книги / Приборы и методы измерения электрических величин.-1

напряжения, равная (/„/ф, мала и практически не влияет на пока­ зания вольтметра.

Для измерения размаха напряжения Vр может быть рекомен­ дован импульсный вольтметр, схема которого представлена на рис. 7.15. При подведении к вольтметру измеряемого импульсного напряжения в первый положительный полупериод конденсаторы с одинаковым значением емкостей Сх = С2 = С заряжаются через открытый диод Да до значения, равного 0,56^;. В течение действия отрицательного полупериода импульсного напряжения диод Дх открыт, а диод Д2 закрыт, в результате чего конденсатор Сх пере­ заряжается примерно до значения С/й, т. е. знак напряжения на Сх изменится на противоположный, а напряжение на конденса­ торе Са останется почти постоянным, поскольку разряд конденса­

Шкалы импульсных вольтметров градуируются при синусоидаль­ ном напряжении в амплитудных значениях образцового напряже­ ния. Такая шкала справедлива также и при измерении пиковых значений импульсных сигналов.

Измерение амплитуды импульсного напряжения автокомпенсационным вольтметром. Измерение амплитуды импульсного напря­ жения осуществляют методом сравнения последнего с калиброван­ ным постоянным напряжением. Компенсирующее постоянное на­ пряжение при компенсационном методе устанавливают вручную, а при автокомпенсационном — автоматически с помощью замкнутой следящей системы. На рис. 7.16 представлена схема автокомпенсационного вольтметра с открытым входом. Положительный импульс с амплитудой С/мпосле прохождения через диод Д х частично заря­ жает емкость Сх и поступает на вход усилителя импульсов. Усилен­ ный импульс той же полярности, пройдя через диод Д2, заряжает конденсатор Са большой емкости, который по цепи обратной связи через резистор разряжается на конденсатор Сх так, что напря­ жения на конденсаторах становятся одинаковыми до прихода следующего импульса. Напряжение на конденсаторе Сх создает отрицательное смещение на диоде Д х, поэтому следующий поло­ жительный импульс частично пройдет через него. Таким образом, каждый последующий импульс будет заряжать конденсаторы Сх

и С2 до тех пор, пока напряжение на них не сделается равным амплитуде положительного импульса. Значение этого напряжения фиксируется на резисторе # 2 и измеряется электронным вольт­ метром V постоянного тока.

Входное сопротивление вольтметра может быть от нескольких десятков килоом до сотен мегаом в зависимо­ сти от частоты следования и длительности измеряемых им­ пульсов.

Измерение напряжения одиночных импульсов. Оди­ ночные импульсы длитель­ ностью от сотых долей мик­ росекунды до нескольких мил­

лисекунд встречаются в технике лазерной, полупроводниковой плазмы и т. д. При измерении одиночного импульса энергия, необходимая для измерения, поступает в измерительную систему (элемент преобразования) лишь в течение существования импульса. Поэтому измерительная система должна «успевать» регистрировать напряжение импульса во время его действия, т. е. система долж­ на быть либо безынерционной, либо запасать необходимую ин­ формацию о напряжении импуль­ са за время его действия. Для этой цели могут быть использо­ ваны специальные осциллографы с фоторегистрацией или запоми­ нанием однократных процессов.

Измерить амплитуду одиноч­

сов, отсутствие предварительной информации о их полярности и значении амплитуды усложняют

схему преобразования и требуют построения автоматических

входных устройств.

