Никитин, Бойко - Методы и средства измерений, испытаний и контроля - 2004

Рисунок 14.144 - Схема нормирующего токового преобразователя, работающего в комплекте с термопреобразователем сопротивления

15 Электрические измерения /8, 10,11,14/

Различные физические величины имеют разную физическую природу, поэтому отличаются их методы и средства измерений. Для удобства разработки или выбора тех или иных методов и средств измерений все физические величины делятся на электрические, магнитные и неэлектрические.

Характерной особенностью современных измерений является то, что не только электрические и магнитные, но и большинство неэлектрических величин измеряются электрическими методами, т.е. путем предварительного преобразования неэлектрической величины в электрическую. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений: - электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью; - электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот; - электрические величины легко, точно и быстро преобразуются в цифровой код; - электрические измерения позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.

Автоматизация технологических процессов во всех отраслях народного хозяйства приводит как к возрастанию общего объема электрических измерений физических величин, так и к изменению доли тех или иных физических величин в общем объеме. В настоящее время существует примерно следующее распределение доли измерений различных физических величин в промышленности: - температура 50 %, расход (массовый и объемный) 15 %, давление 10 %, уровень 5 %, количество (масса, объем) 5 %, время 4 %, данные материалов (аналитические измерения) 4 %, электрические и магнитные величины менее 5 %. Отсюда видно, что подавляющее число измерений представляет собой измерения неэлектрических величин. При этом представляет интерес также абсолютный объем выполняемых измерений. Так, на атомной электростанции среднего размера имеется около 3000 точек измерений различных физических величин. На крупном предприятии химической промышленности только для измерения температур имеется около 20000 точек измерений. Таким образом, уже в настоящее время измерения физических величин - это массовый процесс, причем основную его долю составляют измерения неэлектрических величин. С большим основанием можно утверждать, что эта тенденция сохранится и будет развиваться в будущем.

Аналоговые и цифровые измерительные приборы и измерительные преобразователи предназначены главным образом для прямых измерений электрических величин: - постоянных токов и напряжений, параметров сигналов переменного тока, электрической мощности, расхода энергии, параметров электрических цепей и т.д. Знание их возможностей и принципа действия позволяет квалифицированно решать задачу измерений большинства электрических величин. Далее излагаются основные методы и средства измерений неэлектрических величин, причем основное внимание уделено методам преобразования различных неэлектрических величин в электрические.

15.1 Измерение электрических величин аналоговыми и цифровыми преобразователями и измерительными приборами

Аналоговые электромеханические СИ включают в себя измерительную цепь, измерительный механизм, отсчетное устройство со шкалой и метрологическими характеристиками на ней. Измерительный механизм преобразует входной электрический сигнал в механическую энергию перемещения подвижной части. Перемещение, в основном, представляет собой поворот подвижной части относительно неподвижной оси на какой либо угол α.

Отсчетное устройство – указатель (стрелка), перо, жестко связанного с подвижной частью измерительного механизма, и неподвижной шкалой (бумажным носителем, совмещяющим функции шкалы и носителя регистрируемой информации). Подвижная часть преобразует угловое перемещение механизма в пермещение указателя, при этом величина α отсчитывается в единицах деления шкалы.

Вращающий момент Мвр., действующий на подвижную часть, определяется производной от энергии поля по углу отклонения подвижной системы СИ по формуле: - Мвр. = d Wl / dα, где Wl – энергия магнитного поля системы контуров с токами или энергия электрического поля системы заряженных тел. В зависимости от характера явления, используемого для создания вращающего момента, различают следующие системы электромеханических СИ: магнитоэлектрическую, электромагнитную, электродинамическую, индукционную. В любом из этих СИ действуют также уравновешивающий противодействующий момент Мα , зависящий от α и направленный в сторону, противодействующую Мвр.. В зависимости от способа создания противодействующего момента Мα электромеханические СИ подразделяются на две группы: - с механическим противодействующим моментом; - с электрическим противодействующим моментом (логометры).

