ОТВЕТЫ

На рисунке 10.1 представлена схема самого распространенного

питания), в другую диагональ (измерительную) включен индикатор И баланса моста (или равновесия моста). Под равновесием моста понимается эквипотенциальность точек «а» и «б» в измерительной диагонали, т.е. при равновесии моста измеряемое индикатором напряжение равно нулю. Условие баланса моста в комплексном виде представляется равенством произведений противоположных плеч

Суть измерений параметров цепей мостовым методом заключается в том, что если в одно из плеч, например Z1 , включить неизвестное сопротивление Z x , то, обеспечив подбором образцовых элементов в других плечах состояние равновесия моста, неизвестное сопротивление можно определить из (13.20) по формуле:

Zx Z2Z4 / Z3.

Если Zi Zi e j i (i = 1,2,3,..), то условие равновесия будет иметь вид двух

уравнений

Z1 Z3 Z2 Z4 ; 1 3 2 4 . (10.3)

Отсюда следует, что для обеспечения баланса моста требуется введение в

мост не менее двух регулируемых образцовых элементов (один для балансировки амплитудных соотношений, другой — для фазовых соотношений). Одновременно регулировать оба элемента не удается, и мост балансируют методом последовательных приближений (итераций)

— до минимальных показаний индикатора. Вначале регулируют один элемент, потом другой, затем опять первый и т.д. до состояния равновесия.

В качестве регулируемых элементов используют образцовые резисторы и конденсаторы. Катушки с регулируемой индуктивностью из-за сложности конструкции используются редко.

Основными причинами возникновения погрешности мостовых измерителей являются: погрешности параметров образцовых элементов моста — неточность и нестабильность их номиналов; погрешность за счет неточности балансировки моста — определяется в основном чувствительностью моста; погрешность за счет паразитных параметров (R, L, C) — растет с ростом рабочей частоты; неточность отсчета по шкалам.

Более высокие технические характеристики позволяют получить двойной (шестиплечий) мост (улучшенная сходимость, меньшие погрешности при измерении малых сопротивлений), а также Т-образный и трансформаторный мосты (увеличенные рабочие частоты — до десятков и сотен МГц) [Л2, Л8].

26. Цифровые измерители параметров цепей (с предварительным преобразованием параметра в напряжения, с время импульсным преобразованием, с применением метода амперметра – вольтметра).

При создании цифровых автоматических приборов для измерения параметров цепей широко используются методы, связанные с преобразованием измеряемого параметра в напряжение или ток, интервал времени или частоту, а также методы на основе мостовых и компенсационных схем.

Очень часто в основу метода измерения положен апериодический процесс, возникающий при подключении заряженного конденсатора или катушки с током к образцовому резистору. Наибольшее распространение при этом нашли время-импульсное и частотно-импульсное преобразования (иначе метод дискретного счета).

В методе время-импульсного преобразования измеряемая величина,

например CX , преобразуется в интервал времени t , который затем кодируется, т.е. превращается в число импульсов N ( CX t N ). Структурная схема такого измерителя приведена на рисунке 10.2

Перед началом измерения переключатель П устройством управления УУ установлен в положение 1, и емкость CX заряжена до напряжения U0 . В начале измерения УУ вырабатывает импульс «старт», которым переводит триггер Тг в единичное состояние и одновременно переключает переключатель П в положение 2 (рис. 10.2).

нулевое состояние. В результате на выходе Тг формируется импульс, длительность которого равна

t R0CX .

Ключ Кл открывается на время t , пропуская на счетчик СЧ пачку высокостабильных счетных импульсов с периодом T0 1/ f0 , вырабатываемых генератором образцовой частоты ГОЧ. Счетчик подсчитывает число импульсов

Результат измерения отображается на цифровом отсчетном устройстве ЦОУ. При наличии образцового конденсатора C0 возможно измерение сопротивления резистора RX , а при соответствующем включении возможно измерение и LX .

