Магнитоэлектрические амперметры служат для измерения силы тока малой величины в цепях постоянного тока. Они состоят из магнитоэлектрического измерительного механизма и шкалы с нанесенными делениями, соответствующими различным значениям измеряемого тока.
Электромагнитные амперметры предназначены для измерения силы протекающего тока в цепях постоянного и переменного тока. Чаще всего используются для измерения силы в цепях переменного тока промышленной частоты (50 Гц). Состоят из измерительного механизма, шкала которого размечена в единицах силы тока, протекающего по катушке прибора. Для изготовления катушки можно использовать провод большого сечения и, следовательно, измерять ток большой величины (свыше 200 А).
Термоэлектрические амперметры применяются для измерения в цепях переменного тока высокой частоты. Они состоят из магнитоэлектрического прибора с контактным или бесконтактным преобразователем, который представляет собой проводник (нагреватель), к которому приварена термопара (она может находиться на некотором расстоянии от нагревателя и не иметь с ним непосредственного контакта). Ток, проходя по нагревателю, вызывает его нагрев (за счет активных потерь), который регистрируется термопарой. Возникающее термическое излучение воздействует на рамку магнитоэлектрического измерителя тока, которая отклоняется на угол, пропорциональный силе тока в цепи.
Электродинамические амперметры служат для измерения силы тока в цепях постоянного и переменного токов повышенной (до 200 Гц) частот. Приборы очень чувствительны к перегрузкам и внешним магнитным полям. Применяются в качестве контрольных приборов для проверки рабочих измерителей силы тока. Состоят из электродинамического измерительного механизма, катушки которого в зависимости от величины максимально измеряемого тока соединены последовательно или параллельно, и градуированной шкалы. При измерении токов малой силы катушки соединяются последовательно, а большой – параллельно.
Ферродинамические амперметры прочны и надежны по конструкции, малочувствительны к воздействию внешних магнитных полей. Они состоят из ферродинамического измерительного аппарата и применяются главным образом в системах автоматических контроллеров в качестве самопишущих амперметров.
Каждый амперметр рассчитывается на некоторое определенное максимальное значение измеряемой величины. Но, часто, возникают ситуации, когда необходимо выполнить измерение некоторой величины, значение которой больше пределов измерения прибора. Тем не менее, всегда оказывается возможным расширить пределы измерения данным прибором. Для этого параллельно амперметру присоединяют проводник, по которому проходит часть измеряемого тока. Значение сопротивления этого проводника рассчитывается так, чтобы сила тока, проходящего через амперметр, не превышала его максимально допустимого значения. Такое сопротивление называется шунтирующим. Результатом подобных действий станет то, что если амперметром, рассчитанным, например, на силу тока до 1 А, необходимо выполнить измерение тока в 10 раз больше, то сопротивление шунта должно быть в 9 раз меньше сопротивления амперметра. Разумеется, при этом цена градуировки увеличивается в 10 раз, а точность во столько же раз уменьшается.
Для расширения предела измерения амперметра ( в k раз) в цепях постоянного тока служат шунты-резисторы, включаемые параллельно амперметру.
Шкалы амперметров обычно градуируют непосредственно в единицах силы тока:
амперах, миллиамперах или микроамперах. Нередко в лабораторной практике
применяет многопредельные амперметры. Внутри корпуса таких приборов размещают несколько различных шунтов, которые подключаются параллельно индикатору с помощью переключателя пределов измерений. На лицевой панели многопредельных приборов указывают максимальные значения силы тока, которые могут быть измерены при том или ином положении переключателя пределов измерений. Цена деления шкалы (если у прибора имеется единственная шкала) будет разной для каждого предела измерений. Часто многопредельные приборы имеют несколько шкал, каждая из которых соответствует определенному пределу измерений.
Вопросы для самопроверки
1. Как измерить силу тока?
2. Что такое амперметр?
3. Основные типы амперметров
4. Как подключается амперметр?
