2.1. Історія
У 1733-1737 рр. французький вчений Ш. Дюфе створив електроскоп. У 1752-1754 рр. його роботи продовжили М. В. Ломоносов і Г. В. Ріхман в процесі досліджень атмосферної електрики. У середині вісімдесятих років XVIII століття Ш. Кулон винайшов крутильні ваги - електростатичний вимірювальний прилад.
У першій половині XIX століття, коли вже були закладені основи електродинаміки (закони Біо - Савара і Фарадея, принцип Ленца), побудовані гальванометри і деякі інші прилади, винайдені основні методи електричних вимірювань - балістичний (Е. Ленц, 1832 р.), мостовий ( Крісті, 1833 р.), компенсаційний (І. Поггендорф, 1841)
У середині XIX століття окремі вчені в різних країнах створюють заходи електричних величин, прийняті ними в якості еталонів, виробляють вимірювання в одиницях, відтворюваних цими заходами, і навіть проводять звірення заходів в різних лабораторіях. У Росії в 1848 р. академік Б. С. Якобі запропонував в якості еталону одиниці опору застосовувати мідний дріт довжиною 25 футів (7,61975 м) і вагою 345 гран (22,4932 г), навиті спірально на циліндр з ізолюючого матеріалу. У Франції еталоном одиниці опору служила залізний дріт діаметром в 4 мм і довжиною в 1 км (одиниця Бреге). У Німеччині таким еталоном був стовп ртуті довжиною 1 м і перерізом 1 мм ² при 0 ° С
Друга половина XIX століття була періодом зростання нової галузі знань - електротехніки. Створення генераторів електричної енергії та застосування їх для різних практичних цілей спонукали найбільших електротехніків другої половини XIX ст. зайнятися винаходом і розробкою різних електровимірювальних приладів, без яких
Грибахо О.І.
Пересипкін О.А.
стало немислимо подальший розвиток теоретичної та практичної електротехніки.
У 1871 році А. Г. Столетов вперше застосував балістичний метод для магнітних вимірювань і досліджував залежність магнітної сприйнятливості феромагнетиків від напруженості магнітного поля, створивши цим основи правильного підходу до розрахунку магнітних кіл. Цей метод використовується в магнітних вимірах і в даний час
У 1880-1881 рр.. французькі інженер Депре і фізіолог д'Арсонваль побудували ряд високочутливих гальванометров з дзеркальним відліком
У 1881 р. німецький інженер Ф. Уппенборн винайшов електромагнітний прилад з еліптичним сердечником, а в 1886 р. він же запропонував електромагнітний прилад з круглою котушкою і двома циліндричними сердечниками
У 1894 р. німецький інженер Т. Бругер винайшов логометр
У розвитку електровимірювальної техніки кінця другої половини XIX і початку XX ст. значні заслуги належать М. О. Доліво-Добровольському. Він розробив електромагнітні амперметри та вольтметри, індукційні прилади з обертовим магнітним полем (ватметр, фазометр) і ферродинамический ватметр.
Грибахо О.І.
Пересипкін О.А.
2.2. Робота з комбінованими приладами
Багатограничні комбіновані вимірювальні прилади в більшості призначені для вимірювання струму, напруги та опору постійному струму в радіотехнічній апаратурі. Вони розраховані на застосування як в лабораторних, так і в цехових і польових умовах і тому оформлені у вигляді переносних конструкцій.
Про якість вимірювального приладу судять по його основні похибки (класу точності). Основна похибка при вимірюванні струмів і напруг виражається у відсотках номінального (найбільшого) значення на шкалі приладу.
При вимірі опору і ємності основна похибка приладу виражається у відсотках робочої довжини шкали, якою прийнято вважати 0,9 фактичної довжини шкали приладу.
У радіоапаратурі в переважній більшості випадків відхилення значень струмів і напруг на 5 і навіть 10% номіналу не грають помітної ролі. Звідси і необхідна точність вимірювань може бути не вище IV класу точності, тобто ± 4%.
Основні характеристики багатопридільних комбінованих вимірювальних приладів широкого призначення включають види вимірювань та їх межі, частотний діапазон, основні похибки за окремими видами вимірювань і, нарешті, вхідний опір приладу при вимірюванні напруги.
