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.

Московский государственный университет сервиса

поволжский технологический институт сервиса

Кафедра «Сервис бытовой РЭА»

Ю.Г. Тетенькин

Учебное пособие

по дисциплине

«Метрология и радиоизмерения»

для студентов дневной и заочной форм обучения

специальности 2302.00 «Сервис бытовой РЭА»

Одобрено учебно-методическим советом института

Тольятти 2005г.

Метрологические основы измерений в радиотехнике

1. Понятие об измерениях. Термин о логия и определения

Измерения - это познавательный процесс, заключающийся в сравнении опытным путём измеряемой величины с некоторым её значением принятым за единицу измерения. Этот процесс можно разбить на несколько этапов:

- воспроизведение единицы физической величины (метр, Герц, Ом и пр.);

- преобразование измеряемой величины (для величин у которых воспроизведение меры затруднительно, например, при измерении температуры возможны следующие преобразования: температура- сопротивление- напряжение);

- непосредственное сравнение измеряемой величины с единицей воспроизводимой меры;

- фиксация результата измерения в виде числа.

Электрорадиоизмерения, как и другие виды измерений, основаны на метрологии - науке об измерениях, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. В РФ как и в других странах существует развитая метрологическая служба, которая решает основные задачи:

- испытание новых типов приборов,

- надзор за состоянием и правильным использованием измерительной техники в народном хозяйстве.

Основные термины и определения теории и практики измерений даны в ГОСТ 16263- 70 "Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Термины и определения".

Метрологические характеристики средств измерений - это характеристики свойств средств измерений, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений. К нормируемым метрологическим характеристикам средств измерений относят погрешность прибора, пределы измерений, цену деления шкалы или единицы младшего разряда, входное сопротивление, рабочий диапазон частот и пр. Технические средства измерения, имеющие нормированные метрологические характеристики, называют средствами измерений.

В зависимости от назначения средства измерения делят на три разновидности:

Средства измерений, в виде тела или устройства, предназначенные для хранения и (или) воспроизведения физической величины данного размера, называются мерой (например, кварцевый генератор - мера частоты электрических колебаний, нормальный элемент- мера напряжения).

Измерительный преобразователь - это средство измерений, вырабатывающее сигнал измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования или хранения, но неподдающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Измерительный прибор - это средство измерения, вырабатывающее сигнал измерительной информации в форме, доступной для непосредственного наблюдения оператором.

Из данных определений следует, что основное отличие измерительного прибора от измерительного преобразователя заключается в наличии устройства визуального отображения информации.

Следует различать два понятия "проверка " и "поверка" средств измерений. Первый термин обеспечивает оценку приборов с точки зрения их работоспособности (наличие выходных сигналов, возможности их регулировки, качество работы АРУ и т.д.), второй - позволяет оценить метрологические характеристики приборов и соответствие их сопроводительной технической документации (класс точности, погрешности измерения, диапазон регулировки, входное сопротивление и пр.).

В зависимости от метрологических функций средства измерений можно разделить на эталоны, образцовые средства измерений и на рабочие средства измерения.

Эталоном физической величины называется средство измерений, обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы с целью передачи её размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и официально утверждённое в качестве эталона.

Различают: (первичный эталон, вторичный эталон, государственный эталон, эталон свидетель, эталон копия, рабочий эталон.).

Образцовые средства измерения - это средства измерения, служащие для поверки по ним других средств измерений и утверждённые в качестве образцовых.

Рабочие средства измерения- это средства измерения, не связанные с поверкой (передачей размера единиц). К ним относятся все приборы, используемые в повседневной практике.

Упрощенная поверочная схема представлена на рис.1.

Образцовые меры

Эталон-свидетель

Эталон-копия

Рабочий эталон

1го разряда

2го разряда

3го разряда

4го разряда

Первичный эталон

Вторичный эталон

Наивысшей точности

Высшей точности

Высокой точности

Средней точности

Низшей точности

Рабочие меры и приборы

В результате практической работы встречаются со следующими видами измерений:

Прямые измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Например, измерение напряжения или тока.

Косвенные измерения - это измерения, в которых измеряемая величина определяется как функция результатов других прямых измерений. Например, измерения коэффициента усиления, мощности, входного сопротивления, емкости.

Совокупные измерения - здесь измеряемая величина определяется при повторных измерениях различных сочетаний одной и той же физической величины с решением системы уравнений, составляемых по частным результатам измерений. Например, определение взаимоиндуктивности между катушками путем двукратного измерения их общей индуктивности.

Совместные измерения - это измерения нескольких неоднородных величин с целью определения зависимости между ними.

Например, определение температурных коэффициентов терморезистора при

предусматривает измерение сопротивления и температуры.

Следует отметить, что на практике наиболее часто встречаются первые два вида измерений.

Метод измерения - совокупность приемов использования принципов (физических явлений, на которых основано данное измерение) и средств измерений.

Классификация методов измерений

Метод непосредственной оценки - размер измеряемой физической величины определяется непосредственным сравнением с воспроизводимой мерой.

Метод сравнения. Этот метод реализуется следующими системами:

Дифференциальный метод - измеряемая величина определяется по разности между измеряемой величиной и мерой (неуравновешиваемые мосты).

Нулевой метод (метод компенсации) - результирующий эффект сравнения доводят до нуля соответствующим изменением размера величины, воспроизводимой мерой (уравновешиваемые мосты).

Метод замещения - измеряемую величину замещают воспроизводимой мерой, равной измеряемой величине, что определяется по сохранению режима в измеряемой цепи (измерение сопротивления магнитной головки магнитофона).

Метод совпадений - значение измеряемой величины определяют по совпадению признаков, относящихся к измеряемой и известной величинам (отметок шкалы, сигналов и других признаков).

2. Единицы измерений

Единица измерения - это такое значение физической величины, которому присвоено числовое значение равное 1.

В СССР с 1 января 1980г. введён в действие СТ СЭВ 1052 - 78 "Метрология. Единицы физических величин", которым установлено обязательное применение Международной системы единиц SI (СИ- принята в 1960г. XI Генеральной ассамблеей по мерам и весам).

Система единиц СИ построена на 7 основных единицах.

		Килограмм
		Секунда
Сила тока
Термодинамическая температура		Кельвин
Сила света		Кандела
Количество вещества
и 2х дополнительных:
Плоский угол
Телесный угол		Стерадиан

В радиотехнике так же широкое применение находят и внесистемные безразмерные логарифмические единицы. Они служат для оценки усиления, ослабления, отражения и других характеристик радиотехнических устройств.

Единица, основанная на применении десятичного логарифма (lg) называется децибел, единица, основанная на применении натурального логарифма (ln)- Непер.

При измерении мощности

при измерении напряжений

Размещено на http://www.allbest.ru/

В радиоизмерениях применяются следующие виды уровней сигналов:

Абсолютно нулевые уровни - это уровни принятые за начало отсчёта. За абсолютно нулевой уровень по мощности принят 1мВт на сопротивлении R0 = 600 Ом. Используя зависимость Р от I и U можно определить абсолютно нулевые уровни тока и напряжения:

Таким образом, абсолютно нулевой уровень на сопротивлении обеспечивается при и.

Абсолютные уровни - это уровни в произвольной точке цепи, относительно абсолютных нулевых уровней.

Относительные уровни - это уровни, отсчитанные от начальных, принятых за начало отсчёта. Например, усилительного каскада по напряжению составляет 40 дБ, что обеспечивает усиление

Другими словами

Измерительные уровни - это абсолютный уровень в любой точке цепи, если на его вход подан нулевой уровень по напряжению.

3. Особенности электрорадиоизм е рений

Название электрорадиоизмерения (электронные измерения) отражает два обстоятельства:

Целевое назначение - измерения в электронике и других областях, использующих электронные устройства и системы:

Выполнение измерений на основе методов электронной техники и радиотехники, построение измерительных приборов на основе электронных компонентов.

Измерения в процессе производства и ремонта РЭА можно разделить на следующие основные группы:

Измерения параметров сигналов

Измерения величин, характеризующих условия передачи сигналов

Измерения параметров отдельных элементов РЭА

Измерение характеристик, определяющих свойства аппаратуры и её трактов

Поверка средств измерений

Определение характера и места повреждений.

Электрорадиоизмерения обладают рядом существенных особенностей по сравнению с другими видами измерений:

Большое число измеряемых параметров,

Широкий диапазон используемых частот (от 10-3- геология, медицина до 1010- спутниковое телевидение);

Большой диапазон измеряемых величин (емкость 10-12-102Ф, сопротивление 10-3- 1014Ом);

Высокая точность и быстродействие;

Малый отбор мощности от объекта измерения;

Удобство визуального отсчета и относительная простота использования средств вычислительной техники для улучшения качества измерений.

Все измерения при производстве и ремонте РЭА можно условно разделить на:

Лабораторные измерения (при разработке и исследовании новых процессов и устройств)

Эксплутационные и приёмосдаточные (на заводах) измерения

Измерения в процессе ремонта РЭ

Поверка измерительных приборов и мер.

Погрешности измерений

1. Классификация погрешностей

Отклонение результата измерения от истинного значения называют погрешностью измерения.

Погрешности измерения можно классифицировать по различным признакам.

В соответствии со слагаемыми процесса измерения различают:

- погрешность воспроизведения меры,

- погрешность воспроизведения,

- погрешность сравнения,

- погрешность фиксации результата.

В зависимости от источника возникновения погрешности измерений делят на:

- методическую погрешность - обусловленную несовершенством метода измерения (измерение сопротивления с помощью делителя напряжения)

- аппаратурную (инструментальную) погрешность - обусловленную влиянием применяемых средств измерения. Зависит от схемы включения и качества измерительных приборов (преобразователей)

- внешнюю погрешность - обусловленную внешними по отношению к прибору воздействиями

- субъективную погрешность - зависит от особенностей экспериментатора

В соответствии с условиями применения средств измерения разделяют на:

- основную погрешность, которая имеет место при нормальных условиях эксплуатации, оговоренных в ГОСТе или в технических условиях (ТУ) на средство измерения.

- дополнительную погрешность, которая появляется при отклонении условий эксплуатации средств измерений от нормальных, соответствующих ТУ или ГОСТ.

По закономерности появления различают:

Систематическую погрешность - это погрешность, которая остается постоянной (по величине и знаку) или проявляющуюся с определённой закономерностью при повторных измерениях одной и той же величины. Способ борьбы с систематической погрешностью - устранение источника погрешности, предварительное их изучение и введение поправок. Поправка - это величина погрешности с противоположным знаком.

- случайные погрешности - это погрешности, которые изменяются случайным образом при повторных измерениях одного и того же значения физической величины. Их характеризуют вероятностными характеристиками. Способ борьбы - статистическая обработка результатов измерения, например, усреднение.

- грубые погрешности (промахи) - их отбрасывают и не учитывают. Способ борьбы - применение "закона 3у".

По способу выражения различают следующие разновидности погрешностей измерений:

- абсолютная погрешность измерения

где - измеренное значение, - истинное значение измеряемой величины.

- относительная погрешность измерения

2. Погрешности электроизмер и тельных приборов

По способу выражения в измерительных приборах различают абсолютную, относительную и приведённую погрешности. Первые две погрешности аналогичны рассмотренным выше:

- абсолютная погрешность прибора Д=Хп -Х. Здесь - показание прибора, Х- истинное значение измеряемой величины;

Относительная погрешность определяется как

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Поскольку часто истинное значение неизвестно, то часто используют более удобную запись

Приведённая погрешность - есть выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению L (выбор L регламентируется ГОСТ 13600-68):

Для приборов с нулевой отметкой на краю или вне шкалы нормирующее значение L равно конечному значению диапазона измерений Хк. Если нулевая отметка находится посредине шкалы, то L равно арифметической сумме конечных значений шкалы без учёта знака.

У реальных приборов зависимость абсолютной погрешности от измеряемой величены Х может быть представлена некоторой полосой неопределённости. Эта полоса обусловлена случайной погрешностью и изменением характеристик приборов в результате действия влияющих величин и процессов старения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Поэтому значение абсолютной погрешности, ограничивают двумя прямыми, симметричными относительно оси абсцисс, расстояние между которыми увеличивается с ростом измеряемой величины Х.

Уравнение прямой 1 можно записать в виде:

где а - предельное значение аддитивной погрешности, bx - предельное значение мультипликативной погрешности.

Абсолютные значения аддитивной погрешности не зависят от измеряемой величины Х, а мультипликативные прямо пропорциональны величине Х.

Источники аддитивной погрешности - это трение в опорах, неточность отсчёта, шум, наводки, вибрации. От этой погрешности зависит наименьшее значение величины, которое может быть измерено прибором. Причины мультипликативной погрешности - влияние внешних факторов и старение элементов, узлов приборов.

Предельное значение относительной погрешности прибора, связано с предельным значением абсолютной погрешности зависимостью

Согласно ГОСТ в соответствии со значением приведённой погрешности средствам измерений присваиваются классы точности.

Класс точности - это обобщённая характеристика прибора, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей.

