29 Особенности измерения переменных токов и напряжений. Информативные параметры и поправочные множители для магнитоэлектрических, выпрямительных, цифровых и электронных пиковых вольтметров.

Рабочими средствами измерений переменных токов и напря­жений являются амперметры (микро-, мили-, килоамперметры), вольтметры (микро-, мили-, киловольтметры), компенсаторы переменного тока, универсальные и комбинированные приборы, а также регистрирующие приборы и электронные осциллографы.

Особенностью измерений переменных токов и напряжений является то, что они изменяются во времени. В общем случае изменяющаяся во времени величина может быть полностью пред­ставлена мгновенными значениями в любой момент времени. Переменные во времени величины могут быть также охарактери­зованы своими отдельными параметрами (например, амплиту­дой) или интегральными параметрами, в качестве которых ис­пользуют действующее значение, средневыпрямленное значение и среднее значение.

Таким образом при измерении переменных токов и напряжений могут измеряться их действующие, амплитудные, средневыпрямленные, средние и мгновенные значения. В практике электрических измерений чаще всего приходится измерять синусоидальные переменные токи и напряжения, которые обычно характеризуются действую­щим значением. Поэтому подавляющее большинство средств измерений переменных токов и напряжений градуируются в дей­ствующих значениях для синусоидальной формы кривой тока ил» напряжения.

Измерения действующих значений переменных токов и на­пряжений осуществляют различными средствами измерений. Наименьшие верхние пределы измерений переменных токов и на­пряжений на несколько порядков больше, чем постоянных. Это объясняется тем, что воздействия внешнего переменного магнит­ного поля и паразитных резистивно-емкостных связей, отмечен­ные выше, особенно сильно влияют при измерении переменных величин. Малые переменные токи измеряют цифровыми, элек­тронными и выпрямительными приборами, малые переменные напряжения — электронными вольтметрами. Наиболее широкий диапазон измерений переменных токов при прямом включении средств измерений обеспечивают выпрямительные приборы. Они имеют относительно широкий диапазон и при измерении перемен­ных напряжений. Следует также учесть, что эти приборы при отключе­нии выпрямителя используются как магнитоэлектрические прибо­ры для измерений постоянных токов и напряжений. Переменные токи свыше килоампера и переменные напряже­ния свыше киловольта измеряют с помощью наружных измери­тельных трансформаторов тока или напряжения электромагнит­ными, выпрямительными и электродинамическими приборами. Измерения высоких переменных напряжений (до 75 кВ) при прямом включении средств измерений позволяют осуществлять электростатические киловольтметры.

В наиболее широком частотном диапазоне при измерений переменных токов работают термоэлектрические и электронные приборы, а при измерении переменных напряжений — электрон­ные и электростатические приборы. Термоэлектрические вольт­метры имеют ограниченное применение из-за большой мощно­сти, потребляемой ими из цепи измерения. В наиболее узком частотном диапазоне работают электродинамические и электромагнитные приборы. Верхняя граница их частотного диапазона обычно не превышает единиц килогерц. Однако можно указать общую закономерность: с увеличением значения измеряемой величины верхняя граница частотного диапазона, как правило, уменьшает­ся. При этом наблюдается и другая закономерность, отмеченная ранее: с увеличением частоты погрешность измерений увеличива­ется.

При измерениях действующих значений переменных токов и напряжений, форма кривой которых отличается от синусоидальной, возникает дополнительная погрешность. Эта погреш­ность минимальна у средств измерений, работающих в широкой полосе частот, при условии, что выходной сигнал этих средств определяется действующим значением входной величины. Наиме­нее чувствительны к изменению формы кривой переменных токов и напряжений термоэлектрические, электростатические и элек­тронные приборы. Наиболее точные измерения действующих значений синусои­дальных токов и напряжений можно осуществить электродинами­ческими приборами, цифровыми приборами и компенсаторами переменного тока. Однако погрешность измерений переменных токов и напряжений больше, чем постоянных. Например, компен­сатор переменного тока типа К509 в области частот от 40 до 60 Гц измеряет ЭДС и напряжения с минимальной допускаемой основ­ной погрешностью ±0,1 %. Такую же точность в более широкой области частот обеспечивают электродинамические амперметры и миллиамперметры типа Д5054 и вольтметры типа Д5055.

Информативные параметры и поправочные множителеи:

• мгновенное значение сигнала U(t)

• амплитудное значение сигнала U_m

• размах U_p=U_m+

• период Т

• частота

• угловая скорость

• начальная фаза сигнала ψ₀ – угол между начальным значением сигнала и начальным моментом времени

• постоянная составляющая сигнала U₀ – среднее значение сигнала за период.

