Аналоговые измерительные устройства: Методические указания

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Пензенский государственный университет

Аналоговые измерительные устройства Методические указания

УДК 621. 317. 3 (075. 8)

А64 Приводятся рекомендации по изучению принципов построения и методов расчета аналоговых измерительных устройств, анализ их погрешностей, рекомендации по их усовершенствованию. Методические указания подготовлены на кафедре "Информационноизмерительная техника" и предназначены для студентов специальности 200106 при изучении курса "Аналоговые измерительные устройства", а также могут быть полезны студентам других специальностей при изучении курса "Электрические измерения". Библиогр. 18 назв.

С о с т а в и т е л и: В. С. Грубник, , Е. , А. Ломтев, Д. И. Нефедьев, Першенков П. П.

Р е ц е н з е н т ы: Г. А. Солодимова, кандидат технических наук, главный метролог ФГУП «НИИЭМП»; В. И. Андреев, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ФГУП «НИКИРЭТ»

2

Цель преподавания дисциплины Дисциплина "Аналоговые измерительные устройства" (АИУ) является профилирующей для специальности "Информационно-измерительная техника и технологии". АИУ получили широкое распространение в современной науке и технике благодаря своей простоте, универсальности и надежности. Целью преподавания дисциплины является ознакомление студентов с принципами построения и проектирования АИУ и их основных узлов, методиками их расчета. В результате изучения дисциплины студент должен знать основные принципы и методы построения как АИУ, так и их отдельных узлов, уметь проектировать и рассчитывать АИУ для решения конкретных задач, оценивать метрологические характеристики разработанных устройств, представлять себе возможности и перспективы использования АИУ для решения сложных технических задач, возможности использования для построения АИУ новых принципов, эффектов и элементной базы. Для изучения дисциплины необходимы знания основных разделов предшествующих дисциплин типового учебного плана, особенно теоретических основ электротехники, математических и теоретических основ ИИТ, электронных и магнитных устройств ИИТ, измерений электрических и магнитных величин, измерений неэлектрических величин.

1. Общие вопросы проектирования АИУ Классификация АИУ. Любые электроизмерительные приборы или устройства могут быть представлены в виде цепи той или иной структуры, в общем случае разомкнутой или замкнутой, состоящей из ряда измерительных преобразователей. В этих преобразователях осуществляются определенные процессы преобразования измеряемых величин одной физической природы в величины другой природы, причем преобразования в электрические величины, в частности, в напряжение, ток, сопротивление, емкость и индуктивность имеют особенно большое значение. Таким образом, в измерительном приборе (устройстве) каждый преобразователь выполняет совершенно определенные функции, большинство из которых связано с преобразованием энергии из одного вида в другой. Характер этих преобразований определяется многими факторами, например, физической природой измеряемой ве-

3

личины, её абсолютным значением, допустимой погрешностью и выбранным методом измерений, условиями, в которых осуществляются процессы измерений и т. п. Очевидно, что функционирование таких измерительных устройств неразрывно связано со свойствами входящих в них измерительных преобразователей и особенностями их действия. Для того, чтобы все многообразие электроизмерительных приборов и устройств было бы возможно охватить общими положениями теории, необходимо выявить структурные формы их основных типов, а также те промежуточные преобразования, которые происходят с измеряемой величиной. СИ можно классифицировать по следующим признакам: 1) по форме представления результата измерения на выходе прибора; 2) по характеру процесса преобразования или уравновешивания; 3) по типу структурной схемы; 4) по элементной базе; 5) по характеру измеряемой величины. Классификация, наименование и обозначения электронных СИ (ЭСИ). Для ЭСИ электрических величин, разрабатываемых и изготавливаемых в соответствии с требованиями ГОСТ 22261–94, установлена стандартизированная система их классификации, наименований и обозначений. Все ЭСИ электрических величин в зависимости от вида измеряемой величины и признаков основных выполняемых функций делятся на группы, которым присваивается буквенное обозначение. ЭСИ разных групп делятся по признакам основной выполняемой функции на виды, которым присваивается буквенно-цифровое обозначение, состоящее из обозначения группы и номера вида. ЭСИ каждого вида по совокупности технических характеристик и очередности разработок делятся на типы, которым присваивается наименование и обозначение, включающее в себя порядковый номер модели (типа). Полное наименование ЭСИ в основном соответствует наименованию вида, к которому оно относится. Иногда к этому добавляются уточняющие слова (например, рабочий эталон и т. д.). ЭСИ, подвергающиеся модернизации, обозначаются как первоначальная модель, но после номера их типа добавляется буквенное обозначение в алфавитном порядке. Например, модернизированный вольтметр пе-

4

ременного напряжения В3–38, прошедший первую модернизацию, имеет обозначение В3–38А. ЭСИ, одного типа различающиеся метрологическими характеристиками, внешним исполнением или условиями эксплуатации, обозначаются как базовые с добавлением через дробь цифры, указывающей порядковый номер модификации, например, вольтметр В7–40/1. ЭСИ, предназначенные для измерения нескольких величин, обозначаются по основной выполняемой функции с добавлением бук- вы "К" после обозначения группы, например, вольтметр ВК3–61. Отдельные блоки ЭСИ имеют обозначение, состоящее из цифрового обозначения вида, к которому относится блок группы "Я", с добавлением индекса группы по выполняемой функции, например, блок Я1В–22. Классификация и обозначение отдельных видов ЭСИ. Наименование группы СИ Сила тока Напряжение Мощности Ослабление Параметры компонентов и цепей с сосредоточенными постоянными Частота и время Разность фаз и группового запаздывания Для наблюдения, измерения и исследования формы сигнала и спектра Для наблюдения и исследования характеристик электронных устройств Характеристики импульсных сигналов Параметры электровакуумных полупроводниковых приборов Усилители измерительные Меры (или калибраторы) электрических величин Генераторы измерительные Комплексы измерительные, установки и системы Блоки измерительных приборов Источники электропитания для измерений

5

Обозначение А В М Д Е Ч Ф С Х И Л У Н Г К Я Б

ЭСИ по условиям эксплуатации, устойчивости к механическим и климатическим воздействиям делятся на шесть групп (ГОСТ 22261–94). Первая из них соответствует наиболее легким условиям эксплуатации и устанавливается для мер и измерительных комплексов, а последняя – наиболее жестким условиям. Более подробная классификация для отдельных групп приведена ниже. Группа А. Приборы для измерения тока. А1 – установки для поверки амперметров; А2 – амперметры постоянного тока; А3 – амперметры переменного тока; А7 – универсальные амперметры; А9 – преобразователи тока. Группа В. Приборы для измерения напряжений. В1 – установки или приборы для поверки вольтметров; В2 – вольтметры постоянного тока; В3 – вольтметры переменного тока; В4 – вольтметры импульсного тока; В5 – вольтметры фазочувствительные; В6 – вольтметры селективные; В7 – вольтметры универсальные; В8 – измерители отношения напряжений и (или) разности напряжений; В9 – преобразователи напряжений. Группа Г. Генераторы измерительные. Г3 – генераторы сигналов низкочастотные; Г4 – генераторы сигналов высокочастотные; Г5 – генераторы импульсные; Г6 – генераторы сигналов специальной формы; Г8 – генераторы качающейся частоты (свип-генераторы). Группа С. Приборы для наблюдения, измерения и исследования формы сигналов и спектра. С1 – осциллографы универсальные; С2 – измерители коэффициента амплитудной модуляции (модуляторы);

6

С3 – измерители девиации частоты (девиометры); С4 – анализаторы спектра; С6 – измерители нелинейных искажений; С7 – осциллографы скоростные, стробоскопические; С8 – осциллографы запоминающие; С9 – осциллографы специальные. Группа Х. Приборы для наблюдения и исследования характеристик радиоустройств. Х1 – приборы для исследования амплитудно-частотных характеристик; Х2 – приборы для исследования переходных характеристик; Х3 – приборы для исследования фазочастотных характеристик; Х4 – приборы для исследования амплитудных характеристик; Х8 – установки или приборы для поверки измерителей характеристик радиоустройств. Группа Ч. Приборы для измерения частоты. Ч1 – стандарты времени и частоты; Ч2 – частотомеры резонансные; Ч3 – частотомеры электронно-счетные; Ч4 – частотомеры гетеродинные, емкостные, мостовые; Ч5 – синхронизаторы частоты, преобразователи частоты сигнала; Ч6 – синтезаторы частот; делители и умножители частоты. Статические и динамические характеристики АИУ. Отдельные виды и типы СИ обладают своими специфическими свойствами. Вместе с тем СИ имеют некоторые общие свойства, которые позволяют сопоставлять СИ между собой. Различают статические и динамические свойства СИ. Статические свойства СИ проявляются при статическом режиме его работы, т. е. когда выходной сигнал СИ считается неизменным в процессе измерений. Динамические свойства – при динамическом режиме работы СИ, при котором выходной сигнал СИ изменяется во времени. Основной статической характеристикой СИ является функция преобразования СИ – функциональная зависимость между информативными параметрами выходного и входного сигналов СИ. Функцию преобразования, принимаемую для СИ и устанавливаемую в нормативно-технической до-

7

кументации на данное СИ, называют номинальной функцией преобразования СИ. Важной характеристикой является чувствительность СИ – свойство СИ, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого СИ к вызывающему его изменению измеряемой величины. Различают абсолютную и относительную чувствительность. Абсолютную чувствительность определяют по формуле S = Δó / Δx , относительную чувствительность – по формуле S0 = Δy / Δx / x , где Δy – изменение выходного сигнала; x – измеряемая величина; Δx – изменение измеряемой величины. При нелинейной статической характеристике преобразования чувствительность зависит от х, при линейной характеристике чувствительность постоянна. У измерительных приборов при постоянной чувствительности шкала равномерная. Характеристикой прибора является постоянная прибора С = 1/S. Чувствительность не следует смешивать с порогом чувствительности, под которым понимают наименьшее значение изменения входной величины, начиная с которого может осуществляться измерение данным СИ. Порог чувствительности выражают в единицах входной величины. Характеристикой средства измерений является диапазон измерений − область значений измеряемой величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ. Диапазон измерений ограничивается наибольшим и наименьшим значениями диапазона измерений. С целью повышения точности измерений диапазон измерений средства измерений может быть разбит на несколько поддиапазонов. При переходе с одного поддиапазона на другой некоторые составляющие основной погрешности уменьшаются, что приводит к повышению точности измерений. При нормировании допускают для каждого поддиапазона свои предельные погрешности. Область значений шкалы, ограниченную начальными и конечными значениями шкалы, называют диапазоном показаний. Характеристикой для измерительных приборов является цена деления шкалы − разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы СИ. Для оценки влияния средства измерений на режим работы объекта исследования указывают входное полное сопротивление Zвх. Входное сопротивление влияет на мощность, потребляемую от объекта исследования СИ. Допустимая нагрузка на СИ зависит от выходного полного сопротивления Zвых. Чем меньше выходное сопротивление, тем больше допустимая нагрузка на СИ.

