйcтвyющий мoмeнт. Пpи paвeнcтвe вpaщaющeгo и пpoтивoдeйcтвyющeгo мoмeнтoв пoдвижнaя чacть ocтaнaвливaeтcя. Пpи измeнeнии нaпpaвлeния измepeннoгo тoкa I, пpoxoдящeгo чepeз пpибop, мeняeтcя и нaпpaвлeниe oтклoнeния paмки. Пoэтoмy пpи включeнии пpибopa в элeктpичecкyю цeпь cлeдyeт yчитывaть пoляpнocть пocтoяннoгo тoкa.
Oбычныe измepитeльныe пpибopы мaгнитoэлeктpичecкoй cиcтeмы из-зa инepциoннocти пoдвижнoй чacти нe peaгиpyют нa пepeмeнный тoк пpoмышлeннoй чacтoты, ecли в нeм oтcyтcтвyeт пocтoяннaя cocтaвляющaя.
Угoл поворота мoжнo oтcчитывaть пo шкaлe пpибopa пocлe oкoнчaния пepexoднoгo пpoцecca, в тeчeниe кoтopoгo пoдвижнaя чacть нaxoдитcя в движeнии. Пepexoд пoдвижнoй чacти в полoжeниe paвнoвecия пpoиcxoдит пoд вoздeйcтвиeм мoмeнтa ycпoкoeния, кoтopый вoзникaeт в peзyльтaтe тpeния пoдвижнoй чacти o вoздyx, вoздeйcтвия тoкoв, индyциpoвaнныx в мeтaлличecкoм кapкace paмки, пpи ee движении в пoлe пocтoяннoгo мaгнитa, взaимoдeйcтвия тoкoв, индyциpoвaнныx в виткax oбмoтки paмки c мaгнитным пoлeм, ecли oнa зaмкнyтa нa кaкoe-либo coпpoтивлeниe.
Дocтoинcтвaми мaгнитoэлeктpичecкиx измepитeльныx мexaнизмoв являютcя:
- вoзмoжнocть coздaния пpибopoв выcoкoй чyвcтвитeльнocти (существуют микрoaмпepмeтpы c тoкoм пoлнoгo oтклoнeния 0,01 мкA);
- вoзмoжнocть изгoтoвлeния выcoкoтoчныx пpибopoв (клaccoв 0,05; 0,1; 0,2);
- малoe coбcтвeннoe пoтpeблeниe элeктpичecкoй энepгии (в paмкax измepитeлeй пoтpeбляeмaя мoщнocть cocтaвляeт 10-5-10-6 Bт).
K нeдocтaткaм мaгнитoэлeктpичecкиx измepитeлeй cлeдyeт oтнecти cpaвнитeльнo cлoжнoe иx yстpойcтво, бoязнь пepeгpyзoк (пepeгopaют oбычнo тoкoпoдвoдящиe пpyжинки), вoзмoжнocть измepeния тoлькo пocтoянныx тoкoв.
Maгнитoэлeктpичecкиe измepитeльныe мexaнизмы иcпoльзyют в кaчecтвe aмпepмeтpoв и вoльтмeтpoв для измepeния тoкa и нaпpяжeния в цeпяx пocтoяннoгo тoкa, a в сочетании c paзличнoгo poдa пpeoбpaзoвaтeлями и для измepeния тoкa и нaпpяжeния в цeпяx пepeмeннoгo тoкa.
Maгнитoэлeктpичecкиe ампepмeтpы
Heпocpeдcтвeннoe включeниe в цeпь магнитoэлeктpичecкoгo измepитeльнoго мexaнизмa пoзволяeт измepять мaлые тoки. Toнкий пpoвoд oбмoтки paмки измepитeля и cпиpaльныe пpyжинки нeльзя нaгpyжaть тoкaми, большими, чeм (20ч50) мA, пoэтoмy измepитeльный мexaнизм выпoлняeт фyнкции микpo или миллиaмпеpмeтpa.
Пpи измepeнии бoльшиx тoкoв пoльзyютcя шyнтaми, кoтopыe включaют пapaллeльнo измepитeльнoмy мexaнизмy (pиc. 2).
Pиc. 2. Cxeмы aмпepмeтpoв: a) c мнoгoпpeдeльным шyнтoм, б) c нecкoлькими oднoпpeдeльными шyнтaми
Coпpoтивлeниe шyнтa Rш выбиpaют тaким, чтoбы большaя чacть измepяeмoгo тoкa I пpoтeкaлa пo шyнтy, a ocтaльнaя Iизм нe пpeвышaлa дoпycтимoгo для oбмoтки измepитeля знaчeния. Oтнoшeниe тoкoв I/Iизм=n нaзывaют кoэффициeнтoм шyнтиpoвaния. Для yдoбcтвa n выбиpaeтcя цeлым чиcлoм (n=2; 5; 10 и т.д.). Шyнты oбычнo изгoтoвляют из мaнгaнинa - cплaвa c мaлым тeмпepaтypным кoэффициeнтoм coпpoтивлeния. Coпpoтивлeниe шyнтa
Rш=Rизм/(n-1),
гдe Rизм- coпpoтивлeниe paмки измepитeльнoгo мexaнизмa.
Koнcтpyкция шyнтoв и ycлoвия иx иcпoльзoвaния oпpeдeляютcя пpeдeлaми измepeния aмпepмeтpoв и иx нaзнaчeниeм. Шyнты, пpeднaзнaчeнныe для измepeния cpaвнитeльнo нeбoльшиx тoкoв (дo 30 A), мoнтиpyютcя в кopпyce пpибopa и нaзывaютcя внyтpeнними. Бoльшиe тoки (дo нecкoлькиx тыcяч aмпep) измepяют c пoмoщью нapyжныx шyнтoв.
