книги из ГПНТБ / Атамалян Э.Г. Методы и средства измерения электрических величин учеб. пособие

но порядка 1 МГц) «пуск». В момент времени t2, когда напряжение UK делается равным измеряемому напряжению 0 Х, ЭК закрывается и прекращается подсчет импульсов счетчиком импульсов СчИ «Сброс».

Число подсчитанных им­ пульсов N за время Дt = = t2 — tx пропорциональ­ но значению напряжения Ux. Цифровой индикатор ЦИ выдает величину изме­ ренного напряжения в де­ сятичной системе счисле­ ния. В вольтметре пред­ усматривается внутренняя калибровка с помощью встроенного источника ка­ либровочного напряжения.

Погрешность прибора зависит от линейности ГПН, стабильности ГСчИ, чувствительности СС, точности установки нуля или опорного напряжения.

Одним из недостатков рассмотренного метода является влияние различных помех на результат измерения. Наибольшая погрешность определяется пиковым значением напряжения помех £/м п. Для борьбы с симметричными помехами применяют интегрирующие вольтметры,

а также вольтметры с время-импульсным преобразованием и двойным интегрирова­ нием.

Э л е к т р о н н ы е в о л ь т м е т р ы с ч а с т о т н о - и м п у л ь с н ы м п р е ­ о б р а з о в а н и е м ( и н т е г р и р у ю ­ щие ) . Из формулы (3-45) следует, что среднее арифметическое значение напряже­ ния за период интегрирования Uср равно значению измеряемого постоянного напря­ жения Ux без симметричной помехи (рис.

3-32). Схема интегрирующего вольтметра представлена на рис. 3-33. Измеряемое напряжение u (t) = Ux + и„ (/), приведенное во вход­ ном устройстве Вх.У до нормализованного значения, поступает на пре­ образователь напряжение — частота ПИ_ч, где преобразуется в импуль­ сы определенной частоты (Ян_ч выполняют на основе интегрирующего звена; по схеме лампового мультивибратора и др.). Между измеряемым

90

напряжением и частотой следования импульсов существует линейная зависимость

Импульсы с частотой следования, пропорциональной входному напряжению, поступают в счетчик импульсов цифрового частотомера ЦЧ. Выбирая соответствующий режим работы счетчика импульсов, указанное выше интегрирование можно заменить суммированием. Поэтому среднее значе-

ние частоты следования импульсов / ср за интервал времени, кратный периоду помехи, будет равно частоте, соответствующей измеряемому постоянному напряжению без помехи:

б и н и р о в а н н ы м п р е ­ о б р а з о в а т е л е м . Вольтметры с комбинированным преобразо­

вателем сочетают в себе комбинацию время-импульсного или чаще частотно-импульсного преобразования с кодо-импульсным преобра­ зованием. На рис. 3-34 представлена структурная схема вольтметра высокой точности. Процесс измерения осуществляют следующим обра­ зом. Измеряемое напряжение их поступает на входное устройство Вх.У, а затем в преобразователь напряжение — частота Пн_ч, в кото­ ром напряжение преобразуется в пропорциональное значение частоты (первичное интегрирование).

91

Блок управления Б У открывает электронные ключи ЭЮ и ЭК2, при этом фиксируются только первые декады старшего разряда счет­ чика ДСРСч, следовательно, напряжение измеряется грубо и равно U'x. После компенсации входного напряжения U'x по старшим разрядам заканчивается первое сравнение. Накопленное в счетчике число преоб­ разуется с помощью код-аналогового преобразователя Пк_а в постоян­ ное напряжение UK= Ux, которое в схеме сравнения СС вычитается из измеряемого входного напряжения Ux. Оставшаяся нескомпенсированной по старшим разрядам разность напряжений AU входного Ux некомпенсированного напряжения U'X(AU = Ux — U'x) подвергается вторичному интегрированию. Разность AU вновь преобразуется в им­ пульсы, которые подсчитываются за определенный отрезок времени остальными декадами младшего разряда счетчика ДМРСч, при этом открыт ключ Ж З . Результаты измерения двух сравнений суммируются и только после этого цифровой индикатор выдает окончательный ре­ зультат.

Погрешность измерения входного напряжения вольтметром с ком­ бинированным преобразователем составляет ±0,01 %, при погрешности преобразователя напряжение-частота — 0,3% и погрешности преоб­ разователя код-аналог — 0,002 %. (сложность преобразования снижает быстродействие).

Цифровые вольтметры переменного тока. Методы непосредственного измерения переменных напряжений с помощью цифровых приборов недостаточно хорошо разработаны. Цифровые вольтметры переменного тока строят в основном по принципу преобразования переменного на­ пряжения в:

а) постоянное напряжение, которое затем измеряется вольтметром

При создании преобразователей переменного тока в постоянный необходимо обеспечить высокую степень линейности амплитудной характеристики U_ = q>2 (UJ при большом динамическом диапазоне, постоянство характеристик в широком диапазоне частот, малые пуль­ сации и т. д. Наибольшее распространение получили преобразователи среднего значения (см. § 2.1), которые представляют собой линейный выпрямитель с фильтром и усилителем, охваченным глубокой отрица­ тельной обратной связью.

