книги из ГПНТБ / Савенко, В. Г. Измерительная техника учеб. пособие

сопротивлением и значительной потребляемой мощностью. В качестве источника компенсирующего напряжения (JK можно использовать компенсатор постоянного тока (тогда вольтметр V не нужен). Это позволяет производить изме­ рения с высокой точностью. Частотный диапазон компенса­ ционных вольтметров достигает сотен мегагерц, а основная погрешность обычно не превышает ± ( 0 ,5 —0,1)% . Нижняя граница динамического диапазона равна (20±30) мв. На­ пример, прибор ВЗ-9 имеет пределы измеряемых напряже­ ний от 20 до 1250 мв, диапазон рабочих частот — от ІО3 до

108 гц.

Существенным недостатком компенсационных вольт­ метров является сравнительно большое время измерения. Для его уменьшения в последние годы используются вольт­ метры с автокомпенсацией. В таких приборах может при­ меняться сервомотор, перемещающий щетку потенциомет­ ра R. Мотор управляется напряжением (после усиления), которое снимается с сопротивления, включенного в анод­ ную цепь лампы вместо гальванометра. Принцип работы вольтметра для измерения напряжения импульсов боль­ шой скважности рассмотрен в [5, 21].

§5.12. ПОНЯТИЕ О ЦИФРОВЫХ ВОЛЬТМЕТРАХ

Вцифровых приборах измеряемая величина определя­ ется в дискретно-цифровой форме с помощью цифровых индикаторов: результат измерения представляется в виде набора светящихся цифр. Такие приборы имеют достоин­ ства по сравнению со стрелочными (аналоговыми) прибо­ рами. Основные из них: повышение точности и скорости измерений, удобство отсчета и регистрации измеряемой

величины, объективность (устраняются глазомерные ошиб­ ки стрелочных измерений) и полная автоматизация про­ цесса измерения, возможность дистанционной передачи результатов измерения или сочетания их с вычислительны­ ми машинами или другими автоматическими устройства­ ми. Поэтому разработка цифровых приборов и их совер­ шенствование являются одним из главных направлений современной измерительной техники.

Основные недостатки цифровых приборов: сложность их схемы, высокая стоимость, большие габариты и мень­ шая надежность по сравнению со стрелочными приборами.

Цифровые приборы работают на принципе преобразо­ вания непрерывных (аналоговых) величин (напряжения,

2 0 0

силы тока, сопротивления, частоты, фазы и т. д.) в число­ вой код (цифру).

Среди разнообразных измерительных приборов с циф­ ровым отсчетом видное место занимают цифровые вольт­ метры. В основном они предназначаются для измерения постоянного или медленно изменяющегося (по сравнению с временем измерения) напряжения. Можно измерять так­ же и переменные напряжения; для этого их с помощью детекторов предварительно преобразуют в постоянное или в цифровой код.

Аналого-цифровые преобразования в цифровых вольт­ метрах достигаются сравнением измеряемого напряжения с образцовым, т. е. компенсационным методом. Этим объ­ ясняется возможность получения высокой точности изме­ рений. Цифровые вольтметры различаются в зависимости от способа преобразования и применения для этого техни­ ческих средств.

Электромеханические (контактные), в которых приме­ няются различные электромеханические реле, переключа­ тели, двигатели и т. д. Они имеют большое время измере­ ния (несколько десятых секунды) и небольшой срок служ­ бы. Но зато такие приборы могут иметь малую погрешность измерений (0,01-4-0.005%).

Электронные, в которых используются различные бес­ контактные электронные элементы, обладающие малой инерционностью. Такие приборы обладают большим быст­ родействием — порядка нескольких десятков тысяч изме­ рений в секунду, но меньшей точностью измерения (колеб­ лется в пределах 0,1-4-0,5%) по сравнению с электромеха­ ническими цифровыми приборами.

Схемы и конструктивные решения цифровых вольтмет­ ров разнообразны и поэтому рассмотрим только структур­ ную обобщенную схему (рис. 5.38), элементы которой находятся в любом цифровом вольтметре. Измеряемое на­ пряжение подается на клеммы входного устройства. При измерении постоянных или медленно меняющихся напря­ жений входное устройство чаще всего представляет собой высокоомное сопротивление или катодный повторитель с калиброванным делителем. При измерении переменных напряжений высокой частоты входное устройство может состоять из делителя напряжения, катодного повторителя

ипреобразователя переменного напряжения в постоянное.