Пpи пoдключeнии шyнтa пoгpeшнocть измepитeльнoгo мexaнизмa знaчитeльнo вoзpacтaeт. Этo oбъяcняeтcя тeм, чтo пpи измeнeнии тeмпepaтypы и нeизмeннoм измepяeмoм тoкe coпpoтивлeниe измeнитcя нa ?Rизм, coпpoтивлeниe шyнтa из мaнгaнинa ocтaeтcя пpeжним, в peзyльтaтe тoк Iизм, пpoxoдящий чepeз измepитeльный мexaнизм, измeнитcя и в пoкaзaнияx пoявитcя пoгpeшнocть. Для eе yмeньшeния пoльзyютcя paзными cпocoбaми тeмпepaтypнoй кoмпeнcaции; нaпpимep, в цeпь paмки включaют тepмopeзиcтopы c oтpицaтeльным тeмпepaтypным кoэффициeитoм coпpoтивлeния.
Maгнитoэлeктpичecкиe вoльтмeтpы
Heпocpeдcтвeннoe включeниe мaгнитoэлeктpичecкoгo мexaнизмa мeждy тoчкaми c paзными элeктpичecкими пoтeнциaлaми пpимeняeтcя тoлькo пpи нeзнaчитeльнoй paзнocти пoтeнциaлoв. B этoм cлyчae измepeния пpoвoдят c пoмoщью cтpeлoчныx милливoльтмeтpoв или гaльвaнoмeтpoв.
Пpи измepeнии бoльшиx нaпpяжeний тoк cлeдyeт oгpaничивaть дoбaвoчным peзucтopoм, включaeмым пocлeдoвaтeльно измepитeльнoмy мexaнизмy (pиc. 3).
Pиc. 3 Cxeмы coeдинeния измepитeльнoгo мexaнизмa c дoбaвoчным peзиcтopoм
Ecли пpeдeл измepeния нaпpяжeния измepитeльнoгo мexaнизмa нeoбxoдимo pacшиpить в m paз, т.е. U=mUизм, тo coпpoтивлeниe дoбaвoчнoгo peзиcтopa
Rд= Rизм(m-1)
Boльтмeтp c дoбaвoчным coпpoтивлeниeм мaлoчyвcтвитeлeн к измeнeнию oкpyжaющeй тeмпepaтypы. Тaк кaк oбычнo Rизм<Rд , то измeнeния Rизм oт тeмпepaтypы нeзнaчитeльны. Taким oбpaзoм, дoбaвoчныe coпpoтивлeния нe тoлькo pacшиpяют пpeдeл измepeния нaпpяжeния, нo и yмeньшaют дoпoлнитeльнyю тeмпepaтypнyю пoгpeшнocть вoльтмeтpa. Дoбaвoчныe peзиcтopы изгoтoвляютcя из мaнгaнинoвoй изoлиpoвaннoй пpoвoлoки, кoтopaя нaмaтывaeтcя нa кapкacы в видe кaтyшeк или плacтин. Пpимeняютcя внyтpeнниe, вcтpoeнныe в кoспyc вoльтмeтpa, и нapyжныe дoбaвoчныe peзиcтopы. Maгнитoэлeктpичecкиe вoльтмeтpы oтличaютcя oт вoльтмeтpoв дpyгиx cиcтeм выcoкoй тoчнocтью и бoльшoй чyвcтвитeльнocтью.
Элeктpoмaгнитныe пpибopы
Пepeмeщeниe пoдвижнoй чacти элeктpoмaгнитныx мexaнизмoв пpoиcxoдит пoд вoздeйcтвиeм энepгии мaгнитнoгo пoля cиcтeмы, cocтoящeй из нeпoдвижнoгo кoнтypa c измepяeмым тoкoм и oднoгo или нecкoлькиx пoдвижныx cepдeчникoв из фeppoмaгнитнoгo мaтepиaлa. Koнтyp oбычнo пpeдcтaвляeт coбoй плocкyю или кpyглyю нeпoдвижнyю кaтyшкy, нa кoтopyю нaмoтaн мeдный пpoвoд. Cepдeчники, изгoтoвляют из мaгнитoмягкиx мaтepиaлoв (элeктpoтexничecкaя cтaль, пepмaллoй). B измepитeльныx мexaнизмax, изoбpaжeнныx нa pиc. 4, мaгнитнoe пoлe coздaeтcя пpи пpoтeкaнии пo кaтyшкaм 1 тoкa I.
B пpибopax c плocкoй кaтyшкoй (pиc. 4, a) этo пoлe втягивaeт в yзкyю щeль
135
Размещено на http://www.allbest.ru/
Pиc. 4. Элeктpoмaгнитный измepитeльный мexaнизм: a) c плocкoй кaтyшкoй, б) c кpyглoй; 1 - кaтyшкa, 2 - cepдeчник, 3 - ocь, 4 - пpyжинa, 5 - cтaльнaя плacтинкa, 6- ycпoкoитeль, 7- cтpeлкa
Сepдeчник в видe cтaльнoй плacтинки 2, жecткo yкpeплeннoй нa ocи 3; пpи этoм coздaeтcя вpaщaющий мoмeнт; пpoтивoдeйcтвyющий мoмeнт oбpaзyeтcя пpyжинoй 4.
B пpибopax c кpyглoй кaтyшкoй (pиc. 4,б) вpaщaющий мoмeнт coздaeтcя в peзyльтaтe взaимoдeйcтвия пoдвижнoй 2 и нeпoдвижнoй 5 плacтин, pacпoлoжeнныx внyтpи кaтyшки 1. Пpи пpoxoждeнии тoкa пo oбмoткe кaтyшки oбe плacтинки нaмaгничивaютcя и взaимoдeйcтвyют дpyг c дpyгoм. Bcлeдcтвиe этoгo пoдвижнaя плacтинa 2 вмecтe c ocью 3 и cтpeлкoй 7 пoвopaчивaeтcя нa нeкoтopый yгoл б и зaкpyчивaeт пpoтивoдeйcтвyющyю пpyжинy 4. Для быcтpoгo ycпoкoeния движeния пoдвижнoй чacти пpимeняют вoздyшныe ycпoкoитeли 6.
