книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

с внешним критическим сопротивлением, то движение подвижной части ИМ будет апериодическим, если очень велико — периодическим ко­ лебательным. Таким образом, критическое успокоение можно обеспе­ чить соответствующим подбором внешнего сопротивления, однако при этом чувствительность гальванометра несколько снижается.

Б а л л и с т и ч е с к и й г а л ь в а н о м е т р — разновидность обычного магнитоэлектрического с большим периодом собственных колебаний (примерно 20...30 с) — используется для измерения коли­ чества электричества в кратковременных импульсах тока. Это воз­ можно благодаря тому, что из-за инерционности рамка ИМ некоторое время после появления в ней измеряемого тока все еще остается не­ подвижной и является своеобразным интегратором тока. Первое (наи­

отклонении внешнего сопротивления цепи гальванометра от крити­ ческого необходимо уточнить ее значение.

В и б р а ц и о н н ы е г а л ь в а н о м е т р ы строятся на базе магнитоэлектрического ИМ с малоинерционной подвижной частью (обычно подвижным является магнит), значительным противодейству­ ющим моментом и предназначены для индикации весьма малых пе­ ременных токов и напряжений при низких частотах. Хорошая чувствительность обеспечивается работой ИМ в режиме резонанса (при этом щ обычно составляет 50 Гц). Под влиянием переменного магнитного потока, вызванного протеканием по катушке измеряе­ мого переменного тока, подвижная часть ИМ будет колебаться в соответствии с уравнением (8.2):

а (!) = -2р“ з!п (Т1<»0/ + Ф)-

В настоящее время вибрационные гальванометры постепенно вы­ тесняются более чувствительными и удобными в пользовании электрон­ ными индикаторами, особенно при индикации высокочастотных токов и напряжений.

8.3. Термоэлектрические и выпрямительные приборы

Такие достоинства магнитоэлектрических приборов, как высокая точность и чувствительность, способствуют построению на их основе средств измерений параметров переменного тока. Эта задача решается путем сочетания преобразователей измеряемого параметра в постоян­ ный ток (или напряжение) и магнитоэлектрических ИМ. В зависимо­ сти от используемого преобразователя различают термоэлектрические

и выпрямительные приборы.

оо т ...ш

Термоэлектрические приборы. Основным узлом этих приборов является т е р м о п р е о б р а з о в а т е л ь , преобразующий дей­ ствующее значение измеряемого тока в постоянное напряжение. Он состоит из нагревательного элемента и термопары (рис. 8.6, а). Коли­ чество теплоты <2Н, выделяемое в нагревателе за время т от протека­ ния по нему тока I

где Ян и А — сопротивление и площадь поверхности охлаждения на­ гревательного элемента соответственно; с — коэффициент теплоотда­ чи; Д0 — разность температур нагревательного элемента и окружа­ ющей среды. При тепловом равновесии <2Н = и

да

Э.д. с. термопары пропорциональна разности температур ее горя­ чего спая и холодных концов. Если температура горячего спая термо­ пары и нагревателя, холодных концов и окружающей среды соответ­ ственно равны, получим

т.е. термо-э. д. с. Е& термопары прямопропорциональна квадрату действующего значения измеряемого тока.

Существуют две основные разновидности термопреобразователей — контактные и бесконтактные. У контактных термопрёобразователей — горячий спай термопары приваривается к нагревателю и имеет с ним электрический контакт; у бесконтактных — термопара и нагревательный элемент соединены между собой с помощью стеклян­ ной либо керамической капли, при этом электрический контакт между нагревателем и термопарой отсутствует. С целью повышения чувстви­ тельности бесконтактные преобразователи выполняют в виде термо­ батарей: у них имеется несколько термопар, соединенных последова­ тельно; их недостатком является сравнительно большая инерционность.

Термопреобразователи на малые токи (единицы и десятки милли­ ампер) обычно вакуумного исполнения, т. е. такие, у которых нагрева­

тель и термопара помещены в стеклянный баллон, в котором создано разрежение. У них значительно уменьшается потеря теплоты, благода­ ря чему, при прочих равных условиях, повышаются температура нагревателя, а тем самым и чувствительность термопреобразователя.