Свыхода блока входного устройства напряжение подается в блок преобразования. В нем находится устройство, с по­

201

мощью которого измеряемое напряжение сравнивается с образцовым напряжением. Образцовое напряжение вы­ дает либо нормальный элемент, расположенный внутри цифрового вольтметра, либо специальный образцовый генератор, являющийся составной частью преобразующего устройства. В процессе этого сравнения вырабатывается код, т. е. образуется некоторая комбинация импульсов, ко­ торая поступает на дешифратор. В дешифраторе код пре­ образуется в сигналы управления осветителей цифрового

Рис. 5.38. Упрощенная структурная схема цифрового вольт­ метра

визуального индикатора, на котором проектируются циф­ ры, соответствующие закодированному числу. По способу преобразования напряжения в цифровой код имеются циф­ ровые вольтметры с время-импульсным преобразованием, с поразрядным кодированием, со ступенчато-изменяющим- ся напряжением, с частотным преобразованием и комби­ нированные. Чтобы иметь представление о кодировании, рассмотрим один из перечисленных способов преобразова­ ния напряжения — принцип работы время-импульсного преобразования.

В упрощенном виде преобразователь состоит из генера­ тора образцового линейного напряжения, генератора им­ пульсов, сравнивающего устройства и электронного счет­ чика. Образцовое напряжение изменяется периодически от нуля до некоторого максимального значения линейно (рис. 5.39). Измеряемое и образцовое (компенсирующее) напряжения поступают в сравнивающее устройство одно­ временно с появлением образцового напряжения — в мо­ менты времени tu t% и т. д. Начинает работать генератор импульсов, выходное импульсное напряжение которого по­ дается на быстродействующий электронный счетчик. Ком­ пенсирующее напряжение линейно растет, а счетчик счита­ ет импульсы до тех пор, пока измеряемое напряжение Ѵх не будет равным образцовому (нижний график рис. 5.39). После этого счет импульсов прекращается и величина из­

2 0 2

меряемого напряжения Ux оказывается закодированной числом импульсов, прошедшим за промежутки времени U—ti, ts—ti и т. д. Если Ux постоянно, то число импульсов в каждом периоде сравнения одинаково. Если 1)х изменя­ ется, то преобразователь может производить сравнения однократно или периодически. Кодовые импульсы счетного устройства дешифруются и преобразуются в сигналы,

Рис. 5.39. График измеряемого и линейно изменяю­ щегося компенсирующего напряжения и импульсный код

фиксирующие на визуальном индикаторе цифровые значе­ ния измеряемого напряжения. Подробное рассмотрение цифровых вольтметров и других цифровых электроизмери­ тельных устройств приведено в [25-^27].

§ 5.13. САМОПИШУЩИЕ ПРИБОРЫ

Сочетание показывающего измерительного прибора с записывающим устройством называют с а м о п и ш у щ и ­ ми п р и б о р а м и . Они широко используются для наблю­ дения за технологическими процессами на производстве, при проведении научных исследований и экспериментов, когда требуется не только измерять физические величины, но и представлять в виде графика изменения их во време­ ни. В самопишущих приборах используются измеритель­ ные механизмы, обладающие сравнительно большой инер­ ционностью, поэтому они предназначены для регистрации длительных процессов сравнительно медленно изменяю­ щихся величин. Чаще других используются магнитоэлект­ рические и ферродинамические измерительные механизмы.

203

В самопишущих приборах применяется непрерывная пли точечная форма записи чернилами, краской, каранда­ шом на бумажной ленте или бумажном диске. Иногда запись осуществляется острием на бумаге, покрытой тон­ ким слоем воска; она также может быть тепловой и искро­ вой. Диск или лентопротяжный барабан вращаются специ­ альным приводом — часовым механизмом или синхронным двигателем, скорость их регулируется чаще всего набором

сменных шестерен. Ско­ рость перемещения бума­ ги определяется скоро­ стью изменения измеряе­ мой величины. При помо­ щи самопишущих прибо­ ров можно регистриро­ вать процессы в цепях постоянного и переменно­ го токов в течение отрез­ ков времени, исчисляе­ мых часами, сутками и даже неделями.