У приборов, аддитивная погрешность которых резко преобладает над мультипликативной, все значения погрешностей оказываются в пределах двух прямых параллельных оси Х (прямые 2) рис.2.

В результате допускаемая абсолютная и приведённые погрешности прибора оказываются постоянными в любой точке его шкалы. У таких приборов класс точности равен максимальному значению приведенной погрешности, выраженной в процентах и округленной до ближайшего большего значения из ряда чисел: ;; ; ; ; ; , где Например, классы точности на амперметры и вольтметры, установленные ГОСТ 8711-78: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0 и 5,0.

У приборов, класс точности которых выражается одним числом, основная приведённая погрешность, выраженная в %, не превышает значения, соответствующего класса точности.

Класс точности приборов, у которых аддитивная и мультипликативная составляющие основной погрешности соизмеримы, обозначается в виде двух чисел разделённых косой чертой, например 0,1/0,05. К приборам, класс точности которых выражается дробью относятся цифровые приборы, мосты сравнения и т.д.

Предельное значение основной относительной погрешности прибора, выраженное в процентах, в этом случае может быть определено по формуле:

Здесь Ак - конечное значение диапазона измерений (предел измерений), Ах- измеренное значение.

3. Случайные погрешности

Случайные погрешности - это погрешности, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Их нельзя исключить опытным путём, т.к. они происходят от одновременного влияния на результат измерения ряда величин случайного характера (внешних воздействий). Кроме этого, в случайную погрешность входят и случайные погрешности средств измерений.

Уменьшение влияния случайных погрешностей на результат измерений достигается путём усреднения многократных измерений величины в одинаковых условиях.

Из теории вероятностей известно, что наиболее полно случайные величины описываются законами распределения вероятностей. В практике электрических измерений одним из наиболее распространённых законов является нормальный закон (распределение Гаусса).

Функция распределения для нормального закона (рис.3) выражается зависимостью

где - функция распределения плотности вероятности случайной погрешности

у- среднеквадратическое отклонение,

D=у2 - дисперсия, характеризующая рассеивание случайной погрешности относительно центра распределения.

График показывает, что чем меньше у, тем чаще встречаются погрешности малой величины (тем точнее выполнены измерения).

В общем случае вероятность появления погрешности со значением от до определяется площадью заштрихованного участка на рис.3 и может быть вычислена по формуле:

Следует учесть, что эта функция нормирована, т.е.

поэтому кривые у1 и у2 всегда имеют форму, обеспечивающую равенство 1 площадей под этими кривыми.

Интервал от до называется доверительным, а соответствующая вероятность - доверительной вероятностью. Следовательно, доверительный интервал- это интервал, в пределах которого находится искомая величина с вероятностью, называемой доверительной.

Если ввести нормированную случайную величину, то правая часть преобразуется в функцию Лапласа, часто называемую интегралом вероятности:

Он табулирован и его график представлен на рис.4

Размещено на http://www.allbest.ru/

Если задана некоторая вероятность, то найдя можно определить погрешность по формуле. Эта погрешность и будет определять величину доверительного интервала.

Табулированные значения функции показывают, что вероятность появления погрешности Д в интервале от до составляет 0,9973. Вероятность появления погрешности большей чем равна (1 - 0,9973) = 0,0027 ? 1/370. Это означает, что только одна из 370 погрешностей (т.е. примерно 0,3% их числа) будет больше по абсолютному значению.

Погрешность принимают за максимальную погрешность. Погрешности больше, считаются промахами и при обработке результатов измерений не учитываются (отбрасываются). Часто это условие называют "законом 3у", т.е. если выполняется условие

то считается, что в этом случае в результатах измерений промахов нет (с вероятностью 0,3%).

Статистическая обработка результатов измерений

Числовые вероятностные характеристики погрешностей определяются при бесконечном числе опытов. В практике измерений n всегда конечно, поэтому пользуются статистическими числовыми характеристиками, которые называют оценками характеристик. Чтобы подчеркнуть различие между формулами вероятностных характеристик и их оценок, последние отмечают знаком " ? ".

Для решения многих задач не требуется знания функции и плотности распределения вероятностей, а вполне достаточными характеристиками случайных погрешностей служат их простейшие числовые характеристики: математическое ожидание m (истинное значение) и среднеквадратическое отклонение (дисперсия), характеризующее точность измерений. Если же известно, что распределение погрешностей гауссовское, то эти величины являются исчерпывающими характеристиками.

Рассмотрим алгоритм статистической обработки результатов измерений некоторой физической величины (например, напряжения, тока, сопротивления и т.д.).

Производят n однократных равноточных измерений в результате которых получают ряд случайных значений х1, х2,…, хi,.., хn. Требуется определить, в каких пределах находится истинное значение измеряемой величины.

1. За оценку математического ожидания (истинного значения) принимают среднее арифметическое значение:

2. Оценка среднеквадратического отклонения абсолютных отклонений каждого из измерений определяется по формуле:

где - абсолютное отклонение (погрешность) отдельного i-го измерения.

Для того, чтобы убедиться в отсутствии промахов, используем "закон 3у1". Выбрав из n значений Дi наибольшее, проверим выполнение соотношения (2). Если соотношение не выполняется, то результат(ы) измерения, соответствующий выбранной Дi исключается и повторяются п.п.1,2.

3. Погрешность усредненного результата n измерений будет ниже, т.к. часть погрешностей Дi взаимоуничтожится. Она характеризуется оценкой среднеквадратического отклонения среднего арифметического значения

4. Задавшись доверительной вероятностью Р, определим доверительный интервал, в пределах которого находится истинное значение измеряемой величины. Для нормального закона распределения доверительный интервал по заданной доверительной вероятности (и наоборот) определяется при помощи таблицы интеграла вероятности Ф(Z)=Р. Границы доверительного интервала можно вычислить по формуле

In = хср Д = хср z

Таким способом вычисляется доверительный интервал лишь тогда, когда имеется априорная информация о гауссовском характере распределения результатов измерения. При малом числе измерений n? 15 доверительный интервал определяется не через, а через tnб - параметр распределения Стьюдента. Это распределение зависит только от числа измерений n, но не от значений хср и.

Задавшись доверительной вероятностью б и зная n по таблицам можно определить коэффициент. Далее по коэффициенту и по величине можно определить ширину доверительного интервала Д:

Границы доверительного интервала определяются по формуле

In = хср Д = хср

Из сравнения двух вариантов определения доверительного интервала видно, что при малом количестве измерений распределение Стьюдента несколько расширяет интервал, в пределах которого может находиться истинное значение величины х. При n=15 и более, величины доверительных интервалов сравниваются и вычисления можно проводить любым способом.

4. Суммирование погрешностей

Очень часто стоит задача определения суммарной погрешности прибора, состоящего из нескольких блоков.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рассмотрим самый общий случай, когда каждый из блоков обладает как систематической, так и случайной погрешностью.

Систематические погрешности суммируются алгебраически с учётом их знаков, при этом суммарная погрешность является модулем полученной суммы

Случайная погрешность измерительного устройства, состоящего из блоков с независимыми случайными погрешностями каждого блока, находится путём геометрического сложения

При наличии случайных и систематических погрешностей общая погрешность измерения находится как их геометрическая сумма

Допускается исключение из рассмотрения так называемой ничтожной погрешности, которой называется слагаемое (слагаемые) со значением, меньшим 30% суммарной погрешности.

Измерение тока и напряжения

1. Характеристики измеряемых величин. Методы измер е ния

Напряжение постоянного тока и постоянный ток характеризуются величиной и полярностью.

Переменный ток и напряжение промышленной частоты имеют синусоидальную форму и характеризуются следующими значениями:

Мгновенным значением.

Максимальным (амплитудным, пиковым) значением.

Постоянной составляющей.

Средневыпрямленным значением,.

Среднеквадратическим (действующим, эффективным) значением, .

Мгновенное значение тока (напряжения) - это значение сигнала в заданный момент времени Оно может наблюдаться на осциллографе и быть вычислено по осциллограмме для каждого момента времени.

Максимальным значением напряжения (тока) называют наибольшее мгновенное значение напряжения на протяжении периода Т.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пиковое отклонение “вверх” и “вниз” - это соответственно наибольшее и наименьшее мгновенные значения переменной составляющей сигнала на протяжении заданного периода Т.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разность между максимальным и минимальным значениями сигнала на протяжении заданного периода называется "размахом" напряжения

Постоянная составляющая (среднее значение) напряжения (тока) является среднеарифметическим мгновенных значений на протяжении периода Т.

Величину постоянной составляющей сигнала за период можно найти и графически. Для этого необходимо из площади, находящейся над осью абсцисс, вычесть площадь под осью абсцисс и полученную разность разделить на период. Иначе: ось времени надо переместить так, чтобы площади, занимаемые кривой напряжения над и под осью абсцисс, были равными.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Отсюда следует, что у всех электрических сигналов, симметричных относительно оси абсцисс (например, синусоидальный сигнал), постоянная составляющая равна 0.

Пример 1. Определить постоянную составляющую сигнала (напряжения), приведенного на рисунке

Размещено на http://www.allbest.ru/

а) используем графический способ: размах амплитуды сигнала составит. Учитывая, что для "синуса" размах, получим,

Следовательно постоянная составляющая сигнала равна, а функция имеет вид

б) определим расчётным путём:

т.к. интеграл от синуса любого угла за период равен нулю, получим

Средневыпрямленное значение - определяется как среднее арифметическое из модуля мгновенных значений

При однополярных напряжениях постоянная составляющая равна средневыпрямленному значению (см. ф-лы 3 и 4). Для разнополярных напряжений эти два параметра различны. Так известно, что для гармонического напряжения. Рассчитаем для такого сигнала:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Следовательно, для гармонического сигнала при двухполупериодном выпрямлении

Среднеквадратическим (действующим) значением напряжения является корень квадратный из среднего значения квадрата мгновенных значений

Подставляя в формулу (5) и используя подстановку можно получить для гармонического сигнала

Связь между амплитудой (максимальным значением) и среднеквадратическим значением при любой форме изменения мгновенных значений определяется формулой

где - коэффициент амплитуды. Для синусоидального напряжения.

Между среднеквадратическим и средневыпрямленным значениями напряжения существует связь

Коэффициент формы. Для синусоидального напряжения можно получить

Подставляя в формулу (7) формулу (6) получим зависимость между амплитудным и средневыпрямленными значениями гармонического сигнала

При определении среднеквадратического напряжения для сигналов несинусоидальной формы пользуются той же формулой (5) подставляя в качестве подынтегральной функции заданную форму напряжения.

Однако, для определения среднеквадратичного значения можно заданное напряжение разложить в ряд Фурье, определив среднеквадратическое значение каждой гармоники Ui и постоянную составляющую U0. Тогда среднеквадратическое значение несинусоидального напряжения Uск составит

Средневыпрямленное значение находят по формуле (4), а максимальное значение по формулам (6) и (8).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для некоторых часто встречающихся форм напряжения известны и табулированы их значения и. Например, для напряжения пилообразной формы можно получить при подстановке u(t)=t:

Пример 2. Рассмотрим определение значений Uск, для импульсных напряжений:

Размещено на http://www.allbest.ru/

где - скважность импульсов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

подставляя Um=Uск, получим

Следовательно, постоянная составляющая равна или

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для импульсных однополярных сигналов

2. Общие свойства электромехан и ческих приборов

Любой электромеханический прибор состоит из 2х узлов - из измерительного преобразователя и измерительного механизма.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Измерительный преобразователь преобразует измеряемую величину Х в некоторую промежуточную электрическую величину Y , связанную с Х известной функциональной зависимостью.

Измерительный механизм является преобразователем подведённой к нему электрической энергии в механическую, необходимую для перемещения его подвижной части относительно неподвижной.

В зависимости от вида преобразователя различают приборы, которые условно обозначают следующим образом:

Размещено на http://www.allbest.ru/

- магнитоэлектрическая система

Размещено на http://www.allbest.ru/

- электромагнитная система

Размещено на http://www.allbest.ru/

- электродинамическая система

Размещено на http://www.allbest.ru/

- электростатическая система.

Любой механизм измерительной системы состоит из подвижной и неподвижной части, на которые действуют механические силы, пропорционально измеряемой величине. Эти силы создают вращающий момент М, поворачивающий подвижную систему в сторону возрастающих показаний указателя (стрелки).

где Wэ - полная энергия, сосредоточенная в измерительном механизме,

- угол отклонения стрелки.

В общем случае

Под действием вращающего момента М стрелка отклоняется. Для того, чтобы каждому значению измеряемой величины соответствовало лишь одно значение указателя в измерительном механизме создаётся противодействующий момент, направленный навстречу вращательному моменту. Противодействующий момент можно получить за счёт механических (обычно это специальные спиральные пружинки, служащие так же в качестве токоподвода) или электрических сил.

Механический противодействующий момент равен

где W - удельный противодействующий момент, зависящий от свойств упругого элемента.

Стрелка прибора прекращает своё движение когда наступает равенство моментов. В некоторых приборах - создаётся за счёт сил электрического происхождения, такие приборы называют логометрами.

