РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Допущено

Министерством связи СССР в качестве учебника для техникумов связи специальностей 0701, 0706

МОСКВА «СВЯЗЬ» 1980

Кушнир Ф. В.

Радиотехнические измерения: Учебник для техни­кумов связи.- М.: Связь, 1980.- 176 е., ил.

Излагаются основы радиотехнических измерений. Рассматриваются принципы и методы измерений радиотехнических величин, характеризую­щих параметры сигналов, систем и устройств радиосвязи и радиовещания во всем применяемом диапазоне частот. Приводятся сведения о построении структурных схем измерительных приборов, погрешностях и способах их учета и уменьшения влияния. Особое внимание уделено приборам цифро­вым и выполненным на микросхемах. Приведены краткие справочные дан­ные о многих измерительных приборах.

Предназначается для учащихся техникумов связи, обучающихся по специальностям «Радиосвязь и радиовещание», «Телевизионная техника и радиорелейная связь».

30405-028 ББК 32.842

К———————————– 6-80 2402020000

045(01)-80 6Ф2.08

Рецензенты: А. М. Варбанский, В. А. Магда

Флор Васильевич Кушнир РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Промышленность выпускает большое количество первоклассных радиоизмерительных приборов для обеспечения растущих потреб­ностей хозяйства связи и других областей народного хозяйства в точных измерениях. В этих приборах широко применяются полу­проводниковые приборы, микросхемы и интегральные схемы, но­вые принципы конструирования. На этой базе интенсивно обнов­ляется парк радиоизмерительной аппаратуры общего применения. Однако большое число приборов, снятых с производства, нахо­дится и еще длительное время будет находиться в эксплуатации.

Основными направлениями развития радиоизмерительной ап­паратуры для Единой автоматизированной сети связи СССР, радиовещания и телевидения в настоящее время являются: авто­матизация и убыстрение процессов измерения с одновременным повышением точности; выполнение измерений. без перерыва свя­зи или передачи радио – и телевизионных программ; улучшение технических и эксплуатационных характеристик приборов за счет внедрения новой элементной базы и повышение их надежности. Реализация этих направлений обеспечивает повышение эффек­тивности и качества измерений, а вместе с тем, эффективности и качества радиосвязи, радиовещания и телевидения.

Предмет радиотехнических измерений, в соответствии с про­граммой, включает следующие разделы: основные метрологичес­кие понятия; краткие сведения о погрешностях измерений, спосо­бах их учета и уменьшения влияния на результаты измерения; измерение тока, напряжения и мощности в широком диапазоне частот; изучение генераторов измерительных сигналов; ­ные осциллографы; измерение фазового сдвига, частоты и интер­валов времени; измерение параметров модуляции, нелинейных ­кажений; измерения в радиотехнических цепях с сосредоточенны­ми и распределенными параметрами; измерения напряженности. электромагнитного поля и радиопомех.

Предмет изучается на классных и практических занятиях, а навыки работы с приборами и оценки погрешностей измерений приобретаются в процессе лабораторных работ. В результате ус­воения этого курса учащиеся должны овладеть главными мето­дами измерений основных радиотехнических величин, понять прин­ципы работы радиоизмерительных приборов, свободно читать принципиальные схемы и понимать протекающие в приборах фи­зические процессы, правильно выбрать в каждом конкретном слу­чае наиболее подходящий метод, способ и прибор, самостоятель­но выполнить измерение и. оценить полученного ре­зультата.

Базовыми предметами для радиотехнических измерений явля­ются: электротехника и электрические измерения, электронные приборы, электронные усилители, основы радиотехники, автома­тика и вычислительная техника. Хорошее знание этих предметов обеспечивает свободное понимание и твердое курса ра­диотехнических измерений в отведенное учебным планом время.

В. З. ОСНОВНЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ

Наука об измерениях, методах и средствах обес­печения их единства и способах достижения требуемой точности. Единообразие результатов измерений обеспечивается регламен – тированными требованиями’ к характеристикам измерительных” приборов и их поверками. Важнейшую роль играют единицы из­мерения, система которых устанавливается законодательным по­рядком. принята к<Международаня система единиц» (си­стема СИ), в основу которой положены семь основных единиц: дли­ны--метр (м), массы--килограмм (кг), времени - секунда (с), силы электрического тока - ампер (А), термодинамической тем­пературы- кельвин (К), силы света - (ад), количества вещества - моль (моль). На базе основных единиц определены производные для всех отраслей науки и техники. В нашем курсе будут использоваться следующие единицы электрических величин: .количества электричества - кулон (Кл), напряжения, потенциала, ЗДС - (В), напряженности ‘электрического поля - вольт на метр (В/м), электрического сопротивления - ом (Ом), элек­трической проводимости - сименс (См), емкости - фарада (Ф), индуктивности - генри (Гн), частоты - герц (Гц), энергии, рабо­ты, количества теплоты - джоуль (Дж), мощности - ватт (Вт).

Для относительного определения усиления, ослабления, уров­ня сигнала к помехе, несогласованности тракта передачи, нерав­номерности характеристик широко используется удобная безраз­мерная единица, основанная на десятичном логарифме отношения величин - децибел (дБ). По определению

i дБ = 10 lg А при А = Ю10 = 1,259, Pi Рг

аде Pi и Р-2 - сравниваемые мощности или другие энергетические величины;

1 дБ = 20 lg ^ =20lg А при А = Ю20 =1,12, U| 1г 11

где U и I - напряжение и ток или другие «силовые» величины.

Изменение коэффициента «10» на коэффициент «20» при пере­ходе от энергетических величин к силовым объясняется так. На­пишем выражение для мощности через напряжение или ток: P=U2/R или Р=PiR; подставим одно из них в формулу, опреде­ляющую децибел по отношению мощностей:

10lgA= 10:£/?//?!)= 101g-^+l01g-^-10lg^.

При равенстве сопротивлений, R\ и 10 lg~- = 0, поэтому

Если отношение величин больше единицы, децибелы положи­тельные, если меньше - отрицательные. Для удобства перевода отношений мощностей и напряжений (токов) в децибелы и об­ратно используются специальные таблицы.

Полезно запомнить несколько соотношений часто встречаю­щихся в радиотехнической практике:

Зная, что1 логарифмический метод сводит умножение и деле­ние к сложению и вычитанию, легко найти другие соотношения.

Примеры: 1. На вход усилителя низкой частоты подается на­пряжение 10 мВ; на выходе получается 0,5 В. Определить коэф­фициент усиления в децибелах.

К = 20 lg ^ = 20Ш50 = 20 lg 100-20 lg2 = 40-6 = 34 дБ.

2. На вход отрезка кабеля типа РК.-1 приложено напряжение 1 В, частота ‘которого 100 МГц. Определить напряжение на вы­ходе кабеля, если его затухание а на данной частоте составляет а = -0,096 дБ/м, а длина отрезка I равна 42 м. Волновое сопро­тивление кабеля и сопротивление согласованы.

Ослабление, вносимое кабелем, А = а/=-0,096-42=-4 дБ; -4 дБ=-(10-6) дБ. Из приведенной таблицы следует, что 10 дБ соответствует отношению напряжений 3,16, а 6 дБ - 2. От­сюда следует, что -4 дБ соответствует отношению 2/3,16=0,63 и напряжение на выходе кабеля равно 0,63 В.

Существует безразмерная единица, основанная на натураль­ном логарифме - (Нп); 1 Нп=8,686 дБ; 1 дБ = 0,115 Ни. Единица непер в настоящее время. ще применяется.

Метрологические термины и определения устанавливаются ГОСТ и обязательны к употреблению при выполнении измерений.

Средства измерений - технические устройства, предназначен­ные для измерений и имеющие нормированные свойства. К сред­ствам измерений относятся: мера - устройство, предназначенное для хранения и воспроизведения единицы измерения; - устройство (комплекс устройств), обеспечивающее хранение и вос­произведение единицы измерения с наивысшей точностью; изме­рительный преобразователь - устройство, предназначенное для преобразования измеряемой величины в сигнал измерительной информации, удобный для дальнейшего преобразования, переда­чи и обработки, но недоступный непосредственному восприятию наблюдателя.

Измерительный прибор - устройство, предназначенное для преобразования измеряемой величины в сигнал измерительной информации, доступный восприятию наблюдателя. Измерительный прибор состоит из одного или нескольких преобразователей и от – счетного или регистрирующего устройства. Основными свойствами радиоизмерительных приборов являются: погрешность (класс точ – 8 яости), пределы измеряемой величины, диапазон частот, входное {выходное) сопротивление, чувствительность, быстродействие, на­дежность.

Истинное измеряемой величины - значение, свобод­ное от погрешности.

Действительное значение измеряемой величины - значение, полученное в результате измерения и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть исполь­зовано вместо него.

Процесс измерения заключается в сравнении измеряемой ве­личины с единицей измерения. В результате измерения получают число, показывающее, сколько единиц измерения содержится в измеренной величине.

Прямое измерение - измерение, при котором значение изме­ряемой величины находят непосредственно по показаниям при­бора.

Косвенное измерение - измерение, при котором значение ис­комой величины находят расчетным путем на основании извест­ной зависимости между искомой величиной и величинами, ­вергаемыми прямым измерениям (например, определение сопро­тивления цепи по измеренным значениям тока и напряжения).

Метод измерения - совокупность приемов использования прин­ципов и средств измерений.

Метод непосредственной оценки - метод измерения, в кото­ром значение величины определяют непосредственно по отсчет – ному устройству прибора прямого действия.

Метод сравнения - метод измерения, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Ме­тод сравнения практически применяется в трех разновидностях:

дифференциальный метод, в котором определяют разность между значениями измеряемой X и известной У величин: Д= =X-Y, откуда Х=У+:Л;

нулевой метод, в котором разность значений доводят до нуля

метод замещения, в котором измеряемую величину, включен­ную в измерительное устройство, заменяют известной величиной без нарушения режима устройства.

Метод сравнения обеспечивает высокую точность.

Меры и измерительные приборы разделяются на образцовые и рабочие. Первые служат для поверки вторых. Погрешность об­разцовых средств должна быть, по крайней мере, в 3 раза мень­ше погрешности поверяемых.