Термоэлектрические приборы являются основными приборами для измерения действующего значения переменного тока и напряжения

вшироком частотном диапазоне (от единиц герц до сотен мегагерц). Их существенное достоинство — независимость показаний от частоты и формы кривой измеряемой величины. К недостаткам рассматривае­ мых приборов следует отнести их низкую перегрузочную способность (до 50 %), некоторую зависимость термо-э. д. с. преобразователя от направления протекания постоянной составляющей тока по нагрева­ тельному элементу. Поскольку на магнитоэлектрический ИМ действу­ ет термо-э. д. с., пропорциональная квадрату измеряемой величины, шкалы термоэлектрических приборов выполняют неравномерными. Класс точности термоэлектрических приборов не выше 1,5.

Выпрямительные приборы. Наибольшее распространение среди этих приборов получили амперметры и вольтметры, представляющие собой соединение выпрямительного преобразователя и магнитоэлек­ трического ИМ. В качестве преобразователя используют одно- и двухполупериодные схемы выпрямителей (рис. 8.6, бив). Последние могут быть с четырьмя диодами либо с двумя диодами и двумя резисторами. Так как ИМ реагирует на среднее значение вращающего момента, то

вслучае однополуперйодной схемы преобразователя показание при­ бора будет пропорционально

где 1?ср, С/д, Т — среднее выпрямленное, действующее значение из­

В схеме двухполупериодного выпрямителя ток по нагрузке проте­ кает в течение всего периода, поэтому чувствительность такого пре­ образователя вдвое выше.

Пределы измерений выпрямительных приборов составляют от еди­ ниц миллиампер до десятков ампер и от долей вольта до сотен вольт при частотном диапазоне от 20...45 Гц до десятков килогерц. Класс точности выпрямительных приборов обычно 1,0 и ниже. Благодаря применению магнитоэлектрического ИМ эти приборы обладают наи­ высшей чувствительностью и наименьшим потреблением энергии среди приборов электромеханической группы. К недостаткам выпрямитель­ ных приборов следует отнести зависимость их показаний от частоты измеряемого сигнала и температуры. Частотная зависимость объяс­ няется наличием собственной емкости полупроводниковых диодов, паразитной емкости измерительной цепи и индуктивности рамки ИМ. Изменение температуры сказывается в основном на значении пара­ метров диодов и меньше — на ИМ. Для уменьшения частотной и температурной погрешностей внутри приборов применяются схемы частотной и температурной компенсации.

ИЗ

Поскольку для синусоидальной формы кривой существует одно­ значная зависимость между действующим и средневыпрямленным зна­ чениями (/Сф = 1,11)» шкалы выпрямительных приборов обычно гра­ дуируют в действующих значениях тока и напряжения синусоидаль­ ной формы. При отклонении формы кривых измеряемых величин от синусоидальной возникает специфическая погрешность от формы

„1,11 —/Сф

— щ — ’ где /С* — коэффициент формы измеряемых тока и напряжения.

8.4. Аналоговые электронные приборы

Аналоговые электронные приборы прямого преобразования соче­ тают в себе электронные преобразователи измеряемой величины в пос­ тоянное напряжение (ток) и магнитоэлектрический прибор.

Наибольшее распространение получили электронные вольтметры, амперметры, омметры, ваттметры, фазометры и частотомеры. Наряду с аналоговыми приборами, которые содержат в своей структуре ИМ, в практике электрических измерений широко используются аналого­ вые электронные приборы прямого преобразования без механического ИМ, в частности электронно-лучевые осциллографы и анализаторы гармоник.

Электронные вольтметры. Эти приборы отличаются высокой чув­ ствительностью (0,1 нВ/дел.), широким частотным диапазоном (от постоянного тока до единиц мегагерц) и малым потреблением мощ­ ности от источника измеряемого напряжения (к примеру, входное со­ противление вольтметра ВК2-16 составляет 101в Ом).

приведенной на рис. 8.7, а. В этих приборах измеряемое напряжение с помощью резистивного делителя напряжения ДН уменьшается до уровня, необходимого для нормальной работы усилителя постоянного тока УПТ. Выходное напряжение УПТ подается на магнитоэлектри­ ческий ИМ и преобразуется в отклонение а указателя. Основная при­ веденная погрешность таких вольтметров обычно не меньше 0,5. ..1,0 %.

