1.12. Основные свойства средств измерений.

Чувствительность измерительного прибора определяется как отношение изменения выходной величины (например, показания α) к вызывающему его изменению входной величины х: S=∂α/∂x. S=const при равномерной и S=Var при неравномерной градуировке шкалы. Иногда прибор характеризуют порогом чувствительности, под которым понимают изменение измеряемой величины, вызывающее наименьшее изменение показания прибора, различимое без дополнительных устройств (для цифровых приборов порог чувствительности совпадает с единицей младшего разряда).

Предел измерений – это область значений измеряемой величины от x_min до x_max, для которой нормированы допустимые погрешности. Предел измерения часто разделяют на несколько участков со своими пределами (многопредельные приборы). Диапазон рабочих частот – это полоса частот, в пределах которой погрешность прибора нормирована.

Вариация показаний измерительного прибора вычисляется как средняя разность показаний в данной точке шкалы при медленном подходе к ней с двух направлений – со стороны меньшего и большего значений измеряемой величины.

Абсолютная погрешность и относительная погрешность измерительного прибора определяется по известным формулам (см. п.1.4). Поскольку относительная погрешность при постоянной абсолютной погрешности возрастает с уменьшением показания прибора (оно в знаменателе), то следует выбирать прибор с таким пределом измерения, чтобы показания были в последней трети шкалы.

Для удобства сравнения приборов между собой введено понятие приведенной погрешности

_пр. = (X/X_k)100 ,

где Х_k – некоторое нормированное значение, например, конечное значение шкалы.

Обобщенной характеристикой точности является класс точности прибора. Он численно равен наибольшей допустимой приведенной погрешности, выраженной в процентах. Класс точности присваивают из ряда: 1∙10 ⁿ; 1,5∙10 ⁿ; 2∙10 ⁿ; 2,5∙10 ⁿ; 4∙10 ⁿ; 5∙10 ⁿ; 6∙10 ⁿ, где n=1; 0; -1; -2;….

Достаточно часто технические измерения выполняются однократно, и их погрешность определяется погрешностью измерительного прибора. Пусть γ_{к. п.} – класс точности прибора. Тогда максимальная погрешность прибора

X_max = γ_{к. п.} Х _к/100 ,

Результат измерения записывают в виде: Х₀=Х _{к. п.}±∆Х_max , где Х – показание прибора. Если же измерение должно быть выполнено с погрешностью, не превышающей допустимую _.∆Х_доп. , то выбирают такой измерительный прибор, погрешность которого ∆Х_max≤∆Х_доп., и при помощи однократного измерения получают результат: Х₀=Х±∆Х_max.

Входное сопротивление измерительного прибора характеризует реакцию входного сигнала на подключение данного прибора к источнику входного сигнала с фиксированным выходным сопротивлением.

Выходное сопротивление характеризует реакцию выходного сигнала на подключение к выходным зажимам фиксированной нагрузки.

К динамическим характеристикам средств измерений, которые характеризуют их инерционные свойства, относятся переходная характеристика, передаточная функция, совокупность амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик, а также быстродействие – время, затрачиваемое на одно измерение.

Общие технические требования ко всем средствам измерений сформулированы в государственных стандартах, где установлены допустимые классы точности приборов, регламентированы погрешности от вариации показаний и изменения показаний прибора от различных внешних факторов. Там же сформулированы требования к электрической прочности и сопротивлению изоляции.

Для всех приборов по значениям климатических и механических влияющих величин установлены семь различных групп. Так, четвертая группа средств измерений имеет такие климатические условия эксплуатации: температура от минус 10⁰С до +40⁰С, максимальная относительная влажность воздуха – 90%, атмосферное давление – от 86 до 106 кПа. При нормальных для данной группы условиях погрешность прибора называют основной. При нарушении нормальных условий может появиться дополнительная погрешность.

Принцип действия прибора, возможность его работы в тех или иных условиях, возможные предельные погрешности прибора могут быть установлены по условным обозначениям, нанесенным на циферблате прибора. Их виды также установлены государственными стандартами.

2. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА РАДИОИЗМЕРЕНИЙ

7. Аналоговые вольтметры.

Вольтметры предназначены для измерения напряжений постоянного, переменного и импульсного токов в широком диапазоне напряжений и частот. Обозначения подгрупп: В2- вольтметры постоянного тока, В3 – вольтметры переменного тока, В4 – вольтметры импульсного тока, В7 – вольтметры универсальные, В8 – измерители отношений напряжений. Добавление к основному обозначению подгруппы буквы К означает, что прибор комбинированный и может измерять несколько физических величин (ВК2-17, В7-21).

А налоговые вольтметры делятся на электромеханические и электронные. Принцип действия электромеханических вольтметров заключается в преобразовании электромагнитной энергии, подведенной к прибору непосредственно из измеряемой цепи, в механическую энергию перемещения подвижной части. Их структурная схема в обобщенном виде изображена на рис. 2.1.