8

Важнейшей характеристикой СИ является погрешность, которую вносит в результат измерения, или, как принято говорить, погрешность СИ. Погрешность СИ – разность между показаниями СИ и истинным (действительным) значением измеряемой величины. Погрешность СИ может быть выражена в виде абсолютной, относительной или приведенной погрешности. Абсолютная погрешность СИ – погрешность СИ, выраженная в единицах измеряемой величины. Относительная погрешность СИ – погрешность СИ, выраженная отношением абсолютной погрешности СИ к результату измерений или к действительному значению измеряемой величины. Приведенная погрешность СИ − относительная погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности СИ к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона. Погрешность измерительного прибора определяют при его поверке (калибровке) и при этом вместо истинного значения используют действительное значение измеряемой величины, под которым понимают значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо истинного значения. Погрешности СИ зависят от внешних условий (влияющих величин), поэтому их принято делить на основную и дополнительные. Основной погрешностью СИ называют погрешность в условиях, принятых за нормальные для данного СИ. Дополнительные погрешности СИ возникают дополнительно к основной погрешности СИ при отклонении какой-либо из влияющих величин от нормального ее значения (нормальной области значений). Погрешности СИ могут иметь систематические и случайные составляющие. Систематическая погрешность СИ – составляющая погрешности СИ, принимаемая за постоянную или закономерно изменяющуюся. Случайная погрешность СИ – составляющая погрешности СИ, изменяющаяся случайным образом. Случайные составляющие приводят к неоднозначности показаний. Поэтому случайные составляющие погрешностей средств измерений стараются сделать незначительными по сравнению с другими составляющими. Большинство серийных измерительных приборов обладает этим свой-

9

ством. Однако в приборах высокой чувствительности и точности случайная составляющая может быть соизмерима с систематической. Важной характеристикой СИ является вариация выходного сигнала, под которой понимают разность между значениями информативного параметра выходного сигнала, соответствующими одному и тому же действительному значению входной величины при двух направлениях медленных изменений входной величины в процессе подхода к выбранному значению входной величины. По зависимости от измеряемой величины погрешности СИ разделяют на аддитивные и мультипликативные. Аддитивные (абсолютные) погрешности не зависят от измеряемой величины. Мультипликативные (абсолютные) погрешности изменяются пропорционально измеряемой величине. Могут быть составляющие, имеющие более сложную зависимость от измеряемой величины, например, так называемые погрешности от нелинейности статической характеристики преобразования. К метрологическим характеристикам СИ относятся динамические характеристики, т. е. характеристики инерционных свойств СИ, определяющие зависимость выходного сигнала СИ от изменяющихся во времени величин: параметров входного сигнала, внешних влияющих величин, нагрузки и т. д. Динамические свойства СИ определяют динамическую погрешность – погрешность СИ, возникающую при измерении изменяющейся (в процессе измерений) физической величины. В зависимости от полноты описания динамических свойств СИ различают полные и частные динамические характеристики. Полная динамическая характеристика − характеристика, однозначно определяющая изменения выходного сигнала средства измерений при любом изменении во времени информативного или неинформативного параметра входного сигнала, влияющей величины или нагрузки. К полным динамическим характеристикам относят переходную характеристику, импульсную переходную характеристику, амплитуднофазовую характеристику, совокупность амплитудно-частотной и фазовочастотной характеристик, передаточную функцию. Частная динамическая характеристика не отражает полностью динамических свойств СИ. К частным динамическим характеристикам аналоговых СИ, которые можно рассматривать как линейные, относят любые функционалы или параметры полных динамических характеристик. Примерами таких характеристик являются время реакции СИ, коэффициент демпфирования, значение резонансной собственной угловой частоты, значение амплитудно-частотной характеристики на резонансной частоте.

10

Нормируемые метрологические характеристики АИУ. В 1986 г. вступил в действие ГОСТ 8.009–84 "ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерения", в котором дается новый подход к оценке погрешностей СИ, к нормированию их метрологических характеристик (МХ). Основная направленность стандарта заключается в стремлении приблизить оценку погрешностей СИ, и в частности АИУ, к ее действительному значению так, чтобы она при этом оставалась в смысле выбранной метрики "оценкой сверху". И в то же время, например, чтобы при нормировании статистических характеристик погрешности у реального АИУ возможность превышения ими действительных МХ была весьма малой. Еще одной особенностью этого стандарта является стремление получить обоснованные оценки погрешности СИ. При этом степень обоснованности и перечень необходимых (из перечисленных в стандарте) для аттестации АИУ МХ определяет "потребитель", так как только он знает, что необходимо для принятия правильного решения по результатам измерений. В ряде случаев стандарт предполагает рассмотрение погрешности как процесса. Это позволяет перейти к синтезу АИУ и оптимизации их параметров. Принципиальным отличием стандарта является и то, что некоторые МХ АИУ должны при необходимости отображать свойства не одного экземпляра СИ, а всей совокупности СИ данного типа. В стандарте предусмотрена регламентация пяти групп, нормируемых МХ АИУ. 1. Пределы (положительный и отрицательный) допускаемой основной погрешности СИ или пределы допускаемой систематической составляющей и предел допускаемого среднего квадратичного отклонения случайной составляющей основной погрешности СИ. 2. Пределы (положительный и отрицательный) допускаемой дополнительной погрешности СИ или ее составляющих или пределы допускаемой погрешности в интервале влияющих величин, или функции влияния. 3. Динамические характеристики СИ. 4. Характеристики СИ, отражающие их потенциальную способность к взаимодействию с любым из подключенных к их входу или выходу компонентов, таких как объект измерений, СИ и т. п., когда такое взаимодействие влияет на инструментальную составляющую погрешности измерений. 5. Неинформативные параметры выходного сигнала СИ. Принципиальная особенность регламентированных в ГОСТ 8.009−84 пяти групп МХ АИУ заключается в том, что они позволяют определять не математически идеально строгие, а приближенные, но достаточно досто-

11

верные оценки инструментальной составляющей погрешности измерений в условиях эксплуатации СИ. Однако существенным ограничением сферы применения стандарта является то обстоятельство, что он пригоден для описания МХ только таких СИ, которые можно, пусть даже приближенно, рассматривать как линейные динамические устройства. Для таких устройств предполагается, что их статическая амплитудная характеристика линейна (или аппроксимируется прямой), а параметры накопителей энергии (пружин, емкостей, индуктивностей и пр.) не зависят от значений входного сигнала x(t). Масштабные преобразователи (МП). МП предназначены для изменения в определенное число раз значения преобразуемой (или промежуточной) величины без изменения ее физической природы. В основном они используются для преобразования постоянных или переменных значений напряжений или токов. В последнем случае неизбежны частотные и фазовые искажения. Для сигналов со сложным спектром входная x(t) и выходная y(t) величины не совпадают по форме. Требование однородности нарушается и может быть выполнено с некоторыми приближениями только в определенном диапазоне частот. При x(t) = Xmsinωt наличие частотных и фазовых искажений не изменяет формы выходной величины y(t), но из-за неравномерности частотной характеристики коэффициент преобразования k = y(t) / x(t) будет зависеть от ω. На коэффициент преобразования также влияют и собственные шумы МП. Различают пассивные и активные МП. К пассивным МП относятся резистивные, емкостные, индуктивные делители напряжения, измерительные трансформаторы напряжения и тока, добавочные сопротивления и шунты. К активным МП относят измерительные усилители, функциональные преобразователи и преобразователи импеданса, преобразователи спектра сигнала. Такие преобразователи в основном строятся на основе ОУ.

2. АИУ прямого преобразования Реальные измерительные устройства могут быть легко расчленены на отдельные преобразователи, соединенные друг с другом. При этом каждый последующий преобразователь служит нагрузкой для предыдущего и получает от него вполне определенную мощность. Нагрузкой последнего преобразователя чаще всего является ИМ, вращающий момент которого

12

зависит от потребляемой им мощности. Обычно, чем больше мощность потребления (в пределах допустимого нагрева), тем более простым, надежным и точным можно изготовить (выбрать) ИМ, что, в свою очередь, позволяет удешевить и упростить все измерительное устройство без снижения его метрологических характеристик. В идеальном случае необходимо производить измерения значений той или иной величины, не нарушая подключением СИ того режима, который существовал до этого в измеряемой цепи. Поэтому абсолютное значение мощности, потребляемой прибором, должно быть тем меньше, чем меньше собственная мощность объекта, подлежащего исследованию. При необходимости иметь достаточно универсальные СИ требование минимального собственного потребления становится зачастую главным. Передача наибольшей мощности от преобразователя к преобразователю, а затем к выходному ИМ оказывается задачей первостепенной важности, поскольку в результате снижаются относительные значения тех погрешностей, которые вызваны действием паразитных моментов: трением, влиянием внешних электрических и магнитных полей и т. п. Таким образом, увеличение мощности, передаваемой подвижной части ИМ от всех предшествующих преобразователей и связанное с этим увеличение вращающего момента, позволяет отказаться от применения чувствительных, малонадежных и дорогих ИМ. В конкретных случаях на некоторые элементы измерительной цепи накладываются условия, требующие введения температурной или частотной коррекции либо обеспечения определенного времени успокоения и т. д., которые во многих случаях не дают возможности для осуществления передачи по всей цепи максимальной мощности, что приводит к определенным ограничениям. Хотя подобные ограничения накладываются не на все, а лишь на некоторые преобразователи измерительной цепи, но и реализация этих преобразователей должна быть подчинена одной общей цели: получению максимального КПД. Стремление к получению максимального КПД обусловлено, главным образом, требованием получения оптимальных, т. е. "предельных" характеристик, например, наибольшей чувствительности, минимального времени успокоения, минимальных температурных и частотных погрешностей. В электромеханических ИМ вращающий момент определяется током, протекающим по обмоткам катушек ИМ, т. е. намагничивающей силой.

13

Если рассматривать измерительный прибор как совокупность измерительной цепи и ИМ, то ИМ является потребителем, а измерительная цепь – генератором мощности. Следовательно, измерительные цепи большинства приборов можно рассматривать как генераторы некоторой эквивалентной ЭДС с определенным внутренним сопротивлением Ri. Важным параметром, характеризующим измерительную цепь, является мощность, которую может передать ИМ. Однако при проектировании приборов имеется ряд ограничений, препятствующих увеличению этой мощности: 1) недопустимость значительного потребления мощности измерительной цепью; 2) перегрузка отдельных элементов измерительной цепи; 3) недопустимость превышения заданных значений температурной или частотной погрешностей. Мощность, передаваемая измерительной цепью ИМ при наличии каких-либо ограничений, называется резервом мощности. При снятии этих ограничений значение передаваемой мощности увеличивается, оно называется максимальным резервом мощности. Отношение резерва мощности к максимальному резерву и есть КПД измерительной цепи. Для любой измерительной схемы при заданных ограничениях и данных условиях всегда можно найти такие параметры ее элементов, при которых КПД будет максимальным. Погрешности АИУ прямого преобразования. Электромеханические приборы относятся к АИУ прямого преобразования. Основными функциональными узлами таких приборов являются измерительная цепь, измерительный механизм и отсчетное устройство. В измерительной цепи происходит преобразование входного сигнала х в одну или две промежуточные электрические величины у1 и у2 (например, токи I1 и I2 или напряжение U), воздействующие на ИМ. Измерительная цепь может также служить для расширения пределов измерения и компенсации погрешностей. В ИМ происходит преобразование электромагнитной энергии в электромеханическую, в результате чего создается вращающий момент Мвр и происходит поворот подвижной части ИМ на угол α. В зависимости от принципа действия ИМ различают следующие группы приборов: магнитоэлектрические (МЭ), электромагнитные (ЭМ), электродинамические (ЭД), ферродинамические (ФД), электростатические (ЭС), индукционные.

