Метрология-учебник. Задачи интенсификации производства, стоящие перед промышленностью и наукой нашей страны, требуют создания новых и совершенствования имеющихся технологических процессов и материалов, строгого контроля качества продукции

• Название: Задачи интенсификации производства, стоящие перед промышленностью и наукой нашей страны, требуют создания новых и совершенствования имеющихся технологических процессов и материалов, строгого контроля качества продукции
• Анкор: Метрология-учебник.doc
• Дата: 03.02.2018
• Размер: 1.92 Mb.
• Имя файла: Метрология-учебник.doc
• Тип: Документы; #15158
• страница: 13 из 30

2.11. ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Осциллографом называется прибор, предназначенный для наблюдения, регистрации и измерения параметров исследуемого сигнала, как правило, напряжения, зависящего от времени.

Осциллограф может также использоваться для исследования неэлектрических процессов при условии, что последние преобразуются в электрические сигналы.

Имеется два основных класса осциллографов: светолучевые, предназначенные для наблюдения медленных процессов, и электронно-лучевые, способные отображать как медленные, так и быстропротекающие процессы.

Светолучевые осциллографы используют электромеханическое отклонение светового луча под действием исследуемого напряжения и запись на фотопленку.

Электронно-лучевые осциллографы строятся на основе электроннолучевых трубок. Отклонение электронного луча осуществляется непосредственно электрическим сигналом и является практически безынерционным. Исследуемый процесс отображается на люминесцентном экране и может быть зарегистрирован фотографическими средствами.

Электронно-лучевые осциллографы. Основным узлом электроннолучевого осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), представляющая собой стеклянную вакуумированную колбу, внутри которой имеются источник электронов, система формирования узкого электронного луча, отклоняющие пластины и люминесцентный экран (рис. 2.45). Источником электронов является оксидный катод 1 с подогревателем 2 . Число электронов, из которых затем формируется узкий электронный пучок, зависит от напряжения между катодом 1 и модулятором 3 . При изменении этого напряжения меняется интенсивность электронного пучка, выходящего за пределы модулятора. Дальнейшее формирование пучка происходит под воздействием напряжений, приложенных к двум анодам 4, один из которых является ускоряющим, а другой—фокусирующим. Часть ЭЛТ, включающая в себя катод, модулятор и два анода, называется электронной пушкой. Назначение электронной пушки—сформировать узкий электронный пучок (луч) необходимой интенсивности. Этот пучок затем проходит между двумя парами взаимно перпендикулярных металлических отклоняющих пластин: вертикально отклоняющих 5 и горизонтально отклоняющих 6 , а затем попадает на люминесцентный экран 7 ЭЛТ, образуя на нем яркое пятно. Если к отклоняющим пластинам приложить электрическое напряжение, то между ними будет существовать электрическое поле, которое приведет к горизонтальному (вдоль оси Х) или вертикальному (вдоль оси У) отклонению электронного луча. Это отклонение прямо пропорционально напряжению, приложенному к пластинам: h_x=S_xu_x ; h_y=S_y? u_y , где h_x, h _у отклонения вдоль осей Х и Y ; S_x ,S _у—чувствительности трубки, мм/В; u_x, и _y— напряжения на пластинах Х и Y соответственно. Чувствительности S_x и S _у зависят от конструктивных особенностей трубки и напряжения на ускоряющем аноде трубки. Основной функцией осциллографа является отображение формы исследуемого напряжения на экране. Требуемое отображение достигается перемещением электронного луча в вертикальном и горизонтальном направлениях. Перемещение по вертикали происходит под влиянием исследуемого напряжения, приложенного к пластинам Y , а по горизонтали—приложенного к пластинам Х напряжения пилообразной формы, называемого напряжением развертки. Последнее вырабатывается специальным генератором развертки. Рассмотрим сначала случай, когда напряжение на вертикально отклоняющих пластинах Y равно нулю, т.е. и _y= 0, а на горизонтально отклоняющих пластинах Х имеется пилообразное напряжение (рис. 2.46) . Тогда перемещение электронного луча будет приводить к перемещению пятна на экране от точки А к точке В за время t _пр , и обратное перемещение за время t _обр. Таким образом, за время Т_р =t _пр +t _обр, называемое периодом развертки, луч осуществит свой прямой и обратный ход. Пилообразное напряжение формируется так, чтобы t пр> > t обр , т.е. Т_р» t _пр .

Из-за большой скорости и специального гашения запирающим напряжением обратный ход луча обычно не просматривается. Ввиду того что во время прямого хода луча скорость пятна на экране постоянна, ось Х можно отождествить с осью времени t.

Если одновременно к вертикально отклоняющим пластинам Y приложить исследуемое напряжение, то положение луча в каждый момент времени будет однозначно соответствовать значению этого напряжения. На рис. 2.47 показано, как образуется изображение на экране ЭЛТ. Исследуемое напряжение с амплитудой U_cи периодом Т _cподается на пластины Y , напряжение развертки с амплитудой U_pи периодом Т _p— на пластины Х. Если Т _p =Т _c, то каждому периоду развертки будет соответствовать период исследуемого напряжения и изображение на экране не будет изменяться со временем, оставаясь неподвижным. Это изображение можно построить по точкам, отмечая значения напряжений развертки и сигнала в заданные моменты времени и перенося их на экран. На рис. 2.47 это сделано для моментов времени t₀, t₁, t₂ ,t₃ , и t₄ . Пятно на экране в эти моменты будет занимать положения 0, 1, 2, 3 и 4 соответственно. Полученное таким образом изображение (или его запись), показывающее, как изменяется исследуемое напряжение от времени, называется осциллограммой. Имея осциллограмму, можно определить многие параметры сигнала: амплитуду, частоту, период и др.