В.4. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

Радиотехнические измерения используют также весьма широко в различных отраслях народного хозяйства. Неэлектрические величины, такие как давление, влажность, температура, линейные удлинения, механические вибрации, число оборотов и другие, можно с помощью специальных датчиков преобразовать в электрические и оценивать их, применяя методы и приборы электрических и радиотехнических измерений.
Радиотехнические измерения охватывают область электрических измерений и, кроме того, включают все виды специальных радиоизмерений.
Радиотехнические измерения используют и для оценки неэлектрических величин. Такие величины как давление, температура, влажность, механические вибрации, линейные удлинения при нагревании и др. можно преобразовать с помощью специальных датчиков в электрические и оценивать их, используя приборы и методы электрических и радиотехнических измерений. Целью же измерений является получение численного значения измеряемой величины.
Предмет радиотехнических измерений, в соответствии с программой, включает следующие разделы: основное метрологические понятия; краткие сведения о погрешностях измерений, способах их учета и уменьшения влияния на результаты измерения; измерение тока, напряжения и мощности в широком диапазоне частот; изучение генераторов измерительных сигналов; электронные осциллографы; измерение фазового сдвига, частоты и интервалов времени; измерение параметров модуляции, нелинейных искажений; измерения в радиотехнических цепях с сосредоточенными и распределенными параметрами; измерения напряженности электромагнитного поля и радиопомех.
Схема лампового вольтметра с компенсационной батареей. Особенности радиотехнических измерений напряжений и токов.
В радиотехнических измерениях часто встречаются систематические погрешности, изменяющиеся во времени. Так, высокочувствительным приборам свойственна систематическая погрешность, вызванная регулярными помехами в виде импульсного или квазигармонического сигнала, наводимого на входные цепи прибора. Для уменьшения уровня наводок принимают конструктивные меры: экранируют входные цепи, рационально выбирают точку заземления. Общий метод уменьшения влияния периодических наводок заключается в усреднении результатов измерения на некотором интервале времени. Усреднение достигается двумя способами, часто используемыми совместно: предварительной фильтрацией входного сигнала и проведением многократных измерений с последующим вычислением среднеарифметического.
При радиотехнических измерениях в диапазонах звуковых, низких и очень низких частот, главным образом, применяют С-генераторы, которые на этих частотах обладают существенными преимуществами по сравнению с LC-гене-раторами. Это объясняется тем, что элементы колебательных контуров LC-генераторов для звуковых частот слишком громоздки (прежде всего катушки индуктивности), а их параметры при изменении температуры нестабильны, что определяет низкую стабильность частоты генерируемых сигналов. Кроме того, частоту LC-генераторов в звуковом диапазоне перестраивать сложно.
В обычных радиотехнических измерениях, производимых в лабораторных условиях, полагают Тт - 292 К (примерно комнатная температура 19 С), а отношение Тш вх / 292 называют шумовым числом.
Внешний вид вольтметра ВВ-5624. При электротехнических и радиотехнических измерениях принято на приборах указывать знак незаземленного провода по отношению к земле; таким образом, здесь применяют противоположное правило знаков.
Внедрение техники радиотехнических измерений совпало с началом развития систем радиосвязи и радиоэлектроники.
Широкое использование радиотехнических измерений в различных областях радиотехники влечет за собой появление новых методов измерений и специальных измерительных приборов. Наиболее специфичными являются измерения на сверхвысоких частотах, что объясняется конструктивными особенностями колебательных систем и линий передачи энергии этого диапазона.
Степень точности радиотехнических измерений, так же как и электрических, определяется погрешностью, или ошибкой измерения.
Излагаются основы радиотехнических измерений. Рассматриваются принципы и методы измерений радиотехнических величин, характеризующих параметры сигналов, систем и устройств радиосвязи и радиовещания во всем применяемом диапазоне частот. Приводятся сведения о построении структурных схем измерительных приборов, погрешностях и способах их учета и уменьшения влияния. Особое внимание уделено приборам цифровым и выполненным на микросхемах. Приведены краткие справочные данные о многих измерительных приборах.

Коллектив отдела радиотехнических измерений (слева направо): первый ряд - инженеры Людмила Викторовна Елягина, Алексей Андреевич Сорокин, Нина Владимировна Тохтарова, Светлана Георгиевна Попова, Айдар Равиевич Гареев, второй ряд - ведущий инженер Лидия Николаевна Вдовина, инженер Зания Шахбаевна Мур-салимова, начальник отдела Наталья Вениаминовна Соловова, инженер Владислав Эминович Элчеев.
В основе радиотехнических измерений лежат как методы, используемые в технике электрических измерений, так и методы, свойственные только измерениям на высоких частотах.
В основе радиотехнических измерений токов и напряжений лежат как методы, используемые в технике электрических измерений, так и методы, свойственные только измерениям на высоких частотах.
Иногда в радиотехнических измерениях, а также при проверке градуировки некоторых радиоизмерительных приборов приходится пользоваться образцовыми емкостями, индуктивностями и сопротивлениями.
Особенно важное значение радиотехнические измерения имеют в астрономии, ядерной физике, ракетной технике и космонавтике.
Базовыми предметами для радиотехнических измерений являются: электротехника и электрические измерения, электронные приборы, электронные усилители, основы радиотехники, автоматика и вычислительная техника. Хорошее знание этих предметов обеспечивает свободное понимание и твердое усвоение курса радиотехнических измерений в отведенное учебным планом время.
Блок-схема осциллографа типа С1 - 1. Рассмотрим некоторые виды радиотехнических измерений, которые могут выполняться с помощью осциллографа такого типа.
Некоторые метрологи в области радиотехнических измерений считают энтропийную погрешность более точной и отвечающей современному информационному подходу к характеристике процесса измерения физических величин. Информационный подход позволяет с единых по - зиций анализировать измерительные устройства как в статическом, так и в динамическом режимах работы, оптимизировать технические характеристики и оценить предельные возможности тех или иных средств измерений.
С 7997 года отдел радиотехнических измерений возглавляет Наталья Вениаминовна Соловова.
В чем заключаются особенности радиотехнических измерений.
Измерение радиопомех отличается от других радиотехнических измерений наличием очень большого числа типов радиопомех, а также разнообразием видов радиосвязи, на которые эти помехи могут оказывать мешающее воздействие.
Во Всесоюзном научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) хранится государственный первичный эталон единицы температуры в диапазоне от 13 81 до 273 15 К. В этом же институте создан и хранится государственный специальный эталон единицы температуры в диапазоне от 4 2 до 13 81 К на основе температурной шкалы германиевого термометра сопротивления.
Во Всесоюзном научно-исследовательском институте физико-химических и радиотехнических измерений ведутся работы по термометрии и унификации значений свойств веществ.
Таким образом, при радиотехнических измерениях надо учитывать многие факторы, иначе невозможно получить достаточно точные результаты. Собственно, в этом и состоит умение пользоваться измерительными приборами и производить измерения.

Ампли-тудно-модулированные колебания требуются для многих радиотехнических измерений. Модулятором снабжают не все генераторы.
Важное значение имеет автоматизация процессов радиотехнических измерений, испытаний и обслуживания радиоаппаратуры.
Включение приборов для измерения токов.| Включение шунта для расширения пределов измерений прибора по току. Магнитоэлектрические приборы, применяемые для радиотехнических измерений, обычно очень чувствительны. Ток, необходимый для полного отклонения стрелки таких приборов, ничтожно мал - доли миллиампера. В этом случае через прибор проходит только часть общего тока цепи.
Регулировочно-настроечные операции базируются на основе различных электротехнических и радиотехнических измерений. Для успешного решения задач регулировки требуется знание приемов и последовательности выполнения регулировочных операций и методов измерений. В связи с этим регулировка аппаратуры поручается наиболее квалифицированным рабочим. Регулировщик должен знать основы электротехники и радиотехники, свободно разбираться в принципиальных и монтажных схемах и хорошо представлять себе принцип действия и взаимосвязь основных элементов регулируемой аппаратуры. При использовании специальных регулировочных стендов регулировщик должен в совершенстве знать их устройство и работу и уметь правильно применять стенд для обеспечения высокой точности регулировки.
Измерительные приборы, используемые в радиотехнических измерениях, называются радиоизмерительными приборами. Радиоизмерительные приборы классифицируются по видам измерений, принципу действия, условиям эксплуатации и точности.
Это чрезвычайно важный вопрос при радиотехнических измерениях и, надо сказать, весьма сложный. Ведь возникает и обратная реакция: не только измерительный прибор воздействует на исследуемые цепи, но и они могут изменить условия работы измерительного прибора.
Измерение импульсных напряжений является распространенным видом радиотехнических измерений. Очень часто при настройке и регулировке импульсной аппаратуры используются осциллографические методы измерений, которые позволяют не только измерять параметры импульсов, но и наблюдать одновременно их форму. Наличие в осциллографе калибратора с плавной регулировкой выходного напряжения позволяет использовать следующие методы измерений амплитудных параметров импульсных сигналов: калиброванной шкалы, сравнения и компенсационный.
Схема резонансного волномера, связанного с контуром для измерения в последнем частоты тока. Подтвердим последнее на следующем примере из практики радиотехнических измерений.
Следует отметить, что в силу особенностей радиотехнических измерений и различных требований к точности измерений погрешность радиоизмерительных приборов и измерений колеблется в значительных пределах.
В январе 2000 года в отдел поверки радиотехнических измерений переходят Л.Н. Вдовина, А.А. Сорокин, С.Г. Попова, чтобы в новом подразделении выполнять государственный метрологический контроль.
Форма подвижной пластины логарифмического конденсатора.| V. а Последовательная эквивалентная схема конденсатора о потерями, б векторная диаграмма для нее. Это свойство логарифмического конденсатора оказывается ценным при радиотехнических измерениях.

