18. Методы измерений

Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей или шкалой в соответствии с реализованным принципом измерений.

По общим приемам получения результатов измерений методы различают на:

• прямой метод измерений – измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Прямые измерения не требуют методики проведения измерений и проводятся по эксплуатационной  документации на применяемое средство измерений; 

• косвенный метод измерений – измерение, результат которого определяют на основании прямых измерений величин, связанных с измеряемой величиной известной зависимостью. Косвенные измерения применяются в случаях, когда невозможно выполнить прямые измерения, например при определении плотности твердого тела, вычисляемой по результатам измерений объема и массы.

По условиям измерения:

• контактный метод измерений – основан на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения (измерение температуры тела термометром);

• бесконтактный метод измерений – основан на том, что чувствительный элемент прибора не приводится в контакт с объектом измерения (измерение расстояния до объекта радиолокатором, измерение температуры в доменной печи пирометром).

Исходя из способа сравнения измеряемой величины с ее единицей, различают:

• метод непосредственной оценки – метод при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству показывающего СИ (термометр, вольтметр и пр.). Мера, отражающая единицу измерения, в измерении не участвует. Ее роль играет в СИ шкала, проградуированная при его производстве с помощью достаточно точных СИ.

• метод сравнения с мерой – метод при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями). Существует три разновидности этого метода:

  • нулевой метод – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля, например, измерения электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием;

  • метод замещения – основан на сравнении с мерой, при котором измеряемую величину замещают измвестной величиной, воспроизводимой мерой, сохраняя все условия неизменными, например взвешивание c поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов; 

  • метод совпадений – метод сравнения с мерой, в котором разность между значениями искомой и воспроизводимой мерой величин измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов, например при измерении с использованием штангенциркуляс нониусом наблюдают совпадение меток на шкалах штангенциркуля и нониуса;

• дифференциальный метод – метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами.

• метод совпадений – метод измерений, при котором определяют разность между измеряемой величиной и величиной воспроизводимой мерой, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Примером этого метода является измерение длины при помощи штангенциркуля с нониусом. Метод совпадений часто применяется при измерениях параметров периодических процессов.

19. Мостовая схема. Мосты постоянного тока.

20. Мосты переменного тока для измерения емкости и индуктивности.

ВЫШЕ!!!!!

21. Оценка погрешности косвенных однократных измерений.

22. Обработка результатов многократных прямых измерений.

23. Величины, измеряемые на переменном напряжении. Коэффициенты формы и амплитуды, их применение для определения результатов измерения на переменном токе

На счет расчета коэффициента формы я не уверен

Коэффициент формы (Kf​) — это безразмерная величина, которая показывает соотношение между действующим (эффективным) и средним выпрямленным значением переменного напряжения или тока.

24. Электронные вольтметры (ЭВ) переменного тока. Классификация. Структурные схемы ЭВ, характеристики ЭВ.

2.1. Электронные вольтметры.

В электронных вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется с помощью аналоговых электронных устройств в постоянный ток, который подается на магнитоэлектрический ИМ, шкала которого градуирована в единицах напряжения. Достоинства электронных вольтметров, обусловившие их широкое применение, следующие:

а) высокая чувствительность;

б) большой динамический диапазон измеряемых значений (от мкВ до сотен вольт);

в) высокое входное сопротивление и малая входная емкость;

г) могут работать в широком частотном диапазоне (от постоянного тока до сотен МГц).

Наиболее часто электронные вольтметры (ЭВ) имеют структуру прямого преобразования сигналов измерительной информации. Поэтому некоторые структурные элементы схемы могут вносить значительные погрешности. Особенно это существенно при измерении малых напряжений или высоких частот. Поэтому вольтметры имеют сравнительно невысокие классы точности (1…6).

Промышленность выпускает много типов вольтметров. По назначению и принципу действия они подразделяются на:

- вольтметры постоянного тока;

- вольтметры переменного тока;

- универсальные вольтметры;

- импульсные вольтметры;

- селективные вольтметры.

2.1. Вольтметры постоянного тока.

Упрощенная структурная схема этих вольтметров приведена ниже.

Рисунок 2.1 - Структурная схема вольтметра постоянного тока.

На этой схеме: ВД – входной делитель напряжения; УПТ – усилитель постоянного тока; ИМ - магнитоэлектрический измерительный механизм.

Уравнение шкалы вольтметра записывается следующим образом:

где: , , - коэффициенты преобразования ВД, УПТ и ЭВ; - чувствительность по напряжению ИМ.

2.2 Вольтметры переменного тока.

Вольтметры переменного тока состоят из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического ИМ. Возможны две структурные схемы таких вольтметров, различающиеся своими характеристиками.