Устройство самопишу­ щего прибора с непре­ рывной записью в прямо­ угольной системе коорди­ нат изображено на рис. 5.40. К оси подвижной ча­ сти измерительного меха­ низма прикреплен дуго­ образный стрелкодержатель /, к которому жест­ ко прикреплены стрелка и перо. Диаграммная

бумага 2, помещаемая в виде рулона на катушке в верхней части прибора, имеет перфорацию и с помощью зубчатых колес автоматически протягивается вниз. При прохожде­ нии места записи бумажная лента с помощью специальных направляющих изгибается по поверхности цилиндра так же, как и шкала прибора. Пишущая часть прижимается к бу­ маге, а подающий чернила капилляр может свободно пе­ ремещаться по желобообразной неподвижной чернильнице 3. Запись исследуемого процесса происходит в виде непре­ рывной чернильной линии. Диаграммная бумага изготав­ ливается в виде бумажной ленты с нанесенной типограф-

204

скіім путем сеткой: поперечная шкала размечается в еди­ ницах измеряемой величины или разбивается на равномер­ ные деления, продольная — служит для отсчета времени. Непрерывная запись может быть удовлетворительной толь­ ко при больших вращающих моментах измерительного ме­ ханизма, так как в противном случае из-за трения пишуще­ го устройства о бумагу будут появляться большие погреш­ ности.

Рис. 5.41. Устройство самопишущего прибора с точечной записью

В тех случаях, когда вращающий момент измерительно­ го механизма мал, применяют самопишущие приборы с то­ чечной записью. На рис. 5.41 показана схема устройства такого прибора с записью на бумажную ленту. Стрелка 1 свободно, без трения перемещается над бумагой 2. Через определенные промежутки времени дужка 3, перемещае­ мая вверх кулачком 4, падает и ударом прижимает стрел­ ку к бумаге. Так как между стрелкой и бумагой натянута красящая лента 5, то при падении дужки, на бумаге оста­ ется след в виде точки. Скорость перемещения бумажной ленты в этих приборах 20— 120 мм/ч, а точки печатаются от одного до трех раз в минуту. Перемещение кулачка 4 (дужки) и перфорированной ленты 2 осуществляется от одного привода.

Самопишущие вольтметры и амперметры с точечной записью могут быть более точными (класс 1,0), чем с не­ прерывной записью (класс 1,5—2,5).

205

§ 5.14. КОМПЛЕКС АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛИЗИРУЮЩИХ КОНТАКТНЫХ ПРИБОРОВ

При контроле и управлении производством, технологи­ ческим процессом, испытательным оборудованием и т. п. используются многочисленные и разнообразные электроиз­ мерительные приборы, с помощью которых измеряются электрические и неэлектрические величины. От конструк­ тивного исполнения этих приборов зависит удобство их эк­ сплуатации, так как оператору приходится следить за не­ сколькими десятками и даже сотнями приборов на пультах или щитах управления.

Одно из последних достижений отечественного приборо­ строения— создание унифицированного комплекса анало­ говых, сигнализирующих, контактных (АСК) электроизме­ рительных приборов [28]. Создание комплекса АСК стало возможным после разработки конструктивно новых у з к о ­ п р о ф и л ь н ы х приборов, которые позволили значитель­ но расширить информационные возможности аналоговых измерительных приборов. При равной длине шкалы прибо­ ры АСК занимают на щитах в 5— 10 раз меньшую площадь. Это позволяет сосредоточивать всю информацию на пуль­ тах в поле обзора оператора. Кроме того, с помощью рас­ положенных за шкалой специальных цветных светофиль­ тров цвет светового указателя при выходе контролируемо­ го параметра за установленные пределы автоматически изменяется (например, становится красным или зеленым). Использование цвета указателя в качестве дополнительно­ го источника информации существенно облегчает наблюде­ ние за показаниями приборов, так как оператору достаточ­ но взглянуть на группу, чтобы заметить, какие параметры отклонились от нормы.

Приборы снабжаются также фоторезисторами, уста­ навливаемыми вместе со светофильтрами таким образом, что световой указатель при отклонении за установленные пределы освещает фоторезисторы, которые с помощью внешних релейных устройств дают возможность включать дополнительную сигнализацию (например, звуковую) или осуществлять автоматическое регулирование контролируе­ мого процесса.

