книги из ГПНТБ / Электрические измерения. Общий курс учебник

ровки усилителей необходимо установить одинаковую чувствитель­ ность к напряжению по осям хну. При включении схемы на экране появляется эллипс. Изменением сопротивления г2 добиваются урав­ нивания вертикального и горизонтального отклонений. В этом слу­ чае падение напряжения на г2 будет равно падению напряжения на измеряемом полном сопротивлении, что соответствует условию z = —• г.,, где z — модуль искомого полного сопротивления. Синус угла сдвига фаз определяется из осциллограммы, как было показано выше (рис. 14В). Зная z и sin ср, можно легко найти значения ж и г по извест­ ным формулам:

a; = zsincp; r = J / r 2 — ж2 .

Исследования импульсовѵ Длительность импульса или его фронта, а также интервал между импульсами измеряются различными спо­ собами. Все они в общем случае сводятся к тому, что измеряемый

с периодом напряжения, вырабатываемого эталонным генератором. Ждущая развертка запускается импульсом, который является опор­ ным. Длительность развертки регулируется так, чтобы на экране были видны одновременно опорный и измеряемый импульсы (рис. 148). Если известна скорость развертки, то интервал между импульсами можно определить по величине расстояния между ними. Для более точных измерений на экран подаются фиксированные метки от временного калибратора (генератора меток). Вместо фикси­ рованных меток можно применить подвижную метку (рис. 149), иногда называемую стробирующим сигналом. Эту метку перемещают по линии развертки от опорного до измеряемого импульса. В этом случае отсчет времени производится по положению рукоятки, упра­ вляющей перемещением стробирующего сигнала. Передвижение метки по экрану происходит за счет переменной задержки ее во времени относительно опорного импульса.

Для измерения длительности импульса калибрационные метки накладываются на его изображение путем подачи их на пластины (рис. 150, а) или на модулирующий электрод трубки. Соответствую­ щие осциллограммы показаны на рис. 150, б и в .

220

Наряду с линейной разверткой при измерении промежутков вре­ мени часто применяется круговая развертка. В этом случае измеряе­ мый импульс преобразуется при помощи дифференцирующей схемы (рис. 151) в два коротких остроконечных импульса, которые подаются на радиальный отклоняющий электрод трубки. Частота развертки

Рис. .150. Измерение длительности импульса при ждущей линейной развертке: а — схема для подачи калиброванных импульсов на пластины у; б — осциллограмма при подаче калибрационных импульсов на пластины в — осцилло­ грамма при модуляции яркости

регулируется до тех пор, пока осциллограмма не примет вид, пока­ занный на рис. 152, а, т. е. на окружности появится зубец и впадина. При этом длительность импульса будет равна длительности раз­ вертки, улшоженной на отношение расстояния между зубцом и впади­ ной к длине всей окружности.

и впадины (рис. 152, б); в этом случае длительность импульса будет равна длительности развертки.

ѵ Если рассматривается периодическая последовательность импуль­ сов одной полярности, то, подавая эти импульсы на радиальный элек­ трод, получают при равенстве периода следования импульсов и дли­

221

напряжения. Для этой цели исследуемые импульсы подаются на у-пластины и на зажимы внешней синхронизации осциллографа. Получив устойчивое изображение на экране и измерив расстояние между двумя соседними импульсами, отключают измеряемое напря­ жение па экране и вместо него подают эталонное синусоидальное напряжение. Внешняя синхронизация по-прежнему осуществляется исследуемыми импульсами. Изменяя частоту /э , нужно добиться положения, при котором период синусоидальной кривой на экране будет близок к измеренному периоду исследуемых импульсов и изоб­

х-пластины. Изменяя частоту /э , добиваются устойчивой картины, когда на экране виден лишь один импульс. Соответствующая этому частота будет точно равна частоте / ж следования импульсов. Для сравнения частот может быть использована также и круговая раз­ вертка. Исследуемое напряжение подается на радиальный электрод, а эталонное напряжение создает круговую развертку. Количество зубцов на осциллограмме определяет кратность отношения исследуе­ мой частоты и эталонной.

