3.3.3. Особенности электронных измерительных приборов

Основными достоинствами электронных измерительных при­боров (ЭИП), по сравнению с электромеханическими, являются следующие:

• малая мощность потребления от исследуемой цепи (источни­ка сигнала), что обусловлено большим входным сопротивлением приборов (10⁵...10⁷ Ом);

• широкий диапазон исследуемых напряжений (от 10 мкВ до 1000 В) за счет применения усилителей и делителей;

• высокая чувствительность (0,1... 1,0 мкВ);

• широкий диапазон частот входных периодических сигналов (у некоторых типов  до 500 МГц);

• более широкие функциональные возможности, возможность измерения одним прибором нескольких различных параметров (на­пример, постоянного и переменного напряжения, сопротивления постоянному току, параметров комплексного сопротивления).

К недостаткам ЭИП относятся следующие:

• сравнительно большая инструментальная погрешность (1,5...4%), за исключением термоэлектрических вольтметров;

• сложность устройства ЭИП и, как следствие, сравнительно невысокая надежность и высокая стоимость;

• требование дополнительного источника питания (или внешнего  электрической сети, или внутреннего  батареи);

• сравнительно большие габариты и масса.

3.4. Влияние формы сигнала на показания приборов

При работе с периодическими сигналами важно знать особен­ности устройства и градуировки того или иного типа измерительного прибора. Как правило, приборы градуируются в средних квадратических (действующих) значениях для частного (хотя и распространенного) случая синусоидальной (или  практически си­нусоидальной) формы сигнала. Такая градуировка объясняется тем, что именно действующее значение является самым важным для большинства измерительных экспериментов в электротехнике и электроэнергетике. Приборы различных систем, подключенные параллельно к одному источнику синусоидального напряжения, давали бы похожие показания, достаточно близкие к реальному действующему значению (с учетом, конечно, их инструменталь­ных погрешностей). Однако в выборе конкретных приборов для реальных экспериментов с заметно несинусоидальными сигнала­ми следует быть осторожными, поскольку возможны значитель­ные ошибки, так как не все типы приборов реагируют именно на действующее значение.

Рассмотрим вопросы специфики реакции и градуировки при­боров на примере различных аналоговых вольтметров перемен­ного напряжения. Хотя, все последующие рассуждения справед­ливы и для электромеханических амперметров соответствующих систем.

3.4.1. Сигнал без постоянной составляющей

Предположим, к источнику прямоугольного напряжения u(t) амплитудой ±100 В, частотой 50 Гц и скважностью 2 (рис. 3.28, а) подключены параллельно два вольтметра (рис. 3.28, б): V1  элек­тромеханический выпрямительный вольтметр и V2  электрон­ный вольтметр с термоэлектрическим детектором (ТЭ вольтметр).

Найдем показания приборов, пренебрегая всеми составляющими погрешностей результатов. Первый (выпрямительный) вольтметр V1, реагирующий на среднее выпрямленное значение U_с.в. входно­го напряжения, отградуирован в действующих значениях для слу­чая синусоидального сигнала, т.е. его показания U_V1 связаны с его реакцией коэффициентом формы синусоиды (k_{ф sin} = 1,11):

U_V1 = U_с.в. k_{ф sin}.

Рис. 3.28. Реакция и показания приборов: а  входной сигнал; б  схема включения приборов

В данном эксперименте вольтметр V1, отреагировав на U_с.в. = 100 В, покажет U_V1 = 100 · 1,11 = 111 В, что не будет соответ­ствовать реальному действующему значению измеряемого напря­жения.

Второй вольтметр V2 (электронный термоэлектрический) реа­гирует на истинное СКЗ напряжения и отградуирован, естественно, тоже в СКЗ. Поэтому его показание U_V2  правильное действующее значение входного сигнала, которое в данном случае равно 100 В.

Отметим, что разница между показаниями двух исправных при­боров, подключенных к одному источнику напряжения, довольно велика и составляет более 10 %. Причина  резкая несинусоидальность входного напряжения u(t).

Рассмотрим еще один пример. Два вольтметра: V1  электрон­ный вольтметр с амплитудным детектором (АД) и V2  электромеханический вольтметр электромагнитной системы параллельно подключены к источнику несинусоидального напряжения u(t)| (рис. 3.29, а). Амплитуда измеряемого напряжения U_max = ±100 В, частота  50 Гц, коэффициент амплитуды k_а = 2.

Пренебрегая всеми погрешностями, попробуем найти показания приборов (рис. 3.29, б). Первый вольтметр V1 реагирует на амплитудное значение U_max входного напряжения, а градуируется в действующих значениях для случая синусоидального сигнала, т.е. его показания U_V1 связаны с его реакцией коэффициентом амплитуды k_а синусоиды (k_{а sin} = 1,41):

U_V1 = U_max / k_{а sin}.

В этом эксперименте вольтметр V1 отреагировав на амплитуду U_max = 100 В, покажет U_V1 = 100:1,41 ≈ 71 В, что не равно реально­му действующему значению измеряемого напряжения. Реальное действующее (среднее квадратическое) значение U_с.к. у данного сигнала:

U_с.к = U_max / k_а = 100: 2 = 50 В.

Рис. 3.29. Реакция и показания приборов: а  входной сигнал; б  схема включения приборов

Второй вольтметр V2 (электромагнитной системы) реагирует именно на действующее значение измеряемого напряжения и от­градуирован тоже в СКЗ. Поэтому он покажет правильное действу­ющее значение входного сигнала, которое у данного сигнала рав­но U_V2 = U_с.к = 50 В.

И в этом случае столь большая разница (почти в полтора раза!) в показаниях двух приборов, на входе которых один и тот же сиг­нал  следствие значительной несинусоидальности исследуемого сигнала и различий в их принципах действия.