Электрические измерения. Электрические измерения 12. 1 Значение электрических измерений

• Название: Электрические измерения 12. 1 Значение электрических измерений
• Анкор: Электрические измерения.doc
• Дата: 23.05.2018
• Размер: 0.69 Mb.
• Имя файла: Электрические измерения.doc
• Тип: Документы; #19564
• страница: 5 из 6

12.11. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ
Для измерения промышленной и повышенной частот (примерно до 1000 Гц) применяются частотомеры прямого отсчета с измерительным механизмом типа логометра. Цепь одной катушки логометра имеет практически активное сопротивление, и ток в ней зависит только от напряжения, приложенного к этой цепи, и не зависит от частоты. Цепь другой катушки логометра содержит индуктивный и емкостный элементы, поэтому ток в ней зависит от напряжения, так же как и ток в первой катушке, но, кроме того, существенно зависит от частоты. Таким образом, отношение токов двух катушек логометра зависит от частоты, но не зависит от значения напряжения.

Одна из возможных схем такого частотомера со стрелочным указателем дана на рис. 12.29. У этого частотомера две катушки К₁и К₂ магнитоэлектрического логометра включены в диагонали двух выпрямительных мостов В₁и В_г. Цепь, питающая мост В₁, содержит только резистивный элемент г; поэтому ток в катушке К₁не зависит от частоты. Цепь моста В₂содержит соединенные последовательно индуктивный L и емкостный С элементы. Для рабочего диапазона частот прибора сопотивление этой цепи соответствует восходящей ветви частотной характеристики тока I (ω) (см. рис. 2.47), и при небольшом изменении частоты ток в катушке K₂ изменяется значительно. Поэтому положение равновесия подвижной части логометра сильно зависит от измеряемой частоты напряжения и не зависит от значения напряжения контролируемой установки. Так достигается высокая чувствительность прибора к изменению частоты. Индуктивный L_ф и емкостный С_ф элементы образуют фильтр, защищающий измерительные цепи от влияния высших гармонических составляющих кривой напряжения, если последнее несинусоидально.
12.12. МОСТОВОЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ
Мостовые методы измерения применяются для измерения параметров резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов. Для измерения параметров катушек индуктивности и конденсаторов необходимы мосты переменного тока. Для измерения сопротивлений резисторов чаще применяются мосты постоянного тока.

На рис. 12.30, а изображен четырехплечий мост постоянного тока. В одну диагональ моста включен источник постоянной ЭДС Е, а в другую диагональ при помощи ключей К₁и К₂ может включаться гальванометр Г. В одно плечо моста к точкам г и б присоединяется резистор с неизвестным сопротивлением r_х. В трех остальных плечах моста находятся резисторы, сопротивления которых известны и могут регулироваться.

На рис. 12.30, б изображена потенциальная диаграмма (см. § 1.7) правой и левой ветвей моста при разомкнутом ключе К₁, причем потенциал точки а принят равным нулю (φ_α = 0). По направлению отклонения стрелки гальванометра при замыкании ключа К₁можно сделать вывод о знаке разности потенциалов φ_б — φ_ви необходимости изменения сопротивлений регулируемых резисторов (в данном случае увеличении сопротивления резистора r₁или г₃ или уменьшении сопротивления резистора r₂) для достижения равновесия моста (φ_б = φ_в). При режиме моста, близком к равновесию, для увеличения чувствительности гальванометра замыкается ключ К₂.

При равновесии моста потенциалы точек б и в одинаковы (φ_б = φ_в), т. е.



Разделив почленно первое равенство на второе, найдем значение измеряемого сопротивления.



