книги / Электрорадиоизмерения

Несмотря на это, метод широко применяется благодаря своей простоте.

Методы сравнения. При этих методах действие изме­ ряемой величины на какую-либо систему сравнивается с действием на эту же систему меры. Основной отличитель­ ной особенностью методов сравнения является непосред­ ственное участие меры в процессе измерения.

В электрорадиоизмерениях применяют в основном три разновидности методов сравнения: нулевой метод, диффе­ ренциальный и метод замещения.

При нулевом методе измеряемая величина или вели­ чина, зависящая от нее, уравновешивается мерой. Индика­ торный прибор регистрирует исчезновение какой-либо вели­ чины, например тока или напряжения, которое будет на­ блюдаться при равенстве сравниваемых величин. Для нулевого метода характерна высокая точность, определяе­ мая точностью меры и чувствительностью нулевого индика­ тора. К пулевым методам относятся: метод компенсации, метод моста (с уравновешенным мостом), метод нулевых биений, измерение частоты осциллографом при помощи фигур Лиссажу и др.

При дифференциальном методе полного уравновешива­ ния не происходит. Прибор измеряет разность между иско­ мой величиной и мерой и должен быть отградуирован в еди­ ницах измеряемой величины. Измеряемая величина опре­ деляется по значению меры и показаниям прибора.

Если сравниваемые величины мало отличаются друг от друга, то этот метод может обеспечить довольно высокую точность. Например, если разность двух величин, состав­ ляющая 1% искомой величины, измерена с погрешностью 1,5% (весьма грубо), погрешность измерения всей величины равна 0,015%. Кроме того, нужно учесть погрешность при­ меняемой меры.

Примеры применения дифференциального метода: не­ уравновешенные мосты, компенсаторы с неполной компен­ сацией.

При методе замещения измеряемая величина замещается регулируемой мерой. Путем изменения известной вели­ чины добиваются таких же показаний приборов, что и в пер­ вом случае. Этот метод позволяет исключить систематиче­ скую погрешность измерения. Отличие метода замещения от дифференциального и нулевого заключается в том, что

няется, например, для измерения сопротивления резисто­ ров.

В электрорадиоизмерениях особенно широкое применение получили методы компенсации, моста, биений и резонанса.

Рассмотрим некоторые методы, применяющиеся для из­ мерения различных величин.

Метод компенсации применяется для измерения напря­ жения, тока, сопротивления и мощности.

Непосредственно этим методом измеряют только напря­ жение. Остальные величины, связанные с ним функциональ­ ными зависимостями, определяют косвенным методом на основе результатов прямых измерений напряжения.

В

к методам сравнения. Он основан на уравновешивании (ком­ пенсации) измеряемого напряжения известным падением напряжения на опорном (измерительном) резисторе R0. Принцип метода поясняется упрощенной схемой, изобра­ женной на рис. 1-2.

Измеряемое напряжение Ux через гальванометр подво­ дится к переменному резистору R0. Резистор /?0 включен в рабочую цепь, по которой под действием э. д. с. вспомо­ гательного источника £ всп проходит строго определенный рабочий ток / р. Значение этого тока регулируется перемен­ ным резистором R p и контролируется амперметром.

Перемещая движок резистора R(h необходимо добиться нулевого отклонения гальванометра. Ток в гальванометре отсутствует в том случае, если напряжение Ux полностью

Таким образом, для равновесия моста постоянного тока произведения резисторов противоположных плеч должны быть равны между собой.

Если в одно из плеч включено неизвестное сопротив­ ление, то, пользуясь равенством (1-7), можно найти зави­ симость его от остальных известных

сопротивлений.

Мосты переменного тока приме­ няются для измерения емкости, ин­ дуктивности, взаимной индуктивно­ сти, тангенса угла потерь, добротно­ сти и частоты.

Схема моста переменного тока изображена на рис. 1-4. Комплексные сопротивления, составляющие ее, мо­ гут быть различными по своему ха­ рактеру.

