книги из ГПНТБ / Шумилин Н.П. Специальные измерения в проводной связи учебник

В технике проводной связи измерения напря­ жений или уровней по напряжению проводят значитель­ но чаще, чем измерения токов, поскольку при измерениях напряжения значительно проще выполнить основное тре­ бование ко всякому измерительному прибору: его вклю­ чение не должно изменять значения измеряемой величи­ ны и режима работы в исследуемой цепи.

Такое требование выполнимо только в том случае, ес­ ли сопротивление включаемого для измерений прибора обеспечивает достаточно малое потребление последним энергии. Сопротивление измерителя тока, включаемого последовательно, должно быть достаточно мало по срав­ нению с сопротивлением цепи, а сопротивление измерите­ ля напряжения (уровня по напряжению), включаемого параллельно некоторому сопротивлению, должно быть достаточно большим сравнительно с этим сопротивлени­ ем (см. задачи № 132 и № 137). Такое соотношение соп­ ротивлений должно сохраняться во всем диапазоне ча­ стот, в котором 'проводят измерения. Поэтому для изме­ рений в технике связи весьма существенной оказывается малая зависимость сопротивлений (и показаний) прибо­ ров от частоты.

Из измерителей токов этому требованию в достаточ­ ной степени удовлетворяют только приборы термоэлек­ трической системы. Однако в силу присущей этим прибо­ рам неспособности выдерживать даже незначительные (иногда 20%) перегрузки они не могут широко использо­ ваться в повседневной эксплуатации без надежных за­ щитных устройств. Если при этом учесть, что включение последовательно в работающую цепь связи измерителя

•191

тбка сопряжено с некоторым, хотя и кратковременным, разрывом цепи, то понятно стремление обойтись при кон­ троле работы цепей и аппаратуры связи измерителями напряжений, включаемыми параллельно и не нарушаю­ щими режима цепей.

Измерители токов в большинстве случаев использу­ ют как постоянно включенные в цепь приборы, особенно часто в цепях питания.

Что касается требований достаточно малой погреш­ ности измерений, достаточно большой чувствительности прибора и дешевизны, то в зависимости от назначения и области применения приборов они могут быть весьма различны.

Следует иметь в виду, что, кроме основной погрешно­ сти измерительного прибора, часто приходится учиты­ вать дополнительные погрешности от: изменения частоты, изменения напряжения источников питания, переключе­ ния шкал, смены ламп и изменений температуры.

Очевидными требованиями к каждому измерительно­ му прибору являются нужный диапазон измеряемых ве­ личин и длительный срок службы. Желательны удобства пользования прибором: непосредственный (в некоторых случаях цифровой, автоматический) отсчет, равномер­ ность шкалы, простота изменения диапазона измеряемых величин, удобные габариты и т. д.

При измерениях, где требуется высокочувствительный, но дешевый и удобный индикатор в диапазоне звуковых частот, находит применение телефон. Он реагирует на то­ ки порядка ІО-5 А, способен быть до некоторой степени избирательным индикатором, часто используется как ин­ дикатор нуля в мостовых схемах и весьма удобен для проверки («прозвонки») разнообразных схем по цепям и блокам. Телефон нередко используют как нулевой инди­

10.2.Термоэлектрические приборы

Втехнике связи для измерения постоянных то­ ков в основном применяют магнитоэлектрические прибо­ ры; для измерений токов промышленной частоты — элек­ тромагнитные приборы; для измерения же токов звуко­ вых и более высоких частот — магнитоэлектрические приборы с термоэлектрическими или полупооводниковыми преобразователями.

1 9 2

Термоэлектрический преобразователь представляет собой (рис. 10.1) соединение двух или нескольких, поме­ щенных в вакуум, проволочек из разнородных металлов

а) контактным по­ догревателем; б) бесконтактным подогревателем

гревателя. Два других конца этих проволочек (соединен­ ные с достаточно массивными пластинками для сохране­ ния ими температуры окружающей среды) подключены к магнитоэлектрическому прибору.

Электродвижущая сила термопары вызовет ток через прибор, зависящий от температуры нагрева спая, кото­ рая, в свою очередь, зависит от квадрата силы тока, по­ догревающего места спая. Таким образом, показания прибора определятся действующим значением тока, про­ ходящего через подогреватель (шкала прибора квадра­ тичная). Показания прибора, в принципе, не зависят от частоты тока и при любой форме его кривой соответст­ вуют эффективному значению измеряемой величины то­ ка или напряжения.