На практике напряжение развертки в течение прямого хода растет со временем не строго линейно. Это приводит к неравномерности масштаба по оси Х, т.е. по временной оси. При этих условиях измерение временных интервалов будет сопровождаться ошибками. Поэтому нелинейность развертки нормируется и указывается в паспорте осциллографа наряду с другими нормируемыми параметрами.

Выше отмечалось, что при равенстве периодов развертки и исследуемого напряжения Т _p =Т_cизображение на экране неподвижно. Оно будет неподвижным и в более общем случае Т_p=n Т_c, где n— целое число. При этом на осциллограмме представляется n периодов исследуемого напряжения. Если же периоды не кратны друг другу, т.е. n не равно целому числу, то кривые, прочерчиваемые электронным лучом на экране в течение каждого периода напряжения развертки, не будут повторять друг друга. Возникнет эффект бегущего изображения или же экран будет заполнен целым семейством сдвинутых относительно друг друга кривых. Выполнение условия Т_p=n Т_cдостигается при помощи синхронизации. Генератору, вырабатывающему напряжение развертки, принудительно навязывается частота синхронизирующего

сигнала, равная или кратная частоте исследуемого напряжения. Режим синхронизации может быть внутренним или внешним. В первом случае синхронизирующим является сам исследуемый сигнал, поступающий на генератор развертки, во втором—внешний сигнал, который подается на вход "Внешняя синхронизация" на панели осциллографа.

Генератор развертки работает в двух основных режимах: непрерывном и ждущем. При непрерывной развертке каждый последующий цикл пилообразного напряжения непрерывно следует за предыдущим, Непрерывная развертка удобна, когда исследуется непрерывный периодический процесс или периодическая последовательность импульсов с небольшой скваd6ностью. Если скважность велика, то длительность импульса составляет лишь малую часть периода следования и осциллограмма будет иметь вид вертикальной линии, наблюдение которой не дает информации о форме импульса. Для изучения импульсных последовательностей большой скважности и непериодических импульсов используется ждущая развертка, при которой напряжение развертки подается на горизонтально отклоняющие пластины лишь тогда, когда исследуемый импульс поступает на вход вертикально отклоняющих пластин. Длительность прямого хода развертки обычно выбирается немного больше длительности импульса для того, чтобы он помещался на экране осциллографа и занимал большую его часть.

В некоторых случаях вместо линейной развертки используют круговую или спиральную. Увеличение длины развертки позволяет повысить точность измерения интервалов времени. Чтобы получить круговую траекторию электронного луча, на вертикально и горизонтально отклоняющие пластины подаются синусоидальные напряжения одной и той же частоты и амплитуды, сдвинутые между собой по фазе на p /2. Чтобы развертка была не круговой, а спиральной, амплитуды напряжения на пластинах должны линейно уменьшаться от U_maxдо U_min за время, равное длительности развертки. Исследуемый сигнал подается на модулятор, который управляет яркостью свечения пятна на экране.

Структурная схема осциллографа. Структурная схема осциллографа приведена на рис. 2.48. Кроме электронно-лучевой трубки VL она содержит канал вертикального отклонения (канал Y ), канал горизонтального отклонения (канал Х), канал управления яркостью (канал У), а также калибратор амплитуды и длительности. Исследуемое напряжение поступает на входное устройство канала Y, которое включает в себя аттенюатор, позволяющий при необходимости ослабить сигнал и согласовать сопротивление канала с сопротивлением источника сигнала. Усилители А1 и А2 являются предварительным и оконечным усилителями соответственно. Линия задержки ЕТ используется при работе осциллографа в импульсном режиме. Она позволяет подавать исследуемый импульсный сигнал на пластины Y с задержкой относительно начала периода пилообразного напряжения. Это дает возможность наблюдать фронт исследуемого импульса неискаженным . Без линии задержки не удалось бы наблюдать часть импульса, которая приходится на время, необходимое для формирования напряжения развертки.

Канал Х служит для формирования и (или) усиления напряжения, поступающего затем на горизонтально отклоняющие пластины и вызывающего горизонтальное перемещение луча. Канал Х содержит предварительный и оконечный усилители (АЗ и А4 соответственно), цепь синхронизации и запуска, а также генератор развертки G. Переключатель S1 служит для подачи синхронизирующего напряжения с канала Y (внутренняя синхронизация) или со входа Х (внешняя синхронизация). Если переключатели S1 и S2 находятся в левом положении, то генератор развертки отключается и на пластины Х поступает (через усилители АЗ и А4) напряжение со входа Х.

Канал Z служит для управления яркостью свечения экрана ЭЛТ. Управление производится как вручную, так и автоматически. Например, производится автоматическое подсвечивание прямого хода ждущей развертки. В промежутке между импульсами, запускающими ждущую развертку, яркость пятна снижена во избежание прожигания люминофорного слоя.

Калибратор амплитуды и длительности является источником напряжений с известной амплитудой и длительностью. Эти напряжения подаются с выхода калибратора на вход Y для контроля масштабов (коэффициентов отклонения) по осям Y (В/см, мВ/см или В/деление, мВ/деление) и Х (мкс/см, мс/см или с/см). Знание масштабов необходимо для измерения напряжений и интервалов времени, поскольку непосредственно оператору доступно считывание только расстояний (сантиметры, деления) по масштабной сетке на экране. В некоторых современных осциллографах измерение осуществляется автоматически при помощи цифрового устройства. Результат отображается на экране в цифровой форме.