Щоб дійсні похибки приладу не виходили за допустимі межі, він при вимірюваннях повинен знаходитися в так званих нормальних умовах, причому чим вище необхідна точність вимірювання, тим ретельніше доводиться дотримувати ці умови. Температура в приміщенні, в якому проводиться вимірювання, повинна бути близько 20'С. Прилад повинен бути встановлений в положення, зазначене в інструкції (зазвичай
Грибахо О.І.
Пересипкін О.А.
горизонтальне). Відхилення від цього положення більш ніж на 30е викликає значне збільшення основної похибки. При установці приладу його необхідно захищати від зовнішніх електричних нулів та інших наведень. Рухома система приладу повинна бути правильно відрегульована, тобто стрілка приладу встановлена на нуль шкали коректором, наявним в приладі.
Однак дотримання лише нормальних умов експлуатації ще не гарантує отримання заданої точності вимірювання. Дуже велике значення мають правильне включення приладу в досліджуємий ланцюг і дотримання правил вимірювань.
Зазвичай універсальні комбіновані прилади забезпечені набором сполучних проводів зі щупами і наконечниками. Для підключення цих проводів до приладу користуються штекерами, якщо в приладі є гнізда, або плоскими наконечниками, якщо прилад забезпечений відповідними затискачами. До досліджуваної ланцюга дроти приєднують за допомогою щупів, плоских наконечників і затискачів «крокодил». Щупи призначені для короткочасного підключення приладу, наприклад, при вимірюванні напруги або опору. При контролюванні струму або використанні приладу в якості індикатора зручніше застосовувати затиски «крокодил».
Дуже велике значення має вибір місця включення приладу в досліджувану ланцюг. При цьому треба мати на увазі, що приєднання вимірювального приладу не повинно виводити окремий каскадний мул 'пристрій у цілому з робочого стану, так як інакше результати вимірювань дадуть невірне уявлення про роботу радіоапарата. Порушення робочого стану відбувається через те, що підключені до апарату з'єднувальні дроти вимірювального приладу можуть
викликати паразитні зв'язку, а також через вплив внутрішнього опору приладу, яке змінює опір вимірюваного ділянки.
Грибахо О.І.
Пересипкін О.А.
Градуювання приладу дійсна лише для певної смуги частот, обумовленої технічними умовами на даний прилад. Зазвичай прилади випрямної системи градуюють на змінному струмі синусоїдальної форми частотою 50 гц. При вимірі на інших частотах у межах діапазону, допустимого технічними умовами, основна похибка приладу трохи збільшується.
Після установки приладу в робоче положення необхідно підготувати прилад до потрібних увазі і межі вимірювання. Якщо невідома приблизна величина вимірюваної напруги або струму, то для початку стежить встановити па приладі найбільша границя, щоб уникнути перевантаження приладу і різких кидків стрілки, які можуть пошкодити його рухливу систему. Слід особливо відзначити, що не можна проводити будь перемикання в приладі, що знаходиться під струмом, так як при цьому можна зіпсувати прилад або порушити його градуювання.
Перед вимірюванням опорів попередньо треба встановити стрілку на нуль шкали омметра Для цього прилад включають за схемою омметра, замикають щупи на коротко і, обертаючи ручку установки нуля омметра, стрілку приладу поєднують з нулем шкали (зауважимо, що нуль па шкалою омметра знаходиться праворуч). При переході на інший межа наміри установку стрілки приладу па куль шкали омметра необхідно перевіряти.
Зазвичай універсальні комбіновані прилади носять назву ампервольтомметр, скорочено авометр, що характеризує їх можливості вимірювати струм, напруга та омічний опір. Серед великої кількості типів авометра, виготовлених нашою промисловістю, є такі, які доступні широкому колу радіоаматорів.
Грибахо О.І.
Пересипкін О.А.
Розділ 3. Практична частина
Під час проходження практики мені доволі часто доводилося робити різні виміри, але найчастіше це було вимірювання частоти. Тому я і вирішив розповісти про різні види вимірювання частоти як контрольно-вимірювальними приладами так і комбінованими.
Але спочатку давайте з’ясуємо що таке частота та яким чином вона вимірюється. Найважливішою характеристикою періодичних процесів є частота, яка визначається числом повних циклів (періодів) коливань за одиничний інтервал часу. Необхідність у вимірі частоти виникає в багатьох областях науки і техніки і особливо часто - в радіоелектроніці, яка охоплює велику область електричних коливань від інфранизьких до надвисоких частот включно.
