Электрические измерения

Консп. Электрические измерения—90ч

Введение.-2ч.

Менделеев: Наука начинается с тех пор, как начинают измерять, точная наука немыслима без меры.(директор Главной палаты мер и весов)—1893.

Депо образцовых мер—1842, закон о мерах и весах.

Ломоносов, Рихман—указатель электрической силы (40-е годы 18 века).

Фарадей создал прообраз прибора магнитоэлектрич. системы—магнитная стрелка!

Доливо-добровольский –рядэлектромагнитных приборов.

Акад. Шулейкин в 1913. создал первую заводск. лаб. по производству электроизмер. приборов.

Метрология–метрон-мера, логос-учение.—наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения указ. точности.

ЯКОБИ-попытка ввести единство в систему измерения различных физич. единиц. В его время было: 15 единиц электрич. сопротивления, 5 ед. электрич. тока, 8 ед. ЭДС!

1^й конгресс по электричеству 1881в Париже (Россию представлял Столетов). Системы единиц (СГС, практич. система …).

Эталоны электрических величин.

1927-з-д Электроприбор, (Вибратор), выпуск не только А, В-метров, но сложнейших приборов, в т.ч осциллогрвфов и для неэлектрич. величин.

МЕЖДУНАРОДНАЯ СИСТЕМА единиц—СИ (Систем интернациональ—франц.).

7 основных (метр, килограмм, с, ампер, моль, кандела) и 2 доп. (рад., стерад). Производные единицы.
Приставки к единицам.

 

Раздел 1. Основы метрологии и измерительной техники.

1.1 Национальная метрологическая служба. Эталоны. Образцовые и рабочие средства измерений. Меры—2ч.

Все, производящееся в государстве, должно быть сопоставляемо. Задачи гос. метрологич. службы,научные—теории измерений, совершенствован. методов, эталонов, математ. теории…

практические—государственные испытания на соответствие стандартам, выпуск эталонов и раб. средств измерен..поверка средств измерен., ревизия средств измерен.

законодательная-соблюдение общих правил и требований, обеспечивающих единство измерений единообразие средств измерений.

Государственная метрологическая служба (в Беларусии—Госстандарт—институт стандартизации и унификации), которая обеспечивает все эти требован.

Эталоны. воспоизводят единицу (тока, нпаряжения, метра..). В стране—первичный эталон (наивысшая в стране точность). Международный эталон метра—В Париже.

Перв. эталон, официально утвержден .в качестве исходного,--ГОСУДАРСТВ. эталон (утвержден гос. стандартом).

Вторичные эталоны—эталон-копия (для передачи размеров рабочим эталонам):

эталон сравнения (для сличения эталонов);

эталон-свидетель (для проверки сохранности гос. эталона, если он невоспроизводим, и замены его);

Рабочий эталон—для передачи размера единицы рабочим средствам.

Образцовые средства измерен. служат для поверки по ним других средств измерен. Они хранятся в лабораториях. Гос. метролог. службы.

Мера-средство измерен., предназначенное для воспроизведения физич. величины заданного размера: мера ЭДС, мера электрич. сопротивления, мера индуктивности, мера электрич. емкости.

Меры могут быть образцовыми и рабочими.

 

1.2 Погрешности измерений. Обработка результатов измерений—2ч.

Результат измерен.—приближенный результат.

Абсолютная погрешность Δ= А-Х, относит. погрешность δ= (приближеное значение Х).

Единицы измерен.погрешностей. Составляющие погрешности—случайная, систематическая:( методическая, инструментальная (аппаратная), субъективная, внешняя (условия)).

Обработка результатов. Погрешность прибора зависит от погрешностей его узлов.

Систематические относительные погрешности суммируют алгебраически с учетом знаков. Неточность из- за знаков.

Среднеквадратическая погрешность. Теория вероятностей. Методики измерений.

 

1.3 Общие сведения о методах и средствах измерений—2ч.

(начало) Измерения могут быть: прямыми (числовое значение изм. величины считывают с приборов) и косвенными (искомое значение определяют по формуле- измерение мощности А-метром и В-метром). Кроме того, существуют методы сравнения (измеряемая величина (или ее действие) сравнивается с известной величиной (или ее действием) а) метод противопоставлен; б) дифференциальный метод. в)нулевой; г) метод замещения; д) метод совпадений..

Средства измерен.: меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, вспомогательные средства. Могут быть измерит. установки и измерит. системы.

Измерит. приборы—аналоговые,цифровые (можно наблюдать)

преобразователи—нельзя наблюдать

вспомогательное средство—улучшает средство измерения, меняет метрологические свойство основного средства измерен.

Погрешность средства измерен.—влияет на погрешность измерен.Основная погрешность—при НУ. Дополнительная погрешность—при отклонениях от НУ.

Абсолютная погрешность Δ.

Относит. погрешность прибора δ

Приведенная погрешность ν (ν= , где L- макс значен величины, если 0 на краю или вне шкалы; сумма значен. справа и слева от 0, если 0 в середине).

 

 

1.4 Общие сведения об электроизмерительных приборах—2ч.

Характеристики.

1 Статическая погрешность—погрешность при измерении неизменяющейся величины (абс, относит., приведенная).

Аддитивная (суммируемая с измеряемой величиной) и мультипликативная (умножаемая на измеряемую величину) составляющие абсолютной погрешности. А- не зависит от измеряемой величины, М-прямо пропорциональна ей.

2 Класс точности- обобщенная характеристика прибора, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей. Класс точности определяется дробью, числитель которой зависит от аддитивной составляющей, знаменатель—от М. В аналоговых приборах (стрелочные приборы с малой М-составляющей) класс выражается одним числом: основная приведенная погрешность прибора не должна превосходить класса прибора.

3 Вариация показаний—наибольшая разность показаний при измененииизмеряемой величины вверх и вниз (трение)

4 Статическая характеристика преобразования.

5 Чувствительность прибора (10 дел на А, или 3 дел на В). Обратная величина—цена деления

6 Время установления показаний.

7 Собственное потребление (от10^-12 до 15 Вт)

Раздел 2. Аналоговые измерительные приборы.

2.1 Общие сведения и классификация –2ч. (Фремке , Хромой—3.1)

Аналоговые—непрерывная функция измеряемой величины. Стрелочные приборы содержат: 1—измерительный механизм—воспринимает энергию измеряемой величины и преобразует ее в перемещение подвижной части—отсчетное устройство.

2—отсчетное устройство (шкала и указатель, например, стрелка).

Действие—противодействие (пружина или растяжка), опорные устройства (растяжка –без трения).

3—успокоители. Классы точности 0.05; 0,1; 0,2; 0,5; 1.0; 2.5; 4; 5;

Деление шкалы. Равномерная—неравномерная шкала. Начальное и конечное значение шкалы. Диапазон измерений. Зеркальная шкала. Световой указатель.