Исследование импульсов наносекундной длительности. Ря д областей совре­ менной науки и техники характеризуется стремлением использовать все более короткие импульсы, длительность которых измеряется единицами и даже деся­ тыми долями наносекунд (10_ в —10~1 0 с). Сюда относятся ядерная физика, вычис­ лительная техника, высокочастотная радиотехника и др.

Исследование импульсов столь малой длительности с помощью обычных осциллографов невозможно. Д л я этой цели строятся скоростные осциллографы, использующие специальные электроннолучевые трубки с отклоняющими элект- < родами типа бегущей волны. Такие трубки позволяют получить полосу пропу­ скания до 2000—3000 МГц. Однако необходимость при таких частотах подавать сигнал непосредственно на отклоняющие пластины (без вспомогательного уси­ лителя) приводит к чрезвычайно низкой (0,2—0,3 мм/В) чувствительности ос­ циллографа. Поэтому в настоящее время получают распространение так назы­ ваемые стробоскопические методы осциллографирования, позволяющие иссле­ довать импульсы наносекундной и субнаносекундной длительности с помощью обычных электроннолучевых трубок.

Стробоскопическое осциллографирование базируется на том же эффекте кажущегося замедления быстропеременного процесса, который был использо­ ван при построении известных механических и электрических стробоскопов.

Принцип работы стробоскопического осциллографа основан на измерении мгновенных значений повторяющихся сигналов, поступающих на его вход, с помощью коротких так называемых «стробирующих» импульсов (строб-пмнуль- сов) напряжения .

Сигналы и строб-импульсы поступают на входное (переключающее) устрой­ ство, которое выполняет роль ключа, отпирающегося только на время действия строб-импульса. Строб-импульсы автоматически сдвигаются во времени отно­ сительно сигнала при каждом повторении и таким образом последовательно считывают его по точкам (рис. 153). Поэтому во входном устройстве происходит как бы модуляция сигналом импульсов по амплитуде и одновременно произ­ водится их расширение. На выходе преобразователя создается последователь­ ность расширенных импульсов, огибающая амплитуд которых повторяет форму сигнала. Эта последовательность импульсов, в свою очередь, циклически повто­ ряется.

222

После выделения огибающей импульсов на выходе преобразователя полу­ чается аналоговый сигнал, идентичный исследуемому, по «растянутый» (транс­

"тр - Atc

т. е. коэффициент трансформации времени примерно равен отношению периода сигнала к шагу считывания.

а)

б)

Рис. 153. Принцип стробоскопического преобразования сигнала:

а— исследуемый сигнал; б — строб-пмпульсы па выходе преобразо­ вателя; в —- изображение сигнала на экране осциллографа

Период повторения строб-импульсов не обязательно должеп соответство­

лограф может работать не только с периодическими сигналами. Достаточно, чтобы сигналы были просто повторяющимися и имели одинаковые форму и пара­ метры.

Стробоскопический осциллограф является сложным электронным измери­ тельным прибором. Его устройство и особенности по сравнению с осциллогра­ фами общего назначопия описаны в специальной литературе (см. например, 10. А. Рябинин. Стробоскопическое осциллографирование. „Советское радио", 1968).

Современные стробоскопические осциллографы, обладая чувствительностью 10—20 мм/В, позволяют наблюдать импульсы с длительностью фронта, равной десятым долям наносекунды. Следует отметить, что, помимо специальных ос­ циллографов, изготавливаются стробоскопические приставки, позволяющие наблюдать наносекундные сигналы, пользуясь обычными низкочастотными ос-

223

щшлографами. В частности, отечественной промышленностью выпускается стро­ боскопическая приставка типа С1-21-, которая дает возможность с помощью низкочастотного осциллографа (например, С1-19) исследовать импульсы про­ должительностью в 2—3 не.