Основные характеристики и виды электронных осциллографов. Электронные осциллографы характеризуются рядом технических и метрологических параметров. К наиболее важным относятся следующие:

калиброванные значения коэффициента отклонения;

полоса пропускания, т.е. диапазон частот, в пределах которого коэффициент усиления канала Y уменьшается на 3дБ по отношению к некоторой опорной частоте;

диапазон изменения длительности развертки; входное сопротивление и входная емкость канала Y;

точностные параметры, характеризующие погрешности измерения

напряжения и интервалов времени.

При выборе осциллографа следует исходить из характера измеряемого сигнала (гармонический или импульсный) и его вероятных параметров (ширина спектра, граничные частоты, частота следования, скважность, амплитуда напряжения и т.д.) .

Осциллографы подразделяются на универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие, специальные. Наиболее употребительными являются универсальные осциллографы (в ГОСТ обозначение С1) . Они позволяют проводить исследования электрических сигналов в широком диапазоне частот, амплитуд и длительностей сигналов. Полоса пропускания достигает 200—350МГц, диапазон амплитуд от единиц милливольт до сотен вольт. Возможно измерение длительностей импульсов от нескольких наносекунд до секунд.

Скоростные осциллографы (обозначение С7) служат для исследования гармонических и импульсных сигналов (включая однократные импульсы) с характерными временами, составляющими доли и единицы наносекунд в реальном масштабе времени. Быстродействие достигается благодаря использованию ЭЛТ с бегущей волной. Полоса пропускания скоростных осциллографов достигает 5ГГц.

Стробоскопические осциллографы (обозначение С7) используют стробоскопическое преобразование масштаба времени. Их полоса пропускания достигает 10ГГц. При помощи осциллографов этого вида можно исследовать повторяющиеся сигналы с амплитудой несколько милливольт и длительностью несколько пикосекунд.

Запоминающие осциллографы (обозначение С8) применяются для исследования медленных процессов и однократных импульсов. Запоминание осуществляется при помощи специальных ЭЛТ. Длительность измеряемых интервалов времени достигает десятков секунд. Время сохранения—от нескольких часов до нескольких суток.

Специальные осциллографы (С9) в основном предназначены для исследования телевизионных и радиолокационных сигналов.

Для одновременного исследования нескольких сигналов используют многолучевые осциллографы. Обычно они имеют два канала вертикального отклонения, однако выпускаются также осциллографы с большим числом каналов (до пяти).

В последнее время все большее распространение получают электронные осциллографы с цифровой обработкой сигнала. В таких приборах аналоговый блок, представляющий собой обычный (аналоговый) осциллограф, дополнен блоком дискретизации аналогового сигнала и цифровым блоком. В состав последнего входят микропроцессор, который управляет процессами преобразования сигналов и процедурой измерения, а также клавиатура, позволяющая вводить необходимые программы. Введение цифровой обработки значительно расширило возможности осциллографа. Появилась возможность автоматизации управления его работой, увеличения производительности. Измеряемая информация может быть подвергнута необходимой обработке, упорядочению и запоминанию. Параметры сигнала в цифровой форме отображаются на экране ЭЛТ. Массивы информации могут быть представлены на экране в виде гистограмм, графиков, таблиц и т.д. По желанию оператора можно изменить масштаб, вычленить и растянуть какую-либо часть осциллограммы, наложить друг на друга или одновременно представить на экране несколько зависимостей. Автоматическая калибровка в ходе измерения, коррекция погрешностей, уменьшение влияния помех благодаря усреднению сигнала за большое число периодов приводит к существенному повышению точности измерений. Возможность вычисления и отображения на экране преобразования Фурье исследуемого сигнала, дифференцирования, интегрирования и других операций качественно меняют характер получаемой информации.

Светолучевые осциллографы. Светолучевые осциллографы используются для исследования электрических сигналов с верхней частотой, не превышающей 30кГц. Достоинством этих приборов является простота устройства, возможность одновременной регистрации большого числа (обычно 12 или 24) процессов.

Светолучевой осциллограф состоит из магнитного блока с осциллографическими гальванометрами (ОГ), оптической системы, развертывающей системы, отметчика времени и блока питания.

Осциллографический гальванометр представляет собой укрепленную на растяжках подвижную рамку магнитоэлектрического измерительного механизма, заключенную в кожух из магнитного материала. На кожухе укреплены магнитно-мягкие полюсные наконечники. ОГ вставляются в специальные гнезда, являющиеся воздушными зазорами магнитопровода единого постоянного магнита. Таким образом, все рамки находятся в постоянном магнитном поле. При прохождении по рамке исследуемого тока происходит ее поворот, как и в обычном магнитоэлектрическом механизме. Из-за того что подвижная часть ОГ имеет малый момент инерции, угол ее отклонения в каждый момент времени пропорционален мгновенному значению тока. На подвижной части ОГ укреплено маленькое зеркальце для светового отсчета.

Схема общего устройства осциллографа приведена на рис. 2.49. Луч света от источника 1 проходит через узкую щель 2 и призму 3 и отражается от зеркальца 4 . Затем он попадает на призму 5, где разделяется на две части. Часть луча проходит поверх призмы 5 и концентрируется с помощью цилиндрической линзы 6 в точку на фотопленке 7 . Вторая часть луча отклоняется призмой 5 и направляется на зеркальный многогранный барабан 8 , отражаясь от которого, падает на экран 9 . Если пленка 7 и зеркальный барабан 8 находятся в покое, то при колебаниях зеркала от четырех ОГ световое пятно описывает на пленке в поперечном направлении и на экране прямую линию, Для наблюдения и фотографирования исследуемого процесса во времени надо развернуть движение луча по оси времени. Для этого пленку протягивают, а зеркальный барабан приводят во вращение. Если скорость вращения барабана такова, что луч перемещается по одной грани в течение времени, равного целому числу периодов исследуемого тока, то кривая на экране неподвижна.

