 |
Измерительные информационные 8 глава
|
|
|
|
Н е д о с т а т к и: показания ЭВ среднего значения зависят от формы кривой К физмеряемого напряжения.
Амплитудный электронный вольтметр (диодно- конденсаторный)
Показания такого ЭВ пропорциональны амплитудному значе- нию измеряемого напряжения. Такие вольтметры позволяют из- мерять амплитуду импульсов с минимальной длительностью до десятых долей микросекунды и скважностью 2... 500. Верхняя граница частотного диапазона измерения определяется частот- ными свойствами диода, значениями монтажных емкостей и ин- дуктивностью подводящих проводов, нижняя граница – постоян- ной времени разрядa конденсатора (чем больше ее значение, тем ниже граничная частота).
Диодные (как и транзисторные) амплитудные детекторы при малых напряжениях вносят в измеряемый сигнал значительные нелинейные искажения, поэтому в последнее время применяют амплитудные детекторы на интегральных микросхемах – опера- ционных усилителях.
Д о с т о и н с т в а: диапазон измерений по частоте от 20 Гц до 1000 МГп, по напряжению от 100 мВ до 1000 В; классы точности
– 4,0: 10,0; входное сопротивление – 100 кОм...5 МОм.
Н е д о с т а т к и: зависимость показаний ЭВ от формы сигнала.
Электронный вольтметр действующего значения.
В схеме такого ЭВ выпрямитель состоит из полупроводнико- вых диодов, использующих квадратичный участок вольт- амперной характеристики. Для увеличения протяженности этого участка используются преобразователи на диодных цепочках Ос-
новное достоинство этих преобразователей заключается в незави- симости показаний на выходе от формы кривой измеряемого напряжения. Для расширения пределов измерения ЭВ на пере- менном токе используются емкостные делители напряжения.
|
|
|
Д о с т о и н с т в а: высокая чувствительность (за счет усили- тельных свойств); малое потребление энергии; диапазон измере- ний по частоте от 20 Гц до 50 МГц, по напряжению от 1 мВ до 1000 В, классы точности – 2,5; 4,0; 10,0; 15,0.
Н е д о с т а т к и: высокая стоимость; ограниченная точность: необходимость переградуировки при замене элементной базы.
Электронный омметр
Он представляет собой электронный вольтметр постоянного тока, имеющий измерительную схему, преобразующую измеряе- мое сопротивление в пропорциональное ему постоянное напря- жение. Шкалу такого вольтметра градуируют в единицах измеря- емого сопротивления и применяют его в качестве омметра. Рас- ширение пределов измерения осуществляется с помощью образ- цовых резисторов.
Т е х н и ч е с к и е х а р а к т е р и с т и к и: большое входное со- противление; диапазон измерения от 10 Ом до 1000 МОм; по- грешность измерения 2..4%; возможно измерение очень больших сопротивлений (тераомметры) с погрешностью до 10%.
2.5. Цифровые измерительные приборы
Цифровые измерительные приборы (ЦИП) – многопредель- ные, универсальные приборы, предназначенные для измерения различных электрических величин: переменного и постоянного тока и напряжения, емкости, индуктивности, временных пара- метров сигнала (частоты, периода, длительности импульсов) и регистрации формы сигнала, его спектра и т.д.
В цифровых измерительных приборах осуществляется авто- матическое преобразование входной измеряемой аналоговой (не- прерывной) величины в соответствующую дискретную величину с последующим представлением результата измерения в цифро- вой форме.
По принципу действия и конструктивному исполнению циф- ровые приборы подразделяются на электромеханические и элек- тронные. Электромеханические приборы имеют высокую точ- ность, но малую скорость измерений
В электронных приборах используется современная база элек- троники. Несмотря на схемные и конструктивные особенности принцип построения цифровых приборов одинаков.
|
|
|
Измеряемая величина Х поступает на входное устройство прибора, где происходит масштабное преобразование. С входно- го устройства сигнал поступает на аналого-цифровой преобразо- ватель (АЦП), где аналоговый сигнал преобразуется в соответ- ствующий код который отображается в виде числового значения на цифровом отсчетном устройстве (ЦОУ). Для получения всех управляющих сигналов в цифровом приборе предусмотрено устройство управления (УУ).