Для правильного монтажа и регулировки такой аппаратуры необходимы самые разнообразные радиотехнические измерения, в результате которых количественно оцениваются какие-либо величины. Измеряемая величина сравнивается с единицей измерения с помощью измерительных приборов, которые в свою очередь сравниваются с эталоном путем градуировки.
Для студента, приступающего к изучению принципов и методов основных радиотехнических измерений, вполне достаточно тех знаний об источниках питания, используемых при радиоизмерениях, которые известны ему из ранее пройденных курсов.
Характерной особенностью технологии регулировоч-но-настроечных операций является большое разнообра зие электрических и радиотехнических измерений. В процессе регулировки радиоаппаратуры или ее составных частей (каскадов), как правило, обнаруживаются и устраняются различные неисправности, не замеченные или пропущенные при контроле, например: неправильный монтаж, плохое качество пайки, отсутствие токо-проводимости через контактное соединение, а также дефекты в виде недоработки самой схемы.
Воспроизведение формы колебаний является важной задачей, решаемой в радиотехнических измерениях, поскольку по форме можно сразу оценить многие параметры колебаний. Для воспроизведения формы колебаний служат осциллографы.
Рассматриваемая аппаратура объединяет приборы, используемые как автономно при различных радиотехнических измерениях, так и в составе комплектов, установок и систем при специализированных частотно-временных измерениях. Синтезаторы частот и дополнительные приборы, расширяющие возможности синтезаторов частот, применяют для измерения параметров высокостабильных по частоте сигналов, контроля характеристик четырехполюсников и узкополосных трактов радиотехнических устройств, анализа спектра радиосигналов, калибровки частотных шкал приемников и передатчиков.
Учебное пособие предназначено для учащихся средних специальных заведений по специальностям Радиотехнические измерения, Электротеплотехнические измерения:, Механические измерения, а также может быть использовано специалистами, работающими в области измерительной техники.
ВНИИФТРИ-54 была установлена в 1954 г. во Всесоюзном научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений. В области от 10 7 до 94 9 К термодинамические тем-ры были нанесены на четыре платиновых термометра. Тем - pa кипения кислорода была принята в этой шкале равной 90 19 К.
Общим недостатком реактивных делителей тока, ограничивающим их использование в радиотехнических измерениях, является значительное падение напряжения на измерительном устройстве.
Студентам радиотехнических факультетов втузов связи наряду с другими дисциплинами читается курс радиотехнических измерений. Предлагаемая вниманию читателей книга написана по программе этого курса.
Погрешности резонансных схем и способы их уменьшения рассматриваются в литературе по радиотехническим измерениям.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Московский государственный университет сервиса

поволжский технологический институт сервиса

Кафедра «Сервис бытовой РЭА»

Ю.Г. Тетенькин

Учебное пособие

по дисциплине

«Метрология и радиоизмерения»

для студентов дневной и заочной форм обучения

специальности 2302.00 «Сервис бытовой РЭА»

Одобрено учебно-методическим советом института

Тольятти 2005г.

Метрологические основы измерений в радиотехнике

1. Понятие об измерениях. Термин о логия и определения

Измерения - это познавательный процесс, заключающийся в сравнении опытным путём измеряемой величины с некоторым её значением принятым за единицу измерения. Этот процесс можно разбить на несколько этапов:

- воспроизведение единицы физической величины (метр, Герц, Ом и пр.);

- преобразование измеряемой величины (для величин у которых воспроизведение меры затруднительно, например, при измерении температуры возможны следующие преобразования: температура- сопротивление- напряжение);

- непосредственное сравнение измеряемой величины с единицей воспроизводимой меры;

- фиксация результата измерения в виде числа.

Электрорадиоизмерения, как и другие виды измерений, основаны на метрологии - науке об измерениях, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. В РФ как и в других странах существует развитая метрологическая служба, которая решает основные задачи:

- испытание новых типов приборов,

- надзор за состоянием и правильным использованием измерительной техники в народном хозяйстве.

Основные термины и определения теории и практики измерений даны в ГОСТ 16263- 70 "Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Термины и определения".

Метрологические характеристики средств измерений - это характеристики свойств средств измерений, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений. К нормируемым метрологическим характеристикам средств измерений относят погрешность прибора, пределы измерений, цену деления шкалы или единицы младшего разряда, входное сопротивление, рабочий диапазон частот и пр. Технические средства измерения, имеющие нормированные метрологические характеристики, называют средствами измерений.

В зависимости от назначения средства измерения делят на три разновидности:

Средства измерений, в виде тела или устройства, предназначенные для хранения и (или) воспроизведения физической величины данного размера, называются мерой (например, кварцевый генератор - мера частоты электрических колебаний, нормальный элемент- мера напряжения).

Измерительный преобразователь - это средство измерений, вырабатывающее сигнал измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования или хранения, но неподдающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Измерительный прибор - это средство измерения, вырабатывающее сигнал измерительной информации в форме, доступной для непосредственного наблюдения оператором.

Из данных определений следует, что основное отличие измерительного прибора от измерительного преобразователя заключается в наличии устройства визуального отображения информации.

Следует различать два понятия "проверка " и "поверка" средств измерений. Первый термин обеспечивает оценку приборов с точки зрения их работоспособности (наличие выходных сигналов, возможности их регулировки, качество работы АРУ и т.д.), второй - позволяет оценить метрологические характеристики приборов и соответствие их сопроводительной технической документации (класс точности, погрешности измерения, диапазон регулировки, входное сопротивление и пр.).

В зависимости от метрологических функций средства измерений можно разделить на эталоны, образцовые средства измерений и на рабочие средства измерения.

Эталоном физической величины называется средство измерений, обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы с целью передачи её размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и официально утверждённое в качестве эталона.

Различают: (первичный эталон, вторичный эталон, государственный эталон, эталон свидетель, эталон копия, рабочий эталон.).

Образцовые средства измерения - это средства измерения, служащие для поверки по ним других средств измерений и утверждённые в качестве образцовых.

Рабочие средства измерения- это средства измерения, не связанные с поверкой (передачей размера единиц). К ним относятся все приборы, используемые в повседневной практике.

Упрощенная поверочная схема представлена на рис.1.

Образцовые меры

Эталон-свидетель

Эталон-копия

Рабочий эталон

1го разряда

2го разряда

3го разряда

4го разряда

Первичный эталон

Вторичный эталон

Наивысшей точности

Высшей точности

Высокой точности

Средней точности

Низшей точности

Рабочие меры и приборы

В результате практической работы встречаются со следующими видами измерений:

Прямые измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Например, измерение напряжения или тока.

Косвенные измерения - это измерения, в которых измеряемая величина определяется как функция результатов других прямых измерений. Например, измерения коэффициента усиления, мощности, входного сопротивления, емкости.

Совокупные измерения - здесь измеряемая величина определяется при повторных измерениях различных сочетаний одной и той же физической величины с решением системы уравнений, составляемых по частным результатам измерений. Например, определение взаимоиндуктивности между катушками путем двукратного измерения их общей индуктивности.

Совместные измерения - это измерения нескольких неоднородных величин с целью определения зависимости между ними.

Например, определение температурных коэффициентов терморезистора при

предусматривает измерение сопротивления и температуры.

Следует отметить, что на практике наиболее часто встречаются первые два вида измерений.

Метод измерения - совокупность приемов использования принципов (физических явлений, на которых основано данное измерение) и средств измерений.

Классификация методов измерений

Метод непосредственной оценки - размер измеряемой физической величины определяется непосредственным сравнением с воспроизводимой мерой.

Метод сравнения. Этот метод реализуется следующими системами:

Дифференциальный метод - измеряемая величина определяется по разности между измеряемой величиной и мерой (неуравновешиваемые мосты).

Нулевой метод (метод компенсации) - результирующий эффект сравнения доводят до нуля соответствующим изменением размера величины, воспроизводимой мерой (уравновешиваемые мосты).

Метод замещения - измеряемую величину замещают воспроизводимой мерой, равной измеряемой величине, что определяется по сохранению режима в измеряемой цепи (измерение сопротивления магнитной головки магнитофона).

Метод совпадений - значение измеряемой величины определяют по совпадению признаков, относящихся к измеряемой и известной величинам (отметок шкалы, сигналов и других признаков).

2. Единицы измерений

Единица измерения - это такое значение физической величины, которому присвоено числовое значение равное 1.

В СССР с 1 января 1980г. введён в действие СТ СЭВ 1052 - 78 "Метрология. Единицы физических величин", которым установлено обязательное применение Международной системы единиц SI (СИ- принята в 1960г. XI Генеральной ассамблеей по мерам и весам).

Система единиц СИ построена на 7 основных единицах.

		Килограмм
		Секунда
Сила тока
Термодинамическая температура		Кельвин
Сила света		Кандела
Количество вещества
и 2х дополнительных:
Плоский угол
Телесный угол		Стерадиан

В радиотехнике так же широкое применение находят и внесистемные безразмерные логарифмические единицы. Они служат для оценки усиления, ослабления, отражения и других характеристик радиотехнических устройств.

Единица, основанная на применении десятичного логарифма (lg) называется децибел, единица, основанная на применении натурального логарифма (ln)- Непер.

При измерении мощности

при измерении напряжений

Размещено на http://www.allbest.ru/

В радиоизмерениях применяются следующие виды уровней сигналов:

Абсолютно нулевые уровни - это уровни принятые за начало отсчёта. За абсолютно нулевой уровень по мощности принят 1мВт на сопротивлении R0 = 600 Ом. Используя зависимость Р от I и U можно определить абсолютно нулевые уровни тока и напряжения:

Таким образом, абсолютно нулевой уровень на сопротивлении обеспечивается при и.

Абсолютные уровни - это уровни в произвольной точке цепи, относительно абсолютных нулевых уровней.

Относительные уровни - это уровни, отсчитанные от начальных, принятых за начало отсчёта. Например, усилительного каскада по напряжению составляет 40 дБ, что обеспечивает усиление

Другими словами

Измерительные уровни - это абсолютный уровень в любой точке цепи, если на его вход подан нулевой уровень по напряжению.

3. Особенности электрорадиоизм е рений

Название электрорадиоизмерения (электронные измерения) отражает два обстоятельства:

Целевое назначение - измерения в электронике и других областях, использующих электронные устройства и системы:

Выполнение измерений на основе методов электронной техники и радиотехники, построение измерительных приборов на основе электронных компонентов.

Измерения в процессе производства и ремонта РЭА можно разделить на следующие основные группы:

Измерения параметров сигналов

Измерения величин, характеризующих условия передачи сигналов

Измерения параметров отдельных элементов РЭА

Измерение характеристик, определяющих свойства аппаратуры и её трактов

Поверка средств измерений

Определение характера и места повреждений.

Электрорадиоизмерения обладают рядом существенных особенностей по сравнению с другими видами измерений:

Большое число измеряемых параметров,

Широкий диапазон используемых частот (от 10-3- геология, медицина до 1010- спутниковое телевидение);

Большой диапазон измеряемых величин (емкость 10-12-102Ф, сопротивление 10-3- 1014Ом);

Высокая точность и быстродействие;

Малый отбор мощности от объекта измерения;

Удобство визуального отсчета и относительная простота использования средств вычислительной техники для улучшения качества измерений.

Все измерения при производстве и ремонте РЭА можно условно разделить на:

Лабораторные измерения (при разработке и исследовании новых процессов и устройств)

Эксплутационные и приёмосдаточные (на заводах) измерения

Измерения в процессе ремонта РЭ

Поверка измерительных приборов и мер.

Погрешности измерений

1. Классификация погрешностей

Отклонение результата измерения от истинного значения называют погрешностью измерения.

Погрешности измерения можно классифицировать по различным признакам.

В соответствии со слагаемыми процесса измерения различают:

- погрешность воспроизведения меры,

- погрешность воспроизведения,

- погрешность сравнения,

- погрешность фиксации результата.