Погрешности измерения определяются в основном неточностью и нестабильностью образцовых элементов, коэффициента деления делителя напряжения, погрешностью срабатывания сравнивающего устройства, нестабильностью частоты ГОЧ, погрешностью дискретности и составляет обычно 0,1 0,2 %. Для измерения добротности существуют цифровые куметры, которые используют подсчет числа периодов затухающих колебаний в контуре ударного возбуждения [Л2, Л8].

В методе частотно-импульного преобразования измеряемый параметр

ZX преобразуется сначала в частоту f, которая, в свою очередь, превращается

вчисло импульсов N (т.е. Z X → f →N). Структурная схема такого измерителя

состоит из преобразователя параметра цепи в частоту (существует достаточно большое количество различных схем) и частотомера, обычно цифрового, проградуированного в значениях измеряемого параметра [Л8].

Метод амперметра-вольтметра является косвенным методом и сводится к расчету измеряемого параметра цепи по закону Ома по результатам измерения тока и напряжения в цепи. Широко применяется в силу своей простоты для измерений активных сопротивлений, емкостей и индуктивностей.

В общем виде измеренное значение:

достоинствам метода можно отнести возможность измерения параметров компонентов при величине тока, соответствующей току в реальной цепи. Особенно это важно для элементов, параметры которых зависят от величины тока, протекающего через них. Недостатками метода являются ограниченные диапазоны измеряемых параметров, сравнительно невысокая точность и возможность применения лишь на низких частотах.

27. Панорамные измерители амплитудно – частотных характеристик цепей.

Для наблюдения формы АЧХ применяются панорамные измерители. Упрощенная структурная схема такого измерителя приведена на рисунке

10.6.

Рис. 10.4 — Измеритель АЧХ Измерители АЧХ обычно снимают зависимость амплитуды

напряжения на выходе устройства от изменяющейся частоты при постоянной амплитуде синусоидального напряжения на входе.

Генератор развертки ГР вырабатывает линейно изменяющееся во времени напряжение, воздействующее одновременно на систему горизонтального отклонения электронно-лучевой трубки ЭЛТ и на генератор качающейся частоты ГКЧ. Частота последнего изменяется по линейному закону. Напряжение ГКЧ через усилитель У и аттенюатор АТТ поступает на исследуемую цепь ИЦ, амплитуда выходного напряжения которой определяется ее частотной характеристикой. Система автоматической регулировки амплитуды АРА поддерживает выходное напряжение ГКЧ, а следовательно, и входное напряжение ИЦ на постоянном уровне.

Выходное напряжение цепи после детектирования детектором Д и усиления усилителем вертикального отклонения УВО поступает на ЭЛТ.

Врезультате на экране появляется осциллограмма, представляющая АЧХ четырехполюсника. Для повышения точности отсчета по оси частот (горизонтальной оси) предусмотрен высокостабильный генератор частотных меток ГМ. Напряжение меток подается на ЭЛТ и образует высокоточную частотную шкалу на экране прибора.

Вприборе возможны регулировки центральной частоты ГКЧ, полосы обзора (изменение девиации частоты ГКЧ), уровня напряжения (аттенюатором), подаваемого на выходной разъем.

Приборы комплектуются выносными и встроенными детекторными головками различного назначения. Позволяют производить отсчет в линейном либо в логарифмическом масштабах, работают в диапазоне от десятков Гц до нескольких ГГц.

28.Измерение мощности сигналов (в том числе СВЧ).

К измерению мощности в практике электрорадиоизмерений прибегают во всем диапазоне используемых в радиотехнике частот — от постоянного тока до СВЧ. Измеряемые уровни мощности лежат при этом в очень широких пределах — от 10 18 до 108 Вт.

Мощность можно измерять косвенными методами (измерения U , I , с

последующим расчётом P ) либо непосредственно с использованием

ваттметров.