5. Назначение шунтов
Литература: [1], с.62…64
Тема 2.4 Приборы и методы измерения мощности и энергии
Методы измерения мощности и электроэнергии. Устройство, принцип действия, технические характеристики, разновидности, область применения: ваттметров и электросчётчиков. Выбор приборов для измерения мощности и электроэнергии, включение их в цепь, измерение, обработка результатов измерения. Расширение пределов измерения.
Методические указания
При изучении методов измерения мощности электрических цепей опять необходимо вспомнить закон Ома. Из выражения для мощности на постоянном токе Р = IU видно, что ее можно измерить с помощью амперметра и вольтметра косвенным методом. Однако в этом случае необходимо производить одновременный отсчет по двум приборам и вычисления, усложняющие измерения и снижающие его точность.
Для измерения мощности в цепях постоянного и однофазного переменного тока применяют приборы, называемые ваттметрами, для которых используют электродинамические и ферродинамические измерительные механизмы.
Мощность в электрических цепях измеряют прямым и косвенным способами. При прямом измерении используют ваттметры, при косвенном — амперметры и вольтметры.
В системах электроснабжения применяются измерительные приборы электрических величин. Наиболее применимыми являются амперметры, вольтметры, измерители мощности (ваттметры и варметры), счетчики активной и реактивной энергии. При выборе приборов измерения электрических величин следует учитывать род тока – постоянный или переменный.
Для измерения активной мощности применятся ваттметры. Ваттметры имеют две измерительные катушки, тока и напряжения. Момент вращения, создаваемый этими катушками, пропорционален протекающим через них токам.
Для измерения потребляемой электроэнергии применяют однофазные или трехфазные счетчики электрической энергии. Эти приборы имеют индукционные измерительные механизмы.
Ваттметр – измерительный прибор, имеющий назначение определять работу совершаемую электрическим током в единицу времени для прохождения тока через какой-либо проводник (определение мощности электрического тока или электромагнитного сигнала).
Ваттметр может определить количество ваттов необходимых для получения некоторой силы электрического света в каждую секунду времени или определить величину выполняемой работы в единицу времени каким-либо электрическим прибором. Работа совершаемая электрическим прибором в единицу времени (его мощность) определяется в ваттах и является произведением числа амперов (сила тока) потребляемых данным видом электрических потребителей на разность потенциалов (+ -) концов этой части цепи измеряемой в вольтах.
Для определения мощности электрического тока и используются ваттметры, представляющие собой не что иное, как электродинамометр. Проходящий ток распределяется на две части, одна из которых является, по сути, контролем, а вторая опытом, изменяя сопротивление на опытной части и измеряя разность потенциалов на выходе и определяется мощность электрического тока.
По назначению и диапазону частот ваттметры можно разделить на три основные категории:
– низкочастотные (и постоянного тока);
– радиочастотные;
– оптические.
Ваттметры радиодиапазона по назначению делятся на два вида: проходящей мощности, включаемые в разрыв линии передачи, и поглощаемой мощности, подключаемые к концу линии в качестве согласованной нагрузки. В зависимости от способа функционального преобразования измерительной информации и ее вывода пользователю ваттметры бывают аналоговые (показывающие и самопишущие) и цифровые.
Низкочастотные ваттметры используются преимущественно в сетях электропитания промышленной частоты для измерения потребляемой мощности, могут быть однофазные и трехфазные. Отдельную подгруппу составляют варметры - измерители реактивной мощности. Цифровые приборы обычно совмещают в себе возможность измерения активной и реактивной мощности.
Радиочастотные ваттметры образуют весьма большую и широко используемую подгруппу ваттметров радиодиапазона. Деление этой подгруппы связано в основном с применением различных типов первичных преобразователей. Выпускаемые ваттметры используют преобразователи на базе термистора, термопары или пикового детектора; значительно реже, применяются датчики, основанные на других принципах. При работе с ваттметрами поглощаемой мощности следует помнить, что из-за несогласования входного сопротивления приемных датчиков с волновым сопротивлением линии, часть энергии отражается и реально ваттметр измеряет не реальную мощность линии, а поглощенную, которая отличается от действительной.