При преобразовании одиночного импульсного напряжения в ква­ зипостоянное напряжение роль накопителя информации об ампли­ туде одиночного импульса выполняют одно- и многоступенчатые диодно-конденсаторные преобразователи импульсов (см. рис. 5.5)

в сочетании с системами долговременного запоминания. Схема измерителя с преобразованием амплитуды импульса в квазипостоянное напряжение представлена на рис. 7.17, а. Преобразо­ ватель амплитуды импульса в квазипостоянное напряжение рас­ ширяет (запоминает) сигнал на уровне, близком к его пиковому значению 1!к. Накопительный конденсатор преобразователя быстро заряжается черёз прямое сопротивление диода во время действия

а)

Рис. 7.18. Схема измерителя амплитуды одиночных импульсов о дискретным преобразованием (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

на входе импульса. После окончания действия импульса диод запирается и накопительный конденсатор медленно разряжается на измерительный прибор с большим входным сопротивлением (постоянная времени разряда много больше постоянной времени заряда). Входное сопротивление прибора должно быть велико, поэтому используют измеритель постоянного напряжения с высоко­ омным входом — электростатический вольтметр (1014 Ом и выше), ламповый электрометр и др. Временные диаграммы, поясняющие принцип преобразования, показаны на рис. 7.17, б, где ив1 (0, Иаых (О — напряжения исследуемого импульса соответственно на входе и выходе преобразователя; /и — длительность исследуемого импульса; (3„,„ — время запоминания импульса; Д(/Зпи — абсо­ лютная погрешность запоминания импульса; Д(/а — абсолютная

погрешность из-за недозаряда; С/МЛ1Ы— максимальное напряже­ ние на выходе преобразователя после окончания импульса.

К основным характеристикам преобразования относят: относи­ тельную погрешность при заряде, равную Д<73/(УК; относитель­

Для преобразования одиночного импульсного напряжения в ин­ тервал времени используется амплитудно-временное преобразова­ ние (см. § 6.4). Входной сигнал преобразуют в интервал времени, длительность /п которого пропорциональна амплитуде (/„ изме­ ряемого импульса, т. е. 1п = Ш н (к — коэффициент, определяю­ щий масштаб преобразования). Длительность 4 преобразованного импульса определяется последовательным счетом числа импульсов образцовой частоты, заполняющих временной интервал с выдачей результата измерения либо на цифровой индикатор, либо цифро­ печатающее устройство, т. е. N = 4 (4) = /а (к1/м).

Схема измерителя амплитуды одиночных импульсов с дискрет­ ным преобразованием представлена на рис. 7.18, а.

В качестве амплитудно-временного преобразователя может быть использован преобразователь, построенный на принципе разряда накопительного конденсатора, предварительно заряженного за время действия 4 до амплитуды 0„ измеряемого импульса. По окончании импульса начинается разряд конденсатора через токо­ стабилизирующее устройство до первоначального значения напря­ жения. Начало и конец разряда фиксируются ограничителем интер­ вала преобразования, и так как разряд конденсатора происходит

Погрешность преобразования определяется непостоянством коэффициента амплитудно-временного преобразования и интервала преобразования, амплитудной погрешностью параметров преобра­ зуемого сигнала и др.

Мощность Рх, вычисленная по показаниям приборов (рис. 8.1, а),

больше действительного значения мощности потребления нагрузки на значение мощности Ру потребления вольтметра (1у — ток в цепи вольтметра). Погрешность определения мощности в нагрузке тем меньше, чем больше входное сопротивление вольтметра.

Мощность Рх, вычисленная по показаниям приборов (рис. 8.1, б),

р х =11у1А= (и А+ и ) 1 = и А1 + ш = р А+ р (в.вб)

больше действительного значения мощности потребления нагрузки на значение мощности РА потребления амперметра (IIА — паде­ ние напряжения на амперметре). Погрешность определения мощ­ ности в нагрузке тем меньше, чем меньше входное сопротивление амперметра. Поэтому схе­ му, изображенную на рис.

8.1, а, применяют для из­ мерения мощности при ма­ лых сопротивлениях на­ грузки, а схему, изобра­ женную на рис. 8.1, б, — при больших.

Если известны входные сопротивления приборов, то можно внести к их пока­

заниям соответствующие поправки и уменьшить погрешность оп­ ределения мощности, т. е. получить более точный результат изме­ рения.

Для измерения мощности в цепях постоянного и переменного токов применяют электродинамические ваттметры.

Измерение мощности в цепи однофазного синусоидального тока. Для измерения мощности неподвижную катушку ваттметра вклю­ чают последовательно с нагрузкой, мощность которой необходимо измерить, а подвижную катушку — параллельно к нагрузке (рис. 8.2).

