Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Раздел 2

Методы и приборы

Измерения параметров электрических сигналов и магнитных величин

                                                                    

 

 

Измерительные системы.

 

При изготовлении и налаживании даже несложной радиоаппаратуры необходимо измерять токи, напряжения, сопротивления резисторов, индуктивности катушек и т.д. При этом единицами измерения служат: для силы тока – ампер, напряжение – вольт, сопротивление – ом, индуктивности – генри и т.д. Измерение осуществляют с помощью стрелочных приборов: амперметров, вольтметров, омметров, ваттметров и т.д. Основой этих приборов является электроизмерительных механизм, который преобразует электрические величины (ток или напряжение) в механическую силу ( вращающий момент), под действием которой подвижная часть механизма и связанная с ней стрелка отклоняется. Шкала измерительного прибора проградуирована в значениях измеряемой величины таким образом, что по углу отклонения стрелки можно судить о значении измеряемой величины в настоящий момент. Различают следующие типы электроизмерительных приборов: магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, ферродинамические, электростатические, термоэлектрические, тепловые и электронные.

Магнитоэлектрическая система

Принцип работы приборов магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии магнитного поля тока, проходящего по обмотке рамки, с магнитным полем постоянного магнита (рис. 1). Когда по рамке идет ток, она поворачивается на угол α, пропорциональный измеряемому току (напряжению):

α = К₁•I.         

К₁ - коэффициент пропорциональности. Из этой зависимости видно, что шкала в таких приборах равномерна, а направление поворота рамки, а значит и стрелки, зависит от направления тока в рамке.

Основные достоинства: высокая точность, равномерность шкалы, хорошая защита, от внешних магнитных полей.

Недостатки: этими приборами нельзя измерять переменный ток, сравнительно высокая стоимость. Магнитоэлектрические измерительные механизмы с механическим противодействующим моментом используются главным образом в амперметрах, вольтметрах и гальванометрах, а также в некоторых типах омметров.

Электромагнитная система

Принцип действия приборов этой системы основан на взаимодействии магнитного ноля тока, проходящего по обмотке катушки, с магнитным полем намагниченного сердечника (рис. 2). Сердечник имеет вид тонкой пластинки, жестко скреплённой с осью, на которой расположена указательная стрелка. При этом сердечник втягивается внутрь катушки, благодаря чему указательная стрелка отклоняется. Угол отклонения стрелки α связан с током квадратичной зависимостью:

α = К₂•I²                                                                                                                             (8)

Шкала у таких приборов неравномерная. Приборы электромагнитной системы можно применять для измерений в цепях как постоянного, так и переменного токов. Класс точности этих приборов: 1,0; 1,5; 2,5.

При измерении направления тока в обмотке меняется полярность сердечника, поэтому при любом направлении тока сердечник втягивается внутрь катушки и, стрелка отклоняется всегда в одну сторону.

Основные достоинства: простота устройства, невысокая стоимость, надёжность в работе, способны (из-за отсутствия токопроводов к подвижной части) выдерживать большие перегрузки, пригодны для измерения как переменного, так и постоянного токов.

Недостатки: невысокая точность, неравномерность шкалы, зависимость точности показаний от влияния внешних магнитных полей, сравнительно большое потребление электроэнергии.

Эту систему используют в амперметрах и вольтметрах.

Электродинамическая система

Принцип действия приборов этой системы заключается во взаимодействии магнитных полей токов, проходящих по двум обмоткам, одна из которых неподвижна, а другая может вращаться (рис. 3). Обмотка неподвижной катушки называется токовой, имеет мало витков и включается в цепь последовательно. Обмотка подвижной катушки имеет много витков, включается цепь параллельно и называется обмоткой напряжения.

Подвижная катушка поворачивается на угол α, пропорциональный произведению токов в каждой катушке, т.е. вращающий момент пропорционален квадрату общего тока, протекающего через прибор.

α = К₃• I₁•I₂.                                                                                                                             (9)

Направление тока в обмотках может изменяться лишь одновременно. Поэтому независимо от направления тока подвижная катушка, а значит и стрелка поворачивается в одну сторону. Электродинамические приборы в основном изготавливаются как переносные приборы классов точности: 0,1; 0,2; 0,5 для измерений тока, напряжения и мощности в цепях постоянного и переменною токов, например, (амперметры, вольтметры, ваттметры).

Достоинства: приборы имеют высокую точность и чувствительность.

Недостатки: высокая стоимость, влияние на показания внешних магнитных полей, малая устойчивость к перегрузкам.

При проведении электрических измерений могут быть также использованы приборы других систем: ферродинамической, тепловой, электростатической, индукционной.

 

Ферродинамическая система

Принцип действия такой же, как у приборов электродинамической системы, но здесь неподвижная обмотка помещена на магнитопроводе, благодаря чему повышается чувствительность прибора, смотри рис. 4.

Электростатическая система

Принцип работы приборов данной системы заключается во взаимодействии электрически заряженных подвижных и неподвижных пластин. Под действием сил ноля подвижные пластины втягиваются в пространство между неподвижными пластинами, а противодействующий момент создастся спиральной пружиной.

Достоинства: электростатические приборы измеряют постоянные и переменные напряжения до частот порядка 10 ...10^s Гц, характеризуются очень большим входным напряжением, практически не вносят искажений в исследуемую цепь, нечувствительны ко внешним магнитным полям.

Недостатки: малая чувствительность, неравномерность шкалы, опасность электрического пробоя между пластинами.

 

 

 Рис. 2.7 Устройство прибора электростатической системы:

1 – подвижная пластина; 2 – неподвижные пластины; 3 – ось.

 

2. КЛАССИФИКАЦИЯ РАДИОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Радиоэлектронные измерительные приборы (РИП) классифицируются по различным признакам (см. табл.)

Классификация электронных радиоизмерительных приборов

Признак классификации	Разновидности измерительных приборов
Выполняемые метрологические функции	Эталоны, образцовые приборы, рабочие приборы
Характер измерений, вид измеряемых величин, основные выполняемые функции, совокупность технических характеристик и очередность разработки	Подгруппы, виды, типы
Точность	Классы точности: (K:= 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6.)
Условия эксплуатации	Группы: 1, 2, 3, 4, 5
Частотный диапазон	Низкочастотные, высокочастотные
Принцип действия	Аналоговые, цифровые
Метод измерения	Прямого действия, сравнения
Способ представления измерительной информации	Показывающие, регистрирующие
Способ отсчета	С непосредственным отсчетом, с управляемым отсчетом
Способ регистрации	Самопишущие, печатающие
Конструктивные особенности	Переносные, передвижные, стационарные
Прочие	Текущего значения, интегрирующие, суммирующие и пр.

По характеру измеряемых величин РИП делятся на подгруппы, по основной выполняемой функции — на виды, а по совокупности технических характеристик и очередности разработок — на типы. В соответствии с ГОСТ 15094-69 РИП и меры электрических величин для них разделяются на 20 подгрупп, каждая из которых состоит из нескольких видов, вид приборов содержит в себе несколько типов.

Приборам подгруппы присваивается буквенное обозначение, например: А — прибор для измерения тока. Виду приборов присваивается буквенно-цифровое обозначение, например: А2 — амперметры постоянного тока. Приборам каждого типа присваивается порядковый номер модели.

Подгруппам приборов и видам присваиваются классификационные наименования. Полное наименование прибора состоит из наименования вида и дополнительных определяющих слов.