В любом измерительном приборе имеется ещё устройство, предназначенное для ускорения процесса затухания колебаний подвижной части прибора. Это устройство создаёт момент ускорения:

где р - коэффициент успокоения, зависящий от типа и конструкции успокоителя,

- угловая скорость перемещения подвижной части.

Наиболее распространёнными на практике являются воздушные, жидкостные и индукционные успокоители.

Для оценки качеств электроизмерительных приборов вводят следующие параметры:

Чувствительность прибора - это способность прибора реагировать на изменение измеряемой величины. Она оценивается отношением изменения величины на выходе прибора к изменению величины Х на входе

Если шкала равномерная, то

Различают чувствительность по току, по напряжению и по мощности. Величина обратная чувствительности прибора называется постоянной прибора С.

где n - число делений шкалы прибора.

Точность прибора характеризуется величинами (абсолютная погрешность), (относительная погрешность), (приведенная погрешность), К (класс точности).

Собственное потребление энергии - это параметр, характеризующий способность прибора потреблять мощность от источника измеряемого сигнала. На практике эта мощность находится в пределах от 10-11 до 10-5 Вт.

Время упокоения - это время от момента включения измеряемой величины до момента, когда колебания стрелки указателя не будут превышать значение абсолютной погрешности. Для всех приборов.

Прборы магнитоэлектрической системы

Приборы магнитоэлектрической (МЭ) системы основаны на взаимодействии поля постоянного магнита с полем контура с током.

Они могут быть двух типов:

Размещено на http://www.allbest.ru/

- с подвижной рамкой

Размещено на http://www.allbest.ru/

- с подвижным магнитом

Первые обладают лучшей точностью и большей чувствительностью. Вторые - проще надёжнее и дешевле. На практике большее распространение получили приборы МЭ системы с подвижной рамкой (рис.5).

Полная энергия, сосредоточенная в измерительном механизме состоит из энергии поля постоянного магнита, энергии катушки с током и энергии взаимодействия поля магнита с катушкой с током, где - потокосцепление, равное произведению числа силовых линий, пересекаемых обеими сторонами катушки при её повороте на угол, на число её витков n:

где В - магнитная индукция (Тл), S - площадь обеих сторон катушки (м2). Таким образом, полная энергия механизма будет равна

Ранее было показано, что вращающий момент равен. Дифференцируя (9), получим М=В·s·n·I. Также уже было отмечено, что подвижная система поворачивается до тех пор пока не наступит равенство вращающих и противодействующих моментов. Рассмотрим три случая.

Через прибор протекает постоянный ток.

Учитывая, что противодействующий момент, получим. Решая это равенство относительно угла поворота стрелки б можно определить уравнение шкалы прибора МЭ системы

где - чувствительность прибора по току

Отсюда видно, что шкала прибора равномерная, а отклонение указателя зависит от направления протекания тока.

Для регулирования угла отклонения механизма применяют магнитный шунт.

Пластинка, через которую проходит часть магнитного потока, изготовлена из магнитомягкого материала. Перемещая её можно регулировать ответвляющийся в магнитный шунт поток и тем самым менять индукцию в воздушном зазоре прибора.

Успокоение подвижной системы МЭ приборов магнитоиндукционное, без применения специальных устройств. Момент магнитоиндукционного успокоения возникает в результате взаимовоздействия магнитного потока с токами Фуко, возникающими в алюминиевом каркасе катушки.

Рассмотрим второй случай, когда измеряемый ток имеет синусоидальную форму

В этом случае мгновенное значение вращающего момента

Среднее же значение вращающего момента за период равно

Следовательно, приборы МЭ системы при включении их в цепь синусоидального тока показывают нуль.

Случай когда к прибору подводят сложный переменный сигнал, содержащий постоянную составляющую

При подведении к прибору МЭ системы переменного сигнала прибор измеряет постоянную составляющую этого сигнала (или среднее значение).

Приборы МЭ системы являются интеграторами, т.к. выполняют операцию усреднения

Достоинства приборов МЭ системы:

Высокая чувствительность (до 3?10-11А).

Высокая точность (до класса точности 0,05).

Хорошая защищённость от внешних магнитных полей, т.к. собственная индуктивность между близко расположенными полюсами постоянного магнита велика и составляет 0,15 - 0,3 Тл.

Малое потребление мощности от измеряемой цепи (10-5-10-6 Вт) .

Малые габариты.

К недостаткам приборов МЭ системы можно отнести:

Прибор не защищен от перегрузок.

Измеряет только постоянную составляющую сигнала (среднее значение), и не позволяет измерять переменные сигналы.

Повышенная чувствительность к температуре окружающей среды.

Область применения.

Амперметры и вольтметры для измерения тока и напряжения в цепях постоянного тока. В сочетании с различными преобразователями могут работать и в цепях переменного тока. На базе МЭ системы создаются омметры, образцовые лабораторные и рабочие средства измерения. высокочувствительные гальванометры.

Приборы электромагнитной си с темы

Приборы электромагнитной (ЭМ) системы основаны на взаимодействии магнитного поля соленоида или катушки с подвижным сердечником из ферромагнитного мат ериала.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.6

I. Теория работы - выполнение условие равновесия

где - противодействующий момент.

Энергия механизма

Как и в предыдущем случае рассмотрим. несколько вариантов.

Измерение постоянного тока I0. В этом случае имеем вращающий момент равен

а противодействующий

.

Шкала прибора квадратичная, причём направление тока значение не имеет.

Подводимый ток синусоидальной формы.

В этом случае подвижная часть прибора вследствии своей инерционности будет реагировать на среднее значение. Тогда:

где I - среднеквадратичное значение тока.

Приборы ЭМ системы реагируют на среднеквадратичное значение и градуируются также в среднеквадратических значениях. Поэтому показания таких приборов не зависят от формы измеряемых сигналов.

Достоинства.

Простота конструкции и надежность.

Показания не зависят от формы сигнала.

Устойчивость к токовым перегрузкам.

Пригодность для работы на постоянном и переменном токах.

Недостатки.

Неравномерность шкалы (в начале сжата, в конце растянута).

Малая чувствительность.

Большая потребляемая мощность от измеряемой цепи (до 1Вт).

Низкая точность (вариация показаний, влияние температуры, частоты измеряемого тока).

Плохая защищённость от внешних магнитных полей из-за слабого внутреннего магнитного поля. Для защиты от внешних полей применяют два метода:

Экранирование магнитомягким железом (уменьшает влияние внешнего магнитного поля).

Астатирование. Идея метода состоит в применении 2х одинаковых узлов, создающих вращающий момент. Катушки узлов соединены последовательно, поэтому их магнитные поля противоположны. Внешний магнитный поток Ф складывается с магнитным потоком Ф1 первой катушки и вычитается из потока Ф2 второй катушки. В результате суммарный вращающий момент остаётся неизменным.

Область применения

Вследствие простоты, дешевизны они широко применяются для измерения токов и напряжений промышленной частоты (50 и 400Гц) с классом точности 1,5- 2,5. Наибольший класс точности достигаемый в лабораторных образцах составляет 0,5.

Приборы электродинамической системы

Принцип действия основан на взаимодействии магнитных полей неподвижной и по движной катушек, по которым протекают измеряемые токи.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.7

Уравнение шкалы выводится аналогичным образом из условия равновесия

где - взаимная индуктивность между катушками. Рассмотрим несколько случаев.

Оба протекающих тока являются постоянными, т.е. и - const.

Тогда

, а

Отсюда можно получить уравнение шкалы прибора

Таким образом, характер шкалы прибора электродинамической системы неравномерный при. При характер шкалы квадратичный.

При измерении в цепях переменного тока и подвижная часть прибора будет реагировать на среднее значение вращающего момента

.

Из формул следует, что показания приборов ЭД системы пропорциональны произведению токов, а градуировка шкалы справедлива как для постоянных величин, так и для переменных.

Достоинства

Могут иметь высокий класс точности (до 0,2).

Обеспечивают перемножение измеряемых величин, т.е. при последовательно-параллельном включении можно измерять мощность.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Недостатки

Малая чувствительность.

Нелинейность шкалы.

Большие габариты и сложность конструкции.

Плохая защищённость от влияния внешних магнитных полей, температуры, частоты.

Недопустимость перегрузок.

Низкий частотный диапазон (1,5 3кГц).

Область применения

Используются в качестве амперметров (до 200А), вольтметров (до600В), ваттметров (до 1,5кВт). Могут служить образцовыми приборами при градуировке рабочих приборов. Для увеличения чувствительности неподвижная катушка заключается в магнитомягкий магнитопровод. Такой прибор называется прибором ферродинамической системы и обозначается.

Приборы электростатической системы

Принцип действия приборов ЭС системы основан на взаимодействии двух электрически заряженных тел, представляющих собой подвижную и неподвижную пластины, к которым прикладывается измеряемое напряжение.

На практике получили распространение два типа механизма.

Изменение ёмкости осуществляется за счёт изменения активной площади электродов (рис.8).

Электрическая емкость меняется за счёт изменения расстояния между электродами. Энергия, сосредоточенная в подвижной части прибора

Тогда вращающий и противодействующий моменты соответственно равны

Приравнивая эти величины, получим уравнение шкалы прибора ЭС системы

Пластины конденсатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Отсюда следует, что приборы ЭС системы являются вольтметрами, пригодными для измерения напряжения как постоянного, так и переменного тока. При измерении синусоидальных напряжений они откликаются на среднеквадратическое значение сигнала.

Достоинства

При измерении напряжения постоянного тока являются идеальными вольтметрами с (мощность от источника сигнала не потребляется).

При измерении синусоидального сигнала имеют ёмкостное сопротивление (очень большое), поэтому работают на частотах до 10 30 МГц.

Могут быть выполнены самого высокого класса точности.

Так как изолятором в приборах служит воздух, то приборы могут быть использованы для изменения напряжения до (102 - 103) кВ.

Недостатки

Малая чувствительность (Umin около 10В).

Нестабильность (изменение емкости, влияние температуры и внешних электрических полей). Для защиты используется экранирование.

Нелинейность характеристики.

Низкая надежность.

Применение

Используются для измерений в цепях постоянного и переменного токов с частотой от 20Гц до 30МГц. Могут использоваться как образцовые вольтметры для измерения высоких напряжений (класс точности до 0,5).

В заключение приведем сводную таблицу уравнений шкал измерительных механизмов различных систем.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

	Среднеквадратическое

3. Измерение тока и напряжения в цепях постоянного тока и тока промы ш ленной частоты

Измерения в цепях пост о янного тока

Измерение I и U в цепях постоянного тока выполняются чаще всего приборами магнитоэлектрической системы с током полного отклонения (20-50)мА. Внутреннее сопротивление таких приборов обычно=1000 2000 Ом.

Для расширения пределов измерений амперметров используются шунты.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Rпр Ix

Здесь n = Ix\Iпр- коэффициент шунтирования.

Шунты делятся на внутренние (позволяющие измерять токи до 30 А) и наружные (для измерения токов более 30 А). Их можно так же подразделить на индивидуальные (применяются только с тем механизмом с которым градуируются) и калиброванные (рассчитанные на номинальные токи и пригодные для любой измерительной системы).

Для расширения пределов вольтметров применяют добавочные сопротивления.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Здесь- коэффициент расширения предела.

Расчет проведен по аналогичному алгоритму. Учитывая, что получим

Добавочные сопротивления подразделяются на виды, аналогично шунтам.

Измерение напряжения и тока в цепях промышленной частоты

Для этих целей используют приборы электромагнитной, электродинамической и эле ктростатической систем.

при использовании для измерения тока катушка прибора ЭМ системы включается в цепь последовательно;

приборы ЭД системы в качестве амперметра включаются последовательно при токах до 0,5А, при больших токах катушки включаются параллельно. У вольтметров катушки и добавочные сопротивления включаются последовательно;

приборы ЭС системы используются только для измерения напряжения. На постоянном токе расширяют пределы с помощью добавочных сопротивлений, на переменном токе- с помощью конденсаторов.

Из рассмотренного выше материала следует, что наиболее высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками обладают приборы МЭ системы. Это и обусловило их доминирующее применение в области электрических (радиотехнических) измерений. Однако следует еще раз отметить их основной недостаток- недопустимость даже кратковременных перегрузок (перегорают и деформируются токоподводящие пружинки, нити растяжек и подвесов).

4. Измерение тока и напряжения приборами с преобразов а телями

Измерение переменного тока приборами МЭ системы требует осуществления специальной операции - преобразования переменного напряжения в постоянное с дальнейшим измерением его прибором магнитоэлектрической системы.

Если в качестве преобразователей используются полупроводниковые элементы, то в этом случае прибор называется выпрямительным. В качестве преобразователя могут использоваться так же термопреобразователи - в этом случае имеем термоэлектрический вольтметр. Термоэлектрические приборы используются в диапазоне низких и высоких частот.

Выпрямительные вольтметры

По выпрямительной схеме они подразделяются на однополупериодные и двухполупериодные. Вариант схемы однополупериодного в ыпрямителя показан на рис.9.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В этом случае при подаче на вход гармонического напряжения, через прибор будет проходить пульсирующий ток i(t). Учитывая, что показание прибора МЭ системы пропорционально среднему значению получим

Выпрямительные приборы градуируются в среднеквадратических значениях синусоидального тока. Коэффициент градуировки С, связывающий отклик прибора с его показаниями, является коэффициентом формы Кф (С=Кф), который может быть выражен через средневыпрямленное и среднеквадратическое значения тока

Показание прибора или отсчёт по шкале равен

где определяется по известной формуле

При однополупериодном выпрямлении К1ф = 2,22, а при двухполупериодном - Кф2= 1,11.

Таким образом, в выпрямительных приборах отклик и градуировка не совпадают, поэтому их показания справедливы только для синусоидального сигнала. Если форма кривой измеряемого тока (напряжения) отлична от синусоидальной, то появляется погрешность измерения.

Пусть измеряется несинусоидальное напряжение и показание выпрямительного прибора равно. Тогда средневыпрямленное значение измеряемого напряжения можно рассчитать по формуле

Если известна форма кривой измеряемого напряжения или его Кфх, то среднеквадратическое значение измеряемого напряжения можно определить следующим образом:

Как видно значения Uск и Uшк для несинусоидального напряжения не совпадают. Относительная погрешность между искомым значением напряжения несинусоидального тока и отсчётом по шкале Uшк равно

Чтобы определить показания вольтметра при данной кривой тока (напряжения) необходимо проделать следующее:

Зная форму измеряемого напряжения определить форму тока, протекающего через измерительный механизм.

Определить величину средневыпрямленного напряжения по формуле

электронный вольтметр осциллограф прибор

Вычислить показания приборов по формулам

Однополупериодное выпрямление,

Двухполупериодное выпрямление.

Пример3. Определить ток через измерительный прибор при подаче напряжения пилообразной формы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Определяем на выходе выпрямителя

Показания на шкале прибора с учетом градуировки.

Среднеквадратическое значение напряжения для данного сигнала можно рассчитать по формуле

Тогда погрешность измерения составит

Достоинства

Простота схемной реализации.

Высокая надёжность.

Возможность работы с высокочастотными сигналами.

Недостатки

Нелинейные ВАХ диодов и их разброс.

Влияние температуры окружающей среды.

Частотные погрешности из-за наличия ёмкости р-n перехода диодов.

Для устранения последних двух недостатков применяют схемы частотной и тепловой компенсации.

Область применения

Используются в комбинированных приборах для измерения тока и напряжения в сочетании с омметрами, например в приборах серии Ц (Ц20, Ц4117, Ц4353) .

Термоэлектрические вольтметры

Это сочетание милли- или микроамперметра МЭ системы с одной или несколькими термопарами (термопреобразователями).

Протекание измеряемого тока Ix через нагреватель (нихромовая или константановая проволока) приводит к его разогреву. К нагревателю подсоединен контакт термопары (золото - палладий, платина - платинородий, хромель - капель и пр.).

Под действием тепла в термопаре возникает термоток, который и отклоняет указатель прибора. В установившемся режиме вследствие тепловой инерции температура нагревателя постоянна и определяется рассеиваемой на нем мощностью.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ix

Приборы реагируют на среднеквадратичное значение и в этих же значениях градуируются, поэтому показания не зависят от формы измеряемого сигнала.

Достоинства

Независимость показаний от формы сигнала

Высокая точность измерения

Возможность измерения на высоких частотах.

Недостатки

Низкая чувствительность

Влияние температуры окружающей среды

Недолговечность работы даже при нормальных условиях эксплуатации

Небольшая перегрузочная способность.

Большая потребляемая мощность.

5. Электронные вольтметры

Чаще всего в радиоэлектронике напряжение измеряют аналоговыми (стрелочными) или цифровыми электронными вольтметрами.

Электронным называется прибор, показания которого вызываются током электронных компонентов, т.е. энергией источника питания. Такие приборы обладают рядом преимуществ по сравнению с выпрямительными и термоэлектрическими приборами.

Достоинства

Высокая чувствительность.

Большое входное сопротивление и малая входная ёмкость.

Широкий диапазон частот.

Способность выдерживать перегрузки.

К недостаткам следует отнести более сложную схему и необходимость источников питания.

В соответствии с ГОСТ электронные вольтметры обозначаются буквой В и цифрой от 1 до 9 (например В7-27А). Первая цифра обозначает назначение вольтметра, другие - вариант разработки (модель).

В1 - вольтметр для выполнения поверочных измерений

В2 - вольтметры для измерения постоянного напряжения

В3 - вольтметры для измерения переменных напряжений

В4 - пиковые вольтметры

В5 - фазочувствительные вольтметры

В6 - селективные вольтметры

В7 - универсальные вольтметры

В8 - вольтметры для измерения отношения напряжений

В9 - преобразователи напряжений

Группа В2- вольтметры для измерения постоянных н а пряжений

Структурные схемы таких вольтметров в значительной степени зависят от диапазона и змеряемых величин и поэтому их условно делят на две группы.

Вольтметры для измерения больших напряжений

Такие вольтметры позволяют измерять минимальное напряжение 1 В и имеют схему:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основными элементами структурной схемы являются входное устройство ВУ, усилитель постоянного тока УПТ и индикаторное устройство ИУ магнитоэлектрической системы.

Входное устройство ВУ предназначено для расширения пределов измеряемых напряжений, фильтрации входного сигнала и обеспечения большого входного сопротивления. Обычно в его состав входят входные зажимы, делитель напряжения, предварительный усилитель и разнообразные фильтры.

Подобные документы

Характеристика электромеханических приборов для измерения постоянного, переменного тока и напряжения. Их конструкция, принцип действия, область применения, достоинства и недостатки. Определение и классификация электронных вольтметров, схемы приборов.

курсовая работа , добавлен 26.03.2010


Понятие средства измерений, их виды и классификация погрешностей. Метрологические характеристики средств измерений, особенности норм на их значения. Частные динамические характеристики аналого-цифровых преобразователей и цифровых измерительных приборов.

курсовая работа , добавлен 03.01.2013


Средства электрических измерений: меры, преобразователи, комплексные установки. Классификация измерительных устройств. Методы и погрешности измерений. Определение цены деления и предельного значения модуля основной и дополнительной погрешности вольтметра.

практическая работа , добавлен 03.05.2015


Основные свойства измеряемых погрешностей. Технические и метрологические характеристики средств электротехнических измерений, их сравнительный анализ. Моделирование и реализация виртуального прибора в программной среде National Instruments, Labview.

курсовая работа , добавлен 09.04.2015


Измерительные приборы, при помощи которых можно измерить напряжение, ток, частоту и разность фаз. Метрологические характеристики приборов. Выбор ваттметра для измерения активной мощности, потребляемой нагрузкой. Относительные погрешности измерения.

задача , добавлен 07.06.2014


Классификация методов повышения точности средств измерений. Уменьшение аддитивной погрешности. Метод отрицательной связи, инвариантности, прямого хода, вспомогательных измерений. Периодическая автоподстройка параметров. Виды помех, способы их описания.

курсовая работа , добавлен 13.11.2011


Обзор существующих методов и средств измерений расстояния: общие понятия и определения. Механические, электромагнитные, ультразвуковые, магнитные и вихретоковые толщиномеры. Особенности ультразвукового толщиномера А1210, его достоинства и недостатки.

курсовая работа , добавлен 21.03.2012


Основные понятия и определения измерительной техники; классификация приборов и особенности применения микропроцессоров. Изучение программного обеспечения комплекса автоматизации измерений и компьютера; расчёт экономической эффективности устройства.

дипломная работа , добавлен 15.03.2014


Метрология как наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Способы нормирования метрологических характеристик средств измерений, поверка электродинамических и электромагнитных приборов.

курсовая работа , добавлен 09.11.2012


Параметры ошибок и методы их измерений по G.821. Схема измерений параметров каналов ЦСП типа "точка-точка". Основные принципы методологии измерений по G.826. Методика индикационных измерений. Измерение параметров кодовых ошибок, их связь с битовыми.

ОСНОВНЫЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Радиоэлектронные измерения и радиоизмерительные приборы широко используются в работе физика-экспериментатора и инженера-исследователя любой специальности. Измерение - это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. В радиоэлектронике объектами измерений являются параметры и характеристики радиоэлектронных цепей и сигналов, а средствами измерений являются радиоизмерительные приборы. Радиоэлектронные измерения имеют следующие особенности.

1. Разнообразие по характеру.

С этой точки зрения радиоэлектронные измерительные приборы подразделяются на четыре группы:

Первая группа - измерительные генераторы. Они служат для имитации сигналов при наладке и настройке радиоэлектронной аппаратуры, измерения некоторых параметров сигналов методами сравнения, питания и калибровки измерительной аппаратуры.

Вторая группа - приборы для измерения параметров и характеристик сигналов. Особенностью этой группы приборов является необходимость подачи на вход прибора измеряемых сигналов. На выходе прибора получается количественная информация о том или ином параметре сигнала. К этой группе относятся такие измерительные приборы, как осциллографы, электронные вольтметры, частотомеры, фазометры, анализаторы спектра и др.

Третья группа - приборы для измерения характеристик и параметров четырехполюсников, а также различных узлов радиоэлектронных схем. Особенностью приборов этой группы является наличие в них генераторов сигналов определенной формы, питающих исследуемый четырехполюсник или узел, и измерительных устройств, позволяющих оценивать прохождение этих колебаний через данный четырехполюсник или узел. Примером приборов третьей группы являются измерительные мосты, Q-метры, измерители частотных характеристик (характериографы) и др.

Четвертая группа - элементы измерительных схем. К ней относятся выполненные отдельно и прокалиброванные аттенюаторы, фазовращатели, измерительные трансформаторы и пр.

2. Широкий диапазон измерительной величины, иногда достигающий 10-12 порядков.

3. Малая мощность измеряемых сигналов.

В процессе измерения определяемая величина сравнивается с известной величиной, принятой за единицу и называемой образцовой мерой. Для этого шкала измерительных приборов калибруется. При измерении снимается отсчет - число, указываемое индикатором прибора. Показание - физическая величина, соответствующая отсчету и получаемая в результате умножения отсчета на переводной множитель.

2.2. Измерительные генераторы .

В измерительном генераторе частота, форма и напряжение имитируемого сигнала устанавливаются равными необходимому значению и могут перестраиваться в широких пределах. По форме выходных сигналов измерительные генераторы подразделяются на генераторы синусоидальных сигналов, генераторы импульсных сигналов и генераторы шумовых сигналов.

Генераторы синусоидальных сигналов в свою очередь разделяются на низкочастотные (звуковые) с частотой 20 Гц ÷ 200 кГц, высокочастотные с частотой 100 кГц ÷ 30 МГц и сверхвысокочастотные.

Звуковые генераторы (ГЗ) вырабатывают сигнал напряжением от десятков микровольт до 30 вольт. Эти генераторы обычно выполнены по многокаскадной схеме (рис. 1), что позволяет устранить влияние нагрузки на стабильность вырабатываемого сигнала и получить на нагрузке достаточную мощность. Задающий генератор обычно представляет собой двухкаскадный RС-автогенератор с цепочкой Вина в обратной связи. Ступенчатое изменение частоты осуществляется переключением емкости С, а плавное - изменением сопротивления R. Широкополосный усилитель представляет собой двухтактный усилитель мощности, связанный с задающим автогенератором через фазоинверсный каскад.

Рис. 1. Структурная схема генератора синусоидальных сигналов

Далее сигнал поступает на выходное устройство, состоящее из аттенюатора и согласующего устройства. Аттенюатор - делитель напряжения с коэффициентом ослабления сигнала, не зависящим от частоты. Выходной аттенюатор изменяет напряжение ступенями, а в пределах каждой ступени (диапазона) плавная регулировка осуществляется в широкополосном усилителе. Измеритель напряжения включен к выходу усилителя, что значительно упрощает его конструкцию, так как в этом случае он работает только в одном диапазоне напряжений сигнала. Напряжение на выходе равно напряжению на измерителе, умноженному на коэффициент деления аттенюатора. Для стабильности коэффициента деления аттенюатора нагрузка на его выходе должна быть постоянной (обычно 600 Ом). При отличии сопротивления нагрузки от этого значения оно согласуется с аттенюатором с помощью согласующего устройства, состоящего из трансформатора и внутренней нагрузки. Внутренняя нагрузка включается, если сопротивление нагрузки с учетом коэффициента трансформации существенно превышает 600 Ом. Трансформаторный выход, кроме того, позволяет легко получить симметричный выход. В последнем случае заземляется середина вторичной обмотки выходного трансформатора. При измерениях часто используется не напряжение сигнала, а его уровень в децибелах, определяемый по формуле:

U=20 lg(U/U 0) (дБ).

За нулевой уровень принимают чаще всего такое напряжение U 0 , которое на сопротивлении 600 Ом создает рассеиваемую мощность 1 мВт. Иногда за нулевой уровень принимают напряжение, равное одному вольту.