Принцип действия термисторного преобразователя состоит в зависимости сопротивления термистора от температуры его нагрева, которая, в свою очередь зависит от рассеиваемой мощности сигнала, подаваемого на него. Измерение осуществляется методом сравнения мощности измеряемого сигнала, рассеиваемой в термисторе и разогревающей его, с мощностью тока низкой частоты, вызывающей такой же нагрев термистора. К недостаткам термисторных ваттметров относится их малый диапазон регистрации – несколько милливатт.
Расширение пределов измерения на постоянном токе по напряжению производится с помощью добавочных сопротивлений — шунтов. При измерениях на переменном токе расширение пределов производится с помощью трансформаторов тока и напряжения. При этом необходимо соблюдать правильность включения генераторных клемм ваттметра.
Измерение мощности в трехфазных трехпроводных сетях производится с помощью двух однофазных ваттметров, включенных в две фазы.
Расширение пределов измерения производится с помощью трансформаторов тока и напряжения. В этих же сетях для измерения мощности применяется трехфазный ваттметр.
В трехфазных четырехпроводных сетях измерение активной мощности производят с помощью трех однофазных ваттметров или одним трехэлементным ваттметром.
Реактивная мощность в однофазных сетях измеряется с помощью одного ваттметра, включенного по схеме, а в трехфазных — с помощью трех ваттметров.
Вопросы для самопроверки
1. Дайте определения и аналитические выражения активной и реактивной мощности.
2. Каковы методы измерения активной мощности в цепях постоянного и однофазного переменного тока?
3. Нарисуйте схему измерителя реактивной мощности.
4. Какие методы используются для измерения актив-
ной мощности и энергии в трехфазных цепях?
Литература: [1], с.58…59
Тема 2.5 Приборы и методы измерения параметров электрических цепей.
Измерение сопротивлений. Омметры. Метод вольтметра и амперметра: схемы включения, их достоинства и недостатки. Погрешности метода. Мостовые схемы. Теория одинарного моста постоянного тока. Двойной мост.
Измерение параметров конденсаторов и индуктивностей. Мостовые схемы. Резонансные схемы. Измерения методом замещения. Погрешности измерений.
Методические указания
При изучении данной темы опять необходим закон Ома, но кроме этого необходима вспомнить и законы Кирхгофа для разветвленной электрической цепи. На практике для измерения сопротивлений применяют различные методы в зависимости от характера объектов и условий измерения (например, твердые и жидкие проводники, заземлители, электроизоляция); от требований к точности и быстроте измерения; от величины измеряемых сопротивлений. При изучении теории мостов необходимо уяснить причины, препятствующие применению одинарного моста постоянного тока для измерения малых сопротивлений. Рассмотреть теорию двойного моста. В теории мостов перешитого тока необходимо рассмотреть условия равновесия, отличающиеся от условий равновесия мостов постоянного тока.
Методы измерения малых сопротивлений существенно отличаются от методов измерения больших сопротивлений, так как в первом случае надо принимать меры для исключения влияния на результаты измерений сопротивления соединительных проводов, переходных контактов.
Основными методами измерения сопротивления постоянному току являются: косвенный метод; метод непосредственной оценки и мостовой метод. Выбор метода измерений зависит от ожидаемого значения измеряемого сопротивления и требуемой точности. Наиболее универсальным из косвенных методов является метод амперметра-вольтметра.
Метод амперметра-вольтметра - основан на измерении тока, протекающего через измеряемое сопротивление и падения напряжения на нем. Применяют две схемы измерения: измерение больших сопротивлений и измерение малых сопротивлений. По результатам измерения тока и напряжения определяют искомое сопротивление.
Метод непосредственной оценки - предполагает измерение сопротивления постоянному току с помощью омметра. Измерения омметром дают существенные неточности. По этой причине данный метод используют для приближенных предварительных измерений сопротивлений и для проверки цепей коммутации.
