Ћекции.ќрг


ѕоиск:




 атегории:

јстрономи€
Ѕиологи€
√еографи€
ƒругие €зыки
»нтернет
»нформатика
»стори€
 ультура
Ћитература
Ћогика
ћатематика
ћедицина
ћеханика
ќхрана труда
ѕедагогика
ѕолитика
ѕраво
ѕсихологи€
–елиги€
–иторика
—оциологи€
—порт
—троительство
“ехнологи€
“ранспорт
‘изика
‘илософи€
‘инансы
’ими€
Ёкологи€
Ёкономика
Ёлектроника

 

 

 

 


»змерение параметров электрических сигналов




Ќа практике приходитс€ измер€ть следующие параметры электрических сигналов: ток, напр€жение, мощность, частоту, сдвиг фаз и др. ѕри этом измерени€ производ€тс€ в широком диапазоне значений измер€емых величин и рабочих частот. –анее, в параграфах, посв€щенных рассмотрению различных приборов, указывалось на особенности их применени€ дл€ измерени€ тех или иных величин, в том числе и параметров электрических сигналов. –езюмируем кратко эти сведени€.

»змерение напр€жени€ осуществл€етс€ в диапазоне частот от 0 до 109 √ц. ѕри более высоких частотах напр€жение перестает быть информативным параметром. Ќапр€жение посто€нного тока от долей милливольта до сотен вольт удобно измер€ть магнитоэлектрическими вольтметрами, которые имеют достаточно высокую точность (класс точности до 0,05). —ледует, однако, иметь в виду, что входное сопротивление магнитоэлектрического вольтметра, которое в основном определ€етс€ значением добавочного сопротивлени€, не превышает дес€тков килоом. ѕри измерени€х в высокоомных цеп€х собственна€ проводимость вольтметра может быть причиной значительных погрешностей измерени€. ћагнитоэлектрическим вольтметрам присуща также температурна€ погрешность, вызываема€ зависимостью сопротивлени€ рамки прибора от температуры.

ƒл€ измерени€ напр€жени€ посто€нного тока в высокоомных цеп€х широко используютс€ электронные аналоговые и цифровые вольтметры. Ёлектронные аналоговые вольтметры и милливольтметры €вл€ютс€ многопредельными приборами. »ми можно измер€ть напр€жение от единиц микровольт до нескольких киловольт. ¬ысокое входное сопротивление вольтметров, равное дес€ткам и более мегаом, снижает потребление мощности из измер€емой цепи до пренебрежимо малых значений. —ледовательно, вли€ние измерительного прибора на режим работы изучаемого объекта оказываетс€ незначительным. Ёлектронные аналоговые вольтметры имеют основную погрешность 1,5Ч6%. »сточниками погрешностей €вл€ютс€ нестабильность элементов и собственные шумы электронных цепей. ¬нос€т вклад также погрешности измерительного механизма и градуировки шкалы.

÷ифровые вольтметры посто€нного тока также широко распространены. ќни обладают широким диапазоном измерени€, высокой точностью и чувствительностью, быстродействием, удобством считывани€ показаний, возможностью включени€ в состав измерительно-вычислительных комплексов. ¬озможности и особенности цифрового вольтметра определ€ютс€ в первую очередь характеристиками использованного ј÷ѕ. —уществуют цифровые вольтметры пр€мого и уравновешивающего преобразовани€. ¬ схемах пр€мого преобразовани€ примен€ютс€ врем€-импульсные, врем€-импульсные интегрирующие и частотноимпульсные ј÷ѕ, а в схемах уравновешивающего преобразовани€Чј÷ѕ поразр€дного уравновешивани€.

÷ифровые вольтметры пр€мого преобразовани€ отличаютс€ простотой и высоким быстродействием (более 104 измерений в секунду). ¬ интегрирующих вольтметрах благодар€ усреднению напр€жени€ по времени измерени€ достигаетс€ повышенна€ помехозащищенность. ќсновным достоинством цифровых вольтметров с ј÷ѕ поразр€дного уравновешивани€ €вл€етс€ высока€ точность измерени€ (приведенна€ погрешность 0,01Ч0,001%).ƒиапазон напр€жений, измер€емых цифровыми вольтметрами разных типов, охватывает диапазон от долей микровольта до единиц киловольт.