14

Принцип действия ИМ различных групп основан на взаимодействии: для МЭ ИМ – магнитных полей постоянного магнита и проводника с током; для ЭМ ИМ – магнитного поля, создаваемого проводником с током, и ферромагнитного сердечника; для ЭД и ФД ИМ – магнитных полей двух систем проводников с токами; для ЭС ИМ – двух систем заряженных электродов; для Инд ИМ – переменного магнитного поля проводника с током и индуцированных этим полем вихревых токов в подвижном элементе (например, алюминиевом диске счетчика электроэнергии). Если бы в ИМ действовал только вращающий момент Мвр, то подвижная часть ИМ отклонилась бы до упора независимо от измеряемой величины. Для того, чтобы каждому значению х соответствовало определенное значение α, вращающий момент Мвр уравновешивается противодействующим моментом Мпр, зависящим от α и направленным в сторону, противоположную Мвр. В большинстве приборов Мпр создается спиральными пружинами или растяжками, тогда как в логометрах (приборах для измерения отношения токов) Мпр создается измеряемой величиной х. Магнитоэлектрические приборы. МЭ приборы применяются в качестве: 1) амперметров и вольтметров для измерения напряжений и токов в цепях постоянного тока; 2) омметров; 3) гальванометров постоянного тока, используемых в качестве нулевых индикаторов; 4) баллистических гальванометров, используемых для измерения малых количеств электричества; 5) приборов для измерений в цепях переменного тока. Магнитоэлектрические амперметры. Для измерения постоянных токов МЭ ИМ включаются в измерительную цепь либо непосредственно, либо с помощью шунта. Непосредственное включение применяется при измерении малых токов (до 30 мА), допустимых для токоподводов и обмотки подвижной катушки ИМ. В многопредельных амперметрах для изменения пределов измерения применяются многопредельные шунты. Наибольшее влияние на показания магнитоэлектрических приборов оказывает изменение температуры окружающей среды (температурная погрешность). При отклонении температуры от градуировочной изменются магнитная индукция в рабочем зазоре сердечника, удельный противодействующий момент пружинок (растяжек) и удельное электрическое сопротивление обмотки рамки и упругих элементов. Две первые составляющие температурной погрешности взаимно компенсируют друг друга, и по-

15

этому основное внимание следует уделять компенсации температурной погрешности, вызванной изменением удельного электрического сопротивления. Для компенсации температурной погрешности МЭ приборов используют различные схемы термокомпенсации, а также конструктивные методы. Магнитоэлектрические вольтметры. МЭ ИМ с включенным последовательно добавочным резистором можно использовать для измерения постоянного напряжения в измерительной цепи вольтметра; измеряемое напряжение преобразуется в ток, необходимый для отклонения подвижной части ИМ. Предел измерения Uк определяется током полного отклонения Iк подвижной части и входного (внутреннего) сопротивления Rв вольтметра (суммы сопротивлений обмотки рамки rо, пружин 2rw и добавочного резистора Rд). В многопредельных вольтметрах используется несколько добавочных резисторов. Электромагнитные приборы. ЭМ приборы применяются для измерений в цепях переменного и постоянного тока в основном в качестве щитовых амперметров и вольтметров благодаря своим высоким эксплуатационным качествам. В зависимости от инерционности по-движной части все ЭМ приборы подразделяются на две группы: резонансные и нерезонансные. Электромагнитные амперметры. Наиболее простую измерительную цепь имеют однопредельные ЭМ амперметры и миллиамперметры, когда ЭМ ИМ включается непосредственно в измерительную цепь. Разные пределы измерений в таких амперметрах получают путем изменения числа витков или сечения провода катушки при одинаковых ампер-витках. Расширение пределов измерения амперметров часто осуществляют с применением измерительных трансформаторов тока. В многопредельных амперметрах катушку ЭМ ИМ выполняют секционированной и с помощью переключателей получают различные схемы соединения секций катушки. Электромагнитные вольтметры. При использовании ЭМ ИМ для измерения переменных напряжений последовательно с катушкой ИМ включают добавочный резистор. Соотношение сопротивлений катушки rк и добавочного резистора Rд определяется в основном классом точности вольтметра (например, для вольтметров класса точности 0,5 – Rд ≥ 10 rк, а класса точности 1,5 – Rд ≥ 3 rк). Изменение пределов измерения по напряжению

16

осуществляется путем коммутации добавочных резисторов. При измерении напряжений свыше 600 В применяют измерительные трансформаторы напряжения. Погрешности ЭМ вольтметров. Погрешность от гистерезиса материала сердечников и экранов появляется при работе на постоянном токе, когда возникает разница в показаниях прибора при возрастании и убывании тока. Для снижения этой погрешности сердечники изготовляют из высококачественных железоникелевых магнитомягких сплавов с малой коэрцитивной силой и затем подвергают отжигу в вакууме или водороде. Изменение показаний, вызванное изменением температуры окружающей среды, определяется значениями температурных коэффициентов сопротивления цепи катушки (βц) и упругости материала растяжек (пружин) (βw), т. е. зависит в основном от соотношения сопротивлений рабочей катушки rк и добавочного резистора Rд. Применение терморезисторов для компенсации температурной погрешности позволяет значительно снизить потребляемую мощность и улучшить метрологические качества. Частотная погрешность, вызванная изменением частоты переменного тока, обусловлена влиянием вихревых токов, изменением индуктивного сопротивления рабочей катушки и наличием межвитковой емкости этой катушки. При работе на переменном токе в металлических деталях ИМ индуцируются вихревые токи, значения и угол сдвига которых (относительно рабочего тока) меняются при изменении частоты и угла отклонения подвижной части, что ведет к изменению показаний прибора. Для снижения частотной погрешности, обусловленной изменением индуктивного сопротивления рабочей катушки вольтметра, применяют различные схемы частотной компенсации. Чаще других используют схему с шунтированием части добавочного сопротивления емкостью. Изменение показаний вольтметра, вызванное изменением частоты, при шунтировании добавочного резистора емкостью имеет максимальное значение при частоте f = 0,7fк, где fк – частота, на которой производится компенсация. Следует заметить, что полную компенсацию частотной погрешности вольтметра можно осуществить только в одной точке частотного диапазона и для определенной точки шкалы, так как индуктивность L изменяется по длине шкалы. Обычно компенсация производится на отметке шкалы, равной приблизительно 80 % номинального значения измеряемой величины.

17

Погрешность от влияния внешнего магнитного поля при самом неблагоприятном направлении поля и отсутствии магнитного экранирования определяют по формуле γí =

Í ñ 100 %, Í ê

где Hс = 400 А/м – напряженность внешнего поля при испытании прибора; Hк – напряженность поля внутри рабочей катушки при номинальном токе в обмотке. При небольших значениях Hк (2500–4000 А/м) получим недопустимо большие значения δн (более 10 %). Применение магнитного экранирования ИМ снижает δн до требуемых значений, так как при этом внешнее магнитное поле уменьшается экраном в kэ раз, где kэ – коэффициент экранирования. Погрешность, обусловленная отклонением формы кривой напряжения от синусоидальной, оказывается существенной только при больших значениях магнитной индукции в сердечниках, близких к насыщению. Для уменьшения влияния формы кривой необходимо ликвидировать возможность насыщения сердечников (и экранов), т. е. выбрать ампер-витки катушки и размеры сердечников такими, чтобы значение магнитной индукции в сердечниках составляло не более 30–40 % от индукции насыщения. Электродинамические приборы. ЭД приборы применяют в качестве ваттметров постоянного и переменного тока, амперметров и вольтметров переменного тока, фазометров, частотомеров и фарадометров. Характерной особенностью ЭД ИМ является их высокая точность. Это объясняется тем, что ЭД ИМ не содержат ферромагнитных или других нелинейных элементов, наличие которых вызывает труднокомпенсируемые погрешности. Электродинамические амперметры. В ЭД амперметрах с диапазоном измерения до 0,5 А неподвижные и подвижная катушки ИМ соединяются последовательно. В этом случае токи в катушках равны и угол отклонения подвижной части ЭД ИМ α = F(I2). В ЭД амперметрах с диапазоном измерения свыше 0,5 А неподвижные и подвижная катушки ИМ включают параллельно. ЭД амперметры чаще всего выпускают на два диапазона измерений. Изменение пределов измерения производится путем включения неподвижных катушек последовательно или параллельно. Для расширения пределов измерения используются измерительные трансформаторы тока.

18

Электродинамические вольтметры. ЭД вольтметр состоит из ЭД ИМ и добавочного резистора, причем все катушки ИМ и добавочный резистор включаются последовательно. Угол отклонения подвижной части ЭД ИМ α=F(U2). В многопредельных ЭД вольтметрах последовательно с ИМ включается секционированный добавочный резистор. Для увеличения верхнего предела измерений вольтметра используются измерительные трансформаторы напряжения. Основная область применения ЭД амперметров и вольтметров – точные измерения в цепях переменного тока, чаще всего в диапазоне 50−10000 Гц. Электродинамические ваттметры. Измерительные цепи ЭД ваттметров зависят от числа пределов измерения по току и напряжению, а также от необходимости компенсации погрешностей. В простейшем случае потенциальная цепь состоит из подвижной рамки и последовательно соединенного с ней добавочного резистора, а токовая цепь – из обмоток неподвижных катушек. Расширение пределов измерения по напряжению достигается включением различных добавочных резисторов, а по току – секционированием неподвижных катушек и включением отдельных секций в определенных комбинациях. Для расширения пределов измерения применяют также измерительные трансформаторы. Погрешности ЭД ваттметров. Температурная погрешность ЭД ваттметров возникает вследствие изменения сопротивления r0 обмотки рамки и изменения упругих свойств пружинок или растяжек. Компенсация этой составляющей погрешности осуществляется применением специальных схем термокомпенсации. Погрешность от изменения частоты у ЭД ваттметров вызвана влиянием следующих факторов. 1. Изменение тока в потенциальной цепи ваттметра из-за зависимости полного сопротивления этой цепи от частоты. Для реальных ЭД ваттметров эта погрешность составляет обычно сотые доли процента, и ею можно пренебречь. 2. Изменение фазовых соотношений в потенциальной цепи ваттметра (угловая погрешность). Эту погрешность с некоторым приближением можно рассчитать по формуле γ ≈ δtgϕ ⋅ 100 % ,

где δ – угол между напряжением и током в потенциальной цепи, рад; tgφ – коэффициент, определяемый характером нагрузки ваттметра.