Входное устройство цифрового прибора устроено аналогично электронному прибору, а в некоторых конструкциях на его входе используется фильтр для исключения помех.
В зависимости от принципа аналого-цифрового преобразова- ния (АЦП) цифровые измерительные приборы подразделяются на устройства прямого преобразования и компенсационные (с урав- новешивающим преобразованием).
Основными элементами цифровых измерительных приборов являются триггеры, дешифраторы и знаковые индикаторы. Не- сколько знаковых индикаторов образуют цифровое отсчетное устройство.
К наиболее важным характеристикам ЦИП относятся: разре- шающая способность, входное сопротивление, быстродействие, точность измерений, помехозащищенность.
Разрешающая способность ЦИП определяется изменением цифрового отсчета, приходящегося на единицу младшего разря- да.
Входное сопротивление ЦИП характеризует мощность, по- требляемую им от объекта измерения.
Быстродействие ЦИП оценивается числом измерений в се- кунду. Точность измерений ЦИП отражает близость их результа- тов к истинному значению измеряемой величины. Класс точно- сти ЦИП определяется пределом допускаемой относительной по- грешности:
é æ Xk öù
g ОТН = ±ê c + d çç X
-1÷÷ú,
ëê è
øúû
где с и d – постоянные числа, характеризующие класс точности ЦИП соответственно в конце и в начале диапазона; Хк – конечное значение диапазона. Класс точности обозначается в виде дроби c/d например класс 0,02/0,01.
Помехоустойчивость ЦИП характеризует степень подавления помех на его входе. Количественно помехоустойчивость ЦИП характеризуется коэффициентом подавления помех:
|
|
|
|
ПОМ ö
|
è U 0 ø
где Е ПOM– амплитудное значение помехи на входе прибора; U 0– эквивалентное входное постоянное напряжение, вызывающее такое же изменение показаний прибора, что и Е ПOM.
Д о с т о и н с т в а: высокая чувствительность (по напряжению постоянного тока 1 нВ, по напряжению переменного тока 1 мкВ. постоянному току 1 нА, по переменному1току 5 мкА, по сопро-
тивлению постоянному току 10 мкОм, по частоте от долей Гц). Высокая точность измерения (ЦИП подразделяются на восемь классов точности: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0). Удоб- ство и объективность отсчета и регистрации; возможность ди- станционной передачи результата измерения в виде кодовых сиг- налов без потери точности; возможность сочетания ЦИП с вы- числительными машинами и высокая помехозащищенность;
Н е д о с т а т к и: сложность устройств и, следовательно, высо- кая их стоимость и невысокая надежность.
П е р с п е к т и в ы развития ЦИП: достигнутый уровень мет- рологических характеристик в целом удовлетворяет требованиям практики и приближается к характеристикам соответствующих эталонов, поэтому основные усилия разработчиков направлены на повышение надежности ЦИП и создание ЦИП с расширенны- ми функциональными возможностями, обеспечивающими потре- бителю максимум эксплуатационных удобств, что, естественно, связано с широким применением микроэлектроники и микропро- цессорной техники.
Применение микропроцессорных систем в измерительной технике способствует повышению точности приборов, расшире- нию их возможностей, упрощает управление процессом измере- ний, автоматизирует калибровку и поверку приборов, позволяет выполнять вычислительные операции и создавать полностью ав- томатизированные приборы с улучшенными метрологическими характеристиками.
2.6. Измерительные мосты и компенсаторы
Измерение токов и напряжения приборами непосредственной оценки производится в лучшем случае с погрешностью 0,05%. Более точное измерение этих величин возможно с помощью при- боров сравнения – компенсаторов. В зависимости от вида изме-
|
|
|
ряемого напряжения различают компенсаторы постоянного и пе- ременного тока.