Измерительная цепь преобразует измеряемую электрическую величину U_X в некоторую промежуточную электрическую величину Y (ток или напряжение), функционально связанную с величиной U_X . Величина Y непосредственно воздействует на измерительный механизм. В зависимости от характера преобразования измерительная цепь может представлять собой совокупность преобразовательных элементов (резисторов, конденсаторов, выпрямительных диодов).

Измерительный механизм преобразует электромагнитную энергию в механическую энергию, необходимую для угла отклонения α его подвижной части относительно неподвижной, т.е. α=f(Y)=F(U_X). В зависимости от способа преобразования электромагнитной энергии в механическое угловое перемещение подвижной части измерительного механизма электромеханические вольтметры делят на магнитоэлектрические, электродинамические, ферродинамические, электромагнитные, электростатические и т.д.

Отсчетное устройство электромеханического прибора чаще всего состоит из указателя (стрелочного или светового), жестко связанного с подвижной частью измерительного механизма, и неподвижной шкалы. По начертанию шкалы бывают прямолинейные (горизонтальные или вертикальные), дуговые (при дуге ≤180⁰) и круговые (при дуге >180⁰). По характеру расположения отметок различают шкалы равномерные и неравномерные, односторонние относительно нуля, двусторонние и безнулевые.

Числовое значение измеряемой величины равно произведению числа делений, отсчитанных по шкале, на цену деления прибора. Цена деления – значение измеряемой величины, соответствующее одному делению шкалы. Чувствительность прибора: S=S_иц∙S_им , где S_иц , S_им – чувствительности соответственно измерительной цепи и измерительного механизма. Классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. К аналоговым электромеханическим вольтметрам относятся также комбинированный прибор – ампервольтомметр (авометр) и логометр, измеряющий отношение двух эдектрических величин.

Аналоговые электронные вольтметры включают в себя электронные (активные) преобразователи измеряемой величины в постоянное напряжение (ток) и магнитоэлектрический прибор. Они отличаются Высокой чувствительностью (0,1 нВ/дел), широким частотным диапазоном (от нуля дол единиц МГц) и высоким входным сопротивлением (до 10¹⁶ Ом). Вольтметры постоянного тока в диапазоне от 10 мВ до 1000 В строят по схеме (рис. 2.2).

Резистивный делитель напряжения ДН уменьшает измеряемое напряжение U_X до уровня, необходимого для нормальной работы усилителя постоянного тока УПТ. Выходное напряжение УПТ подается на магнитоэлектрический измерительный механизм ИМ и преобразуется в отклонение α указателя. Для таких вольтметров γ_пр≥ от 0,5 до 1,0%.

Для измерения низких напряжений от долей микровольта до единиц вольт применяют микро- и милливольтметры, содержащие во входных цепях усилители с МДМ-преобразованием (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Усилитель с МДМ-преобразованием:

а) функциональная схема;

б) упрощенные схемы модулятора и демодулятора;

в) эпюры напряжений

Постоянное входное напряжение U_вх преобразуется модулятором М в переменное импульсное напряжение. Модулятор М образован двумя ключами SA1 и SA2, коммутация которых производится в противофазе. Управление ключами осуществляется от специального генератора Г. Если R_кл=0 в замкнутом состоянии и R_кл=∞ в разомкнутом состоянии, и если переключение производится мгновенно, то на выходе модулятора М имеем последовательность прямоугольных импульсов с амплитудой U_вх.

Эти импульсы усиливаются усилителем переменного напряжения у, выходной сигнал которого не содержит постоянной составляющей, т.к. усилители переменного напряжения не усиливают постоянной составляющей переменного напряжения. Принцип действия демодулятора ДМ аналогичен принципу действия модулятора М. На выходе ДМ при синхронной коммутации ключей (одновременно замкнуты ключи SA1 и SA3, а разомкнуты SA2 и SA4, и наоборот) полярность прямоугольных импульсов совпадает с полярностью импульсов на выходе М. Фильтром Ф импульсы усредняются и на выходе усилителя МДМ получаем усиленное постоянное напряжение, полярность которого определяется полярностью U_вх. В модуляторе М и демодуляторе ДМ в качестве ключей чаще всего используются электромеханические прерыватели (вибропреобразователи) или полевые транзисторы.

Применение усилителей типа МДМ по сравнению с традиционными УПТ позволяет существенно снизить погрешности от нестабильности напряжения смещения (дрейфа нуля), которые оказываются особенно значимыми при измерениях малых напряжений. Нестабильность напряжения смещения у УПТ по схеме МДМ составляет десятые доли мкВ на градус кельвина. Недостаток усилителей с МДМ – узкий частотный диапазон по входу, т.к. максимальная частота напряжения U_вх должна быть по меньшей мере на порядок ниже частоты сигнала генератора Г.

Вольтметры переменного тока строятся по двум схемам, изображенным на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Типовые схемы вольтметров переменного тока.

Первая схема имеет широкий частотный диапазон (до 700 МГц), но сравнительно низкую чувствительность. Вторая схема имеет более узкий частотный диапазон (до 10 МГц), определяемый полосой пропускания усилителя переменного тока, но более высокую чувствительность (нет УПТ и связанного с ним дрейфа нуля).