Для вимірювання частоти джерел живлення застосовують електромагнітні, електро- та феродинамічні частотоміри з безпосередньою оцінкою за шкалою логометричного вимірювача, а також камертонні частотоміри. Ці прилади мають вузькі межі вимірювань, звичайно в межах + -10% однієї з номінальних частот 25, 50, 60, 100, 150, 200, 300, 400, 430, 500, 800, 1000, 1500 і 2400 Гц, і працюють при номінальній напрузі 36, 110, 115, 127, 220 або 380 В.
Дуже низькі частоти (менше 5 Гц) можна наближено визначити підрахунком числа повних періодів коливань за фіксований проміжок часу, наприклад, за допомогою магнітоелектричного приладу, включеного до досліджуваного ланцюга, і секундоміра; шукана частота дорівнює середньому числу періодів коливань стрілки приладу в 1 с. Низькі частоти можуть вимірюватися методом вольтметра, мостовим методом, а також методами порівняння з опорною частотою за допомогою акустичного биття або електроннопроменевого осцилографа. У широкому діапазоні низьких і високих частот працюють
Грибахо О.І.
Пересипкін О.А.
частотоміри, засновані на методах заряду – розряду конденсатора і
дискретного рахунку. Для вимірювання високих і надвисоких частот (від 50 кГц і вище) застосовуються частотоміри, що базуються на резонансній і гетеродиновому методах. На НВЧ (від 100 МГц і вище) широко застосовується метод безпосередньої оцінки довжини хвилі електромагнітних коливань за допомогою вимірювальних ліній.
Якщо досліджувані коливання мають форму, відмінну від синусоїдальної, то, як правило, вимірюється частота основної гармоніки цих коливань. Якщо необхідний аналіз частотного складу складного коливання, то застосовуються спеціальні прилади - аналізатори спектру частот.
Сучасна вимірювальна техніка дозволяє вимірювати високі частоти з відносною похибкою до 10-11; це означає, що частота приблизно 10 МГц може бути визначена з помилкою не більше 0,0001 Гц. В якості джерел високостабільних зразкових частот використовують кварцові, молекулярні та атомні генератори, а в області низьких частот - камертонні генератори. Методи стабілізації частоти, застосовувані на радіомовних станціях, дозволяють підтримувати частоту з відносною похибкою не більше 10-6, тому їх несучі частоти можна успішно використовувати в якості опорних при частотних вимірах.
У багатьох випадках радіотехнічної практики при вимірюванні низьких частот можна допустити похибку до 5-10%, а при вимірюванні високих частот - до 0,1-1%, що полегшує вимоги до схеми і конструкції застосовуваних частотомірів.
А тепер розглянемо сам метод вимірювання за допомогою різних приладів.
Вимірювання частоти за допомогою вольтметра. Найбільш простим є непрямий спосіб вимірювання частоти, заснований на
Грибахо О.І.
Пересипкін О.А.
залежності опору реактивних елементів від частоти протікаючого по
них струму. Можлива вимірювальна схема зображена в додатку 1.
До джерела коливань частоти Fx підключається ланцюжок з безреативного резистора R і конденсатора С з малими втратами, параметри яких точно відомі. Високоомним вольтметром змінного струму V з межею вимірювання, близьким до значення вхідної напруги, по черзі вимірюються напруги UR і UC на елементах ланцюжка. Оскільки U * R = I * R, a UC = I / (2πFxC) (де I - струм в ланцюзі), то відношення UR / UC = 2πFxRC, звідки слід: Fx = 1 / (2πRC) * UR / RC
Вхідний опір вольтметра V повинно принаймні в 10 разів перевищувати опір кожного з елементів ланцюжка. Однак вплив вольтметра можна виключити, якщо використовувати його лише в якості індикатора рівності напруг UR і UC, що досягається, наприклад, плавною зміною опору R. У цьому випадку вимірювана частота визначається простою формулою: Fx = 1 / (2πRC) ≈ 0,16 / (RC), і при незмінній місткості конденсатора С змінний резистор R можна постачити шкалою зі звітом у значеннях Fx.
Оцінимо можливий порядок вимірюваних частот. Якщо резистор R має максимальний опір RM = 100 кОм, то при С = 0,01 мкФ, 1000 і 100 пФ верхню межу вимірювань складе відповідно 160, 1600 і 16000 Гц. При виборі RM = 10 кОм і тих же значеннях ємностей ці межі виявляться рівними 1600 Гц, 16 і 160 кГц. Ефективність методу залежить від точності підбору номіналів і якості елементів RС-ланцюжків.