—овременные цифровые вольтметры содержат микропроцессорные блоки и снабжены клавиатурой, что позвол€ет автоматизировать процесс измерени€, проводить его в соответствии с заданной программой, осуществл€ть требуемую обработку результатов измерений, расшир€ть функциональные возможности прибора, превратив его в мультиметр, позвол€ющий измер€ть не только напр€жение посто€нного тока, но и многие другие величины: напр€жение переменного тока, сопротивление, емкость конденсатора, частоту и др.

“очные измерени€ напр€жени€ посто€нного тока производ€тс€ при помощи компенсаторов посто€нного тока (І 2.8).  ласс точности этих приборов достигает 0,0005. ѕределы измер€емых напр€женийЧот 10-9 ¬ до нескольких дес€тков вольт.

—реднеквадратическое (действующее) значение напр€жени€ переменного тока измер€етс€ электромагнитными (до 1Ч2к√ц), электродинамическими (до 2Ч3к√ц), ферродинамическими (до 1Ч2к√ц); электростатическими (до 10ћ√ц) и термоэлектрическими (до 10Ч100 ћ√ц) приборами.

¬ыпр€мительные приборы реагируют на средневыпр€мленное значение

но градуируютс€ обычно в среднеквадратических значени€х синусоидального напр€жени€. ќтличие формы измер€емого напр€жени€ от синусоидальной может приводить к большим систематическим погрешност€м. ¬ыпр€мительные вольтметры используютс€ до частот 10Ч20к√ц. Ёлектромагнитные вольтметры в основном служат щитовыми приборами. –асширение их пределов измерени€ достигаетс€ использованием измерительных трансформаторов напр€жени€. Ёлектродинамические, электростатические обычно €вл€ютс€ лабораторными приборами, термоэлектрические используютс€ на повышенных частотах. ¬ыпр€мительные вольтметры обычно вход€т в состав многофункциональных переносных измерительных приборовЧ тестеров.

Ёлектронные аналоговые вольтметры примен€ютс€ дл€ измерени€ среднеквадратичных, средневыпр€мительных и пиковых (амплитудных) значений переменного тока. »х отличает большое входное сопротивление, высока€ чувствительность и возможность измерений на высоких частотах (вплоть до сотен мегагерц).

÷ифровые вольтметры, предназначенные дл€ измерени€ напр€жени€ переменного тока, стро€тс€ на основе цифровых вольтметров посто€нного тока, снабженных преобразователем переменного напр€жени€ в посто€нное. ¬ диапазоне частот до 100к√ц их основна€ погрешность может не превышать 0,5%.÷ифровые вольтметры средневыпр€мленного значени€ используют одноЧи двухполупериодные выпр€мители. ¬ цифровых вольтметрах среднеквадратического значени€ примен€ютс€ термоэлектрические преобразователи. ќднако инерционность последних существенно снижает быстродействие вольтметров.

ƒл€ одновременного измерени€ амплитуды и фазового сдвига синусоидального напр€жени€ используютс€ компенсаторы переменного тока. ќтносительна€ погрешность измерени€ при помощи компенсаторов лежит в пределах ± 0,5%.

»змерение тока. ѕосто€нный ток измер€етс€ при помощи магнитоэлектрических приборов. ќни обеспечивают наивысшую точность среди электромеханических аналоговых приборов (класс точности 0,05Ч2,5).

ћагнитоэлектрические амперметры позвол€ют измер€ть токи от 10-7 до 50ј (при измерении токов больше 0,05ј используютс€ внутренние шунты). ѕрименение шунтов приводит к увеличению вли€ни€ изменений температуры на показани€ приборов. Ёто св€зано с тем, что вследствие неодинаковых значений температурных коэффициентов сопротивлени€ рамки и шунта происходит изменение соотношени€ их сопротивлений, а следовательно, и перераспределение текущих по ним токов. ƒл€ уменьшени€ температурной погрешности примен€ютс€ различные цепи температурной компенсации. ѕростейша€ из них содержит только один элементЧдобавочный резистор из манганина, включенный последовательно с рамкой измерительного механизма. “ака€ термокомпенсаци€ удовлетворительна только дл€ приборов классов точности 1,0 и хуже. Ѕолее точные приборы используют несколько более сложные цепи термокомпенсации, содержащие как последовательные, так и параллельные цепочки резисторов.

ƒл€ измерени€ больших посто€нных токов (от 50ј до нескольких килоампер) примен€ютс€ магнитоэлектрические амперметры и килоамперметры с наружными шунтами.

ћалые посто€нные токи (меньше 10-6 ј) измер€ютс€ при помощи гальвано метров.