Генераторы стандартных сигналов (ГСС, группа Г4) выдают калиброванные по частоте, выходному напряжению и форме синусоидальные сигналы высокой частоты (несущей), которые могут быть промоделированы как от внутреннего, так и от внешнего генератора низкой частоты. Источником высокочастотного напряжения является перестраиваемый автогенератор высокой частоты (рис. 2), который представляет собой LС-генератор синусоидальных колебаний.

Рис. 2. Структурная схема генератора стандартных сигналов

Усилитель-модулятор представляет собой усилитель высокой частоты, который в режиме модуляции выполняет и функции модулятора. Выходное устройство состоит из плавного аттенюатора, затем ступенчатого и иногда выносного делителя, находящегося на конце кабеля. Положение плавного аттенюатора калибруется с помощью шкалы. Измеритель напряжения несущей и глубины модуляции представляет собой электронный вольтметр с детекторами высокочастотного (ВЧ) и низкочастотного (НЧ) сигналов. Выходное сопротивление ГСС в большинстве случаев составляет десятки Ом и согласовано с кабелем.

Генераторы импульсов (ГИ, группа Г5) являются источником импульсных сигналов определенной формы (чаще всего прямоугольной). Схема типичного ГИ приведена на рис. 3. Задающий генератор вырабатывает импульсы, необходимые для запуска блока формирования импульсов, а также для выхода синхроимпульсов от данного прибора. В качестве задающего генератора могут использоваться автогенераторы синусоидальных колебаний с последующим двухсторонним ограничением или релаксационные генераторы. Запуск формирователя основного импульса осуществляется с устанавливаемой задержкой во времени относительно выхода импульса синхронизации. Задержка основного импульса относительно импульса синхронизации широко используется при применении генераторов. Так, при использовании осциллографа синхроимпульсом запускается развертка осциллографа, а основной импульс подается на исследуемую схему и через нее на осциллограф. При этом на экране осциллографа хорошо виден передний фронт импульса.

Рис. 3. Структурная схема генератора импульсов

Принцип действия блока формирования импульсов состоит в следующем. Запускающий импульс, поступая на релаксатор и вызывая его опрокидывание, формирует передний фронт измерительного импульса. Одновременно запускающий импульс, проходя через внутреннюю линию задержки, равную длительности импульса τ, подается на другой вход данного релаксатора, вызывая его опрокидывание в первоначальное состояние и тем самым формируя задний фронт основного импульса длительностью τ. Выходной усилитель представляет собой широкополосный усилитель, обеспечивающий получение на выходе измерительных импульсов нужной амплитуды. Выходное устройство состоит из фазоинверсного каскада для получения на выходе импульсов нужной полярности, эмиттерного повторителя для обеспечения заданной величины внутреннего сопротивления генератора и аттенюатора. Измерители амплитуды работают обычно по методу сравнения с образцовым напряжением.

2.3. Электронно-лучевые осциллографы .

Осциллограф предназначен для визуального наблюдения электрических сигналов и измерения их параметров. Это универсальный прибор, позволяющий измерять напряжение, частоту, разность фаз, временные интервалы и другие параметры сигналов. На рис. 4 приведена структурная схема осциллографа. Основным узлом осциллографа является электронно-лучевая трубка, формирующая узкий электронный луч, попадающий на люминесцирующий экран и описывающий форму исследуемого сигнала, подаваемого на вертикально отклоняющие пластины при условии, что на горизонтально отклоняющие пластины подано линейно изменяющееся напряжение, обеспечивающее движение электронного луча в горизонтальном направлении с постоянной скоростью, т. е. прямо пропорционально времени. Формирование электронного луча осуществляется модулятором (М), работающим по аналогии с управляющей сеткой электронной лампы и регулирующим количество электронов в луче (яркость). Аноды A1 и А2 предназначены для фокусировки электронов на экране трубки. Анод АЗ служит для увеличения скорости электронов в луче, что важно для возбуждения люминофора экрана.

Рис. 4. Структурная схема электронно-лучевого осциллографа

Рассмотрим кратко работу и назначение остальных узлов осциллографа. Исследуемый сигнал по коаксиальному кабелю через входной делитель подается на эмиттерный повторитель, нагрузкой которого является линия задержки (обычно отрезок кабеля). Эмиттерный повторитель имеет высокое входное сопротивление и малую входную емкость, что способствует отсутствию искажения слабых сигналов. Благодаря своему низкому выходному сопротивлению он согласован с волновым сопротивлением линии задержки. Задержка поступления сигнала относительно начала действия развертки дает возможность наблюдать передний фронт сигнала, особенно в режиме внутреннего запуска развертки от самого исследуемого сигнала при достижении им определенного уровня. После усиления сигнал поступает на вертикально отклоняющие пластины трубки, отклоняя луч на экране по вертикали пропорционально напряжению сигнала. Горизонтальное смещение луча, пропорциональное времени, осуществляется пилообразным напряжением, вырабатываемым генератором развертки и подаваемым на горизонтально отклоняющие пластины. Режим запуска генератора развертки может быть ждущим и периодическим. Запуск развертки при ждущем режиме осуществляется либо от внешнего синхронизирующего сигнала с входа Х (внешний запуск), либо от исследуемого сигнала (внутренний запуск). При периодическом режиме генератор развертки запускается периодически либо от сети, либо работает автоматически с собственной, но регулируемой частотой. Некоторые осциллографы имеют усилитель горизонтального отклонения (усилитель Х), который может подключаться к горизонтально отклоняющим пластинам вместо генератора развертки. В этом случае отклонение луча по горизонтали становится пропорциональным напряжению на входе Х. Это позволяет получать на экране зависимости сигнала Y от сигнала X, например, вольт-амперные характеристики устройств. К вспомогательным устройствам относятся калибраторы амплитуды и длительности. У многолучевых осциллографов электронно-лучевая трубка имеет несколько формирователей электронных лучей, общие для всех лучей горизонтально отклоняющие пластины, но отдельные для каждого луча вертикально отклоняющие пластины. При этом имеется несколько входов Y и несколько усилителей вертикального отклонения (по числу лучей). Эти осциллографы позволяют получать одновременно развертку нескольких сигналов. У многоканальных осциллографов трубка обычная, однолучевая, только сигналы на нее подаются поочередно от нескольких входов Y с помощью коммутатора. Запоминающие осциллографы имеют устройство памяти, запоминающее сигнал и затем подающее его на пластины уже после действия сигнала. Это позволяет наблюдать развертку сигналов очень малой длительности (наносекунды) в течение продолжительного времени (минуты).

2.4. Измерения напряжения и тока.

Измерения тока и напряжения являются основными при исследовании различных устройств и контроле их работы. Однако в радиотехнике преобладающее значение имеет измерение напряжения, а к измерению токов прибегают в довольно редких случаях, стараясь заменить измерением напряжения на известном сопротивлении и затем определяя ток по закону Ома. Измеряемые переменные напряжение и ток оцениваются следующими параметрами (рис. 5): амплитудой, средним, средневыпрямленным и действующим (эффективным) значениями.

Рис. 5. Параметры переменного напряжения

Амплитуда (пиковое значение) U m определяется как наибольшее значение напряжения за период. Для несимметричного относительно нуля напряжения вводят понятия пиковых отклонений вверх U m+ и вниз U m- . Среднее значение переменного напряжения U ср есть его постоянная составляющая:

.

Средневыпрямленное значение U св определяется как постоянная составляющая напряжения после его двухполупериодного выпрямления:

.

Действующее или эффективное значение U эф оценивается по среднеквадратичному значению измеряемого напряжения:

.

Закону изменения напряжения соответствуют определенные количественные соотношения между U m , U св, U эф, оцениваемые коэффициентами амплитуды К а = U m / U эф и формы К ф = U эф / U св. Так, для гармонического напряжения К а =1.41, К ф =1.11.

Прямоугольное колебательное напряжение - меандр - без постоянной составляющей характеризуется как К а =К ф =1. При достаточно большой мощности измеряемого напряжения и тока они могут быть измерены приборами магнитоэлектрической системы в сочетании с дополнительными устройствами. Так, постоянный ток и среднее значение переменного тока (и напряжения) могут быть измерены непосредственно магнитоэлектрическим прибором.

Средневыпрямленное значение измеряют приборами магнитоэлектрической системы в сочетании с диодным выпрямителем мостового типа.

Рис. 6. Термоэлектрический преобразователь

Эффективные значения токов и напряжений измеряют приборами магнитоэлектрической системы с термоэлектрическими преобразователями, представляющими собой сочетание термопары и подогревателя, по которому протекает ток (рис. 6). Подогреватель 1 соединен с рабочим (горячим) спаем термопары. К нерабочим (холодным) спаям подключен магнитоэлектрический прибор. Из-за тепловой инерции подогревателя можно считать, что его температура в установившемся режиме практически не меняется при изменении мгновенной мощности, так что прибор измеряет эффективное значение тока. Термопреобразователь часто помещают в вакуум для уменьшения теплоотдачи и увеличения чувствительности. Частотный диапазон (до 200 МГц) ограничен емкостью прибора относительно земли, собственной индуктивностью и скин-эффектом в подогревателе.

Электронные вольтметры (В2 - постоянного тока, В3 - переменного, В4 - импульсного, В5 - фазочувствительные, В6 - селективные, В7 - универсальные).

С целью повышения чувствительности и расширения диапазона измеряемых значений напряжений разработаны специальные приборы - электронные вольтметры. В соответствии с измеряемым параметром различаются вольтметры амплитудного значения (пиковые), среднего (постоянного напряжения), средневыпрямленного и действующего значений. Электронные вольтметры обладают большим входным сопротивлением, достигающим 10 МОм, имеют широкий частотный диапазон до 1-3 ГГц, способны выдерживать большие нагрузки. Типичные структурные схемы электронных вольтметров приведены на рис. 7. Входное устройство электронных вольтметров состоит из эмиттерного повторителя, чаще всего смонтированного в выносном пробнике для уменьшения влияния проводов на высоких частотах, и аттенюатора, представляющего собой резистивный делитель напряжения.

Рис. 7. Структурные схемы электронных вольтметров:

а) переменного напряжения; б) постоянного напряжения;

в) переменного и постоянного напряжения

Усилители в электронных вольтметрах предназначены для повышения чувствительности при измерении малых напряжений. Для повышения стабильности коэффициента усиления усилителя и уменьшения нелинейных искажений обычно используется многокаскадный усилитель, охваченный отрицательной обратной связью.

Детектор вольтметра предназначен для преобразования измеряемого напряжения в постоянную или пульсирующую форму, измеряемую магнитоэлектрическим прибором. В зависимости от закона преобразования детекторы подразделяются на пиковые (амплитудные), детекторы действующего значения и детекторы средневыпрямленного значения.

Рис. 8. Схема пикового детектора и график напряжений

В пиковом детекторе параметры схемы (рис. 8) подобраны так, что постоянная времени заряда конденсатора τ 3 = R i* С (R i - внутреннее сопротивление диода) намного меньше постоянной цепи разряда τ р = R * С, которая много больше периода колебаний входного напряжения: τ р >>Т. Вследствие этого через несколько периодов колебаний конденсатор зарядится до напряжения U с со средним значением U ср, близким к амплитудному значению U m .

Детектор действующего значения должен иметь квадратичную вольт-амперную характеристику.

Рис. 9. Схема квадратичного детектора с кусочно-гладкой аппроксимацией ВАХ

Квадратичным участком вольт-амперной характеристики обладают почти все активные элементы: лампы, транзисторы, диоды; однако протяженность этого участка небольшая. Для ее увеличения применяют кусочно-гладкую аппроксимацию параболической кривой на К-участках, каждый из которых обеспечивается начальным квадратичным участком данного активного элемента. На рис. 9 показана схема такого детектора. Количество участков аппроксимации соответствует количеству диодных цепочек, в которых на каждый последующий диод подается ступенчато увеличивающееся напряжение обратного смещения (Е см), что вызывает открытие каждого из них при входном U вх >Е см.

Рис. 10. Схема детектора средневыпрямленного значения

Детектор средневыпрямленного значения представляет собой двухполупериодный выпрямитель, собранный обычно по мостовой схеме (рис. 10). Чтобы ток в этом детекторе был пропорционален средневыпрямленному значению измеряемого напряжения, необходимо, чтобы амплитуда входного напряжения, подаваемая на диоды, значительно превышала квадратичный участок вольт-амперной характеристики диода, т. е. чтобы детектирование было линейным, а не квадратичным. Рассмотрим некоторые специальные типы вольтметров.

Избирательный (селективный) электронный вольтметр предназначен для измерения синусоидального напряжения определенной (избранной) частоты в спектре других частот. Принцип действия такого вольтметра основан на выделении напряжения нужной частоты из спектра других частот, усилении и дальнейшем измерении напряжения выделенной частоты.

Цифровые вольтметры.

Применение цифрового отсчета повышает скорость и точность измерения, позволяет автоматизировать процесс измерения. Основным узлом цифровых приборов является аналого-цифровой преобразователь, преобразующий непрерывную измеряемую величину в цифровой код. Рассмотрим структурную схему цифрового вольтметра с времяимпульсным преобразователем (рис. 11).