 

Измерение тока и напряжения

Измерения силы тока и напряжения в электрических цепях относятся к наиболее распространенным видом измерений. Современные методы и средства измерений позволяют измерить напряжение в диапазоне 10^-10 – 10⁶ В и силу тока в диапазоне 10^-18 -10⁵ А.

Напряжение и силу тока измеряют приборами непосредственной оценки (амперметры и вольтметры) или приборами, использующими метод сравнения (компенсаторы). По структурному построению приборы, измеряющие напряжение и силу тока, условно можно разделить на 3 основные группы:

-электромеханические

-электронные аналоговые

-цифровые.

Электроизмерительные клещи

В работу простейших токоизмерительных клещей переменного тока положен принцип одновиткового трансформатора тока.

Его первичная обмотка представляет не что иное, как провод или шину, в которой измеряется ток. Вторичная обмотка, имеющая больше количество витков, намотана на разъемный магнитопровод и находится в самих клещах. К вторичной обмотке подключен амперметр.

Измерив ток, который протекает во вторичной обмотке с учетом известного коэффициента трансформации измерительного трансформатора, можно получить величину тока, измеряемую в проводнике.

Заметим, что с помощью токоизмерительных клещей измерять ток (а по сути - нагрузку) в цепи совсем не сложно и очень удобно. Сам процесс измерения заключается в следующем.

С помощью рукоятки выставляется измеряемая величина. Клещи размыкаются, в них пропускается проводник, рукоятка отпускается и клещи замыкаются. Дальнейший порядок использования электроизмерительных клещей точно такой же, как и при обращении с обычным тестером.

Подсоединять клещи можно как к изолированному, так и неизолированному проводу. Самое главное – охватываться должна только одна шина. На индикаторе прибора отображается величина тока измеряемой цепи.

Чтобы обеспечить работу в труднодоступных местах, современные токовые клещи обычно оснащаются кнопкой, фиксирующей показания.

Таким образом, если охватить проводник и нажать кнопку, то после размыкания магнитокопровода на экране прибора сохранится зафиксированное измеренное показание прибора.

По токоведущей части, которая охвачена магнитопроводом, проходит переменный ток. В магнитопроводе создается переменный магнитный поток, в результате которого во вторичной обмотке возникает электромагнитная индукция – по ней (вторичной обмотке) начинает протекать ток, который измеряется амперметром.

Современные токоизмерительные клещи выполняются по схеме, в которой сочетается трансформатор тока и выпрямительный прибор. Она позволяет выводы вторичной обмотки присоединять к измерительному прибору через набор шунтов, а не напрямую.

 

 

 4. Электронные измерительные приборы

Электронные измерительные приборы – приборы, основными функциональными узлами которых являются различные электронные измерительные преобразователи и другие специальные электронные устройства. В большинстве электронных приборов в качестве выходных устройств используются магнитоэлектрические механизмы, а в некоторых типах приборов - электронно-лучевые трубки (например, в осциллографах, анализаторах спектра и др.)

Аналоговые электронные измерительные приборы (АЭИП) широко применяются в научных исследованиях и промыш­ленном производстве.

Аналоговые электронные измерительные приборы можно разделить на четыре основные группы. В пер­вую— самую большую — можно включить приборы для измерения параметров и характеристик сигналов (на­пример, вольтметры, осциллографы, частотомеры, ана­лизаторы спектра и др.).

Вторая группа — приборы для измерения параметров и характеристик элементов электрических и электронных схем и для измерения характеристик активных и пассив­ных двухполюсников и четырехполюсников. Сюда вхо­дят измерители сопротивления, емкости, индуктивности, параметров электронных ламп, транзисторов, а также приборы для снятия частотных и переходных характе­ристик и др.

Третью группу образуют измерительные генераторы, являющиеся источником сигналов различного уровня, формы и частоты.

Элементы измерительных схем, такие, как аттенюа­торы (ослабители сигнала), фазовращатели и другие, образуют четвертую группу.

В соответствии с ГОСТ 15094-69 все электронные приборы в зависимости от характера измерений и вида измеряемых величин разделяются на 20 подгрупп, кото­рые обозначаются прописными буквами русского алфа­вита. Каждая подгруппа состоит из нескольких видов, обозначаемых арабскими цифрами по порядку. Прибо­ры, образующие один вид, подразделяются на типы, име­ющие порядковые номера. Номер типа отделяется от номера вида дефисом (черточкой). Ниже приведены при­меры классификации.

Подгруппа В. Приборы для измерения напряжения; В2— вольтметры постоянного тока;

В3— вольтметры переменного тока; В4— вольтметры импульсного тока; В7 — вольтметры универсальные.

Подгруппа Г. Генераторы измерительные: ГЗ — генераторы гармонических колебаний низкочас­тотные; Г4 — генераторы гармонических колебаний высокоча­стотные; Г5 — генераторы импульсов.

Подгруппа Е. Приборы для измерения параметров компонентов цепей с сосредоточенными постоянными: ЕЗ — измерители индуктивности; Е6 — измерители сопротивлений; Е7 — измерители емкостей.

Подгруппа С. Приборы для наблюдения, измерения и исследования формы сигнала и спектра: С1 —универсальные осциллографы.

Подгруппа Ф. Приборы для измерения фазового сдвига: Ф2 — измерители фазового сдвига.

Подгруппа Ч. Приборы для измерения частоты: Ч3 — частотомеры электронно-счетные.

В обозначений комбинированного прибора, предна­значенного для измерения нескольких физических вели­чин, к основному обозначению подгруппы добавляется буква К. Модернизированные приборы сохраняют свое прежнее обозначение, но после номера типа добавляет­ся прописная буква русского алфавита: А — первая мо­дернизация, Б — вторая и т.д.

Примеры обозначений: В2-25 — вольтметр постоян­ного напряжения, тип (модель) 25;

ВК2-17 — вольтомметр;

ВЗ-38 — вольтметр переменного напряжения;

В7-21 — вольтметр универсальный, предназначенный для измерения постоянных и переменных напряжений.

 

 ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

 

При измерении напряжения методом непосредственной оценки вольтметр подключают параллельно участку исследуемой цепи. Для уменьшения методической погрешности измерения собственное потребление вольтметра должно быть мало, а его входное сопротивление — велико. Поэтому в последние годы в основном используют электронные вольтметры.

Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и измерительного прибора. В от­личие от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры постоянного и переменного токов имеют высокие входное сопротивление и чувствительность, широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20 Гц до 1 ООО МГц), малое потребление тока из измерительной цепи.

Классифицируют электронные вольтметры по ряду признаков:

1)по назначению — вольтметры постоянного, переменного и импульсного напряжений; универсальные; фазочувствительные; селективные;

2)по способу измерения — приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;

3)по характеру измеряемого значения напряжения — ампли­тудные (пиковые), среднего квадратического значения, средневыпрямленного значения;

4)по частотному диапазону — низкочастотные, высокочастот­ные, сверхвысокочастотные.

Кроме того, все электронные приборы можно разделить на дне большие группы: аналоговые электронные со стрелочным отсчетом и приборы дискретного типа с цифровым отсчетом.

Структурные схемы аналоговых вольтметров

Структурные схемы аналоговых вольтметров показаны на рис. 3.5. В настоящее время аналоговые электронные вольтметры постоянного тока (рис. 3.5, а) находят ограниченное применение, так как они по своим техническим свойствам сильно уступают цифровым вольтметрам. Изображенная на рис. 3.5, б структурная схема используется в вольтметрах пере­менного тока для измерения напряжений значительного уровня, а для измерения малых напряжений применяется схема, показанная на рис.3.5,в (она используется в милливольтметрах, поскольку обладает большой чувствительностью, т.к. дополнительно включается усилитель переменного тока).