Характеристики электромеханических измерительных механизмов представлены в таблице 15.1

Таблица 15.1 – Характеристики электромеханических измерительных механизмов

Тип	Кинематичес-	Вращающий	Уравнение				Примечание
измери-	кая схема ме-	момент		шкалы
тельного	ханизма
механиз-
ма
1	2	3		4				5
Магнито-		М =BsWI;	а =	Bsw	I	I – ток в об-
электри-				W		мотке рамки;
ческий			или			S	–	чувстви-
			а = SI			тельность,
						s – акт. пл.
						рамки,
						w – число вит-
						ков обмотки,
						В	–	индукция,
						W – уд. пр.
						момент.

Продолжение таблицы 15.1

1

2

3

4

5

Электро-

1

2 dL

1

а =

dL

I

–

ток

в

М =

2

магнит-

2 I

da

I

× da

обмотке

ка-

2W

ный

тушки;

L

–

индуктив-

ность катушки

Электро-

I1

–

ток

динами-

Общее выражение

подвижной

ка-

ческий

М = I I

dM1,2

а =

тушки;

1 2

da

I2

–

ток непод-

вижных

кату-

1

dM1,2

I I

шек;

W

1 2

da

М1,2 – взаим-

Для переменного тока

ная

индуктив-

М = I I

2

cosф

dM1,2

ность

между

1

da

подвижными

и

а =

1

cosф

dM1,2

неподвижными

катушками;

W

da

ф – угол сдвига

между токами I2

и I2.

Ферроди

М = К1ВI2

a = K1I2I2

К, К1 – коэф-

намичес-

cos(В,^I2)

cos(I1,^I2)

фициенты, опре-

кий

деляемые конст-

рукцией измери-

тельных

меха-

низмов и выбо-

ром

системы

единиц

Электро-

1

2 dC

1

2 dC

u–напряжение

статичес-

М =

2 u

da

а=

u

da

между

электро-

2W

кий

дами;

С–емкость меж-

ду электродами

С развитием электроники, особенно полупроводникой и микропроцессорной и вычислительной электроники, электромеханические СИ

частью дополнены электронной модернизацией, частью переоборудованы в электронные СИ, но в основном, вновь созданы в группу электронных аналоговых СИ. Электронные СИ отличаются высоким быстродействием, широким частотным диапазоном, высокой чувствительностью. Применение интегральных микросхем приводит к дальнейшему увеличению разрешительных способностей, стабильности и надежности СИ, к уменьшению их размеров, массы и потребления энергии. Многие вольтметры, осциллографы, частотомеры, фазометры и др. строятся на основе электронных приборов. В вышеприведенных разделах измерения давления и температуры были рассмотрены и аналоговые и аналого-электронные схемы приборов и преобразователей, примеры их можно расширять бесконечно, благо, что номенклатура таких приборов весьма обширна. Для примера приводятся - осциллографы для измерений радиотехнического и электронного назначений. Осциллографы используют для наблюдения и записи быстро протекающих процессов.

По принципу действия осциллографы существуют трех типов: электромеханический, электронный, электронно-лучевой.

Электромеханический осциллограф состоит из следующих узлов: вибраторов, оптической системы, приспособления для наблюдения и фотографирования исследуемого тока. Вибратор представляет собой натянутую бронзовую ленточку в виде петли и находится в поле постоянного магнита. Ток, проходящий по петле, взаимодействует с полем постоянного магнита, в результате чего появляется вращающий момент, под действием которого петля и прикрепленное к ней зеркальце повернуться в ту или иную сторону в зависимости от направления тока в петле, а угол отклонения будет пропорционален мгновенному значению тока. Луч света от лампы через диафрагму и фокусирующую линзу попадает на зеркальце вибратора. Отраженный от него луч через фокусирующую линзу падает на поверхность движущейся светочувствительной бумаги или кинопленки. Часть луча света с помощью призмы отбрасывается на вращающийся многогранный зеркальный барабан и отражается от него на матовый экран. При одновременном движении луча света, отраженного от колеблющегося зеркальца, и равномерном вращении барабана луч света вычертит на экране кривую исследуемого тока.

Осциллографы могут иметь несколько десятков вибраторов для одновременной записи нескольких различных процессов на фотобумаге (кинопленке), скорость движения которой устанавливается в пределах от 1 до 5000 мм / с. Электромеханические осциллографы могут записывать процессы с частотой от нуля до 5 – 10 кГц.

