Міністерство освіти і науки України

Первомайський коледж

Національного університету кораблебудування

імені адмірала Макарова

Олійник о.М. Електрорадіовимірювальна практика

Методичні вказівки та завдання щодо проходження навчальної практики

Первомайськ, 2013

ББК 31.221

О-54

Автор: О.М. Олійник, викладач Первомайського коледжу НУК імені адмірала Макарова

Рецензент: І.А. Капура к.т.н., старший викладач кафедри "теплоенергетики та технології машинобудування" ППІ НУК імені адмірала Макарова, Адабір А.А. викладач української мови

Розглянуто та ухвалено цикловою комісією природничо – наукових дисциплін ПК НУК імені адмірала Макарова

Протокол № 4 від 17.12 2013 р.

Рекомендовано до друку навчально – методичною радою Первомайського коледжу НУК імені адмірала Макарова

Протокол № від р.

Методичні вказівки переслідують мету закріплення і поглиблення знань, отриманих при вивченні дисципліни "Електрорадіовимірювання", придбання практичного досвіду, розвиток професійних навичок у роботі з електрорадіовимірювальними приладами.

Електрорадіовимірювальна практика входить до складу практики за профілем спеціальності та має на меті дати студентам навички роботи з вимірювальними приладами при вирішенні різних вимірювальних завдань.

Форма навчання: денна.

Олійник О.М. Методичні вказівки та завдання щодо проходження навчальної практики

– Первомайськ, 2013 – 166с.

© Олійник О.М., 2013

© ПК НУК ім.адмірала Макарова 2013

П

ервомайськ, 2013р.

ЗМІСТ

Вступ	5
Розділ І Призначення радіовимірювальної практики	6
Розділ ІІ Метрологія, як наука про виміри	8
Розділ ІІІ Призначення, характеристики та застосування електровимірювальних приладів	16
Магнітоелектричні прилади	20
Електромагнітні прилади	24
Астатичні прилади	27
Електродинамічні та феродинамічні прилади	28
Індукційні прилади	30
Логометри та електронні прилади	32
Електронні прилади	34
Розділ IV Вимірювання електричних величин	35
Вимірювання струму	35
Вимірювання напруги	37
Вимір параметрів котушок індуктивності	38
Вимірювачі добротності (куметри)	48
Вимірювальні трансформатори	51
Вимірювання потужності та електричної енергії	53
Вимірювання електричного опору	58
Вимірювання частоти змінного струму	63
Розділ V Основні прилади для вимірювання електричних величин	65
Амперметр	65
Вольтметр	69
Електронні осцилографи	73
Вимірювальні генератори сигналів	77
Мультиметр	85
Тема № 1 Вимірювання напруг електричних сигналів електронним вольтметром	90
Тема № 2 Дослідження похибок аналогового вимірювального приладу	100
Тема № 3 Вимірювання послаблення та амплітудо – частотних характеристик	108
Тема № 4 Дослідження основних методів вимірювання параметрів двополюсників	125
Тема №5 Вимірювання параметрів сигналу електронно – променевим осцилографом	142
Питання щодо захисту практики	157
Література	163

Вступ

Електро – і радіовимірювальні прилади є технічною основою науково – дослідної, дослідно – конструкторської та виробничої бази сучасної радіоелектроніки, обчислювальної техніки та засобів автоматики. Подальший розвиток технічного рівня радіоелектронної апаратури неможливий без удосконалення засобів вимірювань.

Розширення функціональних можливостей та поліпшення метрологічних характеристик приладів нерозривно пов'язані з розробкою нових і вдосконаленням відомих методів вимірювань, поліпшенням характеристик елементної бази, вдосконаленням схемотехнічних рішень, поліпшенням конструкції і технології виготовлення.

Удосконалення елементної бази передбачає: розширення граничних значень параметрів радіоелементів, збільшення ступеня інтеграції, в першу чергу реалізацію аналогових вузлів цифрових приладів у вигляді інтегральних мікросхем, підвищення надійності приладів і зменшення енергоспоживання.

Робота електричних установок неможлива без систематичного контролю. Однак про якість їхньої роботи, про відхилення від запропонованого режиму лише в деяких випадках можна судити на підставі зовнішнього огляду. У більшості випадків необхідно періодично чи безупинно вимірювати величини, що характеризують стани і режими роботи установки в цілому чи її елементів. Для цього застосовують різні електровимірювальні прилади, якими вимірюють струм, напругу, потужність, втрати енергії, електричний опір та інші величини.

Розділ І

Призначення радіовимірювальної практики

Практика передбачає:

1. Виконання самостійно і індивідуально кожним студентом низки практичних робіт.

2. Вивчення пристроїв окремих приладів, розгляд яких не передбачено або обмежено за часом програмою дисципліни "Електрорадіовимірювання" і застосування їх для вимірювальних цілей.

3. Вивчення окремих питань, що мають велике практичне значення, але не розглянутих детально в курсі "Електрорадіовимірювання".

У результаті виконання практичних робіт студент повинен

Знати:

1. Правила вибору вимірювальних приладів при вирішенні різних завдань.

2. Методики вимірювання різних електро та радіо величин.

3. Методику визначення похибок вимірювальних приладів і процеси вимірювання.

Уміти:

1. Працювати з основними типами вимірювальних приладів.

2. Вибирати типи зазначених приладів, що задовольняють вимогам конкретної вимірювальної задачі.

3. Обчислювати основні та додаткові похибки вимірювання.

4. Користуватися інструкціями і описами основних типів радіовимірювальних приладів.

5. Самостійно проводити вимірювання основних параметрів і режимів роботи типових радіоелектронних схем радіовимірювальними приладами.

Найменування тем, які виносяться на практику:

1. Вступне заняття.

2. Вимірювання комбінованим приладом.

3. Повірка вимірювальних приладів.

4. Вимірювання напруг різної форми електронними вольтметрами.

5. Вимірювання параметрів лінійних компонентів ланцюгів із зосередженими параметрами.

6. Вимірювання параметрів ланцюгів за допомогою куметру.

7. Вимірювання параметрів напівпровідникових приладів.

8. Вимірювання параметрів цифрових мікросхем.

9. Вимірювання параметрів сигналів осцилографом. Вимірювання частоти методом порівняння.

10. Вимірювання параметрів сигналів різної форми за допомогою осцилографа.

11. Вимірювання параметрів сигналів електронно – рахунковим частотоміром.

12. Вимірювання різниці фаз осцилографом.

13. Вимірювання параметрів модульованих сигналів.

14. Вимірювання нелінійних спотворень.

15. Вимірювання параметрів підсилювачів.

16. Вимірювання параметрів імпульсного пристрою.

17. Вимірювання параметрів радіоелектронних пристроїв.

18. Залікове заняття.

Розділ ІІ

Метрологія, як наука про виміри

Метрологія – це наука про вимірювання і методи забезпечення їх єдності. Метрологія вивчає широке коло питань, пов'язаних як з теоретичними проблемами, так і з завданнями практики. До їх числа належать: загальна теорія вимірювань, одиниці фізичних величин та їх системи, методи і засоби вимірювань, методи визначення точності вимірювань, основи забезпечення єдності вимірювань та однаковості засобів вимірювань, еталони і зразкові засоби вимірювань, методи передачі розмірів одиниць від еталонів до робочих засобів вимірювання. Велике значення має вивчення метрологічних характеристик засобів вимірювань, що впливають на результати і похибки вимірювань.

Методи вимірювань

Метод вимірювань – це сукупність прийомів використання принципів і засобів вимірювань. Усі без винятку методи вимірювання є різновидами одного єдиного методу – методу порівняння з мірою, при якому вимірювану величину порівнюють з величиною, що відтворюється мірою (однозначною або багатозначною).

Розрізняють такі різновиди цього методу:

• метод безпосередньої оцінки (значення вимірюваної величини визначають безпосередньо по відліковому пристрою багатозначної міри, на яку безпосередньо діє сигнал вимірювальної інформації, наприклад, вимірювання електричної напруги вольтметром);

• метод протиставлення (вимірювана величина і величина, відтворена мірою, одночасно впливають на прилад порівняння – компаратор, наприклад – рівноплечі ваги).

• диференційний метод (порівняння міри довжини з зразковою на компараторі);

• нульовий метод (результуючий ефект впливу величин на прилад порівняння дорівнює нулю);

• метод заміщення – вимірювану величину замінюють відомою величиною, що відтворюється мірою (зважування з почерговим переміщенням вимірюваної маси та гир на одну чашу ваг);

• метод збігів – різниця між вимірюваною величиною і величиною, що відтворюється мірою, вимірюють, використовуючи збіг позначок шкал або періодичних сигналів (вимірювання довжини за допомогою штангенциркуля з ноніусом).

Методи вимірювань в залежності від способу отримання результату.

• Пряме вимірювання – вимірювання, при якому потрібне значення величини беруть безпосередньо з достовірних джерел.

• Непряме вимірювання – вимірювання, при якому значення величини знаходять через відому залежність між цією величиною і величинами, які піддаються прямим вимірам (знаходження щільності за масою і розмірами).

• Сукупні вимірювання – вироблені одночасно вимірювання декількох однойменних величин, при яких шукані значення величин знаходять із системи рівнянь, що одержуються при прямих вимірах (знаходження маси гирі в наборі за відомою масою однієї з них і за результатами порівняння мас різних сполучень гир).

• Спільні вимірювання – проводяться одночасно вимірювання двох або більше не однойменних величин для виявлення залежності між ними.

Одиниця фізичної величини

Одиниця фізичної величини – фізична величина (ФВ) фіксованого розміру, якої умовно присвоєно значення, рівне одиниці, і застосовувана для кількісного вираження однорідних фізичних величин. Розрізняють основні, похідні, кратні, поточні, когерентні, системні, позасистемні одиниці.

Похідна одиниця – одиниця похідної ФВ системи одиниць, утворена у відповідності з рівнянням, що зв'язує її з основними одиницями або ж з основними і вже визначеними похідними. Похідна одиниця називається когерентною, якщо в цьому рівнянні числовий коефіцієнт дорівнює одиниці.

Міжнародна система СІ

Включає в себе такі величини:

• довжина (м);

• маса (кілограм);

• час (секунда);

• сила струму (ампер);

• температура (кельвін);

• сила світла (кандела);

• кількість речовини (моль);

Похибки вимірювань – відхилення результатів вимірювання від істинного значення вимірюваної величини. Похибки неминучі, виявити істинне значення неможливо.

За числовою формою подання

• Абсолютна похибка ( );

• відносні похибки або у відсотках ;

• відносна дійсна:

• відносна виміряна;

• відносна наведена;

• A_max – максимальне значення шкали приладу.

За характером прояву:

• Систематичні (можуть бути виключені з результатів);

• випадкові;

• грубі або промахи (як правило, не включаються в результати змін)

Класифікація похибок в залежності від експлуатації приладів

Основна – це похибка засобу вимірювання при нормальних умовах.

Додаткова похибка – це складова похибки засобу вимірювання, додатково виникає через відхилення яких – не будь з впливаючих величин або неінформативних параметрів від нормативного значення або виходу за межі нормальної області значень. Додаткових похибок стільки, скільки функцій впливу або неінформативних параметрів.

Вимірювальні перетворювачі, вимірювальні прилади

Вимірювальні перетворювачі – технічний засіб, що служить для перетворення вимірюваної величини в іншу величину або сигнал вимірювальної інформації, зручний для обробки, зберігання, індикації або передачі і має нормовані метрологічні характеристики.

Розрізняють:

• первинні: Пр – перші в вимірювальному колі, до яких підведена вимірювана величина;

• проміжні;

• передавальні;

• масштабні;

Конструктивно відокремлені Пр називають також датчиком.

Вимірювальний прилад (ВП) – найбільш поширене в системі СІ, призначене для вироблення вимірювальної інформації у формі, доступній для сприйняття спостерігачем (оператором). Мають у своєму складі міру.

Розрізняють ВП:

• аналогові;

• цифрові, що показують;

• реєструючи самописні, які друкують;

• інтегруючі, що підсумовують;

• порівняння.

ВП можуть бути функціонально об'єднані в вимірювальні установки. Якщо в них включені зразкові ВП, їх називають повірочними установками. Якщо ВП з'єднуються між собою каналами зв'язку і призначаються для вироблення вимірювальної інформації у формі, доступній для сприйняття, обробки і передачі, таку сукупність називають вимірювальною системою.

Відліковий пристрій (шкала і стрілка)

Відліковий пристрій – частина конструкції засобу вимірювання, призначена для відліку показань. Може бути у вигляді шкали, покажчика, дисплея, екрана осцилографа і т.п.

Шкала – частина конструкції відлікового пристрою, що складається з відміток і чисел, відповідних послідовним значенням вимірюваної величини. Відмітки можуть бути у вигляді рисок, крапок, зубців і пр. Покажчики можуть бути у вигляді краплеподібних та світлових стрілок.

Види шкал, ціна розподілу

Шкали можуть бути односторонні і двосторонні, залежно від положення нуля. Якщо "0" знаходиться в центрі шкали, то така двостороння шкала називається симетричною.

Шкали характеризуються:

• числом розподілів;

• довжиною поділу;

• ціною поділки;

• діапазоном показань;

• діапазоном вимірювань;

• межами вимірювань;

Поділ – це проміжок між двома сусідніми відмітками шкали. Довжина поділу – це відстань, виміряна між осьовими двох сусідніх відміток по уявній лінії, проведеній через середини найкоротших відміток шкали.

Діапазон показань –це область значень шкали, обмежена початковим і кінцевим значеннями.

Діапазон вимірювань – це область значень величин, для якої унормована гранична допустима похибка.

Межа вимірювання – це найбільше або найменше значення діапазону вимірювання. На кожному діапазоні прилад має дві межі: Х_В – верхня межа, Х_Н – нижня межа.

Ціна розподілу – це різниця значень величин, відповідних двом сусіднім позначкам шкали.

Чутливість приладу (або чутливість засобу вимірювання) – це реакція на підведення до нього вимірюваної величини. Чутливість може обчислюватися як абсолютна так і відносна, що характеризує чутливість в даній позначці, так і за формулою, яка характеризує чутливість по відношенню до даного значення величини.

Абсолютна чутливість обернено пропорційна ціні поділки: .

Клас точності засобів вимірювання – це узагальнена характеристика засобу вимірювання, обумовлена межами основної і допустимих додаткових похибок і іншими властивостями, що впливають на очевидність засобів вимірювання, значення яких вказані в стандартах і технічних умовах на даний вид засобів вимірювань.

Правила позначення класу точності: позначення класу точності залежить від способу вираження межі допустимої похибки (основний). Якщо межа основної похибки виражається у вигляді абсолютної похибки, то клас позначається у вигляді великих літер латинського алфавіту або римських чисел, наприклад: C, M, I. Класи точності, позначаються літерами, що знаходяться ближче до початку алфавіту, чи меншими значущими цифрами – відповідають меншій межі похибок. Для засобів вимірювань, межі основної допустимої похибки яких прийнято виражати у формі зведеної похибки, класи точності слід писати у вигляді чисел з переважного ряду чисел: 110n; 1,510n; 210n; 2,510n; 410n; 510n; 610n,

де n = 1, 0, -1; -2; -3 і т.д.

Якщо межа допустимої похибки виражається у вигляді відносної похибки, то клас вибирається з наведеного ряду чисел і обводиться колом. Наприклад, клас точності 2,5 Якщо межа допустимої основної похибки виражається у вигляді двочленної формули відносної похибки, то клас позначається у вигляді дробу причому числа "c" і "d" вибираються з наведеного переважного ряду.

Наприклад: клас точності - 0,02/0,01

Класифікація засобів вимірювань

Засоби вимірювання класифікуються за досить різноманітним ознаками, які в більшості випадків взаємно незалежні і в кожному ВП можуть перебувати майже в будь – яких поєднаннях.

Основні критерії:

• Принцип дії;

• спосіб створення показань;

• спосіб отримання числового значення вимірюваної величини;

• точність;

• умови застосування;

• ступінь захисту від зовнішніх магнітних і електричних полів;

• стійкість проти механічних впливів і перевантажень;

• стабільність;

• чутливість;

• межі та діапазони вимірювань;

За деякими ознаками класифікація різних ВП однакова, за іншими вона різна. Деякі ознаки застосовні до одних видів ВП і незастосовні до інших. Найбільше число ознак охоплює класифікація електровимірювальних приладів.

Класифікація ВП залежно від стійкості до механічних впливів

За ступенем захисту від зовнішніх впливів розрізняють ВП: звичайні, пилозахищені, бризководогазозахищені, герметичні і вибухобезпечні.

До звичайних по стійкості до механічних впливів приладів та їх допоміжних частин відносяться такі прилади і частини, які в упаковці для перевезення витримують без пошкодження транспортну тряску протягом двох годин.

Наступна категорія – прилади звичайні з підвищеною механічною міцністю. Ще більш вимоги пред'являються до приладів, тряско міцним, вібро міцним і ударостійким.

Важлива також стійкість до перевантажень. Електровимірювальні прилади можуть витримувати тільки короткочасне перевантаження. Їх випробовують ударами струмом (дев'ятьма), який в 10 разів перевищує номінальний, тривалістю в 0,5 с і інтервалом в одну хвилину, з подальшим одним ударом таким же струмом, тривалістю в 5сек.