19

3. Возникновение ЭДС в подвижной катушке при пронизывании ее переменным магнитным полем неподвижных катушек (погрешность от взаимной индуктивности). Эта погрешность зависит от значения и характера сопротивления цепи подвижной катушки. При чисто активном сопротивлении этой цепи указанная погрешность не возникает. Кроме рассмотренных погрешностей, ЭД ваттметрам присущи также погрешности от влияния внешнего магнитного поля и электростатического взаимодействия. Для их компенсации применяют методы магнитной защиты и электростатическое экранирование. Ферродинамические приборы. ФД и ЭД приборы имеют много общего. Принципиальное различие состоит в том, что ФД ИМ содержит магнитопровод из ферромагнитного материала, на отдельных участках которого располагаются подвижная и неподвижная катушки. ФД приборы используются в качестве амперметров, вольтметров, ваттметров, частотомеров и фазометров. Электростатические приборы. ЭС приборы используются главным образом для измерения напряжений в цепях постоянного и переменного тока. ЭС ИМ имеют ряд отличительных особенностей, дающих им существенное преимущество перед ИМ других систем. К ним относятся малое собственное потребление мощности, широкий частотный диапазон, слабая зависимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения, а также возможность использования их в цепях постоянного и переменного тока и для непосредственного измерения высоких напряжений (до 300 кВ) без применения масштабных преобразователей. Электростатические вольтметры. Основой ЭС вольтметров является ЭС ИМ, входной величиной которого является напряжение, поэтому измеряемое вольтметром напряжение непосредственно подается на ИМ. ЭС вольтметры на разные пределы измерений имеют различные конструкции ИМ. У ЭС вольтметров, рассчитанных на измерение малых и средних напряжений, воздушный зазор между пластинами очень мал, поэтому возникает опасность короткого замыкания электродов, а следовательно, и источника напряжения при случайных ударах, тряске и т. п. Для исключения этого в ЭС вольтметрах последовательно с неподвижным электродом включается защитный резистор. При измерении напряжений повышенной частоты (100 кГц и выше) защитный резистор во избежание возникновения дополнительной погрешности отключается. Расширение пределов измерения ЭС вольтметров при измерении переменного напряжения осуществляется включением последовательно с вольтметром, имеющим собственную емкость Св, добавочного конденса-

20

тора Сд или использованием емкостного делителя напряжения. Расширение пределов измерения ЭС вольтметров на постоянном токе осуществляется с помощью резистивных делителей напряжения. Погрешности ЭС вольтметров. ЭС вольтметрам, помимо характерных погрешностей, присущи и свои специфические. Погрешность от контактной разности потенциалов обусловлена разностью работ выхода электронов с поверхности электродов в диэлектрик. Для снижения контактной разности потенциалов до уровня 20–50 мВ применяется специальная технология обработки поверхности электродов. Погрешность от термоЭДС появляется в результате применения разнородных проводниковых материалов в измерительной цепи и наличия перепада температур в объеме ИМ. Погрешность от поляризации диэлектрика возникает при подаче напряжения между электродами и обуславливает появление обратной ЭДС в измерительной цепи. Для снижения влияния поляризации диэлектрика применяют изоляционный материал с малым значением диэлектрической проницаемости, а также экранируют диэлектрик от подвижного электрода путем металлизации свободной поверхности, обращенной к подвижному электроду. Металлическое покрытие диэлектрика выполняют одинаковым с покрытием электродов и электрически соединяют с подвижной частью. Частотная погрешность (в номинальной области частот) возникает за счет емкости и индуктивности подводящих проводов, вызывая резонансные явления в цепи прибора. Из внешних факторов наибольшее влияние на показания ЭС вольтметров оказывают внешние электростатические поля, изменение температуры окружающей среды и влажности. Индукционные приборы. Индукционные приборы состоят из индукционного ИМ с отсчетным устройством и измерительной цепи. В настоящее время индукционные приборы находят применение в основном в качестве счетчиков электроэнергии в цепях переменного тока. Кроме однофазных индукционных счетчиков электроэнергии, выпускаются трехфазные счетчики активной и реактивной энергии. Трехфазные счетчики подразделяются на двухэлементные и трехэлементные. Двухэлементные счетчики применяют при измерении энергии в трехпроводных цепях, а трехэлементные счетчики – в четырехпроводных цепях. Электронные АИУ и преобразователи.

21

Электронные вольтметры. Электронный вольтметр – измерительный прибор, представляющий собой сочетание электронного преобразователя, выполненного на полупроводниковых элементах, интегральных микросхемах, и МЭ ИМ. Различают электронные вольтметры постоянного, переменного токов, импульсные, фазочувствительные, селективные, универсальные. Электронные вольтметры постоянного тока по сравнению с МЭ вольтметрами имеют большое входное сопротивление (порядка 30 МОм) и высокую чувствительность. Значение входного сопротивления обычно неизменно при переключении пределов измерения. Электронный вольтметр постоянного тока состоит из входного устройства – высокоомного резистивного делителя напряжения, измерительного преобразователя – усилителя постоянного тока (УПТ), МЭ микроамперметра. УПТ, предназначенный для повышения чувствительности вольтметра, увеличивает мощность сигнала до уровня, необходимого для приведения в действие выходного прибора. УПТ должен обладать высокой линейностью амплитудной характеристики, постоянством коэффициента передачи, малым дрейфом нулевого уровня. Для повышения чувствительности вольтметров постоянного тока вместо УПТ часто используют усилители типа МДМ. Электронные вольтметры переменного тока строятся по схемам: 1) преобразователь переменного напряжения в постоянное – УПТ – МЭ миллиамерметр (милливольтметр); 2) усилитель переменного тока – преобразователь переменного напряжения в постоянное – МЭ миллиамперметр (милливольтметр). Вольтметры, построенные по первой схеме, характеризуются широким частотным диапазоном 20 Гц – 1000 МГц, но недостаточно высокой чувствительностью. Вольтметры, построенные по второй схеме, характеризуются сравнительно узким частотным диапазоном 10 Гц – 20 МГц, определяемым полосой пропускания усилителя переменного тока, но более высокой чувствительностью и используются в качестве милли- и микровольтметров. Характеристики электронных вольтметров переменного тока и характер их шкал в основном определяются схемой электронного преобразователя (детектора). Различают преобразователи амплитудного, средневыпрямленного и действующего значений.

22

Вход преобразователей относительно постоянной составляющей измеряемого напряжения может быть либо открытым, либо закрытым (с разделительным конденсатором на входе). По частотному диапазону электронные вольтметры переменного тока делятся на низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные. Преобразователи переменного напряжения в постоянное (детекторы). Преобразователи амплитудных значений (ПАЗ). ПАЗ подразделяются на пассивные и активные. Пассивные ПАЗ представляют собой диодноконденсаторные выпрямительные схемы, используемые главным образом на входе измерительных структур, в которых выпрямление сигнала предшествует усилению. Как правило, в этих структурах используются однополупериодные ПАЗ. Если в выпрямительной цепи выходное напряжение снимается с конденсатора, то ПАЗ называется схемой с открытым входом, если − с диода, то схемой с закрытым входом. В схеме с закрытым входом напряжение на выходе для сигналов без постоянной составляющей практически такое же, как и на выходе схемы с открытым входом. Если измеряется напряжение с постоянной составляющей, то напряжение на выходе схемы с открытым входом равно алгебраической сумме постоянной составляющей и амплитуды положительной полуволны измеряемого напряжения. Напряжение на выходе схемы с закрытым входом независимо от наличия постоянной составляющей остается равным амплитуде положительной полуволны. По схеме с открытым входом строятся и ПАЗ импульсных сигналов. Преобразователи средневыпрямленных значений (ПСЗ). Их можно разделить на две группы: с неуправляемыми и управляемыми выпрямительными преобразователями. Обе группы ПСЗ строятся по схемам однополупериодного или двухполупериодного выпрямления. Различают пассивные и активные ПСЗ. Пассивные ПСЗ являются наиболее простыми по схемной реализации, но обладают рядом недостатков (малый допустимый диапазон изменения входного напряжения, в пределах которого функция преобразования имеет линейный характер, низкая точность и стабильность, нарушение градуировки при смене выпрямительных диодов, при использовании полупроводниковых выпрямительных диодов – температурная погрешность). Тем не менее их широко применяют там, где не предъявляются высокие требования к точности и линейности.

23

Более широкими возможностями повышения чувствительности, динамического диапазона, точности и линейности функции преобразования обладают активные ПСЗ, построенные с использованием ОУ. Преобразователи действующих значений (ПДЗ). ПДЗ могут быть реализованы двумя путями: использованием логарифмирующих и антилогарифмирующих устройств и с помощью нелинейных преобразователей, имеющих квадратичную характеристику, и устройства, реализующего функцию извлечения квадратного корня. При использовании логарифмирующих и антилогарифмирующих устройств преобразователь получается достаточно сложным и имеет низкую точность преобразования, поэтому чаще используются преобразователи с квадратичными характеристиками. ПДЗ состоит из квадратирующего функционального преобразователя, усредняющего устройства и функционального устройства, реализующего извлечение квадратного корня. В качестве квадратичных преобразователей применяются преимущественно терморезистивные, термоэлектрические преобразователи и функциональные преобразователи с естественной нелинейностью характеристик. В качестве усредняющих устройств могут использоваться активные и пассивные фильтры нижних частот. Устройство, выполняющее операцию извлечения квадратного корня, реализуется на основе операционного усилителя, в обратную связь которого включен перемножитель напряжений. Приборы для измерения мощности и энергии. Ваттметры. Все широко распространенные ваттметры можно разделить на две группы: ваттметры с линейным преобразованием и ваттметры с квадратичным преобразованием, разновидностью последних являются модуляционные ваттметры. Характерным представителем первой группы является ЭД ваттметр. Присущее ЭД ИМ свойство фазочувствительности позволяет использовать их для построения ваттметров активной мощности. В этом случае в настоящее время они являются лучшими и обеспечивают возможность построения ваттметров самого высокого класса точности на промышленной частоте, включая и метрологические измерения. Существуют также ваттметры на основе преобразователей Холла, в которых используется зависимость ЭДС преобразователей Холла от влияния внешнего магнитного поля.

24

Ваттметры с квадратичным преобразованием. В этих приборах используются элементы, ток через которые нелинейно зависит от приложенного напряжения e и может быть представлен уравнением i = a0 +a1e + a2e2. Если к одному из нелинейных элементов приложить напряжение e1 = k1u + r2i, а к другому e2 = k1u – k2i, то значения протекающих через эти элементы токов запишутся соответственно i1 = a0 + a1(k1u + k2i) + a2(k1u + k2i)2, i2 = a0 + a1(k1u – k2i) + a2(k1u – k2i)2. Разность токов i0 = i1 – i2 = 2a1k2i + 4a2k1k2ui. Пусть i = Imsinωt и u = Umsin(ωt + ϕ). Тогда i0 = 2a1k2Isinωt + 2a2k1k2U1cosϕ – 2a2k1 k2U1cos(2ωt + ϕ). Постоянная составляющая i0п = 2a2k1k2U1cosϕ тока i0 пропорциональна активной мощности. Если применить, например, МЭ прибор, то отклонение его подвижной части за счет ее инерционности будет определяться только постоянной составляющей, т. е. будет также пропорционально активной мощности. Ваттметры с квадратичным преобразованием выполняют либо на основе диодов, либо на основе термопреобразователей. Электронные счетчики электроэнергии. Электронные счетчики активной энергии строятся на основе преобразователей мощности с последующим интегрированием его выходного сигнала в соответствии с зависимостью W=

t2

∫ Pdt .

t1

Одна из возможных структур счетчиков такого типа: преобразователь мощности в напряжение (ПМН) – преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ) – счетчик импульсов. С помощью ПНЧ выходное напряжение ПМН преобразуется в импульсный сигнал частотой f, который затем поступает на счетчик импульсов. Следовательно, показания счетчика импульсов пропорциональны измеряемой активной энергии W. Применяются также электронные счетчики постоянного тока: счетчики киловатт-часов, счетчики ампер-часов и счетчики вольт-часов. Счетчики ампер-часов и вольт-часов строятся на основе преобразователей тока в частоту или напряжения в частоту с последующим подсчетом импульсов. Приборы для измерения параметров электрических цепей.