Осцилограф. Вимірювальна частота може бути визначена порівнянням її з відомою опорної частотою fo. Таке порівняння найчастіше проводиться за допомогою електроннопроменевого осцилографа або методами биття.
Електроннопроменеві осцилографи застосовуються для вимірювання частот коливань головним чином синусоїдальної форми в
Грибахо О.І.
Пересипкін О.А.
діапазоні частот приблизно від 10 Гц до значення, обумовленого
верхньою межею смуги пропускання каналів відхилення; похибка вимірювань практично дорівнює похибки калібрування джерела коливань (генератора) опорної частоти f0. Найчастіше вимірювання проводять при вимкненій розгортці осцилографа, користуючись схемою з'єднань, додаток 2. Напруги вимірюваної і відомої частот підводять безпосередньо або через підсилювачі до різних пар, відхиляють пластини ЕПТ (залежно від того, на який вхід осцилографа ці напруги впливають, будемо позначати їх частоти через fx і fy). Якщо ці частоти ставляться один до одного як цілі числа, наприклад 1:1, 1:2, 2:3 і т. п., то переміщення електронного променя набуває періодичний характер і на екрані спостерігається нерухоме зображення, званої фігурою Ліссажу. Форма цієї фігури залежить від співвідношення амплітуд, частот і початкових фаз порівнюваних коливань.
Якщо відношення частот fx / fy (або fy / fx) дорівнює двом, то фігура на екрані приймає вигляд вісімки, яка при початкових фазових зрушеннях 90 і 270 ° стягується в дугу. (Початковий фазовий зсув завжди оцінюється по відношенню до періоду напруги більш високої частоти). З таблиці, наведеної у додатку 3, видно, що чим більше числа дробу, що характеризує ставлення порівнюваних частот, тим складніше фігура Ліссажу, яка спостерігається на екрані.
При вимірі частоту опорного генератора f0 (рівну fx або fy) плавно змінюють до тих пір, поки на екрані не виникне одна з фігур Ліссажу можливо більш простої форми. Цю фігуру подумки перетинають лініями xx і уу, паралельними площинам відхиляють пластин X1, Х2 і Y1, Y2, і підраховують кількість перетинів кожній з ліній з фігурою. Відношення отриманих чисел точно дорівнює відношенню частот fx: fy за умови, що проведені лінії не проходять через вузлові точки фігури або дотичної до неї, а форма порівнюваних
Грибахо О.І.
Пересипкін О.А.
коливань близька до синусоїдальної.
Визначивши відношення fx: fy і знаючи одну з частот, наприклад fy, легко знайти другу частоту.
Припустимо, що при відомій частоті fy = 1000 Гц на екрані отримана фігура, зображена у додатку 2. З наведеного на кресленні побудови видно, що ця фігура відповідає відношенню частот fx: fy = 3:4, звідки fx = 750 Гц.
Внаслідок деякої нестабільності порівнюваних частот встановлюване між ними цілочисельне або дрібно-раціональне ставлення постійно порушується, що призводить до поступової зміни форми спостережуваної фігури, послідовно проходить через всі можливі фазові стани. Якщо зафіксувати час Δt, протягом якого фігура зазнає повний цикл фазових змін (від 0 до 360 °), то можна обчислити різницю порівнюваних частот | fx - fy | = 1/Δt, знак якої легко визначити експериментально за допомогою невеликої зміни частоти f0. На високих частотах навіть вельми мала нестабільність однієї з частот викликає настільки швидкі зміни фігури Ліссажу, що стає неможливим визначити ставлення частот. Це обмежує верхню межу вимірюваних частот значенням приблизно 10 МГц.
При цілочисленому відношенні порівнюваних частот, що перевищує 8-10, або дробовому їх відношенні з числами в знаменнику або чисельнику, великими 4-5, через ускладнення фігури Ліссажу зростає можливість помилки у встановленні справжнього ставлення частот. Точне визначення порівняно великих цілочисельних відносин частот (до 30-50) може проводитися методом кругової розгортки з модуляцією яскравості зображення (додаток 4). У цьому випадку напруга меншої частоти f1 за допомогою двох однакових RС-ланцюжків перетвориться в дві напруги тієї ж частоти, взаємно зсунуті по фазі на 90 °. При впливі цих напруг відповідно на входи Y і X осцилографа і регулюванню
Грибахо О.І.