В зависимости от источника возникновения погрешности измерений делят на:

- методическую погрешность - обусловленную несовершенством метода измерения (измерение сопротивления с помощью делителя напряжения)

- аппаратурную (инструментальную) погрешность - обусловленную влиянием применяемых средств измерения. Зависит от схемы включения и качества измерительных приборов (преобразователей)

- внешнюю погрешность - обусловленную внешними по отношению к прибору воздействиями

- субъективную погрешность - зависит от особенностей экспериментатора

В соответствии с условиями применения средств измерения разделяют на:

- основную погрешность, которая имеет место при нормальных условиях эксплуатации, оговоренных в ГОСТе или в технических условиях (ТУ) на средство измерения.

- дополнительную погрешность, которая появляется при отклонении условий эксплуатации средств измерений от нормальных, соответствующих ТУ или ГОСТ.

По закономерности появления различают:

Систематическую погрешность - это погрешность, которая остается постоянной (по величине и знаку) или проявляющуюся с определённой закономерностью при повторных измерениях одной и той же величины. Способ борьбы с систематической погрешностью - устранение источника погрешности, предварительное их изучение и введение поправок. Поправка - это величина погрешности с противоположным знаком.

- случайные погрешности - это погрешности, которые изменяются случайным образом при повторных измерениях одного и того же значения физической величины. Их характеризуют вероятностными характеристиками. Способ борьбы - статистическая обработка результатов измерения, например, усреднение.

- грубые погрешности (промахи) - их отбрасывают и не учитывают. Способ борьбы - применение "закона 3у".

По способу выражения различают следующие разновидности погрешностей измерений:

- абсолютная погрешность измерения

где - измеренное значение, - истинное значение измеряемой величины.

- относительная погрешность измерения

2. Погрешности электроизмер и тельных приборов

По способу выражения в измерительных приборах различают абсолютную, относительную и приведённую погрешности. Первые две погрешности аналогичны рассмотренным выше:

- абсолютная погрешность прибора Д=Хп -Х. Здесь - показание прибора, Х- истинное значение измеряемой величины;

Относительная погрешность определяется как

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Поскольку часто истинное значение неизвестно, то часто используют более удобную запись

Приведённая погрешность - есть выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению L (выбор L регламентируется ГОСТ 13600-68):

Для приборов с нулевой отметкой на краю или вне шкалы нормирующее значение L равно конечному значению диапазона измерений Хк. Если нулевая отметка находится посредине шкалы, то L равно арифметической сумме конечных значений шкалы без учёта знака.

У реальных приборов зависимость абсолютной погрешности от измеряемой величены Х может быть представлена некоторой полосой неопределённости. Эта полоса обусловлена случайной погрешностью и изменением характеристик приборов в результате действия влияющих величин и процессов старения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Поэтому значение абсолютной погрешности, ограничивают двумя прямыми, симметричными относительно оси абсцисс, расстояние между которыми увеличивается с ростом измеряемой величины Х.

Уравнение прямой 1 можно записать в виде:

где а - предельное значение аддитивной погрешности, bx - предельное значение мультипликативной погрешности.

Абсолютные значения аддитивной погрешности не зависят от измеряемой величины Х, а мультипликативные прямо пропорциональны величине Х.

Источники аддитивной погрешности - это трение в опорах, неточность отсчёта, шум, наводки, вибрации. От этой погрешности зависит наименьшее значение величины, которое может быть измерено прибором. Причины мультипликативной погрешности - влияние внешних факторов и старение элементов, узлов приборов.

Предельное значение относительной погрешности прибора, связано с предельным значением абсолютной погрешности зависимостью

Согласно ГОСТ в соответствии со значением приведённой погрешности средствам измерений присваиваются классы точности.

Класс точности - это обобщённая характеристика прибора, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей.

У приборов, аддитивная погрешность которых резко преобладает над мультипликативной, все значения погрешностей оказываются в пределах двух прямых параллельных оси Х (прямые 2) рис.2.

В результате допускаемая абсолютная и приведённые погрешности прибора оказываются постоянными в любой точке его шкалы. У таких приборов класс точности равен максимальному значению приведенной погрешности, выраженной в процентах и округленной до ближайшего большего значения из ряда чисел: ;; ; ; ; ; , где Например, классы точности на амперметры и вольтметры, установленные ГОСТ 8711-78: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0 и 5,0.

У приборов, класс точности которых выражается одним числом, основная приведённая погрешность, выраженная в %, не превышает значения, соответствующего класса точности.

Класс точности приборов, у которых аддитивная и мультипликативная составляющие основной погрешности соизмеримы, обозначается в виде двух чисел разделённых косой чертой, например 0,1/0,05. К приборам, класс точности которых выражается дробью относятся цифровые приборы, мосты сравнения и т.д.

Предельное значение основной относительной погрешности прибора, выраженное в процентах, в этом случае может быть определено по формуле:

Здесь Ак - конечное значение диапазона измерений (предел измерений), Ах- измеренное значение.

3. Случайные погрешности

Случайные погрешности - это погрешности, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Их нельзя исключить опытным путём, т.к. они происходят от одновременного влияния на результат измерения ряда величин случайного характера (внешних воздействий). Кроме этого, в случайную погрешность входят и случайные погрешности средств измерений.

Уменьшение влияния случайных погрешностей на результат измерений достигается путём усреднения многократных измерений величины в одинаковых условиях.

Из теории вероятностей известно, что наиболее полно случайные величины описываются законами распределения вероятностей. В практике электрических измерений одним из наиболее распространённых законов является нормальный закон (распределение Гаусса).

Функция распределения для нормального закона (рис.3) выражается зависимостью

где - функция распределения плотности вероятности случайной погрешности

у- среднеквадратическое отклонение,

D=у2 - дисперсия, характеризующая рассеивание случайной погрешности относительно центра распределения.

График показывает, что чем меньше у, тем чаще встречаются погрешности малой величины (тем точнее выполнены измерения).

В общем случае вероятность появления погрешности со значением от до определяется площадью заштрихованного участка на рис.3 и может быть вычислена по формуле:

Следует учесть, что эта функция нормирована, т.е.

поэтому кривые у1 и у2 всегда имеют форму, обеспечивающую равенство 1 площадей под этими кривыми.

Интервал от до называется доверительным, а соответствующая вероятность - доверительной вероятностью. Следовательно, доверительный интервал- это интервал, в пределах которого находится искомая величина с вероятностью, называемой доверительной.

Если ввести нормированную случайную величину, то правая часть преобразуется в функцию Лапласа, часто называемую интегралом вероятности:

Он табулирован и его график представлен на рис.4

Размещено на http://www.allbest.ru/

Если задана некоторая вероятность, то найдя можно определить погрешность по формуле. Эта погрешность и будет определять величину доверительного интервала.

Табулированные значения функции показывают, что вероятность появления погрешности Д в интервале от до составляет 0,9973. Вероятность появления погрешности большей чем равна (1 - 0,9973) = 0,0027 ? 1/370. Это означает, что только одна из 370 погрешностей (т.е. примерно 0,3% их числа) будет больше по абсолютному значению.

Погрешность принимают за максимальную погрешность. Погрешности больше, считаются промахами и при обработке результатов измерений не учитываются (отбрасываются). Часто это условие называют "законом 3у", т.е. если выполняется условие

то считается, что в этом случае в результатах измерений промахов нет (с вероятностью 0,3%).

Статистическая обработка результатов измерений

Числовые вероятностные характеристики погрешностей определяются при бесконечном числе опытов. В практике измерений n всегда конечно, поэтому пользуются статистическими числовыми характеристиками, которые называют оценками характеристик. Чтобы подчеркнуть различие между формулами вероятностных характеристик и их оценок, последние отмечают знаком " ? ".

Для решения многих задач не требуется знания функции и плотности распределения вероятностей, а вполне достаточными характеристиками случайных погрешностей служат их простейшие числовые характеристики: математическое ожидание m (истинное значение) и среднеквадратическое отклонение (дисперсия), характеризующее точность измерений. Если же известно, что распределение погрешностей гауссовское, то эти величины являются исчерпывающими характеристиками.

Рассмотрим алгоритм статистической обработки результатов измерений некоторой физической величины (например, напряжения, тока, сопротивления и т.д.).

Производят n однократных равноточных измерений в результате которых получают ряд случайных значений х1, х2,…, хi,.., хn. Требуется определить, в каких пределах находится истинное значение измеряемой величины.

1. За оценку математического ожидания (истинного значения) принимают среднее арифметическое значение:

2. Оценка среднеквадратического отклонения абсолютных отклонений каждого из измерений определяется по формуле:

где - абсолютное отклонение (погрешность) отдельного i-го измерения.

Для того, чтобы убедиться в отсутствии промахов, используем "закон 3у1". Выбрав из n значений Дi наибольшее, проверим выполнение соотношения (2). Если соотношение не выполняется, то результат(ы) измерения, соответствующий выбранной Дi исключается и повторяются п.п.1,2.

3. Погрешность усредненного результата n измерений будет ниже, т.к. часть погрешностей Дi взаимоуничтожится. Она характеризуется оценкой среднеквадратического отклонения среднего арифметического значения

4. Задавшись доверительной вероятностью Р, определим доверительный интервал, в пределах которого находится истинное значение измеряемой величины. Для нормального закона распределения доверительный интервал по заданной доверительной вероятности (и наоборот) определяется при помощи таблицы интеграла вероятности Ф(Z)=Р. Границы доверительного интервала можно вычислить по формуле

In = хср Д = хср z

Таким способом вычисляется доверительный интервал лишь тогда, когда имеется априорная информация о гауссовском характере распределения результатов измерения. При малом числе измерений n? 15 доверительный интервал определяется не через, а через tnб - параметр распределения Стьюдента. Это распределение зависит только от числа измерений n, но не от значений хср и.

Задавшись доверительной вероятностью б и зная n по таблицам можно определить коэффициент. Далее по коэффициенту и по величине можно определить ширину доверительного интервала Д:

Границы доверительного интервала определяются по формуле

In = хср Д = хср

Из сравнения двух вариантов определения доверительного интервала видно, что при малом количестве измерений распределение Стьюдента несколько расширяет интервал, в пределах которого может находиться истинное значение величины х. При n=15 и более, величины доверительных интервалов сравниваются и вычисления можно проводить любым способом.

4. Суммирование погрешностей

Очень часто стоит задача определения суммарной погрешности прибора, состоящего из нескольких блоков.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рассмотрим самый общий случай, когда каждый из блоков обладает как систематической, так и случайной погрешностью.