Для получения условий равнове­ сия моста переменного тока можно повторить приведенный выше вывод,

заменив резисторы R u /?2, /?3, /?., комплексными значени­ ями полных сопротивлений ZXy Z2, Z3, Z4, а постоянные

где Zu Z2, Z„ Z4 — модули полных сопротивлений плеч, определяемых по формуле

Z = Y R 2+ X 2,

Фь ф*2» Фз» Ф4 — Углы сдвига фаз между током и на­ пряжением каждого плеча, <р =

Равенство (1-8) будет справедливо, если равны модули,

атакже фазовые углы правой и левой части. Следовательно, для получения равновесия моста пере­

менного тока необходимо выполнить два условия:

1. Произведения модулей сопротивлений противополож­ ных плеч должны быть равны между собой

2. Суммы фазовых углов сопротивлений противополож­ ных плеч должны быть равны между собой

Для уравновешивания моста переменного тока нужно иметь возможность регулирования как по модулю, так и по фазовому углу одного из плеч.

Если выразить условия равновесия через параметры плеч мостовой схемы, то можно измерять методом моста различные величины. Принципы измерения каждой из этих величин будут рассмотрены в соответствующих главах.

Рассмотренный выше метод уравновешенного моста как постоянного, так и переменного тока является нулевым методом.

Помимо уравновешенных мостов, которые в основном и применяются в электрорадиоизмерениях, существуют неуравновешенные мосты постоянного тока.

Внеуравновешенном мосте в момент измерения ток через индикатор, включенный в диагональ, не равен нулю. Об измеряемой величине судят по показаниям индикатора, отградуированного в ее значениях. Предварительно мост уравновешивается при номинальном значении резистора одного из плеч, например R v При измерениях вместо /?х

включается другое, неизвестное, сопротивление Rx. Чем больше разность между Rx и RXi тем больше ток в диаго­ нали моста.

Вкачестве примера неуравновешенного измерительного моста можно привести термисторный мост измерителя мощ­

ности СВЧ.

Метод биений. Метод биений заключается в сравнении двух частот, одна из которых неизвестна.

Если суммировать два синусоидальных колебания раз­ ных, но близких по значению частот fx и /2, то в результате получаются сложные колебания, амплитуда которых изме­ няется с частотой F — h — f2. Такие колебания называются биениями. Амплитуда биений меняется в пределах от (и х —

— U2) до (Ul + U2), где Ux и U2 — амплитуды напряжений соответственно первого и второго колебания (рис. 1-5).

Это объясняется тем, что при сложении колебаний разных частот, несколько отличающихся друг от друга, сдвиг фаз между ними периодически меняется, в результате чего при совпадении фаз этих колебаний амплитуда биений увеличивается, а при противоположных фазах — умень­ шается.

При одинаковых частотах результирующие колебания будут иметь постоянную амплитуду, зависящую от угла сдвига фаз, и явления биений не наблюдается.

и1 Колебания высокой частоты

Частота изменения амплитуды F -f f-f2

Рис. 1-5. Графики, поясняющие образо­ вание биений.

Для выявления биений используются элементы с нели­ нейной вольт-амперной характеристикой. На рис. 1-6, а приведена простейшая схема, позволяющая обнаружить звуковые биения (биения звуковых частот). В качестве не­ линейного элемента в ней используется диод. Через ка­ тушки связи Lv и L2 в схему вводятся напряжения их и и2 двух высоких частот Д и /2 соответственно.

Результирующее напряжение их + и2 подводится к ди­ оду и выпрямляется. В цепи диода появляется пульсирую­ щий ток /д, который кроме составляющих основных ча­ стот Д, /о и их гармоник содержит составляющие комбина­ ционных частот, в том числе и разностной частоты F =

= fi — /о. Высокочастотные составляющие тока замыкаются

через Конденсатор С, сопротивление которого Хс ~ Jc-

,i

sail АМД/:L *

tAl+U'Z

ЪТ^1о^^з.ч

s)

Метод биений широко используется в различной радиоизмерительной аппаратуре: генераторах, частотомерах, при­ борах для снятия амплитудно-частотных характеристик и др.

Метод резонанса применяется при измерениях частоты, емкости, индуктивности, взаимной индуктивности, доброт­ ности и активного сопротивления.

В основе метода лежит использование резонансных свойств колебательного контура. Принцип его заключается в сравнении частоты генератора с собственной частотой /0 колебательного контура, которая связана с параметрами контура L и С зависимостью

f _ _ L _

/0 2л |/1 C

Это соотношение лежит в основе принципа действия приборов, измеряющих частоту, емкость и индуктивность.

Существуют также определенные зависимости режимов контура от его активного сопротивления, что позволяет измерять кроме активного сопротивления тангенс угла потерь и добротность.

Практическое использование этого метода будет рас­ смотрено в гл. 9 и И.

1-4. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ

КЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ ПРИБОРАМ,

ИИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Основные требования к измерительным приборам. Ко всем электро- и радиоизмерительным приборам предъявляется ряд общих основных технических требований.

1.Высокая точность измерений, т. е. основные и допол­ нительные погрешности должны быть минимальными.

2.Высокая чувствительность по измеряемой величине, которая определяется отношением приращения показания прибора к приращению измеряемой величины.

3.Достаточно широкий предел измерений.

4.Минимальное влияние на схему, к которой подклю­ чается прибор, т. е. входное сопротивление прибора, под­ ключаемого параллельно, должно быть большим, включае­ мого последовательно — малым.

5.Быстрая готовность к работе, т. е. время установле­ ния режимов после включения должно быть как можно меньшим.

6.Высокое быстродействие, которое характеризуется промежутком времени с момента изменения измеряемой

величины до момента установления показания прибора.

7.Малое потребление энергии.

8.Высокая надежность и достаточно большой срок службы.

9.Простота и удобство в обращении с прибором.

10. Безопасность эксплуатации прибора.

Следует отметить, что достижение высоких технических показателей должно быть экономически оправдано назначе­ нием прибора. Например, достижение высокой точности связано с усложнением, а следовательно, и с удорожанием приборов.

Технические требования на приборы нормируются ГОСТ.

Классификация электро- и радиоизмерительных при­ боров. В зависимости от метода измерения все измеритель­ ные приборы разделяются на:

1) приборы непосредственной оценки, показывающие числовое значение измеряемой величины;

2) приборы сравнения, основанные на методе сравнения. Приборы непосредственной оценки просты в употреб­ лении и дешевы, но обладают значительно меньшей, чем

приборы сравнения, точностью.

Взависимости от способа выдачи результатов измерения различают показывающие, или приборы с визуальным от­ счетом, и регистрирующие, т. е. самопишущие приборы.

Помимо приборов, дающих сведения о текущем значении измеряемой величины, бывают интегрирующие приборы, позволяющие получить суммарное значение измеряемой величины за период измерения (например, счетчики элект­ рической энергии).

Взависимости от назначения электро- и радиоизмерительным приборам присваивают наименования, обычно соответствующие измеряемой величине. Например, для

измерения тока — амперметры, для измерения напряже­ ния — вольтметры, для измерения частоты — частотомеры и т. д.

Кроме того, электро- и радиоизмерительные приборы классифицируются по принципу действия, конструктив­ ному исполнению, условиям эксплуатации и некоторым другим свойствам, причем классификация для различных групп приборов определяется различными ГОСТ и нор­ малями.

Электроизмерительные приборы непосредственной оценки классифицируются в соответствии с ГОСТ 1845-69 «Приборы электроизмерительные. Общие технические тре­ бования» и ГОСТ 13600-68 «Классы точности. Общие тре­ бования».

В основном у всех этих приборов энергия измеряемой величины преобразуется в энергию перемещения подвиж­ ной части, т. е. они являются электромеханическими.

радноизмерительные. Классификация. Наименования и обо­ значения».

Данный учебник рассматривает в основном электронные измерительные приборы, применяемые в радиотехнике. Поэтому в дальнейшем будем пользоваться термином «радноизмерительные приборы» для обозначения электрон­ ных измерительных приборов.

В основу этой классификации положено назначение электронных измерительных или, как их часто называют, радиоизмерительных при­ боров. Все радноизмерительные приборы в зависимости от назначения разделены на 20 основных групп, обозначенных определенными буквами