Мостовой метод - применяют две схемы измерения - схема одинарного моста и схема двойного моста. Одинарный мост постоянного тока состоит из трех образцовых резисторов (обычно регулируемых) ,которые включают последовательно с измеряемым сопротивлением Rx в мостовую схему. Для измерения сопротивлений ниже 1 Ом используется двойной мост Томсона.
Рассмотреть возможные методы измерения индуктивностей и емкостей. Достоинства и недостатки резонансных схем измерения. Источники погрешностей. Схемы замещения, разобраться, в чем заключается их преимущество перед другими методами измерения. Приборы непосредственной оценки и сравнения - к измерительным приборам непосредственной оценки значения измеряемой емкости относятся микрофарадметры, действие которых базируется на зависимости тока или напряжения в цепи переменного тока от значения включенной в нее измеряемой емкости. Значение емкости определяют по шкале стрелочного измерителя.
Более широко для измерения параметров конденсаторов и индуктивностей применяют уравновешенные мосты переменного тока, позволяющие получить малую погрешность измерения (до 1 %). Питание моста осуществляется от генераторов, работающих на фиксированной частоте 400—1000 Гц. В качестве индикаторов применяют выпрямительные или электронные милливольтметры, а также осциллографические индикаторы.
Вопросы для самопроверки
1. Как можно измерить сопротивление в сетях постоянного и переменного тока?
2. Как измеряют сопротивление изоляции проводов?
3. Какова структурная схема прибора для измерения неэлектричёских величин?
4. Рассмотрите принцип действия, устройство и основы теории отдельных типов преобразователей.
5. Какие существуют варианты схем включения амперметров и вольтметров для измерения сопротивления?
6. Нарисуйте схему одинарного моста и укажите элементы, являющиеся источником погрешностей при измерении малых сопротивлений.
7. Какие электрические величины могут быть измерены с помощью моста переменного тока?
8. Какие существуют источники погрешностей в резонансных схемах измерения?
9. Каковы достоинства измерительных схем замещения?
Литература: [1], с.94…95
Тема 2.6 Универсальные и специальные электроизмерительные приборы
Основные параметры и типы универсальных и специальных электроизмерительных приборов, краткая техническая характеристика. Мультиметры, вольтамперметры, комбинированные приборы. Схема измерительных цепей комбинированного прибора. Цифровые мультиметры, блок-схема, переключатели рода измерений и пределов измерений. Единицы измерений. Входное сопротивление мультиметра. Измерение сопротивлений, токов, напряжений, электрических емкостей, параметров полупроводниковых приборов.
Методические указания
В предыдущих темах были рассмотрены приборы для измерения напряжения, тока, мощности и сопротивления по отдельности. В данной теме будут изучены приборы, которые сочетают в себе измерение нескольких электрических величин. Существует большое число измерительных приборов, используемых для выполнения строго определенных работ: обслуживания, тестирования кабельных линий, измерения параметров питающей сети. Каждый из них идеально подходит для выполнения специфического набора измерений, но не более того. Поэтому ремонт или наладка различных устройств невозможны без обычных измерительных приборов: мультиметров, осциллографов, универсальных и специальных генераторов, частотомеров, измерителей RLC, логических анализаторов. Сегодня большинство из этих приборов выпускается в настольной, переносной и носимой модификациях. Поэтому такой прибор всегда можно подобрать в соответствии с любыми предполагаемыми условиями работы: от лабораторных до полевых, с питанием от сети переменного тока, бортовой сети или батарей. А принципиальные отличия приборов различного исполнения касаются, пожалуй, всего двух моментов: класса точности и возможности интеграции в измерительные комплексы. Обычно носимые модификации имеют и точность похуже, и набор сервисных функций попроще, но внедрение цифровой обработки сигналов меняет эту ситуацию. область применения измерительных комплексов с компьютерным управлением ограничена, как правило, научными экспериментами и различными серийными испытаниями. Именно там важное значение имеет автоматизация процесса сбора и обработки результатов измерений. Мультиметр и осциллографы - одни из самых распространенных приборов. С каждым днем число интегрированных в них основных (предназначенных для измерения различных физических величин) и дополнительных (расчетных и сервисных) функций растет. Более того, с точки зрения своих возможностей эти приборы становятся все ближе. Осциллограф может иметь встроенный мультиметр, а мультиметр - возможность отображения измеряемого сигнала. Конечно, пока рано говорить о неком новом мультиметроосциллографе (или осцилломультиметре, если вам угодно). До этого еще далеко. Но с дальнейшим развитием элементной базы, особенно цифровых сигнальных процессоров, их появление станет неизбежным. А пока эти приборы будут по отдельности рассмотрены ниже.