Для электромагнитных механизмов характерны следующие особенности:
- шкaлy измерительного мexaнизма мoжнo гpaдyиpoвaть в eдиницax cилы тoкa и напряжения;
- знaк yглa пoвopoтa пoдвижнoй чacти не зaвиcит oт нaпpaвлeния тoкa в кaтyшкe, пoэтoмy элeктpoмaгнитныe пpибopы мoжнo пpимeнять для измepeний в цeпяx пocтoяннoгo и пepeмeннoгo тoкoв;
- шкaлa элeктpoмaгнитныx пpибopoв нepaвнoмepно-квaдpaтичнaя, cжaтaя в нaчaлe.
Элeктpoмaгнитныe пpибopы пpoщe пo кoнcтpyкции и дeшeвлe дpyгиx, нaдeжны в paбoтe и из-зa oтcyтcтвия тoкoпoдвoдoв к пoдвижнoй чacти, cпocoбны выдepживaть бoльшиe пepeгpyзки. Ocнoвнoe пpимeнeниe (в cилy мaлoй чyвcтвитeльнocти) измepeния в цeпяx пepeмeннoгo тoкa пoмышлeннoй чacтoты 50 и 400 Гц.
Пpeдeлы измepeния элeктpoмaгнитныx aмпepмeтpoв нa пepeмeннoм тoкe pacшиpяютcя c пoмoщью измepитeльнoгo тpaнcфopмaтopa тoкa; шyнтиpoвaниe нe пpимeняeтcя из-зa гpoмoздкocти шyнтa. Нoминaльным peжимoм paбoты для тpaнcфopмaтoрa тoкa являетcя режим кopoткoгo зaмыкaния.
Cxeмa coединeния измepитeльнoгo мexaнизмa c дoбaвoчным peзиcтоpoм y элeктpoмaгнитныx вoльтмeтpoв тaкaя жe, кaк и y мaгнитoэлeктpических.
Пpeдeлы измepeния вoльтмeтpoв пpи paбoтe нa пepeмeннoм тoке мoжнo pacшиpить c пoмoщью измepитeльныx тpaнcфopмaтopoв нaпpяжeния. Эти тpaнcфopмaтopы oтличaютcя oт тpaнcфopмaтopoв тoкa тeм, чтo paбoтaют в peжимe, близкoм к xoлocтoмy xoдy: вo втopичнyю oбмoткy включaeтcя вoльтмeтp, внyтpeннee coпpoтивлeниe кoтopoгo вeликo.
Teмпepaтypнaя и чacтoтнaя пoгpeшиocти y вoльтмeтpoв элeктpo-мaгнитнoй cиcтeмы бoльшe, чeм y ампеpмeтpoв. Этo oбъяcняeтcя нaличиeм дoбaвoчнoгo peзиcтopa и знaчитeльнo бoльшим чиcлoм виткoв кaтyшки измepитeлыйoгo мexaнизмa.
Условные обозначения, наносимые на шкалы приборов
|
- измерительный механизм магнитоэлектрической системы с подвижной рамкой |
||
|
- логометр магнитоэлектрической системы с подвижной рамкой. Логометры используются для измерения отношения двух величин |
||
|
- магнитоэлектрическая система с подвижным магнитом |
||
|
- логометр магнитоэлектрической системы с подвижным магнитом |
||
|
- электронно-динамические системы |
||
|
- измерительный механизм ферродинамической системы |
||
|
- тепловой прибор с нагреваемой нитью |
||
|
- тепловая биметаллическая пластина |
135
Размещено на http://www.allbest.ru/
|
- магнитоиндукционная система |
||
|
- логометр магнитоиндукционной системы |
||
|
- выпрямительная система с детектором |
||
|
- постоянный ток |
||
|
- переменный ток |
||
|
~ |
- постоянный и переменный ток |
|
- трехфазный ток |
||
- вертикальное положение шкалы |
||
- горизонтальное положение прибора |
||
|
60 |
- под углом 60 |
|
|
- клеммы прибора изолированы от корпуса и испытаны под напряжением 2кВ |
||
|
- прибор защищен от влияния внешних магнитных полей |
||
|
- прибор защищен от влияния внешних электрических полей |
||
|
! |
- Внимание! Прибор не включать, не ознакомившись с инструкцией, т.к. имеются особенности эксплуатации прибора |
Чувствительность прибора выражается отношением перемещения указателя к соответствующему изменению измеряемой величины. Если чувствительность выражается числом делений на единицу измеряемой величины, то цена прибора и постоянная прибора совпадают.
Вариация прибора - это вариация показаний в данной точке шкалы, которые определяются экспериментально как наибольшая по абсолютной величине разность показаний при возрастающих и убывающих значениях измеряемой величины. Вариация показаний не должна превышать удвоенной погрешности прибора.
Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное
Наиболее широко применяемыми измерительными преобразователями этого типа являются выпрямительные и термоэлектрические. Выпрямительные преобразователи используют выпрямление (детектирование) переменного тока с помощью нелинейных элементов - вакуумных и полупроводниковых диодов (детекторов).
Термоэлектрические измерительные преобразователи используют нагрев переменным током горячего спая термопары, возникновение термо-ЭДС и постоянного тока в цепи термопары.
Переменное напряжение характеризуется следующими основными параметрами:
Пиковое значение Um (для гармонического колебания - амплитудное) - это наибольшее мгновенное значение напряжения u(t) за время измерения t (или за период Т). Если напряжение за время измерения или период изменяет знак, а кривая напряжения несимметрична, то различают положительные и отрицательные пиковые значения.
