Измерение параметров интенсивности сигналов

Измерение параметров интенсивности сигналов

К параметрам интенсивности сигналов относятся ток, напряжение, напряжённость электромагнитного поля, мощность.

Измерение тока высокой частоты.

Основное требование к амперметрам, используемым в области ВЧ это независимость показаний приборов от частоты тока в широком диапазоне частот.

Для измерения токов ВЧ нельзя применять используемые в электротехнике амперметры электромагнитной и электродинамических систем (эти системы применяются в области звуковых частот).

В электромагнитных и электродинамических системах сила, действующая на стрелку, зависит от тока, протекающего по проводам обмоток. Из-за межвитковой емкости обмоток не весь ток протекает по обмотке, часть его ответвляется межвитковой емкостью. Следовательно, величина тока, протекающего по обмотке, зависит от частоты.

По этому применяют прибор магнитоэлектрической системы.

Эквивалентная схема амперметра на в. ч. представлена на (Рис. ).

L, R – индуктивность и сопротивление рабочей части амперметра;

С – емкость между входными зажимами;

С1, С2 – емкость входных зажимов А и В относительно земли.

На СВЧ эквивалентная схема усложняется т.к. параметры имеют распределенный характер.

Значение и знак реактивного сопротивления зависит от частоты тока. В результате воздействия амперметра на измеряемую цепь ток в ней изменяется. Однако, и этот ток измеряется неправильно, т.к. он частично ответвляется через С1 и С2.

Ошибка при измерении зависит не только от величин С1 и С2 но и от места включения амперметра. (рис.)

Амперметр следует включать в точку цепи, имеющую минимальный потенциал относительно земли. (рис. б)

В этом случае С1 замкнута накоротко.

Ошибка, вызываемая емкостями тем больше, чем ближе частота тока к собственной частоте амперметра :

обычно лежит в области дециметровых волн.

Требования к амперметрам:

- независимость показаний амперметра от частоты;

- потребляемая мощность должна быть, возможно, меньшей;

- собственная емкость прибора и емкость относительно земли должна быть возможно меньшей;

- режимы рабочей частоты прибора должны быть малы по сравнению длинной рабочей волны;

Это требования трудно выполнить. Поэтому: измерение тока на частотах выше примерно 3000 МГц невозможно.

Ток на этих частотах оценивают с помощью косвенных измерений (напряжения, мощности, напряженности поля, полного сопротивления).

Для измерения переменных токов используют преобразование их в постоянные с помощью термопреобразователей, (терморезисторов, болометров и термисторов).

Если допустимы погрешности 1020%, то в качестве преобразователей используют полупроводниковые детекторы.

В термоэлектрической системе угол отклонения стрелки амперметра практически не зависит от частоты.

Термоэлектрические амперметры

Основан на эффекте Зеебека. Для измерения применяют, термометры, термопары, термисторов.

Термоэлектрические амперметры состоят из:

1. термоэлемента (термопары);

2. индикатора магнитометрической системы;

Принцип действия основан на физическом явлении термоэффекта.

Два разнородных металла образуют в месте спая термопару.

Другие концы термопары соединены с охлаждающими массами М1 и М2, благодаря чему их температура близка к температуре окружающей среды - .

При нагревании контакта пары в нем возникает ЭДС ; величина зависит от материала металлов, температуры нагрева контакта и температуры холодных концов пары:

;

- эффективное значение тока, протекающего через нить нагревателя;

- коэффициент, определяется свойствами металлов термопары;

Применяются пары: железо – константан; нихром – константан; нихром – никель; медь – константан и др.

Ток прибора равен ;

и сопротивление прибора и термопары.

Используя термоэлемент можно измерять различные физические величины, преобразуемые в тепло.

Шкала термоамперметра имеет квадратичный характер, т.к прибор построен на принципе использования мощности – угол отклонения стрелки прибора - - пропорционален мощности P, рассеиваемой в нагревателе током .

На (рис а, б) представлены контактные и бесконтактные термоэлементы соответственно.

Достоинства схемы а): высокая чувствительность; простота конструкции; малая инерционность. Достоинство схемы б): меньшая погрешность из-за малой паразитной емкости.

Начальная часть шкалы (~20% предельного тока прибора) очень сжата и не может быть использована. Для І = 1Ма → R подогревателя ≈1000 Ом, для 10Ма→10Ом; 100Ма→1Ом.

Пределы термоамперметров от 1 Ма до десятков ампер.