Лентопротяжный механизм и барабан приводятся двигателем.

Следует отметить, что устройства дач визуального наблюдения отсутствуют во многих современных светолучевых осциллографах, которые осуществляют только функцию регистрации на фотоносителе.

Для задания масштаба времени используют специальные отметчики, с помощью которых на носитель наносятся метки, разделенные известными временными интервалами. Отметчики времени обычно строятся на основе электромеханических устройств. Функцию отметчика может выполнять также специально выделенный для этой цели ОГ, на вход которого подаются импульсы с известным периодом, регистрируемые одновременно с исследуемым сигналом.

Область применения светолучевых осциллографов ограничивается инерционностью подвижной части. Без существенных искажений этим прибором можно регистрировать синусоидальные токи и напряжения с частотами не свыше 30кГц. Светолучевые осциллографы применяются при исследовании электрических машин и аппаратов, в геологии при поисках ископаемых сейсмическими методами, для регистрации землетрясений и т.п.

2.12. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

На практике приходится измерять следующие параметры электрических сигналов: ток, напряжение, мощность, частоту, сдвиг фаз и др. При этом измерения производятся в широком диапазоне значений измеряемых величин и рабочих частот. Ранее, в параграфах, посвященных рассмотрению различных приборов, указывалось на особенности их применения для измерения тех или иных величин, в том числе и параметров электрических сигналов. Резюмируем кратко эти сведения.

Измерение напряжения осуществляется в диапазоне частот от 0 до 10⁹ Гц. При более высоких частотах напряжение перестает быть информативным параметром. Напряжение постоянного тока от долей милливольта до сотен вольт удобно измерять магнитоэлектрическими вольтметрами, которые имеют достаточно высокую точность (класс точности до 0,05) . Следует, однако, иметь в виду, что входное сопротивление магнитоэлектрического вольтметра, которое в основном определяется значением добавочного сопротивления, не превышает десятков килоом. При измерениях в высокоомных цепях собственная проводимость вольтметра может быть причиной значительных погрешностей измерения. Магнитоэлектрическим вольтметрам присуща также температурная погрешность, вызываемая зависимостью сопротивления рамки прибора от температуры.

Для измерения напряжения постоянного тока в высокоомных цепях широко используются электронные аналоговые и цифровые вольтметры. Электронные аналоговые вольтметры и милливольтметры являются многопредельными приборами. Ими можно измерять напряжение от единиц микровольт до нескольких киловольт. Высокое входное сопротивление вольтметров, равное десяткам и более мегаом, снижает потребление мощности из измеряемой цепи до пренебрежимо малых значений. Следовательно, влияние измерительного прибора на режим работы изучаемого объекта оказывается незначительным. Электронные аналоговые вольтметры имеют основную погрешность 1,5—6%. Источниками погрешностей являются нестабильность элементов и собственные шумы электронных цепей. Вносят вклад также погрешности измерительного механизма и градуировки шкалы.

Цифровые вольтметры постоянного тока также широко распространены. Они обладают широким диапазоном измерения, высокой точностью и чувствительностью, быстродействием, удобством считывания показаний, возможностью включения в состав измерительно-вычислительных комплексов. Возможности и особенности цифрового вольтметра определяются в первую очередь характеристиками использованного АЦП. Существуют цифровые вольтметры прямого и уравновешивающего преобразования. В схемах прямого преобразования применяются время-импульсные, время-импульсные интегрирующие и частотноимпульсные АЦП, а в схемах уравновешивающего преобразования—АЦП поразрядного уравновешивания.

Цифровые вольтметры прямого преобразования отличаются простотой и высоким быстродействием (более 10⁴ измерений в секунду). В интегрирующих вольтметрах благодаря усреднению напряжения по времени измерения достигается повышенная помехозащищенность. Основным достоинством цифровых вольтметров с АЦП поразрядного уравновешивания является высокая точность измерения (приведенная погрешность 0,01—0,001%). Диапазон напряжений, измеряемых цифровыми вольтметрами разных типов, охватывает диапазон от долей микровольта до единиц киловольт.

Современные цифровые вольтметры содержат микропроцессорные блоки и снабжены клавиатурой, что позволяет автоматизировать процесс измерения, проводить его в соответствии с заданной программой, осуществлять требуемую обработку результатов измерений, расширять функциональные возможности прибора, превратив его в мультиметр, позволяющий измерять не только напряжение постоянного тока, но и многие другие величины: напряжение переменного тока, сопротивление, емкость конденсатора, частоту и др.

Точные измерения напряжения постоянного тока производятся при помощи компенсаторов постоянного тока (§ 2.8). Класс точности этих приборов достигает 0,0005. Пределы измеряемых напряжений—от 10^-9 В до нескольких десятков вольт.

Среднеквадратическое (действующее) значение напряжения переменного тока  измеряется электромагнитными (до 1—2кГц), электродинамическими (до 2—3кГц), ферродинамическими (до 1—2кГц); электростатическими (до 10МГц) и термоэлектрическими (до 10—100 МГц) приборами.