Схемы четырехплечих мостов переменного тока весьма разнообразны. Рассмотрим простейшие из них. На рис. 12.31, а и б приведены одна из разновидностей схемы четырехплечего моста переменного тока и его потенциальная диаграмма на комплексной плоскости (см. § 2.23) при разомкнутой цепи гальванометра. Так как треугольники напряжений правой и левой ветвей моста прямоугольные, то концы векторов, изображающих потенциалы точек б и в, находятся на полуокружности с диаметром, равным ЭДС Ё = Е. Изменяя параметры регулируемых элементов моста, можно совместить потенциалы точек б и б. Равновесие моста (φ_б= φ_в) фиксируется при помощи гальванометра. Назначение ключей К1 и К₂то же, что и у моста постоянного тока.

При равновесии моста из равенства треугольников, напряжений следует:





Разделив почленно одно уравнение на другое и учитывая, что Х_L= ωLи Хс = 1/ωС, получим:



Выражение (12.13) показывает, что при помощи моста переменного тока можно измерять параметры индуктивного (емкостного) элемента, если параметры других элементов моста известны.

При исследовании реальных катушек необходимо знать параметры ее эквивалентной схемы замещения (см. рис. 7.7, а), состоящей из последовательного соединения резистивного и индуктивного элементов. Параметры L_хи r_хэквивалентной схемы замещения катушки могут быть измерены при помощи моста, схема которого показана на рис. 12.32. На рис. 12.32, б приведена потенциальная диаграмма такого моста. При равновесии моста потенциалы точек б и в совпадают (фз = ф_в), откуда следует, что



Возможны и другие типы мостов переменного тока, при помощи которых можно измерять параметры элементов эквивалентных схем замещения различных объектов.
12.13. КОМПЕНСАЦИОННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ
Основное назначение компенсационного метода — это измерение малых ЭДС, например термопары, и градуировка электроизмерительных приборов.

Простейшая принципиальная схема для измерения малых ЭДС показана на рис. 12.33. Вспомогательный источник регулируемого постоянного тока / (реостатом с сопротивлением r_р) подключен к потенциометру с сопротивлением r n. Разность потенциалов точек а и bпос­леднего уравновешивает измеряемую ЭДС (Е_х= U_aЬ), а разность потенциалов точек с и d. — ЭДС образцовой меры — ЭДС нормального элемента (E_н,э = U_сd-

Для компенсации измеряемой Е_хи нормальной Е_н,эЭДС нужно перемещать подвижные контакты bи с до тех пор, пока гальванометры Г₂ и Г₁ не покажут отсутствие токов. Значение ЭДС Е_н,эизвестно точно, поэтому после компенсации ЭДС Е_н,э по отмеченному значению сопротивления r _х рассчитывается точное значение тока в потенциометре I = Е_н,э /r₁Значение измеряемой ЭДС определяется из условия Е_х= U_аЬ== r₂I= (r₂/r₁) Е_н,эв котором значения r ₁и r ₂ отсчитываются на шкале потенциометра.

Важное преимущество компенсационного метода — возможность измерять (или использовать для управления) ЭДС объектов малой мощности. На рис. 12.34 приведена схема компенсационного метода градуировки амперметра и вольтметра. Установив положения движков потенциометров так, чтобы токи нормальных элементов равнялись нулю, и зная сопротивления потенциометров, получим соответствие между отклонениями стрелок амперметра и вольтметра и значениями измеренных токов



Изменяя сопротивления регулируемых резисторов r₅ и r₆, можно проградуировать шкалы амперметра и вольтметра.
12.14. ЭЛЕКТРОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ. ЭЛЕКТРОННЫЙ ВОЛЬТМЕТР
Одним из основных недостатков показывающих вольтметров с электромеханическими измерительными механизмами является относительно малое сопротивление цепи вольтметра (5—10 кОм), которое принято называть его входным сопротивлением. Объясняется это тем, что для получения достаточно большого вращающего момента, действующего на подвижную часть измерительного механизма в таких приборах, необходимо, чтобы ток в катушках (рис. 2.11, 2.16 и др.) был достаточно большим. Такими вольтметрами нельзя пользоваться при измерении напряжения на резисторе, сопротивление которого соизмеримо с входным сопротивлением вольтметра (см. рис. 12.2).

