Технические измерения и приборы
..pdf
применяется в основном для измерения больших сопротивлений в приборах, называемых тераомметрами.
Поменяв местами Rx и Rобр, получим схему (рис. 4.30, б), пригодную для измерения малых сопротивлений (от единиц Ом). Изме-
ряемое сопротивление в такой схеме определяется выражением
R |
Uвых |
R . |
x |
|
обр |
|
Uоп |
|
для подключения питания и два потенциальных – для подключения потенциометра.
На схеме (см. рис. 4.31) измеряемый резистор Rизм включен последовательно с образцовым резистором Rобр. В качестве образцового резистора используется магазин сопротивлений. Измерительный ток в цепи устанавливают переменным резистором Rу, таким, чтобы нагрев сопротивления не вызывал изменения температуры больше допустимого.
С одной стороны, ток определяется по падению напряжения на образцовом резисторе,
I U обр , |
(4.13) |
Rобр |
|
где Uобр – падение напряжения на образцовом резисторе; Rобр – сопротивление образцового резистора.
С другой стороны,
I U изм , |
(4.14) |
Rизм |
|
где Uизм – падение напряжения на измеряемом резисторе; Rизм – неизвестное сопротивление измеряемого резистора.
Исходя из (4.13) и (4.14), получаем сопротивление измеряемого резистора
Rизм |
U изм Rобр . |
|
U обр |
Для определения сопротивления резистора необходимо поочередно измерить падение напряжения на измеряемом и образцовом резисторах и затем рассчитать сопротивление измеряемого резистора.
4.3.4.Метод дискретного счета
Воснову работы цифровых средств измерения параметров двухполюсников, реализующих метод дискретного счета, положено
132
преобразование измеряемого параметра в пропорциональный интервал времени и измерение этого интервала путем заполнения его счетными импульсами.
Для этого используются закономерности апериодического процесса, возникающего при подключении заряженного конденсатора или катушки с током (индуктивности) к образцовому резистору. При измерении активного сопротивления используется процесс разряда образцового конденсатора через измеряемый резистор. Наибольшее применение метод дискретного счета нашел при создании цифровых измерителей емкости и сопротивления.
Структурная схема цифрового измерителя емкости и сопротивления приведена на рис. 4.32.
Рис. 4.32. Цифровой прибор для измерения емкости и сопротивления
Принцип работы прибора. Перед началом измерения ключ (Кл) находится в положении 1 и конденсатор Cx заряжается через ограничительный резистор R до напряжения источника U. В момент начала измерения t1 (см. рис. 4.32) управляющее устройство (УУ) вырабатывает импульс, который сбрасывает предыдущее показание счетчика импульсов (Сч), открывает электронный ключ (ЭК) и переводит ключ (Кл) в положение 2. Конденсатор Cx начинает разряжаться через образцовый резистор Rобр по экспоненциальному закону (рис. 4.33),
133
t t1
UC Ue ,
где RобрCx – постоянная времени цепи разряда.
Вмомент t1 импульсы генератора импульсов (ГИ), следующие
счастотой f0, начинают поступать на вход счетчика импульсов (Сч).
Через интервал времени 
напряжение на конденсаторе принимает значение
U
UC e 0,37U .
Напряжение UC подается на один из входов сравнивающего устройства (СУ), ко второму входу устройства подводится напряжение UR, снимаемое с резистора R2 делителя, состоящего из резисторов R1 и
R2.
Если подобрать резисторы R1
иR2 так, чтобы напряжение UR было равно 0,37U, то в момент t2 равенства напряжений UC и UR на входе сравнивающего устройства возникает второй импульс, который закрывает электронный ключ
исчетчик прекращает подсчет импульсов (рис. 4.33).
Если за время t2 – t1 = 
на счетчик поступило N импульсов, то можно записать
N f0 .