Для измерения напряжений от долей микровольта до единиц вольт применяют микро- и милливольтметры, содержащие во входных цепях усилители с МДМ-преобразованием (см. п. 7.4).

В о л ь т м е т р ы п е р е м е н н о г о т о к а . В зависимости от того, для измерения какого значения переменного напряжения пред­ назначен прибор, различают вольтметры среднего квадратического, среднего выпрямленного или амплитудного значений. Они представ­ ляют собой преобразователь соответствующего значения переменного напряжения в постоянное и электронный вольтметр постоянного тока. В качестве преобразователей среднего квадратического значения при­ меняют обычно термопреобразователи. Одно- и двухполупериодные схемы выпрямителей используют как преобразователи средних выпрям­ ленных значений. При этом, в отличие от обычных термоэлектрических и выпрямительных приборов, здесь широко применяются операцион-

Рис. 8.7. К принципу действия электронных измерителей напряжения

ные усилители. К примеру, на рис. 8.7, б приведена схема преобразо­ вателя среднего квадратического значения с двумя термопреобразова­ телями 7777 и 7772. Э. д. с. Ех пропорциональна квадрату действу­ ющего значения входного напряжения 1ГХ, а Е2 — квадрату выходного-

^ Таким образом, точность преобразования определяется отношением коэффициентов преобразования термопреобразователей и значительно выше, чем у обычных термоэлектрических приборов.

Такие вольтметры средних квадратических значений обеспечивают наиболее высокую точность измерения напряжений, имеющих большое количество гармонических составляющих. Их основная приведенная погрешность составляет 0,5... 1,5 %. Однако время измерения опреде­ ляется инерционностью термопреобразователей и составляет 1...3 с.

Вольтметры средних выпрямленных значений, кроме прямого на­ значения, могут применяться для измерения действующего значения моногармонических напряжений, при этом их шкала градуируется в единицах средних квадратических значений. Погрешности вольт­ метров среднего выпрямленного значения существенно зависят от зна­ чения измеряемого напряжения, его частоты и составляют от 0,5 до’ 6 %. При измерении напряжений низкого уровня (до 100 мВ) их предварительно усиливают до значения, при котором обеспечивается нормальная работа соответствующего преобразователя.

В вольтметрах, предназначенных для измерения высокочастотных напряжений (до 10е Гц), на точности измерений могут существенно сказываться реактивности соединительного кабеля. Для устранения

их влияния выпрямительный преобразователь размещают в специаль­ ной выносной головке таким образом, чтобы выпрямительный диод был расположен на минимальном расстоянии от точки измерения на­ пряжения. В этом случае по кабелю передается постоянное напряжение, пропорциональное среднему выпрямленному значению измеряемого. Последующее усиление осуществляется посредством УПТ, выходное напряжение которого измеряется магнитоэлектрическим прибором.

Преобразователи амплитудных значений соответствующих вольт­ метров строят по схеме, приведенной на рис. 8.7, в.

составляющую 110) конденсатор С через диод УО в положительный полупериод заряжается до напряжения 1}с = Vо + Тогда падение напряжения на резисторе равно разности 1/х (() — 0 0 = IIт з т Ы —

— 0 т, т. е. не зависит от значения (У0. После фильтрации переменной •составляющей цепочкой # фСф выходное напряжение Ь а — С!т ■(рис. 8.7, г). Вольтметры амплитудных значений выпускаются на на­ пряжения от 1 мВ до 150 В в частотном диапазоне от 20 Гц до 1000 МГц. Их приведенная погрешность в зависимости от значения напряжения и частоты находится в пределах 0,2...15 %.