Электронный осциллограф позволяет наблюдать периодические процессы с частотой до сотен мегагерц. Основной частью осциллографа является вакуумная электронно-лучевая трубка. Под действием тока накала катод К излучает электроны, которые с помощью сетки и анодов А1 и А2 формируются в электронный луч и направляются на экран, покрытый слоем люминофора. Измеряемое напряжение прикладывается к паре горизонтально расположенных пластин; вторая пара пластин расположена вертикально, и к

ней приложено периодически изменяющееся во времени линейное напряжение «развертки». Если частоты периодических напряжений совпадают, то светлое пятно на экране за время Т будет следовать с постоянной скоростью по горизонтали и одновременно смещаться по вертикали под действием напряжения, прочерчивая в результате кривую исследуемого напряжения.

Электронно-лучевой осциллограф используется для визуального наблюдения, измерения и регистрации формы и параметров электрических сигналов в диапазоне частот от постоянного тока до десятков мегагерц.

Электронно-лучевые осциллографы обладают высокой чувствительностью и малой инерционностью, подразделяются на универсальные, запоминающие, специальные и др., могут быть одно- , двух- и многолучевыми.

В настоящее время существует огромное количество моделей осциллографов. Рассмотрим некоторые из них.

Осциллограф АКТАКОМ АСК1021 с шириной полосы пропускания 25

МГц

Данный осциллограф является прибором лабораторного типа. Простота в обращении и высокая надежность делают его идеальным прибором с превосходными характеристиками для широкого спектра измерений, необходимых в исследованиях, производстве, в сфере образования и во многих других сферах применения.

Осциллограф С8 – 33

Осциллограф двухканальный цифровой запоминающий С8 – 33 предназначен для оперативного исследования однократных сигналов с максимальной частотой дискретизации 20 Мвыб / с и периодических сигналов с максимальным временем разрешения 100 пс в полосе частот от 0 до 20 МГц размахом от 10 мВ до 16 В (до 160 В с внешним делителем 1:10) путем регистрации их в цифровой памяти, отображения на экране электронно-лучевой трубки и цифрового измерения амплитудных и временных параметров. В осциллографе устанавливается интерфейс для устройств с последовательным обменом информацией в соответствии с рекомендациями. Область применения осциллографа: ремонт, наладка, эксплуатация различных электронных приборов и узлов автоматики, вычислительной техники, связи, сложной электронной техники, научные исследования.

Осциллограф универсальный С1-65

Осциллограф универсальный С1-65 предназначен для исследования формы электрических сигналов путем визуального наблюдения и измерения их амплитудных и временных параметров в цеховых, лабораторных и полевых условиях эксплуатации.

Прибор удовлетворяет требованиям ГОСТ 22261-94, нормалей Н0.005.026-030, а по условиям эксплуатации приборов к 7 группе нормали Н0.005.026.

Осциллограф С1-104

Осциллограф универсальный С1-104 предназначен для визуального наблюдения и измерения параметров периодических и однократных электрических процессов в диапазоне частот от постоянного тока до 500 МГц путем:

-измерения амплитудных и временных параметров исследуемого сигнала в диапазоне от 0,04 до 8 В, с выносным делителем 1:10 И22. 727. 082 – до 10 В, с активным пробником И22.746. 036 – до 24 В и временных интервалов

вдиапазоне от 4 10 9 до 0,5 с;

-одновременного изображения двух исследуемых сигналов на одной развертке.

Осциллограф предназначен для работы в лабораторных и цеховых условиях и может использоваться для исследовательских, поверочных и ремонтных работ.

По метрологическим характеристикам осциллограф С1-104 соответствует II классу точности.

Осциллограф-мультиметр С1-155

Осциллограф-мультиметр С1-155 предназначен для визуального наблюдения, электрических сигналов.

Прибор позволяет измерять как периодические, так и однократные электрические сигналы. Имеет встроенный интерфейс RS-322 и встроенный мультиметр.

Создание прибора преследует цель заменить устаревший парк универсальных запоминающих осциллографов, повысить удобство их эксплуатации, уменьшить погрешность измерений амплитудно-временных параметров исследуемых сигналов при существенном снижении массы, габаритов и потребляемой мощности.