Систематические погрешности суммируются алгебраически с учётом их знаков, при этом суммарная погрешность является модулем полученной суммы

Случайная погрешность измерительного устройства, состоящего из блоков с независимыми случайными погрешностями каждого блока, находится путём геометрического сложения

При наличии случайных и систематических погрешностей общая погрешность измерения находится как их геометрическая сумма

Допускается исключение из рассмотрения так называемой ничтожной погрешности, которой называется слагаемое (слагаемые) со значением, меньшим 30% суммарной погрешности.

Измерение тока и напряжения

1. Характеристики измеряемых величин. Методы измер е ния

Напряжение постоянного тока и постоянный ток характеризуются величиной и полярностью.

Переменный ток и напряжение промышленной частоты имеют синусоидальную форму и характеризуются следующими значениями:

Мгновенным значением.

Максимальным (амплитудным, пиковым) значением.

Постоянной составляющей.

Средневыпрямленным значением,.

Среднеквадратическим (действующим, эффективным) значением, .

Мгновенное значение тока (напряжения) - это значение сигнала в заданный момент времени Оно может наблюдаться на осциллографе и быть вычислено по осциллограмме для каждого момента времени.

Максимальным значением напряжения (тока) называют наибольшее мгновенное значение напряжения на протяжении периода Т.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пиковое отклонение “вверх” и “вниз” - это соответственно наибольшее и наименьшее мгновенные значения переменной составляющей сигнала на протяжении заданного периода Т.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разность между максимальным и минимальным значениями сигнала на протяжении заданного периода называется "размахом" напряжения

Постоянная составляющая (среднее значение) напряжения (тока) является среднеарифметическим мгновенных значений на протяжении периода Т.

Величину постоянной составляющей сигнала за период можно найти и графически. Для этого необходимо из площади, находящейся над осью абсцисс, вычесть площадь под осью абсцисс и полученную разность разделить на период. Иначе: ось времени надо переместить так, чтобы площади, занимаемые кривой напряжения над и под осью абсцисс, были равными.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Отсюда следует, что у всех электрических сигналов, симметричных относительно оси абсцисс (например, синусоидальный сигнал), постоянная составляющая равна 0.

Пример 1. Определить постоянную составляющую сигнала (напряжения), приведенного на рисунке

Размещено на http://www.allbest.ru/

а) используем графический способ: размах амплитуды сигнала составит. Учитывая, что для "синуса" размах, получим,

Следовательно постоянная составляющая сигнала равна, а функция имеет вид

б) определим расчётным путём:

т.к. интеграл от синуса любого угла за период равен нулю, получим

Средневыпрямленное значение - определяется как среднее арифметическое из модуля мгновенных значений

При однополярных напряжениях постоянная составляющая равна средневыпрямленному значению (см. ф-лы 3 и 4). Для разнополярных напряжений эти два параметра различны. Так известно, что для гармонического напряжения. Рассчитаем для такого сигнала:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Следовательно, для гармонического сигнала при двухполупериодном выпрямлении

Среднеквадратическим (действующим) значением напряжения является корень квадратный из среднего значения квадрата мгновенных значений

Подставляя в формулу (5) и используя подстановку можно получить для гармонического сигнала

Связь между амплитудой (максимальным значением) и среднеквадратическим значением при любой форме изменения мгновенных значений определяется формулой

где - коэффициент амплитуды. Для синусоидального напряжения.

Между среднеквадратическим и средневыпрямленным значениями напряжения существует связь

Коэффициент формы. Для синусоидального напряжения можно получить

Подставляя в формулу (7) формулу (6) получим зависимость между амплитудным и средневыпрямленными значениями гармонического сигнала

При определении среднеквадратического напряжения для сигналов несинусоидальной формы пользуются той же формулой (5) подставляя в качестве подынтегральной функции заданную форму напряжения.

Однако, для определения среднеквадратичного значения можно заданное напряжение разложить в ряд Фурье, определив среднеквадратическое значение каждой гармоники Ui и постоянную составляющую U0. Тогда среднеквадратическое значение несинусоидального напряжения Uск составит

Средневыпрямленное значение находят по формуле (4), а максимальное значение по формулам (6) и (8).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для некоторых часто встречающихся форм напряжения известны и табулированы их значения и. Например, для напряжения пилообразной формы можно получить при подстановке u(t)=t:

Пример 2. Рассмотрим определение значений Uск, для импульсных напряжений:

Размещено на http://www.allbest.ru/

где - скважность импульсов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

подставляя Um=Uск, получим

Следовательно, постоянная составляющая равна или

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для импульсных однополярных сигналов

2. Общие свойства электромехан и ческих приборов

Любой электромеханический прибор состоит из 2х узлов - из измерительного преобразователя и измерительного механизма.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Измерительный преобразователь преобразует измеряемую величину Х в некоторую промежуточную электрическую величину Y , связанную с Х известной функциональной зависимостью.

Измерительный механизм является преобразователем подведённой к нему электрической энергии в механическую, необходимую для перемещения его подвижной части относительно неподвижной.

В зависимости от вида преобразователя различают приборы, которые условно обозначают следующим образом:

Размещено на http://www.allbest.ru/

- магнитоэлектрическая система

Размещено на http://www.allbest.ru/

- электромагнитная система

Размещено на http://www.allbest.ru/

- электродинамическая система

Размещено на http://www.allbest.ru/

- электростатическая система.

Любой механизм измерительной системы состоит из подвижной и неподвижной части, на которые действуют механические силы, пропорционально измеряемой величине. Эти силы создают вращающий момент М, поворачивающий подвижную систему в сторону возрастающих показаний указателя (стрелки).

где Wэ - полная энергия, сосредоточенная в измерительном механизме,

- угол отклонения стрелки.

В общем случае

Под действием вращающего момента М стрелка отклоняется. Для того, чтобы каждому значению измеряемой величины соответствовало лишь одно значение указателя в измерительном механизме создаётся противодействующий момент, направленный навстречу вращательному моменту. Противодействующий момент можно получить за счёт механических (обычно это специальные спиральные пружинки, служащие так же в качестве токоподвода) или электрических сил.

Механический противодействующий момент равен

где W - удельный противодействующий момент, зависящий от свойств упругого элемента.

Стрелка прибора прекращает своё движение когда наступает равенство моментов. В некоторых приборах - создаётся за счёт сил электрического происхождения, такие приборы называют логометрами.

В любом измерительном приборе имеется ещё устройство, предназначенное для ускорения процесса затухания колебаний подвижной части прибора. Это устройство создаёт момент ускорения:

где р - коэффициент успокоения, зависящий от типа и конструкции успокоителя,

- угловая скорость перемещения подвижной части.

Наиболее распространёнными на практике являются воздушные, жидкостные и индукционные успокоители.

Для оценки качеств электроизмерительных приборов вводят следующие параметры:

Чувствительность прибора - это способность прибора реагировать на изменение измеряемой величины. Она оценивается отношением изменения величины на выходе прибора к изменению величины Х на входе

Если шкала равномерная, то

Различают чувствительность по току, по напряжению и по мощности. Величина обратная чувствительности прибора называется постоянной прибора С.

где n - число делений шкалы прибора.

Точность прибора характеризуется величинами (абсолютная погрешность), (относительная погрешность), (приведенная погрешность), К (класс точности).

Собственное потребление энергии - это параметр, характеризующий способность прибора потреблять мощность от источника измеряемого сигнала. На практике эта мощность находится в пределах от 10-11 до 10-5 Вт.

Время упокоения - это время от момента включения измеряемой величины до момента, когда колебания стрелки указателя не будут превышать значение абсолютной погрешности. Для всех приборов.

Прборы магнитоэлектрической системы

Приборы магнитоэлектрической (МЭ) системы основаны на взаимодействии поля постоянного магнита с полем контура с током.

Они могут быть двух типов:

Размещено на http://www.allbest.ru/

- с подвижной рамкой

Размещено на http://www.allbest.ru/

- с подвижным магнитом

Первые обладают лучшей точностью и большей чувствительностью. Вторые - проще надёжнее и дешевле. На практике большее распространение получили приборы МЭ системы с подвижной рамкой (рис.5).

Полная энергия, сосредоточенная в измерительном механизме состоит из энергии поля постоянного магнита, энергии катушки с током и энергии взаимодействия поля магнита с катушкой с током, где - потокосцепление, равное произведению числа силовых линий, пересекаемых обеими сторонами катушки при её повороте на угол, на число её витков n:

где В - магнитная индукция (Тл), S - площадь обеих сторон катушки (м2). Таким образом, полная энергия механизма будет равна

Ранее было показано, что вращающий момент равен. Дифференцируя (9), получим М=В·s·n·I. Также уже было отмечено, что подвижная система поворачивается до тех пор пока не наступит равенство вращающих и противодействующих моментов. Рассмотрим три случая.

Через прибор протекает постоянный ток.

Учитывая, что противодействующий момент, получим. Решая это равенство относительно угла поворота стрелки б можно определить уравнение шкалы прибора МЭ системы

где - чувствительность прибора по току

Отсюда видно, что шкала прибора равномерная, а отклонение указателя зависит от направления протекания тока.

Для регулирования угла отклонения механизма применяют магнитный шунт.

Пластинка, через которую проходит часть магнитного потока, изготовлена из магнитомягкого материала. Перемещая её можно регулировать ответвляющийся в магнитный шунт поток и тем самым менять индукцию в воздушном зазоре прибора.

Успокоение подвижной системы МЭ приборов магнитоиндукционное, без применения специальных устройств. Момент магнитоиндукционного успокоения возникает в результате взаимовоздействия магнитного потока с токами Фуко, возникающими в алюминиевом каркасе катушки.

Рассмотрим второй случай, когда измеряемый ток имеет синусоидальную форму

В этом случае мгновенное значение вращающего момента

Среднее же значение вращающего момента за период равно

Следовательно, приборы МЭ системы при включении их в цепь синусоидального тока показывают нуль.

Случай когда к прибору подводят сложный переменный сигнал, содержащий постоянную составляющую

При подведении к прибору МЭ системы переменного сигнала прибор измеряет постоянную составляющую этого сигнала (или среднее значение).

Приборы МЭ системы являются интеграторами, т.к. выполняют операцию усреднения

Достоинства приборов МЭ системы:

Высокая чувствительность (до 3?10-11А).

Высокая точность (до класса точности 0,05).

Хорошая защищённость от внешних магнитных полей, т.к. собственная индуктивность между близко расположенными полюсами постоянного магнита велика и составляет 0,15 - 0,3 Тл.

Малое потребление мощности от измеряемой цепи (10-5-10-6 Вт) .

Малые габариты.

К недостаткам приборов МЭ системы можно отнести:

Прибор не защищен от перегрузок.

Измеряет только постоянную составляющую сигнала (среднее значение), и не позволяет измерять переменные сигналы.