Рис. 11. Структурная схема цифрового вольтметра

В начале цикла измерения импульс от управляющего устройства сбрасывает на нуль показания электронного счетчика и запускает схему генератора линейно-изменяющегося напряжения, одновременно открывая электронный ключ. С момента открытия электронного ключа на вход электронного счетчика через электронный ключ поступают счетные импульсы с частотой следования f от генератора счетных импульсов. Линейно-изменяющееся напряжение подается на один из входов сравнивающего устройства, на второй вход которого поступает измеряемое напряжение. Сравнивающее устройство в момент равенства измеряемого и линейно-изменяющегося напряжения выдает импульс, закрывающий электронный ключ. Таким образом, измеряемое напряжение будет пропорционально интервалу времени Dt работы электронного ключа, а следовательно, и количеству счетных импульсов, зарегистрированных электронным счетчиком. При большом числе счетных импульсов (большая их частота) точность измерения напряжения будет высокой.

2.5. Измерение частоты.

Измерение частоты является одной из важнейших задач, решаемых в радиоэлектронике, так как, с одной стороны, частота является одной из основных характеристик сигнала, а с другой - техника измерения частоты является наиболее точной по сравнению с техникой измерений любой другой величины, что и послужило предпосылкой для сведения измерений других физических величин к измерению частоты и временных интервалов. Разработаны несколько методов измерения частоты: мостовой, заряда и разряда конденсаторов, резонансный, гетеродинный, электронно-счетный.

R 3 /R 4 =(R 1 +1/(iω 0 C 1))/(1/ R 2 + iω 0 C 2) -1 или R 3 /R 4 = R 1 /R 2 +С 1 / С 2 +i(R 1 ω 0 C 2 -1/(R 2 ω 0 C)).

Приравнивая действительную и мнимую части, получим

R 1 /R 2 + С 2 / С 1 = R 3 /R 4 и R 1 ω 0 C 2 -1/(R 2 ω 0 C 1)=0.

Из второго равенства определяется частота, при которой наступает равновесие моста:

ω 0 =1/(R 1 R 2 С 2 С 1) 1/2 .

Рис. 12. Схема моста Вина для измерения частоты

Условие равновесия моста R 1 R 2 фиксируется по минимуму показания индикаторного прибора (ИП) при изменении значения сопротивлений R 1 R 2 и емкостей С 1 С 2 . Обычно R 1 =R 2 =R, С 1 =С 2 =С, ω 0 =1/(RС), значения R и С градуируют в значениях частоты, причем R 1 и R 2 изменяются одновременно и имеют плавную регулировку, а С 1 и С 2 являются множителями для шкалы частот при одновременном скачкообразном изменении.

Метод заряда и разряда конденсатора основан на измерении среднего тока заряда или разряда конденсатора, который при неизменном напряжении источника сигнала пропорционален его частоте (рис. 13). Усилитель-ограничитель усиливает слабые и ограничивает сильные сигналы до определенной амплитуды U 0 , одинаковой для всех сигналов. Постоянную времени заряда конденсатора С выбирают много меньшей половины периода входного напряжения, так что конденсатор даже на самых высоких частотах успевает разрядиться.

Рис. 13. Схема периодического заряда и разряда конденсатора

Количество электричества перезаряда равно Q =СU 0 . Таким образом, среднее значение тока i=fQ=cfU 0 , проходящего через диод и магнитоэлектрический прибор, пропорционально частоте. Частотомеры данного типа работают в диапазоне от десятков герц до единиц мегагерц. Переход с предела на предел достигается сменой емкости.

Рис. 14. Резонансный волномер:

а) структурная схема; б) колебательная система с контуром; в) коаксиальный резонатор

Резонансный волномер основан на получении явления резонанса на измеряемой частоте в перестраиваемой колебательной системе. Этот метод применяется на высоких и сверхвысоких частотах, начиная от 50 кГц. На частотах до сотни мегагерц применяются резонансные контуры с сосредоточенными параметрами, а на более высоких частотах - резонаторы или отрезки коаксиального кабеля. Состояние резонанса определяется магнитоэлектрическим прибором по максимуму напряжения. Значение измеряемой частоты считывается со шкалы конденсатора. В коаксиальном резонаторе длина волны определяется по механическому перемещению поршня. Условие резонанса - l=(kλ)/2, где k - целое число. Добротность коаксиального резонатора - 10 3 -10 4 .

Гетеродинный частотометр основан на сравнении измеряемой частоты с известной частотой перестраиваемого калиброванного генератора (гетеродина).

Рис. 15. Структурная схема гетеродинного частотометра

При измерении на смеситель поступает напряжение измеряемой частоты с входного устройства и напряжение от гетеродина переменной частоты. Меняя частоту гетеродина, добиваются появления на выходе нулевых биений, регистрируемых индикатором (телефоны или стрелочный индикатор). Получение на выходе нулевых биений свидетельствует о равенстве измеряемой частоты с частотой гетеродина, которая определяется по шкале. Для градуировки шкалы гетеродина служит кварцевый генератор, напряжение с выхода которого подается на смеситель. Частота гетеродина устанавливается равной частоте кварцевого генератора (или его гармоники) подстройкой с помощью построечных конденсаторов.

Электронно-счетный частотометр.

Обычно схема прибора (рис. 16) строится таким образом, чтобы можно было измерять непосредственно как частоту, так и период колебаний.

Рис. 16. Структурная схема цифрового частотометра

При измерении частоты f x напряжение неизвестной частоты подается на вход 1. Входное устройство представляет собой делитель напряжения и широкополосный усилитель для усиления напряжения до величины, достаточной для работы формирующего устройства. Формирующее устройство преобразует синусоидальное напряжение в прямоугольные импульсы с крутыми фронтами, постоянной амплитуды, с частотой, равной частоте сигнала. Эти импульсы через электронный ключ подаются на электронный счетчик. С другой стороны, на электронный ключ через управляющее устройство поступают импульсы калиброванных интервалов времени длительностью Δt, которые формируются декадными делителями частоты из высокостабильных по частоте колебаний, вырабатываемых кварцевым генератором. Эти импульсы открывают электронный ключ на время Δt, в течение которого на электронный счетчик подаются счетные импульсы измеряемой частоты; последние подсчитываются и на устройстве цифрового отсчета выдаются в виде отсчета f x =n/Δt. При измерении периода колебаний напряжение неизвестной частоты подается на вход 2 и далее на формирующее устройство, вырабатывающее интервалы времени Δt=Т x , в течение которых управляющее устройство открывает электронный ключ. Счетными импульсами в данном случае являются калиброванные во времени прямоугольные импульсы, полученные в формирующем устройстве после предварительного умножения частоты высокостабильного кварцевого генератора. Количество этих импульсов, поступающих за время Δt на электронный счетчик, и будет пропорционально периоду неизвестной частоты Т x =n/f. Точность измерения периода тем выше, чем больше период, т. е. ниже частота сигнала, в то время как точность измеряемой частоты по входу 1 тем выше, чем выше частота сигнала.

2.6. Измерение разности фаз .

Измерение разности фаз между двумя гармоническими напряжениями одной частоты широко применяется в радиоэлектронике при исследовании различных четырехполюсников. Рассмотрим некоторые методы измерения разности фаз. Осциллографические методы наглядно представлены на рис. 17.

Рис. 17. Осциллографические методы измерения разности фаз:

а) развертка обоих сигналов на двухлучевом (двухканальном) осциллографе Δφ=2π Δt/T;

б) использование фигур Лиссажу при одинаковом усилении по X и Y (одноканальный осциллограф с усилителем по X), sinφ=h/H, tg(φ/2)=b/a,

где a и b – большая и малая полуоси эллипса

Метод сравнения (компенсации) состоит в сравнении измеряемого фазового сдвига на выходе исследуемого четырехполюсника с фазовым сдвигом калиброванного фазовращателя, питаемых от одного источника гармонических колебаний (pис.18).

Рис. 18. Структурная схема измерителя фазового сдвига по методу компенсаций

Напряжение, прошедшее исследуемый четырехполюсник, и такое же напряжение, прошедшее калиброванный фазовращатель и регулятор амплитуды, подаются на компенсационный узел, представляющий собой обычный дифференциальный трансформатор. При равенстве входных напряжений по фазе и амплитуде напряжение на выходе компенсационного узла равно нулю, о чем свидетельствуют нулевые показания индикатора напряжения. Сдвиг фазы определяется по шкале фазовращателя, затухание сигнала в четырехполюснике определяется по шкале регулятора амплитуды.

Цифровой метод (метод дискретного счета) основан на измерении количества счетных импульсов калиброванной частоты за время Δt=T Δφ/2π, пропорциональное фазовому сдвигу.

Рис. 19. Структурная схема цифрового фазометра

Формирователи преобразуют гармонические колебания, между которыми нужно измерить сдвиг фаз, в остроконечные однополярные импульсы, передний фронт которых соответствует моментам перехода гармонических колебаний через нуль. Управляющее устройство открывает электронный ключ на время сдвига Δt между импульсами с различных входов, и счетчик подсчитывает количество прошедших за это время импульсов.

Отметим, что при измерении разности фаз на высоких и сверхвысоких частотах предварительно производится понижение частоты с помощью гетеродинного преобразователя, имеющего два одинаковых смесителя и один общий гетеродин (рис. 20). Затем в области низких частот производится измерение разности фаз одним из рассмотренных выше способов.

Рис. 20. Схема преобразования частоты

Сдвиг фазы напряжений на выходе смесителя такой же, как и входных напряжений:

U 1 = U 1 sin[(ω-ω r)t+φ 1 -φ r ]; U 2 = U 2 sin[(ω-ω r)t+φ 2 -φ r ].

2.7. Спектроанализаторы .

Спектроанализаторы предназначены для визуального наблюдения спектра сигнала. Наиболее часто применяют спектроанализаторы последовательного анализа с двумя структурными схемами: схемой с перестраиваемым фильтром и супергетеродинной схемой.

В спектроанализаторе с перестраиваемым фильтром спектр исследуемого сигнала просматривают путем автоматической перестройки фильтра, выделения составляющих спектра, детектирования, усиления и наблюдения на кране ЭЛТ (рис. 21).

Рис. 21. Спектроанализатор с перестраиваемым фильтром

Перестройка фильтра осуществляется изменяющимся напряжением развертки, вследствие чего изображение спектра на экране получается неподвижным. Недостатком схемы является ее узкодиапазонность.

Супергетеродинная схема (рис. 22) обеспечивает электрическую перестройку в широком диапазоне частот. Принцип действия ее сводится к линейному последовательному переносу спектра исследуемого сигнала в область промежуточной частоты и перемещению его относительно средней частоты настройки фильтра. При этом фильтр неизменно настроен на промежуточную частоту, а последовательное перемещение спектра сигнала получается благодаря изменению частоты гетеродина, представляющего собой генератор качающейся частоты (ГКЧ), управляемый напряжением генератора развертки. За период качания ГКЧ на экране ЭЛТ наблюдается спектр исследуемого сигнала в виде светящихся линий, каждая из которых пропорциональна средней мощности для данной гармоники спектра исследуемого сигнала.

Рис. 22. Схема спектроанализатора супергетеродинного типа

2.8. Измерители амплитудно-частотных характеристик (характериографы).

Применение характериографов позволяет заменить довольно длительный и трудоемкий процесс снятия по точкам амплитудно-частотных характеристик с помощью измерительного генератора и вольтметра непосредственным наблюдением амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) на экране электронно-лучевой трубки. Особенно очевидно преимущество характериографов при использовании их для настройки четырехполюсников, так как влияние изменения тех или иных параметров в процессе настройки сразу же видно на экране характериографа по изменению формы амплитудно-частотной характеристики.

Рис. 23. Схема измерителя амплитудно-частотных характеристик

Качание частоты автогенератора обычно осуществляется с помощью варикапа или магнитного модулятора. Так как прибором перекрывается широкий диапазон частот, то некоторые узлы в измерителе выполнены по принципу преобразования частоты - на смеситель подается два сигнала: один от диапазонного генератора, другой - от частотно-модулированного генератора (ГКЧ). На выходе смесителя фильтры низких частот выделяют разностную частоту с таким же качанием, как и в ГКЧ. С переключателя частотно-модулированный сигнал поступает на широкополосный усилитель с системой автоматической регулировки усиления (АРУ), где усиливается до напряжения 1 В, и далее через аттенюатор подается на исследуемый четырехполюсник. С выхода четырехполюсника сигнал поступает на детекторную головку, а после детектирования - на усилитель вертикального отклонения ЭЛТ. Так как развертка трубки по горизонтали осуществляется синхронно с модуляцией (качанием) частоты автогенератора, то на экране воспроизводится АЧХ исследуемого четырехполюсника.

Для калибровки частоты в схеме могут формироваться частотные метки, которые образуются в блоке меток в результате нулевых биений между ГКЧ и гармониками калиброванных частот: 0,1; 0,5; 1; 5 МГц.