Осциллограф универсальный С1-77

Универсальный осциллограф С1-77 предназначен для исследования формы электрических сигналов путем визуального наблюдения в диапазоне частот от 0 до 10 МГц, измерения размахов в диапазоне от 0,01 до 200 В и временных интервалов от 0,08*10-6 до 0,4 с.

Наличие двух каналов вертикального отклонения обеспечивает одновременное исследование двух сигналов на одной развертке.

Осциллограф относится ко II классу точности.

Осциллограф предназначен для использования при разработке, настройке и регулировке радиоэлектронной аппаратуры в лабораторных, цеховых и полевых условиях.

Осциллограф С1-125

Осциллограф С1-125 предназначен для исследования формы периодических электрических сигналов путем визуального наблюдения их формы, измерения амплитуды и временных параметров методом калиброванной шкалы.

Двухканальный осциллограф С1-125 с полосой пропускания 10 МГц отличается компактной конструкцией, небольшой массой и простотой управления.

Имеет повышенную надежность, прост по конструкции в эксплуатации. Применяется при проектировании, наладке и ремонте электронной аппаратуры в лабораторных, цеховых и полевых условиях.

Осциллограф С1-159

Осциллограф С1-159 предназначен для наблюдения и измерения электрических сигналов в реальном масштабе времени в диапазоне напряжений от 8 мВ до 60 В и длительностей от 80 нс до 0,2 с в полосе частот от 10 Гц до 10 мГц. Может применяться при производстве, разработке и эксплуатации радиоэлектронных изделий, а также в ходе учебного процесса в школах, вузах по курсам электротехники, электроники и.т. д.

Осциллограф С8-23

Осциллограф предназначен для исследования и измерения периодических сигналов в полосе частот 0 – 20 МГц и однократных сигналов, регистрируемых с максимальной частотой дискретизации 1 МГц. Прибор обеспечивает цифровое запоминание, цифровое измерение напряжения в диапазоне амплитуд от 5 мВ (с активным пробником – от 5 мВ) до 80 В (с делителем – до 200 В) и временных интервалов в диапазоне длительностей от 200 нс до 8000 с. Кроме этого, производится автоматическая обзорная установка размеров изображения в пределах рабочей части экрана, автоматическое измерение размаха, периода и длительности с выводом результатов измерения на экран электронно-лучевой трубки.

Осциллограф имеет самодиагностику и выход в канал общего пользования (КОП). Размеры рабочей части электронно-лучевой трубки оставляют 80 мм (10 делений) по горизонтали и 60 мм (8 делений) по вертикали.

Структурная схема осциллографа

Слово «осциллограф» образовано от «осциллум» – колебания и «графо»

– пишу. Отсюда и назначение этого измерительного прибора – отображать на экране кривые тока или напряжения как функции времени. Встречается и другое название этого прибора – осциллоскоп – прибор для наблюдения формы колебаний.

Основная деталь электронного осциллографа – электронно-лучевая трубка (рисунок 15.1), напоминающая по форме телевизионный кинескоп. Экран трубки покрыт изнутри люминофором – веществом, способным светиться под «ударами» электронов. Чем больше поток электронов, тем ярче свечение той части, куда они попадают.

Испускаются же электроны так называемой электронной пушкой, размещенной на противоположном от экрана конце трубки. Она состоит из подогревателя (нити накала) и катода. Между «пушкой» и экраном размещены модулятор – регулирующий поток летящих к экрану электронов, двух анодов – создающих нужное ускорение пучку электронов и его фокусировку, и двух пар пластин, с помощью которых электроны можно отклонять по горизонтальной (Х) и вертикальной (Y) осям. Экран электронно-лучевой трубки будет светиться лишь при подаче на ее электроды определенных напряжений. На нить накала обычно подают переменное напряжение, на управляющий электрод (модулятор) постоянное, отрицательной полярности, по отношению к катоду, на аноды – положительное, причем на первом аноде (фокусирующем) напряжение значительно меньше, чем на втором (ускоряющем). На

Рисунок 15.1 – Электронно-лучевая трубка

пластины подается как постоянное напряжение, позволяющее смещать пучок электронов в любую сторону, относительно центра экрана, так и переменное, создающее линию развертки той или иной длины, а также ''рисующей'' на экране форму исследуемых колебаний. Чтобы представить, как же получается