Глава шестая

ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН МЕТОДАМИ СРАВНЕНИЯ С МЕРОЙ

27. Общие сведения

Принципы измерения электрических величин методом сравнения с мерой. Сравнение измеряемой величины с мерой происходит при любом измерении. Во многих случаях мера заменяется некоторым ее эквивалентом и непосредственно в процессе измерения не исполь­ зуется. Например, в электромеханических приборах измеряемая ве­ личина в конечном счете преобразуется в угол отклонения подвиж­ ной части и отсчет измеряемой величины производится по шкале, которая заранее градуируется с помощью меры.

Вбольшой группе средств измерений реализуется метод сравне­ ния измеряемой величины с мерой и измерения заключаются в уста­ новлении равенства или определенного соотношения между значе­ нием измеряемой величины и значением меры.

Вприборах и устройствах сравнения может быть использована мера однородная с измеряемой величиной или неоднородная. Напри­ мер, при измерении индуктивности с_помощью моста переменного

тока в качестве меры можно использовать емкость конденсатора. В этих случаях определение значения измеряемой величины произ­ водится на основании известной математической зависимости изме­ ряемой величины от меры, реализуемой в средстве измерения.

Все известные методы сравнения по характеру самой операции сравнения можно разделить на методы одновременного и разновре­ менного сравнения.

Метод одновременного сравнения. Этот метод характеризуется одновременным участием измеряемой величины и меры в процессе измерения и объединяет следующие известные методы сравнения: а) нулевой, б) дифференциальный и в) совпадения. На основе нуле­ вого метода осуществляются широко применяемые на практике приборы сравнения в виде мостов и потенциометров (компенсаторов) постоянного и переменного тока с полным ручным или автоматиче­ ским уравновешиванием.

Дифференциальный метод может быть Применен с использова­ нием приборов непосредственной оценки или сравнения для изме­ рения разности двух величин: измеряемой и образцовой. Примером может служить измерение разности двух напряжений: эталонного и искомого. В этом случае, как было показано в гл. 1, повышается точность измерения.

224

Метод совпадения может быть применен для определения значе­ ния измеряемой величины с использованием специальных средств, (см. гл. 1) или приборов общего назначения, например электронно­ лучевого осциллографа, при помощи которого можно измерить ча­ стоту сигнала (см. § 2(5).

Методы одновременного сравнения могут быть использованы в приборах и устройствах, обеспечивающих любые виды измерений: прямые, косвенные и совокупные.

Метод разновременного сравнения. Разновременное сравнение означает различное по времени участие измеряемой величины и меры в процессе измерения. Измерение в этом случае распадается на два этапа и результат измерения определяется по двум измерениям: с участием измеряемой величины на первом этапе и меры — на втором.

К разновременному сравнению относится метод замещения, рас­ смотренный в гл. 1.

Общее развитие техники (создание устройств «памяти», автомати­ ческие счетно-решающие устройства и т. д.) позволяет в настоящее

переводит переключатель в положение 2, измерительный преобразователь фор­ мирует импульс длительностью т2 , который пропускает в блок ЗБВ число им­ пульсов N2, вычитаемых счетчиком импульсов от числа Nx. Разность чисел импульсов JVj — ІѴ2, очевидно, будет пропорциональна разности величин aN и ах. Эта разность с соответствующим знаком указывается индикатором — ревер­ сивным счетчиком импульсов, а также может быть использована в качестве сиг­ нала для целей автоматического управления процессом. Такой метод измере­ ния величин обладает рядом достоинств. Обеспечивается высокая точность изме­ рения, так как при большом быстродействии устройства непостоянство харак­ теристик блоков устройства не вносит погрешности, результаты измерения фик­ сируются в цифровой форме и др. Известны и другие приборы, реализующие метод разновременного сравнения для измерения различных физических вели­ чин.

28. Общая теория мостовых схем

сопротивление, индуктивность, емкость и угол потерь конденсаторов, взаимную индуктивность и частоту. Мостовые схемы широко исполь­ зуются также для измерения незлектрнческих величин электриче­ скими методами, например температуры, малых перемещений, и применяются в различных автоматиче­ ских и телемеханических устройствах.

Широкое применение мостовых схем объясняется большой точностью изме­ рений, высокой чувствительностью, воз­ можностью измерения различных вели­ чин и т. д.

Принципиальная схема одинарного моста постоянного тока приведена на рис. 155, а. Плечи или ветви моста «б, бв, га. и вг содержат соответственно со­ противления г\, r2, r3, ?4, а в диаго­ наль бг, называемую выходной, вклю­ чен нуль-индикатор, например гальва­

нометр. Выражение для тока / , проходящего через гальванометр, можно получить различными способами, используя законы Кирх­ гофа, метод контурных токов или теорему об эквивалентном геие-

раторе «значениео тока в цепи гальванометра

этого необходимо, как это следует из выражения (136), иметь равен­ ство

Равенство (137) показывает возможность включения измеряемого сопротивления в любое плечо моста и определение его величины через сопротивления трех других плеч.

В мостах переменного тока (рис. 155, б) сопротивления плеч моста

226

Если в уравновешенном мосте (ZX Z4 = Z2ZS) какое-нибудь плечо, например Zx, получит приращение AZX, то, пренебрегая величиной AZX в знаменателе, получим

Мосты, в которых измеряемая величина определяется из усло­ вия равновесия (137) и (142), называются уравновешенными. В ряде случаев, особенно в области измерения неэлектрических величин, измеряемая величина может определяться по величине тока или напряжения выходной диагонали моста. Такие мосты называются неуравновешенными.

Чувствительность мостов. Важной характеристикой мостовой схемы является ее чувствительность, под которой понимается предел отношения приращения выходного сигнала Ау к приращению вход­ ной величины Ах, когда последнее стремится к нулю, т. е.

SM с = l i m А ^ .

Ах — о ах

Выходным сигналом мостовой схемы может быть ток, напряже­ ние или мощность. Входной величиной является измеряемая вели­ чина (сопротивление, индуктивность и др., включенные в плечо мо­ ста). В соответствии с этим различают чувствительность мостовой схемы по току, напряжению и мощности. Приближенно чувствитель­ ность мостовой схемы можно определить как отношение конечных приращений измеряемой величины и выходного сигнала вблизи рав­ новесия:

Ах

При наличии нуль-индикатора чувствительность моста согласно методике, рассмотренной в гл. 1, равна произведению чувствительностей мостовой схемы и нуль-индикатора.

Сходимость мостов переменного тока. Как указывалось выше, для уравновешивания моста переменного тока необходима регули­ ровка не менее двух параметров схемы. Поэтому при конструирова­ нии мостов переменного тока возникает вопрос о сходимости моста. Под сходимостью понимается способность моста достигать состояния равновесия большим или меньшим числом поочередных переходов от регулировки одного параметра к регулировке другого.

29. Мосты для измерения сопротивления на постоянном токе

Одинарные мосты постоянного тока. Одинарными мостами посто­ янного тока принято называть четырехплечие мосты с питанием от источника постоянного тока. Они широко используются для измере­ ния сопротивления на постоянном токе. Принципиальная схема

228

моста приведена на рис. 155, а. В качестве нуль-индикаторов в мо­ стах постоянного тока обычно применяются магнитоэлектрические гальванометры.

Процесс измерения с помощью моста заключается в том, что в одно из плеч моста (например, г-Л включают измеряемое сопротив­ ление гх и, изменяя одно или несколько сопротивлений плеч, доби­ ваются отсутствия тока в цепи гальванометра. Тогда на основании уравнения (137)

Условимся г3 и г.% называть плечами отношения, г3 — плечом сравнения.

На основании определения чувствительности и уравнения (144) выражение чувствительности мостовой схемы по току, напряжению n мощности можно представить так:

и мощности в диагонали моста вблизи равновесия при изменении сопротивления плеча на величину Аі\.

Как видно из формулы (147), чувствительность моста к относи­ тельному изменению сопротивления выражается в делениях на про­

Если приращение сопротивления Агх мало но сравнению с сопротив­ лением гх плеча, то приращение тока AI, учитывая уравнение (136),

т. е. вблизи равновесия моста ток в диагонали в первом приближе­ нии изменится пропорционально приращению сопротивления одного из плеч.

229