Потребление энергии электроизмерительными приборами

Включение измерительного прибора в исследуемую электрическую цепь в некоторой степени изменяет ее режим работы. Это изменение вызывается тем, что работающий прибор потребляет определенную энергию. Поэтому при исследовании объектов малой мощности могут существенно исказиться результаты. Желательно, чтобы собственное потребление энергии измерительным прибором было возможно меньше.

Простейшим примером влияния собственного потребления энергии измерительными приборами на результаты измерения служит косвенное измерение сопротивления резистора (при постоянном токе) при помощи вольтметра и амперметра с вычислением по закону Ома. Для такого измерения возможны две схемы включения приборов.

В схеме на рис. 4 амперметр А измеряет ток I в резисторе с сопротивлением r, а вольтметр V — напряжение U' = U + r_AI, где r_A — сопротивление амперметpa; U — напряжение на резисторе. Следовательно, на основании закона Ома определяется сумма сопротивлений резистора и амперметра:

U ' / I = r ' + r_A

Действительное значение сопротивления резистора:

r = r '(1 - r_A / r ')

Очевидно, что ошибка измерения будет тем меньше, чем меньше сопротивление амперметра.

При измерении по схеме на рис. 5 вольтметр присоединен непосредственно к выводам резистора и показывает напряжение на резисторе, а амперметр измеряет,сумму токов в резисторе и в цепи вольтметра: I ' = I + I_V. Таким образом, в этом случае на основании показаний приборов определяется проводимость:

g' = I' / U = g + g_V = 1 / r + 1 / r_V  

где r_V — сопротивление вольтметра.

Рис. 4                                    Рис. 5

Чтобы определить проводимость объекта измерения — резистора, нужно из найденной проводимости вычесть проводимость вольтметра:

g = g' - g_V = g'(1-g_V / g')

то есть

r = r ' / (1 - r ' / r_V)

Чем больше сопротивление вольтметра r_v, тем меньше поправка к результатам измерения.

При переменном токе учет поправок осложняется тем, что сопротивления цепей переменного тока — комплексные величины.

Чем меньше мощности контролируемых цепей, тем существеннее влияние собственного потребления энергии измерительными приборами на результаты измерений.

 

Приложение 4

Мостовой метод измерения

Мостовые методы применяются для измерения параметров резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов. Для измерения параметров катушек индуктивности и конденсаторов необходимы мосты переменного тока. Для измерения сопротивлений резисторов чаще применяются мосты постоянного тока.

На рис 6 изображен четырехплечий мост постоянного тока. В одну диагональ моста включен источник постоянной ЭДС Е, а в другую диагональ при помощи ключей К₁ и К₂ может включаться гальванометр G.

Рис. 6

 

В одно плечо моста к точкам b и d присоединяется резистор с неизвестным сопротивлением r_х. В трех остальных плечах моста находятся резисторы, сопротивления которых известны и могут регулироваться.

При равновесии моста потенциалы точек b и с одинаковы (φ_b = φ_c), т. е.

r ₁ I ₁ = r ₂ I ₂;       r_xI ₁ = r ₃ I ₂.

Разделив почленно первое равенство на второе, найдем значение измеряемого сопротивления:

r_x = r ₃ r ₁ / r ₂

Схемы четырехплечих мостов переменного тока весьма разнообразны. Рассмотрим простейшие из них.

На рис. 7 приведена одна из разновидностей схемы четырехплечего моста переменного тока при разомкнутой цепи гальванометра. Изменяя параметры регулируемых элементов моста, можно совместить потенциалы точек b и с. Равновесие моста фиксируется при помощи гальванометра. Назначение ключей K₁ и K₂ то же, что и y моста постоянного тока.

Рис. 7

 

При равновесии моста:

r ₁ I ₁ = x_CI ₂;                x_LI ₁ = r ₃ I ₂

Разделив почленно одно уравнение на другое и учитывая, что x_L = ωL и x_C = 1 / ωC, получим:

L / r₁ = r₂C

Выражение показывает, что при помощи моста переменного тока можно измерять параметры индуктивного или емкостного элемента, если параметры других элементов моста известны и можно пренебречь потерями в катушке и конденсаторе.

При исследовании реальных катушек необходимо знать параметры ее эквивалентной схемы замещения, состоящей из последовательного соединения резистивного и индуктивного элементов. Параметры L_x и r_х эквивалентной схемы замещения катушки могут быть измерены при помощи моста, схема которого показана на рис. 8

При равновесии моста потенциалы точек b и с совпадают (φ_b = φ_c), откуда следует, что

L_x =L₀r₁ / r₂;                       r_x = r₀r₁ / r₂

Рис. 8

                    

                     Приложение 5

              Компенсационный метод измерения

 

Основное назначение компенсационного метода — это измерение малых ЭДС, например, термопары, и градуировка электроизмерительных приборов.

