Измерение неэлектрических величин

Измерение неэлектрических величин электрическими методами — обширная область измерительной техники.

Применение таких методов позволяет непрерывно измерять и регистрировать искомые величины, производить измерения на расстоянии, с высокой точностью и в широком диапазоне значений.

Обязательным элементом устройств для измерения неэлектрических величин электрическими методами являются измерительные преобразователи (датчики).

Измерение сводится к преобразованию неэлектрической величины в зависимую от нее электрическую величину и измерению этой электрической величины. По измеренной величине определяют искомую неэлектрическую величину.

Измерительные преобразователи бывают генераторные и параметрические.

Генераторные преобразователи вырабатывают эдс или ток. Для их работы, как правило, не нужен дополнительный источник питания. К генераторным относятся:

термоэлектрические, индукционные, тахометрические, пьезоэлектрические, гальванические и ряд других преобразователей.

Параметрические преобразователи преобразуют изменение измеряемой величины в изменение того или иного параметра электрической цепи (R, L, С). Для их работы не требуется дополнительный источник питания. К параметрическим относятся терморезисторы, тензорезисторы, реостатные, индуктивные, емкостные и другие преобразователи.

Аналоговые электронные вольтметры.

При измерении напряжения методом непосредственной оценки вольтметр подключают параллельно участку исследуемой цепи. Для уменьшения погрешности измерения собственное потребление вольтметра должно быть мало, а его входное сопротивление — велико. Поэтому используют электронные вольтметры.

Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и измерительного прибора. В от­личие от вольтметров электромеханической группы, электронные вольтметры постоянного и переменного токов имеют высокие входное сопротивление и чувствительность, широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20 Гц до 1000 МГц), малое потребление тока из измерительной цепи.

Классифицируют электронные вольтметры по ряду признаков:

• по назначению — вольтметры постоянного, переменного и импульсного напряжений; универсальные; фазочувствительные; селективные;

• по способу измерения — приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;

• по характеру измеряемого значения напряжения — ампли­тудные (пиковые), среднего квадратического значения, средневыпрямленного значения;

• по частотному диапазону — низкочастотные, высокочастот­ные, сверхвысокочастотные.

Кроме того, все электронные приборы можно разделить на две большие группы:

аналоговые электронные со стрелочным отсчетом;

приборы дискретного типа с цифровым отсчетом.

Структурные схемы аналоговых вольтметров.

Структурные схемы аналоговых вольтметров показаны на рис.3.5. В настоящее время аналоговые электронные вольтметры постоянного тока (рис. 3.5, а) находят ограниченное применение, так как они по своим техническим свойствам сильно уступают цифровым вольтметрам

Изображенная на рис. 3.5, б структурная схема используется в вольтметрах пере­менного тока для измерения напряжений значительного уровня.

Рис. 3.5 Структурные схемы аналоговых электронных вольтметров:

а) — постоянного тока; б) — напряжений большого уровня; в) — милливольтметра.

(УПТ — усилитель постоянного тока;

> — усилитель переменного тока;

МЭС — магнитоэлектрическая система)

Чтобы обеспечить необходимую точность вольтметра к уси­лителям постоянного тока, применяемым в электронных вольт­метрах, предъявляют жесткие требования в отношении линейности амплитудной характеристики, постоянства коэффициента усиле­ния, температурного и временного дрейфа нуля.

Электронные вольтметры переменного тока для измерения малых напряжений выполняют по схеме, показанной на рис. 3.5, в. Дан­ная схема применяется в милливольтметрах, поскольку обладает большей чувствительностью.

При создании аналоговых вольтметров важную функцию не­сут преобразователи переменного напряжения в постоянное (детекторы). Детекторы классифицируют по функции преобразования входного напряжения в выходное:

амплитудные (пиковые),

среднего квадратического,

средневыпрямленного значений.

Вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высо­кочастотными;

вольтметры с детекторами среднего квадратическо­го значения измеряют напряжение любой формы;

вольтметры средневыпрямленного значения измеряют только гармонические сигналы, но являются самыми простыми и надежными.

Амплитудный детектор — устройство, напряжение на вы­ходе которого, соответствует максимальному (амплитудному) значению измеряемого напряжения.

Чтобы нагрузка детектора эффективно отфильтровывала постоянную составляющую и по­давляла высокочастотные гармоники, необходимо выполнение неравенства: R_c « Rн или:

1/(Сф) « Rн

где: Сф — емкость фильтра; R_H — со­противление нагрузки

детектора, ( = 2f) - круговая частота .

Еще одно условие хорошей ра­боты детектора: сопротивление резистора нагрузки R_H должно быть значительно больше сопротивления диода в его прямой про­водимости.

На рис. 3.6 показаны принципиальная и эквивалент­ная схемы и временные диаграммы амплитудного детектора с параллельным включением диода (детектор с закрытым входом). Рассмотрим работу детектора (рис. 3.6, а) при подаче на его вход гармонического напряжения

U_x = U_msint.