Компенсаторы постоянного тока
Компенсаторы постоянного тока (КПТ) используются для пря- мого измерения ЭДС и напряжений и косвенного измерения со- противления, тока и мощности. Упрощенная принципиальная схе- ма компенсатора с ручным управлением приведена на рис. 2.21.
|
К
Контур II
RК
RN НИ
Контур I
+ЕN_
Контур III
1 2 +Ux_
Рис. 2.21. Упрощенная принципиальная схема компенсатора
постоянного тока
На этой схеме можно выделить три контура: контур I нор- мального элемента, в который входят нормальный элемент EN, образцовое сопротивление RNи нуль индикатор НИ; контур II – рабочий, который содержит вспомогательный источник питания компенсатора Ек (до 2 В), реостат для установки рабочего тока R рег, магазин сопротивлений Rк и сопротивление RN; контур III – измерительный, состоит из источника измеряемого напряжения U xнуль-индикатора и магазина сопротивлений RK.
У всех компенсаторов декады сопротивлений Rpег, RN, RК и пе- реключатель П находятся внутри корпуса прибора, ручки рычаж- ных переключателей декад Rpег, RК располагаются на панели при- бора. Источник питания компенсатора ЕК, нормальный элемент EN, нуль-индикатор могут быть встроенными или подключаться снаружи к соответствующим зажимам. Измерение Ux осуществ- ляется в два этапа. Сначала устанавливают ток I р в рабочей цепи,
величина которого строго определена и неизменна для каждого типа компенсатора. Для этого переключатель П ставится в поло- жение 1 и с помощью ренегата R регустанавливают такое значение тока I р в цепи контура II, при котором падение напряжения, со- здаваемое им на сопротивлении будет равно по величине ЭДС нормального элемента RN. При этом нуль-индикатор покажет от- сутствие тока в цепи контура I. Для этого случая можно записать
I p RN = EN. (2.39)
Затем приступают к измерению напряжения Ux. Для этого пе- реключатель П устанавливают в положение 2 и регулировкой со- противления RK добиваются компенсации напряжения U x падени- ем напряжения на участке r сопротивления R кот тока I р. При этом нуль-индикатор покажет отсутствие тока в цепи контура III. С учетом выражения (2.39) можно записать
Ux = ENr / RN, (2.40)
где r – значение участка сопротивления RK при компенсации напряжения Ux.
Погрешность результата измерения будет определяться в ос- новном погрешностью изготовления и подгонкой сопротивлений и RN и RK, так как среднее значение ЭДС нормального элемента EN при температуре 20°С известно с точностью до пятого знака.
|
|
|
Точность установки самого момента уравновешивания опре- деляется чувствительностью применяемого нулевого индикатора. Следовательно, погрешность измерения напряжения компенсато- ром постоянного тока определяют следующие факторы:
• погрешность установки и поддержание неизменным рабоче- го тока;
• погрешность изготовления и подгонка образцового компенса- ционного и регулируемого сопротивлений (RN, R Kи Rpег);
• чувствительность нуль-индикатора.
Существует девять классов точности компенсаторов постоянного тока: 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2.
Различают высокоомные компенсаторы (10...40 кОм с преде- лом измерения до 1,9 В) и низкоомные (10... 1000 Ом с пределом измерений до 100 мВ).
С высокоомными компенсаторами в качестве нуль-индикатора используют гальванометры магнитоэлектрической системы с от- носительно большим критическим сопротивлением. Для низко- омных компенсаторов применяются гальванометры с небольшим критическим сопротивлением.
Компенсаторы используют также для точных косвенных из- мерений токов и сопротивлений. Для измерения тока Ix в иссле- дуемую цепь включается образцовый резистор, сопротивление Ro которого известно с большой точностью, и компенсатором изме- ряется падение напряжения Ux на этом сопротивлении. Ток вы- числяется по формуле Ix = Ux/Ro. Для измерения сопротивления резистора Rx последовательно с ним в исследуемую цепь включа- ется образцовый резистор Ro. Измерив падение напряжения Uo на сопротивлении Ro, расчетным путем находят значение тока в ис- следуемой цепи I = Uo/Ro. Затем, измерив падение напряжения Ux на сопротивлении Rx, получают расчетное значение искомого ре- зистора: Rx=RoUx/Uo.
Компенсаторы переменного тока
Компенсационный метод измерения напряжения может быть применен и на переменном токе. В таких компенсаторах для пол- ного уравновешивания двух напряжений необходимо выполнить четыре условия: равенство напряжений по модулю; противопо- ложность их фаз; равенство частот; одинаковая форма кривой Ux и UK.
Осуществление двух первых условий обеспечивается кон- струкцией компенсаторов. Третье условие выполняется при пи-
тании объекта измерения и компенсатора от одного источника. Четвертое условие выполнить практически невозможно, так как UK всегда синусоидально, a Ux может быть любой формы, поэто- му полной компенсации достичь не удается, а только уравнове- шивается первая гармоника. В качестве индикатора равновесия на промышленной частоте применяется вибрационный (резо- нансный) гальванометр; на более высоких частотах – электрон- ные нуль-индикаторы; на звуковых – телефоны, усилители с вы- прямительными приборами на выходе.
По способу компенсации неизвестного напряжения компенса- торы переменного тока подразделяются на два вида:
• полярно-координатные – с отсчетом измеряемого напряже- ния в полярных координатах (регулируется модуль UK и отдельно его фаза);
• прямоугольно-координатные – с отсчетом измеряемого напряжения в виде геометрической суммы двух взаимно перпен- дикулярно составляющих.
I1 Rрег
A
~U T
~Ux
а
UК
Uка НИ
0 b W1
M
c W2
|
1
d
Ux
I2
Рис. 2.22. Упрощенная принципиальная схема прямоугольно-координатного компенсатора
Прямоугольно-координатный компенсатор (рис. 2.22) содер- жит два одинаковых реохорда ab и cd, средние точки которых соединены электрически; воздушный трансформатор Т со взаим- ной индуктивностью обмоток М; регулировочные реостаты R реги Rf для установки рабочих токов реохордов ab и cd; амперметр А
электродинамической системы класса 0,05 или 0,1; высокочув- ствительный нуль-индикатор НИ, например осциллографическо- го типа.
По амперметру А реостатом R регустанавливают рабочий ток I1 реохорда ab. Под действием тока I1, протекающего по первичной обмотке трансформатора, на вторичной обмотке наводится ЭДС, равная Е2= jωMI1. Ток I 2 в цепи реохорда cd определяется как
I 2= E 2 /(Rcd + R f + jwL 2 ),
где Rcd – сопротивление реохорда cd; L2, – индуктивность вто- ричной обмотки трансформатора.
Ввиду незначительности реактивного сопротивления вторич- ной обмотки трансформатора ωL2«(Rcd+Rf) фаза тока I2 практиче- ски совпадает с фазой ЭДС Е2.
Следовательно, ток I2 равен
I = I e j 90.
2 1
Множитель j в выражении (2.41) означает, что ток I2 опережа- ет ток I1 на 90°. Равенство по модулю токов | I1 | и | I2 | устанавлива- ется резистором Rf.
Реохорды ab и cd равны по сопротивлению и длине, токи ре- охордов равны по величине и сдвинуты на 90°, а так как средние точки реохордов соединены электрически, то разность потенциа- лов между ними равна нулю. Таким образом, образуется прямо- угольно-координатная система напряжений Uy и Ux, с одинако- выми масштабами по осям.
Попеременно перемещая движки реохордов, добиваются ну- левого показания нуль-индикатора, что соответствует полной компенсации активной и реактивной составляющих измеряемого напряжения.
Значение активной составляющей компенсирующего напря- жения Uк.ропределяется по положению движка на шкале реохор-
да ab, а величина реактивной составляющей Uк.p – по шкале ре- охорда cd. Тогда измеряемое напряжение Ux и начальная фаза о, находятся как
2 2
Ux =
Uк.а + Uк.р; jx = arctgUк.р / Uк.а.
Знак начальной фазы φх определяется в зависимости от квад- ранта, в котором находится вектор компенсирующего напряже- ния Uк в прямоугольной системе координат. Так как значение то- ка I 2 зависит от частоты, то для его коррекции используется рези- стор Rf.
Компенсаторы переменного тока уступают по точности ком- пенсаторам постоянного тока.
Автоматические компенсаторы постоянного тока
Процесс уравновешивания в таких компенсаторах произво- дится автоматически, они применяются для измерения электри- ческих и неэлектрических величин, которые могут быть предва- рительно преобразованы в напряжение или ЭДС постоянного тока.
Существуют компенсаторы с полным и неполным уравнове- шиванием. Промышленностью выпускаются автоматические компенсаторы, различающиеся габаритными размерами, видами записи, погрешностью, различным временем прохождения указа- телем всей шкалы.