2.9. Измерение параметров элементов радиотехнических цепей (R, L, С, tgδ=1/Q)

Метод вольтметра-амперметра не требует специальных приборов (рис. 24).

Рис. 24. Схема измерения комплексного сопротивления методом вольтметра-амперметра

При питании схемы от источника переменного тока с частотой f можно определить модуль полного сопротивления:

,

где R U - внутреннее сопротивление вольтметра. Активную часть сопротивления определяют измерением на постоянном напряжении. После этого можно рассчитать реактивную часть сопротивления. Обычно используют электронный вольтметр и термоэлектрический амперметр. При включении в качестве конденсатора или катушки индуктивности, зная частоту f питающего генератора, можно определить L и C: 1) X c =1/(ωC)=U/I и C=I/wU, 2) X L =ωL=U/I и L=U/wI.

Мостовые методы применяются в диапазоне низких радиочастот и позволяют достичь наибольшей точности измерения полных сопротивлений. Индикатор равновесного состояния должен иметь большое сопротивление, чтобы исключить влияние его на работу моста. Таким индикатором может быть электронный осциллограф или вольтметр. Равновесие моста наступает при условии

Z 1 Z 3 e i(φ1+φ3) = Z 2 Z 4 e i(φ2+φ4) ,

отсюда Z 1 Z 3 = Z 2 Z 4 ; φ1+φ3= φ2+φ4. Если принять за измеряемое сопротивление , а за образцовое - , то в мосте переменного тока для достижения равновесия должны быть две регулировки: модуля образцового сопротивления Z 2 и его аргумента φ 2 . Следует учитывать, что эти параметры при регулировке взаимосвязаны. Отсюда следует, что балансировку моста необходимо вести методом последовательного приближения, одновременно регулируя активную и реактивную составляющие.

Рис. 25. Схема моста переменного тока

Резонансным методом можно измерять индуктивности, емкости, сопротивления потерь в них, а также активную и реактивную составляющие комплексного сопротивления любого двухполюсника. Так как почти во всех случаях при определении названных параметров приходится измерять добротность эквивалентного контура, то такие приборы получили название измерителей добротности или куметров.

Рис. 26. Принципиальная схема куметра

В измерительный последовательный колебательный контур, состоящий из образцовой (L 0 R 0) или измеряемой (L x R x) катушки индуктивности и образцового прокалиброванного конденсатора переменной емкости С 0 , вводится определенное калиброванное напряжение U 1 от генератора, имеющего широкий диапазон частот. Сопротивление R 1 весьма малой величины ставится для уменьшения сопротивления источника, чтобы не ухудшать параметры контура. При подключении измеряемой катушки индуктивности L x R x куметр позволяет непосредственно измерить добротность контура L x R x С 0: Q=U c /U 1 . Вследствие этого вольтметр, измеряющий U c , обычно прокалиброван в значении добротности. Учитывая, что образцовый конденсатор и сопротивление R 1 имеют очень малые потери, найденная добротность контура будет равна добротности катушки. При резонансе в контуре, отмечаемом по максимуму, показания вольт-метра U c , можно записать как

Q=U c /U 1 =ω 0 L x /R x =1/(ω 0 C 0 R x).

Отсюда, зная С 0 , Q и регистрируя резонансную частоту ω 0 , можно определить L x и R x . При измерении неизвестной емкости С х в контур включается образцовая индуктивность L о R o и далее по резонансной частоте и значению добротности определяется емкость С х =1/(ω 0 QR 0).

С помощью куметра можно также измерять активную и реактивную части комплексного сопротивления любого двухполюсника. При его индуктивном характере двухполюсник подключается вместо L x R x , при емкостном характере - вместо С х.

Гетеродинный метод основан на зависимости частоты колебаний автогенератора от индуктивности и емкости его колебательного контура и сравнении частоты данного генератора с частотой перестраиваемого с помощью образцового конденсатора С 0 генератора по нулевым биениям, что позволяет получить высокую точность.

Рис. 27. Схема гетеродинного метода измерения емкости и индуктивности

До подключения измеряемой индуктивности или емкости оба генератора с помощью образцового конденсатора С 0 настраиваются на одну частоту, что фиксируется по нулевым биениям. При подключении С х частота генератора 2 изменяется и тогда конденсатор С 0 подстраивается, чтобы частоты совпали. При одинаковых индуктивностях в контурах измеряемая емкость будет равна изменению емкости образцового конденсатора. Погрешность 0.2-0.5%.

Метод дискретного счета (цифровой) основан на подсчете калиброванных по частоте импульсов в течение определенного интервала времени. В зависимости от того, как формируется этот интервал, применяют две разновидности схем: 1) схема, в которой используется апериодический разряд конденсатора на резистор с использованием временного интервала, равного постоянной времени разряда; 2) схема, в которой используется процесс затухания колебаний в колебательном контуре. В первой схеме, в зависимости от того, что выбрано эталонным (R 0 или С 0), можно измерять С х и R x . Перед началом измерений конденсатор С x заряжается до напряжения Е (переключатель в положении 1). Затем переключатель переводится в положение 2 и начинается разряд конденсатора С x на резистор R 0 по экспоненциальному закону U c =E e - t / τ . В момент переброса переключателя в положение 2 на цифровой измеритель временных интервалов поступает импульс, открывающий счет времени. С делителя R 1 R 2 на второй вход сравнивающего устройства подается напряжение E . 2 /(R 1 +R 2) = E/2.72. Момент, когда напряжение на конденсаторе в процессе его разряда достигнет значения Е/2,72, наступает при t = τ = С x R 0 . В это время сравнивающее устройство выдает второй импульс, прекращающий счет времени. Погрешность измерения ±0,1 %.

По второй схеме строятся цифровые куметры (рис. 29).

Рис. 28. Схема измерения С x R х по постоянной времени τ = С x R х

Принцип действия основан на следующем: отношение двух амплитуд затухающего колебания, разделенных временным интервалом, равным одному периоду, равно Δ = U 1 /U 2 =e δT , где δ=R x /(2L x) – декремент затухания, Т - период колебаний. Отсюда Т=lnΔ/ δ, так что добротность контура равна

Q=(2π L x)/(TR x)= (2L x /R x)(π δ/ lnΔ)=π/ lnΔ.

Отсюда lnΔ≈π/Q и D≈exp(π/Q). Отношение амплитуд затухающих колебаний первой и n-й равно Δ n =U 1 /U n =e n / Q . При n=Q имеем D n = e π =23,14, откуда U n = Q =0.0432.

Рис. 29. Структурная схема цифрового куметра

От генератора импульсов с большой скважностью заряжается конденсатор контура С 0 до амплитуды U 1 , после чего начинается затухающий колебательный процесс в контуре, образованном С 0 , L х и R x . Одновременно пороговое устройство 1 открывает временной селектор и счетчик импульсов считает количество периодов импульсных колебаний, сформированных в формирующем устройстве из затухающих колебаний в контуре. Когда амплитуда затухающих колебаний достигнет значения 0,0432 U 1 , при котором n=Q, пороговое устройство 2 закрывает селектор и счет импульсов прекращается. Показания счетчика через некоторое время, определяемое линией задержки, сбрасываются. Погрешность измерения 0,1-0,2% и зависит только от точности срабатывания пороговых устройств.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова

Факультет Радиотехники и электроники

Кафедра РС и С

Лабораторная работа № 2, 3

Измерение параметров электро- и радиотехнических

ЦЕПЕЙ МОСТОВЫМ МЕТОДОМ

Выполнил: студент группы РТЭ-11-10

Иванов А.О.

Проверил: Казаков В.Д.

Чебоксары 2012

Лабораторная работа 2

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРО- И РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ

ЦЕПЕЙ МОСТОВЫМ МЕТОДОМ

Цель работы : ознакомление с мостовым методом измерения активного сопротивления , индуктивности L , емкости С , добротности катушки и колебательных контуров Q и тангенса угла диэлектрических потерь
, изучение принципа действия приборов, основанных на мостовых схемах и приобретение навыков работы на этих приборах.

Краткие теоретические сведения

Электрические и радиотехнические цепи состоят из резисторов, катушек индуктивности, конденсаторов и соединительных проводов. Для отбора этих компонентов или их проверки следует измерить активное сопротивление R , индуктивность , емкостьС . Кроме того, часто измеряют потери в конденсаторах, добротность катушек и колебательных контуров. Потери в конденсаторах определяются тангенсом угла диэлектрических потерь
.

Сравнение измеряемой величины (сопротивления, емкости, индуктивности) с образцовой мерой при помощи моста в процессе измерения может осуществляться вручную или автоматически на постоянном или переменном токе. Мостовые схемы обладают большой точностью, высокой чувствительностью, широким диапазоном измеряемых значений параметров. На основе мостовых методов строятся средства измерения, предназначенные для измерения какой-либо одной величины, и универсальные аналоговые и цифровые приборы.

Измерительный мост постоянного тока

Мост постоянного тока (рис.6) содержит четыре резистора, соединенных в замкнутый контур. Резисторы ,,,этого контура называются плечами моста, а точки соединения соседних плеч - вершинами. Цепи, соединяющие противоположные вершины, называют диагоналями. Диагональаб содержит источник питания и называется диагональю питания . Диагональ с d , в которую включен индикатор Г (гальванометр), называется измерительной диагональю .

Рис.6. Схема моста постоянного тока

Мосты постоянного тока предназначены для измерения активного сопротивления. Процесс измерения с помощью мостовых схем основан на соотношении сопротивлений плеч, называемого условием равновесия (баланса), которое имеет вид:

.

Условие равновесия моста постоянного тока формулируется следующим образом: чтобы мост был уравновешен, произведения сопротивлений противоположных плеч моста должны быть равны. Если сопротивление одного из плеч моста (например ) неизвестно, то, уравновесив мост путем подбора сопротивлений плеч моста,и, находим его из условия равновесия
.

В состоянии равновесия моста ток через гальванометр равен нулю и, следовательно, колебания напряжения питания и сопротивления гальванометра на результат измерения не оказывают. Поэтому основная погрешность уравновешенного моста определяется чувствительностью гальванометра и схемы, погрешностью сопротивлений плеч, а также сопротивлениями проводов и контактов.

АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Общие сведения

В аналоговых электромеханических измерительных приборах непосредственной оценки электромагнитная энергия, подведенная к прибору непосредственно из измеряемой цепи, преобразуется в механическую энергию углового перемещения подвижной части относительно неподвижной.

Электромеханические измерительные приборы (ЭИП) применяют для измерения тока, напряжения, мощности, сопротивлений и других электрических величин на постоянном и переменном токах преимущественно промышленной частоты 50 Гц. Эти приборы относят к приборам прямого действия. Они состоят из электрического преобразователя (измерительной цепи), электромеханического преобразователя (измерительного механизма), отсчетного устройства (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Структурная схема аналогового ЭИП

Измерительная цепь . Она обеспечивает преобразование электрической измеряемой величины X в некоторую промежуточную электрическую величину Y (ток или напряжение), функционально связанную с измеряемой величиной X. Величина Y непосредственно воздействует на измерительный механизм (ИМ).

По характеру преобразования измерительная цепь может представлять собой совокупность элементов (резисторов, конденсаторов, выпрямителей, термопар и др.). Различные измерительные цепи позволяют использовать один и тот же ИМ при измерениях разнородных величин, напряжения, тока, сопротивления, меняющихся в широких пределах.

Измерительный механизм . Являясь основной частью конструкции прибора, он преобразует электромагнитную энергию в механическую энергию, необходимую для угла отклонения а его подвижной части относительно неподвижной, т. е.

α = f(Y) = F(X).

Подвижная часть ИМ представляет собой механическую систему с одной степенью свободы относительно оси вращения. Момент количества движения равен сумме моментов, действующих на подвижную часть.

Дифференциальное уравнение моментов, описывающее работу ИМ, имеет вид

J(d 2 α/dt 2) = ΣM , (5.1)

где J - момент инерции подвижной части ИМ; α - угол отклонения подвижной части; d 2 α/dt 2 - угловое ускорение.

На подвижную часть ИМ при ее движении воздействуют:

вращающий момент М , определяемый для всех ЭИП скоростью изменения энергии электромагнитного поля w э, сосредоточенной в механизме, по углу отклонения α подвижной части. Вращающий момент является некоторой функцией измеряемой величины X, а следовательно, Y (тока, напряжения, произведения токов) и α:

М = (∂w э /∂α) = f (α) Y n , (5.2)

противодействующий момент М α , создаваемый механическим путем с помощью спиральных пружин, растяжек, подводящих проводов и пропорциональный углу отклонения α подвижной части:

М α = - W α, (5,3)

где W - удельный противодействующий момент на единицу угла закручивания пружины (зависит от материала пружины и ее геометрических размеров);

момент успокоения М усп, т. е. момент сил сопротивления движению, всегда направленный навстречу движению и пропорциональный угловой скорости отклонения:

М усп =- Р (d α/d t), (5.4)

где Р - коэффициент успокоения (демпфирования).