Поскольку 
= RобрCx, то при фиксированных значениях f0 и Rобр
Рис. 4.33. Временные диаграммы прибора при измерении емкости
134
Cx |
N |
|
, |
|
|
||
Rобр |
|
||
|
f0 |
||
т.е. измеряемая емкость прямо пропорциональна показанию счетчика, и счетчик может быть отградуирован в единицах емкости.
Аналогичным образом измеряется сопротивление резистора с применением образцового конденсатора Cобр,
Rx |
N |
|
. |
|
|
||
Cобр |
|
||
|
f0 |
||
Приборы для измерения параметров электрических цепей, использующие метод дискретного счета, обеспечивают сравнительно малую погрешность измерения (0,1…0,2 %).
К недостаткам таких приборов можно отнести невозможность измерения параметров на рабочей частоте.
4.4. ЭЛЕКТРОННО-СЧЕТНЫЙ ЧАСТОТОМЕР
Принцип действия электронно-счетного частотомера основан на измерении частоты в соответствии с ее определением, т.е. на счете числа импульсов за интервал времени. Переменное напряжение, частоту fx которого необходимо измерить, преобразуют в последовательность коротких импульсов с частотой следования, равной fx. Если сосчитать число импульсов N за интервал времени Tсч, то частота
N
fx Tсч .
Структурная схема электронно-счетного частотомера изображена на рис. 4.34. Сигнал частоты fx поступает на усилительформирователь импульсов УФ, который преобразует синусоидальное напряжение измеряемой частоты в последовательность однополярных импульсов.
135
Рис. 4.34. Структурная схема электронно-счетного частотомера
Частота следования этих импульсов равна измеряемой частоте. Импульсы поступают на вход 1 временного селектора (ВС). На вход 2 селектора поступает импульс Tсч строго определенной длительности. Длительность этого импульса задается генератором высокой частоты (ГВЧ) с кварцевой стабилизацией и делителем частоты (ДЧ) с коэффициентом деления 10n. Частота генератора с кварцевой стабилизацией fкв обычно равна 1 или 5 МГц, и, следовательно, период колебаний Tкв равен 1 или 0,2 мкс. При такой длительности времени счета измерять частоты, равные или меньшие fкв, невозможно. Поэтому после кварцевого генератора включают декадные делители частоты, на выходах которых образуются частоты в 10n (n = 1, 2, 3,…) раз ниже частоты генератора. Измеряемая частота при этом определяется по формуле
fx = N 10-n fкв.
Импульс длительностью Tсч = 10n/ fкв формируется в блоке управления (БУ). Импульсы измеряемой частоты поступают на электронный счетчик импульсов (Сч) лишь тогда, когда ко входу 2 селектора приложен импульс счета длительностью Tсч. С выхода счетчика информация о числе импульсов N, его заполнивших, в виде двоичного кода подается через дешифратор на цифровое отсчетное устройство, на котором в цифровом виде фиксируется результат измерения в единицах частоты. Измерение производится повторяющимися циклами, задаваемыми блоком управления.
136
Одновременно с воздействием на временной селектор управляющее устройство выдает импульсы для сброса показаний цифрового индикатора и обнуления электронного счетчика. В управляющем устройстве предусмотрена блокировка временного селектора на некоторый интервал времени, в течение которого на табло сохраняются показания для считывания оператором. Этот интервал времени называется временем индикации и может регулироваться в пределах нескольких секунд. В частотомере предусмотрены автоматический и ручной режимы измерения. В автоматическом режиме счет импульсов повторяется каждый раз по окончании установленного времени индикации. В режиме ручного управления счет выполняется один раз при нажатии на кнопку, время индикации не ограничивается.
Относительная погрешность электронно-счетного частотомера при измерении частоты определяется выражением
|
|
1 |
, |
|
0 |
нест |
|
||
fxTсч |
||||
|
||||
|
|
|
где 0 – относительная погрешность установки частоты кварцевого генератора; нест – относительная погрешность, вызванная нестабильностью частоты кварцевого генератора в условиях эксплуатации; 1/fxTсч – относительная погрешность, обусловленная некратностью периодов Tx и времени счета Tсч.
Последняя составляющая погрешности оценивается, исходя из того, что при некратности периодов Tx и Tсч подсчет числа импульсов за время счета может быть произведен с точностью ±1 импульс. Но тогда 1/N = 1/fxTсч.
Усовременных электронно-счетных частотомеров величины 0
инест составляют примерно 10–8 и менее, поэтому при технических
измерениях могут не учитываться.
Составляющая погрешности 1/fxTсч зависит от измеряемой частоты и времени счета. В табл. 4.2 приведены значения этой составляющей в зависимости от времени счета для различных частот.
137
Т а б л и ц а 4 . 2
Зависимость погрешности от времени счета
Время измерения, Tсч, с |
|
Погрешность 1/fx Tсч |
|
||
|
|
|
|
|
|
0,1 Гц |
|
100 Гц |
|
100 кГц |
|
|
|
|
|||
10–2 |
103 |
|
1 |
|
10–3 |
10–1 |
102 |
|
10–1 |
|
10–4 |
1 |
10 |
|
10–2 |
|
10–5 |
Из этой таблицы видно, что для измерения низких частот погрешность измерения недопустимо велика.
Для того чтобы обеспечить приемлемую погрешность измерения низких частот, переходят к измерению периода с последующим пересчетом в частоту. Принцип измерения периода аналогичен рассмотренному с той разницей, что временной селектор открывается импульсом, формируемым из напряжения, период Тx которого необходимо измерить, а длительность этого периода определяется подсчетом импульсов fсч, получаемых от высокостабильного генератора. Если на счетчик прошло N импульсов с частотой следования fсч, то измеряемый период
T |
N |
, |
||
|
||||
|
x |
fсч |
||
|
|
|||
или частота |
|
|
|
|
f |
|
fсч |
. |
|
|
x |
N |
||
|
|
|||
Составляющая относительной погрешности измерения периода при ошибке в подсчете числа импульсов за время счета ±1 импульс будет равна fx/f0.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Какова структурная схема электромеханических приборов?
138
2.Каков принцип работы приборов магнитоэлектрической системы?
3.Каков принцип работы приборов электромагнитной системы?
4.Как расширяют пределы измерения приборов магнитоэлектрической электромагнитной системы?
5.Каков принцип работы термоэлектрических приборов?
6.Каков принцип действия компенсатора постоянного тока?
7.Что такое электронные аналоговые вольтметры?
8.Каков принцип действия цифрового вольтметра с двойным интегрированием?
9.Какова область применения метода вольтметра-амперметра?
10.Какие методы измерения используются в электронных омметрах?
11.В чем заключается компенсационный метод измерения электрического сопротивления?
12.Каков принцип действия цифрового измерителя емкости и сопротивления?
13.Какой вид имеет структурная схема электронно-счетного частотомера и каков принцип его действия?
14.В каких приборах и как реализуется метод непосредственной оценки?
139
5. ПЕРЕДАЮЩИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Большинство современных устройств измерения теплотехнических параметров состоит из первичного преобразователя, вторичного прибора и линии связи.
Первичный преобразователь устанавливается в непосредственном контакте с контролируемой средой. Он преобразует измеряемую величину в сигнал, удобный для передачи по линии связи. Первичный преобразователь обычно содержит чувствительный элемент и передающий измерительный преобразователь.
Если сигнал удобен для передачи на расстояние, то передается к вторичному прибору и измеряется им.
Если чувствительный элемент преобразует измеряемую величину в физическую, которую нельзя передать на расстояние, например перемещение или усилие, то возникает необходимость в применении промежуточного преобразователя в электрический или пневматический сигнал.
На рис. 5.1 представлена схема измерительного комплекта для измерения давления.
Рис. 5.1. Схема измерительного комплекта для измерения давления
В качестве чувствительного элемента используется мембрана 1. При изменении давления р мембрана прогибается, смещение ее цен-
140