25

Основными параметрами элементов и цепей с сосредоточенными постоянными являются сопротивления резисторов, емкость конденсаторов, тангенс угла потерь конденсаторов, индуктивность и добротность катушек индуктивности; взаимоиндуктивность двух катушек; сопротивление колебательного контура. Контроль и измерение электрических параметров вызваны необходимостью отбора отдельных элементов при создании и испытании различных электронных СИ. Измерение параметров элементов и цепей может быть прямое и косвенное. Прямые измерения выполняются методами непосредственной оценки, косвенные – вольтметром и амперметром, методами нулевым и замещения. Электронные омметры. Приборы такого типа имеют широкий диапазон измеряемых сопротивлений (10−4–1017 Ом) и достаточно просты в эксплуатации. В зависимости от диапазона измерений их подразделяют на миллиомметры, омметры, мегомметры и тераомметры. В основу электронных омметров положен принцип преобразования измеряемого сопротивления в функционально связанное с ним напряжение постоянного тока. Наибольшее распространение получили омметры, выполненные по схеме: источник стабильного напряжения (ИСН) – делитель напряжения (R0, Rх) – УПТ – ИМ. Для повышения точности весь диапазон измерений омметров разбивают на поддиапазоны, каждому из которых соответствует свое значение R0. Измерение малых сопротивлений (менее 10−2 Ом) производится электронными миллиомметрами. При измерении таких сопротивлений возникают трудности, связанные с влиянием соизмеримых по значению сопротивлений контактов и соединительных проводов, а также контактных термоЭДС. Измерение малых сопротивлений производится на переменном токе, и строятся они по схеме: генератор – делитель напряжения (R0, Rх) – усилитель переменного тока – ИМ. Для уменьшения влияния сопротивлений контактов и соединительных проводов резистор Rх включают по четырехзажимной схеме. Измерители емкости, индуктивности и добротности. Среди различных способов измерения емкости, индуктивности и добротности применительно к электронным приборам наибольшее распространение получили резонансные методы. Резонансные методы измерения емкости, индуктивности и добротности основаны на использовании физических явлений в резонансных контурах и LC-генераторах. Методы (как и приборы) делятся на контурные и ге-

26

нераторные (гетеродинные). Приборы, реализующие контурный метод измерения, строятся по схеме: генератор – колебательный контур – электронный вольтметр. Резонансные методы применяются только в области высоких частот, поскольку на низких частотах резонансные явления проявляются менее резко, и точность измерений оказывается недостаточной. В генераторных (гетеродинных) измерителях индуктивности и емкости используется зависимость частоты колебаний генераторов от значений емкостей и индуктивностей. Наибольшая точность достигается при использовании способа сравнения. Осциллографы. Осциллограф (от "осциллум" – колебание и "графо" – пишу) представляет собой прибор, с помощью которого можно получить картину мгновенных значений переменного напряжения или тока. Все широко распространенные осциллографы делятся на светолучевые и электронно-лучевые (или просто электронные). Светолучевые осциллографы. Светолучевые (шлейфовые) осциллографы обеспечивают одновременное наблюдение и регистрацию относительно большого количества процессов, т. е. обладают многоканальностью, позволяют получить высокое качество осциллограмм. Однако их частотный диапазон лежит в пределах от 0 до 15000 Гц. Светолучевой осциллограф включает в себя следующие основные узлы: 1) осциллографический гальванометр, преобразующий измеряемый сигнал в перемещение светового луча; 2) оптическая система, формирующая световой луч; 3) лентопротяжное устройство (с приводом), обеспечивающее наблюдение и запись осциллограмм; 4) отметчик времени, выдающий сигналы, соответствующие определенным моментам времени. Электронные осциллографы. Измерительный элемент электронного осциллографа (ЭО) – электронно-лучевая трубка, внутри которой создается узкий пучок электронов (электронный луч), падающий на экран трубки. Мерой измеряемой величины в такой электронно-кинетической системе является отклонение электронного луча от нулевого положения под воздействием электрического или магнитного полей, значение и закон изменения которых зависят от исследуемых явлений. Отклонение движущихся в трубке электронов производится с помощью катушек, по которым протекает электрический ток, или с помощью отклоняющих пластин, между ко-

27

торыми создается разность электрических потенциалов. В технике измерений больше применяются электронно-лучевые трубки с электростатическим управлением, обеспечивающим широкий частотный диапазон. Применяются также осциллографы специального назначения: многофункциональные со сменными входными блоками, запоминающие − для регистрации одиночных импульсов, стробоскопические − для исследования высокочастотных процессов и пр. По количеству одновременно исследуемых сигналов различают одноканальные и многоканальные осциллографы. В последнее время получили распространение цифровые осциллографы. Приборы для измерения частоты и фазы. Частотомеры. Частота – одна из важнейших характеристик периодического процесса; определяется числом полных циклов (периодов) изменения сигнала за единицу времени. Диапазон частот, используемых в радиоэлектронике, автоматике, технике связи и т. д., простирается от долей герца до тысяч гигагерц, т. е. от инфранизких до сверхвысоких частот. В АИУ в настоящее время реализуют следующие основные методы измерения частоты периодических сигналов: 1) функциональный метод, основанный на использовании частотнозависимых цепей или устройств, выходное напряжение (или ток) которых функционально связано с частотой входного сигнала; разновидностью функционального метода является резонансный метод измерения частоты, основанный на использовании резонансных свойств колебательных контуров, содержащих емкость и индуктивность; 2) метод сравнения, в основе которого лежит сопоставление значений измеряемой частоты и частоты некоторого источника, играющего роль меры частоты; этот метод находит свою реализацию в так называемых гетеродинных частотомерах; 3) осциллографический метод измерения частоты, основанный на использовании осциллографических устройств, с помощью которых можно наблюдать и измерять период сигнала, т. е. величину, обратную частоте его повторения; 4) спектральный метод, реализуемый путем спектрального анализа. Выбор метода измерения частоты определяется ее диапазоном, необходимой точностью измерения, формой сигнала, мощностью источника сигнала измеряемой частоты и другими факторами.

28

Фазометры. Фаза является одной из основных характеристик гармонического колебательного процесса, определяющего его состояние в определенный момент времени по отношению к другому (опорному) процессу. Математически фаза выражается аргументом синусоидальной или косинусоидальной функции. В большинстве случаев измеряется фазовый сдвиг двух колебаний одинаковой частоты. При ω1 = ω2, ϕ = ϕ1 – ϕ2 и не зависит от времени. Если принять начальную фазу одного из колебаний равной нулю, например, ϕ2 = 0, то ϕ = ϕ1. С учетом изложенного выше можно записать u1 = Um1sin(ωt +ϕ), u2 = Um2sinωt. Приведенные рассуждения справедливы только для случая гармонических сигналов. Для сигналов, содержащих высшие гармоники, необходимо оговаривать, измеряется ли разность фаз первых гармоник или же разность, соответствующая переходу сигналов через заданный уровень. Существует несколько методов построения фазометров, и выбор того или иного из них определяется необходимым диапазоном частот, допустимой погрешностью измерений, требуемым быстродействием и назначением прибора. Осциллографические фазометры. Для измерения фазового сдвига между двумя напряжениями одинаковой частоты можно использовать двухлучевой осциллограф или однолучевой осциллограф с коммутатором в режиме линейной развертки. Фазометры без преобразования синусоиды. Для измерения разности фаз ϕ между током и напряжением или cosϕ чаще всего применяются фазометры на основе логометрических (ЭД, ФД и ЭМ) измерительных механизмов. Фазометры с преобразованием синусоиды. В основу работы двухканального фазометра положен принцип преобразования сдвига по фазе между двумя синусоидальными напряжениями в интервал времени между импульсами с последующим преобразованием в ток, среднее значение которого пропорционально измеряемому сдвигу по фазе. Фазометры с преобразованием частоты и фазы. Фазометры, использующие метод преобразования частоты, предназначены для расширения частотного диапазона, в котором измеряются фазовые сдвиги. Регистрирующие приборы. Регистрирующий измерительный прибор – это прибор, в котором предусмотрена регистрация показаний. Для записи изменяющихся значе-

29

ний в аналоговой форме широко используются электромеханические регистрирующие приборы: самопишущие электроизмерительные приборы и светолучевые осциллографы. В самопишущих приборах и осциллографах предусмотрена регистрация показаний в виде диаграммы. Функциональная зависимость, подлежащая регистрации, представлена графиком, характеризующим либо изменение параметра во времени, либо зависимость одного параметра от другого, не являющегося временем. Регулирование различных параметров (температуры, давления и т. д.) осуществляется с помощью встроенных или выполненных в виде отдельных приставок регулирующих устройств. Регистрация показаний и регулирующие устройства придают измерительным приборам ряд новых качеств: появляется возможность изучения процессов изменения измеряемых значений и автоматического управления ими; регистрирующие приборы экономят время наблюдателя при длительных измерениях. Регистрирующие приборы предназначены для регистрации показаний и их дальнейшей обработки. Приборы прямого преобразования, предназначенные для этих целей, получили название самопишущих, к регистрирующим приборам относят и приборы автоматического уравновешивания. По характеру линии записи значений измеряемой величины регистрирующие приборы можно разделить на приборы с непрерывной и прерывистой (точечной) записью. Методы регистрации. Регистрация – представление измерительной информации в форме видимых или скрытых изображений, размещенных на некоторых материальных носителях (бумаге, магнитной или фотопленке). В современной технике используются геометрические, физические или цифровые символы. Под геометрическими символами подразумевают отрезки линий, расстояние между двумя точками и углы; под физическими – интенсивность намагничивания и цветовые окраски, степень почернения фотопленки и т. д.; под цифровыми – цифры, буквы, знаки и их комбинации по определенным системам исчисления. Для аналоговой регистрации используются геометрические и физические символы, размещаемые обычно на плоских носителях – диаграммах. Методы регистрации обеспечивают выполнение ряда основных требований, предъявляемых к регистрирующим устройствам. К таким требованиям относятся:

30

1) наглядность, видимость результата регистрации; 2) возможно меньшая погрешность регистрации из-за конечных размеров наносимых на носитель символов; 3) возможно более высокое быстродействие, а следовательно, и более широкий частотный диапазон регистрирующего устройства; 4) возможно большая длительность работы без перезарядки и подналадки. Методы регистрации можно разбить на три группы. С нанесением слоя вещества. К этой группе методов относятся: карандашный, чернильный, чернильный струйный, копировальный, печатный и т. д. Со снятием слоя вещества. Наибольшее распространение из них получили плавильный и резцовый методы. С изменением состояния слоя вещества. Они представляют собой большую группу различных вариантов. Термический способ регистрации осуществляется путем теплового воздействия электрически нагретого элемента ("теплового пера") на поверхностный слой термочувствительной бумаги. В результате расплавления поверхностного слоя на ней остается след от движения "теплового пера" в виде четкой темной линии. Используется также запись на металлизированной бумаге. Фотографическая регистрация применяется при записи быстропротекающих процессов, т. е. в специальных осциллографах. Самопишущие приборы разделяют на группы по различным признакам, в том числе и по динамическим свойствам. По последнему признаку самопишущие приборы делятся на приборы обычного быстродействия и быстродействующие. Анализаторы спектра. Анализаторы спектра, называемые также анализаторами гармоник, предназначены для измерения спектра амплитуд сигналов. Анализ может производиться двумя способами. Первый способ анализа называется последовательным, поскольку гармонические составляющие спектра сигнала определяются поочередно; второй способ – параллельным, так как гармоники определяются одновременно. При последовательном способе анализа исследуемое напряжение после усиления поступает на фильтр, который последовательно настраивается на частоту первой, второй, третьей и т. д. гармоник. По шкале настройки фильтра определяют частоты гармоник, а их действующие значения – по показаниям электронного вольтметра. Второй вариант реализации после-

