Приборы и методы измерения электрических величин
Основными электрическими величинами являются напряжение и сила тока. Измерения напряжения и тока характеризуются не только большим диапазоном значений величины (для тока – от 10 – 16 А до сотен килоампер; по напряжению – от нановольт до десятков мегавольт), но и широким диапазоном частот: от постоянного тока и инфранизкочастотного переменного тока до сверхвысоких радиочастот (10 ГГц).
Измерение постоянных напряжения и силы тока заключается в определении их значений и полярности. Целью измерения переменных напряжения и силы тока кроме определения их значений может являться вычисление таких их параметров, как частота, фазовый сдвиг, реактивное сопротивление цепи и т. п.
Для измерения напряжения (тока) применяются следующие основные методы измерений: непосредственной оценки, при котором числовое значение измеряемой величины определяется по отсчетному устройству, отградуированному в единицах этой величины; сравнения, при котором значение измеряемой величины определяется на основе сравнения воздействия измеряемой величины на какую-либо систему с воздействием на эту же систему образцовой меры. Используется три разновидности метода сравнения: нулевой; дифференциальный и замещения.
В соответствии с применяемым методом измерительные приборы делятся на приборы непосредственной оценки и приборы сравнения [10]. В свою очередь обе эти группы делятся по системам отсчета показаний на аналоговые и с дискретным отсчетом.
К приборам с аналоговым отсчетом следует отнести стрелочные приборы, приборы со световым указателем («зайчик»), приборы с ручным или автоматическим уравновешиванием (имеющие реохорд со шкалой) и самопишущие.
К приборам с дискретным отсчетом следует отнести цифровые приборы и приборы с ручным или автоматическим уравновешиванием, имеющие дискретный набор (магазин) переключаемых элементов. Результат измерений, проведенных такими приборами, выражен непосредственно в дискретном (цифровом) виде и цифровом коде. Проводя категорирование электроизмерительных приборов, в первую очередь их надо разделить на два класса – приборы для измерения параметров цепей постоянного тока и приборы для измерения параметров цепей переменного тока.
Электроизмерительные аналоговые шкальные приборы можно разделить по принципу действия и по типу индикаторных устройств (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Классификация электроизмерительных аналоговых приборов
Все электроизмерительные приборы по способу преобразования электромагнитной энергии можно разделить на электромеханические, в которых для перемещения подвижной части отсчетного устройства используются различные электромагнитные процессы; электротепловые, которые используют для перемещения подвижной части отсчетного устройства тепловое воздействие электрического тока; цифровые с непосредственным преобразованием значения измеряемой величины в дискретный (цифровой) вид; электронно-лучевые, использующие подводимую энергию электромагнитного поля для перемещения электронного луча по отсчетному экрану электровакуумной осциллографической трубки. Это перемещение пропорционально значению измеряемой величины.
В зависимости от измеряемой физической величины измерительные электрические приборы классифицируются по группам. Обозначение групп принято буквенное, например: А – амперметры, Б – источники питания, В – вольтметры, Г – генераторы, Е – измерители сопротивления, индуктивности и емкости, С – осциллографы. Источник постоянного напряжения будет обозначен как Б5-17, а универсальный цифровой вольтметр: В7-40. Всего электроизмерительные приборы классифицируются по 20 подгруппам [6].
По типу индикаторов сигнала аналоговые электроизмерительные приборы классифицируются следующим образом.
Стрелочные приборы во всех вариантах в качестве аналогового сигнала имеют угол поворота стрелки индикатора. Прибор преобразует электрическую величину в угол поворота, который собственно и измеряется. Электронно-лучевые приборы достаточно хорошо известны в измерительной практике как выходные каскады осциллографов, электронно-оптических преобразователей.
В последнее время многие электроизмерительные приборы в качестве выходного устройства имеют компьютер с экраном монитора на выходе. Приборы с компьютерным выходом также можно отнести к электронно-лучевым приборам, хотя в большинстве своем такие приборы уже являются не аналоговыми, а цифровыми, поскольку использование компьютера предполагает наличие аналогово-цифрового преобразователя между датчиком и индикаторным устройством.
Наряду с аналоговыми приборами в измерении электрических величин широко используются цифровые. Все величины при этом преобразуются в цифровую форму при помощи аналогово-цифровых, интервально-числовых или частотно цифровых преобразователей, форма представления сигнала о физической величине в виде кода называется цифровой. В этом случае каждому значению отсчета физической величины соответствует кодовая группа в виде комбинации простых сигналов. Код – набор символов и правил их комбинирования для получения кодовой группы. Коды различаются системой счисления, например: двоичный, восьмеричный, десятичный и т. д. Чаще всего используется двоичный код в виде двух символов.
Код характеризуется основанием – числом символов, используемых при построении кодовых групп – и разрядностью (значимостью) кода – общим числом символов в кодовой группе. Цифровые электроизмерительные приборы позволяют считывать сигнал непосредственно в единицах измеряемой величины. В качестве индикаторов применяются самые разнообразные устройства, которые также можно классифицировать по типу индикаторов и по принципу индикации (рис. 5.2).
Рис. 5.2. Индикаторы цифровых электроизмерительных приборов
Особый класс электроизмерительных приборов представляют собой устройства с компьютером в качестве выходного устройства [8]. На начальном этапе внедрения оргтехники в измерительную технику компьютер использовался в качестве дополнительного блока, т. е. прибор имел индикатор в аналоговом или в цифровом виде, но мог и сопрягаться с компьютером для записи сигналов, обработки информации и представления ее в виде графиков, таблиц, гистограмм и т. п. В современных приборах индикаторы иногда не используются и компьютер является единственным средствам вывода информации. Такого рода приборы имеют, как правило, первичный преобразователь (датчик), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и компьютер. Поскольку информация в компьютер должна вводиться в виде кода, то такие приборы можно отнести к классу специфических цифровых приборов. Удобства использования компьютерного выхода в измерительных приборах совершенно очевидны: отсутствие необходимости использования самописцев, высокая помехоустойчивость, широкие возможности обработки и представления результатов, возможность передачи полученной информации по каналам связи и многое другое.