На низких частотах при прямых измерениях мощности обычно используют преобразование измеряемой мощности в пропорциональную ей другую ФВ. Например, в вольтметровых ваттметрах мощность преобразуется в переменное напряжение, в квадратурных ваттметрах — в величину постоянного напряжения, в ваттметрах с преобразователем Холла — в ЭДС Холла и т.д. [Л2, Л4].

При измерении мощности на высоких и сверхвысоких частотах (СВЧ) важную роль играет согласование линии передачи сигнала. При рассогласовании часть падающей мощности отражается от нагрузки, и возникают две измерительные задачи: измерение поглощаемой нагрузкой мощности и измерение проходящей по линии передачи мощности.

Измерение поглощаемой мощности производят калориметрическим,

термоэлектрическим, терморезистивным методами.

Калориметрические ваттметры. Входной преобразующий калориметр представляет собой согласованную нагрузку, поглощающую СВЧ-энергию, а выделяющаяся теплота нагревает некоторое рабочее тело. Измеряя температуру этого рабочего тела, можно определить мощность.

Термоэлектрические ваттметры. Основаны на измерении термоЭДС термопары (батареи термопар), горячий спай которых нагревается поглощаемой мощностью СВЧ. В таких приборах применяются специальные термопары высокой чувствительности. Такие ваттметры предназначены для измерения малых мощностей (от 1 мкВт) с погрешностью в единицы процентов.

Терморезистивные ваттметры. Основаны на изменении сопротивления терморезистора под действием теплоты, вызванной энергией СВЧ. О поглощаемой мощности судят по изменению сопротивления терморезистора (болометр или термистор), величину которого измеряют обычно с помощью мостов постоянного тока.

Измерение проходящей мощности

Pï ðî õ Pï àä Pî ò ð

осуществляют с помощью метода ответвления, термоэлектрического метода, пондеромоторного метода. В последние годы начали использовать эффект Холла и эффект так называемых горячих носителей тока в полупроводниках.

Термоэлектрические ваттметры проходящей мощности (метод зонда).

Используют полупроводниковые термопары в виде стержня. Термопару располагают в отверстии широкой стенки прямоугольного волновода так, что торцевая поверхность стержня с горячим спаем располагается заподлицо с внутренней поверхностью волновода. Нагрев горячего спая токами СВЧ приводит к появлению термоЭДС, по величине которой измеряют проходящую мощность.

29. Измерение коэффициента гармоник сигнала.

Гармонические колебания являются одним из основных видов сигналов, применяемых в радиоизмерениях и электрических измерениях переменных

напряжений низкой частоты. Передача размера единицы переменного напряжения или мощности высокочастотных колебаний основана на синусоидальных напряжениях с дальнейшей экстраполяцией результатов на сигналы другой формы. Это связано с некоторыми свойствами, присущими только гармоническим колебаниям. Во-первых, при прохождении через линейные системы изменяется только амплитуда и фаза таких колебаний, но не изменяется их частота и не появляются другие частотные составляющие. Во-вторых, тригонометрические функции являются базисом, по которому любую функцию можно представить в виде суммы простейших гармонических колебаний (разложение в ряд Фурье). Кроме этого, можно отметить, что многие физические процессы математически описываются также с применением тригонометрических функций. Такое распространение синусоидальных колебаний привело к появлению специального вида измерений, заключающихся в определении отличий формы реального сигнала от “идеальной” синусоиды. Данные измерения можно проводить как с помощью специальных средств измерений (измерители нелинейных искажений ИНИ, группа “С6” по российской классификации), так и с помощью анализаторов спектра, которые относятся к средствам измерений общего назначения. Результат измерений принято выражать в виде коэффициента гармоник (нелинейных искажений), который определяется по следующей формуле:

, где Ui - действующее значение напряжения соответствующей гармоники сигнала

Наибольшее распространение определение значения Кг получило на низких частотах (диапазон частот от 20 Гц до 200 кГц), где данная величина является одним из важных параметров сигнала. В России измерения коэффициента гармоник регламентируются различными нормативными документами, в том числе государственной поверочной схемой, и обеспечиваются наличием государственного эталона коэффициента гармоник. Принципы построения как эталона, так и нижестоящих по поверочной схеме средств измерений основаны на представлении сигналов в частотной области. При этом либо воспроизводится сигнал с нормируемым значением коэффициента гармоник путем сложения сигнала основной гармоники и сигналов высших гармоник с известным отношением напряжений между ними, либо для определения коэффициента гармоник в неизвестном сигнале измеряются напряжения отдельных спектральных составляющих с помощью селективных вольтметров.