Повірка засобів вимірювань.

Повірка – сукупність дій, виконуваних для визначення або оцінки похибок ВП.

Повірки бувають:

• державні (позапланові);

• обов'язкові (при виробництві приладу);

• періодичні

При повірці порівнюються заходи або показники вимірювальних приладів з більш точною зразковою мірою або з показаннями зразкового приладу. Клас точності зразкового приладу повинен бути на 3 одиниці вище вивіреного.

Операції повірки засобів вимірювань

В операцію повірки входить попередній зовнішній огляд і перевірка комплектності приладу. Повірка проводиться за повірочною схемою, складеною відповідною метрологічною організацією. Терміни і методи повірки регламентуються нормативною документацією. Результати повірки оформляються у вигляді протоколу і після закінчення повірки робиться висновок про придатність даного пристрою до експлуатації.

Методи повірки засобів вимірювань

Повірка – сукупність дій, що виконуються для визначення або оцінки похибок ВП.

Основні методи повірки:

• шляхом безпосереднього звірення;

• за допомогою приладів порівняння;

• повірка ВП по зразковим заходам;

• по елементна повірка ВП;

• повірка вимірювальних приладів порівнянням.

Розділ ІІІ

Призначення, характеристики та застосування електровимірювальних приладів

Електровимірювальні прилади служать для контролю режиму роботи електричних установок, їх випробування і розрахунку витраченої електричної енергії. Залежно від призначення електровимірювальні прилади підрозділяють на амперметри (вимірювачі струму), вольтметри (вимірювачі напруги), ватметри (вимірювачі потужності), омметри (вимірювачі опору), частотоміри (вимірювачі частоти змінного струму), лічильники електричної енергії та ін.

Розрізняють дві категорії електровимірювальних приладів: робітники – для контролю режиму роботи електричних установок у виробничих умовах і зразкові – для градуювання і періодичної перевірки робочих приладів.

Типи приладів

Залежно від способу відліку електровимірювальні прилади поділяють на прилади безпосередньої оцінки і прилади порівняння.

Приладами безпосередньої оцінки, називаються такі, які дозволяють робити відлік вимірюваної величини безпосередньо на шкалі. До них відносяться амперметри, вольтметри, ватметри та ін. Основною частиною кожного такого приладу є вимірювальний механізм. При впливі вимірюваної електричної величини (струму, напруги, потужності та ін.) на вимірювальний механізм приладу подається відповідний сигнал на відліковий пристрій, за яким визначають значення вимірюваної величини.

По конструкції відлікового пристрою прилади діляться на прилади з механічним покажчиком (стрілочні), зі світловим покажчиком (дзеркальні), з пишучим пристроєм (самописні) і електронні прилади зі стрілочним або цифровим покажчиком відліку. У стрілочних приладах вимірювальний механізм повертає стрілку на деякий кут, який визначає значення вимірюваної величини (шкала приладу проградуйована у відповідних одиницях: амперах, вольтах, ватах та ін.).

У електровимірювальних приладах порівняння вимірювання здійснюються шляхом порівняння вимірюваної величини з якою – не будь зразковою мірою або еталоном. До них відносяться різні мости для вимірювання опорів та компенсаційні вимірювальні пристрої (потенціометри). Останні вимірюють різницю між вимірюваною напругою або е.д.с. і компенсуючою зразковою напругою (е.д.с). В якості порівнювального приладу зазвичай використовують гальванометр.

Дія електровимірювальних приладів безпосередньої оцінки заснована на різних проявах електричного струму (магнітному, тепловому, електродинамічному та ін.), використовуючи які можна за допомогою різних вимірювальних механізмів викликати переміщення стрілки.

Залежно від принципу дії, покладеного в основу пристрою вимірювального механізму, електровимірювальні прилади відносяться до різних систем: магнітоелектричної, електромагнітної, електродинамічної, теплової, індукційної та ін. Прилади кожної з цих систем мають свої умовні позначення.

Прилади можуть виконуватися з протидіючою поворотною пружиною і без пружини. В останньому випадку вони називаються логометрами.

Точність приладів

Кожен електровимірювальний прилад має деяку похибку, яка визначається тертям в його осях, технологічними допусками окремих його деталей, гістерезисом в магнітній системі та ін. Для оцінки точності вимірювань використовують поняття – відносна похибка Х. Вона являє собою відношення абсолютної похибки, яка має місце при вимірах (різниця між виміряною величиною Х_ЗМ. і її дійсним значенням Х_Д), до дійсного значення вимірюваної величини у відсотках:

(1)

Ця похибка різна при різних значеннях вимірюваної величини, тобто для різних розподілів шкали приладу. Тому точність електровимірювальних приладів оцінюють за основною зведеною похибкою ∆_max, яка дорівнює відношенню найбільшої абсолютної похибки X_max для даного приладу до найбільшого (номінального) значення Х_ном тієї величини (струму, напруги, потужності і ін.), яку може вимірювати прилад:

(2)

Основною наведеною похибкою вважається похибка приладу при нормальних умовах його роботи. При відхиленні від цих умов виникають додаткові похибки: температурна (від зміни навколишньої температури), від впливу зовнішніх магнітних полів, від зміни частоти змінного струму.

Умовні позначення приладів

– Магнітоелектричний прилад з рухомою рамкою.

– Магнітоелектричний прилад з рухомим магнітом.

– Електродинамічний прилад.

– Електромагнітний прилад.

– Феродинамічний прилад.

– Індукційний прилад.

– Електростатичний прилад.

– Вібраційний (язичковий) прилад.

– Тепловий прилад з нагріваємою проволокою.

– Біметалічний прилад.

– Термоелектричний прибор з магнітоелектричним вимірювальним механізмом.

– Випрямний прилад з магнітоелектричним вимірювальним механізмом.

За ступенем точності електровимірювальні прилади безпосередньої оцінки поділяються на вісім класів:

Клас приладу 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0

Основна приведена похибка, ∆± 0,05; ± 0,1; ± 0,2; ± 0,5; ± 1,0; ± 1,5; ± 2,5; ± 4,0

До перших трьох класів відносять точні лабораторні прилади.

Прилади класів 0,5; 1,0; і 1,5 використовують для різних технічних вимірювань. Вони зазвичай переносні, що підключаються до електричних установок тільки під час вимірювань.

Прилади класів 2,5; і 4,0 встановлюють постійно на щитах і панелях управління електричними установками.

Помилка в показаннях приладу визначається його класом точності. Наприклад, амперметр класу 1,5 зі шкалою на 100А може дати похибку

Похибку приладу не слід змішувати з похибкою вимірювань, тому що похибка для розглянутого приладу, дорівнює 1,5А, – задається незалежно від вимірюваного їм струму, то при струмі 50А похибка вимірювань буде складати 3%, а при струмі 5А – 30%. Тому при вимірах рекомендується так вибирати прилади, щоб значення вимірюваної величини не були істотно меншими найбільшого її значення, вказаного на шкалі приладу.

Позначення на шкалі приладу

На шкалі кожного приладу проставляють відповідні умовні позначення, що характеризують призначення приладу (амперметр, вольтметр і т. д.), його клас точності, рід струму, при якому він може застосовуватися, систему приладу, нормальне його положення при вимірах, випробувальна напруга, при якому перевірялася ізоляція приладу, та ін. Для вказівки призначення приладу в його умовне позначення вписують літерні символи вимірюваних величин, наприклад А – (амперметр), V – (вольтметр), W – (ватметр).

Магнітоелектричні прилади

Магнітоелектричний вимірювальний механізм (рис.1, а) виконаний у вигляді постійного магніту – 1, забезпеченого полюсними наконечниками – 2, між якими закріплене сталеве осердя – 3. У кільцеподібному повітряному зазорі, утвореному полюсними наконечниками і осердям, поміщена рухома котушка – 5, намотана на алюмінієвий каркас – 6 (рис.2, б). Котушка виконана з дуже тонкого дроту і укріплена на осі, пов'язаної зі стрілкою спіральними пружинами – 4 або розтяжками. Через ці ж пружини або розтяжки здійснюється підведення струму до котушки.

При проходженні струму I по котушці на кожен з її провідників діятиме електромагнітна сила. Сумарна дія всіх електромагнітних сил створює обертаючий момент М, який прагне повернути котушку і пов'язану з нею стрілку приладу на деякий кут φ. Тому що індукція В магнітного поля, створюваного постійним магнітом, незмінна і не залежить від струму I.

Повороту рухомої частини вимірювального механізму перешкоджає протидіє момент М_пр, створюваний спіральними пружинами або розтяжками. Цей момент пропорційний куту закручування, тобто куту повороту φ рухомої частини.

Поворот рухомої частини вимірювального механізму і стрілки буде продовжуватися до тих пір, поки обертаючий момент М, створюваний струмом I, що не урівноважиться протидіючим моментом М_пр.

Отже, кут повороту φ рухомої частини пропорційний вимірюваному струму I. Тому магнітоелектричні прилади мають рівномірну шкалу. Постійна величина k називається чутливістю приладу, вона характеризується кутом повороту стрілки в градусах або в поділках шкали, припадає на одиницю зміни вимірюваної величини.

Рисунок 1 Пристрій магнітоелектричного вимірювального механізму

Величина, зворотна чутливості називається постійною приладу або ціною поділки. Якщо помножити відлік по шкалі на ціну поділки приладу С, то можна визначити значення вимірюваної величини. Для усунення коливань рухомої системи приладу при переході стрілки з одного положення в інше електровимірювальні прилади постачають повітряними або магнітно – індукційними демпферами.

Повітряний демпфер ( рис.2, а ) виконаний у вигляді циліндричної камери, всередині якої переміщується крило – 1 у вигляді поршня, пов'язаного з рухомою системою. При переміщенні рухомої частини відбувається гальмування рухомого в камері – 2 крила, і коливання рухомої частини швидко загасають. Магнітно – індукційний демпфер ( рис.2, б) виконаний у вигляді нерухомого постійного магніту – 3, який при повороті рухомої системи приладу індукує вихрові струми в металевому (алюмінієвому) секторі – 4, встановленому на осі приладу. Взаємодія цих струмів з магнітом створює згідно з правилом Ленца силу,що гальмують рухливу систему і забезпечує швидке загасання коливань стрілки. У магнітоелектричних приладах роль демпферу виконує алюмінієвий каркас – 6 котушки (рис.1, б). При повороті рухомої частини приладу змінюється магнітний потік, що пронизує каркас котушки. Завдяки цьому в каркасі індукують вихрові струми, взаємодія яких з магнітним полем магніту створює гальмівний момент, що забезпечує

швидке заспокоєння рухомої частини.

Рисунок 2 Повітряний (а) та магнітно – індукційний (б) демпфери

Д ля того, щоб будь – який електровимірювальний прилад забезпечив необхідну точність вимірювань, необхідно, щоб відхилення рухомої системи приладу визначалося тільки обертаючим моментом, створюваним котушкою і протидіючим зусиллям пружини. Для усунення впливу сили тяжіння, що створює похибки при вимірюваннях, рухливу систему приладу (рис. 3) врівноважують противагами – 5 (рис.3, а), що представляють собою стрижні з переміщуючими по них грузилами.

Рисунок 3 Пристрій рухомої частини електровимірювального приладу

Для зменшення впливу тертя осі приладів забезпечують ретельно відполірованим сталевими наконечниками – 1, виконаними з матеріалу з високою зносостійкістю (загартована сталь, вольфрамо – молібденовий сплав і ін.). Наконечники обертаються в підп'ятниках – 4, виконаних з вкладишами – 2 з корунду, агату, рубіну і т. п. Зазори між наконечниками і підп’ятником регулюються стопорним гвинтом – 3.

Електровимірювальні прилади зазвичай постачають коректором – пристосуванням, що дозволяє встановлювати стрілку в нульове положення. Коректор складається з гвинта – 6, що виходить з корпусу, і повідка – 7, за допомогою яких можна зміщувати на деяку відстань точку закріплення спіральної пружини – 8, що створює протидіюче зусилля. У більшості сучасних приладів рухома частина – 11 підвішується на двох розтяжках – 10 – пружних металевих стрічках, які служать для підведення струму до котушки приладу і одночасно створюють протидіючий момент (рис. 3,б). Розтяжки прикріплені до двох плоских пружин – 9 та 12, розташованих у взаємно перпендикулярних площинах.

Крім розглянутого вище вимірювального механізму із зовнішнім (по відношенню до котушки) постійним П – подібним магнітом, існують механізми з магнітами іншої форми (циліндричної, у вигляді призми, а також з серед рамковими нерухомими і рухомими магнітами).

Застосування приладу

Прилади магнітоелектричної системи застосовують для вимірювання струму та напруги в електричних колах постійного струму У амперметрах і вольтметрах котушка приладу має різний опір і включається за різними схемами. Для зменшення струму який проходить по котушці і компенсації впливу температури на показання приладу в вольтметрах послідовно з котушкою включають додатковий резистор, який зазвичай вбудовується в корпус приладу. Опір цього резистора значно більше опору котушки, і він виконаний з матеріалу, електричний опір якого досить мало залежить від температури (константан, манганін). У амперметрах паралельно котушці приладу часто включають зразковий резистор, званий – шунтом.

Опір шунта значно менше опору котушки приладу, внаслідок чого вимірюваний струм в основному проходить по шунту. Шунти і додаткові резистори служать для розширення меж вимірювання приладів.

З принципу дії магнітоелектричного приладу з’ясовується, що напрямок відхилення його стрілки залежить від напрямку струму I, що проходить по котушці. Отже, при включенні цих приладів в коло постійного струму повинна бути дотримана правильна полярність, при якій стрілка відхиляється в необхідний бік. Для змінного струму магнітоелектричні прилади непридатні, оскільки при живленні котушки змінним струмом середнє значення створюваного нею обертального моменту дорівнює нулю і стрілка приладу буде стояти на нулі, відчуваючи трохи помітні коливання.

Перевагою приладів магнітоелектричної системи є рівномірність шкали, висока точність і незалежність свідчень від сторонніх магнітних полів. До їх недоліків їх відносяться непридатність для вимірювання змінного струму, необхідність дотримання полярності при включенні і чутливість до перевантажень (при перевантаженні тонкий дріт котушки і спіральні пружини, що підводять до неї струм, можуть згоріти).

Електромагнітні прилади

Принцип роботи приладів цієї системи заснований на взаємодії магнітного поля, створюваного котушкою – 1 зі сталевим осердям – 3, уміщеним у поле цієї котушки. Електромагнітний вимірювальний механізм виконують з плоскою (рис.4, а) або круглою (рис.4, б) котушкою.

У приладах з плоскою котушкою осердя встановлене на осі,що несе стрілку. При проходженні струму по котушці – 1 осердя – 3 буде намагнічуватися і втягуватися в котушку, повертаючи вісь і стрілку. Повороту осі перешкоджає спіральна пружина – 2. Коли зусилля, що створюється пружиною, врівноважить зусилля, створене котушкою, рухлива система приладу зупиниться і стрілка зафіксує на шкалі певний струм.

Рисунок 4 Пристрій електромагнітних вимірювальних механізмів з плоскою (а) та круглою (б) котушкою.

Обертаючий момент, що впливає на рухому частину приладу, пропорційний силі тяжіння F електромагніту, під дією якої осердя втягується в котушку. Сила тяжіння F пропорційна квадрату індукції В, створеної магнітним полем котушки отже вона пропорційна квадрату струму I в котушці, тому що обертаючий момент:

(3)

де c₁ – постійна величина, що залежить від конструктивних параметрів приладу (числа витків і розмірів котушки, матеріалу і форми осердя) і положення осердя щодо котушки.

При втягуванні осердя в котушку обертаючий момент М змінюється пропорційно I².

Під дією моменту М рухома частина приладу буде повертатися до тих пір, поки цей час не буде урівноважений протидіючим моментом M_пр = c₂ φ (4), Створеним пружинами або розтяжками. У момент рівноваги М = M_пр, звідки

(4)

де k – постійна величина

Отже, у приладах з електромагнітним вимірювальним механізмом кут повороту α рухомої частини і стрілки пропорційний квадрату струму, що проходить по котушці. Тому такий прилад має нерівномірну (квадратичну) шкалу. Для згладжування цієї нерівномірності осердю надається особлива пелюстко подібна форма, внаслідок чого форма магнітного поля і зусилля, що створюється котушкою, змінюються в міру втягування осердя. Усунення коливань рухомої системи приладу при переході стрілки з одного положення в інше здійснюється демпфером – 5. У приладах з круглою котушкою рухома система повертається в результаті взаємодії двох сталевих пластинок що намагнічують – 3, розташованих усередині котушки – 1. Одна з них укріплена на осі приладу, а інша – на внутрішній поверхні каркасу котушки. При проходженні струму по котушці пластини намагнічуються, і їх однойменні полюси виявляються розташованими один проти одного. Між ними виникають сили відштовхування і створюється обертовий момент, що повертає вісь зі стрілкою – 4.