Применение автоматических компенсаторов постоянного тока существенно сокращает время измерений, но снижает их точ- ность.
Мостовые схемы. Широкое применение мостовых схем объ- ясняется высокой точностью измерений, большой чувствитель- ностью и возможностью измерения различных параметров элек- трических цепей (R, L, С), величин, функционально с ними свя-
занных (частота, фазовый угол), и ряда неэлектрических величин (температура, давление, перемещения, усилия и т.д.).
Наиболее точные измерения сопротивлений R постоянному току выполняются с помощью мостов постоянного тока. Эти мо- сты подразделяются на две группы: одинарные (четырехплечие) и двойные (шестиплечие).
Одинарный мост, называемый мостом Уитстона, применяют для измерения сопротивлений от 1 Ом до 100 МОм. Для измере- ния малых величин сопротивлений от 1 Ом и менее применяют двойной мост, называемый мостом Томсона, в котором влияние величин, вызывающих погрешность измерения, сведены к мини- муму.
Одинарный мост (рис. 2.23) состоит из четырех плеч: ab, be, cd и da.
R1 b R2
Г
a c
d
U
Рис. 2.23. Схема одинарного моста постоянного тока
Три известных регулируемых сопротивления R 2, R 3, R 4 вместе с измеряемым сопротивлением R 1= Rх образуют замкнутый че- тырехполюсник abсd.
В измерительную диагональ моста bd включен указатель равновесия Г, в качестве которого используется магнитоэлек- трический гальванометр. В диагональ питания моста ас вклю- чается источник постоянного тока – аккумуляторная батарея или сухой элемент. Подбором значений сопротивлений R 2, R 3, R 4добиваются отсутствия тока через гальванометр (потенциа- лы точек b и d равны) и, следовательно, IxRx = I 3 R 3; I 2 R 2 = I 4 R 4.
Поскольку в момент равновесия моста ток через гальванометр не протекает 1г = 0, то 1х = I3 и I 2 = I 4. Тогда правомерно записать Rx/R3 = R2/R4, или RxR4 = R2R3 откуда сопротивление:
Rx = R 2 R 3 / R 4. (2.42)
Сопротивления R2, и R4 – известные фиксированные сопротивле- ния в диапазоне 1...1000 Ом. При этом отношение R2/R4 составляет от 10-3до 103. Регулировкой сопротивления R3 уравновешивают мост. Погрешности измерения с помощью мостов постоянного тока зависят от диапазона измеряемых сопротивлений, наименьшие по-
грешности получают в диапазоне 100 Ом...100 кОм. По мере увели- чения измеряемого сопротивления уменьшается чувствительность мостов, а при измерении больших сопротивлений сказывается влия- ние сопротивления изоляции.
R1 R2
Г
R3 R4
Rx R0
Rрег U
А
Рис. 2.24. Схема двойного моста постоянного тока
Нижний предел измеряемых сопротивлений ограничен тем, что при измерении малых по величине сопротивлений сказывает- ся влияние сопротивления монтажных проводов и переходных контактов. Эти погрешности исключаются в двойном мосте, представленном на рис. 2.24, в котором использованы резисторы R3R4, чтобы исключить влияние сопротивления соединительного проводника r. Мост называется двойным, так как он содержит два комплекта плеч отношения.
|
R rR
æ R R ö
|
3 ç 1
ç
4 ÷. (2.43)
R 2 r + R 3+ R 4è R 2
R 3ø
На практике значения R1, R2, R 3 и R4 выбирают такими, чтобы выполнялось соотношение:
R 1 / R 2= R 4 / R 3. (2.44)
При этих условиях вторым членом в выражении (2.43) можно пренебречь. Чтобы проверить выполнение условия (2.44), мост уравновешивается, а затем проводник r убирается, что не должно влиять на равновесие моста. Следовательно, двойной мост ком- пенсирует малое сопротивление r.
В качестве нуль-индикаторов в мостах постоянного тока при- меняют высокочувствительные гальванометры или электронные устройства.
Двойной мост обеспечивает погрешность менее 0,05% для со- противлений в диапазоне 10-6… 1 Ом.
Мосты переменного тока
Измерение сопротивления, индуктивности и емкости выпол- няется одинарными мостами на переменном токе (рис. 2.25).