Узкопрофильный прибор (рис. 5.42, а) имеет плоский корпус 1, закрытый крышкой 2. Внутри корпуса размещены измерительный механизм (магнитоэлектрический, электро­ магнитный или ферродинамический в зависимости от из­

206

меряемой величины), подвижная часть которого снабжена зеркалом, оптическая система и элементы измерительной схемы. С задней стороны корпуса расположен патрон ос­ ветительной лампы 3, закрываемый крышкой 4.

Подключение измерительной цепи, питание осветитель­ ной лампы и соединение с блоком сигнализации и регули­ рования производятся с помощью штепсельного разъема 5

Рис. 5.42. Узкопрофильный прибор

таким образом, что приборы могут свободно выниматься и заменяться. Шкала 7 закрыта с лицевой стороны налич­ ником, состоящим из стекла и рамки 8. Шкала снабжена прорезью, закрытой прозрачным матовым экраном 9, на который проектируется световой указатель 10. Приборы имеют беспараллаксный отсчет. В целях получения наибо­ лее четкой и наглядной информации на шкале прибора на­ несено только обозначение измеряемой величины. Все ос­ тальные обозначения и надписи вынесены на крышку при­ бора.

Сигнализирующие приборы С снабжены двумя цветны­ ми светофильтрами — шторками (слева зеленый, справа красный).

На крышку прибора выведены корректор 13 и регуля­ торы установки светофильтров 6 и 15. Для контроля поло­ жения светофильтров на шкале под матовым экраном

207

имеется прозрачная полоса 12, через которую видны свето­ фильтры 11 и 14. Для корректировки нуля и установки све­ тофильтров на необходимое значение приборы с помощью специального захвата (рис. 5.42, б) выдвигаются из щита на расстояние, обеспечивающее доступ к корректору и ре­ гуляторам, при этом штепсельный разъем не отключается. Приборы крепятся на щитах и пультах с помощью специ­ альных направляющих.

Рис. 5.43. Многоканальный прибор АСК

Для одновременного контроля параметров, имеющих одинаковый диапазон измерения в различных точках объек­ та или нескольких объектов, разработаны многоканальные приборы на 3—4—8 или 12 каналов (рис. 5.43).

Шкала прибора имеет прорези, закрытые матовыми эк­ ранами, по которым перемещаются световые указатели. Они образуют на шкале график, что облегчает взаимное сопо­ ставление измеряемых параметров.

Многоканальные приборы занимают в два раза меньшую площадь на щитах, чем равное по числу каналов количест­ во узкопрофильных приборов.

Приборы АСК со световым указателем могут быть так­ же многошкальными. Такие приборы снабжены механиз­ мом, позволяющим переключать световой указатель с од­ ной шкалы на другую одновременно с переключением из­ меряемого параметра.

Аппаратура АСК (ГОСТ 15182—70) включает узкопро­ фильные приборы: постоянного и переменного токов; теп­

208

лового контроля для измерения температуры с помощью датчиков различного типа; многоканальные приборы по­ стоянного тока; многошкальные приборы; автоматические потенциометры (компенсаторы).

ГЛАВА 6. ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

ИЗМЕРЕНИЯ

§ 6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Для наблюдения и регистрации быстро изменяющихся процессов применяют осциллографирование. Регистрация может длиться от единиц секунд до долей микросекунд, а частота изменения наблюдаемых процессов заключена в пределах от нуля до сверхвысоких частот. Приборы для на­ блюдения, измерения и записи изменяющихся во времени разнообразных электрических процессов называют о с­

и больше) определяется количеством процессов, которые одновременно нужно наблюдать и регистрировать с помо­ щью этого прибора. Электромеханические осциллографы применяют для исследования процессов, частота которых не превышает нескольких килогерц.

В электронных осциллографах измерительным устрой­ ством является электроннолучевая трубка с одним, двумя или пятью лучами. Эти осциллографы позволяют исследо­ вать высокочастотные процессы. С их помощью можно на­ блюдать и фотографировать непрерывные и импульсные периодические и непериодические процессы, мгновенные одиночные явления, измерять амплитуды и длительности электрических колебаний, исследовать форму кривых на­ пряжения и тока, измерять частоту колебаний, разность фаз, модулированные колебания, а также амплитудные фа-- зовые, вольтамперные и другие характеристики различных устройств и систем. Современный осциллограф является универсальным измерительным прибором.