31

довательного способа анализа предусматривает применение генератора с регулируемой частотой. При этом анализируемое напряжение поступает на смеситель, на который подается сигнал с генератора. На выходе смесителя образуется сигнал с частотой, равной разности частот исследуемого сигнала и сигнала генератора. Сигнал с выхода смесителя поступает на избирательный фильтр. Частота генератора регулируется таким образом, чтобы она отличалась от частоты измеряемой гармоники на значение, соответствующее полосе пропускания фильтра. Напряжение на выходе фильтра измеряется электронным вольтметром. Частота гармоники определяется по частоте генератора. Анализаторы спектра на основе генераторов отличаются от анализаторов с перестраиваемым фильтром большей чувствительностью и большей точностью. Анализаторы последовательного действия применяют лишь для исследования периодических процессов. Анализаторы спектра параллельного действия применяют для анализа высокочастотных колебаний и анализа одиночных импульсов. Исследуемый сигнал одновременно поступает на несколько фильтров, настроенных на различные частоты. Сигналы с фильтров через коммутатор и усилитель поступают на индикатор (электронно-лучевая трубка), на который также подается напряжение с генератора развертки. На экране индикатора за период развертки возникают импульсы, расстояние между которыми пропорционально частотному интервалу между гармониками, а амплитуда пропорциональна спектральной плотности сигнала на соответствующей частоте. Измерители нелинейных искажений. Для оценки отличия сигнала от синусоидальной формы применяют измерители нелинейных искажений. Количественно искажения сигнала оцениваются двумя коэффициентами: 1) коэффициентом нелинейных искажений n

∑ U i2

Kí è = i = 2

;

n

∑ U i2 i =1

2) коэффициентом гармоник n

∑ U i2

Kã = i = 2 U12

.

Измерители нелинейных искажений состоят из избирательной системы, подавляющей основную гармонику и пропускающей без изменения

32

остальные гармонические составляющие сигнала, и электронного вольтметра, с помощью которого измеряется напряжение на входе и выходе избирательной системы. Отношение этих напряжений определяет коэффициент нелинейных искажений Кни. Коэффициент гармоник определяется по формуле K ã = K í è / 1 − K í2è .

При малых значениях коэффициента гармоник (Кг < 0,1) Кг ≈ Кни. Анализаторы спектра. Оптоэлектронные приборы (ОЭП) – это средства измерения с принципиально новым видом отсчетного устройства, основанного на использовании различных оптоэлектронных эффектов и обеспечивающего аналоговое восприятие результата измерения человеком. Принцип действия ОЭП состоит в непосредственном или опосредствованном воздействии измеряемой величины на размещенное вдоль шкалы или совмещенное с ней специальное индикаторное вещество, в котором возникает определенный физико-химический эффект, позволяющий по изменению электрооптических, магнитооптических, электротеплооптических, электрохимикооптических или электромеханикооптических характеристик судить о значении измеряемой величины. Снятие показаний производят по визуальному проявлению эффекта. Чаще всего используют изменение оптических свойств вещества (цвет, яркость, прозрачность). О значении измеряемой величины можно судить также и по изменению геометрического положения оптического параметра. Современные ОЭП строятся в основном на физических эффектах, связанных со светоизлучением. Преимущественно это электролюминесценция и катодолюминесценция. Перспективны эффекты без светоизлучения, в которых под действием электрического поля изменяется оптическое состояние вещества (коэффициенты поглощения, отражения, рассеяния, преломления или спектральный состав света). Наиболее интересные в этой группе эффектов – это эффекты в жидких кристаллах. При работе ОЭП в условиях низкой и средней освещенности (до 500 лк) используют электрооптические эффекты со светоизлучением или эффекты, управляющие светом от вспомогательного внешнего источника (эффекты Фарадея, Керра, Покельса, некоторые эффекты в жидких кристаллах и др.). При наличии высокой внешней освещенности применяют эффекты, основанные на модуляции отраженного света, у которых рост внешней освещенности вызывает увеличение контрастности.

33

Преимуществом ОЭП на жидких кристаллах (ЖК) перед другими видами ОЭП является возможность работы при любом уровне внешней освещенности, в частности, при естественном освещении, так как для этого класса индикаторных веществ контрастность индикации возрастает при увеличении внешней освещенности. ОЭП со светодиодными отсчетными устройствами. Электролюминесцентные устройства постоянного тока (светодиоды) широко применяются для создания оптоэлектрических шкал в аналого-дискретных ОЭП благодаря малым габаритам ( ~ 1 мм), высокой яркости свечения (800 кД/м ), низким управляющим напряжениям (1,5–30 В). ОЭП с таким ОУ обладают высокими механическими свойствами и имеют большой срок службы (до 10 000 ч). Основной недос-таток светодиодов заключается в значительном токе потребле-ния (~ 20 мА/мм ). Светодиодные ОУ для ОЭП представляют собой простой набор бескорпусных светодиодов одинаковой яркости, соединенных в одну линейку. Выпускаются и монолитные конструкции. Цвет свечения светодиода (красный, зеленый, желтый или синий) зависит от материала, из которого он изготовлен. Разработаны светодиоды с регулируемым цветом свечения, что достигается изменением режима питания. В этом случае для питания светодиодов используют импульсный генератор с варьируемыми амплитудой и длительностью импульсов. Измерители нелинейных искажений. Измерительные генераторы. В современной электро- и радиоизмерительной технике в связи с широким распространением сложных, высокочастотных и импульсных устройств большое значение имеет вопрос создания разного рода стандартных источников напряжений самых различных частот, форм и мощностей (или выходных амплитуд). Необходимость создания такого разнообразия источников электрических колебаний – измерительных генераторов (ИГ) – можно объяснить теми требованиями, которые к ним предъявляются при решении той или иной задачи: 1) обеспечение перекрытия заданного частотного диапазона; 2) возможность получения выходных напряжений (мощностей), регулируемых в широких пределах; 3) обеспечение заданной формы электрических колебаний; 4) достоверность получаемых напряжений (частоты, длительности, мощности и т. д.); 5) общие технологические и эксплуатационные требования (простота конструкции и обслуживания, стоимость и т. д.).

34

Наибольшее применение находят генераторы синусоидальных сигналов и импульсные генераторы. В отдельную группу источников измерительных напряжений входят генераторы шумового напряжения, качающейся частоты и кварцевые. Генераторы инфранизких частот. Для исследования, испытания и наладки аналоговых вычислительных машин, систем автоматического регулирования, в научных экспериментах и т. д. требуются источники синусоидального напряжения с частотой в пределах от сотых и даже тысячных долей Гц и примерно до 100 Гц. Электронные устройства, обеспечивающие получение таких напряжений, называются генераторами сверхнизких частот или инфранизкочастотными генераторами. В основу задающей части подобных генераторов положена схема электронной модели колебательного процесса без затухания, т. е. устройство для интегрирования дифференциального уравнения вида d2x dt 2

+ ω0 x = 0 ,

где ω 0 – угловая частота собственных колебаний. Выходное напряжение модели Uвых = Asin(ωt + ϕ), являющееся решением этого уравнения, и есть гармоническое колебание сверхнизкой частоты. Генераторы звуковых частот. ИГ звуковых частот применяются для решения задач, связанных с измерением параметров цепей, для измерения частоты, при испытаниях и настройке низкочастотных устройств, для снятия частотных характеристик четырехполюсников, в качестве модуляторов и т. д. К этой группе генераторов относятся устройства, обеспечивающие получение синусоидального напряжения с частотой в пределах от 20 до 20000 Гц. От звуковых генераторов требуется, чтобы генерируемые ими колебания были возможно ближе к чисто синусоидальным, что оценивается коэффициентом нелинейных искажений kf, т. е. коэффициентом, определяющим содержание высших гармоник. Обычно добиваются, чтобы kf = 1–3 %, хотя c помощью применения специальных фильтров он может быть снижен до значения порядка 0,1–0,2 %. В качестве источников напряжения звуковой частоты можно применять машинные, зуммерные и электронные генераторы, но для измерительных целей применяют только последний тип генераторов. Это объясняется возможностью создания электронных генераторов, как работающих на фиксированной частоте, так и перекрывающих заданный диапазон при плавном изменении выходного напряжения.

35

В измерительной технике наиболее часто применяют схемы трех типов: LC-генераторы, генераторы на биениях, RC-генераторы. Генераторы типа LC представляют собой ламповые или полупроводниковые генераторы с самовозбуждением. Параметры L и C колебательных контуров имеют существенно большие значения и, как правило, малую добротность, а следовательно, меньшую стабильность частоты генерируемых колебаний. Звуковые генераторы LC-типа отличаются простотой, если они настроены на фиксированную частоту или на очень узкий диапазон частот. Построение этих генераторов, перекрывающих весь звуковой диапазон, связано с очень большими трудностями, так как создание переменных конденсаторов большой емкости практически невозможно. Поэтому LСгенераторы применяются только для получения напряжения одной частоты, например, для питания мостовых схем, в качестве модуляторов и т. п. Генераторы на биениях являются более удобными для перекрытия всего звукового диапазона. Напряжение звуковых частот в них получается в виде колебаний разностной частоты в результате смешения в нелинейном элементе двух высокочастотных колебаний, близких друг к другу по частоте. RC-генераторы являются наиболее удобными устройствами для получения напряжений звуковой частоты. Они просты по конструкции, надежны, обеспечивают стабильность частоты генерируемых колебаний порядка 10−3 без применения стабилизирующих устройств и получение напряжений с частотой от единиц Гц до сотен кГц. Генераторы видеочастот. В связи с широким применением в современных электронных устройствах широкополосных усилителей и других элементов, работающих в широком частотном диапазоне, возникла необходимость в построении ИГ с очень большими пределами изменения частоты выходного напряжения. Генераторы этого типа называются генераторами видеочастот, которые обеспечивают получение напряжений с частотами от 20 до 107 Гц. Обычно основой этих генераторов являются те же LC- и RC-генераторы или их комбинации. Эти генераторы используются для исследования широкополосных электронных устройств, снятия частотных характеристик как активных, так и пассивных четырехполюсников, измерения времени, частоты и т. д. Радиочастотные генераторы. К ним обычно относят электронные устройства, позволяющие получать напряжения синусоидальной формы с

