Лекція 2 Вимоги, пропоновані до вибору вимірювальних приладів

Вимірювальні прилади залежно від області застосування повинні відповідати певним вимогам. Найбільш загальні з них наступні:

межі вимірювань приладу повинні охоплювати всі необхідні значення вимірюваної величини. Максимальне повно даній вимозі задовольняють багатодіапазонні прилади;

клас точності вимірювального приладу (його основні й додаткові погрішності) повинен відповідати розв'язуваної при вимірюванні завданню. Для відшукання несправностей при ремонті й перевірці функціонування вироби припустимі відносні погрішності до 5%. При остаточному регулюванні виробу і його перевірці значення відносних погрішностей повинні бути в три-п'ять разів менше, ніж регульованого або изделия, що перевіряєють;

вимірювальні прилади, призначені для вимірювання режиму електричних кіл і параметрів сигналів, не повинні впливати на роботу досліджуваного виробу;

вимірювальні прилади повинні задовольняти вимогам ергономіки, техніки безпеки, тобто керування приладом - просте й зручне (при мінімальній кількості органів керування), зняття показань провадиться безпосередньо зі шкали приладу без використання перевідних таблиць, розрахункових формул, графіків.

Особливості вибору приладів

Вимірювальні прилади включають в електричне коло послідовно або паралельно. Послідовно включають вимірювальні прилади при вимірі струму, потужності (включення струмової котушки ваттметру) і ін. Прилади включають паралельно електричним колам, коли вимірюють напругу, досліджують форму сигналів осцилографом. Для зменшення впливу на роботу досліджуваного виробу при включенні вимірювального приладу послідовно в електричне коло внутрішний (вихідний) опір приладу повинний бути набагато менше опору ділянки ланцюга між точками включення вимірювального приладу. Так, при вимірюванні постійного струму I, що протікає в ланцюзі з опором R, амперметром із внутрішнім опіром

Рис. 2.1. Еквівалентна схема виміру струму

r_вн (рис. 2.1.) виникає погрішність, обумовлена кінцевим значенням r_вн, рівна

При значення  не перевищує 1%. Погрішність вимірювання тим менше, чим менше значення r_вн. Тому амперметр, що включається послідовно в електричне коло, повинен мати мінімальне значення r_вн. При цьому його вплив на роботу схеми мінімальний.

Для зменшення впливу на роботу досліджуваного виробу вимірювальні прилади, що включаються паралельно ланцюгам, повинні мати вхідний опір, у багато разів перевищуючий опір ланцюга між точками приєднання.

Так, при вимірюванні напруги U вольтметром із вхідним опором виникають додаткові погрішності внаслідок кінцевого значення й вихідного опору ділянки вимірюваного ланцюга .

Приклад 1. При вимірюванні спадання напруги на резисторі R (рис. 2.2, а) вхідний опір вимірювального приладу шунтує резистор R, внаслідок чого відбувається зміна режиму роботи схеми й з'являється помилка вимірювання , рівна

При або погрішність не перевищує 1%. Чим більше , тим менше погрішність (шунтувальний ефект). Тому при вимірюваннях вольтметром необхідно враховувати його шунтувальну дію. Тому що схеми на електровакуумних приладах більше високоомні, чим транзисторні, то при вимірюваннях у лампових схемах вхідний опір вимірювального приладу повинний бути набагато більше, ніж вхідний опір приладу при вимірюванні напруги в транзисторних схемах.

Приклад 2. При вимірюванні вихідної напруги ділянки ланцюга з вихідним опором , вольтметром із вхідним опором (рис. 2.2 б) утворюється дільник напруги, і вольтметр фактично вимірює спадання напруги на вхідному опорі . Значення погрішності б при цьому дорівнює

При або погрішність не перевищує 1%. Чим більше вхідний опір вимірювального приладу, тим менше погрішність.

Реально погрішність вимірювання напруги обумовлює як вихідним опором ланцюга, так і шунтувальною дією приладу (рис. 2.2 в).