Застосування приладу

Електромагнітні прилади використовують, головним чином, для вимірювання струму та напруги у промислових установках змінного струму. При періодичній зміні струму, що проходить через прилад, зусилля, що створюється його котушкою, не змінюватиметься за напрямком, так як воно пропорційно квадрату струму. Кут відхилення стрілки визначається деяким середнім зусиллям F, значення якого пропорційно середньому квадратичному значенню струму або напруги. Отже, електромагнітні прилади в колах змінного струму вимірюють діючі значення струму або напруги.

Котушка при вимірах може бути включена в електричний ланцюг послідовно або паралельно двом точкам, між якими діє деяка напруга. У першому випадку прилад буде працювати в якості амперметра, у другому – в якості вольтметра. Перевагою приладів електромагнітної системи є простота і надійність конструкції, невисока вартість, стійкість до перевантажень і придатність для вимірювань в колах змінного і постійного струму. До недоліків відносяться невисока точність, мала чутливість, нерівномірність шкали і залежність показань від зовнішніх магнітних полів і частоти змінного струму.

Астатичні прилади

Котушки електромагнітних приладів створюють відносно слабке магнітне поле, тому що силові лінії цього поля проходять в основному по повітрю. Тому такі прилади дуже чутливі до впливу зовнішніх магнітних полів. Для захисту від цих впливів електромагнітні прилади оточують сталевими екранами або виконують астатичними.

У астатичному (нестійкий) приладі є дві плоскі котушки 1 і два осердя – 2, розташовані на загальній осі (рис. 5). Обмотки котушок включають так, щоб напрями їх магнітних потоків Ф₁ і Ф₂ були протилежні. Обертаючі моменти діють на рухому систему приладу в однаковому напрямку. Тому зовнішній магнітний потік Ф_зов посилюватиме поле однієї котушки і послаблюватиме поле іншій; створюваний ними сумарний обертовий момент буде залишатися незмінним.

Рисунок 5 Прилад астатичного вимірювального механізму

Електродинамічні та феродинамічні прилади

Робота електродинамічного приладу заснована на взаємодії двох котушок, через які проходить електричний струм. Електродинамічний вимірювальний механізм (рис.6, а) складається з двох котушок: нерухомої – 2 і розташованої всередині неї рухомої – 1. Рухома котушка – 1 пов'язана з віссю приладу зі стрілкою і з двома спіральними пружинами – 4 (або розтяжками), які служать для створення протидіє моменту і підведення струму до рухомої котушки – 1. У приладі застосовується демпфер – 3.

При проходженні по котушках струмів I₁ і I₂ виникають електродинамічні сили F (рис.6, б), які прагнуть повернути рухому котушку відносно нерухомої на деякий кут.

У момент рівноваги

(5)

де k – постійна величина.

При змінному струмі миттєве значення обертального моменту М пропорційне добутку миттєвих значень струмів і₁ і i₂, що проходять по котушкам. Середній же за період обертаючий момент

(6)

де I₁ і I₂ – діючі значення струмів i₁ і i₂; φ – кут зсуву фаз між ними, тому при змінному струмі . Значення обертального моменту М, створеного котушками електродинамічного приладу, а отже, і кут повороту стрілки φ пропорційні добутку проходять по котушкам струмів I₁ і I₂. Тому залежно від схеми включення котушок прилад може бути використаний як амперметр, вольтметр і ватметр. При включенні обох котушок приладу послідовно в ланцюг вимірюваного струму (рис.7, а ) прилад буде працювати в якості амперметра; при підключенні котушок до двох точок (рис.7, б), між якими діє вимірювана напруга, прилад буде працювати в якості вольтметра. При підключенні ж однієї котушки послідовно, а іншої паралельно приймачу електроенергії (рис.7, в) кут відхилення стрілки буде пропорційний добутку струму I і напруги U, тобто потужності , прилад буде працювати в якості ватметру і вимірюватиме потужність, отриману приймачем. При змінному струмі і включенні котушок за схемою (рис.7, б) кут зсуву фаз φ між струмами І₁ і I₂ дорівнює куту зсуву фаз < Р між струмом I і напругою U.

Тому

(7)

тобто кут повороту стрілки пропорційний вимірюваній потужності.

Рисунок 6 Пристрій (а) і принципова схема (б) електродинамічного вимірювального механізму

Перевагами електродинамічних приладів є придатність для вимірювання постійного і змінного струму, рівномірність шкали у ватметрів і відносно висока точність у порівнянні з іншими приладами, призначеними для вимірювань в колах змінного струму. До недоліків відноситься сильний вплив зовнішніх магнітних полів на точність вимірювань, чутливість до перевантажень і відносно висока вартість. Електродинамічні прилади застосовують звичайно в якості точних лабораторних приладів, а також в якості ватметрів та лічильників електричної енергії в колах постійного струму.

Рисунок 7 Схеми включення електродинамічного приладу в якості амперметра (і), вольтметра (б) і ватметра (в)

Рисунок 8 Принципова схема феродинамічної вимірювального механізму

Пристрій і застосування феродинамічних приладів

Робота феродинамічних приладів заснована на тому ж принципі, що і приладів електродинамічної системи. Для посилення магнітного поля у феродинамічному вимірювальному механізмі застосований магнітопровід з феромагнітного матеріалу. Нерухома котушка – 2 (рис.8) розміщується на полюсах феромагнітного осердя – 4, а рухлива – 3 повертається так само, як і в приладах магнітоелектричної системи, – у повітряному зазорі між полюсами – 1 і нерухомим циліндричним осердям – 5. При такій конструкції прилади захищені від впливу зовнішніх магнітних полів. Крім того, збільшуються магнітні потоки, створені котушками, і зростає обертаючий момент, діючий на рухому систему.

Феродинамічні прилади використовують в якості щитових амперметрів, ватметрів і вольтметрів, що працюють в умовах трясіння і вібрацій. Крім того, їх застосовують в якості самописних приладів, тому що вони мають значний крутний момент, який долає тертя в записуючих пристроях.

Індукційні прилади

Індукційний прилад складається з двох нерухомих електромагнітів 2 і 3 (рис. 9) та рухомого алюмінієвого диску – 4, укріпленого на одній осі зі стрілкою. При проходженні змінних струмів I₁ і I₂ по котушкам електромагнітів створюються два магнітних потоки Ф₁ і Ф₂, зсунуті один щодо іншого по фазі, які пронизують диск. Ці потоки при своїй зміні індукують в диску вихрові струми I_в1 і I_в2. У результаті взаємодії вихрових струмів з магнітними полями обох електромагнітів (струму I_в1 з потоком Ф₂ і струму I_в2 з потоком Ф₁) виникає обертальний момент М, під впливом В_м якого відбувається поворот рухомої частини приладу. Протидіючий момент в вольтметрах, амперметрах і ватметрах створюється спіральною пружиною – 1 або розтяжками.

Середнє за період значення обертального моменту М пропорційне добутку діючих значень магнітних потоків Ф₁ і Ф₂ і синусу кута зсуву фаз φ між цими потоками:

(8)

де c₁ – постійна для приладу величина.

Рисунок 9 Пристрій індукційного вимірювального механізму

Щоб отримати найбільше значення обертального моменту, кут зсуву фаз між потоками встановлюють 90° шляхом включення в колі котушок додаткових активних і реактивних опорів. За цієї умови середній крутний момент у вольтметрах і амперметрах буде пропорційний добутку діючих значень струмів I₁ і I₂, що протікають по котушкам електромагнітів.

У ватметрах I₁ пропорційний струму I в ланцюзі, I₂ – напрузі U, а кут φ дорівнює куту 90° – φ.

Застосування

Індукційні прилади, так само як і електродинамічні, можуть бути використані в якості амперметра, вольтметра і ватметра. Котушки електромагнітів включаються в цих випадках так само, як і котушки електродинамічного приладу (рис. 7). Перевагою індукційних приладів є висока стійкість до перевантажень, великий обертаючий момент і мала чутливість до зовнішніх магнітних полів. До недоліків відносяться порівняно невисока точність і залежність показань від частоти змінного струму і температурних впливів. Індукційні прилади використовують, головним чином, в якості ватметрів та лічильників електричної енергії.

Логометри та електронні прилади

У розглянутих вимірювальних механізмах кут повороту φ рухомої частини визначається значенням струму, що проходить по їх котушкам. Як випливає з закону Ома, струм I залежить від напруги U, що живить вимірювальний ланцюг. Однак при вимірах опору, частоти змінного струму, температури, тиску та ін. необхідно, щоб кут φ залежав тільки від вимірюваної величини, а зміна напруги не впливала на результати вимірювання. Тому для вимірювань зазначених величин застосовують логометри – електровимірювальні прилади, що мають два вимірювальних механізми без протидіючих пружин, що створюють два протилежно спрямованих моменти. У результаті цього кут повороту α рухомої частини логометра визначається тільки відношенням струмів в котушках цих механізмів. У зв’язку з тим, що зміна напруги надає однаковий вплив на ці струми, то кут φ в цьому випадку змінюватися не буде.

Логометри можуть бути виконані з вимірювальними механізмами будь-якої системи. Характерною особливістю їх є відсутність механічних властивостей, що створюють протидіючий момент, внаслідок чого їх рухома частина при відсутності струму в котушках знаходиться в стані байдужої рівноваги.

На рис. 10 в якості прикладу показана принципова схема магнітоелектричного логометра, який застосовується в мегомметрах. Він складається з двох котушок – 1 і 2, розташованих під деяким кутом і жорстко укріплених на загальній осі. До цих котушок підводяться струми I₁ і I₂ через три еластичні спіралі – 5, що не створюють при закручуванні механічного моменту.

Постійний магніт – 3 має форму еліпса, тому в повітряному зазорі між магнітом і зовнішнім кільцем – 4 утворюється нерівномірне магнітне поле. У результаті взаємодії струмів I₁ і I₂ з магнітним полем виникають два протилежно спрямованих моменти M₁ і М₂, які пропорційні струмам I₁ і I₂ і індукції В₁ і В₂ в повітряному зазорі в тих місцях, де знаходяться котушки.

При повороті рухомої частини під дією різниці M₁ – M₂ значення індукцій В₁ і B₂ змінюються, оскільки одна з котушок переміщається в область із збільшеним (або зменшеним) повітряним зазором, а інша – в область із зменшеним (або збільшеним) зазором. При цьому змінюються моменти M₁ і М₂. При деякому положенні рухомої частини моменти M₁ і М₂ врівноважуються.

Таким чином, кожному певному положенню рухомої частини логометра, що характеризується ставленням B₂/B₁, відповідають певні значення струмів I₁ і I₂, що проходять по його котушкам. При зміні цього відношення буде змінюватися кут φ. Якщо обидва вимірювальні кола, в які включені котушки приладу, живляться однією напругою U, то показання приладу не будуть залежати від U, так як при його зміні змінюються пропорційно струми I₁ і I₂.

Рисунок 10 Принципова схема магнітоелектричного логометра

Електронні прилади

Для вимірювання малих сигналів, а також для вимірювань у слабкострумових ланцюгах широкого поширення набули електронні прилади, що представляють собою поєднання електронного підсилювача і магнітоелектричного мілівольтметра або системи цифрової індикації. При вимірі електронним приладом зі стрілочної індикацією (рис.11, а) вимірювана електрична величина посилюється або послаблюється підсилювачем У і перетворюється в сигнал постійного знаку U = , який подається на мілівольтметр, відградуйований з урахуванням коефіцієнта посилення підсилювача. Підсилювач має дуже великий вхідний опір, тобто споживає невеликий струм з вимірюваної мережі. При вимірі електронним приладом з цифровою індикацією (рис.11, б) величина, що вимірюється (напруга постійного струму U_x, постійний струм I_x або опір R_x), подається на вхід аналогового масштабного перетворювача (АМП), який перетворює її в напругу постійного струму U = . Сигнал U = надходить на вхід аналого - цифрового перетворювача АЦП, де відбувається його вимір. Результат вимірювання з виходу АЦП видається на пристрій індикації УИ, де висвічується вимірювана величина в цифровому значенні.

Електронні прилади завдяки великому вхідному опору та малому споживаному струму знаходять широке застосування насамперед для вимірювань в колах різних електронних пристроїв управління, де використання звичайних приладів може вплинути на режим роботи вимірюваного ланцюга. До таких ланцюгів відносяться системи управління тиристорами, пристрої радіозв'язку та ін. Прилади з цифровою індикацією, крім того, дають більш точний відлік вимірювань, незалежний від людини, яка проводить вимірювання.

Рисунок 11 Структурні схеми приладів зі стрілочної (а) і цифровою (б) індикацією

Розділ ІV

Вимірювання електричних величин

Вимірювання струму

Для вимірювання струму в колі амперметр – 2 (рис.12, а) або міліамперметр включають в електричний ланцюг послідовно з приймачем 3 електричної енергії.

Для того щоб включення амперметра не впливало на роботу електричних установок і він не створював великих втрат енергії, амперметри виконують з малим внутрішнім опором. Тому практично опір його можна вважати рівним нулю і нехтувати викликане ним падіння напруги. Амперметр можна включати в ланцюг тільки послідовно з навантаженням. Якщо амперметр підключити безпосередньо до джерела – 1, то через котушку приладу піде дуже великий струм (опір амперметра малий) і він згорить.

Для розширення меж вимірювання амперметрів, призначених для роботи в колах постійного струму, їх включають в коло паралельно шунту – 4 (рис.12, б).

При цьому через прилад проходить тільки частина I_А вимірюваного струму I, обернено пропорційна його опору R_А. Велика частина I_ш цього струму проходить через шунт. Прилад вимірює падіння напруги на шунті, залежне від струму що проходить через шунт, тобто використовується в якості мілівольтметру. Шкала приладу градуюється в амперах. Знаючи опір приладу R_A і шунта R_ш можна по струму I_А, зафіксованому приладом, визначити вимірюваний струм:

(9)

де – коефіцієнт шунтування.

Його зазвичай вибирають рівним, або кратним 10. Опір шунта, необхідний для вимірювання струму I, в n разів більшого, ніж струм приладу I_А,

(10)

Конструктивно шунти або монтують у корпус приладу (шунти на струми до 50А), або встановлюють поза нього і з'єднують з приладом проводами. Якщо прилад призначений для постійної роботи з шунтом, то шкала його градуюється відразу в значеннях вимірюваного струму з урахуванням коефіцієнта шунтування і ніяких розрахунків для визначення струму виконувати не потрібно. У разі застосування зовнішніх (окремих від приладів) шунтів на них вказують номінальний струм, на який вони розраховані, і номінальну напругу на затискачах (калібровані шунти). Згідно зі стандартами ця напруга може бути 45, 75, 100 і 150 мВ. Шунти підбирають до приладів так, щоб при номінальній напрузі на затискачах шунта стрілка приладу відхилялася на всю шкалу. Отже, номінальні напруги приладу і шунту повинні бути однаковими. Є також індивідуальні шунти, призначені для роботи з певним приладом. Шунти ділять на п'ять класів точності (0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5). Позначення класу відповідає допустимій похибці у відсотках.

Для того, щоб підвищення температури шунта при проходженні по ньому струму не впливало на показання приладу, шунти виготовляють з матеріалів з великим питомим опором і малим температурним коефіцієнтом (константан, манганін, нікелін та ін.) Для зменшення впливу температури на покази амперметра послідовно з котушкою приладу в деяких випадках включають додатковий резистор з константану або іншого подібного матеріалу.

Рисунок 12 Схеми для виміру струму (а, б) та напруги (в, г)

Вимірювання напруги

Для вимірювання напруги U, що діє між якими – не будь двома точками електричного кола, вольтметр – 2 (рис.12, в) приєднують паралельно джерелу 1 електричної енергії або приймачу – 3. Для того щоб включення вольтметра не впливало на роботу електричних установок і він не створював великих втрат

енергії, вольтметри виконують з великим опором. Тому практично можна нехтувати струмом, що проходить по вольтметру.

Для розширення меж вимірювання вольтметрів послідовно з обмоткою приладу включають додатковий резистор – 4 (R_д) (рис.12, г). При цьому на прилад припадає лише частина Uv вимірюваної напруги U, пропорційна опору приладу R_v.

Знаючи опір додаткового резистора і вольтметра, можна за значенням напруги U_v, фіксованої вольтметром, визначити напругу, що діє в колі:

(11)

Величина – показує, у скільки разів вимірювана напруга U більше напруги U_v, що припадає на прилад, тобто у скільки разів збільшується межа вимірювання напруги вольтметром при застосуванні додаткового резистора.

Опір додаткового резистора, необхідний для вимірювання напруги U, в п разів більші напруги приладу U_v, визначається за формулою: .

Додатковий резистор може бути вбудованим у прилад і одночасно використовуватися для зменшення впливу температури навколишнього середовища на показання приладу. Для цієї мети резистор виконується з матеріалу, що має малий температурний коефіцієнт і його опір значно перевищує опір котушки, внаслідок чого загальний опір приладу стає майже незалежним від зміни температури. За точністю додаткові резистори поділяються на ті ж класи точності, що і шунти.