Рисунок 2.2 - Структурные схемы вольтметров переменного тока.

В схеме «а» УПТ и ИМ по сути дела представляют собой вольтметр постоянного тока. Преобразователь ПР здесь малоинерционное нелинейное звено, поэтому такие вольтметры могут работать в широком частотном диапазоне, но имеют низкую чувствительность.

В схеме «б» благодаря предварительному усилению напряжения UХ удается повысить чувствительность, но трудно обеспечить широкополосность (это связано с трудностью создания усилителя переменного тока, имеющего высокий коэффициент усиления и широкую полосу пропускания). Чувствительность таких вольтметров достигает несколько десятков мкВ

2.3 Универсальные вольтметры.

Предназначены для измерения напряжений постоянного и переменного токов. Обобщенная структурная схема приведена ниже:

Рисунок 2.4 - Структурная схема универсального вольтметра.

В зависимости от положения переключателя Ѕ прибор работает как вольтметр переменного тока с преобразователем ПР (положение 1) или вольтметр постоянного тока (положение 2). В универсальных вольтметрах, называемых комбинированными, часто предусматривается возможность измерения и электрического сопротивления на постоянном токе. Для этого ЭВ имеет преобразователь ПR , выходное напряжение которого функционально связано с измеряемым сопротивлением. При этом измеряемое RX подключается ко входу преобразователя ПR, а переключатель Ѕ переводится в положение 3.

2.4 Импульсные вольтметры.

Предназначены для измерения амплитуды импульсных сигналов различной формы. Особенность работы этих вольтметров определяется малой длительностью τ измеряемых импульсов (от 10 до 100 нс) и значительной скважностью θ=Т/ τ (до 109).

Импульсные вольтметры градуируют в амплитудных значениях измеряемых сигналов. В документации вольтметра указывают допускаемые значения длительности импульсов и скважность, при которой погрешность остается в пределах нормированных значений.

2.5 Селективные вольтметры.

Предназначены для измерения действующего значения напряжения в некоторой полосе частот или действующего значения отдельных гармонических составляющих сигнала. Принцип действия заключается: а) в выделении гармонических составляющих сигнала или узкой полосы частот сигнала с помощью перестраиваемого полосового фильтра и б) измерении действующего значения выделенного сигнала. Упрощенная структурная схема селективного вольтметра показана на рисунке ниже:

Рисунок 2.5 - Структурная схема селективного вольтметра.

25. Электронно-лучевые осциллографии (ЭЛО). Виды ЭЛО, характеристики, структурная схема ЭЛО. Применение электронно-лучевых осциллографов для наблюдения сигналов и измерения амплитудных и временных параметров сигналов. Погрешности измерения.

Электронно-лучевым осциллографом (ЭЛО) называют прибор для наблюдения и измерения электрических сигналов, в котором используется отклонение одного или нескольких электронных лучей электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) для получения изображений мгновенных значений функциональных зависимостей сигналов от времени или других параметров.

ЭЛО различаются по назначению, принципу действия, характеру исследуемых сигналов, точностным характеристикам и конструктивному исполнению.

ЭЛО делят на следующие группы:

- общего применения;

- многоканальные и многолучевые;

- запоминающие;

- широкополосные (скоростные);

- стробоскопические;

- специальные.

ЭЛО общего применения предназначены для наблюдения и измерения электрических сигналов с большими диапазонами амплитуд, частот повторения и длительностей. Они могут быть как простыми, так и многофункциональными. Их называют универсальными ЭЛО.

Многоканальные ЭЛО (рис. 1) позволяют на экране однолучевой ЭЛТ одновременно исследовать два и более сигналов. В их основе лежит использование коммутаторов исследуемых сигналов.

Рис. 1. Упрощенная структурная схема двухканального ЭЛО.

Многолучевые ЭЛО (рис. 2) используют ЭЛТ, имеющие два и более электронных лучей управляемых отдельно или совместно.

Запоминающие ЭЛО (ЗЭЛО) позволяют сохранить на некоторое время исследуемый сигнал для однократного или многократного визуального наблюдения или дальнейшей обработки. В основе применения ЗЭЛО лежит использование запоминающих ЭЛТ или других, в частности, цифровых, запоминающих устройств.

Широкополосные ЭЛО предназначены для исследования сигналов с широким спектром частот в реальном времени и с преобразованием временного масштаба.

Рис. 2. Упрощенная структурная схема двухлучевого ЭЛО

Стробоскопические ЭЛО позволяют растягивать во времени (сжимать в частотной области) исследуемые сигналы без искажения их формы. Это позволяет усиливать сигналы и наблюдать их на обычной ЭЛТ. В настоящее время широкое практическое применение нашли стробоскопические ЭЛО, пригодные для преобразования временного масштаба лишь повторяющихся сигналов.