Выпрямительные приборы реагируют на средневыпрямленное значение

но градуируются обычно в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения. Отличие формы измеряемого напряжения от синусоидальной может приводить к большим систематическим погрешностям. Выпрямительные вольтметры используются до частот 10—20кГц. Электромагнитные вольтметры в основном служат щитовыми приборами. Расширение их пределов измерения достигается использованием измерительных трансформаторов напряжения. Электродинамические, электростатические обычно являются лабораторными приборами, термоэлектрические используются на повышенных частотах. Выпрямительные вольтметры обычно входят в состав многофункциональных переносных измерительных приборов—тестеров .

Электронные аналоговые вольтметры применяются для измерения среднеквадратичных, средневыпрямительных и пиковых (амплитудных) значений переменного тока. Их отличает большое входное сопротивление, высокая чувствительность и возможность измерений на высоких частотах (вплоть до сотен мегагерц).

Цифровые вольтметры, предназначенные для измерения напряжения переменного тока, строятся на основе цифровых вольтметров постоянного тока, снабженных преобразователем переменного напряжения в постоянное. В диапазоне частот до 100кГц их основная погрешность может не превышать 0,5%. Цифровые вольтметры средневыпрямленного значения используют одно—и двухполупериодные выпрямители. В цифровых вольтметрах среднеквадратического значения применяются термоэлектрические преобразователи. Однако инерционность последних существенно снижает быстродействие вольтметров.

Для одновременного измерения амплитуды и фазового сдвига синусоидального напряжения используются компенсаторы переменного тока. Относительная погрешность измерения при помощи компенсаторов лежит в пределах ± 0,5%.

Измерение тока . Постоянный ток измеряется при помощи магнитоэлектрических приборов. Они обеспечивают наивысшую точность среди электромеханических аналоговых приборов (класс точности 0,05—2,5) .

Магнитоэлектрические амперметры позволяют измерять токи от 10^-7 до 50А (при измерении токов больше 0,05А используются внутренние шунты). Применение шунтов приводит к увеличению влияния изменений температуры на показания приборов. Это связано с тем, что вследствие неодинаковых значений температурных коэффициентов сопротивления рамки и шунта происходит изменение соотношения их сопротивлений, а следовательно, и перераспределение текущих по ним токов. Для уменьшения температурной погрешности применяются различные цепи температурной компенсации. Простейшая из них содержит только один элемент—добавочный резистор из манганина, включенный последовательно с рамкой измерительного механизма. Такая термокомпенсация удовлетворительна только для приборов классов точности 1,0 и хуже. Более точные приборы используют несколько более сложные цепи термокомпенсации, содержащие как последовательные, так и параллельные цепочки резисторов.

Для измерения больших постоянных токов (от 50А до нескольких килоампер) применяются магнитоэлектрические амперметры и килоамперметры с наружными шунтами.

Малые постоянные токи (меньше 10^-6 А) измеряются при помощи гальвано метров.

Измерения постоянного тока с повышенной точностью производятся косвенным образом. Образцовый резистор включается в измеряемую цепь и компенсатором измеряется падение напряжения на этом резисторе. Значение тока вычисляется при помощи закона Ома.

Переменный ток измеряется амперметрами электромагнитной, электродинамической и ферродинамической систем. Электромагнитные амперметры являются в основном однопредельными щитовыми приборами (класс точности 1,0; 1,5; 2,5). Они работают со встроенными или наружными измерительными трансформаторами тока, позволяя измерять токи до 300А и 15кА соответственно.

Также в качестве щитовых часто работают ферродинамические амперметры. Электродинамические амперметры и миллиамперметры обычно выполняются в виде переносных лабораторных приборов. Их типичные классы точности 0,2; 0,5; 1,0. Выпрямительные амперметры обычно входят в состав переносных лабораторных комбинированных приборов (тестеров). Их диапазон измерения—от долей миллиампера до нескольких ампер, Набор шунтов обеспечивает изменение пределов измерения. Точность выпрямительных амперметров невелика (классы точности 1,5; 2,5; 4,0) . Другим недостатком является зависимость показаний от формы тока. Термоэлектрические миллиамперметры и ампер метры применяются на повышенных частотах (до сотен мегагерц). Их диапазон измерений—от нескольких миллиампер до нескольких ампер. Расширение пределов измерения достигается применением высокочастотных трансформаторов тока. Классы точности 1,0; 1,5. Термоэлектрические приборы имеют малую перегрузочную способность. Это является их недостатком.

Измерение мощности в цепях постоянного и переменного однофазного тока чаще всего производится электродинамическими и ферродинамическими ваттметрами (§ 2.4) . Электродинамические ваттметры выпускаются в виде переносных лабораторных многопредельных приборов. Их классы точности 0,1—0,5. Изменение пределов измерения достигается коммутацией секций токовой катушки и подключением различных добавочных резисторов.

Частотный диапазон электродинамических ваттметров ограничен сверху частотами порядка нескольких килогерц. С повышением частоты индуктивное сопротивление катушек начинает вносить заметный вклад в погрешность прибора.

Ферродинамические ваттметры обычно служат щитовыми приборами классов точности 1,5 и 2,5. Их частотный диапазон несколько уже, чем у электродинамических ваттметров, из-за погрешностей, обусловленных потерями в магнитных сердечниках.

Направление отклонения стрелки зависит от направления тока в обмотках ваттметров, поэтому их зажимы имеют специальную маркировку, обеспечивающую правильное подключение прибора. Зажимы, обозначенные знаком * (звездочкой), соединяются с проводами, идущими от источника тока. Зажимы, не имеющие этого обозначения, подключаются к нагрузке.