Повышенная чувствительность к температуре окружающей среды.

Область применения.

Амперметры и вольтметры для измерения тока и напряжения в цепях постоянного тока. В сочетании с различными преобразователями могут работать и в цепях переменного тока. На базе МЭ системы создаются омметры, образцовые лабораторные и рабочие средства измерения. высокочувствительные гальванометры.

Приборы электромагнитной си с темы

Приборы электромагнитной (ЭМ) системы основаны на взаимодействии магнитного поля соленоида или катушки с подвижным сердечником из ферромагнитного мат ериала.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.6

I. Теория работы - выполнение условие равновесия

где - противодействующий момент.

Энергия механизма

Как и в предыдущем случае рассмотрим. несколько вариантов.

Измерение постоянного тока I0. В этом случае имеем вращающий момент равен

а противодействующий

.

Шкала прибора квадратичная, причём направление тока значение не имеет.

Подводимый ток синусоидальной формы.

В этом случае подвижная часть прибора вследствии своей инерционности будет реагировать на среднее значение. Тогда:

где I - среднеквадратичное значение тока.

Приборы ЭМ системы реагируют на среднеквадратичное значение и градуируются также в среднеквадратических значениях. Поэтому показания таких приборов не зависят от формы измеряемых сигналов.

Достоинства.

Простота конструкции и надежность.

Показания не зависят от формы сигнала.

Устойчивость к токовым перегрузкам.

Пригодность для работы на постоянном и переменном токах.

Недостатки.

Неравномерность шкалы (в начале сжата, в конце растянута).

Малая чувствительность.

Большая потребляемая мощность от измеряемой цепи (до 1Вт).

Низкая точность (вариация показаний, влияние температуры, частоты измеряемого тока).

Плохая защищённость от внешних магнитных полей из-за слабого внутреннего магнитного поля. Для защиты от внешних полей применяют два метода:

Экранирование магнитомягким железом (уменьшает влияние внешнего магнитного поля).

Астатирование. Идея метода состоит в применении 2х одинаковых узлов, создающих вращающий момент. Катушки узлов соединены последовательно, поэтому их магнитные поля противоположны. Внешний магнитный поток Ф складывается с магнитным потоком Ф1 первой катушки и вычитается из потока Ф2 второй катушки. В результате суммарный вращающий момент остаётся неизменным.

Область применения

Вследствие простоты, дешевизны они широко применяются для измерения токов и напряжений промышленной частоты (50 и 400Гц) с классом точности 1,5- 2,5. Наибольший класс точности достигаемый в лабораторных образцах составляет 0,5.

Приборы электродинамической системы

Принцип действия основан на взаимодействии магнитных полей неподвижной и по движной катушек, по которым протекают измеряемые токи.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.7

Уравнение шкалы выводится аналогичным образом из условия равновесия

где - взаимная индуктивность между катушками. Рассмотрим несколько случаев.

Оба протекающих тока являются постоянными, т.е. и - const.

Тогда

, а

Отсюда можно получить уравнение шкалы прибора

Таким образом, характер шкалы прибора электродинамической системы неравномерный при. При характер шкалы квадратичный.

При измерении в цепях переменного тока и подвижная часть прибора будет реагировать на среднее значение вращающего момента

.

Из формул следует, что показания приборов ЭД системы пропорциональны произведению токов, а градуировка шкалы справедлива как для постоянных величин, так и для переменных.

Достоинства

Могут иметь высокий класс точности (до 0,2).

Обеспечивают перемножение измеряемых величин, т.е. при последовательно-параллельном включении можно измерять мощность.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Недостатки

Малая чувствительность.

Нелинейность шкалы.

Большие габариты и сложность конструкции.

Плохая защищённость от влияния внешних магнитных полей, температуры, частоты.

Недопустимость перегрузок.

Низкий частотный диапазон (1,5 3кГц).

Область применения

Используются в качестве амперметров (до 200А), вольтметров (до600В), ваттметров (до 1,5кВт). Могут служить образцовыми приборами при градуировке рабочих приборов. Для увеличения чувствительности неподвижная катушка заключается в магнитомягкий магнитопровод. Такой прибор называется прибором ферродинамической системы и обозначается.

Приборы электростатической системы

Принцип действия приборов ЭС системы основан на взаимодействии двух электрически заряженных тел, представляющих собой подвижную и неподвижную пластины, к которым прикладывается измеряемое напряжение.

На практике получили распространение два типа механизма.

Изменение ёмкости осуществляется за счёт изменения активной площади электродов (рис.8).

Электрическая емкость меняется за счёт изменения расстояния между электродами. Энергия, сосредоточенная в подвижной части прибора

Тогда вращающий и противодействующий моменты соответственно равны

Приравнивая эти величины, получим уравнение шкалы прибора ЭС системы

Пластины конденсатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Отсюда следует, что приборы ЭС системы являются вольтметрами, пригодными для измерения напряжения как постоянного, так и переменного тока. При измерении синусоидальных напряжений они откликаются на среднеквадратическое значение сигнала.

Достоинства

При измерении напряжения постоянного тока являются идеальными вольтметрами с (мощность от источника сигнала не потребляется).

При измерении синусоидального сигнала имеют ёмкостное сопротивление (очень большое), поэтому работают на частотах до 10 30 МГц.

Могут быть выполнены самого высокого класса точности.

Так как изолятором в приборах служит воздух, то приборы могут быть использованы для изменения напряжения до (102 - 103) кВ.

Недостатки

Малая чувствительность (Umin около 10В).

Нестабильность (изменение емкости, влияние температуры и внешних электрических полей). Для защиты используется экранирование.

Нелинейность характеристики.

Низкая надежность.

Применение

Используются для измерений в цепях постоянного и переменного токов с частотой от 20Гц до 30МГц. Могут использоваться как образцовые вольтметры для измерения высоких напряжений (класс точности до 0,5).

В заключение приведем сводную таблицу уравнений шкал измерительных механизмов различных систем.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

	Среднеквадратическое

3. Измерение тока и напряжения в цепях постоянного тока и тока промы ш ленной частоты

Измерения в цепях пост о янного тока

Измерение I и U в цепях постоянного тока выполняются чаще всего приборами магнитоэлектрической системы с током полного отклонения (20-50)мА. Внутреннее сопротивление таких приборов обычно=1000 2000 Ом.

Для расширения пределов измерений амперметров используются шунты.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Rпр Ix

Здесь n = Ix\Iпр- коэффициент шунтирования.

Шунты делятся на внутренние (позволяющие измерять токи до 30 А) и наружные (для измерения токов более 30 А). Их можно так же подразделить на индивидуальные (применяются только с тем механизмом с которым градуируются) и калиброванные (рассчитанные на номинальные токи и пригодные для любой измерительной системы).

Для расширения пределов вольтметров применяют добавочные сопротивления.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Здесь- коэффициент расширения предела.

Расчет проведен по аналогичному алгоритму. Учитывая, что получим

Добавочные сопротивления подразделяются на виды, аналогично шунтам.

Измерение напряжения и тока в цепях промышленной частоты

Для этих целей используют приборы электромагнитной, электродинамической и эле ктростатической систем.

при использовании для измерения тока катушка прибора ЭМ системы включается в цепь последовательно;

приборы ЭД системы в качестве амперметра включаются последовательно при токах до 0,5А, при больших токах катушки включаются параллельно. У вольтметров катушки и добавочные сопротивления включаются последовательно;

приборы ЭС системы используются только для измерения напряжения. На постоянном токе расширяют пределы с помощью добавочных сопротивлений, на переменном токе- с помощью конденсаторов.

Из рассмотренного выше материала следует, что наиболее высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками обладают приборы МЭ системы. Это и обусловило их доминирующее применение в области электрических (радиотехнических) измерений. Однако следует еще раз отметить их основной недостаток- недопустимость даже кратковременных перегрузок (перегорают и деформируются токоподводящие пружинки, нити растяжек и подвесов).

4. Измерение тока и напряжения приборами с преобразов а телями

Измерение переменного тока приборами МЭ системы требует осуществления специальной операции - преобразования переменного напряжения в постоянное с дальнейшим измерением его прибором магнитоэлектрической системы.

Если в качестве преобразователей используются полупроводниковые элементы, то в этом случае прибор называется выпрямительным. В качестве преобразователя могут использоваться так же термопреобразователи - в этом случае имеем термоэлектрический вольтметр. Термоэлектрические приборы используются в диапазоне низких и высоких частот.

Выпрямительные вольтметры

По выпрямительной схеме они подразделяются на однополупериодные и двухполупериодные. Вариант схемы однополупериодного в ыпрямителя показан на рис.9.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В этом случае при подаче на вход гармонического напряжения, через прибор будет проходить пульсирующий ток i(t). Учитывая, что показание прибора МЭ системы пропорционально среднему значению получим

Выпрямительные приборы градуируются в среднеквадратических значениях синусоидального тока. Коэффициент градуировки С, связывающий отклик прибора с его показаниями, является коэффициентом формы Кф (С=Кф), который может быть выражен через средневыпрямленное и среднеквадратическое значения тока

Показание прибора или отсчёт по шкале равен

где определяется по известной формуле

При однополупериодном выпрямлении К1ф = 2,22, а при двухполупериодном - Кф2= 1,11.

Таким образом, в выпрямительных приборах отклик и градуировка не совпадают, поэтому их показания справедливы только для синусоидального сигнала. Если форма кривой измеряемого тока (напряжения) отлична от синусоидальной, то появляется погрешность измерения.

Пусть измеряется несинусоидальное напряжение и показание выпрямительного прибора равно. Тогда средневыпрямленное значение измеряемого напряжения можно рассчитать по формуле

Если известна форма кривой измеряемого напряжения или его Кфх, то среднеквадратическое значение измеряемого напряжения можно определить следующим образом:

Как видно значения Uск и Uшк для несинусоидального напряжения не совпадают. Относительная погрешность между искомым значением напряжения несинусоидального тока и отсчётом по шкале Uшк равно

Чтобы определить показания вольтметра при данной кривой тока (напряжения) необходимо проделать следующее:

Зная форму измеряемого напряжения определить форму тока, протекающего через измерительный механизм.

Определить величину средневыпрямленного напряжения по формуле

электронный вольтметр осциллограф прибор

Вычислить показания приборов по формулам

Однополупериодное выпрямление,

Двухполупериодное выпрямление.

Пример3. Определить ток через измерительный прибор при подаче напряжения пилообразной формы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Определяем на выходе выпрямителя

Показания на шкале прибора с учетом градуировки.

Среднеквадратическое значение напряжения для данного сигнала можно рассчитать по формуле

Тогда погрешность измерения составит

Достоинства

Простота схемной реализации.

Высокая надёжность.

Возможность работы с высокочастотными сигналами.

Недостатки

Нелинейные ВАХ диодов и их разброс.

Влияние температуры окружающей среды.

Частотные погрешности из-за наличия ёмкости р-n перехода диодов.

Для устранения последних двух недостатков применяют схемы частотной и тепловой компенсации.

Область применения

Используются в комбинированных приборах для измерения тока и напряжения в сочетании с омметрами, например в приборах серии Ц (Ц20, Ц4117, Ц4353) .

Термоэлектрические вольтметры

Это сочетание милли- или микроамперметра МЭ системы с одной или несколькими термопарами (термопреобразователями).

Протекание измеряемого тока Ix через нагреватель (нихромовая или константановая проволока) приводит к его разогреву. К нагревателю подсоединен контакт термопары (золото - палладий, платина - платинородий, хромель - капель и пр.).

Под действием тепла в термопаре возникает термоток, который и отклоняет указатель прибора. В установившемся режиме вследствие тепловой инерции температура нагревателя постоянна и определяется рассеиваемой на нем мощностью.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ix

Приборы реагируют на среднеквадратичное значение и в этих же значениях градуируются, поэтому показания не зависят от формы измеряемого сигнала.

Достоинства

Независимость показаний от формы сигнала

Высокая точность измерения

Возможность измерения на высоких частотах.

Недостатки

Низкая чувствительность

Влияние температуры окружающей среды

Недолговечность работы даже при нормальных условиях эксплуатации

Небольшая перегрузочная способность.

Большая потребляемая мощность.

5. Электронные вольтметры

Чаще всего в радиоэлектронике напряжение измеряют аналоговыми (стрелочными) или цифровыми электронными вольтметрами.

Электронным называется прибор, показания которого вызываются током электронных компонентов, т.е. энергией источника питания. Такие приборы обладают рядом преимуществ по сравнению с выпрямительными и термоэлектрическими приборами.

Достоинства

Высокая чувствительность.

Большое входное сопротивление и малая входная ёмкость.

Широкий диапазон частот.

Способность выдерживать перегрузки.

К недостаткам следует отнести более сложную схему и необходимость источников питания.

В соответствии с ГОСТ электронные вольтметры обозначаются буквой В и цифрой от 1 до 9 (например В7-27А). Первая цифра обозначает назначение вольтметра, другие - вариант разработки (модель).

В1 - вольтметр для выполнения поверочных измерений

В2 - вольтметры для измерения постоянного напряжения

В3 - вольтметры для измерения переменных напряжений

В4 - пиковые вольтметры

В5 - фазочувствительные вольтметры

В6 - селективные вольтметры

В7 - универсальные вольтметры

В8 - вольтметры для измерения отношения напряжений

В9 - преобразователи напряжений

Группа В2- вольтметры для измерения постоянных н а пряжений

Структурные схемы таких вольтметров в значительной степени зависят от диапазона и змеряемых величин и поэтому их условно делят на две группы.

Вольтметры для измерения больших напряжений

Такие вольтметры позволяют измерять минимальное напряжение 1 В и имеют схему:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основными элементами структурной схемы являются входное устройство ВУ, усилитель постоянного тока УПТ и индикаторное устройство ИУ магнитоэлектрической системы.

Входное устройство ВУ предназначено для расширения пределов измеряемых напряжений, фильтрации входного сигнала и обеспечения большого входного сопротивления. Обычно в его состав входят входные зажимы, делитель напряжения, предварительный усилитель и разнообразные фильтры.

Подобные документы

Характеристика электромеханических приборов для измерения постоянного, переменного тока и напряжения. Их конструкция, принцип действия, область применения, достоинства и недостатки. Определение и классификация электронных вольтметров, схемы приборов.

курсовая работа , добавлен 26.03.2010


Понятие средства измерений, их виды и классификация погрешностей. Метрологические характеристики средств измерений, особенности норм на их значения. Частные динамические характеристики аналого-цифровых преобразователей и цифровых измерительных приборов.

курсовая работа , добавлен 03.01.2013


Средства электрических измерений: меры, преобразователи, комплексные установки. Классификация измерительных устройств. Методы и погрешности измерений. Определение цены деления и предельного значения модуля основной и дополнительной погрешности вольтметра.

практическая работа , добавлен 03.05.2015


Основные свойства измеряемых погрешностей. Технические и метрологические характеристики средств электротехнических измерений, их сравнительный анализ. Моделирование и реализация виртуального прибора в программной среде National Instruments, Labview.

курсовая работа , добавлен 09.04.2015


Измерительные приборы, при помощи которых можно измерить напряжение, ток, частоту и разность фаз. Метрологические характеристики приборов. Выбор ваттметра для измерения активной мощности, потребляемой нагрузкой. Относительные погрешности измерения.

задача , добавлен 07.06.2014


Классификация методов повышения точности средств измерений. Уменьшение аддитивной погрешности. Метод отрицательной связи, инвариантности, прямого хода, вспомогательных измерений. Периодическая автоподстройка параметров. Виды помех, способы их описания.

курсовая работа , добавлен 13.11.2011


Обзор существующих методов и средств измерений расстояния: общие понятия и определения. Механические, электромагнитные, ультразвуковые, магнитные и вихретоковые толщиномеры. Особенности ультразвукового толщиномера А1210, его достоинства и недостатки.

курсовая работа , добавлен 21.03.2012


Основные понятия и определения измерительной техники; классификация приборов и особенности применения микропроцессоров. Изучение программного обеспечения комплекса автоматизации измерений и компьютера; расчёт экономической эффективности устройства.

дипломная работа , добавлен 15.03.2014


Метрология как наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Способы нормирования метрологических характеристик средств измерений, поверка электродинамических и электромагнитных приборов.

курсовая работа , добавлен 09.11.2012


Параметры ошибок и методы их измерений по G.821. Схема измерений параметров каналов ЦСП типа "точка-точка". Основные принципы методологии измерений по G.826. Методика индикационных измерений. Измерение параметров кодовых ошибок, их связь с битовыми.

АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Общие сведения

В аналоговых электромеханических измерительных приборах непосредственной оценки электромагнитная энергия, подведенная к прибору непосредственно из измеряемой цепи, преобразуется в механическую энергию углового перемещения подвижной части относительно неподвижной.

Электромеханические измерительные приборы (ЭИП) применяют для измерения тока, напряжения, мощности, сопротивлений и других электрических величин на постоянном и переменном токах преимущественно промышленной частоты 50 Гц. Эти приборы относят к приборам прямого действия. Они состоят из электрического преобразователя (измерительной цепи), электромеханического преобразователя (измерительного механизма), отсчетного устройства (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Структурная схема аналогового ЭИП

Измерительная цепь . Она обеспечивает преобразование электрической измеряемой величины X в некоторую промежуточную электрическую величину Y (ток или напряжение), функционально связанную с измеряемой величиной X. Величина Y непосредственно воздействует на измерительный механизм (ИМ).

По характеру преобразования измерительная цепь может представлять собой совокупность элементов (резисторов, конденсаторов, выпрямителей, термопар и др.). Различные измерительные цепи позволяют использовать один и тот же ИМ при измерениях разнородных величин, напряжения, тока, сопротивления, меняющихся в широких пределах.

Измерительный механизм . Являясь основной частью конструкции прибора, он преобразует электромагнитную энергию в механическую энергию, необходимую для угла отклонения а его подвижной части относительно неподвижной, т. е.

α = f(Y) = F(X).

Подвижная часть ИМ представляет собой механическую систему с одной степенью свободы относительно оси вращения. Момент количества движения равен сумме моментов, действующих на подвижную часть.

Дифференциальное уравнение моментов, описывающее работу ИМ, имеет вид

J(d 2 α/dt 2) = ΣM , (5.1)

где J - момент инерции подвижной части ИМ; α - угол отклонения подвижной части; d 2 α/dt 2 - угловое ускорение.

На подвижную часть ИМ при ее движении воздействуют:

вращающий момент М , определяемый для всех ЭИП скоростью изменения энергии электромагнитного поля w э, сосредоточенной в механизме, по углу отклонения α подвижной части. Вращающий момент является некоторой функцией измеряемой величины X, а следовательно, Y (тока, напряжения, произведения токов) и α:

М = (∂w э /∂α) = f (α) Y n , (5.2)

противодействующий момент М α , создаваемый механическим путем с помощью спиральных пружин, растяжек, подводящих проводов и пропорциональный углу отклонения α подвижной части:

М α = - W α, (5,3)

где W - удельный противодействующий момент на единицу угла закручивания пружины (зависит от материала пружины и ее геометрических размеров);

момент успокоения М усп, т. е. момент сил сопротивления движению, всегда направленный навстречу движению и пропорциональный угловой скорости отклонения:

М усп =- Р (d α/d t), (5.4)

где Р - коэффициент успокоения (демпфирования).

Подставив (5.2) - (5.4) в (5.1), получим дифференциальное уравнение отклонения подвижной части механизма:

J(d 2 α/dt 2) = М + М α + М усп, (5.5)

J(d 2 α/dt 2) + Р (d α/d t) + W α = M . (5.6)

Установившееся отклонение подвижной части ИМ определяется равенством вращающего и противодействующего моментов, т. е. М = М α , в том случае, если два первых члена левой части дифференциального уравнения (5.6) равны нулю. Подставив в равенство М = М α аналитические выражения моментов, получим уравнение шкалы прибора, показывающее зависимость угла отклонения а подвижной части от значения измеряемой величины и параметров ИМ.

В зависимости от способа преобразования электромагнитной энергии в механическое угловое перемещение подвижной части ИМ электромеханические приборы делят на магнитоэлектрические, электродинамические, ферродинамические, электромагнитные и др.

Отсчетное устройство аналоговых ЭИП . Чаще всего оно состоит из указателя, жестко связанного с подвижной частью ИМ, и неподвижной шкалы. Указатели бывают стрелочные (механические) и световые. Шкала представляет собой совокупность отметок, которые расположены вдоль какой-либо линии и изображают ряд последовательных чисел, соответствующих значениям измеряемой величины. Отметки имеют вид штрихов, черточек, точек и т. п.

По начертанию шкалы бывают прямолинейные (горизонтальные или вертикальные), дуговые (при дуге до 180° включительно) и круговые (при дуге более 180°).

По характеру расположения отметок различают шкалы равномерные и неравномерные, односторонние относительно нуля, двусторонние и безнулевые. Шкалы градуируют либо в единицах измеряемой величины (именованная шкала), либо в делениях (неименованная шкала). Числовое значение измеряемой величины равно произведению числа делений, прочитанных по шкале, на цену (постоянную) прибора. Цена деления- значение измеряемой величины, соответствующее одному делению шкалы.