36

частотой от 105 Гц до сотен МГц. В качестве высокочастотных задающих генераторов используют генераторы, применяемые в радиосвязи. Основные требования, предъявляемые к генераторам этой группы, следующие: возможно более высокая стабильность частоты и амплитуды генерируемых колебаний; по возможности отсутствие гармоник и высокая точность установки параметров выходного напряжения (частоты, амплитуды). Особенно жестко эти требования предъявляются к генераторам стандартных сигналов (ГСС). Несмотря на очень широкий диапазон частот, перекрываемый этой группой генераторов, возникает необходимость использования колебательных систем различного типа от контуров с сосредоточенными до контуров с распределенными параметрами (двухпроводные и коаксиальные контуры). Основным и наиболее ответственным узлом в этой схеме является задающий генератор высокой частоты ГВЧ. Генераторы обычно строят по типовым схемам, но в этом каскаде принимаются все меры для обеспечения стабильности и достоверности частоты генерируемых колебаний. Функционирование некоторых радиоустройств, работающих в радиосвязи или радиоуправлении, существенным образом зависит от глубины модуляции передаваемого радиосигнала, поэтому все современные измерительные генераторы этого диапазона имеют в своем составе внутренний источник модулирующего сигнала (чаще звуковой генератор на частоту 400 или 1000 Гц) и модулятор того или иного типа. Часто в качестве модулятора используют буферный усилитель. В генераторах метрового диапазона предусматривается возможность импульсной, а иногда и частотной модуляции. В высокочастотные генераторы встроены два электронных вольтметра, контролирующие глубину модуляции m и значение выходного напряжения, подаваемого на точно градуированный аттенюатор (Ат) резистивного (для нижней части диапазона) или емкостного типа (в области повышенных частот). Выходное напряжение ГСС можно изменять в пределах от долей микровольта до одного вольта. Импульсные генераторы очень разнообразны, и к ним, кроме общих требований, предъявляют ряд специфических, предусматривающих определенную длительность импульсов, их форму, крутизну фронтов и т. д. Наиболее часто в измерительной технике требуются ИГ, обеспечивающие получение импульсов прямоугольной формы с калиброванной длительностью, прямоугольных (или треугольных) импульсов с калиброванным периодом повторения, парных (двойных) импульсов с калиброванным рас-

37

стоянием между ними, импульсов пилообразной, экспоненциальной, сложной формы и т. д. Генераторы прямоугольных импульсов наиболее часто используются в измерительной технике. Эти генераторы применяют для измерения длительности временных интервалов, в качестве запускающих или синхронизирующих устройств для наладки видеоусилителей и различных импульсных устройств автоматики, вычислительной техники и т. д. Формирование прямоугольных импульсов можно выполнить следующим образом: путем ограничения синусоидального напряжения, с помощью мультивибраторов, закороченных или разомкнутых линий задержки; с использованием пересчетных схем в сочетании с кварцевым генератором. Наиболее простой генератор прямоугольных импульсов состоит из звукового генератора синусоидальных колебаний с органами управления частотой и двух (или трех) усилителей-ограничителей, формирующих путем последовательного ограничения синусоидального напряжения прямоугольные импульсы с коэффициентом заполнения, равным 0,5 ("меандр"). Этот способ обеспечивает хорошую форму выходных импульсов (малая длительность фронтов). Однако в измерительной технике часто требуется получение импульсов не только переменной частоты следования, но и с изменяющейся в широких пределах длительностью. Наиболее простые генераторы импульсов переменной длительности строятся на основе самовозбуждающегося или управляемого мультивибратора. Недостатками этого типа схем являются малая достоверность и стабильность длительности генерируемых импульсов, хотя в ряде случаев это можно не учитывать. Для получения прямоугольных импульсов постоянной и точно известной длительности применяют генераторы, основанные на использовании других способов формирования. Генераторы экспоненциальных импульсов достаточно просты. Построение и принцип работы их основан на использовании явлений заряда и разряда конденсатора. Генераторы этого типа содержат в своем составе самовозбуждающийся блокинг-генератор или мультивибратор, RC-цепь с перестраиваемыми параметрами, вспомогательные ключевые устройства, управляющие зарядом или разрядом конденсатора C, усилитель мощности и выходной аттенюатор. Генераторы для получения непрерывных напряжений сложных форм основаны на том принципе, что любую периодическую функцию времени

38

f(t) можно разложить на бесконечную сумму гармоник, кратных частоте ω, в соответствии с выражением ∞

f(t) = U0 + ∑ Umnsin(nωt + ϕn). n =1

Вполне очевидно, что, суммируя ряд гармоник с кратными частотами, управляемыми фазами ϕn и амплитудами Umn, можно синтезировать периодическое напряжение любой заданной формы. Но чаще всего стремятся при необходимости испытания какого-либо устройства сложным сигналом заменить его более простым по форме и способу получения. Дополнительные погрешности, получающиеся при подобной замене, всегда можно с достаточной для практики точностью оценить и ввести соответствующую поправку в результат испытания. Генераторы шумовых сигналов. Различные электронные устройства и системы для получения, преобразования и математической (а иногда и логической) обработки информации об исследуемых или управляемых процессах в реальных условиях находятся под воздействием не только полезного сигнала, но и некоторой доли мешающих сигналов. Эти мешающие сигналы, появление и закон изменения которых во времени не связаны с полезным сигналом, называются шумами – независимо от физической природы их появления.

3. АИУ уравновешивающего преобразования В аналоговых устройствах уравновешивающего преобразования используются мостовые и компенсационные методы измерений, которые получили широкое применение в электроизмерительной технике благодаря высокой точности в сочетании с высокой чувствительностью, что делает эти методы основными при проведении почти всех метрологических измерений, а также во многих случаях лабораторных измерений и государственной поверки. АИУ с ручным уравновешиванием. К ним относятся мосты и компенсаторы постоянного и переменного тока. Общим узлом этих устройств является декадный последовательный магазин сопротивлений, выступающий у компенсаторов в качестве компенсационного сопротивления, а у мостов – в качестве плеча сравнения. Наиболее общим узлом, входящим составным элементом в магазин сопротивлений всех устройств, является декада сопротивлений.

39

Декада, как правило, состоит из 10 равных по значению сопротивлений R, чаще всего включаемых по последовательной схеме и коммутируемых с помощью рычажного (или штепсельного) переключающего устройства. Показание декады в общем виде: Rд = aR, (a – положение переключателя декады). Действительное значение сопротивления декады a

Rдд = ∑ Ri + r0 ± ∆r0, i =0

где i – номер катушки в декаде, r0 – общее сопротивление соединительных проводов и переходных сопротивлений контактов щеток, ± ∆r0 – вариация переходных сопротивлений контактов (равная половине вариации). Мосты постоянного тока. Мостом называется электрическая цепь, в которой при определенном соотношении сопротивлений могут быть выделены две узловые вершины c и d с равными потенциалами. Ветви моста R1, R2, R3 и R4 носят название плеч моста; ветвь ab, в которую включен источник питания, называется диагональю питания или генераторной диагональю, а ветвь cd указателя равновесия – нулевой или индикаторной диагональю. Простейший четырехплечий мост называют одинарным для противопоставления двойному. В качестве указателей равновесия применяют МЭ гальванометры, гальванометрические указатели и электронные усилители постоянного тока. Чувствительность мостовых цепей постоянного тока. Для уравновешивания моста с заданной точностью необходимо, чтобы при допустимом неравновесии получалось заметное для оператора отклонение гальванометра, т. е. обеспечивалась необходимая чувствительность. Получение необходимой чувствительности можно обеспечить: 1) выбором гальванометра с соответствующей чувствительностью; 2) выбором источника питания с соответствующими значениями напряжения, мощности или тока; 3) выбором наиболее выгодного соотношения сопротивлений плеч мостовой цепи. В большинстве случаев желательно применять более грубый гальванометр, поскольку он более удобен, более надежен и обладает меньшим временем успокоения. Увеличение напряжения, тока или мощности источника питания ограничивается, как правило, допустимой мощностью, рассеиваемой на измеряемом сопротивлении Rx. Особенно важен вопрос чувствительности в неуравновешенных мостах, поскольку значения напряже-

40

ния, тока или мощности в измерительной диагонали определяются значением чувствительности мостовой цепи. Чувствительность можно рассматривать по отношению к напряжению, току или мощности в измерительной диагонали, т. е. U cd ΔR → 0 ΔR

Su = lim

I cd ΔR → 0 ΔR

; Si = lim

Pcd ΔR → 0 ΔR

; Sp = lim

.

В процессе проектирования могут быть заданы самые разнообразные условия, а расчетные соотношения для общего случая достаточно громоздки, поэтому рассмотрим наиболее часто встречающиеся на практике варианты. 1. Значение напряжения питания U0 ограничивается мощностью рассеивания на измеряемом сопротивлении Rх, сопротивление указателя велико, а мощность, рассеиваемая другими элементами схемы, не ограничена. Это соответствует работе мостовой схемы на электронный усилитель. Очевидно, что в данном случае имеет смысл говорить о чувствительности по напряжению. 2. Значение напряжения питания U0 также ограничено мощностью рассеяния на измеряемом сопротивлении Rх, мощность, рассеиваемая другими элементами схемы, не ограничена. Необходимо получить максимальную мощность в измерительной диагонали (этот случай характерен для неуравновешенного моста). 3. Все плечи моста, включая измеряемое, обладают примерно одинаковой допустимой мощностью рассеяния. Требуется получить максимальную мощность в указателе (точные измерения, поверка образцовых сопротивлений). Необходимо найти связь между мощностями, рассеиваемыми в плечах моста, и напряжением, питающим схему. Двойные мосты. Обычные четырехплечие (одинарные) мосты обеспечивают точное измерение относительно больших сопротивлений (порядка 5–10 Ом и выше) с малой погрешностью – порядка 0,1–0,01 % и даже меньше. При измерении малых сопротивлений начинают сказываться переходные сопротивления контактов и их вариации, вызывающие значительные погрешности. Это объясняется тем, что переходные сопротивления, включенные последовательно с сопротивлениями плеч моста, входят в измерительную схему и сказываются непосредственно на результате измерения. Для измерения малых сопротивлений на постоянном токе широкое распространение получили двойные мосты. Мосты переменного тока. Мосты переменного тока позволяют измерять полное сопротивление, активную и реактивную составляющие, емкость, индуктивность, взаимную индуктивность, тангенс угла потерь, час-

41

тоту и другие параметры. Сопротивления плеч Z1, Z2, Z3 и Z4 могут состоять из последовательно, параллельно или смешанно включенных активных сопротивлений, емкостей или индуктивностей в самых различных сочетаниях. Аналогично выражению для мостов постоянного тока можно записать, что при равновесии моста переменного тока Z1Z4 = Z2Z3. Если принять, что Z1 = R1 + jX1; Z2 = R2 + jX2; Z3 = R3 + jX3; Z4 = – R4 + jX4, то (R1 + jX1)⋅(R4 + jX4) = (R2 + jX2)⋅(R3 + jX3) и (R1R4 – X1X4) + j(R1X4 +R4X1) = (R2R3 – X2 X3) + j(R2X3 – R3X2), мост будет находиться в состоянии равновесия, при: R1R4 – X1X4 = R2R3 – X2X3; R1X4 + R4X1 = R2X3 + R3X2. То есть необходимо выполнить одновременно два условия. Физический смысл этого будет более понятен, если воспользоваться показательной формой записи для комплексных величин. В этом случае необходимо выполнение двух условий: Z1Z4 = Z2Z3 и ϕ1 + ϕ4 = ϕ2 + ϕ3, т. е. мост переменного тока необходимо уравновесить одновременно как по модулю, так и по фазе. В качестве классификационных признаков мостов переменного тока можно использовать: 1) общие принципы построения мостовой схемы и характер ее плеч; 2) расположение плеч в схеме; 3) характер плеча сравнения. Измеряемое сопротивление, как правило, является комплексным, т. е. необходимо измерять как активную R, так и реактивную X, его составляющие. Следовательно, плечо сравнения также должно быть комплексным. Остальные два плеча (плечи отношений) выполняют вспомогательную роль и могут быть либо чисто активными, либо чисто реактивными, либо комплексными. Трансформаторные мосты. Мостовые измерительные цепи с тесной индуктивной связью, называемые трансформаторными мостами, отличаются высокой стабильностью, широким частотным диапазоном, хорошей защитой от влияния внешних электромагнитных полей и внутренних паразитных электрических и магнитных связей, исключительной гибкостью, обеспечивающей различные измерительные режимы и широкие возможно-

