2.2 Структура измерительных устройств и их элементы

В целом ряде случаев измерения электрических величин при испытаниях ЭА не вызывают существенных затруднений; оно проводится непосредственно с помощью стандартных измерительных приборов. Методы измерений с их помощью широко описаны в литературе по электрическим измерениям. Однако, как показала практика исследований и испытаний ЭА, проведение таких измерений далеко не всегда возможно. Это связано, прежде всего:

• с величинами измеряемых параметров: (они или слишком велики или слишком малы) и их измерение невозможно осуществить стандартными измерительными приборами;

• с инерционностью стандартных измерительных приборов: с их помощью невозможны измерения в переходных режимах, высокочастотных и импульсных величин;

• с требованиями безопасности: в испытательных установках, где присутствует высокое напряжение измерительные приборы, как правило, располагается на относительно большом расстоянии (десятки–сотни метров) от исследуемого объекта.

Таким образом, структурная схема измерительного устройства в испытательных установках в общем случае имеет следующий вид:

Измерительный сигнал Х от исследуемого объекта ИО поступает на вход измерительного преобразователя ИП, который осуществляет преобразование входного измерительного сигнала в более удобный для непосредственного измерения Y. Этот сигнал через линию передачи передается на вход стандартного измерительного (регистрирующего) прибора РП, который представляет его в форме, позволяющей исследователю непосредственно воспринимать значение измеряемой величины.

При измерении постоянных или медленно меняющихся сигналов линией передачи может служить бифиляр (два скрученных между собой проводника).

При измерении высокочастотных или быстроменяющихся сигналов линией передачи служит чаще всего высокочастотный кабель коаксиальной формы: он состоит из жилы (тонкий медный проводник) и оболочку (проволочная плетенка, но при необходимости полного исключения помех и надежного экранирования от внешних полей выполняется гофрированной металлической трубкой), пространство между ними заполнено диэлектриком.

Параметры линии передачи должны быть согласованы с параметрами источника измерительного сигнала или регистрирующего прибора. В противном случае при быстром изменении измеряемого сигнала будет наблюдаться многократное отражение бегущей волны напряжения, которое будет вызывать значительные искажения измеряемого сигнала. Для устранения возникающих искажений в измерительных схемах применяется согласующий резистор R_c. Таким образом, схема регистрации измерительного сигнала имеет следующий вид:

а) b)

Схема содержит источник измерительного сигнала u(t) с внутренним сопротивлением R_и, линию передачи (высокочастотный кабель) с волновым сопротивлением Z_к и регистрирующий прибор РП.

В случае а согласование осуществляется на конце линии передачи; для исключения искажений необходимо соблюдение следующих условий: R_c = Z_к при Z_РП >> Z_л.

В случае b согласование осуществляется в начале линии передачи; в этом случае для исключения искажений необходимо соблюдение следующих условий: R_c = Z_к при Z_и << Z_л.

Регистрирующим прибором в измерительных устройствах, как правило, является стандартный измерительный прибор: например, цифровой милливольтметр, если измерения осуществляются в установившемся режиме. При измерениях в переходных режимах, высокочастотных и импульсных сигналов регистрирующим прибором является, как правило, запоминающий осциллограф. В настоящее время в испытательных установках применяются три основные разновидности запоминающих осциллографов:

1) Магнитоэлектрические (шлейфовые) осциллографы применяются относительно давно и хорошо себя зарекомендовали. Основное их преимущество заключается в том, что сигнал к нему подводится непосредственно (без преобразующего устройства), а также высокой скорости записи.

2) Электронно-лучевые осциллографы (осциллографы с электронно-лучевой трубкой) имеют чувствительность от милливольт до 100 В/см, поэтому сигнал к нему поступает через преобразующее устройство. Электронно-лучевая трубка такого осциллографа имеет основной катод, куда поступает сигнал и один или несколько вспомогательных катодов с рассеивающемся на весь экран потоком электронов.

3) Цифровые системы с запоминанием широко применяются в последнее время в качестве осциллографов. Основными их достоинствами являются: более высокая скорость записи, результат выдается в цифровой форме, пригодной для компьютерной обработки, что позволяет автоматизировать технику проведения испытаний, скорректировать систематические погрешности измерений при передаче сигнала. Отличительной особенностью цифровых систем является наличие аналого-цифрового преобразователя. Его основным элементом является преобразовательная трубка, представляющая собой комбинацию двух электронно-лучевых трубок, размещенных в одном корпусе: записывающей и запоминающей. Между ними располагается экран-мишень, состоящий из матрицы плотно расположенных полупроводниковых диодов, изготовленных по той же технологии, что и интегральные элементы. При записи электроны, обладая высокой энергией, создают в диодах электронно-дырочные пары, что приводит к отпиранию облученных диодов. Параметры полученной осциллограммы (напряжение, время) определяются с помощью подвижных маркеров, результат выдается в цифровой форме. Осциллограмма может быть преобразована по амплитуде и времени.