Вольтметр состоит их входного устройства – высокоомного резистивного делителя напряжения, электронного преобразователя – усилителя постоянного тока, электромеханического преобразователя – магнитоэлектрического микроамперметра.

Делитель напряжения (цепочка резисторов) служит для расширения пределов измерения, но он снижает выходное сопротивления вольтметра и служит источником дополнительных погрешностей.

Усилитель постоянного тока (УПТ) предназначен для повышения чувствительности вольтметра, увеличивающим мощность сигнала до уровня, необходимого для приведения в действие магнитоэлектрического измерителя.

Чтобы обеспечить необходимую точность вольтметра к уси­лителям постоянного тока, применяемым в электронных вольт­метрах, предъявляют жесткие требования в отношении линейности амплитудной характеристики, постоянства коэффициента усиле­ния, температурного и временного дрейфа нуля.

Линейность амплитудной характеристики обеспечи­вается правильным выбором режимов работы ламп, транзисторов, микросхем усилителя. Отрицательная об­ратная связь в усилителе повышает стабильность коэф­фициента усиления и улучшает линейность амплитудной характеристики. Стабилизация питающих напряжений также способствует стабилизации коэффициента уси­ления.

Дрейф нуля – наличие на выходе УПТ медленноменяющегося напряжения при U_ВХ=0. Причинами дрейфа нуля являются нестабильность источника питания, изменение параметров в электрической схеме с течением времени. Для уменьшения дрейфа нулевого уровня, кроме стабилизации питающих напряжений, усилитель выпол­няют по мостовой балансной схеме.

Вольтметры, построенные по схеме, показанной на рис.3.5,б, характеризуются широким частотным диапазоном 20 Гц-1000 МГц, но недостаточно высокой чувствительностью. Вольтметры, построенные по схеме, показанной на рис.3.5,в, характеризуются узким частотным диапазоном 10 Гц-20 МГц, но более высокой чувствительностью. Поэтому широкое распространение находят универсальные аналоговые электронные вольтметры, предназначенные для измерений в цепях постоянного и переменного токов, схема которых представлена на рис.6.3.

При создании аналоговых вольтметров важную функцию не­сут преобразователи переменного напряжения в постоянное (де­текторы). Детекторы можно классифицировать по функции преобразования входного напряжения в выходное: амплитудные (пиковые), среднего квадратического и средневыпрямленного значений. Тип детектора во многом определяет свойства прибора: вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высо­кочастотными; вольтметры с детекторами среднего квадратическо­го значения измеряют напряжение любой формы; вольтметры средневыпрямленного значения измеряют только гармонические сигналы, но являются самыми простыми и надежными.

Амплитудный детектор — устройство, напряжение на вы­ходе которого, соответствует максимальному (амплитудному) значению измеряемого напряжения. Чтобы нагрузка детектора эффективно отфильтровывала постоянную составляющую и по­давляла высокочастотные гармоники, необходимо выполнение неравенства 1/(ωС_ф)<<R_H, где С_ф — емкость фильтра; R_H — со­противление нагрузки детектора. Еще одно условие хорошей ра­боты детектора: сопротивление резистора нагрузки R_Н должно быть значительно больше сопротивления диода в его прямой про­водимости. На рис. 3.6 показаны принципиальная и эквивалент­ная схемы и временные диаграммы амплитудного детектора с параллельным включением диода (детектор с закрытым входом). Рассмотрим работу детектора (рис. 3.6, а) при подаче на его вход гармонического напряжения u_x(t) = U_msinωt.

На интервалах времени, когда на вход детектора поступает положительная полуволна, конденсатор С заряжается через диод D, сопротивление R₀ которого в открытом состоянии мало. Посто­янная времени заряда т₃ = R₀C невелика и заряд конденсатора до максимального значения U_m происходит быстро. На интервале действия отрицательной полуволны диод D закрыт и конденсатор С медленно разряжается на сопротивлении нагрузки R_H, так как оно выбирается достаточно большим. Итак, постоянная разряда т_р = R_HC оказывается значительно больше периода Т = 2π/ω вход­ного напряжения. В результате конденсатор остается заряженным до напряжения U_c = U_m= U_ВЫХ. Эквивалентная схема амплитудно­го детектора и временные диаграммы, поясняющие его работу, представлены на рис. 3.6, б, в.

Изменение напряжения на сопротивлении нагрузки R_H опре­деляется разностью амплитуды входного напряжения U_x и напря­жения на конденсаторе U_c, т.е. U_R = U_x - Uc- Таким образом, выходное напряжение Ur будет пульсирующим с удвоенной ам­плитудой измеряемого напряжения, как показано на рис. 3.6, в.

Это подтверждают простые математические выкладки:

U= U_msinωt-U_C≈ U_msinωt-U_m

при sinωt = 1 напряжение Ur = 0; при sinωt = 0 — U_R= —U_m; при sinωt = -1 — U_R= -2U_m.

Для выделения постоянной составляющей сигнала U₌ = - U_C на выходе детектора ставится емкостной фильтр, подавляющий остальные гармоники.

Одним из достоинств аналоговых вольтметров с амплитуд­ным детектором является независимость показаний прибора от формы сигнала.

Детектор среднего квадратического значения — преобра­зователь переменного напряжения в постоянное, пропорциональное корню квадратному из среднего квадрата мгновенного значения напряжения. Эти преобразователи обычно выполняют на диодных цепочках (рис.6.10). Напряжение U создает на резисторах R₄ и R₅ соответственно напряжения смещения U₁ и U₂. Если выходное напряжение u ( t ) не превышает значения U₁, то ток i = i ₁ протекает через диод VD1, если U₁<u ( t )<U₂, то - через диоды VD1 и VD2, в результате чего крутизна зависимости тока от напряжения увеличивается (рис.6.10, б). Ток, протекающий через прибор, i _и = i ₁ + i ₂, если u ( t )>U₂, то ток протекает через диоды VD1-VD3 и тогда i _и = i ₁ + i ₂ + i ₃ , крутизна зависимости увеличивается еще больше. Подбирая параметры цепи, можно увеличить протяженность квадратического участка преобразователя.

При конструировании приборов с такими преобразователями возникает ряд трудностей, в том числе и с обеспечением широкого частотного диапазона. Тем не менее они являются самыми востребованными, так как позволяют измерять напряжение любой сложной формы.

Детектор средневыпрямленного значения – устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянный ток, пропорциональный средневыпрямленному значению напряжения.

В преобразователях средневыпрямленного значения (рис. 6.9) показания микроамперметра пропорцио­нальны средневыпрямленному значению U_ср._в измеряе­мого напряжения u(t), т.е.α= kU_cp._B. Преобразователи выполняют на полупроводниковых диодах, работающих в цепях одно- и двухполупериодного выпрямления. Ра­бота диодов осуществляется на линейном участке вольт-амперной характеристики.

Наиболее распространенные схемы — мостовые. Они работают следующим образом. Ток через микроамперметр протекает в одном и том же направле­нии в течение обоих полупериодов переменного напря­жения (в положительный полупериод по цепи VD2——R—VD3, а в отрицательный полупериод — по цепи VD4—R—VD1).

Аналоговый вольтметр средневыпрямленного значения имеет более высокую чувствительность и меньшее потребление мощности из измерительной цепи.