На интервалах времени, когда на вход детектора поступает положительная полуволна, конденсатор С заряжается через диод D, сопротивление R_о которого в открытом состоянии мало. Посто­янная времени заряда _ЗАР = R_оС невелика и заряд конденсатора до максимального значения Um происходит быстро. На интервале действия отрицательной полуволны диод D закрыт и конденсатор С медленно разряжается на сопротивлении нагрузки R_H, так как оно выбирается достаточно большим.

Итак, постоянная разряда _РАЗ = R_НС оказывается значительно больше периода Т = 2/ вход­ного напряжения. В результате конденсатор остается заряженным до напряжения Uc= Um=U_ВЫХ.

Эквивалентная схема амплитудно­го детектора и временные диаграммы, поясняющие его работу, представлены на рис. 3.6, б, в.

Рис. 3.6. Амплитудный детектор с параллельным диодом:

а) — принципиальная схема; б)— эквивалентная схема;

в) — временные диаграммы

Изменение напряжения на сопротивлении нагрузки R_Н опре­деляется разностью амплитуды входного напряжения U_Х и напря­жения на конденсаторе U_С т.е. U_R = U_x - Uc.

Таким образом, выходное напряжение U_R будет пульсирующим с удвоенной ам­плитудой измеряемого напряжения, как показано на рис. 3.6, в. Это подтверждают простые математические выкладки:

при sint = 1 напряжение U_R - 0;

при sint = 0 - U_R = - Um

при sint = -1 - U_R = -2 Um .

Для выделения постоянной составляющей сигнала Um = - Uc на выходе детектора ставится емкостной фильтр, подавляющий остальные гармоники.

Достоинством аналоговых вольтметров с амплитуд­ным детектором является независимость показаний прибора от формы сигнала.

Обычно шкала амплитудных вольтметров гра­дуируется в средних квадратических значениях синусоидального напряжения.

Детектор среднего квадратического значения — преобра­зователь переменного напряжения в постоянное, пропорциональ­ное корню квадратному из среднего квадрата мгновенного значе­ния напряжения. Значит, измерение действующего напряжения связано с выполнением трех последовательных операций:

возведе­ние в квадрат мгновенного значения сигнала,

усреднение и извле­чение корня из результата усреднения (усреднение обычно осуществляегся при градуировке шкалы вольтметра).

Возведение в квадрат осуществляют полупроводниковой ячейкой, используя параболический участок его характеристики, близкий по форме к квадратичной линии; иногда этот участок создают искусственно.

На рис. 3.7, а представлена диодная ячейка D₁R_1с, в которой постоянное напряжение Е₁ приложено к диоду D₁, таким образом, что он оказывается закрытым до тех пор, пока измеряемое напря­жение U_x(t) на резисторе R₁ не превысит величины E₁. Следует иметь в виду, что начальный квадратичный участок вольтамперной характеристики полупро­водникового диода имеет, как правило, малую протя­женность (рис. 3.7, б), по­этому эту часть удлиняют искусственно. Линеариза­ция вольтамперной харак­теристики легко иллюстрируется методом кусочно-линейной аппроксимации. Для этого в схеме детектора используют несколько ди­одных ячеек (рис. 3.7в) аналогичных показанной на рис. 3.7, а. Линейный уча­сток обобщенной вольтамперной характеристики при этом увеличивается.

Рис. 3.7. Детектор среднего каадратического значения:

а — диодная ячейка; б — идеализированная характеристика;

в — схема квадратичного детектора

В схеме, представленной на рис, 3.7, в, первоначально диоды D1 D2, D3 закрыты соответствующими напряжениями смещения Е1, £"-,, и при малом входном напряжении ux(t) ток через мил­лиамперметр равен 0

Когда входное напряжение ujt) > Eh откро­ется диод -£>, и параллельно резистору Rn подключится делитель напряжения Ri9 R\r В результате кругизна вольтамперной характе­ристики на участке от Е\ до Е2 возрастает; суммарный ток проте­кающий через миллиамперметр, станет равным /^ = /0 + /|. Когда выполнится условие ujf) > Е2. откроется диод D2 и ток миллиам­перметра будет равен ?£ - i0 + i}+ i2. При ux(t) > Еъ, откроется диод £>з и суммарный ток, протекающий через миллиамперметр, будет равен /V = /о + h + /2 + /3. В результате форма суммарной вольтам-перной характеристики приблизится к квадратичной кривой. По­казание измерительного прибора будет пропорциональным среднему квадратическому значению входного напряжения и оно не зависит от его формы.

пикает целый ряд трудностей, в том числе и с обеспечением ши­рокого частотного диапазона. Тем не менее эти приборы являются самыми востребованными, так как они позволяют из­мерять напряжение любой сложной формы.

