- •Сдержание
- •1 Теория и практика электротехнических измерений
- •1.1 Основные понятия при измерении физических величин…………..3
- •Тема 2. Погрешности и обработка результатов измерений
- •Тема3. Электроизмерительные приборы непосредственной оценки
- •1 Теория и практика электротехнических измерений
- •1.1 Основные понятия при измерении физических величин
- •1.2 Назначение и особенности электротехнических измерений
- •1.3 Виды и методы измерений
- •Основные методы измерений
- •1.4 Классификация измерительных приборов и их шкал
- •Основные показатели шкал приборов.
- •1.5 Эталоны единиц электрических величин (самостоятельная работа)
- •2 Погрешности и обработка результатов измерений
- •2.1 Общие сведения
- •2.2 Классификация погрешностей
- •По причине возникновения погрешности бывают:
- •3 Электроизмерительные приборы непосредственной оценки
- •3.1 Устройство подвижной части измерительного механизма
- •3.2 Магнитоэлектрические механизмы
- •3.3.Электромагнитные механизмы
- •3.3.1.Устройство и принцип действия электромагнитных механизмов
- •3.3.2.Электромагнитные амперметры и вольтметры.
- •3.4. Ферродинамические измерительные механизмы.
- •Для вольтметров ферродинамической системы, катушки которых вместе с добавочным резистором включаются последовательно, получим:
- •3.5. Электродинамические измерительные механизмы.
- •I1 и i2, но и от взаимного расположения катушек, т.Е. От угла отклонения α подвижной катушки.
- •Электростатические механизмы.
- •Измерение тока и напряжения.
- •Измерение постоянных токов, наряжения и количества электроэнергии
- •Зная i0 и r0 (пасортные данные на измерительный прибор) Определяем Rд :
- •Гальванометры магнитоэлектрической системы.
- •Электро – динамические приборы измерения напряжения и тока.
- •Электромагнитные амперметры и вольтметры.
- •Измерение мощности и энергии.
- •Измерение мощности трехфазной цепи.
- •Основные методы измерений
- •Измерение сопротивлений.
- •Измерение неэлектрических величин
- •Аналоговые электронные вольтметры.
- •Цифровые вольтметры
- •Кодоимпульсные цифровые вольтметры
- •Вольтметры с времяимпульсным преобразованием.
- •Цифровые вольтметры.
- •Кодоимпульсные цифровые вольтметры.
- •Электронные вольтметры.
- •Электронно-лучевые осциллографы Классификация осциллографов.
- •Структура осциллографа.
- •Виды разверток в осциллографе.
Электронные вольтметры.
Основное назначение электронных вольтметров — измерение напряжений (постоянного, импульсного) в широком диапазоне напряжений и частот. В состав вольтметров входят усилители постоянного и переменного напряжений, преобразователи переменного напряжения в постоянное и постоянного в переменное, делители напряжения. В качестве выходных приборов в основном используются магнитоэлектрические микроамперметры.
Усилители.
Метрологические характеристики вольтметра (чувствительность, диапазон частот измеряемых напряжений) в первую очередь определяются типом и техническими характеристиками используемого в вольтметре усилителя.
Основное назначение усилителя — усиление (увеличение) входной величины до необходимого значения.
В усилителях напряжения, которые применяются чаще других, выходное напряжение VBUT усилителя связано с его входным напряжением UBX в первом приближении уравнением
вых = "Vy вх»
где Kyu=UBUxlUBx — коэффициент усиления усилителя по напряжению.
Усилители постоянного и переменного напряжений отличаются зависимостью коэффициента усиления усилителя от частоты f, т.е. Куи=фШ, называемой АЧХ усилителя.
На рис. 3.50 приведены АЧХ для усилителей постоянного и переменного напряжений. В усилителях переменного напряжения значение Куи с уменьшением частоты падает.