Рис. 2.2. Еквівалентна схема вимірювання напруги

Тому при вимірюваннях напруги необхідно використовувати вольтметри з великим вхідним опором. Для вимірювань напруги синусоїдальної форми необхідно застосовувати вольтметри з відповідною областю робочих частот. Якщо вольтметр призначений для застосування в розширеній області частот, то він, як правило, забезпечується таблицями або графіками поправочних коефіцієнтів. При вимірюваннях у ланцюгах змінного струму необхідно враховувати вплив на вимірюваний ланцюг і реактивного складового вхідного опору вольтметра. Найбільше часто реактивна складова має ємнісний характер. При цьому вхідний ланцюг вольтметра еквівалентний паралельному з'єднанню активного опору й конденсатора. Тому при вимірюваннях резонансні ланцюги можуть бути розстроєні вхідною ємністю вольтметра, а їхня добротність знижена через шунтувальну дію активної складового вхідного ланцюга вольтметра. Щоб знизити вплив вхідної ємності вольтметра на резонансний ланцюг, необхідно підключати вольтметр через додатковий конденсатор. Тоді дійсне значення напруги в резонансному ланцюзі приблизно дорівнює

де — показання приладу; Свх — вхідна ємність вольтметра; Сдоп — ємність додаткового конденсатора, що вибирають рівної 1...2 пФ. При цьому повинне дотримуватися умова

де - частота вимірюваної напруги; — вхідний опір приладу.

Для досліджень форми сигналів у регулювально-налаштувальних роботах широко застосовують осцилографічні методи вимірювань електронним осцилографом. Вхідні ланцюги осцилографів мають як активну, так і реактивну (ємнісну) складові, що в деяких випадках може призвести до порушення працездатності схеми, до додаткових погрішностей, аналогічно як і при вимірах вольтметром. Для збільшення вхідного опору й зменшення вхідної ємності осцилографи, як правило, забезпечуються зовнішними дільниками.

Звичайно вхідний опір осцилографів = 1 МОм, вхідна ємність = 20...40 пФ, а з урахуванням кабелю = 100... 150 пФ; з зовнішним дільником = = 10 МОм, а вхідна ємність = 10 пФ. Для більшості випадків величини = 1М0м, = 150 пФ достатні, але при роботі з інтегральними мікросхемами й напівпровідниковими приладами на основі МОН-структур величина = 1 МОм буває недостатня, тому що осцилограф шунтує ділянки схем. Тоді необхідно використовувати зовнішний дільник. Його використовують при дослідженні тимчасових характеристик імпульсних сигналів і параметрів резонансних ланцюгів для зменшення впливу вхідної ємності.

При проведенні осцилографічних вимірювань напруг синусоїдальних сигналів частотою з мінімальною погрішністю необхідно, щоб верхня гранична частота пропущення осцилографа була в три-п'ять разів більше частоти сигналу

При здійсненні осцилографічних вимірювань параметрів імпульсних сигналів (рис. 2.3) з мінімальною погрішністю необхідно, щоб виконувалися наступні співвідношення носіння між верхніми й нижньої граничними частотами пропущення осцилографа й параметрами імпульсу , , ,

(2.1) (2.2)

де — у МГц, — у нс; — у Гц; — у с.

Рис.2.3. Параметри імпульсу: - амплітуда, - тривалість імпульсу, - час наростання, - спад вершини

Звичайно осцилографи призначені для дослідження сигналів як постійного, так і змінного напруг різної форми й мають відкритий і закритий вхід. При дослідженні імпульсів без постійної складової

використання відкритого входу осцилографа забезпечує виконання співвідношень .1 і 2.2, при наявності постійної складової використовується закритий вхід осцилографа, при цьому погрішність співвідношення 3.2 не перевищує 10% за умови

де — постійна часу заряду розділового конденсатора при закритому вході осцилографа (рис. 2.3), що дорівнює

Рис. 2.3. Вхідний ланцюг осцилографа

Необхідно пам'ятати: якщо при вимірюваннях досліджуваний або випробний сигнали вводяться в прилад (або виводяться з нього) за допомогою резістивного, індуктивного або ємнісного зв'язку, те цей зв'язок повинний бути мінімальній.

Вимірювальні прилади, що включаються в погоджені ланцюги (генератори, осцилографи й ін.), повинні мати вхідні або вихідні опори необхідного номінального значення, які звичайно рівні 50, 75, 300, 600 Ом.