Конструкция противодействующего механизма:1- пружина; 2- вал измерительного механизма; 3- поводок, который может поворачиваться 4- эксцентриком.

Растяжки_ Успокоитель (воздушный или жидкостный)—камера и крыло.

Опоры: керн-1, подпятник 2 в оправе.

 

 

2.2 Магнитоэлектрические и выпрямительные приборы (Хромой-3.2 и 3.8)

Подвижная рамка в кольцевом зазоре между наконечниками полюсов и сердечником цилиндр. формы. Керны. Равномерное поле. Противовесы. Магнитный шунт для регулирования поля. Равномерная шкала.

Вращающий момент

M=ФωI=BSωI.

B, S, ω – постоянные величины,

Противодействующий момент зависит от угла поворота M=kα

Пружинки из бронзы. Токоподвод.

BSωI= kα. Угол поворота пропорционален току в рамке. Токи до 10^-8А!

Успокоение (вихревые токи).

Гальванометр не имеет градуированной шкалы. Чувствительность—растяжки.

Выпрямительные приборы используются для применения магнитоэлектрич. приборов (высокая чувствительность ) в цепях переменного тока. Одно, двухполупериодное выпрямление.

 

2.3 Приборы электромагнитной и электродинамической систем Хромой 3.4

 

Неподвижная катушка из медного провода. Сердечник из ферромагнитн. матер. Противодействие –пружинка (бронза) . Токоподвод отдельный. Шкала неравномерная. Зависит от формы сердечника. Секционирование для многопредельности.

Влияние внешних магнитных полей. Экранирование. Астазирование (астатирование-от внешн. магнитн. полей).

1. Для переменного тока измеряется действующее значение.

2.Может измеряться и пост. ток. Разные значения при росте и убывании тока (гистерезис).

3. Неравномерная шкала. ОТ формы седечника добиваются равномерности на большом участке.

Достоинства: простота, дешевизна, надежность. Перегруз. способность (нет токоподводов).

Недостатки: малая точность и чувствительность. Специальные материалы.

 

 

Электродинамическая система (Хромой 3.3).

2 неподвижные катушки, одна подвижная. Магнитный поток –по воздуху. Если не по возд.—ферродинамич. система.

Токи могут быть в разные стороны, отклонение –в одну. Угол поворота α зависит от величины тока. Можно изготовить прибор так, что в катушках будет протекать один ток, а можно—разные. В любом случае α= I₁I₂ .

Прибором можно измерять как постоянный ток, так и переменный.

1. I₁=I₂. Тогда α=0, =1 и показания прибора пропорциональны квадрату тока (шкала неравномерная).

2. I₁ ≠I₂ (катушки подключены не последовательно). Тогда можно производить различные измерения. Варианты:

 

 

 

 

а) Последовательное соединение катушек. Измерение небольшого тока тока (см. п.1).

б) Чтобы ограничить ток катушек, вкл. R_д.Такое включение подходит для измерения напряжения. Шкала пропорциональна U², т.е. неравномерна.

в) Обмотки включены параллельно, подвижная—через добавочное сопротивление для ограничен. тока. Обе включены последовательно с нагрузкой. Прибор измеряет ток с квадратичной шкалой. Можно измерять большие токи (неподвижн. катушка—основной ток).

г) R_Н –нагрузка. Неподвижная—последовательно с нагрузкой, подвижная –параллельно.

α= I₁I₂ .

I₁—ток в нагрузке, I₂ пропорционально напряжению U на нагрузке. Показание

α= UI

пропорционально мощности, выделяемой на нагрузке. Ваттметр.

Если ток в рамке искусственно сдвинуть относительно тока в катушке на φ=90⁰, показания станут

α= UI--реактивная мощность, варметр!

Для варметра—специальное подключение обмоток (*).

Можно измерять как постоянный, так и переменный токи. Градуируют на постоянном, используют на переменном (невыгодно использовать на пост.—дешевле электромагн. система)

 

 

2.4 Логометры (Хромой—3.6)

Могут строиться на основе приборов магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической систем. Измеряют отношение двух величин. Две катушки под углом 30⁰…90⁰.

Безмоментный подвод тока. Нет противодействующих пружин. Моменты каждой из катушек противоположны моментам другой. Сердечник эллиптической формы, В в зазоре неравномерно. При повороте М одной из катушек растет, другой убывает. При равенстве моментов поворот завершается. Моменты пропорциональны токам.

М₁= F₁(α)I_{1 ,} М₂=F₂ (α) I₂

F₁I₁= F₂ (α)I₂, =F₃(α).

α =F₄(.

Применяются для измерения частоты, фазы. сопротивлений.

Основное качество—независимость от напряжения источника.

 

2.5 Термоэлектрические приборы (Хромой 3.7)

 

Преобразование измеряемого переменного (постоянного—невыгодно) тока в тепло, измерение температуры термопреобразователем, включенным в цепь магнитоэлектрич. прибора.

Нагреватель—тонкая проволока из нихрома из нихрома или константана (термостойкий материал).

а)контактный (непосредственно приварен к термопреобразователю);

б) бесконтактный (изолятор—стекляння бусинка) Выше точность, но больше инерционность, нет влияния тока нагревателя.

в)термокрест—разные проводникисварены в одной точке (для малых токов);

г) термобатарея—повышенная чувсвительность. Шкала квадратичная.

Выпускают приборы для измерения тока и напряжения при частотах до 0,5 МГц. Т. как шкала квадратичная, можно измерять мощность ( I²R).

Погрешности: из--за изменения внешнейтемпературы (меняются сопротивления как нагревателя, так и измерит. механизма—от Т термопары погрешность не зависит);

от длительности включения—прогрев составных частей;

от частоты измеряемого тока. Есть приборы—до100МГц.

Недостаток: малая перегрузочная способность, потери энергии (заключают в вакуум), большое потребление энергии.

 

 

2.6 Приборы электростатической и индукционной систем.

 

 

 

Отталкивание за счет разности потенциалов: измеряют напряжение (киловольтметры). Полярность неважна. Могут использоваться при измерении пост. и перем. токов.

а) алюминиевые пластины втягиваются между секторами неподвижных пластин, образуя конденсатор. Чем меньше расстояние между пластинами, тем больше силы притяжения и чувствительность. Чем больше пластин, тем больше чувствительность.

Упругий элемент, обычно растяжка, на ней зеркало!

Показания почти не зависят от частоты измеряемого напряжения. Электростатическое экранирование Приборы от 30 до 30 кВ.

б) перемещение подвижного электрода с помощью оттяжки передается на ось со стрелкой. Измеряемое напряжение до 75 кВ. На показания мало влияют: частота, форма, температура, внешние магнитные поля.

 

 

Индукционные приборы

Индукционный механизм—два или более неподвижных электромагнитов и алюминиевый диск. Переменные магнитные потоки электромагнитов индуцируют в диске ЭДС, вызывающие токи, которые взаимодействуют с магнитными потоками электромагнитов, создавая вращение диска.

Если магнитные потоки сдвинуты на 90⁰ , эффект вращения максимален. Из диаграммы видно, что ток I₂ , возникающий от потока Ф₂ , по фазе противоположен потоку Ф₁, а ток I₁ - cовпадает по фазе с потоком Ф₂. Взаимодействие со своим потоком минимально. Рассмотрение взаимодействия по правилу левой руки показывает, что вращающий момент от обоих взаимодействий направлен в одну сторону. Если бы токи I₁ и I₂ совпадали по фазе, то изображение их было бы в соответствии с верхним рисунком токов. Тогда диск не вращался бы. При противоположном направлении (внизу) момент будет в одну сторону (правило левой руки).

 

 

 

 

Если потоки сдвинуты на угол ψ , меньший 90⁰, эффект вращения меньше. В любом случае вращающий момент М=сf Ф₁Ф₂.. где

f—частота.

Для создания вращающего момента необходимо а) иметь два сдвинутых по фазе и смещенных в пространстве магнитных потока; б) вращающий момент максимален при ψ=90⁰; в) вращающий момент зависит от тока.

 

2.7 Измерительные мосты и приборы сравнения (компенсаторы--потенциометры)

Одинарные мосты постоянного тока. Можно измерять: сопротивление, индуктивность, емкость и т.д., а также неэлектрические величины электрич. методами. Плечи моста; диагонали. Гальванометр.

Уравновешенные и неуравновешенные мосты.

Для уравновешенного моста r₁r₄=r₂ r_3. Подбор сопротивлений.

Мосты переменного тока—источник питания переменный ток Позволяют измерять емкость (сравнение с образцовой емкостью), угол электрических потерь конденсатора, индуктивность.

Принцип действия компенсатора

Компенсаторы применяются для измерения ЭДС, тока, сопротивления. Погрешность не превышает ±0,02%. Введены следующие обозначения.

Е_н –эдс нормального элемента,

Е_х –измеряемая ЭДС,

Г—магнитоэлектрический гальванометр,

r_{н –}образцовое сопротивление ( по нему выбирается рабочий ток компенсатора),

r—регулируемое сопротивление известного значения, например, магазин сопротивлений;

r₁ –реостат,

Е_ви—ЭДС вспомогательного источника.

 

Методика измерения

1. Переключатель S в положении а. Изменением r₁ добиваются, чтобы ток гальванометра был равен нулю. Это значит, что напряжение на r_н равно напряжению нормального элемента. Установился рабочий ток нижней части схемы . Е_ви должно быть стабильным.

2. Переключатель S в положении б. Изменением r добиваются, чтобы ток гальванометра был равен нулю. Это значит, что измеряемое напряжение равно напряжению на части сопротивления r—r_х. Оно равно I r_х= r_х.

Для измерения тока его пропускают по известному (образцовому)сопротивлению и измеряют нпаряжение на нем.

Для измерения сопротивления его включают последовательно с образцовым сопротивлением и пропускают по ним известный ток. Напряжения на сопротивлениях пропорциональны сопротивлениям.

Раздел 3. Измерение активных сопротивлений элементов электрических цепей

3.1 Основные методы измерения активных сопротивлений.

Метод амперметра-вольтметра и метод непосредственной оценки. Легче-постоянный ток. Переходные сопротивления. Одну из схем снизу.Зависимость от напряжения источника питания.

3.2 Приборы для измерения активных сопротивлений .

1. Омметры. Две схемы в основе.

 

а) Чем больше r_x, тем меньше ток через прибор магнитоэлектрической системы. Однозначн. зависимость. Если U не меняется, можно отградуировать прибор на Оммы. U= Const невыполнимая задача. Магнитный шунт. Ручка на корпусе прибора. Измерение: закорачивают выводы прибора и магнитным шунтом доводят показание до нуля (на приборе 0, а ток максимальный).

б) Чем больше r_x, тем больше ток прибора. Максимальный ток при отключенном сопротивлении, магнитным шунтом устанавливают стрелку на деление ∞.

Необходимость ручной регулировки –крупный недостаток омметров. Поэтому это приборы небольшой точности (кл.1,5или 2.5).

2. Комбинированные приборы. Мультиметры. Встроенный микроконтроллер позволяет осуществить некоторые операции. Погрешность зависит от фирмы –изготовителя.

3 Мегаомметры. Логометры позволяют до некоторых пределов не зависеть от напряжения источников питания. α =F₄(. Логометр измеряет отношение токов в обмотках. Обе обмотки

питаются от одного источника питания

Отношение токов I₁ и I₂ не зависит от U. Шкалу прибора градуируют в Омах (Мом).

Обычно так изготавливаются Мегаомметры. Встраиваемый ручной генератор на 100В (токи очень малы, падение напряжения на контактах). Нестабильность напряжения не сказывается.

 

Лабораторная работа №1 Изучение устройства измерительных механизмов различных систем.

 

Раздел 4.Измерение тока, напряжения и реактивных сопротивлений элементов электрических цепей.

4.1 Измерение тока

Чаще других используются магнитоэлектрические, электромагнитные и электродинамиче- ские механизмы.

В магнитоэлектрич.—без шунта (весь измеряемый ток можно пропустить

через измерительный механизм (<20…30мА)—микро и милли А.

Температурная погрешность, источники

1. Пружинки при повышении температуры раскручивыаются—две пру-

жинки с разным направлением витков.

2 При повышении температуры пружинки ослабевают, т.е. прибор будет показывать больше.

3 Магнитный поток постоянного магнита падает при повышении температуры. Показания должны уменьшиться. Явления 2 и 3 компенсируют друг друга.

4 Основной источник погрешности—сопротивление рамок, пружинок, проводов. Однако, ток зависит только от нагрузки (сопротивлен. рамки составляем мизерную часть от сопротивлен. нагрузки). Поэтому в А-метре без шунта темпер. погрешность мала.

С шунтом.Шунт—для измерения токов, больших допустимых токов рамки и пружинок. Выполняется из манганина (малый температурный коэффициент сопротивления).Сопротивление шунта выбирается из следующих соображений.

I—измеряемый ток,

r_и и I_и-сопротивление иток измерительного механизма,

r_ш и I_щ -сопротивление иток шунта.

Если предел измерения нужно увеличить в n = раз, то I_и r_и= I_щ r_ш= (I- I_и) r_ш

 

I_и r_и=( I_и n- I_и) r_ш , откуда r_ш=.(сопротивлен. шунта очень мало)

При повышении температуры сопротивление шунта не меняется, ток через измерительн. механизм (и показания) уменьшается. Ток перераспределяется между шунтом и измерит. механ. Температурная компенсация. Наиболее эффективно последовательное включение с ИМ термосопротивления (ТС) с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Для уменьшения влияния разброса характеристик ТС параллельно им включают манганиновое сопротивление. Такое сочетание называется термокомпенсатором.

В электромагнитных и электродинамических приборах шунты не применяются. Толщина провода катушки выбирается исходя из измеряемого тока. Щитовые приборы выбираются однопредельными, переносные—многопредельными (секционные катушки). Чем больше ток, тем меньше витков.

Температурная (сопротивление пружинок), частотная (вихревые токи) погрешности и погрешность от гистерезиса.

Температурные –материалы пружинок с мало меняющейся упругостью.

Вихр. токи—керамические материалы и сердечник с большим удельным электрич. сопротивлением.

Гистерезис –проявляется при измерениях постоянного тока разных направлений (пермаллой—малая коэрцитивная сила).

 

4.2 Измерение напряжения

Чаще других используются магнитоэлектрические и электромагнитные механизмы.

Магнитоэлектрические приборы. Источники погрешностей те же, что и в

А-метрах. Добавочные сопротивления изготавливаются из манганиновой проволоки. Выбор определяется из следующих соображений.

Напряжение, необходимое для полного отклонения подвижной части (при номинальном токе)

U_н=I_н r_и

I_н –номинальный ток прибора,

r_и—сопротивление обмотки измерительного механизма.

Если добавочным сопротивлением нужно увеличить предел измерения в m раз, то

I_н r_иm = I_н (r_и+r_д)

r_д= r_и (m-1)/

Чтобы сделать многопредельный прибор, нужно подключить несколько добавочн. сопротивлений.

Чем больше r_д, тем меньше температурная погрешность .При измерении малых напряжений r_д мало и погрешности велики. Термомагнитный шунт—пластины из магнитных материалов, у которых магнитная проницаемость уменьшается при увеличении температуры (железо+ никель). Магнитное сопротивление возрастает и магнитное поле вокруг рамки увеличивается.

Электромагнитные и электродинамические приборы. Катушка и r_д включены последовательно. Но здесь есть возможность изменять число витков катушки. Для разных пределов катушку секционируют и используют различные комбинации подключения.

Для больших напряжений используют большие сопротивления. Для напряжений более 600В—измерительные трансформаторы.

Частотная погрешность выше, чем у А-метров, т.к. реактивное сопротивление катушки зависит от частоты.

Область применения—измерения в цепях переменного тока 50Гц.

Кл. точности 1,5; 2.5.

 

 

4.3 Метод непосредственного измерения и метод вольтметра-амперметра

Многие измерения можно свести к измерению напряжений и токов. Зачастую такие измерения точнее, чем специализированным прибором. Например, сопротивления как активные . так и реактивные, можно измерять Омметрами, варметрами. Такое метод называется методом непосредственного измерения. Тоже самое можно выполнить с помощью амперметра и вольтметра. Такой метод называется методом вольтметра-амперметра. Для увеличения точности измерений необходимо учитывать сопротивление А-метра.

 

 

Приближенно: r_x = . Более точно для схемы а) r_x===. Относительная погрешность

ν= =-

 

Для схемы в): r_x=. Относительная погрешность ν= = .

Схемой а) пользуются, если r_x<<r_v. (малые сопротивления)

б) пользуются, когда r_А<<r_x (большие сопротивления).

Метод может применяться и на переменном токе. Можно измерять реактивные сопротивления, емкость, индуктивность и т.д.

 

4.4 Измерение реактивных сопротивлений элементов электрических цепей.

В отличие от активных реактивные сопротивления меняют свое значение в зависимости

от подаваемой на них частоты ω=2πf. Частота должна быть постоянной и известной. Для сети f=50Гц, ω=314.

Измерение индуктивного и емкостного сопротивлений можно проводить в соответствии со схемами. Полное сопротивление z цепи с катушкой (а ) определяют по току и напряжению на ней. r_L—активное сопротивление катушки

.

C другой стороны

z= , где

 

L_x—индуктивность катушки, х_L=ωL.

. 1)

r_L обычно можно пренебречь. Поэтому х_L=ωL=. 2)

В схеме b) = = 3)

так как емкостное сопротивление x_c =. 4)

Сопротивлением утечки r_c конденсатора можно пренебречь. Поэтому x_c= .

Зная ω, можно определить и сами индуктивность и емкость.

 

 

4.5 Приборы для измерения индуктивности и емкости элементов электрических цепей.

Из формул 1)…4) можно определить L и C:

Из 2) L= (Генри)

Из 4) С= =

Следовательно, одним из способов измерения индуктивности и емкости является применение метода вольтметра-амперметра.

Существуют приборы непосредственного измерения емкости и индуктивности (так же, как измерение активных сопротивлений).

Ток, показываемый А-метром,

I==

 

+ =

= , откуда определяется С_х.

Точно так же можно произвести операции и в левой схеме.

Напряжение на С_х тем больше, чем меньше С_х. (Х_с= ). Можно отградуировать V-метр так, что он будет показывать емкость. С_д необходио на случай КЗ (замыкане измерительных конрактов).

 

 

Подобные операции можно произвести и для определения индуктивностей, но в этом случае измерения приблизительны, т.к. индуктивности всегда обладают активными сопротивлениями. Чем выше частота, тем меньше индуктивные сопротивления (по сравнению с активными). Поэтому измерения следует проводить на низкой частоте.

Для измерения активных, емкостных и индуктивных сопротивлений используют комбинированные приборы (ВК7-3, Ц52, Ц57 и т.п.). (Мультиметры являются цифровыми приборами).

 

Раздел 5. Измерение частоты. Частотомеры.

5.1 Методы измерения частоты

Измерение частоты—одна из наиболее часто встречающихся задач техники. Связь: частота, период, длина волны. Методы: 1-сравнения.2- заряда конденсатора,3- мостовые методы—низкие частоты. Для ВЧ: 4-резонансные (для ВЧ и НЧ); 5-подсчет периодов за известный промежуток времени (электронно-счетные),6- осциллографические.

1 Имеется генератор настраиваемой частоты f_Н. f_Н сравнивается с измеряемой частотой f_Х с помощью телефонов. Варианты: f_Х сильно отличается от f_Н. В телефонах слышно два тона с со звуком меняющейся интенсивности F= f_Х- f_Н ;

f_ХН . Частота биений.

f_{Х=Н .} Частота f_ХН. Измерение сводится к получению сигнала биений. а затем к их устранению путем изменения частоты генератора.

Сравнение можно производить и с помощью осциллографа.

2 Заряжается конденсатор от напряжения источника питания. За период измеряемой частоты происходит заряд-разряд. Разряд происходит через измерительный прибор магнитоэлектрической системы. Чем больше частота, тем больше средний ток через прибор.

3 Мостовые методы. Основаны на том. что условие равновесия моста зависит от частоты (емкостное сопротивление). Шкала переменных резисторов, которыми добиваются баланса, могут быть отградуированы в единицах частоты.

4Резонансные. В них имеется резонатор (механический или электронный –колебательный контур), частота которого может перестраиваться (например, изменением индуктивности).Если измеряемая частота совпадает с резонансной частотой контура, ток в нем резко увеличивается. что можно определить по стрелочному индикатору (подключается через трансформатор тока). Резонансная частота известна по настройке. Частотомеры Ч2-31, Ч2-33, ч2-42.

5Электронно-счетные. Синусоидальное колебание превращают в импульсное, колич. импульсов за единицу времени подсчитывают с помощью счетчика.

6 Осциллографические. С помощью однолучевых осциллографов строят фигуры Лиссажу. На ось вертикальной развертки подают известную частоту, горизонтальной—измеряемую. Определенные правила сравнения частот.

Двухлучевые осциллографы позволяют увидеть и сравнить обе частоты.

 

5.2 Частотомеры

2Конденсаторные частотомеры. Конденсатор С с помощью ключа можно заряжать от источника Е и разряжать через измерительный прибор магнитоэлектрической системы. Заряжается до U₁, разряжается до U₂. Δq=C(U₁- U₂)= CΔU.

За время, равное периоду, по прибору протекает средний ток

 

I_ср= = CΔUf, где f= .

Средний ток пропорционален частоте! Однако он пропорционален и ΔU, которое тем больше, чем больше амплитуда колебаний измеряемой частоты. Чтобы исключить это влияние, ограничивают амплитуду колебания на постоянном уровне. Это приводит к тому. что синусоидальное колебание превращается в импульсное, что положительно влияет на работу электронных схем. Конденсаторные частотомеры применяются на частотах от 10 Гц до 1МГц с погрешностью до 3% . Частотомер Ч3-7.

 

5 Электронно-счетные. В силу их высокой точности, цифрового представления информации, возможности связи с ЭВМ нашли самое широкое применение.

Раздел 6. Измерительные генераторы.

6.1 Общие сведения. Генераторы звуковой (низкой) частоты. Назначение и область применения.

6.1.1 Общие сведения. Генераторы гармонических колебаний.

В отличие от обычных генераторов, измерительные генераторы позволяют точно установить параметры выходного сигнала и регулировать их в заданных пределах. Г3-Г4 –генераторы синусоидальных сигналов. Г3- низкочастотные (до 2МГц), Г4-ВЧ. К параметрам генераторов относятся.

Диапазон генерируемых частот. Указываются значения макс. и мин. частот. Диапазон разбивается на поддиапазоны, внутри которых частота устанавливается плавно. Поддиапазоны перекрываются.

Форма сигнала. Гармонические колебания. Импульсные сигналы. Сигналы особой формы.

Погрешность установки частот. Указывается либо для всего диапазона, либо для каждого поддиапазона.

Нестабильность частоты. В технических описаниях приводится этот параметр с указанием в течение какого времени он действует, период подготовки (например, прогрев)для получения стабильного параметра и т.д, Обычно порядок нестабильности 10^-3…10^-5. В спец аппаратуре—значительно ниже (до 10^-9).

Параметры выходного напряжения. Зависят от назначения. Низкочастотные имеют более высокое напряжение (15 В и более) , высокочастотные—мВ или даже мкВ.

Постоянство выходного напряжения. На правильность установки выходного напряжения можно влиять аттенюатором,устройством, позволяющим в некоторых пределах регулировать выходное напряжение. Особенно это важно при переходе с диапазона на диапазон.

 

6.1.2 Генераторы звуковой (низкой) частоты. Назначение. Область применения. Числовые генераторы низких частот.

Генераторы низких частот (синусоидальные, гармонические) вырабатывают частоты от 0,005 Гц до 5 МГц. Они делятся на генераторы основных колебаний (задающий генератор, колебания которого после усиления поступают на выход) и генераторы на биениях (два генератора, один из которых настроен на фиксированную частоту, а другой плавно регулируется). Регулирование частоты—изменением параметров элементов задающего генератора.

Источник сигнала—RC-генератор (задающий генератор), колебания которого через предварительный усилитель поступают на усилитель мощности, к которому могут быть подключены согласующие трансформаторы для работы с различными нагрузками. Переключатель нагрузок коммутирует выходные обмотки трансформаторов. В состав генератора входит аттенюатор для ослабления выходного сигнала. Переход от одного поддиапазона к другому осуществляется ступенчатым изменением задающего элемента. Используются RC-генераторы.

Генераторы низкой частоты используются для настройки, испытаний, и ремонта различных радиотехнических устройств, применяемых в телефонии. радиовещании, акустике, телевидении. Звуковые генераторы вырабатывают частоты от200Гц до 20КГц. На самом деле генераторы перекрывают диапазон частот звуковых генераторов.

Для проверки, настройки, испытаний и ремонта числовой техники используются импульсные генераторы низких частот.

Генераторы НЧ реализуются и с помощью микроконтроллеров. В любительской практике для этого достаточно иметь в компьютере необходимую программу и звуковую карту, с помощью которой можно получать частоты до 22КГц с размахом сигнала до 0,5 В. Выпускаются числовые генераторы НЧ, в основе которых лежит микроконтроллер, способный синтезировать гармонический сигнал. Будущее за подобными генераторами.

 

 

Лабораторная работа№2. Установка частоты, установка и регулировка выходного напряжения генератора НЧ.

 

 

6.2 Генераторы ВЧ (Г4). Назначение и область применения.

6.2.1 Характеристики ВЧ-генераторов. Область применения.

Обозначаются Г4. По диапазону частот ВЧ-генераторы делятся:

высокочастотные (30КГц…300МГц); сверхвысокочастотные с коаксиальным выходом (30 МГц…10 ГГц); сверхвысокочастотные с волновым выходом (более 10 ГГц).

В генераторах предусмотрена модуляция амплитуды и частоты.

Может быть: амплитудная синусоидальная модуляция;

частотная синусоидальная модуляция;

импульсная модуляция (амплитудная манипуляция); Манипуляция служит для преобразования цифровых сигналов. При манипуляции сигнал –переносчик меняется скачком.

частотная манипуляция, комбинированная модуляция.

К параметрам точности относятся: погрешность установки частоты; погрешность установки по уровню напряжения (U- параметр) и мощности (Р-параметр), погрешность установки модуляций.

Несущая частота, модулированная частота. Аттенюатор. Стабилизация выходного сигнала.

Область применения. Настройка радиоприемных устройств, антенные измерения, чувствительность, избирательность, телевидение.

 

Лабораторная работа№3. Изучение измерительного ВЧ-генератора.

 

6.3 Импульсные генераторы. Назначение. Область применения.

6.3.1 Генераторы импульсных сигналов, настройки и регулировки.

Генераторы импульсных сигналов –основной тип генераторов. т.к. аппаратура переходит к импульсной (даже импульсное телевидение). Группа Г5.

Одноканальные—даже при нескольких связанных между собой выходах не имеют регулировки параметров импульсов (кроме амплитуды и полярности).

Многоканальные—не связанные между собой выходы, имеющие раздельные регулировки.

Классификация.-По диапазону длительностей импульсов—микросекундной (10^-1…10⁶мкс) и наносекундной (1…25000нс).

-По характеру последовательности импульсов—непрерывные, серий импульсов, кодовых пакетов.

-По кл. точности. 0,01; 0,03; 0.1; 0,3; 1; 3; 5; 10; 20.

-По соотношению допускаемых основных погрешностей: 1) с калиброванной установкой амплитуды; 2) с калиброванной установкой длительности импульса; 3) с калиброванной установкой частоты следования импульсов; 4) с калиброванной установкой временного сдвига импульса; 5) с одинаковой точностью по п. 1…5.

Автоколебательный и ждущий режимы (пусковой импульс—внешний или кнопка однократного запуска). Устройство задержки—задержка относительно запускающих импульсов от задающего генератора. Плавное или ступенчатое регулирование времени задержки. Усилитель мощности. Аттенюатор. Измеритель размаха (амплитуды).

 

6.3.2 Формирование сигналов прямоугольной формы в импульсных генераторах

 

Импульсы имеют искажения. Определение основных характеристик импульса.

Фронт; срез.

А-амплитуда (размах) определяется по пересечению линии фронта с плоской частью импульса. Амплитуда зависит от нагрузки. Задается сопротивление нагрузки.

τ—длительность импульса определяется на уровне 0,5А.

τ_Ф—длительность фронта определяется от 0,1 до 0,9А.

τ_С –длительность среза определяется от 0,9 до 0,1 А. Обе величины нормируются по погрешностям.

b₁ и b₂ –выбросы на вершине и срезе оцениваются в % от амплитуды.

 

Раздел 7. Электронные осциллографы

7.1 Назначение. общие сведения, классификация электронных осциллографов

Осцилум—колебание (лат), графо -пишу (греч.). Запись колебаний. Иногда—осциллоскоп. Воспроизведение в графической форме зависимостей (чаще всего от времени в декартовой системе координат). Х- ось времени, У—изучаемая величина. Амплитуда, длительность, частота, фаза и т.д.

Электромеханические, электронные осциллографы. С1-универсальный, С8—запоминающий, С9—специальный. Две другие цифры-- № в семействе однотипных приборов.

Классификация: - по быстродействию каналов У и Х,

по количеству лучей—однолучевые и многолучевые (многолучевые по развертке лучей);

по размеру экрана;

по возможностям настройки на сигнал-- ручные и автоматические;

запоминающие и без запоминания;

скоростные и стробоскопические .

Принцип действия. Электромеханическая развертка (связь с декартовой системой координат). ЭЛТ—лучшее воплощение идеи живого графического изображения.

Мозаичный экран (ЖКИ, или полупроводниковый, или плазменный)—современное стремление упростить и уменьшить размеры осциллографа.

 

7.2 Структурная схема универсального однолучевого осциллографа

 

 

Аттенюатор—ослабитель сигнала в том случае, если он превышает заданные пределы.

Усилитель Y усиливает исследуемый сигнал в соответствии с положением переключателя или автоматически.

Устройство запуска развертки служит для того, чтобы развертка начиналась вместе с сигналом. Устройство запуска может работать по сигналу с усилителя Y (такой сигнал будет формироваться, когда сигнал Y начинает изменяться,—внутренняя синхронизация), но может работать по внешнему сигналу (см. переключатель S1).

Генератор развертки создает пилообразный импульс напряжения, которое при прямом ходе равномерно (линейно) растет, и скачком (быстро) убывает при обратном ходе. Напряжение импульса соответствует равномерному течению времени в течение развертки. При обратном ходе яркость луча должна гаситься с помощью устройства управления яркостью.

В состав электронной трубки входит система формирования узкого электронного пучка и вертикально и горизонтально отклоняющих электродов.

 

7.3 Принцип формирования луча и управление лучом

7.3.1 Устройство электронно-лучевой трубки

Идея: сформировать электронный луч, который отклонялся бы по двум координатам (Х, У), направить его на плоский экран, который светился бы под действием луча.

Источник электронов—нагретый катод (никелевый цилиндр 3, на дно которого нанесен слой окиси бария, стронция и т.д.). Нагреватель 4—вольфрамовая спираль. в изоляции. Питается переменным током (6.3В, 0,1…1А).

Интенсивностью луча необходимо управлять (разная скорость, разное воздействие на экран). Модулятор 2—диск с малым отверстием. Регулируя напряжение между катодом и модулятором, можно менять количество электронов, проходящих через отверстие в единицу времени. При достаточно большом отрицательном напряжении относительно катода луч можно полностью запереть.

Первый анод 5—высокий положительный потенциал ускоряет электроны; фокусирующий электрод 6 сжимает пучок в очень тонкий луч.

Отклоняющие пластины вертикального 7 и горизонтального 8 отклонения позволяют лучу попасть в любую точку экрана 1.

Электростатическое отклонение: отклонение луча пропорционально напряжению. Магнитное отклонение (телевизоры)-- нет пропорциональности. Недостаток электростатического отклонения: нет возможности получить большой угол отклонения, что вынуждает делать трубки длинными. Экран 1 покрыт люминофором. При попадании пучка электронов в точку люминофор светится. Интенсивность свечения зависит от мощности (интенсивность * время) электронного пучка. Свечение должно продолжаться до тех пор, когда горизонтальный луч пройдет весь экран.

На второй анод 9 подается ускоряющее напряжение, позволяющее производить отклонение пластинами при относительно малой скорости электронов.

 

7.3.2 Формирование изображения

Равномерное смещение светового пятна в горизонтальном направлении осуществляется напряжением развертки, в вертикальном— напряжением исследуемого сигнала. С течением времени напряжение должно равномерно возрастать (прямой ход луча ab) и как можно быстрее возвращаться в исходное положение (bc)—пила! Время прямого T_пр и время обратного Т_обр хода лучей. Т—период развертки. Важнейшее условие—постоянство скорости развертки.

Периодический сигнал. Период развертки должен быть равен периоду сигнала. Тогда каждый период происходит наложение последующего изображения на предыдущее. Изображение неподвижно.

б) Период развертки меньше периода сигнала. Развертка начинается с того момента, на котором она прервалась в предыдущем цикле. Изображение бежит вправо.

в) период развертки больше периода сигнала. Изображение бежит влево.

 

Чтобы иметь возможность подстраиваться под сигналы любой периодичности, частоту генератора развертки можно регулировать.

Синхронизация. Можно установить режим внутренней синхронизации, когда используется исследуемый сигнал, или режим внешней синхронизации, когда используется либо внешний генератор с частотой, кратной частоте сигнала, либо сам сигнал. Гашение сигнала развертки во время обратного хода. Синхронизация в два этапа:1) в одном периоде развертки должно укладываться целое число периодов сигнала. Это обеспечивается подстройкой частоты генератора развёртки (синхронизация). 2) подбирается напряжение синхронизации до получения устойчивого сигнала. Ждущий режим

 

7.4 Развертки электронного осциллографа

7.4.1 Виды разверток

-Пилообразные развертки. Если продолжительность одного периода развертки в n раз больше периода изучаемого напряжения, то на экране появится n периодов. Развертка полностью соответствует изображению процесса в декартовой системе координат.

Технически сложная задача. Обычно используют заряд конденсатора. Стремятся, чтобы коэффициент использования напряжения

ξ =

(где U_р –максимальное напряжение развертки, Е-напряжение источника питания; Е может достигать сотен В) был как можно больше. Сложность состоит том. что закон изменения напряжения на конденсаторе—экспонента, а нужна прямая линия.

Способы линеаризации. Стабилизация тока заряда конденсатора. Для этого используются токостабилизирующие транзисторы(при пост. токе базы коллекторный ток мало меняется).

Применение ОС в генераторе пилообразных колебаний, которое сводится к тому, что чем больше нелинейность на выходе, тем большее напряжение, стремящееся сгладить эту нелинейность, поступает на вход усилителя..

Синусоидальная развертка. Напряжение развертки обычно подают извне. Если на входы осциллографа подавать синусоидальные сигналы, на экране будут фигуры Лиссажу, по которым можно исследовать соотношения между подаваемыми сигналами, такие как частоты, фазы, амплитуды.

Если сигналы не имеют сдвига по фазе, получаются прямые линии. наклон которых зависит от соотношения амплитуд. При сдвинутых на 90⁰ синусоидальных сигналах получают эллипсы, окружности и даже спирали (если равномерно изменяется амплитуда).

 

7.4.2 Калибровка. Применение осциллографа для анализа сигналов

Экран осциллографа представляет собой разлинованную декартову систему координат. Зная масштаб по каждой из осей, можно измерить параметры сигналов. Переключателем устанавливается масштаб, например, 5 , или длительность развертки 1мс на деление. По клеточкам можно достаточно точно определить измеряемые напряжение или длительность.

Для обеспечения точности осциллограф необходимо периодически калибровать, т.е. подстраивать каналы Х и Y. Встроенные калибраторы, выдающие симметричные прямоугольные импульсы (меандры) заданного периода и размаха.

Для калибровки совмещают калибровочный сигнал с линиями шкалы и определяют погрешность. При её наличии изменяется коэффициент усиления по заданной оси специальными настройками, которые обычно вращаются шлицевыми осями подстроечных резисторов.

Применение осциллографа для анализа сигналов.

Синусоидальный сигнал. Добиваются устойчивой картинки и определяют период и амплитуду в соответствии с положениями переключателей. Можно менять масштаб изображения, чтобы проанализировать более детально определенные участки колебаний.

Импульсный периодический сигнал. Поступают так же, как и при синусоидальном сигнале. Есть возможность проанализировать: частоту; коэффициент заполнения (или скважность); крутизну фронтов и спадов; размах колебаний.

Импульсный непериодический сигнал. Можно воспользоваться ждущей разверткой. Лучше всего, если осциллограф будет с запоминанием.

Исследование с помощью фигур Лиссажу. Чаще всего применяют для сравнения двух синусоидальных сигналов. На вход Х подают один сигнал, на Y –другой. Устанавливают одинаковую чувствительность по обоим каналам и наблюдают фигуры. В соответствии с каталогом фигур Лиссажу можно установить: соотношение частот; сдвиг по фазе; соотношение амплитуд. Эти величины легче всего установить для дискретных значений. Например, частоты могут быть в отношениях: 1:1; 1:2; 1:3; 2:3 и др. Фазы: 0; ; ; ; π.

 

 

Лабораторная работа № 4. Изучение техники измерения параметров непрерывных сигналов с помощью осциллографа.

 

7.5 Осциллографический метод измерения частоты

7.5.1 Период и частота. Частота гармонических и импульсных сигналов

Рисунки синусоиды и импульсного сигналов. f= . Для импульсных: меандр, скважность (отношение периода импульсного сигнала к его длительности), коэффициент заполнения (обратная величина).

7.5.2 Действия по измерению частоты

1.Так как в осциллографе имеется калибратор, то измерение частоты исследуемого сигнала можно сравнить либо с частотой импульсов калибратора, либо с интервалом времени между метками. Частоты легче всего сравнивать с помощью двухлучевого осциллографа.

На один канал подается частота калибратора (или просто известная частота), на другой –исследуемая. По клеточкам сравниваются временные интервалы (частота развертки задается переключателем).

В однолучевых осциллографах исследуемая частота подается на канал У, а калибратор создает метки заданной длительности. По ним можно определить период и другие характеристики. Преимущество этих способов в том, что может исследоваться сигнал любой формы, недостаток—невысокая точность.

2. По фигурам Лиссажу. Любая фигура Лиссажу вписывается в прямоугольник со сторонами, равными удвоенной амплитуде колебаний по данной координате. Отношение числа касаний с одной из вертикальных сторон этого прямоугольника к числу касаний с одной из горизонтальных сторон прямоугольника равно отношению частот. Чтобы фигура была попроще стараются приблизить частоты, подбирая частоту эталонного генератора.

 

Лабораторная работа №5. Изучение техники измерения импульсных сигналов с помощью осциллографа.

 

Раздел 8. Измерение мощности и энергии.

8.1 Измерение мощности. Ваттметры

 

P= UI Для постоянного тока подходит метод вольтметра-амперметра. Приборы магнитоэлектрической, электродинамической систем. Неудобство—два отсчета. В схеме a) амперметр учтет ток, потребляемый V-метром, в схеме b) V-метр учтет напряжение, падающее на А-метре. Для повышения точности в случае a) необходимо, чтобы V-метр имел как можно большее сопротивление по сравнению с нагрузкой; в случае b) А-метр должен иметь как можно меньшее сопротивление по сравнению с нагрузкой. На практике эти потери невелики и их можно не учитывать.

Для однофазного переменного тока P= UI . Возникнет угловая погрешность, связанная с несовпадением тока и напряжения по фазе.

В схемах с) и d) для измерения мощности включен прибор электродинамической системы, который в данном случае будет ваттметром. Подключение обмоток влияет на погрешность. Поэтому начала обмоток в приборе обозначены *. Угол поворота ваттметра зависит и от тока и от напряжения. Сдвиг по фазе учитывается. Поэтому ваттметр измеряет активную мощность.

Для измерения мощности в несимметричных трехфазных цепях используется метод двух ваттметров, включаемых по специальной схеме. Мощность равна сумме мощностей обоих ваттметров.

 

8.2 Измерение израсходованной энергии (счетчики энергии)

В качестве счетчика энергии используются индукционные приборы. Принцип действия рассматривался при их изучении. Хотя счетчик значительно сложнее по конструкции, т.к. он должен учесть трение, рассеяние потоков, потери на гистерезис и вихревые токи и т.д.