Среднее значение за время измерения (или за период) - это постоянная составляющая напряжения u(t):
Средневыпрямленное значение (СВЗ) - среднее значение абсолютного значения напряжения:
Среднеквадратическое значение (СКЗ) - это положительный корень квадратный из среднего значения квадрата напряжения:
Совокупность значений переменного напряжения является интегральной характеристикой его формы. В практике измерений для оценок используют коэффициенты формы kф, амплитуды kа, усреднения kу (таблица): kф =U/Uсвз, ka=Um/Uскз, ky= kф ka=Um/ Uсвз.
Таблица. Коэффициенты ka, kф, ky для напряжений различной формы
|
Напряжение |
ka |
kф |
ky |
|
|
Синусоидальное |
1,41 |
1,11 |
1,56 |
|
|
Однополярное пилообразное |
1,73 |
1,16 |
2,00 |
|
|
Прямоугольной формы с симметричными полупериодами - меандр |
1 |
1 |
1 |
Коэффициенты kа, kф, ky позволяют получать значения переменного напряжения, если известно одно из них и форма напряжения.
Пиковые (амплитудные) детекторы. Пиковый детектор - это измерительный преобразователь, на выходе которого постоянная составляющая непосредственно соответствует пиковому значению напряжения на входе.
Принципиальные электрические схемы пиковых детекторов изображены на рис. 4.6,а - последовательный детектор с открытым входом и б - параллельный детектор с закрытым входом.
В пиковом детекторе с открытым входом постоянная составляющая выходного сигнала содержит постоянную составляющую входного сигнала, если таковая имеется. В детекторе же с закрытым входом постоянная составляющая выходного сигнала не содержит постоянной составляющей входного сигнала - для нее вход закрыт.
Пиковый детектор должен обязательно содержать элемент, запоминающий пиковое значение напряжения. Таким элементом обычно является конденсатор, заряжаемый до пикового значения через диод.
Остановимся на пиковом детекторе с открытым входом. Рассмотрим случай, когда на вход поступает синусоидальное напряжение.
В положительные полупериоды входного напряжения uвх происходит заряд конденсатора С через малое прямое сопротивление диода Rд и
внутреннее сопротивление источника Ri. В отрицательные полупериоды конденсатор разряжается через большое сопротивление R (рис. 4.7,а). Постоянная времени разряда много больше постоянной времени заряда. Поэтому напряжение на конденсаторе возрастает и через несколько периодов на обкладках устанавливается постоянное напряжение UC (постоянная составляющая пульсирующего напряжения), почти равное амплитуде входного напряжения Um. Поскольку Uc все же несколько меньше Um вследствие разряда конденсатора во время отрицательного полупериода, то в течение времени, когда uвх>Uc, через диод будут проходить импульсы тока, пополняющие заряд конденсатора.
Если на вход схемы подать напряжение в котором содержится как переменная, так и постоянная составляющие, то, очевидно, конденсатор С зарядится до напряжения, определяемого суммой постоянной и амплитуды переменной составляющих, т. е. до пикового значения напряжения. Таким образом, на выходе пикового детектора с открытым входом имеет место постоянное напряжение Uc, учитывающее как переменную, так и постоянную составляющие на входе. Для исключения пульсаций выходного напряжения на выходе включается фильтр нижних частот.
Пиковый детектор с закрытым входом (рис. 4.6,б). В течение нескольких положительных полупериодов uвх конденсатор С заряжается через сопротивление диода RД, и внутреннее сопротивление источника Ri почти до амплитудного значения напряжения. Разряд происходит в отрицательные полупериоды через очень большое сопротивление R и внутреннее сопротивление источника Ri. Постоянная времени разряда намного больше постоянной времени заряда. Поэтому напряжение uс за время отрицательного полупериода изменится очень мало. Заряженный конденсатор можно рассматривать как источник постоянного напряжения Uc?Um. На резисторе выделяется пульсирующее напряжение. Среднее значение этого напряжения примерно равно Um. Измерить его с помощью магнитоэлектрического прибора затруднительно, поскольку на низких частотах заметно колеблется стрелка. В связи с этим напряжение uR сначала подается на фильтр нижних частот, который пропускает постоянную составляющую Uс?Um, а затем измеряется вольтметром постоянного тока.
Входные активные сопротивления у детекторов с открытым и закрытым входом не одинаковы:
Rвx откр=R/2, а Rвx закр=R/3.
Детектор среднеквадратического значения
Детектор среднеквадратического значения (СКЗ) - это измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное, пропорциональное квадрату СКЗ переменного напряжения. Измерение СКЗ напряжения связано с выполнением квадрирования, усреднения и извлечением квадратного корня [см. формулу]. Первые операции осуществляются детектором, а операция извлечения корня должна осуществляться градуировкой аналогового измерительного прибора, подключаемого к выходу детектора СКЗ. Таким образом, детектор СКЗ должен иметь квадратичную функцию преобразования, а сам нелинейный элемент квадратичную вольтамперную характеристику.
В качестве нелинейного элемента детектора, имеющего квадратичную вольтамперную характеристику (ВБЧ), можно, например, использовать начальный участок ВБЧ полупроводникового диода. Однако этот участок имеет очень малую протяженность. Полупроводниковые диоды имеют большой разброс параметров на этом участке характеристики. Поэтому большее распространение получили детекторы на основе диодной цепочки. Такая цепочка позволяет получить квадратичную ВБЧ в результате кусочно-линейной аппроксимации параболической кривой. Схема квадратичного преобразователя с диодной цепочкой показана на рис. 4.9.
Входное напряжение uВХ подводится к широкополосному трансформатору Т1. С помощью диодов VD1 и VD2 во вторичной обмотке осуществляется двухполупериодное выпрямление.