Подставив (5.2) - (5.4) в (5.1), получим дифференциальное уравнение отклонения подвижной части механизма:

J(d 2 α/dt 2) = М + М α + М усп, (5.5)

J(d 2 α/dt 2) + Р (d α/d t) + W α = M . (5.6)

Установившееся отклонение подвижной части ИМ определяется равенством вращающего и противодействующего моментов, т. е. М = М α , в том случае, если два первых члена левой части дифференциального уравнения (5.6) равны нулю. Подставив в равенство М = М α аналитические выражения моментов, получим уравнение шкалы прибора, показывающее зависимость угла отклонения а подвижной части от значения измеряемой величины и параметров ИМ.

В зависимости от способа преобразования электромагнитной энергии в механическое угловое перемещение подвижной части ИМ электромеханические приборы делят на магнитоэлектрические, электродинамические, ферродинамические, электромагнитные и др.

Отсчетное устройство аналоговых ЭИП . Чаще всего оно состоит из указателя, жестко связанного с подвижной частью ИМ, и неподвижной шкалы. Указатели бывают стрелочные (механические) и световые. Шкала представляет собой совокупность отметок, которые расположены вдоль какой-либо линии и изображают ряд последовательных чисел, соответствующих значениям измеряемой величины. Отметки имеют вид штрихов, черточек, точек и т. п.

По начертанию шкалы бывают прямолинейные (горизонтальные или вертикальные), дуговые (при дуге до 180° включительно) и круговые (при дуге более 180°).

По характеру расположения отметок различают шкалы равномерные и неравномерные, односторонние относительно нуля, двусторонние и безнулевые. Шкалы градуируют либо в единицах измеряемой величины (именованная шкала), либо в делениях (неименованная шкала). Числовое значение измеряемой величины равно произведению числа делений, прочитанных по шкале, на цену (постоянную) прибора. Цена деления- значение измеряемой величины, соответствующее одному делению шкалы.

Так как ЭИП являются приборами прямого действия, то чувствительность прибора S п определяется чувствительностью цепи S ц и чувствительностью измерительного механизма S и:

S п = S ц S и (5.7)

Классы точности аналоговых ЭИП: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Узлы и детали измерительных приборов . Для большинства ЭИП, несмотря на разнообразие ИМ, можно выделить общие узлы и детали - устройства для установки подвижной части ИМ, для создания противодействующего момента, уравновешивания и успокоения

.

Рис. 5.2. Установка подвижной части измерительного механизма

Так как любой измерительный механизм ЭИП состоит из подвижной и неподвижной частей, то для обеспечения свободного перемещения подвижной части последнюю устанавливают на опорах (рис. 5.2,а), растяжках (рис. 5.2,6), подвесе (рис. 5.2,в). При транспортировке подвижную часть ИМ закрепляют неподвижно с помощью арретира.

Устройства для установки подвижной части на опорах представляют собой легкую алюминиевую трубку, в которую запрессовывают керны (стальные отрезки). Концы кернов затачивают и шлифуют на конус с закруглением. Опираются керны на агатовые или корундовые подпятники. При установке подвижной части ИМ на кернах между керном и подпятником возникает трение, что вносит погрешность в показания прибора. В приборах высокого класса точности (лабораторных) для уменьшения трения шкала устанавливается горизонтально, а ось вертикально. При этом нагрузка сосредоточена в основном на нижней опоре.

Устройства для установки подвижной части на растяжках представляют собой две тонкие ленты из бронзового сплава, на которых подвешивается подвижная часть ИМ.

Рис. 5.3. Общие детали подвижной части ИМ на опорах

Их наличие обеспечивает отсутствие трения в опорах, облегчает подвижную систему, повышает виброустойчивость. Растяжки используют для подведения тока к обмотке рамки и создания противодействующего момента.

Устройства для установки подвижной части на подвесах используют в особо чувствительных приборах. Подвижную часть ИМ подвешивают на тонкой металлической (иногда кварцевой) нити. Ток в рамку подвижной части подводят через нить подвеса и специальный безмоментный токоподвод из золота или серебра.

Для создания противодействующего момента в ИМ с установкой подвижной части на опорах (рис. 5.3) используют одну или две плоские спиральные пружины 5 и 6, выполненные из оловянно-цинковой бронзы. Пружины служат также в качестве токоподводов к обмотке рамки подвижной части. Одним концом пружину крепят к оси или полуоси, а другим - к поводку 4 корректора. Корректор, устанавливающий на нуль стрелку 3 невключенного прибора, состоит из винта 9 с эксцентрично расположенным пальцем 8 и вилки 7 с поводком. Винт 9 корректора выводится на переднюю панель корпуса прибора, вращаясь, он движет вилку 7, что вызывает закручивание пружины и соответственно перемещение стрелки 3. Ось 2 заканчивается кернами, опирающимися на подпятники 1.

Для уравновешивания подвижной части служат грузики-противовесы 10.

Рис. 5.4. Схемы магнитоиндукционного (а) и воздушного (б) успокоителей

Измерительный механизм считается уравновешенным, когда центр тяжести подвижной части совпадает с осью вращения. Хорошо уравновешенный измерительный механизм показывает при различных положениях одно и то же значение измеряемой величины.

Для создания необходимого успокоения ИМ снабжают успокоителями, развивающими момент, направленный навстречу движению (время успокоения не более 4 с). В ИМ наиболее часто применяют магнитоиндукционные и воздушные успокоители, реже - жидкостные (когда требуется очень большое успокоение).

Магнитоиндукционный успокоитель (рис. 5.4, о) состоит из постоянного магнита 1 и алюминиевого диска 2, жестко связанного с подвижной частью механизма и свободно перемещающегося в поле постоянного магнита. Успокоение создается за счет взаимодействия токов, индуцированных в диске при его перемещении в магнитном поле постоянного магнита с потоком этого же магнита.

Воздушный успокоитель (рис. 5.4, б) представляет собой камеру /, в которой перемещается легкое алюминиевое крыло (или поршенек) 2, жестко связанное с подвижной частью ИМ. При перемещении воздуха из одной части камеры в другую через зазор (между камерой и крылом) тормозится движение крыла и колебания подвижной части быстро затухают. Воздушные успокоители слабее магнитоиндукционных.

Логометры

Логометры - приборы электромеханической группы, измеряющие отношение двух электрических величин Y 1 и Y 2:

α = F(Y 1 / Y2) n , (5.41)

где n - коэффициент, зависящий от системы ИМ.

Особенность логометров заключается в том, что вращающий М и противодействующий М α моменты в них создаются электрическим путем, поэтому логометр имеет два воспринимающих элемента, на которые воздействуют величины Y 1 и Y 2 , составляющие измеряемое отношение. Направления величин Y 1 и Y 2 должны выбираться такими, чтобы моменты М и М α , действующие на подвижную часть, были направлены навстречу друг другу; при этом подвижная часть будет поворачиваться под действием большего момента. Для выполнения этих условий моменты М и М α должны по-разному зависеть от угла отклонения подвижной части прибора.

Источниками погрешности логометра служат неидентичное выполнение двух воспринимающих элементов, особенно при наличии ферромагнитных материалов; наличие в логометре дополнительных моментов М доп (от трения в опорах, безмоментных подводок, неуравновешенности подвижной части). Следовательно,

M = М α + М доп. (5.42)

Присутствие дополнительного момента М доп делает показания логометра зависящими от побочных факторов (например, напряжения). Поэтому на шкале логометра указывают рабочий диапазон напряжения, в пределах которого градуировка шкалы справедлива. Верхний предел напряжения определяется максимальной мощностью, выделяемой в цепях логометра, а нижний - М доп. Стрелка, не включенного под напряжение логометра, из-за отсутствия механического противодействующего момента занимает безразличное положение.

Рис. 5.18. Устройство механизма магнитоэлектрического логометра

Действие магнитоэлектрического логометра заключается в следующем.

В неравномерное магнитное поле постоянного магнита (рис. 5.18) помещают подвижную часть ИМ, содержащую две рамки, жестко скрепленные под углом d = 30°-90° и насаженные на общую ось. Токи I 1 и I 2 подводят к рамкам с помощью безмоментных токоподводов. Направление токов таково, что ток I 1 создает вращающий, а I 2 - противодействующий моменты:

M = I 1 (∂Ψ 1 /∂α); M α = I 2 (∂Ψ 2 /∂α), (5.43)

где Ψ 1 , Ψ 2 -потоки, создаваемые магнитом и сцепленные с рамками.

Моменты М и M α изменяются в зависимости от изменения угла α. Максимальные значения моментов будут сдвинуты на угол d, что позволяет получить на рабочем участке уменьшение М и увеличение M α . При равновесии I 1 (∂Ψ 1 /∂α) = I 2 (∂Ψ 2 /∂α), откуда

где f 1 (α), f 2 (α) - величины, определяющие скорость изменения потокосцепления.

Из равенства моментов следует, что

α = F(I 1 / I 2) (5.45)

Если отношение токов выразить через искомую величину X, то

α = F 1 (X). (5.46)

Существование данной функциональной зависимости возможно при выполнении основного условия работы логометра, т.е. при ∂Ψ 1 /∂α ≠ ∂Ψ 2 /∂α, которое обеспечивается при искусственно созданной неравномерности магнитного поля в воздушном зазоре логометра. Магнитоэлектрические логометры применяют для измерения сопротивлений, частоты и неэлектрических величин,

Электро- радиотехнические измерения

В книге рассмотрены основные методы измерений электрических и радиотехнических величин на постоянном токе и переменном в широком диапазоне частот. Описаны измерительные схемы, их принципы построения и приведены технические характеристики наиболее широко распространенных измерительных приборов. Даны примеры расчетов, облегчающие усвоение материала. Учебник может быть использован при профессиональном обучении рабочих на производстве.

Основные определения. Особенности и методы измерений.
Общее в качественном отношении свойство многих физических объектов (физических систем, их состояний, происходящих в них процессов) называют физической величиной. В электро- и радиотехнике физическими величинами являются электрическое напряжение, сила тока, мощность, энергия, а также электрическое сопротивление, электрическая емкость, индуктивность, частота.

Физическая величина может иметь различные значения. Определенное значение принимают в качестве единицы измерения физической величины. Как правило, таким значением является единица

Измерение данной физической величины - это определение ее значения опытным путем. Количественный результат, т.е. результат измерений, получают, сравнивая найденное значение физической величины с единицей ее измерения.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава первая. Общие сведения об измерениях
§1. Основные определения. Особенности и методы измерений
§2. Физические величины и их единицы измерения
§3. Погрешности измерений
§4. Классификация и система обозначений измерительных приборов
Глава вторая. Электромеханические измерительные приборы
§5. Общие сведения
§6. Приборы магнитоэлектрической системы
§7. Приборы электромагнитной системы
§8. Приборы электро-, ферродинамической и индукционной систем
§9. Приборы электростатической системы
Глава третья. Измерение постоянного тока и напряжения
§10. Измерение постоянного тока магнитоэлектрическим прибором
§11. Измерение постоянного тока электронным микроамперметром
§12. Измерение постоянного напряжения магнитоэлектрическим прибором
§13. Измерение постоянного напряжения электронными приборами
Глава четвертая. Измерение переменного тока и напряжении
§14. Общие сведения
§15. Приборы термоэлектрической системы
§16. Приборы выпрямительной системы
§17. Амперметры и вольтметры выпрямительной системы
§18. Комбинированные приборы
§19. Электронные вольтметры
§20. Цифровые вольтметры
Глава пятая. Измерение параметров элементов электрических н радиотехнических цепей
§21. Общие сведения
§22. Прямопоказывающие омметры
§23. Метод вольтметра - амперметра
§24. Мостовой метод
§25. Резонансный метод
Глава шестая. Измерение параметров диодов, транзисторов и электронных ламп
§26. Измерение параметров диодов
§27. Измерение параметров биполярных транзисторов
§28. Измерение параметров полевых транзисторов
§29. Испытание электронных ламп
Глава седьмая. Измерительные генераторы
§30. Общие сведения
§31. Генераторы сигналов низких частот
§32. Генераторы сигналов высокой частоты
§33. Генераторы сигналов сверхвысокой частоты
§34. Генераторы импульсных сигналов
Глава восьмая. Электронные осциллографы
§35. Общие сведения
§36. Электронно-лучевая трубка
§37. Осциллографические развертки
§38. Генераторы линейно нарастающего напряжения
§39. Каналы управления
§40. Измерение напряжений и временных интервалов
Глава девятая. Измерение частоты
§41. Общие сведения
§42. Осциллографический метод сравнения частот
§43. Сравнение частот по нулевым биениям
§44. Резонансный метод измерений частоты
§45. Прямопоказывающие аналоговые частотомеры
§46. Прямопоказывающие электронно-счетные частотомеры
Глава десятая. Измерение параметров модулированных колебаний и спектра
§47. Измерение параметров модулированных колебаний
§48. Исследование спектра
§49. Измерение нелинейных искажений
Глава одиннадцатая. Измерении в цепях с распределенными постоянными
§50. Измерительные линии
§51. Измерение мощности
Литература.