Мультиме́тр (от англ. multimeter, те́стер — от англ. test — испытание, аво́метр — от АмперВольтОмметр) — комбинированный электроизмерительный прибор, объединяющий в себе несколько функций. В минимальном наборе это вольтметр, амперметр и омметр. Существуют цифровые и аналоговые мультиметры.
Мультиметр может быть как лёгким переносным устройством, используемым для базовых измерений и поиска неисправностей, так и сложным стационарным прибором со множеством возможностей.
Наиболее простые цифровые мультиметры имеют разрядность 2,5 цифровых разряда (точность обычно около 10 %). Наиболее распространены приборы с разрядностью 3,5 (точность обычно около 1,0 %). Выпускаются также чуть более дорогие приборы с разрядностью 4,5 (точность обычно около 0,1 %) и существенно более дорогие приборы с разрядностью 5 и выше. Точность последних сильно зависит от диапазона измерения и вида измеряемой величины, поэтому оговаривается отдельно для каждого поддиапазона. В общем случае точность таких приборов может превышать 0,01 %, несмотря на портативное исполнение.
Разрядность цифрового измерительного прибора, например, «3,5» означает, что дисплей прибора показывает 3 полноценных разряда, с диапазоном от 0 до 9, и 1 разряд — с ограниченным диапазоном. Так, прибор типа «3,5 разряда» может, например, давать показания в пределах от 0,000 до 1,999, при выходе измеряемой величины за эти пределы требуется переключение на другой диапазон (ручное или автоматическое).
Количество разрядов не определяет точность прибора. Точность измерений зависит от точности АЦП, от точности, термо - и временной стабильности применённых радиоэлементов, от качества защиты от внешних наводок, от качества проведённой калибровки.
Аналоговый мультиметр состоит из стрелочного магнитоэлектрического измерительного прибора, набора добавочных резисторов для измерения напряжения и набора шунтов для измерения тока. Измерение сопротивления производится с использованием встроенного или от внешнего источника. В аналоговом мультиметре результаты измерений наблюдается по движению стрелки (как на часах) по измерительной шкале, на которой подписаны значения: напряжение, ток, сопротивление. Популярность аналоговых мультиметров объясняется их доступностью и ценой, а основным недостатком является некоторая погрешность в результатах измерений. Для более точной подстройки в аналоговых мультиметрах имеется специальный построечный резистор, манипулируя которым можно добиться немного большей точности. Тем не менее, в случаях когда желательны более точные измерения, лучшим будет использование цифрового мультиметра.
Главный отличием цифрового от аналогового является то, что результаты измерения отображаются на специальном экране (в старых моделях на светодиодах, в новых на жидкокристаллическом дисплее). К тому же цифровые мультиметры обладают более высокой точностью и отличаются простотой использования, так как не приходится разбираться во всех тонкостях градуирования измерительной шкалы, как в стрелочных вариантах.
Вопросы для самопроверки
1. Какой прибор называется мультиметром?