30. Параметрические датчики. Виды, достоинства, недостатки, области применения.

параметров датчика без энергонесущего сигнала (напряжения или тока) невозможно. Выявить изменение соответствующего параметра датчика только и можно по реакции датчика на ток или напряжение, поскольку перечисленные параметры и характеризуют эту реакцию. Поэтому параметрические датчики требуют применения специальных измерительных цепей с питанием постоянным или переменным током.

31.Генераторные датчики. Виды, достоинства, недостатки, области применения.

Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование

величины X в электрический сигнал. Такие датчики преобразуют энергию источника входной (измеряемой) величины сразу в электрический сигнал, т.е. они являются как бы генераторами электроэнергии (откуда и название таких датчиков - они генерируют электрический сигнал).

Дополнительные источники электроэнергии для работы таких датчиков принципиально не требуются (тем не менее дополнительная электроэнергия может потребоваться для усиления выходного сигнала датчика, его преобразования в другие виды сигналов и других целей). Генераторными являются термоэлектрические, пьезоэлектрические, индукционные, фотоэлектрические и многие другие типы датчиков.

32.Автоматизация измерений: микропроцессорные СИ, информационно

– измерительные системы.

Частичная автоматизация позволяет усовершенствовать средство измерения — производит замену косвенных измерений прямыми, осуществляет режимы самодиагностики и автокалибровки, улучшает метрологические характеристики прибора, упрощает и облегчает управление прибором, обеспечивает многофункциональность приборов и т.д., но требует обязательного участия оператора в процессе измерений.

Полная автоматизация позволяет проводить измерения и обрабатывать их результаты без участия оператора.

В основе автоматизации СИ лежит применение микропроцессоров — программно-управляемых устройств, предназначенных для обработки данных и управления.

Широко применяемыми представителями автоматизированных СИ являются автономные микропроцессорные цифровые приборы для измерения определенных физических величин, содержащие, как правило, микропроцессорный модуль, работающий по жесткой программе. Необходимые программы управления измерениями и обработки их результатов хранятся в ПЗУ, и оператор с помощью клавиатуры вызывает их по мере необходимости.

Микропроцессор выполняет самодиагностику прибора, подготовку к измерениям, сервисные функции при измерениях и вычислительные функции при обработке результатов. При диагностике и подготовке к измерениям определяется работоспособность прибора, производится автоматическая установка нуля, может определяться уровень внутренних шумов и т.д.

Вычислительные функции заключаются в выполнении различных математических операций с результатами измерений: умножения и деления на константу, сложения и вычисления констант Микропроцессорные СИ облегчают оператору работу с приборами,

повышают точность измерений, сокращают парк приборов, необходимых для измерений.

Измерительная информационная система (ИИС) — это совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки с целью представления потребителю. ИИС представляют собой СИ с полной автоматизацией (автоматические СИ), применяются в основном в научных исследованиях, контроле сложных технических изделий и систем, управлении технологическими процессами.

По функциональному назначению ИИС подразделяются:

–на измерительные системы (ИС);

–системы автоматического контроля (САК);

–системы технической диагностики (СТД);

–системы распознавания (идентификации) образов (СРО);

–измерительно-вычислительные комплексы (ИВК);

–компьютерно-измерительные системы (КИС) — виртуальные приборы.

По организации алгоритма функционирования различают следующие

виды ИИС:

–с жестким алгоритмом

-программируемые

-адаптивные

-интеллектуальные

По числу измерительных каналов ИИС подразделяются на одно-, двух-

и многоканальные (многомерные).