Так как ЭИП являются приборами прямого действия, то чувствительность прибора S п определяется чувствительностью цепи S ц и чувствительностью измерительного механизма S и:

S п = S ц S и (5.7)

Классы точности аналоговых ЭИП: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Узлы и детали измерительных приборов . Для большинства ЭИП, несмотря на разнообразие ИМ, можно выделить общие узлы и детали - устройства для установки подвижной части ИМ, для создания противодействующего момента, уравновешивания и успокоения

.

Рис. 5.2. Установка подвижной части измерительного механизма

Так как любой измерительный механизм ЭИП состоит из подвижной и неподвижной частей, то для обеспечения свободного перемещения подвижной части последнюю устанавливают на опорах (рис. 5.2,а), растяжках (рис. 5.2,6), подвесе (рис. 5.2,в). При транспортировке подвижную часть ИМ закрепляют неподвижно с помощью арретира.

Устройства для установки подвижной части на опорах представляют собой легкую алюминиевую трубку, в которую запрессовывают керны (стальные отрезки). Концы кернов затачивают и шлифуют на конус с закруглением. Опираются керны на агатовые или корундовые подпятники. При установке подвижной части ИМ на кернах между керном и подпятником возникает трение, что вносит погрешность в показания прибора. В приборах высокого класса точности (лабораторных) для уменьшения трения шкала устанавливается горизонтально, а ось вертикально. При этом нагрузка сосредоточена в основном на нижней опоре.

Устройства для установки подвижной части на растяжках представляют собой две тонкие ленты из бронзового сплава, на которых подвешивается подвижная часть ИМ.

Рис. 5.3. Общие детали подвижной части ИМ на опорах

Их наличие обеспечивает отсутствие трения в опорах, облегчает подвижную систему, повышает виброустойчивость. Растяжки используют для подведения тока к обмотке рамки и создания противодействующего момента.

Устройства для установки подвижной части на подвесах используют в особо чувствительных приборах. Подвижную часть ИМ подвешивают на тонкой металлической (иногда кварцевой) нити. Ток в рамку подвижной части подводят через нить подвеса и специальный безмоментный токоподвод из золота или серебра.

Для создания противодействующего момента в ИМ с установкой подвижной части на опорах (рис. 5.3) используют одну или две плоские спиральные пружины 5 и 6, выполненные из оловянно-цинковой бронзы. Пружины служат также в качестве токоподводов к обмотке рамки подвижной части. Одним концом пружину крепят к оси или полуоси, а другим - к поводку 4 корректора. Корректор, устанавливающий на нуль стрелку 3 невключенного прибора, состоит из винта 9 с эксцентрично расположенным пальцем 8 и вилки 7 с поводком. Винт 9 корректора выводится на переднюю панель корпуса прибора, вращаясь, он движет вилку 7, что вызывает закручивание пружины и соответственно перемещение стрелки 3. Ось 2 заканчивается кернами, опирающимися на подпятники 1.

Для уравновешивания подвижной части служат грузики-противовесы 10.

Рис. 5.4. Схемы магнитоиндукционного (а) и воздушного (б) успокоителей

Измерительный механизм считается уравновешенным, когда центр тяжести подвижной части совпадает с осью вращения. Хорошо уравновешенный измерительный механизм показывает при различных положениях одно и то же значение измеряемой величины.

Для создания необходимого успокоения ИМ снабжают успокоителями, развивающими момент, направленный навстречу движению (время успокоения не более 4 с). В ИМ наиболее часто применяют магнитоиндукционные и воздушные успокоители, реже - жидкостные (когда требуется очень большое успокоение).

Магнитоиндукционный успокоитель (рис. 5.4, о) состоит из постоянного магнита 1 и алюминиевого диска 2, жестко связанного с подвижной частью механизма и свободно перемещающегося в поле постоянного магнита. Успокоение создается за счет взаимодействия токов, индуцированных в диске при его перемещении в магнитном поле постоянного магнита с потоком этого же магнита.

Воздушный успокоитель (рис. 5.4, б) представляет собой камеру /, в которой перемещается легкое алюминиевое крыло (или поршенек) 2, жестко связанное с подвижной частью ИМ. При перемещении воздуха из одной части камеры в другую через зазор (между камерой и крылом) тормозится движение крыла и колебания подвижной части быстро затухают. Воздушные успокоители слабее магнитоиндукционных.

Логометры

Логометры - приборы электромеханической группы, измеряющие отношение двух электрических величин Y 1 и Y 2:

α = F(Y 1 / Y2) n , (5.41)

где n - коэффициент, зависящий от системы ИМ.

Особенность логометров заключается в том, что вращающий М и противодействующий М α моменты в них создаются электрическим путем, поэтому логометр имеет два воспринимающих элемента, на которые воздействуют величины Y 1 и Y 2 , составляющие измеряемое отношение. Направления величин Y 1 и Y 2 должны выбираться такими, чтобы моменты М и М α , действующие на подвижную часть, были направлены навстречу друг другу; при этом подвижная часть будет поворачиваться под действием большего момента. Для выполнения этих условий моменты М и М α должны по-разному зависеть от угла отклонения подвижной части прибора.

Источниками погрешности логометра служат неидентичное выполнение двух воспринимающих элементов, особенно при наличии ферромагнитных материалов; наличие в логометре дополнительных моментов М доп (от трения в опорах, безмоментных подводок, неуравновешенности подвижной части). Следовательно,

M = М α + М доп. (5.42)

Присутствие дополнительного момента М доп делает показания логометра зависящими от побочных факторов (например, напряжения). Поэтому на шкале логометра указывают рабочий диапазон напряжения, в пределах которого градуировка шкалы справедлива. Верхний предел напряжения определяется максимальной мощностью, выделяемой в цепях логометра, а нижний - М доп. Стрелка, не включенного под напряжение логометра, из-за отсутствия механического противодействующего момента занимает безразличное положение.

Рис. 5.18. Устройство механизма магнитоэлектрического логометра

Действие магнитоэлектрического логометра заключается в следующем.

В неравномерное магнитное поле постоянного магнита (рис. 5.18) помещают подвижную часть ИМ, содержащую две рамки, жестко скрепленные под углом d = 30°-90° и насаженные на общую ось. Токи I 1 и I 2 подводят к рамкам с помощью безмоментных токоподводов. Направление токов таково, что ток I 1 создает вращающий, а I 2 - противодействующий моменты:

M = I 1 (∂Ψ 1 /∂α); M α = I 2 (∂Ψ 2 /∂α), (5.43)

где Ψ 1 , Ψ 2 -потоки, создаваемые магнитом и сцепленные с рамками.

Моменты М и M α изменяются в зависимости от изменения угла α. Максимальные значения моментов будут сдвинуты на угол d, что позволяет получить на рабочем участке уменьшение М и увеличение M α . При равновесии I 1 (∂Ψ 1 /∂α) = I 2 (∂Ψ 2 /∂α), откуда

где f 1 (α), f 2 (α) - величины, определяющие скорость изменения потокосцепления.

Из равенства моментов следует, что

α = F(I 1 / I 2) (5.45)

Если отношение токов выразить через искомую величину X, то

α = F 1 (X). (5.46)

Существование данной функциональной зависимости возможно при выполнении основного условия работы логометра, т.е. при ∂Ψ 1 /∂α ≠ ∂Ψ 2 /∂α, которое обеспечивается при искусственно созданной неравномерности магнитного поля в воздушном зазоре логометра. Магнитоэлектрические логометры применяют для измерения сопротивлений, частоты и неэлектрических величин,

Электро- радиотехнические измерения

Введение
Глава первая. Основные сведения о радиотехнических измерениях
1. Особенности радиотехнических измерений
2. Единицы измерений
3. Погрешности измерений
4. Классификация радиоизмерительных приборов и система их обозначений
Глава вторая. Измерение постоянных токов и напряжений
5. Общие сведения
6. Магнитоэлектрический индикатор
7. Измерение постоянного тока
8. Измерение постоянного напряжения
9. Ламповые вольтметры постоянного тока
Глава третья. Измерение электрических сопротивлений
10. Электрические пробники
11. Измерение сопротивлений
12. Измерение сопротивлений методом непосредственного отсчета
13. Ламповые омметры
14. Мостовой метод измерения сопротивлений
Глава четвертая. Измерение переменных токов и напряжений
15. Общие сведения
16. Измерение переменного тока высокой частоты
17. Детекторные приборы
18. Комбинированные приборы
19. Ламповые вольтметры переменного тока
Глава пятая. Испытания радиоламп и полупроводниковых приборов
20. Способы испытаний радиоламп
21. Универсальный испытатель ламп Л1-3 (МИЛУ-1)
22. Испытания полупроводниковых диодов
23. Испытания транзисторов
24. Испытатели параметров транзисторов
Глава шестая. Измерительные генераторы
25. Классификация и основные узлы
26. Возбудители измерительных генераторов
27. Звуковые генераторы
28. Высокочастотные генераторы
29. Импульсные генераторы
Глава седьмая. Осциллографы
30. Электроннолучевая трубка
31. Высоковольтный выпрямитель и блок развертки
32. Полная блок схема осциллографа
33. Электронный осциллограф Cl-8
34. Наблюдение импульсных процессов
35. Импульсный осциллограф С1-20 общего применения
36. Двухлучевые осциллографы
37. Применение электронных осциллографов
38. Измерение частотных характеристик
Глава восьмая. Измерение параметров катушек индуктивности и конденсаторов
39. Общие сведения
40. Метод вольтметра-амперметра
41. Метод моста
42. Резонансный метод
Глава девятая. Измерение частоты
43. Общие сведения
44. Непосредственный метод измерения частоты
45. Измерение частоты методом сравнения
46. Приборы, основанные на методе сравнения частот
47. Резонансный метод измерения частоты
Глава десятая. Измерение коэффициента модуляции
48. Осциллографический способ измерения
49. Измерение с помощью амперметра или вольтметра
50. Измерение девиации частоты
Глава одиннадцатая. Измерение нелинейных искажений
51. Общие сведения
52. Анализаторы спектра
53. Измерители нелинейных искажений
Глава двенадацатая. Измерения на сверхвысоких частотах
54. Особенности измерений на сверхвысоких частотах
55. Измерение мощности
56. Измерение частоты (длины волны)
57. Измерительные генераторы сверхвысоких частот
58. Измерительные линии
Глава тринадцатая. Измерение напряженности поля и помех
59. Общие сведения
60. Индикаторы поля
61. Измерители напряженности поля
62. Измерение помех
Литература