Мощность постоянного тока измеряется также косвенно—при помощи амперметра и вольтметра, показания которых перемножаются в соответствии с формулой Р=IU Возможны две схемы включения приборов (рис. 2.50, а, б). При измерениях следует учитывать методическую погрешность, зависящую от сопротивления вольтметра (в схеме, представленной на рис. 2.50, а) или амперметра (в схеме, представленной на рис. 2.50, б). Действительно, в первом случае амперметр показывает не ток нагрузки, а сумму токов нагрузки и вольтметра, а во втором—показания вольтметра равны не падению напряжения на нагрузке, а сумме падений напряжения на нагрузке и амперметре. Следовательно, в обоих случаях мощность, вычисленная на основании показаний амперметра и вольтметра, будет завышена. Первая схема обеспечивает малую погрешность, если R_н <<R_V , вторая—если R_н >>R_A , где R_V и R_A —внутреннее сопротивление вольтметра и амперметра соответственно.

Мощность переменного однофазного тока на повышенных частотах можно измерять выпрямительными ваттметрами, использующими нелинейность вольт-амперной характеристики (ВАХ) полупроводниковых диодов для перемножения мгновенных значений тока и напряжения, или термоэлектрическими, которые содержат термопреобразователи, напряжение на выходе которых также является нелинейной функцией токов, протекающих через их подогреватели. Выпрямительными и термоэлектрическими ваттметрами можно измерять мощность в диапазоне частот до 100кГц и 1МГц соответственно. Погрешности измерения этих приборов сравнительно велики (несколько процентов). Для измерения мощности на повышенных частотах (до нескольких гигагерц) применяются также ваттметры на основе эффекта Холла.

В трехфазных цепях для измерения как активной, так и реактивной мощности обычно используются двух—и трехэлементные ферродинамические ваттметры. Двухэлементные включаются в трехпроводные цепи, а трехэлементные—в четырехпроводные. Вид измеряемой мощности (активная или реактивная) зависит от схемы включения ваттметра.

Измерение частоты в электро - и радиотехнике производится в диапазоне от 0 до 10¹¹ Гц. На низких частотах (от 20 до 2500Гц, но особенно в окрестности 50 и 400Гц) используются электромеханические приборы: резонансные электромагнитные частотомеры (§ 2.6) и частотомеры на основе электромагнитных и электродинамических (ферродинамических) логометров. Их схемы приведены на рис. 2.51. Принцип работы логометрических частотомеров основан на зависимости разности вращающих моментов, воздействующих на скрепленные между собой подвижные катушки 1 и 2 с токами I₁и I₁, как от частоты, так и от положения катушек. Основная погрешность электромеханических аналоговых частотомеров составляет 1—2,5 % . Они имеют узкие диапазоны измерения и используются в качестве щитовых приборов.

В лабораторных условиях нередко для измерения частоты используют осциллографы. Это оправдано, если к точности измерения не предъявляется жестких требований. Получение фигур Лиссажу, использование круговой развертки с модуляцией яркости, определение частоты исходя из измеренного значения периода напряжения—наиболее распространенные способы осциллографических измерений частоты.

Электронные конденсаторные частотомеры применяются для измерения частот от 10 до 1МГц. Принцип работы таких частотомеров иллюстрируется схемой, приведенной на рис. 2.52. Конденсатор С при помощи электронного ключа S переключается то на заряд от батареи GB , то на разряд через магнитоэнектрический измерительный механизм РА. За время одного такого цикла через индикатор РА будет протекать заряд Q=СU Если частота переключений равна измеряемой частоте f_x, то средний ток, протекающий через индикатор, равен I_ср=Qf_x=СUf_x , т. е. показание индикатора пропорционально частоте. Условием нормальной работы конденсаторного частотомера является постоянство U и С. Кроме того, необходимо, чтобы время заряда и разряда было меньше периода измеряемой частоты. Управление электронным ключом осуществляется напряжением измеряемой частоты, которое для нормальной работы схемы предварительно усиливается и приобретает форму, близкую к прямоугольной. Основная приведенная погрешность таких частотомеров лежит в пределах 2—3%.

Семейство перечисленных выше аналоговых частотомеров дополняет гетеродинные чистотомеры, принцип действия которых основан на сравнении измеряемой частоты с частотой перестраиваемого стабильного генератора. Сравнение осуществляется посредством гетеродинирования напряжений сравниваемых частот.

Гетеродинирование—это процесс нелинейного взаимодействия двух напряжений, в результате которого кроме исходных частот w ₁и w ₂ возникают комбинационные частоты ? пw ₁+mw _2? , где п и т—целые числа. В окрестности равенства частот w ₁ и w ₂появляются низкочастотные (нулевые) биения, которые удобно наблюдать на осциллографическом индикаторе. Достоинствами гетеродинных частотомеров является возможность измерения очень высоких частот—до 100ГГц с погрешностью не хуже 10^-2—10^-3%.

Среди приборов для измерения частоты видное место занимают цифровые частотомеры.

Электронно-счетные частотомеры являются цифровыми приборами. Они основаны на счете числа периодов измеряемой частоты за некоторый, строго определенный интервал времени, т.е. используют аналого-цифровое преобразование частоты в последовательность пересчитываемых импульсов. Погрешность этих частотомеров в основном определяется нестабильностью формирования калиброванного интервала времени и погрешностью квантования. Последняя уменьшается с увеличением измеряемой частоты.

Электронно-счетные частотомеры являются наиболее точными (относительная погрешность может не превышать 10^-7% ) и обладают всеми преимуществами цифровых приборов, поэтому они нашли широкое применение. Диапазон измеряемых частот—от 10Гц до сотен мегагерц. Чтобы расширить диапазон измерений в сторону низких частот, в некоторых частотомерах дополнительно вводится время-импульсное аналого-цифровое преобразование, Это дает возможность с большой точностью измерять период низкочастотного напряжения. Затем следует пересчет периода в частоту при помощи микропроцессорного вычислителя. Такие частотомеры имеют нижний частотный предел 0,1—0,01 Гц.

