9. Электронные измерительные приборы.

9. Электронные измерительные приборы.

Электронные измерительные приборы обладают повышенным быстродействием, высокой чувствительностью и достаточно широким частотным диапазоном. Применяются они для измерения определенных электрических величин – напряжения, тока, сопротивления и других параметров.

Данные приборы делят на аналоговые и цифровые модели. Отличаются эти модели друг от друга тем, что у них разная форма воспроизведения информации – с помощью цифрового монитора или стрелочки. На сегодняшний день наибольшей популярностью пользуются электронные цифровые измерительные приборы, поскольку механические варианты проигрывают в правильности отображаемой информации. Впрочем, доступная стоимость многих склоняет к покупке именно механических приборов.

Указатели напряжения и индикаторы

Используются для определения наличия или отсутствия тока в сети для электроприборов, мощность которых не более 1000 В. Принцип действия – преобразование электрических сигналов в световые сигналы. На приборе имеется шкала и светоиндикатор, при помощи которых можно просто понять, есть ли в сети напряжение. Если свечение отсутствует, то это говорит об ее обрыве или отсутствии. Также индикаторами можно измерять фазы тока переменного и полярность тока постоянного.

Амперметр, вольтметр, омметр

Используется электронный прибор для измерения силы тока, напряжения, мощности, сопротивления, емкости, индуктивности и т. д. Они могут сочетать в себе преобразователи из измеряемой величины в напряжение постоянное, то есть силу тока, также могут сочетать в себе магнитоэлектрический аппарат и отличаться высокой чувствительностью, широким диапазоном частот и небольшим потреблением мощности.

Через делитель на выход усилителя подводится определяемое напряжение, а напряжение выхода после усилителя вычисляется магнитоэлектрическим аппаратом. Главная погрешность данного вольтметра – 0, 5…1, 0 процентов.

Вольтметр переменного тока – это электронный прибор, предназначенный для измерения и преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение. Вольтметры делят в зависимости от измеряемого переменного напряжения: средних квадратичных значений, средних выпрямительных значений и амплитудных значений.

Омметр не выпускается в виде отдельного прибора, его функции выполняет электронный вольтметр. Омметр оснащен преобразователем, который представляет собой усилитель, окруженный обратной отрицательной связью измеряемым и образцовым резисторами. Следовательно, напряжение, измеряемое электронным вольтметром, пропорционально сопротивлению определяемого резистора. Такая схема пользуется большой популярностью для измерений сопротивления от 10 до 1000 МОм. Частотомер применяет принцип заряда и разряда конденсатора и сочетается с аналоговым выходным механизмом, предназначенным для определения. Средней величины силы, протекающей через конденсатор во время его периодической перезарядки относительно определяемой частоты. Для того, чтобы исследовать поведение сигналов во времени, применяется электронный осциллограф, дающий возможность для непосредственного наблюдения или записывания формы непериодических и периодических сигналов. За счет того, что в осциллографе подвижная часть делается электронным лугом, он практически без инерции и может использоваться для измерения величин с частотой до нескольких сотен мегагерц и непериодических операций, длительность которых достигает доли микросекунд. Еще эти приборы для измерения тока и напряжения обладают большим входным сопротивлением и высокой чувствительностью. Однако, они обладают и недостатками, а именно невысокой точностью измерения (погрешность 10 процентов), конструктивной и электрической сложностью, высокой стоимостью. Более того, если сравнивать осциллограф с другими электронными измерительными приборами, то он самый сложный в эксплуатации и нуждается в определенной квалификации персонала. Осциллограф получил широкое распространение благодаря измерениям фазы и частоты электрических колебаний. Кроме того, есть возможность исследовать колебания различных форм.

 

 

10. Электронные аналоговые вольтметры.

Аналоговый электронный вольтметр — измерительный прибор, представляющий собой сочетание электронного преобразователя, выполненного на лампах, полупроводниковых элементах, интеграль­ных микросхемах, и магнитоэлектрического измерителя.

По назначению аналоговые электронные вольтметры различают: постоянного тока, переменного тока, импульсные тока, фазочувствительные, селективные, универсальные.

Основное назначение аналоговых вольтметров — измерение нап­ряжения в радиоэлектронных цепях.

Электронные вольтметры постоянного тока по сравнению с магнитоэлектрическими вольтметрами имеют очень большое входное сопротивление (порядка 5—10 МОм) и высокую чувствительность. Значение входного сопротивления неизменно при переключении пределов измерения.

Вольтметр состоит из входного устройства — высокоомного резистивного делителя напряжения; электронного преобразователя — усилителя постоянного тока; электромеханического преобразова­теля — магнитоэлектрического измерителя. Усилитель постоянного тока служит для повышения чувствитель­ности вольтметра, является усилителем мощности, необходимым для приведения в действие магнитоэлектрического измерителя. Он должен обладать высокой линейностью амплитудной характери­стики, постоянством коэффициента усиления, малым дрейфом нуля. Линейность амплитудной характеристики обеспечивается пра­вильным выбором режимов работы ламп, транзисторов, микросхем усилителя. Отрицательная обратная связь в усилителях повышает стабильность коэффициента усиления и улучшает линейность ампли­тудной характеристики. Стабилизация питающих напряжений также способствует стабилизации коэффициента усиления. Для уменьшения дрейфа нуля, кроме стабилизации питающих напряжений, усилитель выполняется по мостовой балансной схеме. Расширение пределов измерения осуществляется с помощью дели­теля и сопротивления обратной связи.

II АЭВ переменного тока строятся по 2м схемам:

Вольтметры, построенные по схеме а) , характеризу­ются широким частотным диапазоном 20 Гц — 700 МГц, но недоста­точно высокой чувствительностью. Вольтметры, построенные по схеме б), характеризу­ются сравнительно узким частотным диапазоном 10 Гц — 10 МГц, определяемым полосой пропускания усилителя переменного тока, но более высокой чувствительностью. Универсальные аналоговые электронные вольтметры, предназна­ченные для измерений в цепях постоянного и переменного токов, реализуются так, как показано на рисунке:

Характеристики аналоговых электронных вольтметров перемен­ного тока и характер их шкал в основном определяются схемой электронного преобразователя (детектора). Различают преобразо­ватели пикового, средневыпрямленного, среднеквадратичного зна­чений, осуществляющие преобразование переменного напряжения в постоянное, пропорциональное соответственно пиковому (макси­мальному), средневыпрямленному и среднеквадратичному значе­ниям измеряемого напряжения. Вход преобразователей относительно постоянной составляющей измеряемого напряжения может быть либо открытым, либо закрытым (с разделительным конденсатором). По частотному диапазону аналоговые электронные вольтметры переменного тока делятся на низкочастотные, высокочастотные, сверхчастотные.

Основные узлы аналоговых электронных вольтметров. Входное устройство обеспечивает значения измеряемого напря­жения, необходимые для дальнейшего преобразования. В зависимо­сти от амплитудного и частотного диа­пазонов измеряемого напряжения вход­ное устройство представляет собой ли­бо высокоомный вход преобразователя, либо резистивный делитель, либо резистивно-конденсаторный делитель, либо конденсаторный делитель.

В преобразователях амплитудного(пикового) значе­ния показания микроамперметра про­порциональны пиковому значению изме­ряемого напряжения и (t), . На рисункеприводятся схемы пре­образователей амплитудного значения соот­ветственно с открытым и закрытым вхо­дами. В преобразователе амплитудного значения с открытым входом диод включен по­следовательно с высокоомным резисто­ром R и непосредственно связан с объ­ектом измерения. Параметры преобразователя подобраны таким образом (R > Rпр, R = 50 - 100 МОм, С = 0, 02 - 0, 05 мкФ), чтобы при первой положительной полуволне измеряемого напряже­ния и (t) = UM sin wt большим импульсом тока i через открытый диод Д с сопротивлением Rnp осуществлялся быстрый заряд конден­сатора С до некоторого значения напряжения UC1 (рис. 5. 6) и мед­ленный разряд на резистор R + Rи с момента, когда и (t) < UC, и при отрицательной полуволне напряжения и (t). Постоянные времени заряда RnpC и разряда RC связаны условием RC> > RnpC (сопротивление Rи микроамперметра не учиты­вается из-за малого значе­ния). При второй положитель­ной полуволне и. Временные диаграммы напряже­ния, поясняющие работу пикового преоб­разователя с открытым входом

U(t) = Um sin wt конденсатор С вновь подзаря­дится до напряжения UC2 > > Uc1- При значении постоян­ной разряда, много большем периода Т измеряемого напряжения, примерно через (3—4) Т конденсатор зарядится до амплитудного значения измеряемого напряжения Um, т. е. Uc~ Um. Показа­ния магнитоэлектрического микроамперметра определяются сред­ним разрядным током Iср = Iи = Uc/R = Um/R, пропорциональ­ным амплитудному значению изме­ряемого напряжения. Временные диаграммы напряжений, поясняющие работу пикового преобразователя с закры­тым входом

Если измеряемое напряжение и (t), подаваемое на вход преоб­разователя пикового значения с открытым входом, содержит кроме переменной еще и постоянную со­ставляющую, т. е. и (t) = Uo + = Um sin at, то показания мик­роамперметра будут пропорцио­нальны сумме Uo + Um. Большое практическое приме­нение имеет преобразователь пико­вого значения с закрытым входом, в котором диод Д включен параллельно высокоомному резистору R (такая схема используется в универсальных аналоговых электронных вольтмет­рах). При положительной полуволне измеряемого напряжения и (t) = Uu sin wt конденсатор С заряжается через диод Д сопротив­лением Rnp приблизительно до амплитудного значения Um, а при отрицательной полуволне измеряемого напряжения диод Д будет заперт, поэтому заряженный конденсатор разряжается на резистор R, но так как постоянная времени разряда RC конденсатора велика по сравнению с периодом Т измеряемого напряжения, то конден­сатор С не успевает разрядиться за период и напряжение на нем остается примерно равным Um. К резистору R приложено напряжение, равное разности измеряемого напряжения и (t) и напряжения на конденсаторе Uc = Um т. е. Ur (t) = U(t) — Uс= Um sin(wt) – Um Напряжение Ur(t) на резисторе R повторяет форму измеряе­мого напряжения U(t), но смещено на амплитудное значение, т. е. пульсирует от 0 до —2Uм. Микроамперметр, вклю­ченный в цепь R, реагирует на среднее значение тока в цепи Iср = Iи = Uм /R. Так как напряжение Ur(t) пульсирует от 0 до —2Uм, то, чтобы уменьшить пульсации тока через прибор, в реальных схе­мах аналоговых электронных вольтметров напряжение Ur(t) по­дается на вход усилителя постоянного тока через сглаживающий фильтр низ­кой частоты, а микроампер­метр уже включается на выходе УПТ.

Реальная схема пикового преобра­зователя с закрытым входом

Если измеряемое напря­жение U(t), поданное на преобразователь пикового значения с закрытым вхо­дом, содержит кроме пере­менной еще и постоянную составляющую, т. е. U(t) = Uo + Uм sin wt, то при действии напряжения U(t) конденсатор заря­дится до значения Uc = UM + Uo напряжение на резисторе R будет

Ur (t) = Uo + Uм sin wt — Uc = Uм sin wt — Uм.

Постоянные составляющие измеряемого напряжения и напря­жения на конденсаторе С друг друга взаимно компенсируют на ре­зисторе R. Таким образом, микроампер­метр в преобразователе пикового значения с закрытым входом реагирует только на пе­ременную составляющую напряжения U(t). В преобразователях средневыпрямленного значения показания микроамперметра пропорциональны средневыпрямленному значению Uср. в измеряемого напряжения и (t), т. е. = kUсрв. Пре­образователи выполняются на полупровод­никовых диодах, работающих в цепях одно и двухполупериодного выпрямления. Работа диодов осуществляет­ся на линейном участке вольтамперной 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 Д2— R — Д3, а в отрицательный полупериод — по цепи Д4 — R — Д1). При использовании линейного участка характеристики диода и при от­крытом входе показания микроамперметра пропорциональны средневыпрямленному значению измеряемого напряжения. Если же вход преобразователя закрытый, то показания микроамперметра пропорциональны только средневыпрямленному значению перемен­ной составляющей измеряемого напряжения. В преобразователях среднеквадратичного значения показания микроамперметра пропорциональны квадрату средне­квадратичного значения измеряемого напряжения U (t). т. е. . Преобразователи выполняются на элементах с квадратич­ной вольтамперной характеристикой, при этом ток через микроам­перметр пропорционален квадрату среднеквадратичного значения измеряемого напряжения, поданного на вход преобразователя.

При U(t) = Ua sin(wt) ток

Поскольку выходной прибор — магнитоэлектрический микроам­перметр, он будет реагировать на среднее значение тока

Аналогичное доказательство можно выполнить для измеряемого напряжения U(t) любой формы:

где k — номер гармоники; Uмк, Uк — соответственно максимальное и среднеквадратичное значения измеряемого напряжения.

Для увеличения протяженности квадратичного участка вольт-амперной характеристики используются преобразователи на диод­ных цепочках. Напряжение U создает на резисторах R4 и R5 соот­ветственно напряжения смещения U1 и U2. Если входное напряже­ние U(t) не превышает значения U1 то ток i = i1 протекает через диод Д1. Если U1<. U(t) < U2(t) то ток протекает через диоды Д1 и Д2, в результате чего крутизна зависимости тока от напряжения увеличивается. Ток iи через прибор равен i1 + i2. Если U(t) > Uг, то ток протекает через диоды Д1 Д2, Д3 и ток через прибор равен крутизна зависимости уве­личивается еще больше. Подбирая параметры цепи, можно осущест­вить кусочно-линейную аппроксимацию вольтамперной характери­стики отдельных диодов и увеличить протяженность квадратичного участка преобразователя.

Свойства аналоговых электронных вольтметров:

Свойства электронных вольтметров определяются схемой входа, полным входным сопротивлением, схемой преобразователя, характе­ром шкалы, чувствительностью, зависимостью показаний прибора от формы и частоты измеряемого на­пряжения, пределом измерений, по­грешностью. Входное сопротивление вольтметpa состоит из активной и реактивной составляющих. Активная составляю­щая входного сопротивления за­висит от схемы входа, преобразовате­ля, типа применяемого нелинейного элемента, используемого во входном конденсаторе диэлектрика, и может изменяться в широких пределах. Входная емкость электронного вольтметра образована емкостью входных элементов, токоподводящих проводников, межэлектрод­ной емкостью входных нелинейных элементов. На высоких частотах учитывается также индуктивность токоподводящих проводни­ков. С увеличением частоты входное сопротивление уменьшается, поскольку уменьшается сопротивление электрических потерь во входной емкости. Эквивалентная схема входной цепи вольтметра на высоких час­тотах, несимметричная относительно земли, представлена на рис. Для уменьшения частотной погрешности измерения собственная частота входной цепи вольтметра должна быть в 5—10 раз выше частоты измеряемого вольтметром напряже­ния. Поскольку входное сопротивление определяет мощность потребления вольтметра от объекта измерения, оно должно быть в 50—100 раз больше сопротивления участка цепи, к которому вольтметр подключается параллельно. Схема входной цепи вольтметра может быть упрощена, если диа­пазон частот измеряемого напряжения порядка 10—30 МГц и индук­тивность не учитываются и входное сопротивление носит активно-емкостный характер; в диапазоне частот 1—10 МГц входное сопротивление определяется преимущественно емкостным сопротивлением = 1/(jw ), поскольку но много меньше активного сопротивления; в диапазоне частот ниже 1 МГц — активным сопротивлением

так как

Для исключения погрешностей, вызванных влиянием паразит­ных емкостей, клеммы электронного вольтметра и объекта измере­ния, соединенные с корпусом, должны быть соединены вместе и заземлены. При измерениях напряжения на частотах выше 1 МГц необходимо пользоваться пробником, снижающим ча­стотную погрешность, вызванную и при высоких частотах, а также позволяющим осуществлять измерение непосредственно объекта измерения.

По пределам измерения напряжений вольтметр выбирают так, чтобы нижний предел обеспечивал достаточно высокую чувстви­тельность, а верхний — позво­лял по возможности обходиться без применения внешних делителей напряжения. Шкалы большинства вольт­метров независимо от типа преобразования градуируют в действующих значениях синусоидального сигнала, поэтому градуи­ровка справедлива только при измерении сигналов синусоидальной формы, за исключением вольтметра со среднеквадратичным преоб­разователем. Электронные вольтметры часто градуируют и в относительных значениях (неперах и децибелах) с использованием соотношения 20 lg (U/Uo), где Uо — нулевой уровень по напряжению, равный 0, 775 В на градуировочном сопротивлении в 600 Ом; U — значение измеряемого напряжения. По сравнению с электромеханическими вольтметрами аналого­вые электронные вольтметры имеют следующие достоинства: широ­кий частотный диапазон измеряемого напряжения от единиц герц до сотен мегагерц; слабую зависимость показаний от частоты изме­ряемого напряжения в рабочем диапазоне частот; высокую чувстви­тельность, практически постоянную в рабочем диапазоне частот, широкий динамический диапазон от десятых долей до сотен вольт (благодаря применению усилителей и делителей напряжений); ничтожно малую мощность потребления, так как имеют большое входное сопротивление (10—106 МОм), малую входную емкость (1—4 пФ)»но в то же время развивают мощность, достаточную для приведения в действие выходного магнитоэлектрического изме­рителя. К недостаткам аналоговых электронных вольтметров относят их сравнительно большую основную погрешность (1—4 %), обуслов­ленную влиянием смены ламп, полупроводников элементов, инте­гральных микросхем на градуировку вольтметров, частотную по­грешность и необходимость вспомогательных источников питания.

 

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: