- •Измерения электрических и магнитных величин Курс лекций
- •Введение. Основные термины и определения.
- •1. Общие сведения об электрических измерениях Определения и классификация средств измерений
- •1.2 Характеристики средств измерений
- •Структурные схемы средств измерений
- •Эталоны, образцовые и рабочие меры
- •Меры электрических величин
- •Меры эдс на основе нормальных элементов
- •Меры напряжения на основе кремниевых стабилитронов
- •Калибраторы напряжения и силы тока
- •Меры сопротивления, емкости, индуктивности
- •Классификация измерений
- •2. Погрешности измерений и обработка результатов измерений Основные понятия
- •Вероятностные оценки ряда наблюдений
- •Вероятностные оценки погрешности результата измерений на основании ряда наблюдений
- •Суммирование погрешностей
- •Динамическая погрешность
- •3. Измерения электрических величин аналоговыми приборами
- •3.1. Общие сведения
- •3.2. Принцип действия, основы теории и применения измерительных механизмов
- •3.3. Масштабные измерительные преобразователи
- •3.4. Измерение постоянных токов, напряжений и количества электричества
- •3.5. Измерение переменных токов и напряжений электромеханическими приборами без преобразователей рода тока
- •3.6. Измерение переменных токов и напряжений магнитоэлектрическими приборами с преобразователями рода тока
- •3.7. Измерение мощности, энергии, угла сдвига фаз и частоты
- •3.8. Измерение параметров электрических цепей
- •3.9. Анализ кривых переменного тока
- •3.10. Переходные процессы в электромеханических приборах
- •Масштабные измерительные преобразователи
- •Токовые шунты
- •Добавочные сопротивления
- •Делители напряжения
- •Измерительные усилители
- •Измерительные трансформаторы переменного тока и напряжения
- •Электромеханические измерительные преобразователи и приборы Принцип действия
- •Общие узлы и детали
- •Магнитоэлектрические измерительные преобразователи и приборы
- •Применение магнитоэлектрических приборов для измерений в цепях переменного тока
- •Электромагнитные измерительные преобразователи и приборы
- •Электростатические измерительные преобразователи и приборы
- •Электродинамические и ферродинамические измерительные преобразователи и приборы
- •Индукционные приборы
3.9. Анализ кривых переменного тока
Наличие различных нелинейных элементов в электрических цепях приводит к искажениям формы кривой тока и напряжения, т. е. делает их форму отличной от синусоидальной. Примерами элементов или устройств, искажающих форму синусоидального сигнала, могут быть резисторы с нелинейным сопротивлением, конденсаторы и катушки индуктивности (например, катушка со стальным сердечником). Сигналы искаженной формы находят практическое применение, например, в связи. На практике обычно все кривые токов и напряжений бывают в большей или меньшей степени отличны от синусоидальных. Периодическая несинусоидальная кривая может быть разложена в тригонометрический ряд Фурье и затем могут быть вычислены амплитуды и фазы гармоник. Для этого производится запись кривых тока и напряжения на фотопленке или бумаге осциллографом. Однако можно решить эту задачу, применяя специальные приборы – анализаторы гармоник. Существуют также приборы для измерения коэффициента гармоник, аналитически выражаемого формулой
где U1, U2, ..., Un – действующие значения напряжений всех гармоник.
Анализ гармоник может производиться двумя способами: первый способ анализа называется последовательным, поскольку гармоники определяются поочередно; второй способ – параллельным (или одновременным), так как гармоники определяются одновременно. На рис. 3.75 приведены структурные схемы анализаторов гармоник, основанных на последовательном способе анализа. Исследуемое напряжение Ux (рис. 3.75, а) после усилителя У – поступает на фильтр Ф, который последовательно настраивается на частоту первой, второй, третьей и т. д. гармоник. По шкале настройки фильтра определяются частоты гармоник, а по показаниям электронного вольтметра V – их действующие значения. В схеме анализатора (рис. 3.75, б) применен генератор Г, называемый гетеродином, с регулируемой частотой. Фильтр Ф имеет определенную для данного типа анализатора узкую полосу пропускания. Анализируемое напряжение Ux поступает на смеситель С, на который подается сигнал от гетеродина Г. На выходе смесителя С образуется сигнал, имеющий частоту, равную разности частот неизвестного сигнала Ux и сигнала гетеродина. Сигнал с выхода смесителя поступает на фильтр Ф. Гетеродин настраивается так, чтобы его частота отличалась от частоты измеряемой гармоники на значение, соответствующее частоте пропускания фильтра. Напряжение на выходе фильтра измеряется электронным вольтметром V. Частота гармоники определяется по частоте гетеродина. Так как частота настройки фильтра постоянная, в качестве фильтрующих элементов используют кварцевые резонаторы, отличающиеся очень высокой добротностью. Их полоса пропускания примерно 10 Гц. Анализаторы гармоник с гетеродином отличаются от анализаторов гармоник с перестраиваемым фильтром большей чувствительностью (могут измерять меньшие напряжения гармоник) и большей точностью. Анализаторы гармоник последовательного действия получили наибольшее распространение, так как их устройство проще, по сравнению с анализаторами одновременного действия. Анализаторы последовательного действия применимы лишь для исследования периодических процессов – ими нельзя анализировать одиночные импульсы.
Рис. 3.75. Структурные схемы анализаторов гармоник последовательного действия с перестраиваемым фильтром (а) и с гетеродином (б)
Схему рис. 3.75, а имеет, например, анализатор гармоник типа С4–7, имеющий диапазон частот 20 Гц – 20 кГц, пределы измерения по напряжению 10 мВ – 3 В, основную погрешность измерения напряжения ±5%, погрешность измерение частоты ±3%. Анализатором, построенным по схеме рис. 3.75, б, является прибор типа С5–1, имеющий диапазон частот 100 Гц – 20 кГц, приделы измеряемых напряжений 100 мкВ–100 В, основную погрешность измерения частоты до 2000 Гц не более ±(2% + 20 Гц), свыше 2000 Гц– ±3%.
Анализаторы гармоник параллельного действия применяются для анализа высокочастотных колебаний и анализа одиночных импульсов. Их обычно называют анализаторами спектра (рис. 3.76). Исследуемый сигнал напряжением Ux одновременно поступает на фильтры Ф1 – Фn, настроенные на различные частоты. Сигналы с фильтров через выпрямители В1, ... ,Вn, коммутатор (переключатель) К, усилитель У поступают на пластины вертикального отклонения электроннолучевой трубки ЭЛТ (§ 4.4). На пластины горизонтального отклонения ЭЛТ подается напряжение с генератора развертки ГР, работа которого синхронизирована с работой коммутатора и управляется тактовым генератором Г. В результате на экране электроннолучевой трубки за период развертки возникают импульсы, расстояние между которыми пропорционально частотному интервалу между гармониками, а амплитуда пропорциональна спектральной плотности А(ω) сигнала на соответствующей частоте, т. е, таким образом воспроизводится спектр исследуемого сигнала.
Рис. 3,76, Структурная схема анализатора спектра
Измерители нелинейных искажений состоят из избирательной системы, подавляющей основную гармонику и пропускающей без ослабления все остальные гармоники, и электронного вольтметра действующего значения. Электронным вольтметром путем переключения измеряется напряжение на входе и выходе избирательной системы. Отношение этих напряжений
Коэффициент гармоник kT, как было указано выше, определяется формулой (3.74). Коэффициенты k и kT связаны соотношением
При малых искажениях (kT < 0,1) kT ≈ k.
Приборостроительная промышленность выпускает несколько I типов измерителей нелинейных искажений. Например, прибор ( типа С6–1А имеет диапазон частот 20 Гц–20 кГц, пределы измерения коэффициента гармоник 0,1–100%, основную погрешность ±5%, пределы для Ux 0,1–100 В.