Электронные амперметры. В виде отдельных приборов не выпус­ каются. Измерение тока входит в функции универсальных электрон­ ных вольтметров. Значение силы тока определяют по падению напря­ жения на образцовом резисторе #лг (рис. 8.8, о), которое измеряют электронным вольтметром ЭВ. Повышение чувствительности ампер­ метров возможно путем увеличения значения что приводит к воз­ растанию методической погрешности измерения тока. С целью ее умень­

Рис. 8.9. Принципиальные схемы (д, в) и графики токов и напряжений (6, <) электронного фазометра с предварительным преобразованием фазового сдвига

Электронные омметры. Как и электронные амперметры, эти приборы отдельно не выпускают; их функции выполняют универсальные вольт­ метры, которые с этой целью в зависимости от диапазона измеряемых сопротивлений строят по одной из схем рис. 8.8, в н е . Преобразовате­ ли таких омметров представляют собой операционные усилители ОУ, охваченные отрицательной обратной связью образцовым Ям и измеряе­ мым Ях сопротивлениями. Схема (рис. 8.8, а) применяется при изме­ рении сопротивлений от 10 Ом до 1000 МОм. Учитывая большое зна­ чение коэффициента усиления ОУ (К ^ 1). выходное напряжение преобразователя

1^вых = р Ях,

Км

где Е — э. д. с. вспомогательного источника постоянного напряжения. Таким образом, измеряемое электронным вольтметром ЭВ напряжение пропорционально значению сопротивления Ях>

а прибор имеет обратную нелинейную шкалу.

КМ 9А М- ВО ГО

Электронные ваттметры (более подробно описаны в п. 8.7). Обычно предназначены для использования в цепях маломощных, малокосинус­ ных нагрузок и на частотах свыше 1 кГц. Серийно выпускаемые прибо­ ры сочетают в себе электронные, электростатические и иные преобра­ зователи.

Электронные фазометры. Могут быть построены по структурным схемам рис. 8.9, а й в .

В приборах, реализованных по схеме рис. 8.9, а, используется прин­

необходимо измерить, преобразуются посредством усилителей-ограни­ чителей УО в прямоугольные импульсы одинаковой амплитуды 110 (рис. 8.9, б). Среднее выпрямленное значение суммарного напря­ жения на выходе сумматора 2 измеряется вольтметром РУ и равно

Фазометры, построенные на таком принципе, позволяют измерять фазовые сдвиги от 0 до ±180° с погрешностью 0,1...Г в частотном диа­ пазоне 250... 10е Гц.

Уфазометров с предварительным преобразованием фазового сдвига

винтервал времени (рис. 8.9, в) из напряжений иг (I) и иг (I) с помощью усилителей-ограничителей УО и дифференцирующих устройств Д У формируются короткие импульсы щк и ы2к» моменты появления кото­ рых совпадают с моментами перехода исследуемых сигналов через нуль (рис. 8.9, г). Эти импульсы открывают и закрывают ключ К на пропорциональный углу ф промежуток времени, в течение которого через амперметр РА протекает ток, среднее значение которого равно

Использование такого принципа позволяет измерять фазовые сдвиги от 0 до 180°в частотном диапазоне 10... 100кГц с погрешностью ±0,2°.

Электронные частотомеры. Здесь используется принцип заряда и разряда конденсатора в сочетании с выходным аналоговым прибо­ ром,роль которого заключается в измерении среднего значения тока, протекающего через конденсатор при его периодическом перезаряде в соответствии с измеряемой частотой.

Упрощенная схема конденсаторного частотомера приведена на рис. 8.10. Ключ ЗА, работой которого управляет напряжение изме­ ряемой частоты /*, подключает конденсатор С в течение одного полупериода к источнику образцового напряжения II0 (с сопротивлением Яо в его цепи), а в течение другого — через резистор Км — к миллиам­

будет успевать зарядиться до напряжения 1!0 и полностью разрядить­ ся. Среднее значение тока через миллиамперметр составит

где /р (0 — разрядный ток конденсатора.

Важным преимуществом конденсаторных частотомеров является их широкий частотный диапазон (от 10 Гц до 1 МГц) при приведенной погрешности 1,5...2%.

Приборы для анализа характеристик сигналов. При изучении электрических сигналов, используемых в современной технике, приме­ няют два метода их представления: временной и спектральный. Для исследования поведения сигналов во времени пользуются осцилло­ графами, которые дают возможность непосредственно наблюдать форму периодических и непериодических сигналов. Произведя запись полу­ ченного изображения на фотопленке, можно в дальнейшем подвергнуть его более глубокому изучению, например, разложить полученную периодическую несинусоидальную функцию в тригонометрический ряд Фурье, определить амплитуды и фазы гармоник и т. п. Преимущество такого метода исследования — его наглядность, хотя для основатель­ ного количественного анализа он громоздок и недостаточно точен. Ведь известно, что, например, при непосредственном наблюдении кри­ вой напряжения на осциллографе можно обнаружить ее отклонение от синусоидальности только в том случае, если коэффициент гармоник будет больше 4...5 %. Меньшие искажения трудноразличимы.