Простейшая принципиальная схема для измерения малых ЭДС показана на рис. 9 а. Вспомогательный источник регулируемого постоянного тока  (реостатом с сопротивлением ) подключен к потенциометру с сопротивлением . Разность потенциалов точек и  последнего уравновешивает измеряемую ЭДС (), а Разность потенциалов точек  и  — ЭДС образцовой меры, т.е. здесь нормального элемента (). Для компенсации измеряемой  и нормальной  ЭДС нужно перемещать подвижные контакты  и  до тех пор, пока гальванометры  и , не покажут отсутствие токов. Значение ЭДС  известно точно, поэтому после компенсации ЭДС  по отмеченному значению сопротивления  рассчитывается точное значение тока в потенциометре . Значение измеряемой ЭДС определяется из условия , в котором значения  и  отсчитываются на шкале потенциометра.

Важное преимущество компенсационного метода — возможность измерять (или использовать для управления) ЭДС объектов малой мощности.

На рис. 9 б приведена схема компенсационного метода градуировки амперметра и вольтметра. Установив положения движков потенциометров так, чтобы токи нормальных элементов равнялись нулю, и зная сопротивления потенциометров, получим соответствие между отклонениями стрелок амперметра и вольтметра и значениями измеренных токов:

              

Рис. 9

Изменяя сопротивления регулируемых резисторов  и , можно

                             

                         Приложение 6

                   Электронно-лучевой осциллограф

Электронно-лучевой осциллограф предназначен для визуальных наблюдений и записи изменяющихся во времени электрических величин: напряжения, частоты, тока, фазы.

Основной частью прибора является электронно-лучевая трубка с электрическим отклонением луча (рис.10,а). Она состоит из катода К, управляющего яркостью электрода УЭ, группы анодов А, фокусирующих электронный луч, двух пар пластин (X - X, Y - Y), отклоняющих электронный луч в соответствии с подаваемыми на них сигналами по горизонтали и вертикали, светящегося экрана Э.

Пластины Y - Y переназначены для отклонения луча в вертикальной плоскости,

X - X - в горизонтальной. Сигналы, подаваемые на платины, проходят через соответствующие усилители (вертикальный и горизонтальны каналы). При отсутствии сигнала на входе Y - Y и отключенном канале X - X электронный луч проецируется в центре экрана. Для смешения луча вертикальном или горизонтальном направлении на последнюю панель прибора соответствующие ручки ( ↔↕ ).

Рис.10.Электронно-лучевая трубка осциллографа

Для наблюдения за периодическим процессом исследуемый сигнал u(t) подводиться к вертикальным пластинам Y - Y. К горизонтальным X - X подводится пилообразное напряжение Up, период которого равен периоду исследуемого напряжения или в целое число раз больше него.

Если u (t)=0, то на экране горизонтальная линия. При u (t)≠0 на экране появится вертикальная сигнал, который изменится, пока существует напряжение развертки Up (от а до б) (рис.10,б) в точке б Up мгновенно падает до нуля, луч перемешается из точки б в точку а и процесс повторяется вновь. В результате на экране осциллографа появляется изображение исследуемого сигнала. Экран обладает световой инерцией, что позволяет видеть процессы непрерывными.

Горизонтальная развёртка формируется за счет генератора пилообразных напряжений с широким диапазоном частот, что дает возможность исследовать сигналы в диапазоне от десятков герц до десятков мегагерц.

Кроме наблюдения за периодическим процессом электронный осциллограф служит для измерений различных параметров исследуемого сигнала: его амплитуды, частоты, фазы. Это осуществляется за счет использования дополнительных устройств: источника калиброванного напряжения, стабильных генераторов, меток, проградуированных в единицах времени и т.д. При неподвижном изображении синусоидального сигнала (рис.11,а) с помощью сетки на экране осциллографа можно измерить амплитуду исследуемого сигнала (2,2 деления) и период Т (8 делений). Пусть переключатель «Усиление» стоит в положение 10мВ в делении, а «Длительность развертки» -2 мс в делении. Следовательно, амплитуда сигнала =2,2*10=22мВ, а частота сигнала f =1/Т=1/(8*2*10⁻³)=62,5Гц.

Рис.11.Измерение амплитуды и частоты сигнала с помощью калиброванных меток

Частота исследуемого сигнала может быть так же измерена с помощью фигур Лиссажу (рис.11,б). Если на вертикальные и горизонтальные входы осциллографа подать синусоидальные сигналы одной частоты, но сдвинуть по фазе 90°, то на экране будем иметь окружность.

Если угол сдвига фаз отличается от 90°, то окружность трансформируется в эллипс (1), а если угол сдвига фаз равен нулю в прямую линию (2).

Рис.12.Структурная схема осциллографа

 

 

Рис.13.Внешний вид осциллографа ОСУ-10А

Если на один из входов подать сигнал двойной частоты,то фигура будет иметь вид, показанный на рис.16,в ( ). На рис.12 приведена структурная схема осциллографа,а на рис.13-его внешний вид. Исследуемый сигнал подается вход Y (см.рис.13) и через входное устройство и усилитель Y поступает на вертикально отклоняющиеся пластины электро-лучевой трубки. На горизонтально отклоняющиеся пластины поступает сигнал с генератора развертки через переключатель П2 и усилитель X. На экране электро- лучевой трубки отображается временная диаграмма исследуемого сигнала. Для обеспечения устойчивого изображения генератора развертки синхронизируется сигналом либо от внешнего источника(внешняя синхронизация) либо от входного хода(внутренняя синхронизация).Для исследования фигур Лиссажу сигнал от эталонного генератора подается на вход X и далее через входное устройство переключатель П2 в положении “Усиление” и усилитель X на горизонтально отклоняющиеся пластины.

 

                            Приложение 7

Основные виды сигналов

При работе электротехнических устройств в их цепях протекают постоянные и переменные токи, создаваемые различными электрическими сигналами. Законы изменения сигналов во времени могут быть самыми разнообразными. Чаще всего приходиться иметь дело с гармоническими и импульсивными сигналами.

 

Гармонические сигналы

Гармоническими сигналами называют сигналы (колебания),при которых физическая величина (ток, напряжения) изменяется во времени по закону синуса иди косинуса. Графически гармонические колебания изображаются кривой- синусоидальной или косинусоидальной (рис.14);они могут быть записаны в форме.

 

 

Или

Рис.14 Гармонические колебания а)-график изменения величины тока во времени

б)-график изменения величины от фазы.

 

где i-мгновенное значение тока; - амплитуда т.е максимальное значение тока -угловая частота колебания  –фаза колебаний -начальная фаза колебаний.

 

Наименьший промежуток времени через который синусоидальная величина возвращается в первоначальное состояние,называется периодом T гармонических колебаний. Величина обратная периоду называется частотой колебаний и измеряется в герцах:

 

Импульсивные сигналы

Работа многих радиоэлектронных устройств связана с кратковременными изменениями токов и напряжений в их цепях. Кратковременными изменения токов и напряжений называют электрическими импульсами, при котором она подвергается воздействию электрических импульсов – импульсивным режимом.

Кратковременные отклонения напряжения или тока от некоторого постоянного уровня могут происходить по различным законам. Они определяют форму импульсов (рис 15): прямоугольную 1,треугольную 2, колоколообразную 3,пилообразную 4,ступенчатую 5 и др. Такие импульсы называют видеоимпульсами. Видеоимпульсы могут быть отрицательной (отрицательные) или положительной (положительные) полярности.

 

Кроме видеоимпульсов существуют радиоимпульсы. Они представляют собой пакеты (пачки) высокочастотных колебаний,огибающая которых изменяется по законам видеоимпульсов.(рис.3).

Чаще всего в импульсных устройствах применяются прямоугольные видеоимпульсы (импульсы прямоугольной формы)

 

Рис.15 Видеоимпульсы

 

Рис.16 Радиоимпульсы

 

Они характеризуются фронтом 1 вершиной 2 и спадом или срезом 3 (рис.16).

Различают одиночные,непериодические и периодические импульсы. Одиночными являются импульсы, появляющиеся настолько редко,что ко времени поступления на устройство очередного импульса оно оказывается полностью освобожденным от влияния предыдущего импульса. У периодических импульсов интервал времени между двумя любыми соседними импульсами называемый периодом повторения T есть величина постоянная. Величина,обратная периоду повторения называется частотой следования,или частотой повторения импульсов:

Интервал времени от момента появления импульса до момента его исчезновения –это длительность импульса , а интервал времени между двумя соседними импульсами – его пауза  (рис.17).Таким образом, период повторения равен сумме длительности импульса и длительности паузы:

 

 

Рис.17.Периодическая последовательность видеоимпульсов

 

Реальный импульс (рис.18 а)не имеет четко выраженных границ начала и конца. Поэтому обычно за длительность импульса принимается временной интервал, в течении которого электрическая величина (напряжение или ток) превышает 0,1 амплетудного значения. Иногда пользуются активной длительностью  , определяемой по уравнению 0,5 от амплетудного значения.

К параметрам импульса так же относятся время установления (или длительность фронта)    длительность среза(или длительность спада)  или амплитуда  

В большинстве случаев импульсы имеют не ровную,а скошенную вершину (рис 18 б).Для таких импульсов вводится понятие неравномерности вершины (спада вершины)  определяемой выражением

 

 

Рис 18.Основные параметры видеоимпульса.

 

Отношение   называют скважностью импульсов. В зависимости от назначения импульсного устройства скважность может состовлять от единиц до нескольких тысяч.

Величину,обратную скважности   называют коэффициентом заполнения.

Для периодических импульсов важным параметром является среднее значение импульса или постоянная составляющая последовательности импульсов.

Для последних выражения показывают что амплитуды тока и мощности в импульсе могут значительно (в q раз) превышать средние значения тока и мощности, потребляемые от источника питания.