У электронных вольтметров большие входные сопротивления (до 10 МОм), что существенно расширяет возможную область их применения. Кроме того, электронные вольтметры могут иметь очень высокую чувствительность.

Существует много разновидностей электронных вольтметров. Рассмотрим одну из возможных схем (рис. 12.35), выполненную как мост постоянного тока. В два плеча моста включены одинаковые электронные лампы — триоды Л₁и Л₂. Потенциометр П₁ служит для компенсации различия параметров этих ламп при установке нуля. Равновесие моста определяется по нулевому положению стрелки включенного в диагональ моста показывающего прибора с электромеханическим измерительным механизмом (например, магнитоэлектрическим гальванометром) при короткозамкнутых входных выводах. В этом случае у обеих ламп действуют одинаковые напряжения между сеткой и катодом:



Где I_a = I_a1 = I_а2 — одинаковые токи ламп.

При помощи потенциометра П₂ можно изменять режим работы ламп. Если на вход вольтметра подано измеряемое напряжение U_х, то равновесие моста нарушится и появится ток в диагонали моста.

Отклонение стрелки прибора пропорционально значению измеряемого напряжения. Регулируемый резистор r_р служит для калибровки вольтметра и изменения пределов измерения.

Так как индикатором в электронном вольтметре служит показывающий прибор с электромеханическим измерительным механизмом, то точность электронного вольтметра не может быть выше точности последнего. В действительности точность электронного вольтметра из-за неидентичности ламп ниже точности индикатора. Большое входное сопротивление электронного вольтметра получается вследствие малого сеточного тока лампы Л₁. Высокая чувствительность электронного вольтметра объясняется тем, что небольшое изменение измеряемого напряжения приводит к сильной разбалансировке моста и достаточно большому току в диагонали моста, где находится показывающий прибор.

Постоянный ток при помощи электронного вольтметра измеряется косвенно путем измерения падения напряжения, вызываемого этим током на резисторе с малым сопротивлением.

Вместо ламп в электронном вольтметре могут использоваться транзисторы. Однако в этом случае входное сопротивление электронного прибора уменьшается.
12.15. ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ. ЦИФРОВОЙ ВОЛЬТМЕТР
У
показывающих приборов со стрелочным указателем есть общий недостаток — субъективность измерений, так как невозможно точно определить положения стрелки на шкале прибора. Этот недостаток устранен в цифровых измерительных приборах с цифровыми индикаторами. Цифровые измерительные приборы широко применяются для измерения частоты, интервалов времени, напряжения и т. д.

Ограничимся здесь рассмотрением структурной схемы цифрового вольтметра постоянного напряжения (рис. 12.36). На рис. 12.37 приведена совмещенная временная диаграмма работы различных блоков структурной схемы.

Совместную работу блоков цифрового вольтметра синхронизирует блок управления 1, на выходных выводах которого формируются отрицательные импульсы напряжения u1 следующие с частотой Д. Импульсы напряжения и₁одновременно включают генератор периодического линейно изменяющегося напряжения ГЛИН 2 и селектор. На выходе ГЛИНа формируется напряжение, нарастающее по линейному закону, u _глин = St, которое подается на вход блока сравнения 3. Селектор связывает выход высокочастотного импульсного генератора 4 (частота f₂) со входом счетчика 5. В блоке сравнения линейнонарастающее напряжение ГЛИНа сравнивается с измеряемым постоянным напряжением U_вх.

Через интервал времени ∆tот начала нарастания напряжение ГЛИНа становится равным измеряемому напряжению (рис. 12.37), т. е. U_вх = S∆t , где S называется крутизной преобразования. В этот момент времени на выходе блока сравнения формируется положительный импульс напряжения u₂, который поступает на вход селектора и прекращает связь между выходом высокочастотного генератора и входом счетчика. Таким образом, в цифровом вольтметре измеряемое напряжение сначала преобразуется в пропорциональный интервал времени ∆t = U_вх/S, а затем этот интервал времени преобразуется в пропорциональное интервалу число импульсов



которое фиксируется цифровым индикатором.

Так как частота f₂ велика, а крутизна преобразования S мала, то даже малым значениям входного напряжения U_вхсоответствует большое число импульсов n, что обеспечивает высокие чувствительность и точность прибора. Цифровая индикация результатов измерения обеспечивает объективность отсчета показаний.
12.16. СВЕТОЛУЧЕВОЙ ОСЦИЛЛОГРАФ
Для наблюдения и записи кривых, характеризующих периодические изменения электрических и неэлектрических величин (последних — при посредстве измерительных преобразователей, преобразующих неэлектрические величины в функционально зависящие от них электрические величины) при частоте примерно до 5 кГц, широко применяются светолучевые осциллографы. Основные части осциллографа: магнитоэлектрические измерительные механизмы — гальванометры, оптическая система и устройства для фотографирования и визуального наблюдения.

Осциллографические гальванометры, обладающие минимальной инерцией, бывают двух типов: петлевые (рис. 12.38) и катушечные. Ранее изготовлялись только петлевые гальванометры, но при современной приборостроительной технике стало возможным изготовлять легкие подвижные катушки для осциллографов и тем самым существенно повысить чувствительность прибора.

С
хема оптической системы дана на рис. 12.39. От яркого источника света 1 через оптическую систему, состоящую из линз 2, диафрагм 3 и призм 4, узкий луч света падает на зеркальце 5 подвижной части (в новых осциллографах источником света служат ртутные лампы, свет которых особенно сильно действует на фотоэмульсию). Отразившись от зеркальца, луч фокусируется оптической системой 6 и 8 в виде светлой точки на ленте фотографической бумаги или пленки 7. При наличии в петле (или катушке) гальванометра тока она под действием электромагнитных сил поворачивается и пропорционально повороту смещается светлая точка на фотобумаге. При изменениях тока колебания светлой точки на неподвижной бумаге изобразятся в виде полоски. Чтобы преобразовать эти колебания в кривую зависимости изменений тока от времени, применяется развертка — лента приводится в движение с равномерной скоростью в направлении, перпендикулярном направлению перемещений светового луча.

У большинства осциллографов есть приспособление для непосредственного визуального наблюдения периодически* колебаний. С этой целью часть светового луча после отражения от зеркальца вибратора направляется на вращающийся зеркальный многогранник 9, от которого луч отражается на матовый экран 10 и дает изображение в виде полоски. Если многогранник вращается синхронно с исследуемым периодическим процессом, то определенной фазе процесса в течение каждого его периода будут соответствовать одни и те же углы падения и отражения луча от многогранника. В результате светлая точка будет повторно описывать на экране одну и ту же кривую, что сделает ее доступной для визуального наблюдения.

Для одновременного наблюдения и фотографирования нескольких переменных величин осциллографы снабжаются несколькими гальванометрами (до 24 и более). На зеркальце каждого из этих гальванометров направляется отдельный луч, выделенный из общего луча системой призм и линз. У большинства осциллографов гальванометры можно заменять, их следует выбирать в зависимости от конкретных условий и целей исследования.

Основными характеристиками гальванометра являются частота собственных колебаний и чувствительность по току. Гальванометр записывает без существенных погрешностей процессы, частота которых не больше 0,2 частоты собственных колебаний подвижной части гальванометра (от 500 до 20000 Гц).

Чувствительностью гальванометра по току называется отклонение указателя на экране, измеренное в миллиметрах при токе 1 мА и расстоянии зеркальца от экрана 1 м. Это — величина порядка 1—50 мм/мА в зависимости от типа вибратора. Чем выше чувствительность гальванометра, тем меньше собственная частота измерительного механизма.