Для наблюдения и регистрации мгновенных значений токов и на­ пряжений можно пользоваться как электронными, так и светолучевы­ ми (электромеханическими) осциллографами.

Основной составной частью электронно-лучевого осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) с электростатическим уп­ равлением лучом, представляющим собой сфокусированный пучок быстродвижущихся электронов. Источником электронов служит по­ догреваемый катод К (рис. 8.11), помещенный внутри цилиндрическо­ го, так называемого управляющего электрода с отверстием — м о д у ­ л я т о р а М. Изменением отрицательного (относительно катода) потенциала модулятора регулируется интенсивность пучка электронов, и тем самым, изменяется яркость свечения люминофора, которым по­ крыт экран Э.

Кроме управления интенсивностью, модулятор концентрирует элек­ троны в узкий пучок. Для четкой фокусировки луча на экране исполь­ зуется фокусирующий анод ФА. Энергию, необходимуюэлектронам для движения в пучке и засвечивания люминофора, сообщает ускоря­

ющий анод УА . Он имеет положительный (относительно катода) по­ тенциал, который достигает нескольких киловольт.

По пути к экрану пучок проходит между двумя парами пластин — вертикально (ВО) и горизонтально (ГО) отклоняющих. Под действием напряжения, приложенного к соответствующей паре пластин, световая точка на экране перемещается в вертикальном и горизонтальном на­ правлениях. Для наблюдения быстропротекающих процессов необхо­ дима большая энергия луча и поэтому после отклоняющих пластин расположен послеускоряющий анод ПУА. Напряжение на этом аноде достигает нескольких киловольт.

Длительность послесвечения, т. е. время, на протяжении которого яркость изображения уменьшается до 10 % первоначальной, зависит от свойств люминофора. Для непосредственного наблюдения периоди­ ческих процессов применяют ЭЛТ со средним послесвечением 0,01...

...0,1 с и зеленым цветом свечения (чувствительность органов зрения человека максимальна к зеленому цвету). Медленные процессы наблю­ дают на экранах с длительным послесвечением (до 16 с). Цвет свечения обычно голубой. Для фоторегистрации применяют ЭЛТ с повышенной яркостью, синим цветом свечения и коротким 'послесвечением (до 0,01 с).

Современный осциллограф кроме электронно-лучевой трубки имеет ряд других узлов и блоков.

Усилитель вертикального отклонения УВО, на вход которого посту­ пает исследуемый сигнал, усиливает и преобразует его в два сме­ щенные на 180° один относительно другого (парафазные) выходные сигналы. С помощью парафазных сигналов легче получить достаточно большое и неискаженное изображение на экране. К характеристикам УВО предъявляются повышенные требования, так как они в основном определяют метрологические свойства осциллографа в целом.

Развернутое во времени изображение исследуемого сигнала может быть получено, если к горизонтально отклоняющим пластинам будет приложено линейно-изменяющееся во времени напряжение. Это на­ пряжение вырабатывает специальный генератор развертки ГР. Часто­ та напряжения развертки должна равняться или быть кратной частоте исследуемого процесса. Только в этом случае изображение на экране будет неподвижным. Для автоматической подстройки частоты разверт­ ки используется схема синхронизации СС.

Блок питания БП вырабатывает напряжения, необходимые для нормального функционирования осциллографа.

Создание многолучевых ЭЛТ содействовало появлению много­ лучевых осциллографов, с помощью которых можно на экране одно­ временно наблюдать несколько процессов. Специальные запоминаю­ щие трубки являются основным элементом запоминающих осциллогра­ фов. В таких осциллографах исследуемый процесс может быть воспро­ изведен на экране даже по истечении нескольких суток.

Введение в структурную схему осциллографа аналого-цифрового преобразователя и специальной схемы управления лучом позволило не только получить на экране трубки изображение исследуемого про­ цесса, но и высвеченное в цифровой форме значение характерных точек его осциллограммы.