2. Разновидности муьтиметров
3. Характеристики аналогового мальтиметра
4. Характеристики цифрового мультиметра
Литература: [1], с. 177…185
Раздел 3 Исследование формы сигналов
Тема 3.1 Осциллографы
Общие сведения и классификация электронно-лучевых осциллографов. Устройство, принцип действия, назначение, технические характеристики, структурная схема электронно-лучевого осциллографа. Использование электронно-лучевого осциллографа для наблюдения электрического сигнала, для измерения амплитуды, частоты и периода периодического сигнала. Типы осциллографов. Блок-схема электронного осциллографа. Подготовка, калибровка и измерение различных сигналов. Особенности подготовки, калибровки и измерений двухлучевыми, осциллографами-мультиметрами и осциллографами с запоминанием информации. Особенности измерения электронными осциллографами неэлектрических величин Аналоговые осциллографы, цифровые запоминающие осциллографы, цифровые люминофорные осциллографы, цифровые стробоскопические осциллографы, виртуальные осциллографы, портативные осциллографы
Методические указания
Электромеханические осциллографы широко применяются для наблюдения и регистрации быстро изменяющихся во времени величин. Что такое осциллограф? Это прибор, который предназначен для исследования всевозможных электрических сигналов путём визуального наблюдения специального сигнала, записанного на фотоленте либо на экране именно графика, а также для измерения амплитудных и временных параметров сигнала по форме графика.
Все электронно-лучевые осциллографы имеют экраны, на которых отображаются графики сигналов входных. В виде сетки на экран нанесена специальная разметка. Если применяется цифровой осциллограф, то у него изображения в виде готовой картинки выводятся на дисплей, который бывает монохромным или же цветным. У аналоговых осциллографов используется в качестве экрана электронно-лучевая трубка с, так называемым, электростатическим отклонением.
Все используемые сегодня осциллографы различаются по своему назначению, а также по способу вывода измерительной информации и, конечно, по тому, какой способ обработки входного сигнала используется.
Осциллографы для наблюдения на экране формы сигнала с периодической развёрткой. Экран может быть как электронно-лучевым, так и жидкокристаллическим. С непрерывной развёрткой осциллографы для регистрации на фотоленте кривой. Они еще называются шлейфовые осциллографы. Так же выделяют цифровые и аналоговые осциллографы
При их изучении необходимо уяснить причины, вследствие которых электромеханические осциллографы применяются лишь для исследования процессов с частотой, не превышающей нескольких тысяч герц.
Электронный осциллограф — универсальный прибор. При рассмотрении принципа действия и устройства электронного осциллографа необходимо усвоить его преимущества по сравнению с электромеханическим осциллографом. Уметь объяснить устройство, принцип действия, особенности и области применения осциллографов. Знать основные технические характеристики.
Вопросы для самопроверки
1. Области применения электромеханических осциллографов?
2. Каким способом достигается развертка кривой исследуемого напряжения в электронном осциллографе?
3. От чего зависят амплитудные и фазовые погрешности электронного и электромеханического осциллографов?
Литература: [1], с.114…138, 148…156
Тема 3.2 Приборы и методы измерения частоты и интервала времени
Методы измерения частоты и интервала времени. Устройство, принцип действия, технические характеристики, разновидности, область применения частотомеров. Измерение интервалов времени. Измерительные генераторы. Блок-схема. Генераторы R-C, L-C, на биениях, шума, стандартных сигналов, импульсные. Характеристики сигналов. Правила настройки и подключения. Согласующие устройства. Правила техники безопасности.
Методические указания
При изучении методов измерения обратить особое внимание на области их применения, на возможные точности измерений тем или иным методом.
Непосредственное измерение частоты производят частотомерами, в основу которых положены различные методы измерения в зависимости от диапазона измеряемых частот и требуемой точности измерения. Наиболее распространенными методами измерения частоты являются: метод перезаряда конденсатора, резонансный метод, метод дискретного счета , метод сравнения измеряемой частоты с эталонной. Частотомеры используются нечасто. По большей части функции встроенного в мультиметр частотомера оказывается достаточно. Но в тех случаях, когда нужен точный результат или внешнее управление, без специального прибора не обойтись. Такие частотомеры могут измерять частоту, период и скважность периодических сигналов, определять длительность интервалов, осуществлять эталонный отсчет времени. Сложные модели предусматривают возможность вычислительной обработки результатов совокупности измерений и несколько каналов для реализации сложных алгоритмов запуска счета, обработки сигналов с разными параметрами или выполнения относительных измерений.
Генераторы используется гораздо реже и, в основном, при отладке и испытаниях различных устройств. Генераторы делятся на низкочастотные, высокочастотные и функциональные. Первые формируют синусоидальный сигнал или меандр с частотой от нескольких герц до сотен килогерц, вторые - с частотами до сотен мегагерц с возможностью модулирования сигнала по заданному закону внешним или внутренним сигналом. Функциональные генераторы формируют сигналы сложной формы (синус, прямоугольник, треугольник, пила, трапеция) в диапазоне частот до десятков мегагерц с заданной скважностью, а также цифровые сигналы с уровнями ТТЛ и КМОП. Некоторые модели могут работать как генераторы качающейся частоты (по заданному закону) или формировать простейший амплитудно - или частотно-модулированный сигнал.
Метод перезаряда конденсатора за каждый период измеряемой частоты - среднее значение тока перезаряда пропорционально частоте и измеряется магнитоэлектрическим амперметром, шкала которого проградуирована в единицах частоты. Выпускают конденсаторные частотомеры с пределом измерения 10 Гц - 1 МГц и погрешностью измерения ±2%.
Резонансный метод, основанный на явлении электрического резонанса в контуре с подстраиваемыми элементами в резонанс с измеряемой частотой. Измеряемая частота определяется по шкале механизма подстройки. Метод применяется на частотах более 50 кГц. Погрешность измерения можно уменьшить до сотых долей процента.
Метод дискретного счета лежит в основе работы электронно-счетных цифровых частотомеров. Он основан на счете импульсов измеряемой частоты за известный промежуток времени. Обеспечивает высокую точность измерения в любом диапазоне частот.
Метод сравнения измеряемой частоты с эталонной - электрические колебания неизвестной и образцовой частот смешиваются таким образом, чтобы возникли биения некоторой частоты. При частоте биений, равной нулю, измеряемая частота равна образцовой. Смешение частот осуществляют гетеродинным способом (способ нулевых биений) или осциллографическим.
Решение многих радиотехнических задач связано с измерением интервалов времени. Обычно приходится измерять как очень малые (единицы пико-секунд) так и очень большие (сотни секунд) интервалы времени. Интервалы времени могут также быть не только повторяющимися, но и однократными.
Различают два основных способа измерения интервалов времени: осцилографический и цифровой.
Измерение интервалов времени с помощью осциллографа проводится по осциллограмме исследуемого напряжения с использованием «линейной» развертки. Из-за нелинейности развертки, а также больших погрешностей отсчета начала и конца интервала общая погрешность измерения составляет единицы процентов. В последние годы интервалы времени в основном измеряются цифровыми методами.
Измерения интервалов времени с помощью цифрового частотомера - измерение интервала времени Тх цифровым методом основано на заполнении его импульсами, следующими с образцовым периодом Т0, и подсчете числа Mx этих импульсов за время Тх.
Вопросы для самопроверки
1. Каковы наиболее распространенные методы измерения временных интервалов?
2. Нарисуйте структурную схему цифрового измерителя временных интервалов.
3. Какие существуют методы уменьшения погрешности?
4. Какие методы измерения частоты вы знаете?
5. Нарисуйте функциональную схему осциллографического частотомера.
6. Каковы источники погрешности измерения частоты путем заряда и разряда конденсатора?
7. Каков принцип действия волномера?
Литература: [1], с.166…177
Тема 3.3 Приборы и методы измерения фазового сдвига
Методы измерения фазового сдвига. Устройство, принцип действия, технические характеристики, разновидности, область применения фазометров.
Методические указания
Как измерить фазовый сдвиг и соs φ при помощи фазометра, какие фазометры выпускает промышленность - вот эти вопросы и рассматриваются в данной теме. Решение многих задач радиотехники невозможно без измерения наряду с амплитудой и частотой также фазового сдвига (ФС) сигналов. Фазовые методы измерений позволяют решать многие задачи, связанные с измерением дальности, координат, помехоустойчивой передачи информации и т. д.