Рис. 3.50. Амплитудно-частотные характеристики усилителей:
а) постоянного напряжения; б) переменного напряжения
Это объясняется наличием емкостной связи между каскадами, с уменьшением частоты сопротивление конденсатора связи растет и коэффициент передачи этой цепи уменьшается, а на постоянном токе он равен нулю. В области высоких частот уменьшение Куи объясняется шунтирующим действием входных, выходных и проходных емкостей усилительных каскадов.
Рис. 3.51. Амплитудная характеристика усилителя
Частотные возможности усилителя характеризуются полосой пропускания, задаваемой нижним /„ и верхним /в еначениями диапазона частот, в котором отклонение Куиот номинального значения Кшлл не превышает заданного значения АКуи или 6=;&KyuiKyu. Полоса пропускания усилителя постоянного напряжения характеризуется одним значением частоты /в.
Важной характеристикой усилителя является его амплитудная характеристика UBUX=f(Uax) (рис. 3,51), которая в реальном усилителе отличается от линейной зависимости из-за нелинейности характеристик ламп или транзисторов, а при достаточно больших входных сигналах достигает насыщения, определяемого напряжением питания усилителя. Для усилителей постоянного напряжения характерна нестабильность, проявляющаяся в медленном изменении нулевого уровня выходного напряжения усилителя при коротком замыкании между его входными зажимами. Такой характер изменения выходного напряжения усилителя часто называют дрейфом нуля усилителя, а также фликер-шумом. Дрейф нуля усилителя отличают от так называемого белого шума усилителя, который имеет широкий спектр частот и постоянную интенсивность в области частот от 1—2 кГц до /п полосы пропускания усилителя.
Дрейф нуля усилителя обусловлен разными причинами: медленными изменениями питающих напряжений, изменением внешней температуры, временным изменением («старением») параметров элементов усилителя и другими флук-туационными явлениями. Дрейф нуля принято характеризовать приведенным ко входу усилителя напряжением, которое необходимо подать на вход усилителя, чтобы вызвать смещение нуля усилителя, равное его дрейфу. Таким образом, приведенное напряжение является количественной оценкой дрейфа нуля, независимой 01' коэффициента усиления, и позволяет проводить сравнительную оценку по этому параметру различных усилителей.
В вольтметрах постоянного напряжении, выпускаемых промышленностью, нашли применение следующие типы -усилителей постоянного напряжения:
1) усилители с непосредственными связями;
2) усилители типа модуляция — усиление — демодуляция (типа МДМ);
3) усилители на основе магнитоэлектрических гальванометров с фотопреобразователями.
Элементной базой построения усилителей первых двух типов служат электронные лампы, транзисторы, а в последнее время усилители в микросхемном интегральном исполнении.
Усилители на электронных лампах с непосредственными Связями имеют значение приведенного ко входу дрейфа нуля,, достигающее 30—100 мВ/ч, причем основными причинами дрейфа являются изменения характеристик ламп. Основная причина дрейфа нуля транзисторных усилителей — изменение температуры окружающей* среды. В лучших транзисторных усилителях температурный дрейф не превышает 10—100 мкВ/°С, а некоторые типы интегральных усилителей имеют дрейф 0,1 — 1 мкВ°С.
В усилителях типа МДМ (рис'. 3.52, а) постоянное входное напряжение преобразуется модулятором в переменное напряжение. Модулятор образован двумя ключами (рис. 3.52,6), коммутация которых производится в протквофазе, т. е. замыкание SA1 сопровождается размыканием SA2 и наоборот. Управление ключами осуществляется от спени-
151 разнородных металлов (медь, олово, манганин, фосфорис* бронза), эквивалентна нескольким последовательно ноченным термопарам. Общий уровень термо-ЭДС в 'ГУ достигает 0,01—1 мкВ.
Усилители, входящие в электронные вольтметры, долж-иметь стабильный коэффициент усиления, нестабильность которого, вызванная влиянием различных факторов шпературой, нелинейностью амплитудной характеристи-усилителя, частотой, «старением» элементов и т.п.), не-Хходимо свести к минимуму. Наиболее эффективный спо-стабилизации коэффициента усиления — введение отри-нельной обратной связи (ООС).
На рис. 3.53 приведены схемы усилителя напряжения с Срицательными обратными связями по напряжению и току.
3,53. Усилители, охваченные обратной связью по напряжению |(а) и току (б)
Схема рис. 3.53, а аналогична схеме рис. 1.4, если при-
1ЯТЬ
xy = UOtC; Ax = U- (3.38)
Из (1.5) следует, что коэффициент усиления усилителя, хваченного ООС по напряжению, равен
>г, чти усилитель илиачел iviyuuki/n C_)Od, cum
р^Р>1. В этом случае
(3.40)
|В, таким образом, /Со.с определяется отношением резисторов Ipteim ООС и в первом приближении не зависит от коэффи-лента усиления усилителя /Суи. В действительности нестабильность Куи приводит к не-
15а
ачьнрго генератора Г. Если сопротивление ключей в замкнутом состоянии равно нулю, а в разомкнутом— бесконечности и если переключение производится мгновенно, то выходное напряжение модулятора представляет последовательность прямоугольных импульсов (рис. 3.52,<?) с амплитудой, равной входному напряжению UBX (рис. 3.52, г). Импульсы усиливаются усилителем переменного напряжения У, выходной сигнал которого не содержит постоянной составляющей (рис. 3.52, е), поскольку усилители переменного напряжения не усиливают постоянного напряжения (или постоянной составляющей переменного напряжения). Принцип действия демодулятора ДМ (рис. 3.52, в) аналогичен принципу действия модулятора М. На выходе ДМ при синхронной коммутации ключей М "и ДМ (одновременно замкнуты SA1 и SA3t a SA2 и SA4 разомкнуты и наоборот) полярность прямоугольных импульсов совпадает с полярностью импульсов на выходе М (рис. 3.52,ас). Фильтром Ф (рис. 3.52, в) импульсы усредняются, и на выходе усилителя типа МДМ получается, таким образом, усиленное напряжение, полярность которого определяется полярностью UBX (рис. 3.52, з).
В модуляторах и демодуляторах используются электромеханические прерыватели (так называемые вибропреобразователи) и полупроводниковые ключи, в качестве которых чаще всего используются полевые транзисторы. Дрейф нуля усилителей типа МДМ определяется дрейфом нуля модулятора и составляет 0,01—10 мкВ/°С и 0,01—10 мкВ/ч.
В усилителях на основе магнитоэлектрических гальванометров с фотопреобразователями (фотогальванометриче-ские усилители — ФГУ) луч света, отраженный зеркальцем, жестко скрепленным с рамкой гальванометра, падает на дифференциальный фоторезистор (ДФР). При отсутствии тока в рамке световое пятне освещает равные площади ДФР, и поэтому сопротивления ДФР одинаковы. Выходное напряжение мостовой схемы, в которую включен
приводит к увеличению сопротивления одного фоторезистора и уменьшению второго. Это вызывает появление напряжения на выходе мостовой схемы.
Фотогальванометрический усилитель имеет невысокий уровень дрейфа, обусловленный в основном возникновением термо-ЭДС во входной цепи усилителя. Действительно, если в объеме, занимаемой входной цепью ФГУ, существует перепад температуры, тогда входная цепь, составленная из
lpa) и току (б) Ж Схема рис. 3.53, а аналогична схеме рис. 1.4, если при-
H|i; ■'.Считают, чти .усилитель илвачеи iviyGuKim C_)Od, cum
Ш^Р>1. В этом случае
1**, таким образом, /Со.с определяется отношением резисторов та ООС и в первом приближении не зависит от коэффи-шриента усиления усилителя /Суи. 1 В действительности нестабильность Куи приводит к не-
Рис. 3.52. Усилитель типа модуляция—усиление—демодуляция:
. * — структурная схема; б —модулятор; в — демодулятор и фильтру я— а— ар&. пенные диаграммы сигналов в усвлитела
Ш |иает 10—100 мкВ/°С, а некоторые типы интегральных усн-Kf?h лнтелёй имеют дрейф 0,1 — 1 мкВ^°С.
В усилителях типа МДМ (рис'. 3.52, а) постоянное вход-Щ" ное напряжение преобразуется модулятором в переменное *r; напряжение. Модулятор образован двумя ключами (рис. Щ-: 3.52,6), коммутация которых производится в противофазе, |- т. е. замыкание SA1 сопровождается размыканием SA2 и наоборот. Управление ключами осуществляется от сиеци-
Схема содержит входное устройство, двухпозиционный ключ, интегратор, источник образцового напряжения, устройство сравнения, триггер Т, генератор счетных импульсов, управляющее устройство, логическую схему И, счетчик импульсов и цифровое отсчетное устройство.
В начале цикла измерения при t = /0 устройство управления схемы вырабатывает калиброванный импульс £/£пр с длительностью Г, = TQK, где То — период следования счетных импульсов; К — емкость счетчика. В момент появления фронта импульса Щпр ключ переводится в положение 7, и с входного
устройства на интегратор поступает напряжение U'x, пропорциональное измеряемому напряжению Ux. Затем, на интервале времени 7*i = t\ - /о происходит интегрирование напряжения U'x (пропорционального измеряемому Щ в результате чего нарастаю-
щее напряжение па выходе интегратора будет: С/„ = \uxdt. В мо-
ч мент t = t} управляющий сигнал /7j,|ip переводит ключ в положение
2 и на интегратор с источника образцового напряжения подается образцовое отрицательное напряжение Umn. Одновременно с этим управляющий сигнал С/^пр опрокидывает триггер.
Интегрирование напряжения - С/иОн происходит быстрее, так как в схеме установлено \UnC)U\ >U'r, Интегрирование образцового напряжения продолжается до тех пор, пока выходное напряжение интегратора снова не станет равным нулю (при зтом Т2 = h - М-Поэтому в течение времени второго интервала на выходе интегра-
'.* тора формируется спадающее напряжение Е7И = -J£/ион^- При
'i
этом длительность интервала интегрирования 7^ тем больше, чем выше амплитуда измеряемого напряжения U'x .
В момент времени ( = Г2 напряжение £/и на выходе интегратора становится равным пулю и устройство сравнения (второй вход которого соединен с корпусом) выдает сигнал на триггер, возвращая его в исходное состояние. На его выходе формируется импульс (/, длительностью Т2> поступающий на вход схемы И. На
124
другой ее вход подается сигнал £/гси с генератора счетных импульсов. По окончании импульса Е/т, поступающего с триггера, процесс измерения прекращается.
Преобразование измеряемого временного интервала Т2 в эквивалентное число импульсов N осуществляют так же, как и в предыдущем методе — заполнением интервала Г2 периодическими импульсами генератора счетных импульсов и подсчетом их числа счетчиком. На счетчике, а значит и на ЦОУ, записывают число импульсов NUW пропорциональное измеряемому напряжению Ux:
(3.11)
Это выражение приводит к следующим формулам:
Из последних равенств получим
Из приведенных соотношений видно, что погрешность результата измерения зависит только от уровня образцового напряжения (а не от нескольких, как в кодоймпульсном приборе). Однако здесь также имеет место погрешность дискретности. Достоинством прибора является высокая помехозащищенность, так как он интегрирующий. На основе схем с двойным интегрированием выпускают приборы с более высоким классом точности, чем приборы с ГЛИН. Вольтметры этого типа имеют погрешность измерения 0,005...0,02 %.
Цифровые вольтметры наивысшего класса точности создаются комбинированными: в схемах сочетают методы поразрядного уравновешивания и времяимпульсного интегрирующего преобразования.
Цифровые мулытшетры. Включение в схему цифрового вольтметра микропроцессора и дополнительных преобразователей позволяет превратить его в универсальный измерительный прибор — мультиметр. Цифровые мультиметры измеряют постоянное и переменное напряжение, силу тока, сопротивления резисторов, частоту электрических колебаний и т.д. При совместном
125
Это выражение приводит к следующим формулам: