Лекции_ТСПС_2013студентам. Курс лекций по дисциплине Технические средства предприятий сервиса
 Скачать 25.3 Mb.
|
|
Основные функциональные устройства измерительной цепи 1. Источники питания. Электрическая цепь может быть активной или пассивной. Электрические цепи (устройства), включающие внешние источники электрической энергии, называются активными, а не включающие таковых – пассивными. Пример. Для получения вольт-амперной характеристики светодиода (источника светового излучения) мы должны пропустить через него электрический ток, а потому включить его в активную измерительную цепь, использовав источник питания (внешней энергии). А характеристики фотодиода (приемника светового излучения) мы можем получить и без внешнего источника энергии, использовав пассивную измерительную цепь. В этом случае источником электрической энергии является сам фотодиод, преобразующий световое излучение в электрический ток.  2. Усилители сигналов. Часто полезный сигнал бывает мал для того, чтобы его параметры могли быть непосредственно измерены с помощью измерительного прибора. Для усиления или выделения полезного сигнала из шумов служат усилители сигналов. Например, фототок фотодиода может быть слишком мал для его измерения с помощью амперметра. Но с помощью осциллографа его уже легко измерить, поскольку сам осциллограф содержит входной усилитель сигналов. Подобные усилители могут входить в измерительную цепь в виде отдельного прибора. 3. Генераторы сигналов. Для получения определенных характеристик исследуемого объекта на него приходится определенным образом воздействовать. В электрических цепях для этой цели служат специальные генераторы сигналов. Например, вольт-амперная характеристика светодиода может быть получена в измерительной цепи, включающей генератор синусоидального или пилообразного сигнала, который в данном случае является одновременно и источником внешней энергии. 4. Измерительные приборы. Для измерения значения электрических параметров сигналов служат собственно измерительные приборы (вольтметры, амперметры, частотомеры, измерители спектров, измерительные мосты и потенциометры и т. д.). К измерительным приборам относятся и более сложные устройства, позволяющие проводить не только «точечные» измерения, но и снимать функциональные зависимости ( характеристики). К ним относятся различные самопищущие потенциометры (самописцы), характериографы и т. д. 5. Регистрирующие устройства. Результаты измерения (как на отдельных этапах, так и конечный результат) должны быть каким-то образом зафиксированы. Для этой цели служат регистрирующие устройства. Развитие техники (появление микропроцессоров) привело к тому, что современные приборы чаще всего являются, во-первых, универсальными (совмещают в одном приборе многие перечисленные функции), во-вторых, совершают преобразования, производят измерения и регистрацию в цифровом виде. Последнее привело к тому, что современные устройства включают специальные узлы – АЦП (аналого-цифровой преобразователь) и ЦАП ( цифро-аналоговый преобразователь), функцией которых является преобразование непрерывного (аналогового) сигнала датчиков в цифровой код (в дискретный сигнал цифровой техники) и обратно. Кроме того, современные приборы обычно содержат еще и устройство, позволяющее передавать результаты измерения на компьютеры (интерфейс). 2.3.2 Аналоговые и цифровые средства измерений. Приборы для измерения электрических параметров Приборы для электрических измерений Приборы для электрических измерений можно условно разделить на два класса: – приборы для измерения «активных» электрических величин (U, I, P, q, f и др.), действие которых основывается на непосредственном воздействии измеряемых величин на измерительное устройство и, как правило, сопровождается потреблением некоторого количества электрической энергии от объекта измерений; – приборы для измерения «пассивных» электрических величин (R, L, C, Z и др.), для измерения которых необходимо применять внешние источники энергии, действующие на измеряемый объект и «заставляющие» его проявить свои свойства. 