Некоторая зависимость от частоты (особенно на высо­ ких частотах) возникает за счет паразитных емкостей между прибором и землей, а также из-за некоторой (весьма малой) индуктивной составляющей сопротивле­ ния подогревателя и термопары. Для уменьшения влия­ ния емкостей рекомендуется включать прибор таким об­ разом, чтобы потенциал точки включения іприбора отно­ сительно земли был минимальным (см. задачи №№ 143, 144, 147). Диапазон'измеряемых токов — от сотен ам­ пер до миллиампер, при меньших токах термоэдс оказы­ вается недостаточной.

' Из-за неспособности термоэлектрических приборов выдержать даже незначительную перегрузку, их приме­ няют, главным образом, при лабораторных измерениях, когда квалификация измеряющего позволяет ожидать своевременного предупреждения перегрузок (путем стро­ гого соблюдения порядка включения шунтов или доба­

вочных сопротивлении). В некоторых приборах для уст­ ранения опасности перегрузок применяют автоматические устройства защиты.

Погрешность измерений для лучших термоприборов может быть получена не превосходящей 0,5% в диапазо­ не частот до 10 МГц и і-,5% для частот порядка сотен мегагерц.

Для увеличения входного сопротивления термоприбо­ ра, используемого как вольтметр, часто использу­ ют катодный повторитель (рис. 10.2). Входное сопро­ тивление такой схемы мо­ жет быть принято равным

10.3. Приборы с полупроводниковыми преобразователями

Измерительные механизмы магнитоэлектриче­ ской системы, будучи сопряжены с полупроводниковыми преобразователями, применяются для измерения токов и, главным образом, напряжений в диапазоне частот от десятков герц до мегагерц.

При широко распространенном линейном детектирова­ нии, когда вольтамперная характеристика полупроводни­ кового элемента может быть представлена линейно ло­ маной, -показания прибора пропорциональны средневып­ рямленному значению измеряемого тока или напряжения. Если же в диапазоне измеряемых величин характеристи­

ка полупроводникового эле­ мента представляется пара­ болой (или кусочно-лома­ ной кривой, близкой к пара­ боле), то показания прибо­ ра пропорциональны дейст­ вующему значению измеря­ емого напряжения и детек­ тирование считается квад­ ратичным.

194

На рис. 10.3 представлена принципиальная схема про­ стейшего линейного детекторного вольтметра с однополупериодиым выпрямлением. Положительная полуволна из­ меряемого напряжения поступает через детектор Ді на магнитоэлектрический микроамперметр. Переменные со­ ставляющие шунтируются конденсатором С, а постоян­ ная составляющая — средневыпрямленное значение, со­ ответствующее однополупериодному выпрямлению, — воздействует на измерительный механизм. Сопротивле­ ние R "“достаточно велико. Оно существенно больше соп­ ротивления диода Д х (в направлении пропускания) и по­ этому делает вольтамперную характеристику практиче­ ски линейной; кроме того, создает необходимую величи­ ну входного сопротивления вольтметра и определяет диа­ пазон измеряемых напряжений.

Назначение детектора Д 2 состоит в создании для от­ рицательной полуволны измеряемого напряжения при­ мерно такого же сопротивления, как и для положитель­ ной. Если бы Д 2 не было, то благодаря резкому увеличе­ нию сопротивления Ді для отрицательной полуволны, во-первых, входное сопротивление схемы для нее сильно бы возросло, а во-вторых (особенно для небольших зна­ чений R или при его отсутствии, когда измерялась бы си­ ла тока), на сопротивлении Ді возникало бы большое па­ дение'напряжения, опасное для полупроводника.

При использовавшихся ранее купроксных полупровод­ никовых элементах, вследствие их значительной емкости, приходилось для уменьшения зависимости показаний прибора от частоты вводить в схему элементы частотной компенсации (включая, например, последовательно с со­ противлением R некоторую емкость). В настоящее время используют обычно германиевые диоды, емкость которых настолько мала, что частотная компенсация, как прави­ ло, не требуется. Однако существенным недостатком мно­ гих кристаллических полупроводниковых элементов яв­ ляется значительная зависимость их параметров от тем­ пературы. Наибольшую температурную стабильность имеют кремниевые диоды.

Широкое применение нашли приборы с кристалличе­ скими детекторами и линейным детектированием в уст­ ройствах, предназначенных для быстрых ориентировоч­ ных измерений, допускающих сравнительно большую по­ грешность (до 10%). Такие устройства, обычно комбини­ рованные, позволяют контролировать постоянные и пере­ менные токи и напряжения в диапазоне звуковых частот,

а часто и сопротивления (на постоянном токе, используя схему омметра).

На рис. 10.4 приведена принципиальная схема подоб­

постоянного тока /= и сопротивлений постоянному току Q. Последнее осуществляется с помощью вмонтирован­ ных в прибор двух сухих элементов типа 1,5-ФМЦ-25.