Выпрямленное напряжение действует на цепь, состоящую из диодной цепочки VD3...VD8, R3...R14 и резистора нагрузки R15. Падение напряжения на нагрузке через фильтр нижних частот Ж1 подается на выход преобразователя.
Выходное напряжение пропорционально среднему значению тока диодной ячейки. Диодная цепочка имеет близкую к параболической вольтамперную характеристику.
Поэтому среднее значение выходного напряжения оказывается пропорциональным квадрату среднеквадратического значения входного напряжения.
Рассмотрим как обеспечивается квадратичная вольтамперная характеристика. Делители напряжения R3...R14 подключены к общему стабилизированному источнику напряжения Е. Делители подобраны так, что смещения Ui, подаваемые на диоды, удовлетворяют соотношению U1<U2<…<U6. Пока входное напряжение цепочки U не достигает U1 (см. график), все диоды закрыты и начальная часть ВБЧ является прямой линией с наклоном, зависящим от сопротивлений резисторов R1, R2 и R15. Когда напряжение U превысит U1, откроется диод VD3 и параллельно R2 подключится делитель R3, R9. Крутизна ВБЧ на участке от U1 до U2 возрастает, ток в цепи станет i?=i0+i1 (рис. 4.10). Когда выполнится условие U>U2, в цепи преобразователя будет протекать ток i?=i0+i1+i2. Крутизна ВБЧ будет увеличиваться с ростом U. Выбирая соответствующим образом сопротивления делителей, можно получить ВБЧ в виде ломаной линии, приближающейся к квадратичной параболе. Таким образом, квадратичная характеристика синтезируется из начальных участков характеристик ряда диодных ячеек, что показано на рис.
Коэффициент преобразования детектора по току
Кд=I/U2,
где I-среднее значение тока на выходе преобразователя; U-СКЗ входного напряжения.
Погрешность преобразования таких преобразователей определяется нестабильностью ВБЧ диодов, непостоянством сопротивлений резисторов и она составляет 3...5%. Частотный диапазон определяется свойствами трансформатора - индуктивностью (снизу) и паразитными параметрами диодной цепочки (сверху) и составляет интервал от нескольких герц до 1 МГц.
Детектор средневыпрямленного значения
Это измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянный ток, пропорциональный средневыпрямленному значению входного сигнала (среднему значению модуля). Вольтамперная характеристика такого детектора должна иметь линейный участок в пределах диапазона входных напряжений. Примером подобного преобразователя может служить двухполупериодный выпрямитель с фильтром нижних частот. Наиболее распространенными являются мостовые схемы (рис. 4.11). В схеме рис. 4.11,а ток через диагональ моста протекает в одном и том же направлении в течение обоих полупериодов переменного напряжения. В положительный полупериод ток протекает по цепи: верхний входной зажим-диод VD1-диагональ моста - диод VD4- нижний входной зажим; в отрицательный: нижний зажим-диод VD3-диагональ моста - диод VD2-верхний зажим.
Рис. 4.11
Направление тока соответствует проводящему направлению указанных диодов. Характеристики реальных диодов не имеют строго линейного участка, как это требуется условиями преобразования. Ток, протекающий через диод при положительном значении входного напряжения i?u/(Rд(U)+R), где Rд(U)-сопротивление открытого диода, зависящее от приложенного напряжения, R - сопротивление нагрузки.
Начальный участок характеристики близок к квадратичному. Поэтому будет иметь место погрешность, которая будет тем меньше, чем ближе к линейной будет характеристика диода.
Для улучшения линейности ВБЧ в диагональ моста последовательно с резистором R включают резистор Rдоб, сопротивление которого намного больше сопротивления открытого диода Rд(U). В этом случае
Зависимость прямого тока от напряжения будет близка к линейной. Уменьшение чувствительности, которое будет проявляться при включении Rдоб, можно компенсировать введением дополнительного усиления.
Схема рис. 4.11,б отличается от предыдущей тем, что вместо диодов VD3 и VD4 включены резисторы R1 и R2. В положительный полупериод напряжения ток протекает через диод VD1 и резистор R1. Через резистор R2 в этот полупериод ток не протекает, на его зажимах напряжение равно нулю. Поэтому, если в диагональ моста включить магнитоэлектрический вольтметр, он измеряет падение напряжения на R1. Очевидно, в отрицательный полупериод вольтметр измеряет падение напряжения на резисторе R2, поскольку через него и диод VD2 будет протекать ток.
Погрешность преобразования обусловлена, главным образом, нелинейностью ВБЧ диода и влиянием прямого сопротивления диода на ток, протекающий через выпрямительный мост.
ЛЕКЦИЯ 5 ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ В РАДИОЭЛЕКТРОНИКЕ
Сила тока и напряжение являются важнейшими физическими величинами в электро- и радиотехнике. Они характеризуют интенсивность протекания электрического процесса. Единица силы тока - ампер является основной единицей Международной системы (СИ) и воспроизводится на постоянном токе с помощью первичного эталона. Среднеквадратическое отклонение результата измерения (СКО) составляет S=4·10-6, а неисключенный остаток систематической погрешности (НСП) не превышает и=8·10-6. Единица напряжения - вольт является производной единицей, но в силу ее особой важности воспроизводится также с помощью первичного эталона со СКО S=5·10-8 и НСП и=10-6. Передача размера единицы от эталона рабочим средствам измерения осуществляется на основе государственной поверочной схемы, предусматривающей ступени передачи.
В связи с необходимостью измерения тока и напряжения в широком диапазоне частот созданы специальные эталоны ампера и вольта на переменном токе, соответствующие поверочные схемы и образцовая аппаратура.