1. Аналоговые и цифровые приборы. По способу представления и переработки информации приборы можно разделить на аналоговые и цифровые. Аналоговой называется такая функция А(х), значение которой изменяется непрерывным образом при непрерывном изменении аргумента х (рис. 17). Большинство физических величин являются непрерывными (например, напряжение U(t)), или принимаются таковыми в теоретической модели. Например ток I(t) физически является потоком дискретного числа частиц – электронов или ионов, но из-за слишком большого количества заряженных частиц, протекающих через проводник в единицу времени, и его случайного изменения ток считается непрерывной величиной. Это означает, что за величину тока мы принимаем некоторое статистически среднее, а среднее случайных дискретных величин само по себе может быть величиной непрерывной.  При передаче аналогового сигнала от одного устройства к другому в схеме измерения, представленной на рис. 1, сигнал может быть преобразован из аналоговой формы в цифровую. Такое преобразование основано на том, что аргумент каждой однозначной аналоговой функции A(x) можно разбить на интервалы и передавать ее значение средним значением An, соответствующим данному интервалу xn (рис. 17). Эта операция и будет переводом аналоговой величины в цифровую. Точность перевода значения из аналоговой в цифровую форму определяется ценой наименьшего интервала и может быть сделана теоретически сколь угодно высокой. Смысл преобразования сигналов из аналоговой формы в цифровую обусловлен целым рядом факторов, среди которых можно выделить: бульшую помехозащищенность передачи цифрового сигнала, более высокую скорость обработки цифровых сигналов по сравнению с аналоговыми, возможность компьютизированной обработки, передачи и хранения цифровой информации. 2. Основные типы измерительных приборов для измерения тока и напряжения. Для измерения токов и напряжений применяются электромеханические и электронные приборы. В электромеханических приборах электрический сигнал непосредственно переводится в показания прибора (например, в движение стрелки вдоль шкалы прибора, которая прокалибрована в единицах измерения величины U или I). В электронных приборах измеряемая величина сначала подвергается различным преобразованиям (например, усиливается, усредняется, переводится в цифровой код и т. д.), и лишь затем измеряется и регистрируется. Причем регистрация значения величины может осуществляться как с помощью приборов стрелочного (электромеханического) типа, так и в цифровой форме. Измерения на постоянном и переменном токе. Основные параметры переменного тока Постоянный ток характеризуется только двумя параметрами – величиной тока (напряжения) и его направлением (полярностью). Переменный ток для своего описания требует введения целого ряда других параметров, число которых зависит от формы переменного тока. Мы будем пользоваться в своем описании главным образом гармоническими токами. Гармоническими называются периодические функции, значение которых изменяется с течением времени по закону синуса или косинуса. Они могут быть записаны в форме: х = Asin (ωt + ϕ) или х = Acos (ωt + ϕ), где х – значение колеблющейся величины в данный момент времени t (для механических величин, например, смещение или скорость, для электрических – напряжение или сила тока), А – амплитуда колебаний, ω – угловая частота колебаний, (ω + ϕ) – фаза колебаний, ϕ – начальная фаза колебаний. В технической литературе наряду с термином «гармонические величины» часто в качестве синонима используется термин «синусоидальные величины». Главенствующая роль гармонических сигналов определяется двумя факторами: 1) они наиболее часто используются на практике, 2) любой периодический импульсный ток, какой бы сложной ни была форма импульсов, можно разложить в спектр Фурье, т. е. представить в виде суммы синусоидальных сигналов различной частоты и фазы. А затем « отслеживать», как данная цепь откликается на каждую составляющую спектра.  Рис. 12. I(t) = I0·sin(ωt + φ) Примечание: последнее утверждение полностью справедливо только для линейных цепей, для цепей с нелинейными элементами разложением в ряд Фурье нужно пользоваться с осторожностью. Форма синусоидального тока представлена на рис. 12. Его основными параметрами являются амплитуда I0, частота (линейная f и круговая ω = 2πf), начальная фаза φ, полная фаза (ωt + φ), период колебания Т. Основные соотношения для этих величин:  Кроме амплитуды, переменный ток характеризуется действующим (среднеквадратичным, эффективным) и средним (среднеарифметическим) значениями. Для синусоидальных токов действующее Iд и среднее Iср значения определяются формулами:  Примечание. В современных осциллографах часто вводят еще одну величину «Pk-Pk», т. е. «от пика до пика», которая называется также «двойной размах». Для чисто синусоидального сигнала она равна удвоенной амплитуде. Отдельный смысл она приобретает в тех случаях, когда на переменное напряжение накладывается постоянная составляющая или когда периодический сигнал имеет сложную форму. Соответствующие формулы для синусоидального напряжения получатся заменой I на U. Для сигналов другой (несинусоидальной) формы интегральная запись среднего и среднеквадратического значений остается верной, но коэффициенты (численные соотношения) между амплитудным, средним и среднеквадратическим значениями будут другими. Что измеряют приборы (вольтметры, амперметры) переменного тока? Вопрос о том, какую из величин – амплитудную, среднюю или среднеквадратическую – измеряет прибор, в настоящее время приобретает важное значение, поскольку современные мультиметры, как правило, цифровые приборы, в которых измеряется одно из трех значений (например, среднеквадратическое), а остальные два индицируются на шкале прибора путем пересчета измерен ного значения с помощью коэффициента формы (или коэффициента амплитуды). Коэффициентом формы kф называется отношение действующего значения периодической функции к ее среднему за полпериода значению:  для синусоидальной функции:  Коэффициентом амплитуды kа называется отношение амплитудного значения периодической функции к ее действующему (среднеквадратическому) значению:  для синусоидальной функции  Коэффициент формы несинусоидальной функции:  где |I|ср – среднее по модулю значение функции. Зачем нужно знание различных величин (U, Uср или Uд)? Причина в том, что различные физические устройства «реагируют» на различные значения переменного тока. Например, мощность, выделяемая на сопротивлении ( на активной нагрузке), пропорциональна действующему значению синусоидального тока. Действительно, количество теплоты, выделяемое на R за период равно:  Это соотношение используют для определения физического смысла действующего (эффективного, среднеквадратического) значения переменного тока, даже если периодический сигнал имеет сложную форму: действующее (эффективное) значение переменного тока – это такая величина тока, которая оказывает то же тепловое действие на активное сопротивление, какое оказывает постоянный ток, равный по величине действующему значению переменного. На действующее значение тока «реагируют» вольтметры (амперметры) электромагнитной и электростатической системы, ваттметры, измерительные приборы теплового типа. Вольтметры (амперметры) магнитоэлектрической системы реагируют на постоянный ток, а с выпрямительным диодом – на среднее (среднеарифметическое, а не среднеквадратическое) значение переменного тока. 2.3.3 Цифровые мультиметры Цифровые мультиметры сегодня чрезвычайно популярны. Эти измерительные приборы с автономным питанием, несмотря на свои малые габариты, много функциональны и способны измерять не только силутока, напряжение, сопротивление, емкость, частоту, индуктивность, температуру, отношение сигналов и другие параметры, а также осуществлять прозвон и проверку диодов (p-n переходов). Новое поколение мультиметров отличает высокая степень интеллектуальности, точности, надежности и прочности. Мультиметр имеет несложную конструкцию, технология его сборки проста, что и обеспечивает его невысокую цену. Как видно из упрощенной блокксхемы (рис.1), сердцем мультиметра является микросхема АЦП. Входной сигнал с измерительных щупов в зависимости от своего типа поступает либо на устройство предварительной обработки сигналов переменного или постоянного тока, либо омического сигнала. Каждое устройство предварительной обработки может содержать усилитель, делитель, схему защиты от высокого напряжения и фильтр. В режиме измерения сопротивления от источника тока подается тестовый ток в устройство обработки омического сигнала, куда подводится также падение напряжения на неизвестном резисторе между щупами. Этот режим может включать и прозвон проводника между щупами. Сформированные сигналы через переключатель поступают на АЦП. При этом в цепи переменного тока AC/DCCконвертор превращает сигнал переменного тока в измеряемый сигнал постоянного тока, который может быть преобразован в цифровую форму. Измеряемые цифровые величины обрабатываются в микропроцессоре в соответствии с выбранным режимом измерения и требуемым форматом для дисплея (как правило, ЖК).  Рис.1. Типовая архитектура цифрового мультиметра В типовой архитектуре цифрового мультиметра возможны различные варианты решений без отклонения от основного принципа работы. Например, прозвон часто индицируется звуковым сигналом, результаты измерения передаются на ПК с помощью интерфейса. Многие современные модели мультиметров оснащены функцией автоматического тестирования полупроводниковых диодов, которая выполняется независимо от ориентации диода относительно измерительных щупов. Для этого в схему вводится источник напряжения переменного тока (чаще синусоидальной формы) известной амплитуды и частоты. Это напряжение с помощью щупов подводится к выводам диода, а падение напряжения на диоде поступает как тестовый сигнал на АЦП и далее в микропроцессор и на дисплей (рис.2). Рис.2. Типовая блок-схема тестирования диода Переносные мультиметры нового поколения созданы прежде всего для проведения измерений в полевых условиях, однако могут с успехом использоваться в лабораторных и стендовых испытаниях. Они способны проводить измерения в реальном времени и одновременно представлять различные результаты на ЖК-дисплее. Дисплеи практически мгновенно выходят на режим и выдают результаты на экран. В зависимости от сложности измерений дисплеи могут иметь заднюю подсветку, два дисплея, например первичный со счетом результатов до 40 000 (фирма АРРА) и вторичный со счетом до 4000, аналоговую многосегментную шкалу, имитирующую стрелочный индикатор. Вывод результатов измерений возможен как в абсолютных, так и в относительных значениях (дБ, дБм, дБВ). Благодаря встроенной памяти мультиметры могут подолгу хранить результаты измерений. Теперь они способны выполнять регистрацию минимальных, максимальных и усредненных значений во временном интервале от нескольких секунд до нескольких дней. Важно, что многие мультиметры имеют режим автоматической фиксации данных, при котором данные фиксируются на дисплее для дальнейшего их анализа. Причем это часто сопровождается звуковым сигналом, что неоценимо, когда пользователь занят измерениями в труднодоступных местах или в условиях повышенной опасности. В подобных ситуациях результаты на дисплее обновляются при каждом новом замере. В приборах, в зависимости от степени их интеллектуальности, выбор режима работы, пределов измерения и выполнение ряда других функций может быть ручным или автоматическим. В мультиметрах, как и в большинстве современных цифровых приборов, для анализа результатов измерений может использоваться дополнительное ПО. Приборы способны противостоять случайным выбросам напряжения, все они отвечают требованиям нового стандарта безопасности, разработанного МЭК, – IEC 6101001, европейским эквивалентом которого является норма электробезопасности EN 6101001. В большинстве своем мультиметры имеют трехлетнюю гарантию, характеризуются малым энергопотреблением. Эргономичное исполнение конструкции портативных мультиметров позволяет с удобством пользоваться ими, держа их в руке. Усовершенствованная конструкция кожуха – литой футляр из мягкой вулканизированной резины, нанесенной на высокопрочный полимерный корпус, – надежно предохраняет электронные узлы от повреждений и снижает возможность деформации кожуха. МУЛЬТИМЕТРЫ ВЕДУЩИХ ЗАРУБЕЖНЫХ ФИРМ Эти приборы отличаются высоким качеством и надежностью, а также отвечают повышенным требованиям к уровню безопасности. Они проходят независимое тестирование в специализированных испытательных лабораториях и сертифицируются на соответствующие категории безопасности. Производством мультиметров заняты многие "гиганты" высоких технологий – Fluke, Agilent Technologies, Hewlettt Packard, National Instruments, Siemens, Tektronix, APPA, Amprobe, ST&T Instrument, Kethley Instruments, OMEGA, Yokogawa, Sperry, RadioShack и ряд других фирм. Среди моделей нового поколения цифровых мультиметров фирмы Fluke следует выделить приборы серии 110, 170, 180 (табл.1). Таблица 1. Основные характеристики мультиметров серии 110, 170 и 180 фирмы Fluke
|