Специальные ЭЛО предназначены для целевого применения – для телевизионных измерений, для измерений в системах автоматического контроля и управления и т.п. В ряде случаев такие приборы за счет уменьшения их универсальности могут обладать значительно лучшими параметрами, чем универсальные. Возможности ЭЛО со встроенными микропроцессорами значительно расширяются.

Все ЭЛО характеризуются следующими основными параметрами:

- погрешностью измерения напряжения;

- диапазоном значений и погрешностью коэффициентов отклонения;

- временем нарастания, выбросом, неравномерностью плоской вершины и временем установления переходной характеристики (ПХ);

- входными сопротивлением и емкостью;

- коэффициентом отражения или коэффициентом стоячей волны (для ЭЛО с согласованным входом);

- допускаемой суммарной величиной постоянного и переменного напряжения на закрытых входах;

- пределами перемещения луча по вертикали;

- погрешностью измерения временных интервалов;

- диапазоном значений и погрешностью коэффициентов развертки (коэффициентов отклонения луча по горизонтали);

- пределами перемещения луча по горизонтали;

- диапазоном частот, предельными уровнями и нестабильностью синхронизации;

- размером рабочей части экрана ЭЛТ;

- шириной линии луча.

Параметры специальных ЭЛО определяются их назначением.

К числу метрологических характеристик ЭЛО относят:

- совокупность параметров сигналов, которые можно подавать на вход прибора (диапазон амплитуд, граничные частоты, форма сигнала и т.п.);

- характеристики входа ЭЛО (активная и реактивная составляющие входного сопротивления);

- погрешности воспроизведения формы сигнала осциллографом и погрешности измерения параметров сигнала.

При осциллографических измерениях выделяют два вида погрешности:

- погрешности измерения напряжения;

- погрешности измерения временных интервалов.

Погрешность измерения напряжения можно представить тремя обобщенными группами составляющих:

1) результирующая погрешность калибровки коэффициента калибровки;

2) искажение сигнала в канале вертикального отклонения из-за нелинейности и нестабильности амплитудной характеристики;

3) погрешность измерения размера из-за ширины луча и линий шкалы, а также субъективных особенностей оператора.

Погрешность измерения временных интервалов можно также представить тремя обобщенными группами составляющих:

1) погрешность калибровки коэффициента развертки;

2) искажение сигнала в процессе его отображения на экране из-за нелинейности канала горизонтального отклонения и нестабильности развертки;

3) особенности визуального измерения геометрических размеров изображения.

Вывод: электронно-лучевым осциллографом (ЭЛО) называют прибор для наблюдения и измерения электрических сигналов, в котором используется отклонение одного или нескольких электронных лучей электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) для получения изображений мгновенных значений функциональных зависимостей сигналов от времени или других параметров.

ЭЛО делят на следующие группы: общего применения; многоканальные и многолучевые; запоминающие; широкополосные (скоростные); стробоскопические; специальные.

Осциллографы общего применения – это наиболее распространенный вид ЭЛО. Обобщенная структурная схема такого ЭЛО представлена на рис. 3.

2.1. Основные функциональные узлы электронного осциллографа

Основными функциональными узлами электронного осциллографа являются: электронно-лучевая трубка, канал вертикального отклонения (КВО) или канал Y, канал горизонтального отклонения (КГО) или канал X, канал модуляции по яркости (канал Z) и встроенные калибровочные устройства.

26.Режимы работы ЭЛО (виды развертки и синхронизации). Наблюдение периодических и одиночных сигналов. Наблюдение фигуры Лиссажу. Работа каналов вертикального отклонения, горизонтального отклонения, канала модуляции по яркости и встроенных калибраторов.

Под действием управляющих напряжений, которые подаются на две пары отклоняющих пластин, электронный луч может отклоняться в двух взаимно перпендикулярных направлениях (горизонтальном и вертикальном). Для отклонения луча на пластины необходимо подавать исследуемое и развертывающее напряжения.

Канал вертикального отклонения предназначен для отклонения луча ЭЛТ под действием исследуемого напряжения. Он состоит из масштабных преобразователей – делителей, аттенюаторов и усилителей, предназначенных для расширения предельных значений исследуемых сигналов, а также линии задержки, обеспечивающей наблюдение фронта сигнала на экране осциллографа.

Усилитель Y канала вертикального отклонения луча содержит входной усилитель с изменяемым коэффициентом усиления Кус и парафазный (с противофазными выходными сигналами одинаковой амплитуды) усилитель, обеспечивающий положение светового пятна в центре экрана при отсутствии исследуемых сигналов. В канал вертикального отклонения луча может также входить калибратор амплитуды. Сигнал от калибратора поступает на вход первого усилителя для установки заданного коэффициента усиления Кус1.