Дільники напруги

Для розширення меж вимірювання вольтметрів застосовують також дільники напруги. Вони дозволяють зменшити підлеглу вимірюванню напругу до значення, відповідного номінальній напрузі даного вольтметра (гранична напруга на його шкалі). Ставлення вхідної напруги дільника U₁ до вихідної U₂ (рис.13, а) називається коефіцієнтом розподілу.

У дільниках напруги це відношення може бути вибрано рівним 10, 100, 500 і т.д. залежно від того, до яких виводів дільника підключений вольтметр (рис.13, б). Дільник напруги вносить малу похибку у виміри тільки в тому випадку, якщо опір вольтметра R_v досить великий (струм, що проходить через дільник, малий), а опір джерела, до якого підключений дільник, великий.

Рисунок 13 Схеми включення дільників напруги

Вимір параметрів котушок індуктивності

Основним параметром, що характеризує контурні котушки, дроселі, обмотки трансформаторів є індуктивність L. У високочастотних ланцюгах застосовуються котушки з індуктивністю від сотих часток мікрогенрі до десятків міллігенрі; котушки, використовувані в низькочастотних ланцюгах, мають індуктивність до сотень і тисяч генрі. Вимірювання індуктивності високочастотних котушок, що входять до складу коливальних систем, бажано проводити з похибкою не більше 5%; в більшості інших випадків допустима похибка вимірювання до 10 – 20%.

Рисунок 14 Еквівалентні схеми індуктивності

Кожна котушка, крім індуктивності L, характеризується також власною (міжвитковою) ємністю C_L і активним опором втрат R_L, розподіленими по її довжині. Умовно вважають, що L, C_L і R_L зосереджені і утворюють замкнений коливальний ланцюг (рис. 14, а) з власною резонансною частотою

(12)

Внаслідок впливу ємності C_L при вимірюванні на високій частоті f визначається не справжня індуктивність L, а чинне, або динамічне значення індуктивності

(13)

яке може помітно відрізнятися від індуктивності L, виміряної на низьких частотах.

З підвищенням частоти зростають втрати в котушках індуктивності, зумовлені поверхневим ефектом, випромінюванням енергії, струмами зміщення в ізоляції обмотки і каркасі, вихровими струмами в осерді. Тому чинний активний опір R_д котушки може помітно перевищувати її опір R_L, виміряний омметром або мостом постійного струму. Від частоти f залежить і добротність котушки:

(14)

На рис.14 б, зображена еквівалентна схема котушки індуктивності з урахуванням її діючих параметрів. Так як значення всіх параметрів залежать від частоти, то випробування котушок, особливо високочастотних, бажано проводити при частоті коливань джерела живлення, що відповідає їх робочому режиму. При визначенні результатів випробування індекс "д" зазвичай опускають. Для вимірювання параметрів котушок індуктивності застосовуються в основному методи вольтметра – амперметра, мостовий і резонансний. Перед вимірами котушка індуктивності повинна бути перевірена на відсутність в ній обриву і короткозамкнутих витків. Обрив легко виявляється за допомогою будь – якого омметра або пробника, тоді як виявлення коротких замикань вимагає проведення спеціального випробування.

Вимірювання індуктивностей методом вольтметра – амперметра

Метод вольтметра – амперметра застосовується для вимірювання порівняно великих індуктивностей при живленні вимірювальної схеми від джерела низької частоти F = 50 ... 1000 Гц.

Схема вимірювань представлена на рис. 3, а . Повний опір Z котушки індуктивності розраховується за формулою

(15)

на основі показань приладів змінного струму V ~ і mA ~ . Верхній (за схемою) вивід вольтметра приєднують до точки а при Z << Z_в і до точки б при Z >> Z_a, де Z_в і Z_a – повні вхідні опори відповідно вольтметра V ~ і міліамперметра mA ~ . Якщо втрати малі, тобто , то вимірювана індуктивність визначається формулою

(16)

Котушки великої індуктивності з метою зменшення їх габаритів зазвичай виготовляються зі сталевим осердям. Наявність останніх призводить до нелінійної залежності магнітного потоку від струму, що протікає через котушку. Ця залежність стає особливо складною для котушок, що працюють з підмагнічуванням, через обмотки яких протікають одночасно змінний і постійний струми. Тому індуктивність котушок зі сталевим осердям залежить від значення і характеру струму, що протікає через них. Наприклад, при великій постійній складовій струму відбувається магнітне насичення осердя і індуктивність котушки різко зменшується. Крім того, проникність осердя та індуктивність котушки залежать від частоти змінного струму. Звідси випливає, що вимірювання індуктивності котушок зі сталевим осердям необхідно проводити в умовах, близьких до їх робочого режиму. У схемі на рис.16, а, це забезпечується при доповненні її колом постійного струму, показаного штриховою лінією. Необхідний струм підмагнічування встановлюється реостатом R₂ за показаннями міліамперметра постійного струму mA. Розділовий конденсатор С і дросель Др поділяють ланцюги живлення постійного і змінного струму, усуваючи взаємний вплив між ними. Прилади змінного струму, що застосовуються в даній схемі, не повинні реагувати на постійні складові вимірюваного ними струму або напруги; для вольтметра V ~ це легко забезпечується за допомогою включення послідовно з ним конденсатора ємністю в кілька мікрофарад.

Рисунок 16 Схеми вимірювання індуктивності методом вольтметра – амперметра

Другий варіант вимірювальної схеми, що дозволяє обійтися без міліамперметра змінного струму, наведено на рис.16, б. У цій схемі реостатами R₁ і R₂ (їх можна замінити потенціометрами, включеними паралельно джерел живлення) встановлюють необхідний режим випробування по змінному і постійному струму. У положенні 1 перемикача В вольтметр V ~ вимірює змінну напругу U₁ на котушці L_x. При перекладі перемикача в положення 2 фактично контролюється значення змінного струму в ланцюзі з падінням напруги U₂ на опорному резистори R_о. Якщо втрати в котушці малі, тобто , то вимірювану індуктивність можна розрахувати за формулою

(17)

Мостовий метод вимірювання параметрів котушок індуктивності

Універсальні вимірювальні мости

Мости, які призначені для вимірювання параметрів котушок індуктивності, формуються з двох плечей активного опору, плеча з об'єктом вимірювань, опір якого в загальному випадку є комплексним, і плеча з реактивним елементом – конденсатором або котушкою індуктивності.

Рисунок 17 Схема магазинного моста для виміру індуктивностей і опорів втрат

У вимірювальних мостах магазинного типу в якості реактивних елементів використовують конденсатори, оскільки в останніх втрати енергії можуть бути зроблені достатньо малими, а це сприяє більш точному визначенню параметрів досліджуваних котушок. Схема такого моста представлена на рис. 17. Регульованим елементом тут є конденсатор С₂ змінної ємності (або магазин ємностей), зашунтований змінним резистором R₂; (останній служить для врівноваження фазового зсуву, створюваного опором втрат R_x в котушці з індуктивністю L_x). Застосовуючи умову рівноваги амплітуд ( ), знаходимо:

.

Якщо фазові кути , то умова рівноваги фаз

можна записати у вигляді рівності , або , або .

Враховуючи, що для плеча з L_x справедлива формула , а для плеча з ємністю С₂ – формула при негативному значенні кута φ₂, маємо

Вирішуючи спільно наведені вище рівняння, отримаємо:

(18)

(19)

З останніх формул випливає, що конденсатор С₂ і резистор R₂ можуть мати шкали для безпосередньої оцінки значень L_x і R_x, причому регулювання амплітуд і фаз, вироблені ними, взаємонезалежні, що дозволяє швидко врівноважувати міст.

Для розширення діапазону вимірюваних величин один з резисторів R₁ або R₃ зазвичай виконується у вигляді магазину опорів. При необхідності вимірювання параметрів котушок зі сталевим осердям схема моста на рис.17 доповнюється джерелом постійної напруги U_о, реостатом R_о і міліамперметром постійного струму mA, які служать для регулювання і контролю струму підмагнічування, а також дроселем Др і конденсатором С, що розділяють ланцюга змінної і постійної складових струму.

Значно простіші універсальні мости реохордного типу, що вимірюють параметри радіодеталей з похибкою порядку 5 – 15%. Можлива схема такого моста представлена на рис. 18. Міст живиться при всіх видах вимірювань напругою з частотою приблизно 1 кГц, яка збуджується транзисторним генератором, виконаним за схемою індуктивної три точки. Індикатором балансу служить високоомний телефон Тф. Резистори R₂ і R₃ замінені дротяним реохордом (або, частіше, звичайним потенціометром), що дозволяє врівноважувати міст плавною зміною ставлення опорів R₂/R₃. Це ставлення відраховується за шкалою реохорда, діапазон показань якої зазвичай обмежується крайніми значеннями 0,1 і 10. Величина, що вимірюється, визначається при урівноваженому мості як добуток відліку за шкалою реохорда на множник, що визначається установкою перемикача В. Кожному виду і межі вимірювань відповідає включення в схему моста відповідного опорного елемента необхідного номіналу – конденсатора С₀ (С₁), резистора R₀ (R₄) або котушки індуктивності L₀ (L₄). Особливістю розглянутої схеми є те, що вимірювані елементи R_x і L_x включаються в перше плече моста (при опорних елементах R_о і L_о, що знаходяться в четвертому плечі), а С_х, навпаки, – у четверте плече (при С_о – в першому плечі). Завдяки цьому оцінка всіх вимірюваних величин проводиться за аналогічними формулами типу: ,

де А_х і А₀ – значення величин відповідних вимірюваного і опорного елементів. Змінний резистор R₅ служить для компенсації фазових зрушень і поліпшення балансування моста при вимірі індуктивностей. З тією ж метою іноді включають змінний резистор невеликого опору в ланцюг опорного конденсатора С₀ межі вимірювань великих ємностей, які часто мають помітні втрати. З метою виключення впливу руки оператора движок реохорда зазвичай з'єднують з корпусом приладу.

Резонансні вимірювачі індуктивностей

Резонансні методи дозволяють вимірювати параметри високочастотних котушок індуктивності в діапазоні їх робочих частот.

Рисунок 18 Резонансна схема вимірювання індуктивностей з відліком по шкалі генератора

Досліджувана котушка індуктивності може включатися у високочастотний генератор як елемент його коливального контуру. У цьому випадку індуктивність L_x визначається на основі показів частотоміра, що вимірює частоту коливань генератора. Найчастіше котушку L_x підключають до вимірювального контуру, пов'язаного із джерелом високочастотних коливань, наприклад генератором (рис.15) або вхідним колом радіоприймача (рис.19), налаштованого на частоту радіомовної станції. Припустимо, що вимірювальний контур складається з котушки зв'язку L з підстроювальним осердям і конденсатора змінної ємності С₀.

Рисунок 19. Схема вимірювання ємностей резонансним методом за допомогою радіоприймача

Тоді застосовується наступна методика вимірювань. Вимірювальний контур при максимальній ємності С₁ конденсатора С₀ з регулюванням індуктивності L налаштовують в резонанс з відомою частотою f джерела коливань. Потім в контур послідовно з його елементами включають котушку L_x, після чого резонанс відновлюють зменшенням ємності С₀ до деякого значення С₀₂. Вимірювану індуктивність розраховують за формулою:

(20)

У широкодіапазонних резонансних вимірниках вимірювальний контур складається з опорного конденсатора С₀ і досліджуваної котушки L_x. Контур пов'язують індуктивно, а частіше через конденсатор С₁ невеликої ємності з високочастотним генератором. Якщо відома частота коливань генератора f₀ відповідна резонансному налаштуванню контуру, то вимірювана індуктивність визначається формулою:

(21)

Можливі два варіанти побудови вимірювальних схем. У схемах першого варіанту (рис. 18) конденсатор С₀ береться постійної ємності, а резонанс досягається зміною настроювання генератора, що працює в плавному діапазоні частот. Кожному значенню L_x відповідає певна резонансна частота

(22)

тому контурний конденсатор генератора можна позначити шкалою з відліком у значеннях L_x. При широкому діапазоні вимірюваних індуктивностей генератор повинен мати кілька частотних піддіапазонів з окремими шкалами для оцінки L_x на кожному піддіапазоні. Якщо в приладі використовується генератор, що має шкалу частот, то для визначення L_x за значеннями f₀ і С₀ можна скласти таблиці або графіки. Для виключення впливу власної ємності C_L котушки на результати вимірювань ємність С₀ повинна бути великою, з іншого боку, ємність С₀ бажано мати малою, щоб забезпечити при вимірюванні малих індуктивностей досить велике відношення , необхідне для отримання помітних показань індикатора при резонансі. Практично беруть С₀ = 500 ... 1000 пФ. Якщо високочастотний генератор працює в обмеженому діапазоні частот, що не розбитий на піддіапазони, то для розширення меж вимірювання індуктивностей застосовують кілька перемикаючих конденсаторів С₀, якщо їх ємності різняться в 10 разів, то на всіх межах оцінка L_x може проводитися за однією і тією ж шкалою генератора з використанням множників до неї, кратних 10. Однак така схема має суттєві недоліки. Вимірювання відносно великих індуктивностей, що мають значну власну ємність C_L, відбувається на межі з малою ємністю С₀, і, навпаки, вимірювання малих індуктивностей вимірюється на межі з великою ємністю С₀ при невигідному відношенні і малій резонансній напрузі на контурі.

Рисунок 20. Резонансна схема вимірювання індуктивностей з відліком по шкалі опорного конденсатора

У резонансних вимірниках, схеми яких виконані за другим варіантом (рис. 20), індуктивності вимірюються при фіксованій частоті генератора f₀. Вимірювальний контур налаштовують в резонанс з частотою генератора за допомогою конденсатора змінної ємності С₀, відлік за шкалою якого відповідно до формули (27) може проводитися безпосередньо у значеннях L_x. Якщо позначити через С_м та С_п відповідно максимальну і початкову ємності контуру, а через L_м і L_н – максимальне і найменше значення вимірюваних індуктивностей, то межі виміру приладу будуть обмежуватися ставленням: .

Типові конденсатори змінної ємності мають перекриття по ємності, рівне приблизно 30. З метою зменшення похибки при вимірюванні великих індуктивностей початкову ємність С_п контуру збільшують за допомогою включення в контур додаткового конденсатора С_д, зазвичай підлаштованого типу. Якщо позначити через ΔС_о найбільшу зміну ємності конденсатора С₀, рівну різниці його ємностей при двох крайніх положеннях ротора, то для отримання відношення контур повинен мати початкову ємність:

(23)

Наприклад, при ΔС_о = 480пФ і відносно = 11 отримуємо С_п = 48пФ. Якщо значення С_п і при розрахунку є вихідними даними, то необхідно застосовувати конденсатор С₀, що має різницю ємностей:

При великих значеннях С_п і може знадобитися застосування здвоєного або строєного блоку конденсаторів змінної ємності. Частота f₀, на якій має працювати генератор, визначається формулою (28) при підстановці в неї значень L_м і С_п або L_н і С_м. Для розширення загального діапазону вимірювань передбачають роботу генератора на декількох перемикаючих фіксованих частотах. Якщо сусідні частоти генератора різняться в 100,5 ≈ 3,16 рази, то на всіх межах можна використовувати загальну шкалу індуктивностей конденсатора С₀ з множниками до неї, кратними 10 і обумовленими установкою перемикача частот (рис.20). Плавне перекриття всього діапазону вимірюваних індуктивностей забезпечується при відношенні ємностей контуру ≥ 10. Якщо конденсатор С₀ логарифмічного типу, то шкала індуктивностей близька до лінійної. Замість генератора фіксованих частот можна застосувати вимірювальний генератор з плавною зміною частоти, яку встановлюють залежно від необхідної межі вимірювання індуктивностей. Резонансні схеми вимірювання індуктивностей і ємностей часто поєднуються в одному приладі, оскільки вони мають ряд ідентичних елементів і схожу методику вимірювань.

Вимірювачі добротності (куметри)

Прилади, призначені для вимірювання добротності елементів високочастотних ланцюгів, часто називають куметри. Дія куметра заснована на використанні резонансних явищ, що дозволяє вимір добротності поєднувати з вимірюванням індуктивності, ємності, власної резонансної частоти і ряду інших параметрів випробовуваних елементів.

Куметри, спрощена схема якого наведена на рис. 21, містить три основні компоненти: генератор високої частоти, вимірювальний контур і індикатор резонансу. Генератор працює в широкому, плавно перекриваючому діапазоні частот, наприклад від 50 кГц до 50 МГц. Це дозволяє багато вимірювань проводити на робочій частоті випробовуваних елементів. Досліджувана котушка індуктивності L_x, R_x через затискачі 1 і 2 включається у вимірювальний контур послідовно з опорним конденсатором змінної ємності С₀ і конденсатором зв'язку С₂; ємність останнього повинна задовольняти умові: , де С_о.м – максимальна ємність конденсатора С_о. Через ємнісний дільник C₁, С₂ з великим коефіцієнтом ділення в контур підключається від генератора опорна напруга U_о необхідної високої частоти f. Струм що виникає у контурі, створює падіння напруги U_С на конденсаторі С_о, яка вимірюється високочастотним вольтметром V₂. Вхідний опір вольтметра V₂ в межах робочих частот куметра має бути дуже великий. При досить високій чутливості вольтметр підключають до вимірювального контуру через ємнісний дільник напруги, вхідну ємність якого враховують як компонент початкової ємності конденсатора С_о. Оскільки всі конденсатори, що входять до складу вимірювального контуру, мають малі втрати, то можна вважати, що активний опір контуру в основному визначається опором втрат R_x досліджуваної котушки.