»змерени€ посто€нного тока с повышенной точностью производ€тс€ косвенным образом. ќбразцовый резистор включаетс€ в измер€емую цепь и компенсатором измер€етс€ падение напр€жени€ на этом резисторе. «начение тока вычисл€етс€ при помощи закона ќма.

ѕеременный ток измер€етс€ амперметрами электромагнитной, электродинамической и ферродинамической систем. Ёлектромагнитные амперметры €вл€ютс€ в основном однопредельными щитовыми приборами (класс точности 1,0; 1,5; 2,5). ќни работают со встроенными или наружными измерительными трансформаторами тока, позвол€€ измер€ть токи до 300ј и 15кј соответственно.

“акже в качестве щитовых часто работают ферродинамические амперметры. Ёлектродинамические амперметры и миллиамперметры обычно выполн€ютс€ в виде переносных лабораторных приборов. »х типичные классы точности 0,2; 0,5; 1,0. ¬ыпр€мительные амперметры обычно вход€т в состав переносных лабораторных комбинированных приборов (тестеров). »х диапазон измерени€Чот долей миллиампера до нескольких ампер, Ќабор шунтов обеспечивает изменение пределов измерени€. “очность выпр€мительных амперметров невелика (классы точности 1,5; 2,5; 4,0). ƒругим недостатком €вл€етс€ зависимость показаний от формы тока. “ермоэлектрические миллиамперметры и ампер метры примен€ютс€ на повышенных частотах (до сотен мегагерц). »х диапазон измеренийЧот нескольких миллиампер до нескольких ампер. –асширение пределов измерени€ достигаетс€ применением высокочастотных трансформаторов тока.  лассы точности 1,0; 1,5. “ермоэлектрические приборы имеют малую перегрузочную способность. Ёто €вл€етс€ их недостатком.

»змерение мощности в цеп€х посто€нного и переменного однофазного тока чаще всего производитс€ электродинамическими и ферродинамическими ваттметрами (І 2.4). Ёлектродинамические ваттметры выпускаютс€ в виде переносных лабораторных многопредельных приборов. »х классы точности 0,1Ч0,5. »зменение пределов измерени€ достигаетс€ коммутацией секций токовой катушки и подключением различных добавочных резисторов.

„астотный диапазон электродинамических ваттметров ограничен сверху частотами пор€дка нескольких килогерц. — повышением частоты индуктивное сопротивление катушек начинает вносить заметный вклад в погрешность прибора.

‘ерродинамические ваттметры обычно служат щитовыми приборами классов точности 1,5 и 2,5. »х частотный диапазон несколько уже, чем у электродинамических ваттметров, из-за погрешностей, обусловленных потер€ми в магнитных сердечниках.

Ќаправление отклонени€ стрелки зависит от направлени€ тока в обмотках ваттметров, поэтому их зажимы имеют специальную маркировку, обеспечивающую правильное подключение прибора. «ажимы, обозначенные знаком * (звездочкой), соедин€ютс€ с проводами, идущими от источника тока. «ажимы, не имеющие этого обозначени€, подключаютс€ к нагрузке.

ћощность посто€нного тока измер€етс€ также косвенноЧпри помощи амперметра и вольтметра, показани€ которых перемножаютс€ в соответствии с формулой –=IU ¬озможны две схемы включени€ приборов (рис. 2.50, а, б). ѕри измерени€х следует учитывать методическую погрешность, завис€щую от сопротивлени€ вольтметра (в схеме, представленной на рис. 2.50, а) или амперметра (в схеме, представленной на рис. 2.50, б). ƒействительно, в первом случае амперметр показывает не ток нагрузки, а сумму токов нагрузки и вольтметра, а во второмЧпоказани€ вольтметра равны не падению напр€жени€ на нагрузке, а сумме падений напр€жени€ на нагрузке и амперметре. —ледовательно, в обоих случа€х мощность, вычисленна€ на основании показаний амперметра и вольтметра, будет завышена. ѕерва€ схема обеспечивает малую погрешность, если R н << RV, втора€Чесли R н >> RA, где RV и RA Чвнутреннее сопротивление вольтметра и амперметра соответственно.