На f>10Мгу – бесконтактные подогревные термоэлементы. Сопротивление термопары (10÷30) Ом. Термопреобразователь внутри корпуса магнитоэлектрического прибора либо вне его.

Источники погрешностей термоэлектрических приборов.

1. Следствие поверхностного эффекта? (с изменением частоты изменяется активное сопротивление подогревателя). На СВЧ необходимо уменьшить диаметр подогревателя.

2. Шунтирующее действие емкостей С, С1, и С2.

3. Температурные погрешности.

4. Погрешность градуировки.

Практическая погрешность термоприборов 1÷5% расширение пределов измерения.

(Классы точности 0,05; 0,1;0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0)

Измерение больших токов (более 10А)

Трудности: с ростом измеряемого тока нужно увеличивать сечение потребителя, что приводит к погрешности за счет поверхностного эффекта.

Кроме того, при этом поглощается большая мощность. Это требует увеличения размеров подогревателя, что в свою очередь сужает диапазон частот, в котором может быть использован прибор.

Поэтому измерение больших токов производится термоамперметрами с помощью трансформаторов.

- ток амперметра;

- изм. ток;

- частота тока;

М - взаимноиндуктивность между обмотками;

и - активное сопротивление, и индуктивность вторичной обмотки.

Шунтирование амперметров в.ч.

Шунт обладает активным сопротивлением, емкостью и индуктивностью; поэтому его полное сопротивление зависит от частоты; следовательно, распределение тока между амперметром и шунтом также будет зависеть от частоты подводимого тока. Задача – обеспечить характер сопротивления шунта и амперметра во всем диапазоне .

Шунтировать амперметр активным сопротивлением нецелесообразно (причина индуктивность шунта, большое поглощение мощности).

Выбор из условия: » В этом случае ветвь c амперметром имеет емкостное сопротивление. Ошибка измерения не более 1% если »7R

.

В индуктивных шунтах большие потери, чем в емкостных; подвержены влияниям магнитных полей; схема включения аналогична; вместо и включаются индуктивности и

ЦВ с двойным интегрированием.

Обеспечение линейности ГПН требует сложных схемных решений, высокостабильных элементов, термостатирования. Поэтому на практике часто применяют метод двойного интегрирования ("вверх" - "вниз").

Идею метода можно проиллюстрировать с помощью рис.

1. Т1 – калиброванное время заряда конденсатора интегратора изменяемым напряжением Ux

2. T2 – временной интервал между импульсами длительностью Т1.

3. Тц – цыклы измерения.

4. Uвых инт – напряжение на выходе интегратора (при заряде за интервал времени Т1 и разряде до момента, Uвых инт = 0 ).

5. Uдц – напряжение на выходе дифференциирующей цепи при прохождении прямоугольных импульсов Uупр (уу) (Т1) на вход.

Соответствующая структурная схема ЦВ представлена на рис.

Работа схемы

1. Устройство управления УУ вырабатывает прямоугольный импульс длительностью Т1. При появлении фронта импульса переключающее устройство ПУ подает измеряемое напряжение постоянного тока Uх на интегратор S. Напряжение на интеграторе растет по линейному закону – интегрирование "вверх"; угол пропорционален Uх.

2. В момент окончания импульса УУ подключает ко входу интегратора образцовое напряжение Uобр (от БОН), полярность которого обратна полярности Uх. Начинается процесс интегрирования "вниз". - пропорционален значению Uобр. Одновременно в результате дифференцирования отрицательный импульс перебрасывает триггер Т, открывает ВС по входу 1 и импульсы от ГСИ поступают на СТ .

3. В момент, когда Uвых инт = 0, УС вновь опрокидывает триггер (возвращает в исходное состояние 0), врезультате чего поступление счетных импульсов в СТ прекращается. Одновременно прекращается прекращается подача образцового напряжения на интегратор.

Определим связь между длительностью стробирующего импульса и результатом измерения .

1. Напряжение на выходе интегратора при интегрировании “вверх” в момент определяется из выражения:

.

2. При интегрировании “вниз” в момент, когда

т.е. ; ;

Из полученного выражения видно, что прямо пропорционально измеряемому напряжению и не зависит от постоянной времени интегратора, т.е. изменения параметров элементов интегратора не влияет на погрешность измерения. Это основное достоинство – не требуются высокостабильные элементы схемы.

; .

Защита от помех

Подавление сетевой помехи (=50 Гц) осуществляют выбором интервала интегрирования кратным периоду сетевой помехи (1/50 c= 20 мс).