Назначение ИИС — это оптимальное (в соответствии с выбранными критериями) ведение измерительного процесса и обеспечение сложных систем (в том числе других ИИС) достоверной информацией. То есть ИИС должны обладать технической, информационной и метрологической совместимостью. Для обеспечения совместимости разработаны и введены в

обращение соответствующие нормативные документы (стандарты), определяющие общие технические требования к составу и структуре конкретной ИИС. Для успешного функционирования ИИС необходимо математическое, программное, техническое, информационное и организационное обеспечение системы. И всю эту систему в целом охватывает метрологическое обеспечение.

33. Метрологическое обеспечение измерений (МО). Метрологические службы государственных органов управления и юридических лиц. Состав, задачи, полномочия служб.

Метрологическое обеспечение измерений (МО) — деятельность метрологических и других служб, направленная на создание в стране необходимых эталонов, образцовых и рабочих СИ, разработку и установление метрологических правил и норм, выполнение других метрологических работ, необходимых для обеспечения единства и требуемой точности измерений на рабочем месте.

Научная основа МО — это наука метрология, наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Техническую основу МО составляют: система государственных эталонов единиц ФВ; система передачи размеров единиц ФВ от эталонов всем СИ; система государственных испытаний СИ, обеспечивающая единообразие СИ при разработке и выпуске их в обращение; система поверки и калибровки СИ; система стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов; система стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов.

Правовую основу МО составляет Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ), представляющая собой комплекс законов РФ и нормативных документов, устанавливающих стандартные, взаимоувязанные правила, положения, требования, определяющие организацию и методику проведения работ по оценке результатов и точности измерений.

Организационная основа МО — это иерархически построенная совокупность государственных органов исполнительной власти, государственных научных метрологических институтов (ГНМИ), государственных региональных центров метрологии (ГРЦМ), метрологических служб предприятий и организаций. В законе «Об обеспечении единства измерений» даётся следующее определение

метрологической службы: метрологическая служба — организующее, выполняющее работы и (или) оказывающее услуги по обеспечению единства измерений структурное подразделение органа исполнительной власти, юридического лица или индивидуальный предприниматель.

(министерства, ведомства) и юридических лиц (предприятия, организации) создаются с целью выполнения работ по обеспечению единства и требуемой точности измерений, проведения метрологического надзора (Мн). Осуществляют они свою деятельность на основе закона «Об обеспечении единства измерений» в которых определены основные цели, задачи, состав, права и обязанности метрологических служб.

Метрологическая служба госоргана управления образуется приказом руководителя органа управления и может включать в себя:

структурные подразделения (службу) главного метролога в центральном аппарате органа управления;

головные и базовые организации (службы) в отраслях и подотраслях. Обычно это ведущие НИИ, предприятия, разрабатывающие техническую политику в области метрологии в отрасли или подотрасли;

метрологические службы предприятий, объединений, организаций и т.д Положение о службе утверждается руководителем госоргана управления. В положении приводится информация об органе управления, состав, права и обязанности службы, вплоть до их детального распределения.

Вфункции метрологической службы входит руководство всеми видами метрологических работ по обеспечению единства измерений и требуемой точности в отрасли; внедрение современных методов и средств измерений; участие в проведении испытаний СИ, МВИ, разрабатываемых в отрасли или по её заказам; работы по подготовке, переподготовке и повышению квалификации кадров; проведение МН в отрасли и т.д.

Состав, права и обязанности метрологической службы подробно расписываются в «Положении о метрологической службе», утверждаемом руководителем предприятия.

Вфункции метрологической службы юридических лиц входит разработка, организация и проведение всех работ по повышению эффективности МО на предприятии; разработка и внедрение локальных поверочных схем, организация своевременной поверки или калибровки СИ; организация ремонта СИ; повышение квалификации кадров, связанных с выполнением измерений, и т.д.