Компенсаторы переменного ток
В таких компенсаторах для полного уравновешивания двух напряжений на переменном токе необходимо выполнить четыре условия:
1) равенство напряжений по модулю,
2) противоположность их фаз,
3) равенство частот,
4) одинаковая форма кривых Uх и Uк.
Два первых условия обеспечивает конструкция компенсаторов.
Третье условие выполняется при питании объекта измерения и компенсатора от одного источника.
Четвертое условие осуществить практически невозможно, так как Uк всегда синусоидально, а Uх может быть любой формы, и полной компенсации достичь не удается (уравновешивается первая гармоника).
В качестве индикатора равновесия на промышленной частоте применяют вибрационный (резонансный) гальванометр.
На более высоких частотах - электронные нуль-индикаторы, на звуковых - телефоны, усилители с выпрямительными приборами на выходе.
Недостатки: компенсаторы переменного тока уступают по точности компенсаторам постоянного тока.
Мосты постоянного тока
Наиболее точные измерения сопротивлений R постоянному току выполняются с помощью мостов постоянного тока.
Эти мосты делятся на две группы:
- одинарные (четырехплечие) и
- двойные (шестиплечие).
Одинарный мост, называемый мостом Уитстона, применяют для измерения сопротивлений от 1 Ом до 100 МОм; двойной мост, называемый мостом Томпсона, - для измерения малых величин сопротивлений - от 1 Ом и менее.
В двойном мосте влияние величин, вызывающих погрешность измерения, сведено к минимуму.
Рис. Схема одинарного моста постоянного тока
Одинарный мост (рисунок) состоит из четырех плеч: аb, bс, сd и dа.
Три известных регулируемых сопротивления R2, R3 и R4 вместе с измеряемым сопротивлением R1 = Rх образуют замкнутый четырехполюсник аbсd
Мост называется двойным, так как он содержит два комплекта плеч отношения.
Рис. Схема двойного моста постоянного тока
Мосты переменного тока
Измерения сопротивления, индуктивности и емкости выполняются одинарными мостами на переменном токе:
Рис. Схема одинарного моста переменного тока
Четыре плеча аb, bс, сd и dа моста тока образуются четырьмя комплексными сопротивлениями Z1 = Zx, Z2, Z3 и Z4.
В одну диагональ моста включается источник питания переменного тока, в другую - нуль-индикатор НИ.
Сходимость мостов - это возможность достижения состояния равновесия определенным числом переходов от регулировки одного параметра к регулировке другого.
Хорошая сходимость означает малое число операций и, следовательно, сокращение времени измерения.
Мосты переменного тока можно разделить на две группы:
1. Частотно-независимые; уравновешенные при одной частоте, они сохраняют равновесие при изменении частоты источника питания.
2. Частотно-зависимые, характеризующиеся тем, что в условии равновесия, помимо С, L, R, имеется частота, входящая в выражение реактивных составляющих сопротивления.
Электронные вольтметры (ЭВ) составляют наиболее обширную группу электронных приборов.
Основное их назначение - измерение напряжения в цепях постоянного и переменного тока в широком диапазоне частот.
Электронные вольтметры постоянного тока.
Достоинства по сравнению с электромеханическими вольтметрами:
- широкий частотный диапазон (от единиц Гц до сотен МГц),
- слабая зависимость показаний от частоты измеряемого напряжения,
- высокая чувствительность,
- широкий динамический диапазон (от десятых долей до сотен вольт),
- малая мощность потребления (входное сопротивление 10-106 МОм),
- малая входная ёмкость (1-4 пФ).
Электронный
вольтметр постоянного
тока состоит
из входной
цепи (ВхЦ),
усилителя
постоянного тока
(УПТ) и средства
отображения информации
(СОИ):
U‗
Рис.
Измеряемое напряжение постоянного тока поступает во входную цепь ВхЦ, представляющую собой многопредельный высокоомный резисторный делитель напряжения.
Назначение входной цепи - согласование диапазонов измеряемого напряжения и входного сигнала УПТ.
В качестве средства отображения информации (СОИ) чаще всего используются магнитоэлектрические милли- и микроамперметры.
Сигнал с ВхЦ поступает на вход усилителя постоянного тока УПТ, который помимо функций усиления сигнала по напряжению и мощности, согласует высокое выходное сопротивление ВхЦ с малым сопротивлением рамки измерительного механизма.
Электронные вольтметры переменного тока.
Структурная схема, приведенная на рисунке (а), используется в вольтметрах для измерения напряжений значительного уровня.
рис.
Рис. а. Упрощенная структурная схема электронного вольтметра
Измеряемое напряжение, после прохождения входной цепи ВхЦ, преобразуется детектором Д в напряжение постоянного тока, которое усиливается УПТ и поступает на измерительный механизм ИМ магнитоэлектрической системы.