 

Цифровые вольтметры

Среди ЦИП особое место занимают цифровые вольтметры (ЦВ) постоянного тока. Они позволяют измерять напряжение в диапазоне от 1 мкВ до 1000 В с погрешностью 0,01-0,1% при быстродействии от 2 до 5000 измерений в секунду и входном сопротивлении 10⁷-10⁹ Ом. Их классифицируют:

1.По способу преобразования различают ЦВ с кодоимпульсным (с поразрядным уравновешиванием), с времяимпульсным и частотно-импульсным преобразованиями.

В ЦВ с кодоимпульсным преобразованием происходит последовательное сравнение значений измеряемой величины с рядом дискретных значений известной величины, изменяющейся по определенному закону. В ЦВ с времяимпульсным преобразованием измеряемая величина преобразуется во временной интервал с последующим заполнением этого интервала импульсами образцовой частоты (счетными импульсами), которые подсчитываются цифровым счетчиком. В ЦВ с частотно-импульсным преобразованием (интегрирующих) измеряемое напряжение преобразуется в частоту следования импульсов, которые подсчитываются за определенный интервал времени цифровым счетчиком.

2.По структурной схеме АЦП ЦВ делят на вольтметры прямого и уравновешивающего преобразования.

В вольтметрах прямого преобразования отсутствует обратная связь с выхода на вход и непрерывная измеряемая величина непосредственно преобразуется в дискретную. В цепи прохождения сигнала имеется несколько преобразователей. Эти вольтметры отличаются относительно низкой точностью, однако могут обеспечить максимально возможное быстродействие. В вольтметрах уравновешивающего преобразования обязательно имеется обратная связь, т.е. входная величина в процессе преобразования уравновешивается выходной. Такой вольтметр обеспечивает максимально возможную точность, но меньшее быстродействие.

3.По способу уравновешивания ЦВ делят на вольтметры со следящим и развертывающим уравновешиванием.

В вольтметрах со следящим уравновешиванием измеряемая величина непрерывно сравнивается с компенсирующей. Компенсирующая величина изменяется во времени до тех пор, пока с заданной точностью не будет достигнуто равенство этих напряжений, после чего производится отсчет. В вольтметрах с развертывающим уравновешиванием операция сравнения величин измеряемого и компенсирующего напряжения происходит по определенной наперед заданной программе. Компенсирующее напряжение принудительно изменяется от нуля до максимального значения и прекращает это изменение в момент равенства этих напряжений.

Цифровые вольтметры наивысшего класса точности создаются комбинированными: в схемах сочетают методы поразрядного уравновешивания и времяимпульсного интегрирующего преобразования.

ЦВ переменного тока представляют собой сочетание преобразователя переменного напряжения в постоянного, которые обычно используются в аналоговых электронных вольтметрах, и ЦВ постоянного тока. Погрешность ЦВ переменного тока значительно больше погрешности ЦВ постоянного тока и зависит от частотного диапазона.

Включение в схему ЦВ микропроцессора и дополнительных преобразователей позволяет превратить его в универсальный измерительный прибор – мультиметр. Они измеряют постоянное и переменное напряжение, силу тока, сопротивление резисторов, частоту электрических колебаний и т.д. При совместном использовании с осциллографом мультиметры способны измерять интервалы времени (период, длительность импульсов и др.). Наличие в схеме вольтметра микропроцессора позволяет осуществлять автоматическую коррекцию погрешностей измерений, автокалибровку и диагностику отказов.

Кодоимпульсные цифровые вольтметры (КЦВ).

В КЦВ реализуется принцип компенсационного метода измерения напряжения. Структурная схема такого вольтметра представлена на рис.3.11.

8.12. Упрощенная структурная схема кодоимпульсного вольтметра

Измеряемое напряжение U’_x, полученное с входного устройства, сравнивается с компенсирующим напряжением U_к, вырабатываемым прецизионным делителем и источником опорного напряжения. Компенсирующее напряжение имеет несколько уровней. Например, двухразрядный цифровой вольтметр, предназначенный для измерения напряжений до 100 В, может включать следующие уровни напряжений: 80,40,20,10,8,4,2,1 В.

Сравнение измеряемого и компенсирующего напряжения проводят последовательно по командам управляющего устройства. Управляющие импульсы через определенные интервалы времени переключают сопротивления прецизионного делителя таким образом, что на его выходе последовательно возникают напряжения: 80,40,20,10,8,4,2,1 В, одновременно к соответствующему выходу прецизионного делителя подключают устройство сравнения. Если U_k>U’_x, то с устройства сравнения поступает сигнал U_ср на отключение в делителе соответствующего звена так, чтобы снять сигнал U_k. Если U_k< U’_х, то сигнал с устройства сравнения не поступает. После окончания процесса сравнения сигнал U_код положения ключей прецизионного делителя и является тем кодом, который считывают цифровым отсчетным устройством

Достоинства: высокое быстродействие и возможность измерения напряжения с наибольшей точностью.

Вольтметры с времяимпульсным преобразованием.

В основе их принципа действия лежит преобразование с помощью АЦП измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени, который заполняют счетными импульсами, следующими с известной стабильной частотой следования. В результате такого преобразования дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразователя имеет вид пачки счетных импульсов, число которых пропорционально уровню измеряемого напряжения.

Структурная схема такого вольтметра показана на рис.

УПТ- усилитель постоянного тока, ГЛИН- генератор линейно изменяющегося напряжения.
(Генератор счетных импульсов также формирует импульс сброса).

Измеряемое напряжение U’_х, полученное с входного устройства, поступает на АЦП с промежуточным преобразованием измеряемого напряжения в пропорциональный интервал времени. Такой АЦП состоит из: генератора линейно изменяющегося напряжения ГЛИН, двух устройств сравнения, триггера Т, логической схемы И, генератора счетных импульсов, счетчика импульсов.

Линейно изменяющееся во времени напряжение U_ГЛИН с ГЛИН поступает на входы обоих устройств сравнения. Другой вход устройства сравнения 1 соединен с корпусом.

В момент времени, когда на входе устройства сравнения 1 напряжение U_ГЛИН=0, на его выходе возникает импульс U_ус1, условно фиксирующий нулевой уровень входного сигнала. Этот импульс, подаваемый на единичный вход триггера Т, вызывает появление положительного напряжения на его выходе. Возвращается триггер в исходное состояние импульсом U_ус2 возникает в момент равенства измеряемого U’_х, и линейно изменяющегося напряжения U_ГЛИН. Сформированный на выходе триггера импульс U_Т длительностью Δt= U’_xS, где S – коэффициент преобразования, подается на вход схемы И, на второй вход которой поступает U_ГСИ с генератора счетных импульсов, следующих с частотой f_o=1/T_o.

На выходе схемы И сигнал U_сч появляется только при наличии импульсов U_Т и U_ГСЧ на обоих ее входах, т.е. счетные импульсы проходят через схему И тогда, когда присутствует сигнал на выходе триггера. Количество прошедших через схему И счетных импульсов N=Δt/T_o подсчитывается счетчиком и отображается на индикаторе ЦОУ. Т.о. измеряемое напряжение определяется:

U’_х=N/f_oS

В данном вольтметре значение f_oS выбирается равным 10ⁿ, n=1, 2,3.. ( это число определяет положение запятой в цифровом отсчете), поэтому прибор непосредственно показывает значение измеряемого напряжения.

Рассмотренный цикл работы ЦВ периодически повторяется. При этом возврат ГЛИН в исходное состояние и подготовка схемы к очередному измерению осуществляется автоматически.

Недостатками данного вольтметра является невысокая точность и помехоустойчивость.

Цифровые вольтметры с частотно-импульсным преобразованием (интегрирующие).

В таком цифровом вольтметре осуществляется преобразование измеряемого напряжения U_x в частоту следования импульсов f_x. Вольтметр содержит интегратор – устройство, выходное напряжение которого пропорционально интегралу по времени от входного напряжения. Интегратор может быть реализован на транзисторах, операционных усилителях. Схема интегрирующего вольтметра с импульсной обратной связью представлена на рис.1

Измеряемое напряжение U_x интегрируется и подается на устройство сравнения, на другой вход которого поступает напряжения U_о с источника опорного напряжения. В момент равенства выходного напряжения интегратора U_инт и U_о устройство сравнения включает формирователь импульсов обратной связи, формирующий в течение интервала времени t_о.с. импульс амплитудой U_о.с.. Цикл работы формирователя определяется интервалом времени Т_х=t_инт + t_о.с., зависящим от значения напряжения U_x. Частота следования импульсов обратной связи измеряется за строго определенный интервал времени цифровым частотомером и определяется:

f_x=1/T_x=(R₂ U_x)/(R₁U_o.c.t_o.c.)=k U_x

Подобные схемы могут обеспечить общую погрешность преобразования напряжения в частоту не более 0,1%. На значение общей погрешности существенное влияние может оказать дрейф нуля уровня интегратора, поэтому в преобразователях малых напряжений в частоту используют различные способы компенсации дрейфа нуля.

 

 

Измерительные генераторы

  Измерительные генераторы (ИГ) применяются при настройке и проверке приборов, определении характеристик схем и испытаниях сложных систем.

По назначению ИГ делятся на генераторы:

· - низких частот (инфразвуковые и звуковые частоты);

· - сигналов высоких частот (высоких и сверхвысоких частот);

· - импульсов;

· - шумовых сигналов;

· - сигналов специальной формы;

· - качающейся частоты.

ИГ характеризуются рядом параметров, важнейшими из которых являются:

· - диапазон частот выходного сигнала;

· - параметры, характеризующие форму выходного сигнала (коэффициент нелинейных искажений, длительность фронта и спада импульса, величина выбросов на вершине импульса, величина спада плоской вершины импульса);

· - погрешность установки частоты (имеет вид (af+b), где f - частота выходного сигнала).

Структурная схема измерительного генератора представлена на рисунке:

Условные обозначения:
1. задающий генератор;
2. усилитель-формирователь;
3. выходное устройство.

Задающий генератор вырабатывает сигнал заданной формы и частоты. Усилитель - формирователь представляет собой линейное устройство позволяющее получить требуемое выходное напряжение.

Выходное устройство содержит аттенюатор, для ослабления выходного сигнала и элементы согласования генератора с нагрузкой.

Принцип работы измерительного ВЧ-генератора основана на амплитудной модуляции (АМ). Известно, что дальность распространения сигнала зависит от его энергии. В свою очередь энергия зависит от частоты колебаний сигнала и пропорцианальна 4-й степени частоты. Информационные сигналы (например, речевые) часто имеют по своей природе низкую частоту колебаний, поэтому передать их на большое расстояние не представляется возможным, т.к. они обладают маленькой энергией. Для увеличения энергии сигнала используют несущее колебание (не содержащее информацию) высокой частоты, т.е. высокой энергии и вводят в него информацию (например, речевой сигнал). Для этого изменяют по закону информационного сигнала либо амплитуду, либо частоту, либо фазу несущего колебания. Такой процесс называется модуляцией сигнала. Различают амплитудную, частотную и фазовую модуляцию.

Амплитудно-модулированный сигнал (АМ-сигнал) – сигнал, амплитуда которого изменяется по закону сигнала, содержащего информацию, а частота и фаза не изменяются. Информационный сигнал в этом случае называют модулирующим. АМ-сигнал можно получить путем перемножения модулирующего сигнала и сигнала несущей частоты.

Цифровые осциллографы

Наряду с аналоговыми осциллографами широко используются и цифровые. Если бы не ограничения вследствие конечного времени оцифровки сигнала и сравнительно высокая стоимость, они могли бы почти полностью вытеснить своих аналоговых собратьев. Полная оцифровка сигнала позволяет избежать отображения сигнала в реальном масштабе времени и, следовательно, повысить устойчивость изображения, организовать сохранение результатов и запись редких или медленных процессов (аналог запоминающего осциллографа), упростить масштабирование и растяжку, ввести метки.

Использование дисплея вместо осциллографической трубки открывает возможность для отображения любой дополнительной информации и управления прибором с помощью меню.

Более дорогие приборы имеют цветной дисплей, благодаря чему они позволяют легко различать сигналы различных каналов, метки времени и амплитуды, курсоры. Последние модели могут накапливать отображаемый в течение большого числа разверток сигнал, а также выделять цветом места с наибольшей повторяемостью сигнала.

Еще одно немаловажное преимущество — отличные массогабаритные показатели (3–5 кг) и малое энергопотребление позволяют выпускать такие приборы в носимом исполнении.

Цифровые осциллографы имеют и недостатки. Основной из них — не очень качественное отображение деталей сигнала из-за недостаточной частоты оцифровки (частоты выборки). Это объясняется тем, что сегодняшний уровень элементной базы не позволяет выполнить оцифровку сигнала со скоростями, необходимыми для исследования высокочастотных сигналов и быстрых переходных процессов. Согласно известной всем инженерам теореме Котельникова, для достоверного восстановления сигнала частота оцифровки должна быть как минимум вдвое выше максимальной из возможных в рабочей полосе частот осциллографа. Полоса частот осциллографа связана с частотой выборки, и чем выше коэффициент широкополосности осциллографа, тем выше должна быть эта частота. Причем значение имеет не просто частота выборки, а частота выборки в пересчете на один канал.

Для повышения скорости оцифровки используют специальные приемы. Один из них заключается в распараллеливании процесса оцифровки с помощью нескольких АЦП. Обычно это делается за счет использования АЦП других каналов, и, таким образом, при исследовании высокочастотных сигналов осциллограф превращается из многоканального в одноканальный. Другой метод состоит в повышении скорости за счет снижения разрешающей способности.

Тем не менее, даже при указанных ограничениях характеристики современных цифровых осциллографов впечатляют:

· высокая чувствительность (от 1 мВ/дел) и разрешение (от 8 до 14 бит);

· широкий диапазон коэффициентов разверток (от 2 нс до 50 с);

· растяжка сигнала по времени или по амплитуде в широких пределах;

· развитая логика синхронизации с любыми задержками запуска развертки.

Используемые в осциллографах процессоры цифровой обработки сигнала предоставляют возможность исследования спектра сигнала посредством анализа с применением быстрого преобразования Фурье. Цифровое представление информации обеспечивает сохранение экрана с результатами измерения в памяти компьютера или вывод непосредственно на принтер. Некоторые осциллографы даже имеют накопитель для гибких дисков для сохранения изображения в виде файлов для последующего архивирования или дальнейшей обработки. Некоторые модели осциллографов и вовсе не имеют экрана — для отображения применяется дисплей компьютера.

 

Цифровые частотомеры

Цифровые (электронно-счетные) частотомеры имеют весьма высокую точность и при этом компактны, надежны, технологичны и проста в управлении. Благодаря тому, что при измерении различных частотно-временных параметров этими приборами требуются однотипные электронные блоки, приборы универсальны и обычно позволяют измерять несколько величин. Цифровые частотомеры, как правило, весьма широкополосные. Их частотный диапазон «вверх» ограничен лишь быстродействием элементной базы.

П ринцип действия цифрового частотомера основан на определении частоты, приведенном ранее. Структурная схема, реализующая этот принцип, приведена на рисунке 1, а временные диаграммы поясняющие ее работу, на рисунке 2.

Рисунок 2

    Сигнал U(t), частота которого измеряется, подается через входное устройство (ВхУ) на формирующее устройство (ФУ), где преобразуется в импульсы (эпюра 1, рис.2) с той же частотой. Амплитуда этих импульсов не зависит от амплитуды и формы входного сигнала.

В блоке опорных частот (БОЧ) формируется сигнал с периодом равным единице времени и соответствующим времени измерения Т_и (эпюра 2). В связи с тем, что Т_и является мерой времени, от его точности и стабильности будёт зависеть точность измерений. Поэтому БОЧ состоит из высокостабильного кварцевого генератора (КвГ) и системы делителей частота (ДЧ).

Устройство управления (УУ) формирует из сигнала БОЧ импульс длительностью Ти (эпюра 3), которым открывается временной селектор (ВС). ВС представляет собой электронный ключ, при открывании кото­рого на счетчик импульсов (СчИ) поступают импульсы от ФУ (эпюра 4). Так как перед измерением СчИ устанавливается в "нуль", то по окончании интервала Т_и на него поступит N импульсов, где

(1)
    Следовательно, N_f прямо пропорционально fx. Например, при Ти=1с, N_f =1 будет соответствовать частоте в 1 Гц. Состояние СчИ индицируется в десятичной форме отсчетным устройством (ОУ). Емкость счетчика ограничивает максимально измеряемое значение частоты, т.е. определяет предел измерения. Изменить его можно установкой Т_и = 10^m сек, где m=2, 1, 0, –1, –2,... При этом правильный отсчет обеспечится путем переноса десятичной точки на табло ОУ, что эквивалентно умножению или делению на 10. Схемно это реализуется изменением коэффициента деления ДЧ в БОЧ.

Источниками погрешности являются нестабильность частоты КвГ и погрешность дискретности. Погрешность дискретности обусловливается тем, что счетчик считает лишь целое число импульсов, и поэтому равенство (1) справедливо с точностью до целого. Максимальная абсолютная погрешность при этом не превышает одного импульса. Относительная 1/N.

 

 

ФАЗОМЕТРЫ

Метод преобразования фазового сдвига во временной интервал.

Сущность метода, основанного на преобразовании фазового сдвига во временной интервал, состоит в преобразовании исследуемых синусоидальных напряжений U₁ и U₂, фазовый сдвиг которых требуется измерить, в периодические последовательности коротких импульсов, формируемых в моменты перехода этих напряжений через нуль с производными одинакового знака. Интервалы времени ∆Т между ближайшими импульсами пропорциональны измеряемой разности фаз.

Фазометр (рис.14.1) содержит входные цепи и формирующие устройства. Исследуемые напряжения преобразуются в серию коротких импульсов с крутыми фронтами. Из соседних пар импульсов с помощью триггера формируются прямоугольные импульсы, длительность которых равна интервалу времени ∆Т. Период повторения этих импульсов равен периоду исследуемых напряжений. Магнитоэлектрический измерительный прибор, включенный на выходе триггера, показывает среднее за период значение напряжения: U _ср = U_m ∆Т / Т, =360 U _ср / U_m .

Из уравнения видно, что зависимость между величинами  и U линейная. Шкалу индикаторного прибора можно проградуировать непосредственно в градусах (для данного прибора U_m=const).

Рис. 14.1. Фазометр с преобразованием фазового сдвига во временной интервал

Сущность метода суммы и разности напряжений заключается в переносе информации об измеряемом фазовом сдвиге в амплитуду результирующего (суммарного или разностного) напряжения с последующим измерением этого напряжения аналоговым или цифровым вольтметром. Если два гармонических сигнала, описываемых выражениями

U₁(t) = U_m1 sin (ωt + φ₁) (1)

U₂(t) = U_m2 sin (ωt + φ₂) (2)

подать на схему сложения (сумматор), то амплитуда их векторной суммы при U_m1= U_m2 = U_m будет равна
(3)
Аналогично, с помощью схемы вычитания можно образовать разностное напряжение, амплитуда которого равна

(4)
     В принципе, для намерения фазового сдвига φ_х =(φ₁ - φ₂) достаточно использовать только суммарную U_mc или разностную U_mp составляющие напряжения. Однако такой фазометр будет иметь пределы измерения от 0° до +90°, неравномерную шкалу и резко выраженную зависимость погрешности измерения фазовых сдвигов от значения φ_х. Кроме того, измеренное значение φ_х будет зависеть от значения измеряемого напряжения U_m. Поэтому в практических схемах фазометров, реализующих метод суммы и разности напряжений, используется как суммарное, так и разностное напряжения.
Структурная схема одного из возможных вариантов такого фазометра приведена на рисунке 1.

Рисунок1

Входные сигналы U₁ и U₂, амплитуды которых уравниваются с помощью входных устройств, подаются на схемы сложения и вычитания. На выходах этих схем после детектирования образуются суммарное (3) и разностное (4) постоянные напряжения, которые поступают на вторую схему вычитания. На ее выходе будет выделяться разностное напряжение, которое измеряется аналоговым или цифровым вольтметром.

Зависимость от φ_х (рисунок 2) оказывается практически равномерной, что позволяет при предварительной калибровке фазометра для устранения зависимости φx от U_m расширить пределы измерения до ± 180°. Следует однако отметить, что при измерении фазовых сдвигов фазометром, реализующим данный метод, на6людается неоднозначность отсчета (кроме точек +1 и -1) значений измеренного фазового сдвига. Действительно, одному и тому же значению разностного напряжения соответствуют два значения измеряемого фазового сдвига φ_х и φ_x' (см. рисунок 2), Действительное значение фазового сдвига можно определить путем дополнительного измерения, при котором Напряжение U₂ сдвигается но фазе с помощью дополнительного фазо-вращателя на небольшой фиксированный угол φ₀.

Рисунок 2

     Как видно из рисунка 2, если показанию вольтметра U_v при первом измерении φ_х соответствуют два значения фазового сдвига φ и φ', го после дополнительного сдвига фаз на угол φ₀ показания вольтметра для углов φ₁= φ + φ₀ и φ₂ = =φ' + φ₀ будут различны. Дополнительно измерив значение U_B' и пользуясь графиком (рис. 2), легко определить действительное значение фазового сдвига φ_х. При U_B > U_B' действительное значение фазового сдвига будет находиться в пределах 0 < φ_х < π при U_B < U_B' – в пределах π < φ_х < 2π.

Метод суммы и разности напряжений используется для разработки фазометров, работающих в широком диапазоне частот (до сотен ГГц), и обеспечивает измерения фазовых сдвигов с основной погрешностью, не превышающей ±(2–3)⁰ . Данный метод используется также в приборах, предназначенных для контроля за постоянством фазового сдвига. При этом погрешность измерения уменьшается до десятых долги градуса. Более подробно данный метод рассмотрен в (1) – (4).

Нулевой метод

Типовая структурная схема фазометра, реализующего нулевой метод измерения фазовых сдвигов, приведена на рисунке 3. Входные сигналы U₁ (1) и U₂ (2) с помощью входных устройств выравниваются по амплитуде и поступают на измерительный (ИФВ) к установочный (УФВ) фазовращатели. В качестве индикаторного устройства (ИУ) могут использоваться индикаторы равенства фаз напряжений U₁' и U₂', их противофазности или квадратурности.

Перед началом измерений фазометр калибруется с целью устранения собственного фазового сдвига, вносимого элементами схемы. Для этого указатель шкалы ИФВ устанавливают на нулевую отметку, на оба входа фазометра подают один из исследуемых сигналов.

Рисунок 3

Изменением фазового сдвига, вносимого УФВ, добиваются нулевых показаний индикаторного устройства (ИУ), компенсируя тем самым собственный фазовый сдвиг фазометра. В режиме измерения начальная фаза напряжения U₁ с помощью ИФВ изменяется на величину φ₀(образцовый фазовый сдвиг) и с помощью индикаторного устройства фиксируется величина Δφ = φ₀ + φ_х. При Δφ=0° φ_х = - φ₀ т. е. измеренное значение фазового сдвига отсчитывается непосредственно но шкале ИФВ. При Δφ = 180° измеряемый фазовый сдвиг определяется по формуле φ_х φ°.-=180°
В качестве индикатора значений Δφ= 0° и Δφ = 180° чаще всего используется электронно-лучевой осциллограф. При подаче напряжений U₁' и U₂' на входы X и Y электронно-лучевого осциллографа наблюдаемая на экране электронно-лучевой трубки интерференционная фигура будет иметь вид эллипса, параметры которого определяются значением измеряемого фазового сдвига φ_х. При синфазности напряжений, поступающих на входы X и Y осциллографа, эллипс "стягивается" в линию, которая наклонена вправо под углом 45° (при U_j' – U₂'). Если же Δφ=180°, линия будет наклонена влево также под углом 45°. Момент "стягивания" эллипса в линию может быть зафиксирован достаточно точно. Погрешность измерения фазового сдвига фазометром, реализующим нулевой метод, определяется, в основном, погрешностью градуировки шкалы ИФВ. Более подробно нулевой метод измерения φ_х изложен в (1) – (4).

Метод преобразования фазового сдвига во временной интервал

Измерение фазового сдвига методом преобразования во временной интервал основано на алгоритме, описываемом выражением

(5)
где Т_х – период сигнала; Δt_x – интервал времени, пропорциональный измеряемому фазовому сдвигу.
     Структурная схема фазометра, реализующего метод преобразования фазового сдвига во временной интервал, приведена на рисунке 4, временные диаграммы, поясняющие принцип его работы, представлены на рисунке 5.

Гармонические сигналы U₁ и U₂ преобразуются с помощью формирующих устройств в последовательность коротких импульсов U₃ и U₄ (см. рисунок 5), временное положение которых соответствует нуль-переходам входных сигналов из отрицательной области в положительную. Интервал времени Δt_x между ближайшими импульсами первой U₃ и второй U₄ последовательностей будет пропорционален измеряемому фазовому сдвигу φ_х.

Рисунок 4

Рисунок 5

Однако, как видно им выражения (6), для измерения фазового сдвига φ_х рассматриваемым методом необходимо определить отношение Δt_x/T_x. Это отношение наиболее просто определяется как постоянная составляющая периодической последовательности прямоугольных импульсов U (см. рисунок 5) в соответствии с выражением

(6)
Определив из выражения (7) отношение Δt_x/T_x и подставив его в выражение (6), получим
(7)
     Зафиксировав с помощью стабилизатора уровня амплитуду прямоугольных импульсов U_m на уровне, например, 360 мВ и выделив с помощью фильтра низкой частоты постоянную составляющую периодической последовательности импульсов, получим, что измеренное средне значение напряжения U (например, в мВ) будет равно измеряемому фазовому сдвигу в градусах.

Рассмотренный цифровой фазометр; реализующий метод преобразования фазового сдвига во временной интервал, работает по алгоритму преобразования: фазовый сдвиг – интервал времени – напряжение – цифровой код. Однако в настоящее время широко применяются цифровые фазометры, реализующие алгоритм преобразования: фазовый сдвиг – интервал времени – цифровой код. Целесообразность применения такого алгоритма преобразования очевидна: упрощается алгоритм работы фазометра и, как следствие, появляется потенциальная возможность повышения точности измерения фазовых сдвигов.

Данный метод положен в основу работы фазометра Ф2–34, который используется при выполнении данной лабораторной работы. Описание принципа его действия подробно изложено в прил. 1 данных методических указаний.

Более подробно рассмотренные и другие методы измерения фазовых сдвигов описываются в (1) – (4).

Компенсационные фазометры

Принцип работы: одно из двух синусоидальных напряжений, в данном случае U₂, поступает на фазовращатель ФВ, управляемый кодом с УУ. Фазовый сдвиг напряжения U₃ относительно U₂ изменяется до тех пор, пока U₁ и U₃ не будут синфазны. В процессе уравновешивания в знак фазового сдвига между U₁ и U₃ определяется с помощью фазочувствительного детектора ФЧД, выходной сигнал которого поступает на устройство управления УУ. Алгоритм уравновешивания соответствует кодоимпульсному методу. По окончанию уравновешивания код на входе ФВ выражает фазовый сдвиг между U₁ и U₃ и, соответственно, U₁ и U₂.

Компенсационный метод обладает высокой точностью, но реализуется в ручном режиме.
Применяются для измерения фазового сдвига.

Методы измерения фазы классифицируются:

Измерение фазы за один период

Принцип работы: входные синусоидальные напряжения преобразуются с помощью формирователей F₁ и F₂ в прямоугольные импульсы. После элемента И₁ образуются прямоугольные импульсы длительностью Δt=φ/ω=φ/(2π*f). Импульсы опорной частоты f₀ от генератора G проходят через элемент И₂ на счетчик СТ в течение интервала времени Δt, тогда количество импульсов N= Δt/T= Δt*f₀. Код числа N поступает на ЦОУ. Сброс счетчика происходит через период. Из полученных выше формул получим:

в радианах N= f0* φ/(2π*f) (1);

в угловых градусах N= f₀* φ/(360⁰*f) (2).

Выражение (1) и (2) выявляют существенный недостаток фазометра по приведенной выше схеме. Недостатком является связь между N и φ, зависящая от частоты измерения. Это означает, что либо такой фазометр можно применять при фиксированной частоте f, либо измерение φ должно сопровождается измерением частоты или периода.

Пусть например будет измеряться период Т. При измерении Δt (временной интервал) получим число N_Δt= Δt*f₀= φ*f₀/(360*f).

При измерении Т получим число импульсов N_Т=Т*f₀=T/T₀; φ=360* N_Δt /N_T. Как видим в данном случае результат измерения не зависит от f и f₀.

Измерение фазы за много периодов

По сравнению с первой схемой здесь введен делитель частоты и логический элемент И₃. Теперь на счетчик поступают пачки импульсов, причем количество импульсов в каждой пачке определяется выражением

N=φ*f₀/(2π*f)=φ*f₀*f/360⁰.

Пачки проходят в течении интервала времени Δt_у, который задается генератором G и делителем частоты: FR, т.е. Δt_у=k*T₀/2=k/(2*f₀), где k – коэффициент деления частоты. В таком случае количество пачек импульсов будет равно:

m= Δt_у/T= Δt_у*f=k*f/(2*f₀).