• переменная составляющая сигнала y(t)=U(t)-U₀

• средневыпрямленное значение напряжения – среднее значение за период: 1) однополупериодн. U_m/п 2) 2х полупериодн. 2U_m/п

• среднеквадратическое (действующее) значение сигнала

Действующее и средневыпрямленное значение сигналов взаимосвязаны между собой:

• коэффициент формы сигнала

• Коэффициент отклонения сигнала

30 Измерение частоты электрических сигналов. Диапазон и поддиапазоны измеряемых частот. Особенности измерения частоты. Средства измерений частоты методом непосредственной оценки: виды, диапазоны измерений, классы точности, области применения.

В современной практике измеряют частоту в диапазоне 10^-2 … 10¹¹ Гц.

Весь спектр частот электромагнитных колебаний делят на два диапазона – низких и высоких частот.

Низкие частоты делят на:

1. инфразвуковые < 20 Гц

2. звуковые до 20*10³ Гц

3. ультразвуковые 20…200 кГц

Высокие частоты делят на:

1. высокие 200 кГц … 30 МГц

2. ультравысокие 30…300 МГц

3. сверхвысокие >300 МГц

Измерение частоты по сравнению с измерениями других физических величин возможно с очень большой точностью, обусловленной высокой помехозащищённостью частотного сигнала и возможностью преобразования частоты с большой точностью в цифровой код. Погрешность измерения частоты зависит от выбранных средств и методов измерений и различна для разных диапазонов частот. Минимальная погрешность измерения частоты . Наибольшую сложность вызывает измерение инфразвуковых и сверхвысоких частот.

В зависимости от диапазона измерений и требуемой точности, используют различные методы и средства измерений.

Для измерения частоты в узком диапазоне (до 550Гц) при наибольшей частоте 2500Гц применяют электродинамические и электромагнитные частотомеры. К.Т эл.динам. частотомеров 1; 1,5; эл.магн. частотомеров 1,5; 2,5.

Для измерения низкой частоты в узком диапазоне (до 55 Гц) могут применятся резонансные частотомеры, класс точности которых 1-2,5.

В диапазоне высоких и сверхвысоких частот, частота может измеряться высокочастотными резонансными частотомерами, в которых, в отличие от электромеханических резонансных частотомеров, используется колебательный контур из катушки индуктивности и конденсатора. Погрешность измерения частоты в этом случае составляет

Нz

48 49 50 51

Для измерения частоты в широком диапазоне (от 10 Гц до нескольких МГц) могут применяться электронные аналоговые частотомеры, класс точности 0,5 – 2,5.

31 Средства измерений частоты методом сравнения с мерой. Измерение частоты методами линейной и круговой развёртки. Измерение частоты с помощью фигур Лиссажу. Диапазоны и погрешности измерений частоты перечисленными методами.

Для измерения частоты электрических сигналов получил распространение метод сравнения, отличающийся относительной простотой, сравнительно высокой точностью и пригодностью для использования в широком диапазоне частот. Измеряемая частота определяется по равенству или кратности известной частоте. Индикатором равенства или кратности частот может служить электронный осциллограф. Этот способ измерения частоты пригоден для измерения частот в пределах полосы пропускания электронно-лучевой трубки. Измерение частоты можно производить при линейной, синусоидальной и круговой развёртках.

Метод линейной развёртки:

П ри измерении частоты на экране осциллографа получают синусоидальный сигнал. Затем определяют расстояние L по шкале, соответствующее периоду сигнала в числе делений шкалы. Затем рассчитывают неизвестную частоту f_x по формуле:

, где:

f_x – неизвестная частота;

m_t – установленный коэффициент развёртки;

L – расстояние по шкале, соответствующее периоду сигнала.

Достоинства метода – возможность измерять частоты сигналов любой формы.

Недостатки метода – большая погрешность измерения 5-10%.

Метод круговой развёртки:

Э тот метод имеет большую точность, но здесь необходим генератор образцовой частоты.

На входы X и Y подают напряжение U с образцовой частотой f_обр. Измеряют сигнал подаваемый на вход упр. яркости луча z. Если f_x кратно f_обр то на экране осциллографа возникают окружности в виде штриховых линий. Число штрихов равно кратности сигналов, поэтому получаем: f_x=n*f_обр, где n – число штрихов. Это метод позволяет измерить частоту в 50-100 раз больше образцовой. Погрешность определяется только погрешностью генератора образцовой частоты.

Измерение частоты методом фигур Лиссажу:

В этом случае неизвестную частоту f_x подают на пластину Y, а частоту f_обр на пластину Х.

где n_г и n_в – число пересечений фигуры Лиссажу горизонтальной и вертикальной осей экрана осциллографа.

Где: 0, п/4, п/2 – фазовый сдвиг

1:1, 1:2 – отношение

При измерении частоты этим методом стараются чтобы кратность частоты не превышало 10, иначе фигуры очень трудно рассматривать.