Зміною ємності конденсатора С₀ вимірювальний контур налаштовують в резонанс з частотою генератора f по максимальним показникам вольтметра V₂ При цьому в контурі буде протікати струм , що створює на конденсаторі падіння напруги:

Рисунок 21 Спрощена схема куметра

Враховуючи, що при резонансі: ,

знаходимо: ,

де –є добротність котушки L_x при частоті f. Отже, показання вольтметра V₂ пропорційні добротності Q_L. При фіксованій напрузі U_о шкалу вольтметра можна лінійно градуювати в значеннях . Наприклад, при U_о = 0,04 В і межі вимірювань вольтметра U_п = 10 В напруженням на вході вольтметра 2, 4, 6, 8 і 10 В будуть відповідати добротності Q_L, рівніq 50, 100, 150, 200 і 250. Номінальну напругу U_о встановлюють регулюванням режиму вихідного каскаду генератора. Контроль цієї напруги здійснюють за показниками високочастотного вольтметра V₁, що вимірює напругу на виході генератору. Наприклад, якщо шкала добротностей вольтметра V₂ виконана при напрузі U_о = 0,04 В, а коефіцієнт розподілу N = 20, то на виході генератора повинна підтримуватися напруга U_x = 0,04·20 = 0,8В. Межа вимірювань вольтметра V₁ повинна перевищувати розрахункове значення напруги U₁ і дорівнює, наприклад, 1В. Підвищення верхньої межі вимірювання добротності досягається зменшенням напруги U_о до значення, у кілька разів меншого номінального. Припустимо, що при напрузі U_о = 0,04 В забезпечується безпосередній відлік добротності до значення Q_L = 250. Якщо ж зменшити напругу U_о в два рази, до 0,02 В, то стрілка вольтметра V₂ буде відхилятися на всю шкалу при добротності

Відповідно для підвищення верхньої межі вимірювань в чотири рази, до значення Q_L = 1000, вимірювання слід проводити при напрузі U_о = 40 /4 = 10 мВ. Зменшити напругу U_о до необхідного значення можна двома способами: зміною коефіцієнта ділення N допомогою перемикання конденсаторів С₁ різних номіналів або регулюванням вихідної напруги U₁ генератора. Для зручності вимірювання великих добротностей вольтметр V₁ (або перемикач коефіцієнтів поділу) позначають шкалою (маркуванням), відлік по якій характеризує ступінь зменшення напруги U_о в порівнянні з його номінальним значенням і є множником до шкали добротностей вольтметра V₂. У куметра промислового виготовлення похибка вимірювання добротності становить 5 – 10%. Вона збільшується при випробуванні котушок з високою добротністю і великою власною ємністю. Похибка зростає і з підвищенням частоти внаслідок зменшення вхідного опору вольтметрів та посилення впливу паразитних наведень на вимірювальний контур. Для зменшення цих наведень генератор ретельно екранують, випробовувані елементи приєднують до приладу жорсткими провідниками, а їх екрани надійно з'єднують з металевим кожухом приладу. Неекрановані котушки при випробуванні видаляють від кожуха приладу. Для перевірки роботи куметра і розширення його можливостей використовують опорні котушки L_о з відомими індуктивністю і добротністю. Звичайно мається комплект з декількох змінних котушок L_о, які разом з конденсатором змінної ємності С₀ забезпечують резонансне настроювання вимірювального контуру в межах всього діапазону робочих частот генератора. При вимірюванні добротності котушок індуктивності Q_L за 10 – 15 хв. до початку роботи включають живлення приладу і налаштовують генератор на необхідну частоту. Після прогріву роблять установку нуля вольтметрів V₁ і V₂. Випробувану котушку підключають до затискачів 1 і 2. Поступовим підвищенням вихідної напруги генератора домагаються відхилення стрілки вольтметра V₁ до позначки номіналу. Конденсатором С₀ налаштовують контур в резонанс з частотою генератора. Якщо при цьому стрілка вольтметра V₂ заходить за шкалу, вихідну напругу генератора зменшують. Значення добротності Q_L визначають як добуток відліків за шкалою добротностей вольтметра V₂ і за шкалою множників вольтметра V₁.

Добротність коливального контуру Q_K вимірюють у тому ж порядку при підключенні котушки контуру до затискачів 1 і 2, а його конденсатора – до затискачів 3 і 4. При цьому конденсатор С₀ встановлюють в положення мінімальної ємності. Якщо конденсатор досліджуваного контуру має змінну ємність, то їм проводять налаштування контуру в резонанс на необхідну частоту генератора f; якщо цей конденсатор постійний, то резонансне налаштування здійснюють зміною частоти генератора.

Вимірювальні трансформатори

Для включення електровимірювальних приладів в коло змінного струму служать вимірювальні трансформатори, що забезпечують безпеку обслуговуючого персоналу при виконанні електричних вимірювань в колах високої напруги. Включення електровимірювальних приладів у ці кола без таких трансформаторів забороняється правилами техніки безпеки. Крім того, вимірювальні трансформатори розширюють межі виміру приладів, тобто дозволяють вимірювати великі струми і напруги за допомогою нескладних приладів, розрахованих для вимірювання малих струмів і напруг. Вимірювальні трансформатори підрозділяють на трансформатори напруги і трансформатори струму.

Трансформатор напруги

Трансформатор напруги 1 (рис.22, а) служить для підключення вольтметрів та інших приладів, які повинні реагувати на напругу. Його використовують, як звичайний двохобмотувальний понижуючий трансформатор: первинну обмотку підключають до двох точок, між якими потрібно виміряти напругу, а вторинну – до вольтметру 2. На схемах вимірювальний трансформатор напруги зображують як звичайний трансформатор (на рис. 22, а показано в колі).

У зв’язку з тим, що опір обмотки вольтметра, що підключається до трансформатора напруги, великий, трансформатор практично працює в режимі холостого ходу, і можна з достатнім ступенем точності вважати, що напруги U₁ і U₂ на первинній та вторинній обмотках будуть прямо пропорційні числу витків ψ₁ і ψ₂ обох обмоток трансформатора.

Т аким чином, підібравши відповідне число витків ψ₁ і ψ₂ обмоток трансформатора, можна вимірювати високі напруги, подаючи на електровимірювальний прилад невеликі напруги. Напруга U₁ може бути визначена множенням виміряної вторинної напруги U₂ на коефіцієнт трансформації трансформатора n. Вольтметри, призначені для постійної роботи з трансформаторами напруги, градуюють на заводі з урахуванням коефіцієнта трансформації, і значення вимірюваної напруги можуть бути безпосередньо відлічені за шкалою приладу. Для запобігання небезпеки поразки обслуговуючого персоналу електричним струмом у разі пошкодження ізоляції трансформатора один вивід його вторинної обмотки і сталевий кожух трансформатора повинні бути заземлені.

Рисунок 22 Включення електровимірюваль них приладів допомогою вимірювальних трансформаторів напруги (а) і струму (б)

Трансформатор струму

Трансформатор струму (рис.22, б) служить для підключення амперметрів і інших приладів, які повинні реагувати на змінний струм що протікає по колу. Його виконують у вигляді звичайного двохобмотувального підвищувального трансформатора; первинну обмотку включають послідовно в коло вимірюваного струму, до вторинної обмотки підключають амперметр 4. Схемне позначення вимірювальних трансформаторів струму показано на рис.22, б у колі. Так як опір обмотки амперметра, що підключається до трансформатору струму, зазвичай малий, трансформатор практично працює в режимі короткого замикання, і з достатнім ступенем точності можна вважати, що струми I₁ і I₂, що проходять по його обмотках, будуть обернено пропорційні числу витків ψ₁ і ψ₂ цих обмоток, тобто

(24)

Отже, підібравши відповідним чином число витків ψ₁ і ψ₂ обмоток трансформатора, можна вимірювати великі струми I₁, пропускаючи через електровимірювальний прилад малі струми I₂. Струм I₁ може бути при цьому визначений множенням виміряного вторинного струму I₂ на величину n.

Амперметри, призначені для постійної роботи спільно з трансформаторами струму, градуюють на заводі з урахуванням коефіцієнта трансформації, і значення вимірюваного струму I₁ можуть бути безпосередньо відлічені за шкалою приладу.

Для запобігання небезпеки поразки обслуговуючого персоналу електричним струмом у разі пошкодження ізоляції трансформатора один із затискачів вторинної обмотки і кожух трансформатора заземлюють.

Вимірювання потужності та електричної енергії

Вимірювання потужності

У колах постійного струму потужність вимірюють електро – або феродинамічним ватметром. Потужність може бути також підрахована перемноженням значень струму і напруги, виміряних амперметром і вольтметром.

У колах однофазного струму вимірювання потужності може бути здійснено електродинамічним, феродинамічним або індукційним ватметром.

Ватметр 4 (рис. 23) має дві котушки: струмову 2, яка включається в коло послідовно, і напруги 3, яка включається в ланцюг паралельно. Ватметр є приладом, що вимагає при включенні дотримання правильної полярності, тому його генераторні затискачі (затискачі, до яких приєднують провідники, що йдуть з боку джерела 1) позначають зірочками.

Рисунок 23 Схема для виміру потужності

Для розширення меж вимірювання ватметрів їх струмові котушки включають в коло за допомогою шунтів або вимірювальних трансформаторів струму, а котушки напруги – через додаткові резистори або вимірювальні трансформатори напруги.

Вимірювання електричної енергії

Спосіб вимірювання. Для обліку електричної енергії, одержуваної споживачами або тієї, що віддається джерелам струму, застосовують лічильники електричної енергії. Лічильник електричної енергії за принципом своєї дії аналогічний ватметри. Однак на відміну від ватметрів замість спіральної пружини, що створює протидіючий момент, в лічильниках передбачають пристрій, подібний електромагнітному демпферу, що створює гальмівні зусилля, пропорційні частоті обертання рухомої системи. Тому при включенні приладу в електричне коло виникає обертальний момент, який буде викликати не відхилення рухомої системи на деякий кут, а обертання її з певною частотою. Число обертів рухомої частини приладу буде пропорційно добутку потужності електричного струму на час, протягом якого він діє, тобто кількості електричної енергії, що проходить через прилад. Число обертів лічильника фіксується рахунковим механізмом. Передавальне число цього механізму вибирають так, щоб за показаннями лічильника можна було відраховувати не обороти, а безпосередньо електричну енергію в кіловат – годинах.

Найбільшого поширення набули феродинамічні і індукційні лічильники; перші застосовують у колах постійного струму, другі – в колах змінного струму. Лічильники електричної енергії включають в електричні кола постійного і змінного струму так само, як і ватметри.

Феродинамічний лічильник

Феродинамічний лічильник (рис. 24) встановлюють в колі постійного струму. Він має дві котушки: нерухому 4 і рухому 6. Нерухома струмова котушка 4 розділена на дві частини, які охоплюють феромагнітне осердя 5 (зазвичай з пермалоя). Осердя дозволяє створити в приладі сильне магнітне поле і значний крутний момент, що забезпечує нормальну роботу лічильника в умовах трясіння і вібрацій. Застосування пермалоя сприяє зменшенню похибки лічильного механізму 2 від гістерезису магнітної системи (він має дуже вузьку петлю гістерезису). Щоб зменшити вплив зовнішніх магнітних полів на показання лічильника, магнітні потоки окремих частин струмової котушки мають взаємно протилежний напрямок (астатична система). При цьому зовнішнє поле, послаблюючи потік однієї частини, відповідно посилює потік в іншій частині та несе в цілому невеликий вплив на результуючий обертальний момент, створюваний приладом. Рухома котушка 6 лічильника (котушка напруги) розташована на якорі, виконаному у вигляді диска з ізоляційного матеріалу або у вигляді алюмінієвої чаші. Котушка складається з окремих секцій, з'єднаних з пластинами колектора 7 (ці сполуки на рис. 24 не показані), за яким ковзають щітки з тонких срібних пластин. Феродинамічний лічильник працює принципово як двигун постійного струму, обмотка якоря якого підключена паралельно, а обмотка збудження – послідовно з споживачем електроенергії. Якір обертається в повітряному зазорі між полюсами осердя. Гальмівний момент створюється в результаті взаємодії потоку постійного магніту 1 з вихровими струмами, що виникають в алюмінієвому диску 3 при його обертанні. Для компенсації впливу моменту тертя і зменшення завдяки цьому похибки приладу в феродинамічних лічильниках встановлюють компенсаційну котушку або в магнітному полі нерухомої (струмової) котушки поміщають пелюстку з пермалоя, який має високу магнітну проникність при малій напруженості поля. При невеликих навантаженнях ця пелюстка посилює магнітний потік струмової котушки, що призводить до збільшення обертального моменту і компенсації тертя. При збільшенні навантаження індукція магнітного поля котушки збільшується, пелюстка насичується і його компенсуюча дія перестає зростати.

Рисунок 24 Феродинамічний лічильник електричної енергії

Індукційний лічильник

Індукційний лічильник має два електромагніти (рис.25, а), між якими розташований алюмінієвий диск 7. Обертальний момент в приладі створюється в результаті взаємодії змінних магнітних потоків Ф₁ і Ф₂, створених котушками електромагнітів, з вихровими струмами I_в1 і I_в2, індукованими в алюмінієвому диску (так само, як і в звичайному індукційному вимірювальному механізмі) У індукційному лічильнику обертовий момент М має бути пропорційний потужності . Для цього котушку 6 одного з електромагнітів (струмового) включають послідовно з навантаженням 5, а котушку 2 іншого (котушку напруги) – паралельно навантаженню. У цьому випадку магнітний потік Ф₁ буде пропорційний струму I в ланцюзі навантаження, а потік Ф₂ – напрузі U, прикладеній до навантаження. Для забезпечення необхідного кута зсуву фаз φ між потоками Ф₁ і Ф₂ (щоб sin φ = cos φ) в електромагніті котушки напруги передбачений магнітний шунт 3, через який частина потоку Ф₂ замикається крім диска 7. Кут зсуву фаз між потоками Ф₁ і Ф₂ точно регулюється зміною положення металевого екрану 1, розташованого на шляху потоку, відгалужується через магнітний шунт 3. Гальмівний момент створюється так само, як у феродинамічної лічильнику. Компенсація моменту тертя здійснюється шляхом створення невеликої асиметрії в магнітному ланцюзі одного з електромагнітів за допомогою сталевого гвинта. Для запобігання обертання якоря при відсутності навантаження під дією зусилля, створеного пристроєм, що компенсує тертя, на осі лічильника зміцнюється сталевий гальмівний гачок. Цей гачок притягається до гальмівного магніту 4, завдяки чому запобігає можливості обертання рухомої системи без навантаження. При роботі ж лічильника під навантаженням гальмівний гачок практично не впливає на його свідчення. Щоб диск лічильника обертався в необхідному напрямку, необхідно дотримувати певний порядок підключення проводів до його затискачів. Навантажувальні затискачі приладу, до яких підключають дроти, що йдуть від споживача, позначають літерами Я (рис.25, б), генераторні затискачі, до яких підключають дроти від джерела струму або від мережі змінного струму, – літерами Г.

Рисунок 25 Індукційний лічильник електричної енергії

Вимірювання електричного опору

Вимірювання методом амперметра і вольтметра

Опір будь – якої електричної установки або ділянки електричного кола можна визначити за допомогою амперметра і вольтметра, користуючись законом Ома. При включенні приладів за схемою (рис.26, а) через амперметр проходить не тільки вимірюваний струм I_x, але і струм I_v, що протікає через вольтметр.

При включенні приладів за схемою (рис.26, б) вольтметр буде вимірювати не тільки падіння напруги U_x на певному опорі, але і падіння напруги в обмотці амперметра .

У тих випадках, коли опори приладів невідомі і, отже, не можуть бути враховані, потрібно при вимірюванні малих опорів користуватися схемою (рис.26, а), а при вимірюванні великих опорів – схемою (рис.18, б). При цьому похибка вимірювань, що визначається в першій схемі струмом I_v, а в другій – падінням напруги U_А, буде невелика в порівнянні з струмом I_x і напругою U_x.

Рисунок 26 Схеми для вимірювання опору методом амперметра і вольтметра

Вимірювання опорів електричними мостами

Мостова схема (рис.27, а) складається з джерела живлення, чутливого приладу (гальванометра Г) і чотирьох резисторів, що включаються в плечі моста: з невідомим опором R_x (R₄) і відомими опорами R₁, R₂, R₃, які можуть при вимірах змінюватися. Прилад включають в одну з діагоналей моста (вимірювальну), а джерело живлення – в іншу (живильну). Опори R₁ R₂ і R₃ можна підібрати такими, що при замиканні контакту В показання приладу будуть рівні нулю ( в такому разі прийнято говорити, що міст урівноважений).

У деяких мостах ставлення плечей встановлено постійним, а рівновага моста досягається тільки підбором опору R₃. В інших, навпаки, опір R₃ постійний, а рівновага досягається підбором опорів R₁ і R₂.