Момент, вращающий диск М= UI .

Должно быть противодействие пропорциональное угловой скорости вращения диска. В счетчике несколько таких устройств. Одно из них (самое простое) представляет постоянный магнит, установленный на периферии диска. В перемещающемся диске по правилу правой руки возникают токи, величина которых зависит от скорости вращения диска. Токи взаимодействуют с магнитом, создавая момент. направленный против скорости М= кn, где к—коэффициент пропорциональности, n—число оборотов диска в минуту.

UI = кn. Умножив на t –время работы

UI = кnt. W=CN.

W—подсчитанная энергия, C—постоянная счетчика, N—число оборотов диска.

Имеется механизм для подсчета числа оборотов, индикация которого выражена в кВтч.

При малых нагрузках сказывается трение. Компенсация момента трения электрическими мерами (дополнительный момент за счет рассчепления полюсов). При неправильной регулировке это может привести к самоходу. Погрешность счетчика при различных нагрузках различна и у счетчиков класса 2 может достигать 2,5%, а у счетчиков кл.2.5—4%!

Электронные счетчики. В них измерение производится по классической схеме. Надо учесть сдвиг фаз между током и напряжением. В современных микроконтроллерах имеются встроенные измерители напряжения с преобразованием в числовую форму и таймеры. Измерение производится с частотой многократно превышающей измеряемую. Запоминается размах тока и напряжения в каждый момент времени. Определяется время (фаза) между максимумами и минимумами, а затем производится расчет UI .

Точность счетчиков выше, определяется активная и реактивная мощность. Кроме того имеются дополнительные функции: дата, время, день недели, тариф и умножение на время (расчет расходуемой энергии, оплаты за энергию), передача данных на центральную диспетчерскую станцию.

Раздел 9. Цифровые измерительные приборы

9.1 Особенности выбора приборов

Выбор чаще в пользу цифровых (числовых) приборов. Если раньше ограничением была

стоимость, то теперь она снизилась достаточно сильно. Основным ограничением является недостаточное количество числовых приборов.

Случаи оправданного применения стрелочных приборов.

1. Когда шкала показывает весь диапазон, а стрелка – положение в этом диапазоне.

Пример. Шкала показывает весь диапазон, а стрелка—положение на нем. 0…20В. Стрелка на 15. Видно, сколько от начала, сколько до конца. Второй пример: часы стрелочные и числовые.

2. На аналоговой шкале можно показать рабочее поле (например, цветом), область допустимых или недопустимых значений.

3. Стрелка показывает, куда изменяется выходная величина. Вот почему, спидометры автомобилей стрелочные, несмотря на то. что датчик импульсный. Надо добавить, что современная технология позволяет создать все указанные "преимущества" и в цифровых приборах.

4. Щитовые приборы. Их размеры велики, точность невысокая. Цена малая. Наблюдать стрелки удобнее. чем мелькание цифр. Иногда совмещают цифровой и стрелочный приборы: точный отсчет цифровой, колебания—стрелочный.

Варианты. Датчик измеряемой величины аналоговый.а) Показывающий прибор аналоговый. Преобразований не нужно, за исключением возможного усиления. б) Показывающий прибор числовой. Необходим аналого– цифровой преобразователь (АЦП) и другие устройства.

Датчик измеряемой величины импульсный. а) Показывающий прибор аналоговый (стрелочный). Необходим цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). б) Показывающий прибор числовой. Необходимо несколько цифровых устройств: счетчики, регистры, дешифраторы, цифровая индикация.

Структура цифрового прибора (например, вольтметра). Измеритель напряжения (сопротивление, с которого снимается напряжение). АЦП—на вход подается напряжение, с выхода снимается код этого напряжения (числа). Дешифратор—для преобразования кода в семисегментный код десятичных разрядов индикатора.

Двоичный код. Записать числа от 0 до 9. Тетрады. Двоично-десятичный код.

Дешифратор двоичного кода в двоично-десятичный.

Дешифратор тетрады в семисегментный код.

Вроде бы цифровые приборы сложнее. Но числовой код имеет огромные преимущества: малая зависимость от напряжения источника питания; легкие операции сравнения и арифметических действий; простота запоминания; возможность использования ЭВМ (контроллеров).Если учесть, что все эти устройства в современном исполнении помещаются по площади в несколько мм², а микросхемы с указанными качествами имеют корпус ~ 7х25 мм, то преимущества цифровой техники бесспорны.

 

Обязательная контрольная работа №2.

 

9.2 Цифровые методы и средства измерений. Цифровые частотомеры

Цифровые средства измерений позволяют повсюду использовать цифровые приборы. Методика измерений может использоваться та же, что и при аналоговых измерениях. Точность большинства цифровых приборов выше. Входные сопротивления выше, т.е. меньше влияние на измеряемую величину.

По измеряемой величине цифровые приборы можно разделить на: вольтметры, амперметры, омметры,-- которые объединяются в универсальные приборы—мультиметры, частотомеры, фазометры и т.д.

По применяемым техническим средствам—электромеханические и электронные. В элек тромеханических цифровых приборах коммутации производятся электромеханическими узлами (реле, переключатели и т.д.).

По способу преобразования измеряемой величины—приборы прямого преобразования, приборы сравнения. В основе большинства электронных приборов лежит специализированная микросхема, обеспечивающая необходимое измерение. Дальнейшее развитие направлено на использование микроконтроллеров, в которые встроены такие функции, как ЦАП, АЦП, дешифрация, управление индикаторами и т.д.

Для примера рассмотрен электронный частотомер.

 

За счет внутренних генераторов можно измерять период (на низких частотах) за счет заполнения периода базовыми импульсами и другие возможности. Частотомеры выпускаются различных модификаций, позволяющих определять частоты, отношения частот, фазовые сдвиги и т.д. Кроме того имеется возможность влево или вправо переносить запятую. От этого меняется дискретность отсчета.

9.3 Вольтметры и мультиметры

Аналого –цифровой преобразователь. 1. Время-импульсный метод преобразования. Измеряемая величина сравнивается со ступенчато пилой. Равенство пилы и U_х оканчивает интервал, который заполняется счетными импульсами. Чем больше U_х , тем больше стробирующих импульсов, тем больше число, соответствующее колич. импульсов и U_х..

2 Частотно-импульсный метод. U_х воздействует на генератор, частота которого меняется пропорционально U_х. Число импульсов, просчитанных за базовое время (напр. 1с), пропорционально U_х.

3. Метод следящего уравновешивания. Младшему разряду соответствует образцовое напряжение. U_х сравнивается с напряжениями, составляемыми в соответствии с кодом (например, двоичным).Код ближайшего равенства есть код напряжения U_х.

 

Лабораторная работа № 6. Изучение техники измерения электрических величин с помощью цифровых приборов.

 

Развернуть

Открыть в широком формате