Другая структурная схема (рис.б) применяется в милливольтметрах, поскольку обладает большей чувствительностью за счет использования дополнительного усилителя.
Рис.
Рис. б. Упрощенная структурная схема электронного милливольтметра
Измеряемое напряжение после прохождения входной цепи ВхЦ поступает на вход усилителя переменного напряжения УН, далее на вход детектора Д и через усилитель постоянного тока УПТ на измерительный механизм ИМ.
Цифровым измерительным прибором (ЦИП) называется средство измерения, автоматически вырабатывающее дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме.
в ЦИП обязательно автоматически выполняются следующие операции:
- квантование измеряемой величины по уровню;
- дискретизация её по времени;
- кодирование информации.
Преимущества ЦИП перед АИП:
- удобство и объективность отсчёта;
- высокая точность измерений, практически недостижимая для аналоговых приборов
- высокая чувствительность
- широкий динамический диапазон при высокой разрешающей способности; и т.д
Недостатки:
- схемная сложность;
- относительно высокая стоимость.
Цифровые измерительные приборы - это многопредельные, универсальные приборы, предназначенные для измерения различных электрических и неэлектрических величин.
В зависимости от способа преобразования ЦИП делятся на
- приборы прямого и
- приборы уравновешивающего преобразования.
В ЦИП прямого преобразования отсутствует общая обратная связь.
Они имеют высокое быстродействие, но обеспечивают высокую точность измерений только при высокой точности всех измерительных преобразователей.
ЦИП уравновешивающего преобразования охвачен общей обратной связью.
Преобразователь обратной связи представляет собой цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) выходного дискретного сигнала N в компенсирующую величину хк одной физической природы с измеряемой величиной х(t):
Рис.
Погрешность ЦИП уравновешивающего преобразования определяется в основном параметрами ЦАП.
Поэтому в ЦАП используются элементы достаточно высокой точности и стабильности.
В зависимости от характера изменения во времени компенсирующей величины ЦИП делятся:
- на приборы развёртывающего уравновешивания и
- приборы следящего уравновешивания.
Временная диаграмма развёртывающего уравновешивания
диаграмма
x, xk
При достижении равенства xк = x процесс уравновешивания прекращается и фиксируется результат измерений, равный числу ступеней квантования компенсирующей величины.
Отсчёт показаний обычно производится в конце цикла изменения величины xк.
В этом случае возникает динамическая погрешность Δд, обусловленная изменением измеряемой величины х(t) за интервал времени между моментами уравновешивания и отсчёта.
Временная диаграмма следящего уравновешивания:
диаграмма
В приборах следящего уравновешивания уровень компенсирующей величины не возвращается к нулю после достижения равенства с измеряемой величиной, а остаётся постоянным.
При изменении х величина xк соответственно отрабатывает (отслеживает) это изменение так, чтобы разность (х - xк) не превышала значения шага квантования.
Отсчёт производится или в момент уравновешивания, или по внешним командам.
Обобщённая структурная схема ЦИП
схема
АП - аналоговый преобразователь,
АЦП - аналого-цифровой преобразователь,
ЦСОИ - цифровое средство отображения информации.
УУ - устройство управления,
М - мера,
ДС - дискретный сигнал.
Измеряемая величина x(t) поступает на аналоговый преобразователь прибора АП, где происходит масштабное преобразование.
С АП сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь АЦП, где аналоговый сигнал преобразуется в соответствующий код (ДС), который отображается в виде числового значения N на цифровом средстве отображения информации ЦСОИ.
Цифровые измерители временных интервалов
Предназначены для измерения периода гармонических или импульсных сигналов и длительности импульсов.
В основе измерения временных интервалов положен принцип подсчета числа периодов Т0 импульсного сигнала uN(t) с образцовой частотой f0, заполняющих измеряемый интервал (период) Tx.
На рисунке представлена структурная схема ЦИП для измерения периода.
.Рис. Структурная схема (а) и временная диаграмма работы (б) ЦИП для измерения периода
Исследуемый периодический сигнал uх(t) поступает на вход усилителя-формирователя УФ, выходной сигнал uT(t) которого представляет собой прямоугольные импульсы длительностью Тx, равной периоду измеряемого сигнала.
Для уменьшения погрешности квантования применяют усреднение результатов за n периодов, что осуществляется путем подсчёта импульсов образцовой частоты f0 за временной интервал, равный n измеряемым периодам Тх, с последующим делением показаний счетчика на n (n обычно равно 10m, где m - целое положительное число; тогда операция деления сводится к перенесению запятой в отсчёте).