Универсальные аналоговые электронные вольтметры, предназначенные для измерения в цепях постоянного и переменного токов, реализуются по комбинированной схеме (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Универсальный аналоговый электронный вольтметр.

Входное устройство обеспечивает значения измеряемого напряжения, необходимые для дальнейшего преобразования. Им может быть либо высокоомный вход преобразователя, либо резистивный, конденсаторный делитель напряжения (рис. 2.6).

Для резистивного делителя: К_Д=U_вых/U_вх= R₂/(R₁+R₂)=f(ω)|_ω↑.

Для конденсаторного делителя: К_Д=U_вых/U_вх=С₁/(C₁+C­₂)=f(ω)|_ω↓.

Для резистивно-конденсаторного делителя:

К_Д=U_вых/U_вх=Z₂/(Z₁+Z₂) =R₂/(R₁+R₂)= С₁/(C₁+C­₂≠ f(ω).

Резистивно-конденсаторный делитель работает как резистивный в области низких и как конденсаторный в области высоких частот. Теоретически его К_Д не зависит от частоты, поэтому такой делитель называют частотно-скомпенсированным.

Обычно делители напряжения выпускаются многопредельными и выполняются по схеме с постоянным входным либо выходным сопротивлением (рис. 2.7).

Рис. 2.6. Делители напряжения:

а) резисторный;

б) конденсаторный;

в) резистивно-конденсаторный.

Рис. 2.7. Многопредельные делители напряжения:

а) с постоянным входным сопротивлением;

б) с постоянным выходным сопротивлением;

Электронные преобразователи (детекторы) осуществляют преобразование переменного напряжения в постоянное, пропорциональное амплитудному, среднему или действующему значениям переменного напряжения (соответствующее название носят и вольтметры):

Преобразователь амплитудного значения ПАЗ изображен на рис. 2.8. При подаче на его вход синусоидального напряжения и малой постоянной времени заряда τ₃=(R_И+R_Д)С (R_И и R_Д – сопротивления источника сигнала и открытого диода) по сравнению с периодом измеряемого напряжения на конденсаторе практически повторяет входное и через

ч етверть периода достигает U_max. После этого U_вх падает, и диод закрывается, а конденсатор разряжается через резистор R. В момент, когда входное напряжение вновь становится равным напряжению на конденсаторе, диод открывается, и конденсатор подзаряжается до U_max и т.д.

С

Рис. 2.8. Преобразователь амплитудного значения:

а) схема

б) эпюры напряжения

реднее значение напряжения на К_паз= U_со/ U_max называется коэффициентом преобразования амплитудного значения: ПАЗ. Величину R нельзя взять бесконечно большой из-за наличия шунтирования следующим каскадом, а также из-за увеличения инерционности ПАЗ в случае изменения величины U_max (R от 10 до 50 МОм).

Е

Рис. 2.9. Эпюры напряжений при подаче на ПАЗ прямоугольных импульсов

сли на входе ПАЗ действует последовательность прямоугольных импульсов, то выходное напряжение ПАЗ близко к их амплитуде U_max (рис. 2.9). Коэффициент заряда и разряда конденсатора. Таким путем можно измерять амплитуду импульсов с длительностью от десятых долей мкс и выше и скважностью от 2 до 1000.

Преобразователи среднего значениядиодах, соединенных по мостовой схеме (рис. 2.10). пропорциональны U_ср, т.е. α=kU_ср (из-за инерцион Показания α микроамперметра ности подвижной части).При необходимости повышения чувствительности ПСЗ данная мостовая схема включается в качестве нагрузки усилителя переменного тока, охваченного отрицательной обратной связью по току.

П реобразователи действующего значения ПДЗ (рис. 2.11) строятся на основе термопреобразователей ТП в совокупности с операционными усилителями ОУ. ЭДС Е₁ пропорциональна квадрату действующего значения U_вх, а Е₂ – квадрату напряжения U_вых, т.е. Е₁=k1U²_{вх д}; Е₂=k2U²_вых. В свою очередь U_вых=k(E₁-E₂), где k₁ и k₂ – коэффициенты преобразования термопреобразователей ТП1 и ТП2, k – коэффициент усиления ОУ. В итоге

U_вых = k(k₁U²_{вх д} – k₂U²_вых) .

При k>>1 это соотношение сводится к виду

Рис. 2.11. Преобразователь действующего значения.

Таким образом, точность преобразования ПДЗ определяется отношением коэффициентов преобразования ТП и значительно выше, чем у обычных термоэлектрических приборов. Подобные ПДЗ наиболее эффективны при измерении напряжений, имеющих большое количество гармонических составляющих. Их γ_пр от 0,5 до 1,50%. Однако быстролействие из-за инерционности термопреобразователей низкое (от 1 до 3 с). Также в ПДЗ могут использоваться элементы с квадратичной вольт-амперной характеристикой i=kU² (преобразователи на диодных цепочках).

Шкалы большинства вольтметров независимо от типа преобразования отградуированы в действующих значениях синусоидального сигнала, поэтому градуировка справедлива только при измерении сигналов синусоидальной формы, за исключением вольтметров с ПДЗ.