Вимірювання опору мостом постійного струму здійснюється наступним чином. До затискачів 1 і 2 приєднують невідомий опір R_x (наприклад, обмотку електричної машини або апарату), до затискачів 3 і 4 – гальванометр, а до затискачів 5 і 6 – джерело живлення (сухий гальванічний елемент або акумулятор). Потім, змінюючи опори R₁, R₂ і R₃ (у якості яких використовують магазини опорів, що перемикаються відповідними контактами), домагаються рівноваги моста, яка визначається за нульову відмітку гальванометра (при замкнутому контакті В). Існують різні конструкції мостів постійного струму, при використанні яких не потрібно виконувати обчислення, тому що невідомий опір R_x відраховують за шкалою приладу. Змонтовані в них магазини опорів дозволяють вимірювати опори від 10 до 100 000 Ом.

При вимірі малих опорів звичайними мостами опори з'єднувальних проводів і контактних з'єднань вносять великі похибки в результати вимірювання. Для їх усунення застосовують подвійні мости постійного струму (рис.27, б). У цих мостах проводи, що з'єднують резистор з вимірюваним опором R_x і деякий зразковий резистор з опором R₀ з іншими резисторами мосту, і їх контактні з'єднання виявляються включеними послідовно з резисторами відповідних плечей, опір яких встановлюється не менше 10Ом. Тому вони практично не впливають на результати вимірювань. Проводи, що з'єднують резистори з опорами R_x і R₀, входять в коло живлення і не впливають на умови рівноваги мосту. Тому точність вимірювання малих опорів досить висока. Міст виконують так, щоб при регулюваннях його дотримувалися наступні умови: . У цьому випадку

(25)

Подвійні мости дозволяють виміряти опори від 10 до 0,000001Ом. Якщо міст не урівноважений, то стрілка в гальванометрі буде відхилятися від нульового положення, тому що струм вимірювальної діагоналі при незмінних значеннях опорів R₁, R₂, R₃ і е.р.с. джерела струму буде залежати тільки від зміни опору R_x. Це дозволяє проградуювати шкалу гальванометра в одиницях опору R_x або яких – небудь інших одиницях (температура, тиск тощо), від яких залежить цей опір. Тому неврівноважений міст постійного струму широко використовують в різних пристроях для вимірювання неелектричних величин електричними методами. Застосовують також різні мости змінного струму, які дають можливість виміряти з великою точністю індуктивність та ємність.

Рисунок 27 Мостові схеми постійного струму, що застосовуються для вимірювання опорів

Вимірювання омметром

Омметр являє собою міліамперметр 1 з магнітоелектричним вимірювальним механізмом і включається послідовно з вимірюваним опором R_x (рис. 28) і додатковим резистором R_Д в ланцюг постійного струму. При незмінних е.р.с. джерела і опору резистора R_Д струм в ланцюзі залежить тільки від опору R_x. Це дозволяє відградуювати шкалу приладу безпосередньо в Омах. Якщо вихідні затискачі приладу 2 і 3 замкнені накоротко, то струм I в ланцюзі максимальний і стрілка приладу відхиляється вправо на найбільший кут; (на шкалі цьому відповідає опір, рівний нулю). Якщо ланцюг приладу розімкнутий, то I = 0 і стрілка знаходиться на початку шкали; (цим положенням відповідає опір, рівний нескінченності). Живлення приладу здійснюється від сухого гальванічного елемента 4, який встановлюється в корпусі приладу. Прилад буде давати правильні свідчення тільки у тому випадку, якщо джерело струму має незмінну е.р.с. (таку ж, як і при градуюванні шкали приладу). У деяких Омметрах є два або кілька меж вимірювання, наприклад від 0 до 100 Ом і від 0 до 10 000 Ом. Залежно від цього резистор з вимірюваним опором R_x підключають до різних затискачів.

Рисунок 28 Схема включення омметра

Вимірювання великих опорів мегомметром

Для вимірювання опору ізоляції найчастіше застосовують мегомметри магнітоелектричної системи. В якості вимірювального механізму в них використаний логометр 2 (рис. 29), показання якого не залежать від напруги джерела струму, що живить вимірювальний ланцюг. Котушки 1 і 3 приладу перебувають в магнітному полі постійного магніту і підключені до загального джерела живлення 4. Послідовно з однією котушкою включають додатковий резистор R_д, в коло іншої котушки – резистор з опором R_x. В якості джерела струму звичайно використовують невеликий генератор 4 постійного струму, званий індуктором; якір генератора приводять в обертання рукояткою, з'єднаною з ним через редуктор. Індуктори мають значні напруги від 250 до 2500 В, завдяки чому мегомметром можна вимірювати великі опори. При взаємодії струмів I₁ і I₂ що протікають по котушкам з магнітним полем постійного магніту створюються два протилежно спрямованих моменти М₁ і М₂, під впливом яких рухома частина приладу і стрілка будуть займати певне положення. Положення рухомої частини логометра залежить від відношення . Отже, при зміні R_x буде змінюватися кут φ відхилення стрілки. Шкала мегомметра градуюється безпосередньо в кілоомах або мегомах (рис.29, а). Щоб виміряти опір ізоляції між проводами, необхідно відключити їх від джерела струму (від мережі) і приєднати один провід до затискача Л (лінія) (рис.29, б), а інший – до затискача З (земля). Потім, обертаючи рукоятку індуктора 1 мегомметра, визначають за шкалою логометра 2 опір ізоляції. Наявний в приладі перемикач 3 дозволяє змінювати межі виміру. Напруга індуктора, а отже, частота обертання його рукоятки теоретично не впливають на результати вимірювань, але практично рекомендується обертати її більш – менш рівномірно. При вимірі опору ізоляції між обмотками електричної машини від'єднують їх один від одного і з'єднують одну з них з затискачем Л, а іншу з затискачем З, після чого, обертаючи рукоятку індуктора, визначають опір ізоляції. При вимірі опору ізоляції обмотки відносно корпусу його з'єднують із затискачем З, а обмотку – з затискачем Л.

Рисунок 29 Загальний вигляд мегомметра (а) і його спрощена схема (б)

Вимірювання частоти змінного струму

Частоту змінного струму вимірюють частотомірами. Зазвичай застосовують резонансні електромагнітні або феродинамічної прилади. Електромагнітний резонансний частотомір має електромагніт 2 (рис.30, а), в полі якого розташовані сталевий якір 1 і з'єднаний з ним сталевий брусок 5. Цей брусок укріплений на пружних пружинах 4 і на ньому розміщено ряд гнучких сталевих пластинок 3, площа поперечного перерізу яких підібрана таким чином, що кожна наступна пластина має частоту власних коливань на 0,5 Гц більше, ніж попередня. Вільні кінці пластинок введені в проріз, наявний на шкалі приладу. Котушка електромагніта приєднана до мережі змінного струму так само, як і котушка вольтметра. При проходженні по котушці змінного струму електромагніт створює магнітне поле, пульсуюче з частотою зміни струму. Якір 1, який знаходиться в цьому полі, також почне робити коливальні рухи і викликати коливання пов'язаних з ним пластинок 3. Коливання пластинок зазвичай бувають настільки незначними, що вони не можуть бути помічені оком. Однак якщо частота власних коливань якоїсь пластини збігається з частотою зміни змінного струму, тобто з частотою коливань якоря, то настане явище механічного резонансу, при якому ця пластина почне коливатися з великою амплітудою. Білий квадратик на її кінці перетворюється при цьому в білу смужку (рис.30, б), проти якої за шкалою можна відраховувати вимірювану частоту. Значно слабкіше коливаються дві пластини, коливання ж усіх інших пластин зазвичай абсолютно непомітні для ока.

Рисунок 22 Пристрій електромагнітного резонансного частотоміра

Феродинамічний частотомір (рис.31) являє собою логометр феродинамічної системи. Котушки логометра з'єднуються в два паралельні кола, які підключаються до двох точок а і б, між якими діє напруга змінного струму U (так само, як і вольтметри). Послідовно з нерухомою 3 та однієї з рухомих 1 котушок включені котушка індуктивності L і конденсатор С, а послідовно з іншою рухомою котушкою 2 – резистор з опором R (можуть бути й інші комбінації R, L і С). Тому струм I₁ в першій паралельній вітці залежить від частоти f, а струм I₂ у другому колі не залежить від f. В результаті при зміні частоти f будуть змінюватися струм I₁ і положення рухомої частини логометра до тих пір, поки не настане рівновага моментів М₁ і М₂, створюваних його котушками. Показання такого приладу будуть залежати від частоти f.

Рисунок 31 Принципова схема феродинамічного частотоміра

Розділ V

Основні прилади для вимірювання електричних величин

Амперметр

Амперметр(рис. 32) (ампер + метр від μετρέω – вимірюю) – прилад для вимірювання сили струму в амперах. Шкалу амперметрів градуюють в мікроамперах, міліамперах, амперах або кілоамперах відповідно з межами виміру приладу. В електричне коло амперметр включається послідовно з тією ділянкою електричного кола, силу струму в якому вимірюють; для збільшення межі вимірювань – з шунтом або через трансформатор. (Прикладом амперметра з трансформатором є "струмові кліщі"(рис.33))

Рисунок 32 Схема дії амперметра

Найбільш поширені амперметри, в яких рухома частина приладу зі стрілкою повертається на кут крену, пропорційний величині вимірюваного струму. Амперметри бувають магнітоелектричними, електромагнітними, електродинамічними, тепловими, індукційними, детекторними, термоелектричними і фотоелектричними.

Магнітоелектричними амперметрами вимірюють силу постійного струму, індукційними і детекторними – силу змінного струму, амперметри інших систем вимірюють силу будь – якого струму. Найточнішими і чутливими є магнітоелектричні і електродинамічні амперметри.

Принцип дії магнітоелектричного приладу заснований на створенні крутного моменту, завдяки взаємодії між полем постійного магніту і струмом, який проходить через обмотку рамки. З рамкою з'єднана стрілка, яка переміщується по шкалі. Кут повороту стрілки пропорційний силі струму.

Електродинамічні амперметри складаються з нерухомої і рухомої котушок, з'єднаних паралельно або послідовно. Взаємодії між струмами, які проходять через котушки, викликає відхилення рухомої котушки і з'єднаної з нею стрілки. В електричному контурі амперметр з'єднується послідовно з навантаженням, а при високій напрузі або великих струмах – через трансформатор.

Рисунок 33 Струмові кліщі – амперметр для безконтактного вимірювання великих струмів

Залежно від призначення амперметри поділяються на щитові(рис. 34) і лабораторні (рис.35). На шкалі амперметра наносяться наступні позначення: літери А, мА, мкА, які позначають основні одиниці виміру – відповідно:ампер, міліампер і мікроампери; тип і систему амперметра, рід струму; спосіб включення приладу (з шунтом, з трансформатором струму і т. п.); робоче положення приладу (вертикальне чи горизонтальне); випробувальна напруга в кіловольтах (кВ); товарний знак заводу – виробника; рік випуску і порядковий номер приладу. Умовне позначення "Х10" на шкалі приладу означає, що показання приладу необхідно помножити на 10. Для розширення меж вимірювань паралельно амперметру включають додатковий опір, званий шунтом.

Шунт складається з манганінової пластини або дроту, припаяної до мідних або латунних наконечників срібним припоєм, завдяки чому шунт може витримувати температуру 80 – 100°С. Залежно від розмірів шунти всередині приладу входять в його комплект або призначаються для стаціонарного монтажу. Наконечники шунтів мають затискачі для з'єднання з приладом. Щоб уникнути помилок у вимірах шунти підключаються тільки за допомогою каліброваних провідників, мають суворо певну довжину і величину опору. При включенні шунта необхідно дотримуватися певного порядку: шунт включають в розрив ланцюга, а потім, паралельно шунту, включають прилад. Наконечники шунта повинні забезпечувати надійний електричний контакт. В іншому випадку можливі значні спотворення результатів вимірювань.

У разі вимірювання великих величин струму амперметр включається через трансформатор струму.

Клас точності амперметра позначає основну похибку в показаннях приладу, тобто найбільше допустиме відхилення у % від номінального значення при нормальному (горизонтальному або вертикальному) положенні приладу, нормальній робочій температурі, нормальній вологості повітря і при відсутності зовнішнього магнітного поля. Недотримання зазначених умов викликає додаткову похибку вимірювань. Амперметри забезпечені коректурним механізмом точного встановлення стрілки на нульове ділення шкали. Корпус приладу металевий, цільно пластмасовий або комбінований (метал з пластмасою) з герметизуючими прокладками. При прийманні амперметра необхідно стежити за тим, щоб у корпусах приладів не було будь – яких переміщень, погано закріплених частин або сторонніх тіл. Якщо в приладах при легкому струсі виявляються переміщення або ознаки бою, вони пред'являються державній експертизі.

Рисунок 34 Щитовий амперметр Е-30

Рисунок 35 Лабораторний амперметр АСТА

Випрямлення змінного струму на високих частотах

Для вимірювання струму на підвищених частотах (до 8000... 10000 Гц) придатні також електромагнітні прилади. В Україні виробляли такі стаціонарні прилади на 1000, 2500 і 8000 Гц. За наявності у них феромагнітних пелюстків рухомої частини з тонкого пермалою, термічно обробленого у вакуумі чи відновлювальному середовищі, та при градуюванні шкал при струмі номінальної для них частоти, основна похибка цих приладів вкладається у межі, обумовлені класом точності (клас 2,5). Переносні амперметри електродинамічної системи також цілком придатні для вимірювань на підвищених частотах, але за наявності частотної компенсації. Саме ці прилади використовують як зразкові при градуюванні та повірках стаціонарних приладів підвищеної частоти. Вибираючи зразковий прилад для вимірів на підвищеній частоті, слід орієнтуватися на позначення величини частоти на шкалі. Необхідно знати, що основна похибка приладу не повинна перевищувати значення, яке відповідає класу точності приладу лише на частоті чи у діапазоні частот, підкреслених рискою. Також треба враховувати, що при роботі приладу в діапазонах частот, позначених на шкалі, але не підкреслених (тобто у розширеному діапазоні частот), прилад може мати ще і додаткову похибку, що має не перевищувати величину похибки, зумовленої класом точності приладу. Тобто при роботі у розширеному діапазоні частот прилад може мати загальну величину похибки, вдвічі більшу за ту, що зумовлена класом точності приладу.

У колах змінного струму промислової та підвищеної частоти дуже часто застосовують випрямні прилади, що являють собою суміщення вимірювального механізму магнітоелектричної системи з напівпровідниковими випрямлячами. Ці прилади виконують комбінованими – здатними вимірювати, при відповідних переключеннях ще й постійний струм і напругу. Такі прилади відомі під назвою "тестери", їх роблять багатограничними, їх широко застосовують у налагоджувально – ремонтних роботах.

Вольтметр

Вольтметр ((рис.36) вольт + гр. Μετρεω вимірюю) – вимірювальний прилад безпосереднього відліку для визначення напруги або ЕРС в електричних ланцюгах. Підключається паралельно навантаженню або джерелу електричної енергії.

Вольтметром називається чутливий гальванометр з дуже великим опором і з особливою шкалою, за якою відраховується різниця потенціалів і електрозбуджувальна сила безпосередньо у вольтах. Як всякий гальванометр, вольтметр визначає тільки величину, пропорційну силі струму, а сила струму, за законом Ома, пропорційна електрозбуджувальній силі і обернено пропорційна опору всього кола. Якщо коло складати таким чином, що при різних джерелах електричного струму опір всього кола залишається одним і тим же, то, на підставі закону Ома, порівняння електрозбуджувальних сил різних джерел зведеться до порівняння сил струмів. Приведення опорів постійно до однієї величини важко здійснити на практиці, якщо загальний опір кола дуже великий порівняно з опором частини що змінюється. На цьому ґрунтується вживання гальванометра з дуже великим опором для порівняння електрозбуджувальних сил. За законом Ома, сила струму в даному провіднику пропорційна різниці потенціалів на початку і в кінці цього провідника. Таким чином, якщо представляється можливим вимірювати силу струму, що з'являється в провіднику постійного і дуже великого опору, що розміщується паралельно між двома довільними точками кола, між якими існує різниця потенціалів – по цій силі струму вже прямо визначається різниця потенціалів. Сам по собі вольтметр – не що інше, як прилад, що дає можливість визначати різні сили струму, що проходить через нього, причому опір цього приладу дуже великий.

Пристрій вольтметрів дуже різноманітний. У деяких вольтметрів (старої системи) струм проходить по котушці з тонкого проводу, вміщеній між полюсами підковоподібного магніту і має всередині себе залізну стрілку, що обертається на осі. При проходженні через цю котушку струму стрілка, намагнічена магнітом, відхиляється від дії струму на кут тим більший, чим сильніше струм, тобто чим більше різниця потенціалів на кінцях проводу котушки. В інших вольтметрах немає зовсім магнітів. Струм в них пропускається по котушці з тонкого дроту і втягує всередину її тонкостінну трубку, або ж інакше, повертає ексцентрично котушці поміщений на осі залізний циліндр. У вольтметрі Кард'ю (Cardew), спеціально призначеному для вимірювання різниці потенціалів, безперервно змінює свій знак, тобто для струму змінного напрямку, струм проходить по довгому тонкому дроту і, нагріваючи останній, змінює його довжину, що впливає на положення вказівної стрілки. При всіх вимірах з вольтметром необхідно звертати увагу на зміну опору, що відбувається від нагрівання і вводити відповідні поправки в вимірюваній силі струму. Градуювання всякого гальванометра дозволяє забезпечити його особливою шкалою, за якою потім і відраховуються його свідчення прямо в вольтах.