Измерения тока и напряжения проводят в диапазоне от постоянного тока до частот 1...2 ГГц. На более высоких частотах эти величины теряют свою однозначность, поскольку изменяют свое значение вдоль линии передачи и в ее поперечном сечении. Ток и напряжение на этих частотах измерять весьма сложно, поскольку очень велико влияние измерительной цепи на измеряемую цепь. По указанным причинам на СВЧ предпочитают измерять мощность, а не ток и напряжение.
В электрических цепях удобней измерять напряжение, а не ток, поскольку вольтметр подключают параллельно исследуемой цепи, и не приходится нарушать схему соединений. При измерении тока приходится разрывать цепь, что в ряде случаев приводит к большим искажениям процессов, протекающих в устройстве. В силу этих причин измерение силы тока производят на постоянном токе и переменном на частотах до 10 МГц.
Классификация вольтметров
Измерители напряжения являются самой многочисленной группой среди средств измерения, применяемых в радиоэлектронике. В основу классификаций вольтметров положены следующие признаки.
1. Вид измеряемого напряжения: вольтметры постоянного тока (В2), переменного тока (В3), импульсного тока (В4), селективные (В6).
2. Тип применяемых измерительных преобразователей: электромеханические и электронные.
3. Тип отсчетного устройства: стрелочные (аналоговые) и цифровые вольтметры.
Парк аналоговых приборов характеризуется единой конструктивной базой, идентичностью расположения органов управления, удобством эксплуатации, метрологической обеспеченностью.
4. Тип структурной схемы: приборы прямого преобразования и уравновешивающего преобразования. Приборы уравновешивающего преобразования разделяют на приборы с автоматическим и ручным уравновешиванием.
5. Значение измеряемого напряжения: пиковое (амплитудное), среднеквадратическое и средневыпрямленное.
6. Частотный диапазон: низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные, широкополосные вольтметры.
Структурные схемы и принцип действия электронных вольтметров
Обобщенная структурная схема вольтметра постоянного тока приведена на рис. 1,а. Она включает входное устройство, усилитель постоянного тока А1 и электромеханический измерительный прибор PV1. Входное устройство предназначено для создания высокого входного сопротивления, чтобы уменьшить влияние вольтметра на измеряемую цепь. Оно состоит из делителей напряжения - аттенюаторов, с их помощью изменяют пределы измеряемых величин. В некоторых вольтметрах входное устройство содержит эмиттерный повторитель (или истоковый - при использовании полевых транзисторов).
К УПТ предъявляются высокие требования: малый дрейф нуля, высокая стабильность усиления, малый уровень шумов.
В вольтметрах постоянного тока высокой чувствительности входной сигнал преобразуется в переменный, усиливается и затем вновь преобразуется в напряжение постоянного тока.
Обобщенная структурная схема вольтметра переменного тока показана на рис. 1,б. Принцип действия такого вольтметра состоит в преобразовании переменного напряжения в постоянное, которое измеряется стрелочным электромеханическим прибором. В качестве преобразователей переменного напряжения в постоянное используются пиковые (амплитудные) детекторы, детекторы среднеквадратического и средневыпрямленного значения напряжения. Применение того или иного преобразователя переменного тока в постоянный определяет способность вольтметра измерять то или иное значение напряжения.
На обобщенной схеме показаны усилитель переменного напряжения А1 и УПТ А2, включенный после преобразователя V1. Однако в практических приборах применение обоих усилителей встречается очень редко. Используется либо додетекторное усиление, либо последетекторное. В высокочувствительные измерители напряжения вводят усилители переменного напряжения, обычно широкополосные, с полосой пропускания от единиц герц до десятков мегагерц.
Для обеспечения широкой области рабочих частот вплоть до 1 ГГц усилители переменного напряжения не применяют, а применяют усилители постоянного тока.
Цифровые вольтметры
В цифровых вольтметрах переменного напряжения используется аналоговое преобразование измеряемого переменного напряжения в постоянное. В импульсных цифровых вольтметрах находят применение специальные АЦП - амплитудно-временные преобразователи. В вольтметрах с уравновешивающим преобразованием используются соответствующие АЦП.
Цифровые вольтметры прямого преобразования более просты по устройству, но имеют меньшую точность. По используемому способу аналого-цифрового преобразования они бывают: с временным, временным с интегрированием и частотным преобразованием. Интегрирующие цифровые вольтметры, измеряющие среднее значение напряжения за время измерения, обладают повышенной помехозащищенностью. Входное устройство (рис. 2) содержит делители напряжения и предназначено для расширения пределов измерения. Оно обеспечивает достаточно высокое входное сопротивление вольтметра. Устройство определения полярности измеряемого напряжения основано на определении последовательности срабатывания двух устройств сравнения. На первое подается пилообразное напряжение, принимающее значения от -U до +U, и измеряемое напряжение. Устройство срабатывает (выдает импульс) в момент равенства напряжений. Другое устройство сравнения срабатывает в момент равенства пилообразного напряжения нулю. Сигнал полярности подается в цифровое отсчетное устройство. Устройство автоматического выбора пределов измерения сравнивает измеряемое напряжение с набором напряжений и управляет делителем.
Цифровые вольтметры с уравновешивающим преобразованием строятся в основном по двум типам структурных схем: с использованием программирующего устройства и цифрового счетчика. В них измеряемое напряжение уравновешивается дискретно-изменяющимся компенсирующим образцовым напряжением. На рис. 3,а,б показаны эти структурные схемы.
Рассмотрим работу вольтметра, построенного по схеме с цифровым счетчиком (рис. 3,б). Тактовые импульсы поступают на цифровой счетчик через управляющее устройство, определяющее порядок заполнения ячеек. Счетчик изменяет состояние элементов преобразователя кода и компенсирующее напряжение. Измеряемое напряжение, поступающее на устройство сравнения, сравнивается с компенсирующим напряжением. В зависимости от знака этой разности на выходе устройства сравнения управляющее устройство либо продолжает пропускать тактовые импульсы на счетчик, либо нет. Новый цикл измерений начинается с момента сбрасывания на нуль показаний счетчика. В этот же момент в исходное состояние приводится компенсирующее напряжение и на счетчик начинают поступать счетные импульсы.