В соответствии со схемой включения ток в цепи неподвижной катушки равен току нагрузки: 1Х= I, а в цепи подвижной ка­ тушки (приближенно считая ее сопротивление активным Руру)' /в = = 1у = ШРуруг тогда угол сдвига фаз ф между / х и / 2 равен углу

Угол отклонения подвижной части ваттметра находится в линей­ ной зависимости от значения измеряемой мощности Р.

При полной компенсации сопротивление 2, должно быть актив­ ным, следовательно,

(о>ДкСк )г < 1 .

В ваттметре при изменении направления тока в одной из кату­ шек изменяется знак угла отклонения подвижной части (8.8), по­ этому зажимы обмоток прибора, закорачивание которых приводит к правильному отклонению стрелки, называют генератор­ ными и обозначают звездоч­ ками. Обычно в цепь подвиж­ ной катушки ваттметра вво­ дят переключатель направле­ ния тока, позволяющий ме­ нять направление вращающе­ го момента и получать откло­ нение стрелки в правильную сторону.

Включение неподвижной катушки ваттметра последо­ вательно с нагрузкой (рис. 8.2, а) возможно только при токах нагрузки 10—20 А (при больших токах нагруз­ ки неподвижную катушку

ваттметра включают через трансформатор тока). При измерении мощности в цепях высокого напряжения (свыше 600 В) подвижную катушку ваттметра включают не непосредственно в измеряемую цепь, а через трансформатор напряжения, а неподвижную катушку ваттметра — через измерительный трансформатор тока (незави­ симо от значения тока нагрузки).

Включение ваттметра через измерительные трансформаторы тока ТрТ и напряжения ТрН показано на рис. 8.3.

Значение измеряемой мощности определяют по показанию ватт­ метра, умноженному на произведение коэффициентов трансформа­

где Рж— измеренное значение активной мощности в цепи на­ грузки; Р у ? — показание ваттметра: К и НОм> Я/„ом — номинальные коэффициенты трансформации соответственно трансформаторов на­ пряжения и тока.

Измеренное значение мощности будет отличаться от действи­ тельного за счет погрешности в передаче значений напряжения и тока, а также угловых погрешностей трансформаторов. Электро­ динамические ваттметры изготовляют многопредельными, высоких классов точности (0,1; 0,2) с диапазоном измеряемых мощностей от десятых долей ватта до 3—6 кВт, используют их как лаборатор­ ные приборы. При грубых измерениях в качестве щитовых прибо­ ров применяют ферродинамические ваттметры.

§8.3. Измерение мощности в цепях повышенной

ивысокой частот

Вцепях повышенной и высокой частот проводят прямые и кос­ венные измерения мощности. В ряде случаев косвенные измерения предпочтительнее, так как проще измерять напряжение, ток и сопро­ тивление, чем мощность. При прямых измерениях в основном ис­

няют на электронных лампах, полупроводниковых диодах, пре­ образователях и др. нелинейных элементах, работа которых осу­ ществляется на квадратичном участке вольтамперной характери­ стики. Операция перемножения ш в квадраторах заменяется опе­ рациями суммирования и возведения в квадрат. В диапазоне ча­ стот до сотен мегагерц используют ваттметры с датчиками Холла.

На сверхвысоких частотах измерение мощности осуществляется преобразованием мощности в тепло (калориметрические методы), свет (фотометрические методы) и т. д.

Измерение мощности электронным выпрямительным ваттметром. Принципиальная схема электронного ваттметра с квадратором,, выполненным на полупроводниковых диодах, представлена на рис. 8.4. Ваттметр имеет два резистора-в цепи тока, сопротивления которых # ш1 = # ш2 много меньше сопротивления нагрузки, и два резистора сопротивлениями # а. # 4> в цепи напряжения. Рези­ сторы Р8, Р 4 выполняют роль делителя напряжения, поэтому сопро­ тивление Р 8 + Я4 много больше сопротивления нагрузки 2„.