Z1 b Z2
НИ
Z3 Z4
a c
d
~U
Рис. 2.25. Схема одинарного моста переменного тока
Четыре плеча ab, bс, cd и da моста переменного тока образу- ются четырьмя комплексными сопротивлениями Z1= Zх, Z2, Z3и
Z4. В одну диагональ моста включается источник питания пере- менного тока, в другую – нуль-индикатор НИ.
При равновесии моста ток в измерительной диагонали равен нулю и, следовательно, можно записать:
Z 1 Z 4= Z 2 Z 3, (2.45)
Представив комплексное сопротивление Z в выражение (2.45) в алгебраической форме, получим:
(R 1+ jX 1)(R 4 + jX 4) = (R 2 + jX 2)(R 3+ jX 3),
откуда:
R 1 R 4- X 1 X 4 = R 2 R 3- X 2 X 3;
R 1 X 4 - X 1 R 4 = X 2 R 3- X 2 R 3,
(2.46)
где Ri и Xii – активные и реактивные составляющие сопротивле- ния Z.
Записав выражение (2.45) в показательной форме, получим:
|
где Zi – модуль i -го сопротивления; φi – фазовый угол i- го сопро- тивления, φi = arctg Xi / Ri.
Равенство (2.47) равносильно двум равенствам:
Z 1 Z 4= Z 2 Z 3;
j 1+ j 4 = j 2 + j.
(2.48)
Из выражения (2.48) следует, что для уравновешивания моста с комплексными сопротивлениями необходима регулировка ак- тивной и реактивной составляющих.
Равенство фаз выражения (2.48) указывает, какими по харак- теру должны быть сопротивления плеч моста, чтобы обеспечить равновесие мостовой схемы.
Например, если сопротивления плеч Z 1= R 1, Z 4= R 4, т.е. носят чисто активный характер, то φ 1= φ 4 = 0.
Тогда из выражения (2.48) следует
φ 2+ φ 3 = 0, или φ 2 = – φ 3,
а это означает, что если сопротивление Z2индуктивного характе- ра, т.е. Z2= R2+ jX2, то сопротивление Z3должно носить емкост- ный характер, т. е. Z3= R 3 – jX 3 (рис. 2.26, а). Аналогично получаем схемы сравнения между собой реактивных сопротивлений, со- держащих индуктивности (рис. 2.26, б) и емкости (рис. 2.26, в).
Правильный выбор регулируемых элементов моста и питание моста напряжением повышенной частоты (1000 Гц и более) обес- печивают быстрое равновесие моста или ею хорошую сходи- мость.
Сходимость мостов – это возможность достижения состояния равновесия определенным числом переходов от регулировки од- ного параметра к регулировке другого.
Хорошая сходимость означает малое число операций и, сле- довательно, сокращение времени измерения.
Все мосты переменного тока можно подразделить на две группы:
• частотно-независимые, уравновешенные при одной частоте, сохраняющие равновесие при изменении частоты источника пи- тания;
• частотно-зависимые, характеризуемые тем, что в условии равновесия помимо С, L, R имеется частота, входящая в выраже- ние реактивных составляющих сопротивления.
Погрешность мостов переменного тока складывается из сле- дующих составляющих: погрешности выполнения отдельных элементов мостовой схемы; погрешности подгонки элементов; погрешности от неполного учета активной и реактивной состав- ляющих сопротивлений плеч моста; погрешности отсчетного устройства.
Чем выше частота питания схемы моста, тем в большей степе- ни проявляются эти погрешности. Для их уменьшения мост пе- ременного тока питают от сети переменного тока через раздели-
тельный трансформатор, заземляют для уменьшения влияния па- разитных емкостей и токов утечек, уменьшают влияние сопро- тивления соединительных проводов.
Существуют четыре класса точности мостов переменного то- ка: 0,05; 0,02; 0,1; 0,2. Нуль-индикатором на низкой частоте в них служит вибрационный гальванометр. При частоте 1000 Гц и вы- ше питание осуществляется от звуковых генераторов, в качестве индикатора равновесия используются электронные нулевые ин- дикаторы.
Универсальные мосты обеспечивают измерение значений ве- личин в широких пределах.
|
|
|