ћощность переменного однофазного тока на повышенных частотах можно измер€ть выпр€мительными ваттметрами, использующими нелинейность вольт-амперной характеристики (¬ј’) полупроводниковых диодов дл€ перемножени€ мгновенных значений тока и напр€жени€, или термоэлектрическими, которые содержат термопреобразователи, напр€жение на выходе которых также €вл€етс€ нелинейной функцией токов, протекающих через их подогреватели. ¬ыпр€мительными и термоэлектрическими ваттметрами можно измер€ть мощность в диапазоне частот до 100к√ц и 1ћ√ц соответственно. ѕогрешности измерени€ этих приборов сравнительно велики (несколько процентов). ƒл€ измерени€ мощности на повышенных частотах (до нескольких гигагерц) примен€ютс€ также ваттметры на основе эффекта ’олла.

¬ трехфазных цеп€х дл€ измерени€ как активной, так и реактивной мощности обычно используютс€ двухЧи трехэлементные ферродинамические ваттметры. ƒвухэлементные включаютс€ в трехпроводные цепи, а трехэлементныеЧв четырехпроводные. ¬ид измер€емой мощности (активна€ или реактивна€) зависит от схемы включени€ ваттметра.

»змерение частоты в электро - и радиотехнике производитс€ в диапазоне от 0 до 1011 √ц. Ќа низких частотах (от 20 до 2500√ц, но особенно в окрестности 50 и 400√ц) используютс€ электромеханические приборы: резонансные электромагнитные частотомеры (І 2.6) и частотомеры на основе электромагнитных и электродинамических (ферродинамических) логометров. »х схемы приведены на рис. 2.51. ѕринцип работы логометрических частотомеров основан на зависимости разности вращающих моментов, воздействующих на скрепленные между собой подвижные катушки 1 и 2 с токами I 1и I 1, как от частоты, так и от положени€ катушек. ќсновна€ погрешность электромеханических аналоговых частотомеров составл€ет 1Ч2,5 %. ќни имеют узкие диапазоны измерени€ и используютс€ в качестве щитовых приборов.

¬ лабораторных услови€х нередко дл€ измерени€ частоты используют осциллографы. Ёто оправдано, если к точности измерени€ не предъ€вл€етс€ жестких требований. ѕолучение фигур Ћиссажу, использование круговой развертки с модул€цией €ркости, определение частоты исход€ из измеренного значени€ периода напр€жени€Чнаиболее распространенные способы осциллографических измерений частоты.

Ёлектронные конденсаторные частотомеры примен€ютс€ дл€ измерени€ частот от 10 до 1ћ√ц. ѕринцип работы таких частотомеров иллюстрируетс€ схемой, приведенной на рис. 2.52.  онденсатор при помощи электронного ключа S переключаетс€ то на зар€д от батареи GB, то на разр€д через магнитоэнектрический измерительный механизм –ј. «а врем€ одного такого цикла через индикатор –ј будет протекать зар€д Q=—U ≈сли частота переключений равна измер€емой частоте fx, то средний ток, протекающий через индикатор, равен I ср =Qfx = —Uf x, т. е. показание индикатора пропорционально частоте. ”словием нормальной работы конденсаторного частотомера €вл€етс€ посто€нство U и .  роме того, необходимо, чтобы врем€ зар€да и разр€да было меньше периода измер€емой частоты. ”правление электронным ключом осуществл€етс€ напр€жением измер€емой частоты, которое дл€ нормальной работы схемы предварительно усиливаетс€ и приобретает форму, близкую к пр€моугольной. ќсновна€ приведенна€ погрешность таких частотомеров лежит в пределах 2Ч3%.

—емейство перечисленных выше аналоговых частотомеров дополн€ет гетеродинные чистотомеры, принцип действи€ которых основан на сравнении измер€емой частоты с частотой перестраиваемого стабильного генератора. —равнение осуществл€етс€ посредством гетеродинировани€ напр€жений сравниваемых частот.

√етеродинированиеЧэто процесс нелинейного взаимодействи€ двух напр€жений, в результате которого кроме исходных частот w 1и w 2 возникают комбинационные частоты? пw 1+ mw 2? , где п и тЧ целые числа. ¬ окрестности равенства частот w 1 и w 2по€вл€ютс€ низкочастотные (нулевые) биени€, которые удобно наблюдать на осциллографическом индикаторе. ƒостоинствами гетеродинных частотомеров €вл€етс€ возможность измерени€ очень высоких частотЧдо 100√√ц с погрешностью не хуже 10-2Ч10-3%.

—реди приборов дл€ измерени€ частоты видное место занимают цифровые частотомеры.