Пересипкін О.А.
співвідношення їх амплітуд резисторами R і регуляторами посилення каналів Y і X світлова пляма на екрані буде переміщатися по кривій, близькій до кола; останню за допомогою регулятора яскравості встановлюють чітко видимою. Напруга більш високої частоти f2 підводять до входу модулятора М (або каналу Z) і воно періодично буде збільшувати і зменшувати інтенсивність електронного променя, а отже, і яскравість окремих ділянок кривої розгортки на екрані. При цілочисленим відношенні частот f2: f1 = m, досягаючої зміною однієї з них, крива спостережуваної окружності стає штрихова, вона складається з f нерухомих відрізків які світяться рівної довжини, розділених темними проміжками. При порушенні цілочисельного відношення спостерігається обертання штрихової окружності, при великій швидкості якого окружність представляється суцільний.
Розглянутий метод можна застосувати і для вимірювання частоти повторення fп імпульсних коливань. При цьому напругою опорної частоти f0 здійснюють кругову розгортку, регулятором яскравості її встановлюють видимою або невидимою в залежності від полярності (відповідно негативної або позитивної) підводяться до модулятору імпульсних коливань. Останні будуть створювати на лінії розгортки в першому випадку темні розриви, а в другому - світні точки. Плавним зміною частоти fо (від її мінімально можливого значення) домагаються отримання на лінії розгорнення одного нерухомого або повільно переміщається сліду імпульсу, при цьому fп = f0.
В
Грибахо О.І.
Пересипкін О.А.
вимірювань виключає можливість помилки, оскільки одиночний імпульс буде спостерігатися на екрані і при інших, великих одиниць, цілочисельних відносинах частот f0:
Грибахо О.І.
Пересипкін О.А.
Висновок
Вимірювання та вимірювальні прилади - закони явищ природи, як вираження кількісних відносин між факторами явищ, виводяться на підставі вимірів цих факторів. Прилади, пристосовані до таких вимірів, називаються вимірювальними. Вимірювання, яким би не було за складністю, зводиться до вимірювань і вимірювальних приладів просторовості, часу, руху і тиску, для чого можуть бути обрані одиниці мір умовні, але постійні або ж так звані абсолютні.
Історія наук, які потребують виміри, показує, що точність методів вимірювань і вимірювальних приладів і побудови відповідних вимірювань і вимірювальних приладів постійно зростають. Результатом цього росту є нове формулювання законів природи.
Як би старанно не робилися вимірювання та вимірювальні прилади при повторенні їх, в обставинах досвіду, мабуть однакових, завжди помічаються нетотожні результати. Зроблені спостереження вимагають математичної обробки, іноді вельми складної; тільки після цього можна користуватися знайденими величинами для тих чи інших висновків.
Мета вивчення вимірювальних електротехнічних приладів полягає в тому, щоб майбутній інженер отримав необхідний мінімум теоретичних знань про методи вимірювань, пристрій і принцип роботи сучасних приладів та електронних пристроїв, що використовуються в сучасній електротехніці а так само придбав практичні знання і навички роботи з вимірювальною технікою.
Додаток 1
Додаток 2
Додаток 3
Додаток 4
Список
використаної літератури
1. Арутюнов О.Л., Електричні вимірювальні прилади і виміри, М., 1958. 2. Брокгауз Ф. А., Ефрон І. А., Енциклопедичний словник, М.
3. Городецький І. Е., Основи технічних вимірювань в машинобудуванні, М., 1950.
4. Ілюнін К. К., Довідник з електровимірювальні прилади, Л., 1973. 5. Мирський Р. Я., Радіоелектронні вимірювання, 3 вид., М., 1975.
6. Мізюк Л. Я., Електромеханічні і електронні фазометри, М. - Л., 1962.
7. Поліванов К. М., Теоретичні основи електротехніки, 2 видавництва., Ч. 1, 3, М., 1972-75.
8. Фремке А. В., Електричні виміри, 4 видавництва., Л., 1973.
9. Чех І., Осцилографи у вимірювальній техніці, пров. з нім. М., 1965.
10. Черввякова В. І., Термоелектричні прилади, М. – Л., 1963
11. Шкурін Р. П., Довідник по електро-і електровимірювальних приладах, М.. 1972.