Цена деления масштабной сетки с учетом коэффициента деления kд аттенюатора сд = сkд. Если в процессе работы параметр с остается постоянным, то величина сд может быть указана на дискретном переключателе аттенюатора, что и делается на практике.

Основные характеристики канала вертикального отклонения:

- верхняя граничная частота (порядка 100 МГц и более);

- чувствительность Sy = kдKycSт (Sт – чувствительность трубки), чувствительность составляет около 1 мм/мВ при kд = 1;

- входное сопротивление (1...3 МОм) и входная емкость канала (1...5 пФ);

- погрешности измерения напряжения и интервалов времени 5...7 %.

Вход канала вертикального отклонения может быть открытым или закрытым. Во входной цепи канала вертикального отклонения включают также коммутируемый разделительный конденсатор, позволяющий при необходимости исключить подачу на вход осциллографа постоянной составляющей исследуемого сигнала («закрытый» вход).

Канал горизонтального отклонения предназначен для развертки изображения сигнала и включает в себя генератор развертки, обеспечивающий перемещение луча ЭЛТ в горизонтальном направлении по определенному закону, схемы блокировки и синхронизации и усилитель.

Исследуемое напряжение, являющееся функцией времени, подается через усилитель канала вертикального отклонения на пластины, управляющие положением луча по вертикали, а развертывающее – на горизонтально отклоняющие пластины, На экране электронно-лучевой трубки получается изображение исследуемого сигнала. Если напряжения развертки и исследуемого сигнала синхронны и периодически повторяются, то на экране электронно-лучевой трубки образуется неподвижное изображение сигнала.

Схема синхронизации (и запуска развертки) управляет генератором развертки и обеспечивает кратность периодов сигнала и развертки. Для получения неподвижного изображения начало развертки должно быть связано с одной и той же характерной точкой сигнала (фронтом, максимумом амплитуды и т.д.). Это достигается синхронизацией напряжения развертки с напряжением сигнала, поэтому период развертки должен быть равен или кратен периоду исследуемого сигнала: Тразв = nТс, где n = 1, 2, 3, 4,... .

Развертка – это линия, которую прочерчивает луч на экране при отсутствии исследуемого сигнала в результате действия только одного развертывающего напряжения. Процесс привязки развертки к характерным точкам сигнала называют синхронизацией в автоколебательном режиме и запуском – в ждущем. Синхронизация и запуск развертки производятся специальным синхроимпульсом, подаваемым на генератор из устройства синхронизации.

В осциллографе установлены два режима синхронизации: внутренняя и внешняя. При внутренней синхронизации синхроимпульсы вырабатываются из усиленного входного сигнала до его задержки. При внешней – сигнал синхронизации подается от внешнего источника на специальный вход X осциллографа. Например, в стандартных генераторах импульсов вырабатываются синхроимпульсы, относительно которых выходной сигнал может быть сдвинут с помощью регулируемой задержки.

Схема синхронизации вырабатывает сигнал синхронизации, поступающий на генератор развертки для получения четкой, неподвижной осциллограммы. Усилитель Х канала горизонтального отклонения усиливает пилообразный сигнал Up генератора развертки и преобразует его в напряжение развертки Ux.

Канал горизонтального отклонения характеризуется чувствительностью и полосой пропускания, показатели которых практически раза в два меньше, чем в канале вертикального отклонения. Основной блок в канале горизонтального отклонения – генератор развертки, работающий в непрерывном или ждущем режиме. К форме пилообразного напряжения генератора предъявляется ряд требований:

- время обратного хода луча должно быть много меньше времени прямого хода, т.е. Тобр « Тпр. В противном случае часть изображения сигнала будет отсутствовать;

- напряжение развертки при прямом ходе луча должно быть линейным, иначе луч будет двигаться по экрану с различной скоростью и нарушится равномерность временного масштаба по оси X. Это может привести к искажению сигнала.

Канал модуляции по яркости предназначен для подсвета прямого хода развертки. С целью синхронизации моментов начала развертки и подсвета, импульс подсвета чаще всего формируется из выходного импульса триггера управления в генераторе развертки. Импульс подсвета должен иметь значительную амплитуду, крутые фронт и срез, и максимально плоскую вершину для обеспечения равномерного свечения изображения и длительность, равную длительности прямого хода напряжения развертки. В качестве усилителей канала Z используются усилители-ограничители. Во многих ЭЛО предусмотрена возможность модуляции яркости изображения при помощи внешнего модулирующего сигнала. В этом случае усилитель канала модуляции по яркости также имеет ручную регулировку яркости.