Ёлектронно-счетные частотомеры €вл€ютс€ цифровыми приборами. ќни основаны на счете числа периодов измер€емой частоты за некоторый, строго определенный интервал времени, т.е. используют аналого-цифровое преобразование частоты в последовательность пересчитываемых импульсов. ѕогрешность этих частотомеров в основном определ€етс€ нестабильностью формировани€ калиброванного интервала времени и погрешностью квантовани€. ѕоследн€€ уменьшаетс€ с увеличением измер€емой частоты.

Ёлектронно-счетные частотомеры €вл€ютс€ наиболее точными (относительна€ погрешность может не превышать 10-7%) и обладают всеми преимуществами цифровых приборов, поэтому они нашли широкое применение. ƒиапазон измер€емых частотЧот 10√ц до сотен мегагерц. „тобы расширить диапазон измерений в сторону низких частот, в некоторых частотомерах дополнительно вводитс€ врем€-импульсное аналого-цифровое преобразование, Ёто дает возможность с большой точностью измер€ть период низкочастотного напр€жени€. «атем следует пересчет периода в частоту при помощи микропроцессорного вычислител€. “акие частотомеры имеют нижний частотный предел 0,1Ч0,01 √ц.

¬ результате применени€ микропроцессоров в цифровых частотомерах по€вилась возможность проведени€ многократных измерений с усреднением их результатов, исключени€ некоторых систематических погрешностей, проведени€ автоматического контрол€ правильности работы прибора, работы в составе измерительного комплекса по заданной программе и т.д.

»змерение угла сдвига фаз. ћетоды измерени€ угла сдвига между двум€ гармоническими напр€жени€ми завис€т от частотного диапазона и требуемой точности измерени€. Ќа низких частотах наиболее употребительны электромеханические фазометры, построенные на основе электродинамических и ферродинамических логометров. ќднако их показани€ довольно значительно завис€т от частоты, поэтому такие фазометры используютс€ в основном на промышленных частотах 50Ч400√ц и имеют классы точности 0,5Ч2,5.

Ёлектронные аналоговые фазометры используют принцип преобразовани€ фазового сдвига во временной интервал. —труктурна€ схема такого частотомера приведена на рис. 2,53, а. Ќапр€жени€ u 1 и и 2, угол сдвига фаз между которыми требуетс€ измерить, после усилени€, ограничени€, дифференцировани€ и детектировани€ преобразуютс€ в короткие импульсы и 1? и и 2 ', управл€ющие триггером. Ќапр€жение с выхода триггера подаетс€ на цепочку, состо€щую из резистора и магнитоэлектрического прибора –ј. ѕоказани€ индикатора –ј пропорциональны среднему значению тока, протекающего через прибор. Ќо I ср =Imj x/2p, т.е. показани€ прибора пропорциональны углу сдвига фаз. Ќа рис. 2.53, б приведены временные диаграммы, иллюстрирующие принцип работы электронного фазометра. Ёлектронные аналоговые фазометры работают в диапазоне частот от дес€тков герц до единиц мегагерц. »х относительна€ погрешность составл€ет 1Ч2%.

¬ лабораторных услови€х дл€ измерени€ угла сдвига фаз можно использовать осциллограф. ћетод линейной развертки примен€етс€, если осциллограф двухлучевой. ¬ этом случае на экране получают изображение двух кривых напр€жений и 1и u 2, взаимное расположение которых несет искомую информацию. ћетод эллипса основан на том факте, что при подаче двух синусоидальных напр€жений на вертикально и горизонтально отклон€ющие пластины на экране наблюдаетс€ эллипс, форма и наклон которого завис€т от угла сдвига фаз. ѕогрешность измерени€ этими методами довольно великаЧ5Ч10%.

÷ифровые фазометры стро€тс€ на основе аналого-цифрового преобразовани€ фазового сдвига в интервал времени, т.е. используют врем€-импульсные ј÷ѕ. ќни работают в широком диапазоне частот (например, фазометр ‘2-4 от 20√ц до 10ћ√ц, ‘5126 от 1 до 150ћ√ц), имеют высокое входное сопротивление (до 1ћќм), могут работать с напр€жени€ми от нескольких милливольт до сотен вольт. јбсолютна€ погрешность измерений составл€ет доли градусов.





ѕоделитьс€ с друзь€ми:


ƒата добавлени€: 2015-05-08; ћы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 3656 | Ќарушение авторских прав


ѕоиск на сайте:

Ћучшие изречени€:

Ћучша€ месть Ц огромный успех. © ‘рэнк —инатра
==> читать все изречени€...

513 - | 491 -


© 2015-2023 lektsii.org -  онтакты - ѕоследнее добавление

√ен: 0.019 с.