В результате применения микропроцессоров в цифровых частотомерах появилась возможность проведения многократных измерений с усреднением их результатов, исключения некоторых систематических погрешностей, проведения автоматического контроля правильности работы прибора, работы в составе измерительного комплекса по заданной программе и т.д.

Измерение угла сдвига фаз. Методы измерения угла сдвига между двумя гармоническими напряжениями зависят от частотного диапазона и требуемой точности измерения. На низких частотах наиболее употребительны электромеханические фазометры, построенные на основе электродинамических и ферродинамических логометров. Однако их показания довольно значительно зависят от частоты, поэтому такие фазометры используются в основном на промышленных частотах 50—400Гц и имеют классы точности 0,5—2,5.

Электронные аналоговые фазометры используют принцип преобразования фазового сдвига во временной интервал. Структурная схема такого частотомера приведена на рис. 2,53, а. Напряжения u₁ и и₂, угол сдвига фаз между которыми требуется измерить, после усиления, ограничения, дифференцирования и детектирования преобразуются в короткие импульсы и_1? и и₂', управляющие триггером. Напряжение с выхода триггера подается на цепочку, состоящую из резистора и магнитоэлектрического прибора РА. Показания индикатора РА пропорциональны среднему значению тока, протекающего через прибор. Но I_ср=I_{mj x}/2p , т.е. показания прибора пропорциональны углу сдвига фаз. На рис. 2.53, б приведены временные диаграммы, иллюстрирующие принцип работы электронного фазометра. Электронные аналоговые фазометры работают в диапазоне частот от десятков герц до единиц мегагерц. Их относительная погрешность составляет 1—2%.

В лабораторных условиях для измерения угла сдвига фаз можно использовать осциллограф. Метод линейной развертки применяется, если осциллограф двухлучевой. В этом случае на экране получают изображение двух кривых напряжений и₁и u₂, взаимное расположение которых несет искомую информацию. Метод эллипса основан на том факте, что при подаче двух синусоидальных напряжений на вертикально и горизонтально отклоняющие пластины на экране наблюдается эллипс, форма и наклон которого зависят от угла сдвига фаз. Погрешность измерения этими методами довольно велика—5—10%.

Цифровые фазометры строятся на основе аналого-цифрового преобразования фазового сдвига в интервал времени, т.е. используют время-импульсные АЦП. Они работают в широком диапазоне частот (например, фазометр Ф2-4 от 20Гц до 10МГц, Ф5126 от 1 до 150МГц), имеют высокое входное сопротивление (до 1МОм), могут работать с напряжениями от нескольких милливольт до сотен вольт. Абсолютная погрешность измерений составляет доли градусов.

2.13. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

К параметрам электрических цепей относятся сопротивление, индуктивность, взаимная индуктивность и емкость.

Сопротивление постоянному току измеряется как приборами непосредственной оценки—омметрами, так и мостами. Используются и косвенные измерения.

Омметры выполняют на основе магнитоэлектрического механизма или логометра (§ 2.2) . В зависимости от схемы они предназначены для измерения либо больших (от единиц ом до десятков или сотен мегаом), либо малых (от десятитысячных долей ома до нескольких ом). Многопредельные омметры могут объединять эти две схемы в одном приборе. Логометрические омметры имеют достоинства, вытекающие из независимости его показаний от напряжения питания. Погрешность омметров рассматриваемых типов обычно лежит в диапазоне от одного до нескольких процентов, причем она неодинакова на разных участках шкалы и резко возрастает на обоих ее концах, Большие сопротивления (до 10¹⁰—10¹⁷ Ом) измеряются электронными мегаомметрами и тераомметрами, которые обычно включают в себя операционные усилители, обеспечивающие высокое сопротивление прибора.

Одинарные мосты постоянного токи. Одинарные мосты постоянного тока, собранные по схеме, представлены на рис. 2.35, широко применяются для измерения сопротивлений средних размеров (от 1 до 10¹⁰ Ом). Встречаются также одинарные мосты, диапазон измерений которых расширен либо в сторону меньших (до 10^-4 Ом), либо в сторону больших (до 10¹⁵ Ом) значений сопротивления. Конструктивно мост представляет собой стационарный или переносный прибор с набором магазинов сопротивления, соединенных в мостовую схему. Индикатором нуля обычно служит гальванометр магнитоэлектрической системы. Он может быть встроенным в прибор или наружным, так же как и батарея или блок питания.

Измеряемое сопротивление определяется по формуле

поэтому погрешности в изготовлении резисторов R2, RЗ и R4 вносят вклад в погрешность измерения. Значительная погрешность, особенно при малых значениях измеряемых сопротивлений, может быть обусловлена влиянием сопротивления соединительных проводников, при помощи которых измеряемое сопротивление подключается к соответствующим зажимам.

Измерение больших сопротивлений затруднено малой чувствительностью схемы и влиянием паразитных проводимостей.

Типичные значения приведенной погрешности при измерении сопротивлений одинарным мостом составляют 0,005—1,0%. Однако при измерении больших сопротивлений погрешность может достигать 5—10 %.

Двойной мост. Для измерения малых сопротивлений применяют двойной мост, схема которого приведена на рис. 2.54. Двойной мост содержит четыре резистора R1, R2, RЗ и R4 , гальванометр РG, образцовый резистор R₀ , а также источник постоянного напряжения G _, амперметр и переменный резистор для установки рабочего тока. Резистор R_x , сопротивление которого надо измерять, подключается последовательно с образцовым сопротивлением R₀ . Условие равновесия двойного моста можно получить, записывая и разрешая относительно R_x уравнения Кирхгофа для замкнутых контуров при условии, что ток через гальванометр РG равен нулю:

(2.95)

Если выполнить соотношение

(2.96)

то второй член в уравнении (2.95) будет равен нулю, а это означает, что r— сопротивление проводника и контактов, значение которого меняется от измерения кизмерению, не будет влиять на результат измерения.

Чтобы обеспечить выполнение соотношения (2.96), сопротивления R₃ и R₄ выбирают равными, а магазины резисторов R₁ и R₂ имеют механически скрепленные рукоятки, что также обеспечивает равенство сопротивлений R₁ и R₂.

Неизвестное сопротивление определяется по формуле

(2.97)

где R₀ —образцовое сопротивление.

При измерении двойным мостом малых сопротивлений особое внимание следует обращать на способ присоединения измеряемого сопротивления. Нужно также считаться с возможным влиянием ЭДС, возникающей в контактах R_x и R₀ . Эту погрешность можно исключить, производя измерение 2 раза с переменной направления тока при помощи переключателя SА, показанного на рис. 2.54. За значение измеряемого сопротивления принимается среднее арифметическое из результатов этих измерений. Пределы измерений двойного моста охватывают область сопротивлений от 10^-8 Ом до 100 0 Ом, погрешность измерения составляет 0,1—2 %.

К
освенные измерения сопротивления проводятся по методу амперметра и вольтметра с применением закона Ома. Метод позволяет так организовать измерение, что по испытуемому объекту будет протекать такой же ток, как и в рабочих условиях. Это является достоинством метода. Недостаток же его заключается в необходимости производить два отсчета одновременно. При измерениях необходимо иметь в виду наличие методической погрешности, вызванной влиянием сопротивления амперметра или проводимости вольтметра (в зависимости от схемы) .

Для точных косвенных измерений используется компенсатор постоянного тока. Схема измерения содержит два последовательно включенных резистора—образцовый R₀ и испытуемый R_x . Компенсатором измеряются падения напряжения на этих резисторах U₀и U_x. Значение измеряемого сопротивления вычисляется по формуле

Измерение индуктивности и емкости. Измерение индуктивности и емкости производится в основном при помощи мостов переменного тока. Они обеспечивают высокую точность и чувствительность при относительной простоте.

Мосты для измерения индуктивности. Для измерения индуктивности и добротности катушек применяются схемы, показанные на рис. 2.55. Первая из них предпочтительнее при малых добротностях (Q> 30), а вторая—при больших Q >30). Измеряемая катушка с индуктивностью L_x и сопротивлением R_x включается в первое плечо моста, образцовый конденсатор С4 и переменный резистор R4 —в противоположное плечо. Еще одним переменным элементом является резистор RЗ. Резистор R4 может быть включен либо параллельно (рис. 2.55, а), либо последовательно (рис.2.55, б) с образцовым конденсатором С4. Питание осуществляется от источника переменного тока G . В соответствии с (2.77) запишем условие равновесия моста для рис. 2.55, а;

(2.98)

где  —частота напряжения питания.

Разделение действительных и мнимых составляющих уравнения приводит к соотношениям

(2.99)

и

(2.100)

В (2.99) и (2.100) не входит частота, следовательно, мост может быть уравновешен, даже если форма кривой питающего напряжения не чисто синусоидальная. Добротность катушки определяется по формуле

(2.101)

При фиксированной частоте напряжения питания  и постоянной емкости С₄ шкалу переменного резистора R4 можно проградуировать в значениях добротности Q_x.

Схеме моста, представленной на рис. 2.55, б, соответствует следующее условие равновесия;

(2.102)

которое соответствует системе уравнений

(2.103)

решение которой относительно R_x и L_xдает

(2.104)

(2.105)

и

(2.106)

т.е. шкала переменного резистора R4 снова может быть отградуирована в значениях добротности Q_x.

В отношения (3.104) и (2.105) для R_xи L_xвходит частота, поэтому мост является частотно-зависимым, Равновесие имеет место только при некоторой частоте  питающего напряжения. Если ее изменить, то равновесие нарушится.

Мосты для измерения емкости. При измерении емкости используется схема с образцовым конденсатором С 3 и переменными резисторами R2 и R4 (рис. 2.56). Исследуемый конденсатор представлен (замещен) в этой схеме последовательным соединением емкости С_x и активного сопротивления R_x. Необходимость введения R_x обусловлена потерями в конденсаторе. Условие равновесия имеет вид


(2.107)

и

(2.108)

Принято характеризовать потери в конденсаторе значением тангенса угла потерь tg ,который в случае последовательной схемы замещения связан с R_x соотношением

(2.109)

с учетом условий (2.107) и (2.108) это соотношение принимает вид

(2.110)

Переменные резисторы R4 и RЗ можно отградуировать в единицах емкости C_x значениях tg .

Наиболее употребительные частоты напряжения питания мостов переменного тока 100 и 1000Гц. При более высоких частотах сильно сказываются различные паразитные связи.

Следует заметить, что мосты для измерения сопротивлений, индуктивности и емкостей часто совмещаются в одном приборе. Такие приборы называются универсальными измерительными мостами. Они позволяют измерять индуктивность от долей микрогенри до тысяч генри, емкость—от сотых долей пикофарад до тысяч микрофарад. Относительная погрешность измерения может не превышать сотых долей процента.