ЛЕКЦИЯ 6 ИЗМЕРЕНИЕ ПОСТОЯННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
Электронные вольтметры постоянного напряжения
На рисунке 1 представлена структурная схема электронного вольтметра постоянного напряжения, имеющего чувствительность единицы микровольт.
Усилитель постоянного тока (УПТ), входящий в состав вольтметра, должен иметь стабильный коэффициент усиления и малый дрейф выходного напряжения. Это достигается применением усилителей, выполненных по мостовым схемам. Дестабилизирующие факторы действуют на обе половины моста одинаково и не вызывают дополнительного разбаланса моста. Отрицательная обратная связь делает работу усилителя стабильной, а его характеристику линейной в широких пределах.
При высокой чувствительности вольтметров для устранения дрейфа используются УПТ с конвертированием постоянного напряжения в переменное, амплитуда которого пропорциональна постоянному напряжению. Они построены по принципу уравновешивающего преобразования и работают в режиме неполного уравновешивания.
Входное устройство А1 обычно содержит интегрирующий фильтр для уменьшения влияния переменной составляющей, присутствующей во входном сигнале. УПТ (рис. 1) выполнен по схеме с конвертированием. Измеряемое постоянное напряжение преобразуется в переменное напряжение прямоугольной формы. Для этой цели на входе УПТ часто применяется последовательно-параллельный ключ на полевых транзисторах. Управляющее напряжение имеет обычно частототу 400 Гц и вырабатывается мультивибратором (G), собранным на интегральной схеме и формируется с помощью дифференциальных усилителей.
Переменное напряжение усиливается усилителем А2 и выпрямляется синхронным детектором U2. Через эмиттерный повторитель постоянное напряжение подается на магнитоэлектрический микроамперметр Р1. Усилитель охватывается глубокой отрицательной обратной связью. Для переключения пределов измерения предусмотрен делитель в цепи обратной связи, который собирается на прецизионных постоянных резисторах, т.е. путем изменения коэффициента усиления усилителя. Синхронный детектор U2 работающий по принципу удвоения напряжения, синхронизирован по фазе с сигналом на входе усилителя А2. В схеме синхронного детектора также применяются полевые транзисторы.
Основная погрешность микровольтметра составляет 1,5...6,0%. Источниками погрешности являются:
- погрешность образцовой аппаратуры, по которой производится градуировка;
- погрешность градуировки;
- случайная погрешность стрелочного прибора;
- нестабильность канала преобразования;
- неравномерность шкалы;
- возникновение паразитных термо-ЭДС, обусловленных изменением температуры в пределах нормальной области;
- наличие собственных шумов (сказываются на нижних пределах измерения).
По указанной структурной схеме реализованы серийно выпускаемые микровольтметры В2-11, В2-15, В2-25.
В некоторых случаях требуются вольтметры постоянного напряжения с очень большим входным сопротивлением (1010-1016 Ом). Тогда применяют электрометрические лампы, сеточные токи которых не превышают 10-15 А, а сопротивление утечки входной сетки не менее 1016 Ом. Усиление постоянного напряжения осуществляется с использованием конвертирования. Примером такого прибора может служить серийный электрометр ВК2-16. В качестве преобразователя постоянного напряжения в переменное используется динамический конденсатор.
В электронных вольтметрах меньшей чувствительности в УПТ вместо конвертирования применяются высокостабильные устройства с отрицательной обратной связью и операционные усилители.
Измерение переменных напряжений
Принцип работы электронного вольтметра переменного напряжения состоит в преобразовании переменного напряжения в постоянное, прямо пропорциональное соответствующему значению переменного напряжения, и измерении постоянного напряжения электромеханическим измерительным прибором либо цифровым вольтметром.
Измеряемое электронным вольтметром значение переменного напряжения определяется типом применяемого измерительного преобразователя переменного напряжения в постоянное. Рассмотрим устройство электронных вольтметров переменных напряжений, требования к отдельным элементам, особенности построения и их метрологические характеристики.
Вольтметры амплитудных значений
Отклонение указателя амплитудного вольтметра прямо пропорционально амплитудному (пиковому) значению переменного напряжения, независимо от формы кривой напряжения. Таким свойством не обладает ни одна из систем электромеханических измерительных приборов. В электронных вольтметрах амплитудного значения используются пиковые детекторы с открытым и закрытым входом.
Амплитудные вольтметры обладают большим диапазоном рабочих частот (от десятков герц до 1...2 ГГц) благодаря тому, что преобразование осуществляется непосредственно на входе прибора. Амплитудный детектор конструктивно размещается в выносном пробнике, благодаря чему удается уменьшить влияние паразитных параметров вольтметра, вывести резонансную частоту входной цепи за пределы диапазона частоты вольтметра.
Необходимая чувствительность (нижний предел измеряемых напряжений - единицы милливольт) достигается применением после детектора УПТ с большим коэффициентом усиления.
На рис. 2 показана упрощенная структурная схема амплитудного вольтметра с закрытым входом, построенного по схеме уравновешивающего преобразования.
Измеряемое напряжение Ux подается через входное устройство на вход пикового детектора с закрытым входом (VD1, С1, R1). На идентичный детектор (VD2, С2, R2) подается компенсирующее напряжение с частотой около 100 кГц, сформированное в цепи обратной связи. Постоянные напряжения, равные амплитудным значениям измеряемого сигнала и компенсирующего напряжения сравниваются на резисторах R1,R2. Следует отметить, что при малых напряжениях детекторы будут работать в квадратичном режиме, что приведет к погрешности вольтметра амплитудного значения.