Если m>>1, то можно пренебречь тем, что на границах Δt_у могут оказаться неполные пачки и считать, что общее количество импульсов, прошедших на счетчик, будет равно N_у=m*N. Так как m= k*f/(2*f₀), то N=f₀*φ/(360⁰*f), тогда N_у=k*φ/720⁰ – это выражение определяет результат измерения фазового сдвига.

Выбор значений k из условия k=720⁰*10^а обеспечивает соотношение N_у=10^а*φ, т.е. φ=N_у*10^-а=g*N_у, где а может принимать значения 0; 1; 2 и т.д.

 

 

МАГНИТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

 

Обычно измеряют всего несколько основных магнитных величин: магнитный поток Ф, магнитная индукция В, напряженность магнитного поля Н, намагниченность М, магнитный момент и др. Причем во многих способах измерения магнитных величин фактически измеряется не магнитная, а электрическая величина, в которую магнитная величина преобразуется в процессе измерения. Измеряемая величина определяется расчетным путем на основании известных зависимостей между магнитными и электрическими величинами.

В настоящее время известно много разнообразных приборов и способов для измерения магнитной индукции, магнитного потока и напряженности магнитного поля. Как правило, прибор для измерения магнитных величин состоит из 2 частей - измерительного преобразователя, назначение которого является преобразование магнитной величины в величину иного рода (электрическую, механическую, оптическую), более удобную для измерения выходной величины измерительного преобразователя.

При исследовании магнитных характеристик веществ применяются баллистический (или импульсно-индукционный), магнитометрический, электродинамический, индукционный, вибрационный, пондеромоторный, мостовой, ваттметрический, калориметрический, резонансный и нейтронографический методы.

Баллистический метод до недавнего времени был одним из наиболее распространенных методов определения магнитных характеристик ферромагнитных материалов. Он основан на измерении количества электричества, протекающего через витки катушки, охватывающей образец, при быстром изменении магнитного по-
тока, сцепляющегося с этой катушкой. Изменение магнитного потока может быть осуществлено несколькими способами: удалением катушки из поля, изменением ее положения в пределах поля и изменением направления поля. Данный метод позволяет определить основную кривую магнитной индукции или намагниченности, петлю магнитного гистерезиса, различные виды проницаемости и размагничивающий фактор ферромагнитных образцов. Основным недостатком баллистического метода является то, что он требует значительных временных затрат и плохо поддается автоматизации.

Магнитометрический метод основан на воздействии исследуемого образца на магнитную стрелку, расположенную на некотором расстоянии от него. По углу отклонения этой стрелки от начального положения определяют магнитный момент образца, по которому вычисляют его намагниченность или магнитную индукцию а также напряженность намагничивающего поля. Примером реализации магнитометрического метода является астатический магнитометр. Магнитометрический метод позволяет определить основную кривую по намагниченности и по индукции, петлю магнитного гистерезиса и магнитную восприимчивость. Вследствие высокой чувствительности магнитометрический метод применяется для измерений геомагнитного поля и для решения ряда метрологических задач, однако он непригоден для автоматизации измерений.

Электродинамический метод состоит в измерении угла поворота рамки с током, находящейся в магнитном поле намагниченного образца. Данным методом можно определить основную кривую и петлю магнитного гистерезиса, причем шкала прибора может быть проградуирована непосредственно в единицах измеряемой величины (индукции или напряженности поля).

Индукционный метод заключается в измерении электродвижущей силы (э.д.с.) индукции, которая возбуждается во вторичной обмотке, намотанной на исследуемый образец, намагничиваемый полем, создаваемым пропусканием переменного тока через первичную обмотку. Индукционный метод позволяет определять основную кривую по намагниченности и по индукции, петлю магнитного гистерезиса и различные виды магнитной проницаемости. Данный метод может использоваться и для измерения намагниченности в сильных импульсных магнитных полях, а также магнитной восприимчивости диа- и парамагнетиков в радиочастотном диапазоне .

Вибрационный метод является разновидностью индукционного. Он применяется для испытания ферромагнитных образцов малых размеров. При данном методе находящийся в однородном магнитном поле испытуемый образец или измерительную катушку подвергают вибрационным колебаниям. В результате этих колебаний в последней возникает электродвижущая сила индукции, пропорциональная магнитной индукции образца. Метод обладает хорошей чувствительностью и удовлетворительной точностью, но требует высокой однородности и стабильности намагничивающего поля, стабильности амплитуды и частоты вибрационных колебаний, постоянства размеров испытуемых образцов и их расположения относительно измерительной катушки, характеризуется малой производительностью и требует длительного процесса градуировки измерительной цепи по образцам с известными магнитными свойствами.

Пондеромоторный метод основан на измерении механической силы, действующей на исследуемый образец в магнитном поле. Он позволяет измерять намагниченность и магнитную восприимчивость. Наиболее широко применяется при определении магнитных свойств слабомагнитных веществ (в маятниковых, крутильных и рычажных магнитных весах).

Мостовой метод заключается в измерении на переменном токе индуктивности и активного сопротивления катушки с сердечником, в качестве которого используется исследуемый ферромагнитный образец, путем уравновешивания измерительного моста с помощью переменных активного сопротивления и индуктивности или активного сопротивления и емкости. Этот метод позволяет определить зависимость магнитной индукции и намагниченности от величины намагничивающего поля, начальную, среднюю и комплексную магнитные проницаемости, комплексное магнитное сопротивление, коэффициент потерь и полных потерь. Недостатком метода является зависимость результатов измерений от взаимного влияния индуктивных и емкостных элементов моста друг на друга, индуктивности неиндуктивных элементов и наличие паразитных проводимостей. Погрешность измерений может быть доведена до 3-5 %.

Потенциометрический метод основывается на измерении намагничивающего тока в первичной обмотке испытуемого образца и электродвижущей силы, индуцируемой в его вторичной обмотке, по напряжению на образцовом резисторе с помощью потенциометра переменного тока. Данным методом определяют зависимость магнитной индукции и намагниченности от величины намагничивающего поля, начальную, среднюю и комплексную магнитные проницаемости, комплексное магнитное сопротивление, коэффициент потерь и полных потерь. Недостатком метода является то, что магнитные характеристики определяются по первым гармоникам магнитной индукции и напряженности магнитного поля. Погрешности их определения при синусоидальной форме измеряемых сигналов обычно составляют около 3 %. При появлении высших гармоник в измеряемых сигналах погрешность определения магнитных характеристик существенно возрастает.

Ваттметрический метод является наиболее распространенным методом для измерения потерь на гистерезис при синусоидальном изменении во времени магнитной индукции. Он состоит в определении ваттметром мощности, поглощаемой в цепи катушки, используемой для перемагничивания испытуемого образца. Метод стандартизован для испытания электротехнических сталей.

Калориметрический метод является абсолютным методом измерения потерь в ферромагнитных материалах в широком частотном диапазоне при любых законах изменения напряженности магнитного поля и магнитной индукции. В данном методе мерой потерь на перемагничивание является температура испытуемого образца, определяемая с помощью калориметров.

Резонансный метод основан на сравнении индуктивности с исследуемым образцом и известной индуктивности посредством настройки измерительной схемы в резонанс или на определении индуктивности с образцом с помощью измерителя добротности (куметра).

Нейтронографический метод применяется для исследования магнитной структуры ферромагнитных и антиферромагнитных веществ. Он основан на явлении магнитного рассеяния нейтронов в результате взаимодействия магнитного момента нейтронов с магнитными моментами частиц вещества.

 

Раздел 2

Методы и приборы

Измерения параметров электрических сигналов и магнитных величин