Показания вольтметра зависят от формы кривой измеряемого напря­ жения, так как шкалу градуируют в действующих значениях синусо­ идального напряжения. Измерение переменного тока связано с необ­ ходимостью учета формы кривой измеряемого напряжения. Поэтому большое значение имеют методы измерения действующего значения переменного тока, результаты которых не зависят от формы кривой измеряемого напряжения. В этом отношении интерес представляют вольтметры действующего значения с;

92

Часть II

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Глава 4

ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

§ 4-1. Методы измерения

Измерение тока и напряжения осуществляется в цепях как постоян­ ного, так и переменного токов широкого диапазона частот. Наиболее высокую точность измерений получают в цепях постоянного тока. При измерениях в цепях переменного тока точность измерений пони­ жается с повышением частоты, здесь кроме оценки величин действу­ ющего, среднего и максимального значений в ряде случаев требуется наблюдение формы исследуемого сигнала и знание мгновенных значе­ ний тока и напряжения. Выбор измерителей тока и напряжения обу­ словлен примерным амплитудным, а также частотным диапазоном, фор­ мой кривой измеряемой величины, мощностью цепи, в которой осущест­ вляется измерение, мощностью, потребляемой прибором, необходимой точностью измерения и т. д. Если необходимая точность измерения, допустимая мощность потребления и другие требования могут быть обеспечены амперметрами и вольтметрами электромеханической груп­ пы, то, конечно, следует предпочесть этот простой метод непосредствен­ ного отсчета любому другому.

В маломощных цепях постоянного и переменного токов для изме­ рения напряжения обычно пользуются электронными вольтметрами непосредственной оценки со стрелочным или цифровым отсчетом. Измерение же тока осуществляется косвенным методом: измерением напряжения на образцовом резисторе с известным сопротивлением. При необходимости измерения тока и напряжения с более высокой точностью следует использовать приборы, основанные на методах сравнения. Для наблюдения формы и определения мгновенных значений исследуемого напряжения и тока применяют осциллографы.

§ 4-2. Измерение постоянного тока

Диапазон величин постоянных токов, с измерением которых при­ ходится встречаться в различных областях техники, чрезвычайно велик: от токов 1СГ17 А до десятков и сотен тысяч ампер. Поэтому, естественно, методы и средства измерения их различны.

06

Наряду с многопредельными приборами, использующими несколь­ ко однопредельных шунтов (рис. 4-2, а), большое распространение полу­ чили многопредельные ступенча­ тые шунты, включаемые по

кольцевой схеме (рис. 4-2, б). Если принять / i < / 2, то для

предела /j сопротивление шунта

R m 1 = R i -Ь R 2 — R J ( n i ~ 1)i

Аналогично выполняют расчет для многопредельного ступенчатого шунта.

В приборах с многопредельными ступенчатыми шунтами наименьший предел измерения всегда больше тока полного отклонения. Схема с комплектом отдельных шунтов имеет тот недостаток, что при пере­ ключении пределов измерения прибор находится под нагрузкой, а это может привести к повреждению измерительного механизма. Такого недостатка лишена схема со ступенчатыми шунтами, включенными по кольцевой схеме, в которой в моменты переключения происходит разрыв общей цепи измеряемого тока и ток через прибор при этом вообще не протекает. В схеме с комплектом отдельных шунтов на точность изме­

Из м е р е н и е э л е к т р о д и н а м и ­

че с к и м и а м п е р м е т р а м и . Приме­ нение электродинамических амперметров воз­ можно для измерения токов 0,1 -т- 10 А. Изменение пределов измерения достигается секционированием неподвижных катушек, а

также комбинацией последовательно-парал­ Рис. 4-3. Схема измере-' лельного соединения секций неподвижных ния тока компенсатором

катушек с подвижной катушкой прибора.

Использование электродинамических приборов для измерения токов миллиамперного диапазона в маломощных цепях ограничивается большим собственным потреблением энергии и малой чувствительно­ стью.

И з м е р е н и е к о м п е н с а ц и о н н ы м м е т о д о м . Из­ мерение тока этим методом может быть осуществлено косвенным пу­

98

тем. На образцовом сопротивлении R измеряют компенсационным методом напряжение U (рис. 4-3). Величина тока / = U/R.

Малое сопротивление R выбирают такой величины, чтобы не нару­ шался режим цепи, в котором осуществляется измерение, и при наи­ большем значении тока / падение напряжения на нем не превышало бы верхнего предела измерения компенсатора.

Метод применяется при поверке и градуировке точных измери­ телей тока, а также при измерениях в маломощных цепях.

§ 4-3. Измерение тока промышленной частоты

Измерение токов промышленной частоты выполняют в основном с помощью приборов электромагнитной системы, а при повышенной

Рис. 4-4. Соединения секций катушки электромаг­

нитного амперметра с соотношением пределов

1: 2: 4

Диапазон измерения токов весьма широк. Изменение пределов изме­ рения в приборах электромагнитной системы осуществляется измене­

дороговизне. Пределы измерения расширяют с помощью измери­