Першим у світі вольтметром був "покажчик електричної сили" російського фізика Г. В. Рихмана (1745). Принцип дії "покажчика" використовується в сучасному електростатичному вольтметрі.

Рисунок 36 Аналоговий електронний вольтметри загального призначення

Визначення та класифікація

Електронним вольтметром називається прилад, показання якого викликаються струмом електронних приладів, тобто енергією джерела живлення вольтметра. Напруга, що вимірюється, керує струмом електронних приладів, завдяки чому вхідний опір електронних вольтметрів сягає дуже великих значень і вони допускають значні перевантаження. Електронні вольтметри діляться на аналогові і дискретні.

В аналогових вольтметрах напруга, що вимірюється перетворюється на пропорційне значення постійного струму, що вимірюється магнітоелектричним мікроамперметром, шкала якого градуюється в одиницях напруги (вольти, мілівольт, мікровольт). У дискретних вольтметрах напруга, що вимірюється піддається ряду перетворень, в результаті яких аналогова вимірювана величина перетворюється в дискретний сигнал, значення якого відображається на індикаторному пристрої у вигляді цифр. Аналогові та дискретні вольтметри часто називають стрілочними і цифровими відповідно. За родом струму електронні вольтметри діляться на вольтметри постійної напруги та змінної напруги, універсальні та імпульсні. Крім того, є вольтметри з частото – виборчими властивостями – селективні.

При розробці електронних вольтметрів враховуються такі основні технічні вимоги: висока чутливість; широкі межі вимірюваної напруги; широкий діапазон робочих частот; великий вхідний опір і мала вхідна ємність; мала погрішність; відома залежність показань від форми кривої вимірюємої напруги. Перераховані вимоги не можна задовольнити в одному приладі, тому випускаються вольтметри з різними структурними схемами.

Вольтметри змінної напруги

Електронний вольтметр змінної напруги складається з перетворювача змінної напруги в постійну, підсилювача і магнітоелектричного індикатора. Часто на вході вольтметра встановлюється калібрований дільник напруги за допомогою якого збільшується верхня межа вимірюваної напруги. Залежно від виду перетворення показання вольтметра може бути пропорційне амплітудному (піковому), середньо випрямленому або середньоквадратичному значенню вимірюваної напруги.

Рисунок 37 Структурна схема аналогового електронного вольтметра з амплітудним перетворювачем

Шкали вольтметрів змінного струму, як правило, градуюються в середньоквадратичних значеннях синусоїдальної напруги. Універсальні вольтметри дозволяють вимірювати постійні і змінні напруги, величину постійного і змінного струму, опір постійного струму. Прикладами універсальних вольтметрів можуть служити аналоговий вольтметр В7-26 і цифровий В7-27.

Вольтметри постійної напруги

Універсальний вольтметр дозволяє виміряти постійну напругу від десятих часток вольта і вище. Для вимірювання менших значень (від 0,5 мкВ) застосовують високочутливі електронні вольтметри з перетворенням постійної напруги в змінну, яка після значного посилення знову перетвориться в постійну і вимірюється магнітоелектричним мікроамперметром.

Цифрові електронні вольтметри

Принцип роботи вольтметрів дискретної дії полягає в перетворенні вимірюваної постійної або напруги, що повільно змінюється в електричний код, який відображається на табло у цифровій формі.

Цифрові вольтметри з часо – імпульсним перетворенням. Принцип роботи полягає в перетворенні напруги U_x , що вимірюється в пропорційний інтервал часу, вимірюваний числом N, заповнюючи його імпульсами зі стабільною частотою проходження.

Цифровий вольтметр з частотним перетворенням. Принцип дії полягає в перетворенні напруги в пропорційну йому частоту проходження імпульсів, вимірювану цифровим частотоміром.

В останні роки все більшого поширення набувають найрізноманітніші комбіновані цифрові прилади (мультиметри), створені на базі мікроелектроніки. Прикладами таких приладів є цифрові комбіновані прилади ВР– 11, 43302, 4323А Комбіновані цифрові прилади вимірюють постійну і змінну напруги, величину постійного і змінного струму, опір резисторів, а в ряді випадків і інші параметри електричних сигналів і ланцюгів.

Електронний осцилограф

Рисунок 38 Спрощена структурна схема осцилографа

Електронний осцилограф є основним і широко поширеним приладом для спостереження електричних сигналів і вимірювання їх параметрів. Осцилограф дозволяє "бачити" досліджуваний сигнал у вигляді функції часу. Спрощена структурна схема осцилографа наведена на рисунку 38. Вона містить електронно – променеву трубку (ЕПТ), канал вертикального відхилення, канал горизонтального відхилення, калібратор.

Принцип отримання зображення досліджуваної напруги на екрані осцилографа полягає в наступному. Досліджувана напруга, яка є функцією часу, відображається в прямокутних координатах Х, У графіком. Дві пари пластин ЕПТ, розташовані по відношенню один до одного під кутом 90^о, відхиляють електронний промінь у двох взаємно перпендикулярних напрямках. Для спостереження на екрані досліджуваної напруги необхідно відхиляти промінь по горизонтальній осі пропорційно часу, а по вертикальній осі – пропорційно величині досліджуваної напруги. З цією метою до горизонтально відхиляючої пластини подається лінійно змінюючи напруга, під дією якої електронний промінь переміщається по горизонталі з постійною швидкістю зліва праворуч. У вихідне положення промінь повертається з набагато більшою швидкістю.

Напруга горизонтального розгорнення, що має пилкоподібну форму, створюється внутрішнім генератором напруги що розгортається. Величина переміщення променя по горизонтальній осі є лінійною функцією часу. Досліджувана напруга надходить на вхід каналу вертикального відхилення і далі на вертикально відхиляючи пластини. Отже, в кожний момент часу положення електронного променя відповідає величині досліджуваної напруги. За час прямого ходу промінь прокреслює криву досліджуваного сигналу. Зображення кривої на екрані називають осцилограмою. Якщо напруга, що розгортається, і напруга досліджуваного сигналу синхронно і періодично повторюється, то на екрані осцилографа спостерігається нерухоме зображення сигналу.

Функціонування основних вузлів осцилографа.

Канал вертикального відхилення променя (канал У) призначений для передачі напруги досліджуваного сигналу на вертикально відхиляючі електронно – променевої трубки (ЕПТ). Вхідний блок каналу має калібрований перемикач посилення, за допомогою якого встановлюється масштаб ВОЛЬТ/ПОДІЛ на екрані осцилографа концентрично з перемикачем коефіцієнта посилення розташована ручка ЗМІННОГО посилення, за допомогою якої масштаб зображення змінюється плавно, в певних межах. Слід пам'ятати, що при вимірюванні напруг ручка змінного підсилення повинна бути повернена за годинниковою стрілкою до кінця.

Досліджуваний сигнал може подаватися на вхідний блок або безпосередньо (вхід У відкритий), або через розділовий конденсатор (вхід У закритий). У першому випадку вхід має зв'язок по постійному струму, що забезпечує можливість вимірювання сигналу постійного струму. Однак у випадках, коли інтерес представляє змінний сигнал малої величини, що має напругу зміщення у вигляді напруги постійного струму, використовується закритий вхід. При цьому послідовно з входом підключається конденсатор, який пропускає змінний сигнал і блокуючу напругу зсуву постійного струму. Перемикання входів осцилографа здійснюється за допомогою перемикача, положення якого визначає вид входу (на передній панелі є відповідне позначення).

Як правило, входи осцилографа володіють високим імпедансом, який представляє собою паралельне з'єднання опору 1 МОм і ємності близько 20 пФ.

У підсилювачі вертикального відхилення є лінія затримки, завдяки якій забезпечується подача досліджуваного імпульсного сигналу з затримкою щодо пилоподібної напруги, що надходить на горизонтально відхиляючи пластини, що дозволяє спостерігати передній фронт імпульсного сигналу. Підсилювач вертикального відхилення посилює досліджуваний сигнал до величини, необхідної для отримання достатньої для спостереження розміру досліджуваного сигналу на екрані ЕПТ.

Канал горизонтального відхилення променя або канал Х виробляє напругу, яка переміщує промінь у горизонтальному напрямку пропорційно часу. Він містить: генератор напруги що розгортається, який переміщує промінь по горизонталі з певною швидкістю; підсилювач, що забезпечує необхідну величину напруги розгортки; схему синхронізації, призначену для посилення, перетворення і зміни полярності синхронізуючого сигналу з метою одержання стійкої неспотвореної осцилограми.

На передній панелі осцилографа мається калібрований перемикач ЧАС/ПОДІЛ і концентрична з ним ручка змінного посилення, яка при вимірюванні тривалості сигналу повинна бути обов'язково повернена за годинниковою стрілкою до відмови.

Для отримання на екрані стійкої осцилограми служить схема синхронізації і запуску розгортки, яка керує генератором розгортки і забезпечує кратність періодів досліджуваного сигналу і напруги, що розгортається. Для спостереження зображення нерухомим, початок розгортки має бути пов'язаний з однією і тією ж точкою сигналу. Цю прив'язку до певних точок сигналу здійснює схема синхронізації, за допомогою якої встановлюється певний рівень і нахил ("+" або "-"), що визначає момент початку розгортки. Схема синхронізації виробляє короткий імпульс, що надходить на генератор розгортки і запускає його за допомогою перемикача, розташованого на передній панелі, можливо вибрати один з трьох режимів синхронізації – внутрішній, зовнішній і від мережі.

При внутрішній синхронізації імпульси, що запускають схему, виробляються з вхідного сигналу, який надходить з каналу вертикального відхилення до лінії затримки.

У режимі зовнішньої синхронізації сигнал, що запускається подається на схему синхронізації від зовнішнього джерела через спеціальний вхід на передній панелі. При цьому здійснюється режим очікування роботи генератора розгортки, який забезпечує дослідження імпульсних сигналів, в тому числі з великою скваженістю і навіть неперіодичних.

У режимі очікування напруга розгортки надходить на горизонтально відхиляючі пластини трубки синхронно з моментом появи сигналу, що запускається. При надходженні імпульсу, що запускає електронний промінь робить один прямий і один зворотний хід. Після цього генератор розгортки буде знаходиться в загальмованому стані і "чекати" приходу наступного імпульсу, що запускається.

У стандартних імпульсних генераторах є спеціальний вихід для синхронізуючих імпульсів. Щодо цих імпульсів вихідний сигнал затримується. Як правило, час затримки регулюється. Це дозволяє переміщати досліджуваний імпульс на екрані осцилографа.

У положенні перемикача "Мережа" синхронізація генератора розгортки здійснюється від напруги мережі живлення. При перемиканні цього перемикача в положення "вхід Х", вхід підсилювача горизонтального відхилення підключається до гнізда "вхід Х". При цьому генератор пилоподібної напруги відключений і розгортка здійснюється зовнішньою напругою .

Генератором розгортки так само виробляються спеціальний прямокутний імпульс підсвітки, тривалість якого дорівнює тривалості прямого входу розгортаємої напруги. Сформований в підсилювачі Z імпульс надходить на модулятор ЕПТ і підсвічує прямий хід розгортки. Як правило, в осцилографах передбачається можливість модуляції зображення досліджуваного сигналу по яскравості зовнішнього сигналу. Для цієї мети служить вхід Z, а так само схема, що дозволяє змінювати полярність напруги, що модулюється.

Для точної установки коефіцієнта посилення сигналу по входу У і коефіцієнта розгортки в осцилографі передбачається вбудований генератор сигналів з точно відомими амплітудою і частотою.

На передній панелі передбачені спеціальні ручки, що дозволяють управляти яскравістю, фокусуванням променя, а так само становищем променя на екрані ЕПТ.

Вимірювальні генератори сигналів

Визначення електричних характеристик майже будь – якого радіоелектронного пристрою проводиться по його реакції на вхідний сигнал із заданими параметрами. Отримання сигналів із заданими параметрами забезпечує вимірювальний генератор – джерело електричних сигналів, частота, напруга (потужність), спектральний склад або ступінь модуляції сигналів якого може регулюватися в деяких межах і встановлюватися (або відраховуватися) з гарантованою для даного приладу точністю.

За допомогою вимірювальних генераторів можна знімати амплітудні, амплітудо – частотні та перехідні характеристики чотириполюсників (наприклад, підсилювачів), визначати їх коефіцієнти передачі, налаштовувати радіоприймачі, телевізори, радіопередавачі і т. п.

Незалежно від генерованих коливань, призначення та діапазону робочих частот всі вимірювальні генератори складаються з невеликого числа загальних функціональних елементів.

Задаючий генератор є основним вузлом вимірювального генератора. Роботою цього пристрою визначається ряд важливих параметрів вихідного сигналу: похибка установки частоти, стабільність частоти, діапазон робочих частот, плавне налаштування частоти. Зазвичай задаючий генератор являє собою автогенератор синусоїдальних коливань. Причому навіть в імпульсних генераторах, особливо наносекундного діапазону, в якості задаючих генераторів використовуються генератори синусоїдальних коливань.

Для забезпечення точності установки частоти і високої стабільності елементи схеми генератора, екрануються, застосовуються температурна параметрична стабілізація. У ланцюгах живлення встановлюються загороджувальний фільтри і використовуються полегшені режими роботи активних елементів.

Проміжний пристрій служить для надання сигналам необхідної форми, а так само для підвищення його енергетичного рівня. У генераторах синусоїдальних коливань в проміжному пристрої послаблюються вищі гармонійні складові, що дозволяє знизити коефіцієнт нелінійних спотворень вихідного сигналу. Крім того, в цих генераторах в проміжному пристрої виробляється модуляція коливань задаючого генератора за встановленим законом. В імпульсних генераторах колах проміжного пристрою забезпечують формування імпульсу заданої форми з встановленими часовими параметрами. Проміжний пристрій обов'язково має підсилювач, який дозволяє не тільки збільшити енергетичний потенціал сигналу, але і значно послабити вплив навантаження вихідних пристроїв на роботу задаючого генератора.

Вихідний пристрій призначений для установки необхідного рівня вихідного сигналу і узгодження виходу генератора з навантаженням. Як правило, вихідний пристрій являє собою атенюатор, конструкція якого визначається видом генеруючих коливань, діапазоном робочих частот і потрібним послабленям. Для узгодження в залежності від діапазону частот і виду генеруючих сигналів використовується узгоджуючи трансформатори з осердям, без осердя або трансформатори повних опорів, виготовлені з відрізків коаксіальних і хвилеводних ліній. Іноді узгодження здійснюється за допомогою дільників напруги, що складаються з резисторів. Модулятор застосовується для здійснення одного або декількох видів модуляції. Використовуються модулятори переважно в генераторах високої або надвисокої частоти. Модулятор являє собою автогенератор, що працює зазвичай на фіксуючих частотах. У деяких випадках коливання автогенераторів посилюються для забезпечення заданих модуляційних режимів. Вимірювальні пристрої забезпечують вимірювання параметрів вихідних коливань. Зазвичай вимірюється рівень вихідного сигналу (напруга або потужність) і параметри модуляції.

Основною експлуатаційною характеристикою генератора є діапазон перекриваючих ним частот f_min – f_max.

Частота вимірювальних генераторів, як правило, регулюється двома ступенями – перемикання і плавно. Частина частотного діапазону, в якому частота сигналу встановлюється плавно, називається піддіапазоном.

Перекриття піддіапазонів забезпечує безперервність регулювання частоти у всьому діапазоні. Регулювання амплітуди вихідного сигналу зазвичай проводиться в широких межах і, як правило, здійснюється двома ступенями – зміною опорного рівня сигналу U_on і зміною величини послаблення яка вводиться в тракт вихідного сигналу після установки опорного рівня. Під опорним рівнем розуміють величину вихідного сигналу при нульовому послабленні в тракті.

До основних експлуатаційних характеристик генератора відноситься також значення його вихідного опору (імпеданс).

Класифікація вимірювальних генераторів

По виду вихідного сигналу розрізняють такі вимірювальні генератори:

• синусоїдальних коливань;

• синусоїдальних модульованих коливань;

• імпульсні;

• сигналів спеціальної фірми;

• частоти що змінюється;

• шумів.

За діапазоном частот генератори синусоїдальних коливань підрозділяють:

• низькочастотні (20Гц – 200кГц);

• високочастотні (30кГц – 30МГц);

• надвисокочастотні з коаксіальним виходом (30МГц – 10ГГц);

• і надвисокочастотні з хвильовим виходом (вище 10ГГц).

До низькочастотних генераторів відносять і генератори інфразвукових частот (0,01 – 100 Гц).