измерений. Входными зажимами являются зажимы « + »

и <г—».

Для измерения переменных напряжений используют линейное однополупериодное детектирование с помощью двух полупроводниковых диодов Д2В. Микроамперметр магнитоэлектрической системы на 100 мкА (типа ИП-1) имеет (совместно с постоянно подключенным к нему соппротивлением R) сопротивление 1000 Ом. Входное сопро­ тивление вольтметра для постоянного тока 10000 Ом/В, для переменного — 3333 Ом/В. Падение напряжения на приборе при измерении постоянного тока равно: на пре­

шкалы до 100 В, и для частот 50—500 Гц для других шкал). Погрешность измерения напряжений постоянного тока не более 2,5% (кроме шкалы с пределами 0,1 В, где она 4%). Погрешность измерения силы постоянного то­ ка до 3 мА ± 1,5%, для других пределов ±12,5%. Все пог­ решности указаны относительно верхнего предела шка­ лы.

Для двухполулериодного выпрямления в детекторных приборах большей частью используют схему моста, в каждом из плеч которого полупроводниковый диод по­ ставлен таким образом, чтобы токи обеих полуволн про­ ходили через включенный в диагональ прибор в одном направлении. При этом устраняется опасность пробоя по-

196

+ 0

Ряс. 10.4. Схема авометра ВК7-1

107

лупроводника при отрицательной полуволне и достигает­ ся практическое равенство сопротивлений прибора для обеих полуволн, а, кроме того, возможно использование индикатора меньшей чувствительности (см. задачу № 142).

Примером полупроводникового квадратичного детек­ тирования может служить схема, приведенная на рис. 10.5. Такой детектор имеет кусочно-ломаную (сегмент-

Рнс. 10.5. Полупроводни­ ковый детекторный вольгметр с кусочно-линеГиіоі’і аппроксимлиней

пую) характеристику, близкую к квадратичной. На каж­ дый последующий диод подается смещение больше, чем на предыдущий, и он открывается только тогда, когда входное напряжение возрастает на некоторую опреде­ ленную величину. При этом увеличивается число прово­ дящих диодов и возрастает крутизна вольтамперной ха­ рактеристики. Отпиранию каждого из диодов соответст­ вует переход от одного кусочка линейно-ломаной харак­ теристики к другому. На рис. 10.6 (левом и среднем) но-

І

о-

аUm

о

Pme. 10.6. Получение ызадратичн'оп характеристи­ ки в вольтметре рис. 10.5

казано получение одного отрезка характеристики, а на рис. 10.6 правом — итоговая характеристика из ряда от­ резков.

Требуемое приближение к параболе достигается выбо­ ром напряжения.смещения и сопротивлений нагрузок для каждого из диодов. Такой квадратичный детектор имеет большую стабильность характеристики, чем квадратич­ ная характеристика отдельного нелинейного элемента

198

(например, лампы). Это объясняется тем, что сопротив­ ления проводящих диодов не оказывают влияния на ха­ рактеристику детектора благодаря их малости сравни­ тельно с линейными сопротивлениями. Закрытые же дио­ ды также не влияют на характеристику вследствие малой их 'проводимости. Напряжение смещения поддерживает­ ся постоянным путем питания от стабилизированного вы­ прямителя.

Для подачи на цепочку квадратичного детектора обо­ их полупериодов измеряемого напряжения перед ним обычно ставят линейный детектор на двух диодах, соб­ ранный по двухполупериодной схеме. В минусовую цепь включают магнитоэлектрический микроамперметр, сред­ нее значение тока через который благодаря наличию сег­ ментной цепочки оказывается пропорциональным квад­ рату поступившего на вход напряжения UBX.

10.4. Вольтметры с ламповыми и транзисторными преобразователями

Ламповые вольтметры в наибольшей степени удовлетворяют требованиям эксплуатации при измере­ ниях на высоких частотах, так как в них можно получить весьма высокое входное сопротивление и малую зави­ симость показаний от частоты. Применение усилителей позволяет весьма расширить пределы измерений. Кро­ ме того, схемные решения могут обеспечить практически полную защиту таких вольтметров от действия перегру­ зок. Основной их недостаток — необходимость питания и сложность поддержания его режима постоянным, что за­ трудняет получение большой точности измерений.

Весьма распространены диодные пиковые вольтметры, простейшие принципиальные схемы которых представле­ ны на рис. 10.7. Схема 10.7 а, в которой через измери-

Рис. 10.7. 'Простейший амплитудный (пиковый)

вольтметр с:

а) открытым входом; б) закрытым входом

199