42

сти при решении самых различных функциональных задач. Они позволяют обеспечить повышение точности измерения параметров электрических цепей. Компенсаторы постоянного тока. Широко применяемый нулевой метод измерения реализуется как с помощью мостовых, так и компенсационных (потенциометрических) измерительных схем. Характерной особенностью компенсационного принципа является отсутствие тока в цепи нулевого индикатора в момент компенсации, что дает возможность исключить влияние сопротивления соединительных проводов, так как оно не влияет на результат измерения. Следовательно, компенсационный принцип позволяет производить непосредственное измерение ЭДС. Эта особенность свойственна только компенсационному принципу, так как компенсационные цепи имеют два независимых источника энергии, один из которых является эталонным. Так как компенсатором можно измерить напряжение, то очевидно это дает возможность косвенного определения тока по падению напряжения на известном сопротивлении. Существует две разновидности компенсационных схем: 1) схемы компенсации ЭДС или напряжений (потенциометры); 2) схемы компенсации токов. Потенциометры постоянного тока. Основным элементом измерительной цепи компенсатора является известное регулируемое компенсирующее напряжение. В качестве последнего используется падение напряжения, получаемое при прохождении известного тока по известному сопротивлению. Точность компенсационной схемы определяется тремя факторами: 1) точностью установки и поддержания рабочего тока Ip; 2) точностью изготовления и подгонки образцового RN и компенсационного Rк сопротивлений; 3) чувствительностью нулевого индикатора. Одной из основных характеристик потенциометров является чувствительность. Под чувствительностью потенциометров Sп понимают произведение Sп = Sи ⋅ Sкц, где Sи – чувствительность нулевого индикатора; Sкц – чувствительность компенсационной цепи.

43

Учитывая, что чувствительность индикатора (гальванометра) Sи имеет постоянное и известное значение, для определения чувствительности потенциометра Sп необходимо найти чувствительность компенсационной цепи Sкц. Чувствительность компенсационной цепи Sкц есть отношение приращения тока в индикаторе ∆Iи, возникающего при появлении в уравновешенной измерительной цепи некоторого приращения ЭДС ∆Eх, к этому приращению: Sкц =

ΔI õ ΔE x

.

При одном и том же значении ∆Eх приращение тока ∆Ix пропорционально полному сопротивлению измерительной цепи Rиз = Rи + Rx + R 'ê , где Rи – сопротивление нулевого индикатора; Rx – внутреннее сопротивление источника измеряемой ЭДС; R 'ê – значение компенсационного сопротивления Rк при компенсации ЭДС Ex. Таким образом, чувствительность компенсационной цепи монотонно возрастает при уменьшении этих сопротивлений. Именно поэтому чувствительность потенциометров, у которых значение сопротивления мало, выше, чем у потенциометров, имеющих большое сопротивление. Компенсаторы переменного тока. Прямоугольно-координатные и полярно-координатные компенсаторы. Схемы, методика расчета, анализ погрешностей синфазной и квадратурной цепей. Принцип уравновешивания при измерении ЭДС может быть применен и на переменном токе. При этом для осуществления компенсации измеряемой ЭДС Ex компенсирующим напряжением Uк необходимо, чтобы их мгновенные значения были равны в любой момент времени, что возможно при условии, что Eх и Uк одной частоты и формы. Обычно форма Uк – синусоидальная, а у Eх может быть любая, так что полной компенсации в общем случае осуществить нельзя. АИУ с автоматическим уравновешиванием. Автоматические АИУ следящего уравновешивания со статической характеристикой. Автоматические измерительные устройства со статической характеристикой объединяют достоинства компенсационного метода измерения с использованием на выходе обычного прибора прямого преобразования (как правило, магнитоэлектрического).

44

В качестве датчика рассогласования в этих устройствах могут использоваться либо пассивные цепи вычитания напряжений или токов, либо высокочувствительные (обычно магнитоэлектрические) гальванометры, тщательно защищенные от влияния внешних взаимодействий. В зависимости от вида используемого датчика рассогласования устройства делятся на электронные и гальванометрические компенсаторы, автоматические компенсационные устройства с ФД ИМ. Отдельно выделяется группа автоматических мостов со статической характеристикой. Автоматические компенсационные устройства с ФД ИМ. Автоматические компенсационные устройства с ФД ИМ бывают двух типов: 1) устройства с совмещенными компенсирующим и исполнительным элементами; 2) устройства с раздельными компенсирующим и исполнительным элементами. Автоматические мосты со статической характеристикой применяются для измерения сопротивлений и для работы с датчиками сопротивления и подразделяются на уравновешенные и неуравновешенные. АИУ следящего уравновешивания с астатической характеристикой. Автоматические компенсаторы постоянного тока. Автоматические компенсаторы постоянного тока применяются для измерения малых ЭДС и напряжений, а также неэлектрических величин, функционально с ними связанных (температуры, давления и т. д.). В комплекте с шунтом они могут быть использованы для измерения токов (автоматические компенсаторы, работающие в режиме компенсации токов, распространения не получили). В качестве измерительной схемы такого компенсатора используется мостовая схема, обладающая рядом преимуществ: 1) получение различных постоянных цен деления шкалы; 2) смещение нулевой отметки шкалы на любом участке рабочего диапазона; 3) введение поправок, связанных с изменением систематических погрешностей, зависящих от изменения температуры; 4) установление начального потенциала в любой части реохорда, облегчающее градуировку приборов в производстве и позволяющее использовать реохорды с неравномерной намоткой. Питание измерительной схемы осуществляется от источника постоянного стабилизированного напряжения, выходное напряжение которого

45

регулируется в пределах от 1 до 2 В. Ток источника питания составляет 5 мА. Автоматические компенсаторы переменного тока. Автокомпенсаторы переменного тока отличаются высокой сложностью и трудностью обеспечения высокого класса точности. Это объясняется необходимостью уравновешивания по двум параметрам и отсутствием эталонов переменных напряжений или токов. Поэтому они применяются значительно реже. Прямоугольно-координатные и полярно-координатные автоматические компенсаторы состоят из двух замкнутых следящих систем. Автоматические мосты переменного тока. По способу формирования регулирующих воздействий их можно подразделить на нулевые и амплитудно-фазовые мосты. В нулевых мостах Uсd или его составляющие приводятся к нулю. В амплитудно-фазовых мостах регулирующее воздействие формируется в зависимости от выполнения определенных соотношений между амплитудами или фазами заранее выбранных напряжений на вспомогательных элементах и в мостовой схеме. Исходя из электрического состояния измерительной диагонали мостовой схемы их можно, в свою очередь, разделить на три группы: 1) автоматические мосты с раздельным уравновешиванием, Ucd = 0; 2) квазиуравновешенные мосты, Ucd ≠ 0; 3) полууравновешенные мосты, в которых значение одного параметра комплексной величины уравновешивается, а значение второго параметра измеряется прибором прямого преобразования. АИУ развертывающего уравновешивания. Автоматические АИУ развертывающего уравновешивания, или динамической компенсации, отличаются от следящих периодическим характером процесса уравновешивания. Приборы развертывающего уравновешивания делятся на приборы с уравновешиванием по одному параметру (приборы для измерения мгновенных значений величин, изменяющихся во времени по любому закону) и с уравновешиванием по двум параметрам, предназначенные для измерения амплитуды и фазы или двух ортогональных составляющих величин, изменяющихся по синусоидальному закону. Перспективы развития АИУ. АИУ являются развивающимися средствами информационноизмерительной техники. Дальнейшее развитие получат электронные АИУ, реализованные на современной элементной базе, и имеющие улучшенные метрологические и эксплуатационные характеристики. В большинстве со-

46

временных приборов предполагается организация линейного выхода для целей контроля, управления и сигнализации. Перспективным является сочетание аналоговых устройств с цифровыми для реализации сложных алгоритмов измерений и улучшения метрологических характеристик. Целесообразно дальнейшее обеспечение метрологической, информационной, энергетической и конструкционной совместимости АИУ с целью комплексного использования групп приборов в установках различного целевого назначения.

Библиографический список 1. РГМ 29−99 ГСИ. Метрология. Основные термины и определения. 2. ГОСТ 8.009−84 ГСИ. Нормирование и использование метрологических характеристик средств измерений. 3. ГОСТ 22261−94. Средства измерений электрических и магнитных величин. Общие технические условия. 4. Алиев Т. М. Автокомпенсационные измерительные устройства переменного тока / Т. М. Алиев, А. М. Мелик-Шахназаров, И. Л. Шайн. – М.: Энергия, 1977. – 360 с. 5. Аналоговые электроизмерительные приборы: Учеб. пособие для вузов по специальности "Информационно-измерительная техника" / Е. Г. Бишард, Е. А. Киселева, Г. П. Лебедев. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1991. – 415 с. 6. Атамалян Э. Г. Приборы и методы измерения электрических величин. – М.: Высш. шк., 1982. – 223 с. 7. Волгин Л. И. Линейные электрические преобразователи для измерительных приборов и систем. – М.: Советское радио, 1971. – 336 с. 8. Гриневич Ф. Б. Автоматические мосты переменного тока. – Новосиб.: Изд. СО АН СССР, 1964. – 216 с. 9. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – Л.: Энергоатомиздат, 1988. – 304 с. 10. Карандеев К. Б. Специальные методы электрических измерений. – М.: Госэнергоиздат, 1963. – 344 с.

47

11. Куликовский Л. Ф. Автоматические информационные измерительные приборы. – М.: Энергия, 1966. – 424 с. 12. Куликовский Л. Ф. Компенсаторы переменного тока / Л. Ф. Куликовский, А. М. Мелик-Шахназаров. – М.: Госэнергоиздат, 1960. 13. Маграчев З. В. Вольтметры одиночных импульсов. – М.: Энергия, 1967. 14. Мильштейн В. Н. Энергетические соотношения в электроизмерительных приборах. – М.: Госэнергоиздат, 1960. 15. Орнатский П. П. Автоматические измерения и приборы. –Киев: Вища шк., 1986. – 504 с. 16. Полулях К. С. Электронные измерительные приборы. – М.: Высш. шк., 1966. 17. Розенсон Э. З. Измерительные уравновешенные мосты постоянного тока / Э. З. Розенсон, Е. И. Теняков. – Л.: Энергия, 1970. – 95 с. 18. Темников Ф. Е. Автоматические регистрирующие приборы. – М.: Машиностроение, 1968.

48

СОДЕРЖАНИЕ Цель преподавания дисциплины ……………………….………….. 3 1. Общие вопросы проектирования АИУ ………………………….. 3 2. АИУ прямого преобразования ……………………………..…….12 3. АИУ уравновешивающего преобразования ……………………..40 Библиографический список ………………………………………....48

49