По виду модуляції розрізняють генератори:

• з амплітудною – синусоїдальною модуляцією;

• з частотною синусоїдальною модуляцією;

• з імпульсною модуляцією (амплітудною маніпуляцією);

• з частотної маніпуляцією;

• з фазовою маніпуляцією;

• з декількома видами маніпуляції і з комбінованою модуляцією (з одночасним накладенням двох чи більше видів модуляції).

Імпульсні вимірювальні генератори прийнято класифікувати:

• за кількістю каналів;

• характером послідовності імпульсів і основної похибки установки значень параметрів імпульсів.

Основними параметрами імпульсних генераторів є:

• амплітуда;

• тривалість;

• частота проходження (період прямування) імпульсів і їх тимчасової зрушення.

Низькочастотні вимірювальні генератори

Низькочастотні генератори представляють собою джерела синусоїдальних не модульованих коливань.

Діапазон частот різних типів низькочастотних генераторів можуть змінюватися в широких межах – від сотих часток герца до сотень кілогерц. Зазвичай для окремого генератора коефіцієнт перекриття по частоті складає в середньому 104. Частота коливань може встановлюватися плавно або дискретно. Точність установки частоти визначається класом приладу.

Низькочастотні генератори сигналів будуються відповідно за загальною структурною схемою вимірювальних генераторів. Деякі відмінності визначаються особливостями цього виду приладів, а також конкретним призначенням генераторів окремих типів. У ряді генераторів низької частоти передбачається зовнішня синхронізація для підвищення точності установки і стабільності вихідних коливань.

До вихідних пристроїв низькочастотних генераторів відносяться атенюатори і вихідні трансформатори. Перші служать для послаблення вихідного сигналу до необхідного рівня і, як правило, виконуються на резисторах. Зазвичай вихідний атенюатор являє собою послідовне з'єднання однотипних ланок, складених з резистора, опір яких не перевищує декількох сотень або тисяч Ом. Застосування низькоомних резисторів дозволяє отримати необхідні частотні характеристики атенюатора. Однотипність ланок дає можливість зберегти сталість вхідного і вихідного опорів атенюатора в цілому незалежно від загального значення загасання.

Найчастіше вхідний і вихідний опір атенюатора однакові і становлять 600Ом. Загальне загасання всіх ланок атенюатора вибирається приблизно 100 – 120дб, причому загасання однієї ланки може бути 10 або 20дб.

Вихідні трансформатори забезпечують узгодження генератора з навантаженням. Вторинна обмотка вихідного трансформатора секціонується. Комутація витків вторинної обмотки, підключеної до вихідних клем генератора, забезпечує ступеневу зміну вихідного опору.

Вихідний опір з урахуванням призначення вимірювальних генераторів низької частоти зазвичай складають 5, 200, 600 Ом і 5 кОм. Якщо генератор працює на навантаження, опір якого перевищує можливі вихідні опори приладу, включається внутрішній навантажувальний опір. Це передбачено тому, що при холостому ході напруга на вторинній обмотці трансформатора перевищує розрахункову величину, що, у свою чергу, не дозволяє правильно визначити напругу на навантаженні по вимірювальних приладах і відліковим пристроям вихідних ланцюгів генератора. Значення внутрішнього навантажувального опору приймається рівним вихідному опору атенюатора і становить 600 Ом.

В якості вимірювальних пристроїв у генераторах застосовуються вольтметри. Для спрощення схеми вольтметра він включається на виході проміжного пристрою перед атенюаторами. Вольтметр градуюється в діючих значеннях синусоїдальної напруги.

Кінцеві значення робочої частини шкали у вольтметрів вимірювальних генераторів встановлюються 1·10ⁿ і 3,16·10ⁿ ( n – будь – яке ціле позитивне число, від'ємне число або нуль). Такий вибір кінцевих значень визначається тим, що, як правило, вольтметри вимірювальних генераторів мають ще шкалу, градуйовану в децибелах. Градуювання в децибелах виконується щодо початкового рівня 0,775. Цей рівень в техніці провідного зв'язку вибирається за абсолютний нульовий рівень по напрузі.

Слід пам'ятати, що напруга на виході генератора фактично визначається за показаннями вольтметра і встановленому послабленню вихідних атенюаторів тільки при узгодженому навантаженні. При відсутності погодження виміряна напруга на виході генератора буде відрізнятися від значення, визначеного за показаннями вбудованого вольтметра з урахуванням встановленого ослаблення атенюатора.

Імпульсні генератори

Імпульсні генератори представляють собою джерела імпульсних сигналів різних форм, використовуються в якості задаючих генераторів в імпульсних схемах, служать для модуляції малопотужних генераторів, знаходять застосування при роботі з оптичними квантовими генераторами.

Найбільшого поширення набули вимірювальні генератори прямокутних імпульсів. Ідеальна послідовність прямокутних імпульсів характеризується періодом проходження Т, тривалістю імпульсу τ і амплітудою імпульсу U_т. Однак на практиці отримання ідеальних прямокутних імпульсів пов'язане з технічними труднощами. Тому форма реальних імпульсів відрізняється від прямокутних.

Імпульсні вимірювальні генератори дозволяють створювати як поодинокі імпульси, так і їх послідовності з частотами повторення до десятків мегагерц, тривалістю імпульсів від 0,1 нс до 1 с і амплітудами від одиниць мілівольт до десятків вольт.

Як правило, отримання імпульсних сигналів з великим діапазоном зміни основних параметрів імпульсів забезпечується комплектом генераторів. Незважаючи на відмінність характеристик, принципи будови всіх імпульсних генераторів залишаються спільними. Однак структурна схема імпульсного вимірювального генератора має певні особливості порівняно з аналогічною схемою генератора синусоїдальних не модульованих або модульованих коливань.

На відміну від раніше розглянутих вимірювальних генераторів імпульсний генератор містить специфічні функціональні пристрої – схему запуску та схему затримки.

Схема запуску формує імпульси заданої амплітуди і тривалості для управління роботою генератора, що задає в загальмованому режимі, коли частота послідовності імпульсів або час появи одиночного імпульсу визначається зовнішньою керуючою напругою. Схема затримки необхідна в тих випадках, коли імпульси вихідної послідовності повинні бути затримані щодо імпульсів задаючого генератора, або зовнішніх запускаючих імпульсів на відомий час. Функціональне призначення інших вузлів не відрізняється від призначення однойменних пристроїв інших вимірювальних генераторів.

Основні рекомендації щодо застосування вимірювальних генераторів

Робота з вимірювальним генератором включає чотири основних етапи:

• підготовка до роботи;

• з'єднання з об'єктом;

• узгодження з об'єктом;

• установки заданих значень параметрів вихідних сигналів.

Підготовка до роботи.

Перш ніж включити генератор в мережу, треба перевірити роботу всіх органів управління та відкоригувати механічно положення стрілок вбудованих вимірювальних приладів, перевірити справність елементів приєднання, наявність штатних кабелів і допоміжного приладдя. Перед включенням треба переконатися, що умови застосування приладу (кліматичні та інші) відповідають вимогам інструкції з експлуатації, генератор не піддається трясці і вібрацій, впливу сильних магнітних і електричних полів, а так само в тому, що він зручно розташований на робочому місці.

Після цього всі органи управління наводяться у вихідне положення, і генератор може бути включений в мережу. Треба звернути особливу увагу на те, щоб встановлений рівень вихідного сигналу був мінімальним, а виходи генератора, що не використовують були закриті заглушками і відключені. Генератор повинен бути прогрітий протягом часу, зазначеного в інструкції з експлуатації.

З'єднання з об'єктом. Для приєднання генератора до об'єкта треба користуватися штатними кабелями зі стандартними елементами приєднання. З'єднати генератор з об'єктом можна тільки тоді, коли у вхідних ланцюгах об'єкта немає джерел постійної напруги з малим внутрішнім опором. Сполучні кабелі попередньо доцільно перевірити для виявлення відкритих обривів.

Узгодження з об'єктом. Для забезпечення найкращих умов погодження виходу вимірювального генератора зі входом об'єкта за потужністю необхідно домогтися рівності вихідного опору. У вихідних пристроях вимірювальних генераторів зазвичай передбачається можливість ступеневої зміни вихідного опору, що дозволяє здійснити узгодження з навантаженням.

Якщо вихідні пристрої генератора не дозволяють виконати узгодження, необхідно застосувати зовнішні узгоджувальні пристрої. У тих випадках, коли генератор працює на мале навантаження (великий вхідний опір об'єкта), рекомендується включити внутрішнє навантаження, адже таке включення забезпечує нормальний режим роботи вихідних пристроїв генератора.

При підключенні вимірювального генератора до резонансних кіл слід пам'ятати, що невеликий, як правило, вихідний опір генератора може шунтувати контур і значно знизити його добротність. У таких випадках з'єднання з об'єктом повинно здійснюватися через конденсатор невеликої ємності. Значення ємності вибирається залежно від встановленої частоти і добротності резонансної системи.

При з'єднанні з об'єктом генератора надвисоких частот рекомендується між об'єктом і генератором включати розв'язуючий атенюатор з ослабленням в 15 – 20 дБ. Він дозволяє послабити вплив навантаження на вимірювальний генератор і поліпшити стабільність частоти і вихідного рівня при випадкових змінах параметрів навантаження.

Установка заданих значень параметрів вихідних сигналів

Установка значень параметрів вихідних сигналів починається з установки частоти генератора. При цьому треба обов'язково користуватися шкалами "Расстройка" і т.д. Після установки частоти проводитися контроль або установка рівня вихідного сигналу. У цьому випадку всі органи управління повинні бути поставлені в положення, зазначені в інструкції з експлуатації. Потім за допомогою атенюаторів і виносних штатних дільників встановлюється задана напруга або потужність на виході. У генераторах модульованих коливань при необхідності можуть бути встановлені відповідні параметри модуляції. У процесі роботи рекомендується періодично контролювати рівень коливань.

Мультиметр

Мультиметр (від англ. Multimeter, тестер – від англ. Test – випробування, авометр – від ампервольтомметр) – комбінований електровимірювальний прилад, що поєднує в собі кілька функцій. У мінімальному наборі це вольтметр, амперметр і омметр. Іноді виконується мультиметр у вигляді струмовимірювальних кліщів. Існують цифрові й аналогові мультиметри. Мультиметр може бути як легким переносним пристроєм, що використовується для базових вимірів і пошуку несправностей, так і складним стаціонарним приладом з безліччю можливостей.

Аналоговий мультиметр

В аналоговому мультиметрі результати вимірювань спостерігається по руху стрілки (як на годиннику) по вимірювальній шкалі, на якій підписані значення: напруга, струм, опір. Популярність аналогових мультиметрів пояснюється їх доступністю та ціною, а основним недоліком є деяка похибка в результатах вимірювань. Для більш точного підстроювання в аналогових мультиметрів є спеціальний налаштований резистор, маніпулюючи яким можна домогтися трохи більшої точності. Але у випадках, коли бажані більш точні вимірювання, кращим буде використання цифрового мультиметра.

Цифровий мультиметр

Головною відмінністю від аналогового є те, що результати вимірювання відображаються на спеціальному екрані (у старих моделях на світло діодах, в нових на рідкокристалічному дисплеї). До того ж цифрові мультиметри мають більш високу точність і відрізняються простотою використання, так як не доводиться розбиратися у всіх тонкощах градуювання вимірювальної шкали, як у стрілочних варіантах.

Рисунок 39 Цифровий мультиметр

Будь – який мультиметр має два проводи, чорний і червоний, і від двох до чотирьох гнізд. Чорний вивід є загальним (маса). Червоний називають потенційним виводом і застосовують для вимірювань. Гніздо для загального виводу позначається як com або просто ( – ) тобто мінус, а сам вивід на кінці часто має так званий "крокодильчик", для того, щоб при вимірі можна було зачепити його за масу електронної схеми. Червоний вивід вставляється в гніздо позначене символами опору або вольти ( f_t, V або +), якщо гнізд більше ніж два, то інші зазвичай призначаються для червоного виводу при вимірах струму. Позначені як A (ампер), mA (міліампер), 10A або 20A відповідно. Перемикач мультиметра дозволяє вибрати один з декількох меж для вимірювань.

Наприклад:

• Постійна (DCV) і змінна (ACV) напруга: 10В, 50В, 250В, 1000В.

• Струм ( mA ) : 0.5мА , 50мА , 500мА.

• Опір (позначається значком, трохи схожим на навушники): X1K, X100, X10, що означає множення на певне значення , в цифрових мультиметр зазвичай вказується стандартно: 200Ом, 2кОм, 20кОм, 200кОм, 2МОм.

У цифрового мультиметра межі вимірювань зазвичай більші, до того ж часто наявні додаткові функції, такі як звукова "продзвонка" діодів, перевірка переходів транзисторів, частотомір, вимірювання ємності конденсаторів і датчик температури. Для того, щоб мультиметр не вийшов з ладу при вимірах напруги або струму, особливо якщо їх значення невідомо, перемикач бажано встановити на максимально можливі межі вимірювань, і тільки якщо показання при цьому занадто малі, для отримання більш точного результату перемикайте мультиметр на межу нижче поточного.

Виміряти напругу, якщо постійна ставимо dcv, якщо змінна acv, підключаємо щупи і дивимося результат, якщо на екрані нічого немає, немає і напруги. З опором так само просто, торкаємося щупами на двох кінцях того, який опір потрібно дізнатися, таким же чином в режимі омметра продзвонюють проводи й доріжки на обрив. Вимірювання сили струму відрізняються тим, що щупи мультиметра повинні бути врізані в коло, як ніби це один з компонентів цього самого кола.

Перевірка резисторів

Резистор повинен бути випаяним з електричного кола хоча б одним кінцем, щоб бути впевненим у тому, що ніякі інші компоненти схеми не вплинуть на результат. Підключаємо щупи на двох кінцях резистора і порівнюємо показання омметра зі значенням, яке зазначено на самому резисторі. Варто враховувати і величину допуску (можливих відхилень від норми), тобто якщо з маркування резистор на 200кОм і допуском ± 15%, його дійсний опір може бути в межах 170 – 230кОм. При більш серйозних відхиленнях резистор вважається несправним. Перевіряючи змінні резистори, вимірюємо спершу опір між крайніми виводами (повинно відповідати номіналу резистора), а потім підключивши щуп мультиметра до середнього виводу, по черзі з кожним з крайніх. При обертанні осі змінного резистора, опір має змінюватися плавно, від нуля до його максимального значення, в цьому випадку зручніше використовувати аналоговий мультиметр спостерігаючи за рухом стрілки, ніж за мінливими цифрами на екрані.

Перевірка діодів

Якщо є функція перевірки діодів підключаємо щупи, в один бік діод дзвониться, а в інший ні. Якщо даної функції немає, встановлюємо перемикач на 1кОм в режимі вимірювання опору і перевіряємо діод. При підключенні червоного виведення мультиметра до анода діода, а чорного до катода, побачимо його прямий опір, при зворотному підключенні опір буде настільки високий, що на даній межі вимірювання не побачимо нічого. Якщо діод пробитий, його опір в будь – який бік буде дорівнювати нулю, якщо обірваний, то в будь – який бік опір буде нескінченно великим. Більшість світлодіодів при продзвонці в прямому напрямку слабко підсвічуються.

Перевірка конденсаторів

Для перевірки конденсаторів найкраще використовувати спеціальні прилади, але і звичайний аналоговий мультиметр може допомогти. Пробій конденсатора легко виявляється шляхом перевірки опору між його виводами, в цьому випадку він буде дорівнювати нулю, складніше з підвищеним витоком конденсатора. При підключенні в режимі омметра до виводів електролітичного конденсатора дотримуючись полярності (плюс до плюсу, мінус до мінусу), внутрішні кола приладу заряджає конденсатор, при цьому стрілка повільно повзе вгору, показуючи збільшення опору. Чим вище номінал конденсатора, тим повільніше рухається стрілка. Коли вона практично зупиниться, змінюємо полярність і спостерігаємо, як стрілка повертається в нульове положення. Якщо щось не так, швидше за все є витік і до подальшого використання конденсатор не придатний.

Перевірка транзисторів

Звичайний біполярний транзистор являє собою два діоди, включених назустріч один іншому. Варто врахувати, що транзистори бувають різних типів, pnp, коли їх умовні діоди з'єднані катодами, і npn, коли вони з'єднуються анодами. Для вимірювання прямого опору транзисторних pnp переходів, мінус мультиметра підключається до бази, а плюс по черзі до колектора і емітера. При вимірюванні зворотного опору міняємо полярність. Для перевірки транзисторів npn типу робимо все навпаки. Якщо ще коротше, то переходи база – колектор і база – емітер в один бік повинні продзвонювати, в інший ні.

При використанні стрілочного мультиметра, покладіть його на горизонтальну поверхню, тому що в інших положеннях точність показань може помітно погіршати. Не забувайте відкалібрувати прилад, для цього просто стуліть щупи між собою і змінним резистором (потенціометром) добийтеся, щоб стрілка дивилася точно на нуль. Не слід залишати мультиметр включеним, навіть якщо на аналоговому приладі на перемикачі немає положення – вимк. не залишайте його в режимі омметра, адже в цьому режимі постійно втрачається заряд батареї, краще поставити перемикач на вимірювання напруги.