Детектор среднееыпряммешюго значения — устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянный ток, про­порциональный средневыпрямленному значению напряжения. Струкпура выходного тока измерительного прибора с детектором средневыпрямленного значения аналогична ранее рассмотренному узлу выпрямительной системы. Аналоговый электронный вольтметр средневыпрямленного значения имеет более высокую чувствитель­ность и меньшее потребление мощности от измерительной цепи (за счет дополнительного усиления), чем прибор со схемой выпрямле­ния без усилителя.

Интегральные амплитудные детекторы. Диодные (как и тран­зисторные) амплитудные детекторы при малых напряжениях вносят в измеряемый сигнал значительные нелинейные искажения. Поэтому в измерительных устройствах применяют амплитудные детекторы на интегральных микросхемах — операционных усилителях — ОУ (рис. 3.9).

Поскольку детектор 2

выполнен по инверти­рующей схеме (возмож­но и неинвертирующее включение), то при пода­че положительных полу­волн напряжение щ на выходе ОУ будет отрица­тельным. При этом диод

Рис. 3.9. Амплитудный детектор на ОУ

VD_X открыт, а диод VD-, закрыт. Выход ОУ через малое прямое сопротивление диода VD_X подключен ко входу, что создаст глубо­кую отрицательную обратную связь. В результате напряжение па выходе ОУ равно напряжению на его входе и близко к нулю. Вы­ходное напряжение детектора тоже равно нулю. При подаче отри­цательной полуволны напряжение щ на выходе ОУ будет положительным, поэтому диод VD_[ закрыт, a VD₂ —- открыт. При этом напряжение па выходах ОУ и детектора и_шк = и₂= - и_ъкК₂/К_{.

При несинусоидалыюй форме сигнала возможна методичс-ская погрешность измерения. Это рассмотрено ниже,__________

Пример 3.2. На вольтметры с различными полупроводниковыми преобразователями подают поочередно два сигнала разной формы и оди­наковой амплитуды U_m = 100 В. Первый сигнал — гармонический; соот­ветственно /Сф_с= 1₃11_: Кал ⁼ U41. Поэтому среднее квадратическос значение сигнала (У_с= 70,7 В, средневыпрямленное (У_срве = 63,7 В. Вто­рой сигнал — меандр; среднее квадратическое и средневыпрямленное значения здесь равны между собой: U_M = Цр_ЛМ = 100 В, так как коэффи­циенты формы и амплитуды в этом случае К_йм = /Q,_M = 1.

Решение. Ответить на следующие вопросы.

A. Одинаковы, или нет, будут показания вольтметров при подаче сигналов отмеченной формы?

Б. Каковы погрешности измерения, вызванные несинусоидально-стью формы сигнала?

B, Какую достоверную информацию можно получить при несину­соидальной форме сигнала по показаниям приборов.

Инструментальные погрешности всех приборов считают несущест­венными.

Ответы.

I. Измерения производятся вольтметром с преобразователем сред­него квадратинеского значения.

А. Так как прибор измеряет среднее квадратическое значение напря­жений любой формы, то показания соответственно будут: - при гармоническом сигнале U_r= 70,7 В; -для меандра (У_м ~ 100 В. Б, Методических погрешностей нет.

114

П. Измерения проводятся вольтметром с преобразователем средне-выпрямленного значения, отградуированном при синусоидальном токе о средних квадратических значениях,

A, Показания прибора пропорциональны средневыпрямлепному значению любой формы, умноженному на коэффициент К$_с = 1,11, т.е. £/_пр = Кф _с ■ U_cpB. Показания вольтметра для синусоидального сигна­ла: U_nf)X = 1,11 ■ 63,7 = 70,7 В — что соответствует среднему квадратиче-скому значению синусоидального напряжения.

Показания прибора для «меандра)) будут f/_npM = 1,11 ■ 100 - 111 В, что превышает уронень среднего квадрэтического значения.

Д_м= III -100= 11 В.

Относительная погрешность 5_М - (11/100)-100% = 11 %.

B. По показаниям прибора с преобразователем среднего значения при несинусоидальной форме сигнала определяют только среднее или средневыпрямленное значение, т.е. для меандра U_cpBM = 111/1,11 -100 В.

III. Измерения производятся приборам с преобразователем амплитуд­ного значения.

A. Показания прибора будут пропорциональны амплитудному значе­нию сигнала любой формы, деленному на градуировочный коэффици­ент. Если градуировка осуществлялась при синусоидальном токе в средних квадратических значениях, то показания прибора соответствен­но: U_n? = U_m/K^_c= £/„,/1,41. Следовательно, показания прибора будут одинаковы для обеих форм сигнала: U_n? = 100/1,41 - 70,7 В.

При этом для синусоиды это среднее квадратическое значение, а для меандра — меньше среднего квадратического.

Б. Погрешность измерения для меандра: Л = 70,7 - 100 - —29,3 В. Относительная погрешность 29,3 %.

B. По показаниям прибора можно определить амплитудное значение для любой формы сигнала. В данном случае, для меандра имеем ампли­тудное значение: U_mH= 70,7 ■ 1,41 = 100 В,