Разностное напряжение подается на УПТ A1 с высоким коэффициентом усиления. Если напряжение на выходе УПТ имеет положительную полярность, что свидетельствует о превышении напряжения сигнала над компенсирующим или об отсутствии последнего, запускается ранее запертый генератор-модулятор, и компенсирующее напряжение поступает через делитель обратной связи на детектор VD2, R2, С2. Генератор-модулятор представляет собой генератор, собранный по емкостной трехточечной схеме, усилитель и эмиттерный повторитель.
Превышение компенсирующего напряжения над измеряемым приводит к запиранию генератора-модулятора. Выходное напряжение с амплитудой, пропорциональной амплитуде измеряемого напряжения и частотой 100 кГц, подается на детектор средневыпрямленного напряжения U1 и измеряется магнитоэлектрическим вольтметром PV1.
Важным требованием является идентичность передаточных характеристик детекторов сигнала и компенсирующего напряжения. Только при одинаковых характеристиках равенство выходных напряжений детекторов будет свидетельствовать о равенстве входных напряжений.
В установившемся режиме на резисторах R1 и R2 образуется некоторая разность напряжений и равна
(1)
где К и в - коэффициенты передачи цепи прямого преобразования и обратной связи.
В данной схеме в цепь прямого преобразования входят УПТ, генератор-модулятор, в цепь обратного - делитель в цепи обратной связи и детектор компенсирующего сигнала. Таким образом, для обеспечения высокой точности уравновешивания коэффициент усиления УПТ и генератора-модулятора должен быть достаточно высок.
Составляющими погрешности являются: погрешность образцовых средств при градуировке, случайная погрешность измерения постоянного напряжения магнитоэлектрическим прибором, погрешность, обусловленная нестабильностью коэффициента передачи цепи обратной связи и коэффициента передачи детектора средневыпрямленного значения, неидентичность характеристик детекторов, неуравновешенность схемы.
По подобной схеме работают выпускаемые промышленностью серийные амплитудные милливольтметры В3-6, В3-43. Основная погрешность на частотах до 30 МГц составляет 4...6%, на частотах до 1 ГГц - 25%. Шкалы амплитудных вольтметров градуируются в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения. Недостатком является большая погрешность при измерении напряжений с большим уровнем гармонических составляющих.
ЛЕКЦИЯ 7 ВОЛЬТМЕТРЫ СРЕДНЕВЫПРЯМЛЕННЫХ И СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКИХ ЗНАЧЕНИЙ
Вольтметры среднеквадратических значений
Измерение среднеквадратического значения переменного напряжения требует применения измерительного преобразователя переменного напряжения в постоянное, имеющего квадратичную характеристику. Тогда если это постоянное напряжение подать на магнитоэлектрический вольтметр, то его показания будут пропорциональны квадрату среднеквадратического значения. Если при градуировке шкалы провести операцию извлечения корня, то показания вольтметра будут пропорциональны среднеквадратическому значению.
Подобные документы
Критерии грубых погрешностей. Интервальная оценка среднего квадратического отклонения. Обработка результатов косвенных и прямых видов измерений. Методика расчёта статистических характеристик погрешностей системы измерений. Определение класса точности.
курсовая работа [112,5 K], добавлен 17.05.2015Методика измерений и обработки результатов, принципы взвешивания. Вычисление систематических и случайных погрешностей. Проверка сходимости и воспроизводимости результатов измерений, полученных при взвешивании на аналитических и технохимических весах.
лабораторная работа [43,2 K], добавлен 16.10.2013Средства измерений и их виды, классификация возможных погрешностей. Метрологические характеристики средств измерений и способы их нормирования. Порядок и результаты проведения поверки омметров, а также амперметров, вольтметров, ваттметров, варметров.
курсовая работа [173,0 K], добавлен 26.02.2014Изучение кинематики материальной точки и овладение методами оценки погрешностей при измерении ускорения свободного падения. Описание экспериментальной установки, используемой для измерений свободного падения. Оценка погрешностей косвенных измерений.
лабораторная работа [62,5 K], добавлен 21.12.2015Измерение физических величин и классификация погрешностей. Определение погрешностей при прямых и при косвенных измерениях. Графическая обработка результатов измерений. Определение отношения удельных теплоемкостей газов методом Клемана и Дезорма.
методичка [334,4 K], добавлен 22.06.2015Обеспечение единства измерений и основные нормативные документы в метрологии. Характеристика и сущность среднеквадратического отклонения измерения, величины случайной и систематической составляющих погрешности. Способы обработки результатов измерений.
курсовая работа [117,3 K], добавлен 22.10.2009Общие свойства средств измерений, классификация погрешностей. Контроль постоянных и переменных токов и напряжений. Цифровые преобразователи и приборы, электронные осциллографы. Измерение частотно-временных параметров сигналов телекоммуникационных систем.
курс лекций [198,7 K], добавлен 20.05.2011Суть физической величины, классификация и характеристики ее измерений. Статические и динамические измерения физических величин. Обработка результатов прямых, косвенных и совместных измерений, нормирование формы их представления и оценка неопределенности.
курсовая работа [166,9 K], добавлен 12.03.2013Расчет среднеарифметического значения и среднеквадратического отклонения результатов наблюдений. Расчет коэффициентов корреляции результатов, инструментальных погрешностей, среднего значения величины косвенного измерения, абсолютных коэффициентов влияния.
курсовая работа [108,9 K], добавлен 08.01.2016Классификация средств измерений и определение их погрешностей. Рассмотрение законов Ньютона. Характеристика фундаментальных взаимодействий, сил тяготения и равнодействия. Описание назначений гравиметров, динамометров, прибора для измерения силы сжатия.
курсовая работа [323,0 K], добавлен 28.03.2010