Например, фазовые радиотехнические системы ближней навигации обеспечивают измерение дальности и координат с погрешностью 0.1–1 м, спутниковые системы глобальной навигации позволяют определять расстояние с точностью до нескольких миллиметров, угловое положение – с точностью до единиц угловых минут. Устройства на основе фазовых методов с использованием лазерной техники могут измерять малые расстояния с погрешностью 10-9 м и менее.
Понятие фазового сдвига введено только для гармонических сигналов с одинаковой частотой:
U1=Um1sin(w t+j 1) y =w t+j 0 – фаза колебания
U2=Um2sin(w t+j 2) j 0 – начальная фаза
j =y 1 - y 2=(w t+j 1)- (w t+j 2)= ê j 1-j 2ê
Фазовый сдвиг – модуль разности начальных фаз.
Знание фазового сдвига позволяет выявить причины искажения сигнала.
Условие неискаженной передачи – фазовая характеристика должна быть линейной.
Для измерения фазового сдвига применяют следующие методы: осциллографический, компенсационный, преобразования фазового сдвига в импульсы тока, метод дискретного счета и др. Измерение фазового сдвига осциллографическим методом можно реализовать способами линейной, синусоидальной и круговой разверток. Для измерения фазового сдвига компенсационным методом с осциллографической индикацией собирают измерительную установку, состоящую из однолучевого осциллографа, образцового φобр и вспомогательного φв фазовращателей.
Измерение фазового сдвига методом дискретного счета основано на формуле, в которую следует подставить вместо интервалов времени ∆T и Т соответствующее им число импульсов с постоянной частотой повторения. Прямо-показывающие фазометры такого типа называют электронно-счетными, или цифровыми, фазометрами. Имеется несколько схем цифровых фазометров, но преимущественное распространение получили интегрирующие фазометры, в которых результат измерения представляет собой среднее значение фазового сдвига за большое число периодов измеряемого напряжения. В таких фазометрах обеспечивается хорошая помехозащищенность.
Микропроцессорный фазометр - значительное расширение функциональных возможностей, повышение надежности и некоторых других характеристик фазометров обеспечиваются при их построении на основе микропроцессора, работающего совместно с измерительными преобразователями. Такие фазометры позволяют измерять фазовый сдвиг между двумя периодическими сигналами за любой выбранный период, наблюдать флюктуации подобных сдвигов и оценивать их статистические характеристики: математическое ожидание, дисперсию, среднее квадратическое отклонение. Возможно также, как и в рассмотренных выше цифровых фазометрах, выполненных по схемам с жесткой логикой работы, измерение среднего значения фазового сдвига.
Фазовый сдвиг между двумя гармоническими сигналами одной частоты можно измерить фазовым детектором.
Фазовращателем называется устройство, с помощью которого вводится в электрическую цепь известный и регулируемый фазовый сдвиг. Конструкция фазовращателя зависит от диапазона рабочих частот, для которого он предназначен.
Вопросы для самопроверки
1. Какой смысл вложен в понятие «фаза» сигнала?
2. Что называется фазовым сдвигом двух сигналов?
3. Перечислите основные методы измерения фазового сдвига.
4. В чем состоит метод линейной развертки измерения фазового сдвига?
5. На каком принципе работают компенсационные фазометры?
6. Как работает цифровой фазометр на основе микропроцессора?
Литература: [1], с. 65…67
3 . Задания для выполнения контрольной работы
Контрольная работа – это отчет студента заочника о проделанной работе по
изучению программы дисциплины «Электротехнические измерения».
Цель контрольной работы - привить навыки самостоятельной работы, выявить знания студентов по данной дисциплине и умение применять эти знания в практической работе по выбранной ими специальности.
Студенту необходимо выполнить контрольную работу в сроки, установленные учебным планом.
При выполнении контрольной работы необходимо :
1. Переписать вопрос и ответить на него как можно полнее, приводя соответствующие схемы, графики, чертежи.
2. При составлении схем все элементы необходимо выполнить в соответствии с действующими ГОСТами на условные обозначения. Рисунки должны быть пронумерованы и расположены по тексту.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 |
