книги / Устройство, эксплуатационно-техническое обслуживание и ремонт станционного оборудования радиорелейных линий связи

мехи. Результаты относительных измерений выражаются внесис­ темными или безразмерными единицами (например, децибела­ ми — Д б).

Методы измерений классифицируют по использованным прин­ ципам и средствам измерений. Различают два основных метода измерения: непосредственной оценки и сравнения.

В методе непосредственной оценки измеряемую величину определяют по шкале (индикатору) измерительного прибора, пользуясь прямыми измерениями, а в ме­ тоде сравнения измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой специальным прибором (мерой).

Этот метод имеет несколько модификаций: дифференциальный, когда на измерительный прибор воздействует разность измеряе­ мой величины и величины, воспеоизводимой мерой (например, измерение электрического сопротивления неуравновешенным мостом); нулевой, когда разность воздействующих на измеритель­ ный прибор величин, измеряемой и эталонной, доводится до нуля (например, измерение электрического сопротивления уравнове­ шенным мостом); замещения, когда измеряемую величину заме­ щают (заменяют) другой, заранее известной величиной (мерой) (например, измерение электрического сопротивления поочеред­ ным включением его и регулируемого образцового сопротивле­ ния в одно и то же плечо моста).

§ 27. Погрешности измерений

Измерить физическую величину с абсолютной точностью, т. е. определить истинное ее значение, практически невозможно, так как все измерения выполняются с погрешностями (ошибками).

Погрешностью измерения называются отклонения результатов измерения от истинного значения измеряемой величины.

Но как узнать величину погрешности, если мы не знаем истин­ ного значения измеряемой величины? Прежде всего, надо разо­ браться, какие бывают погрешности и каковы их причины. Оказы­ вается, причин много и погрешность каждого измерения представ­ ляет собой сумму погрешностей, вызываемых всеми этими при­ чинами. Погрешности можно подразделить на три основные груп­ пы: средств измерения; метода измерения; от внешних влияний.

В зависимости от условий, в которых проводят измерения, различают основную и дополнительную погрешности средств из­ мерения.

Основная	погрешность — это погрешность	средств измерения, используемых
в нормальных	условиях (при / = (20=1=5) °С,	отсутствии внешних мешающих

факторов, нормальном положении измерительного прибора и т. д.); дополнитель­ ная погрешность — это погрешность, возникающая при отклонении одного из влияющих внешних факторов от нормальных условий.

По способу выражения различают абсолютную, относитель­ ную и приведенную погрешности.

Абсолютная погрешность прибора ДА — это разность между показанием прибора ах и истинным значением измеряемой величины А:

Д Л = а х — А .

Относительная погрешность прибора 0Л представляет собой отношение аб­ солютной погрешности к истинному значению измеряемой величины (в процентах):

е .	ЛЛ , „
6Л =	- г - • 100.
	л

Ранее говорилось о том, что истинное значение измеряемой величины неизвестно, поэтому вместо него (вместо А) пользуются

действительным значением, под которым понимают значение из­ меряемой величины, найденное путем обработки результатов многократных измерений в одних и тех же условиях одной и той же величины. Действительное значение обычно ничтожно мало отличается от истинного.

Приведенная погрешность прибора у — это отношение абсолютной погреш­ ности к нормирующему значению AN (в процентах):

V - ю о .

Нормирующее значение — это наибольшее деление шкалы прибора.

По характеру проявления погрешности разделяют на систе­ матическую и случайную. Их значение и характер проявления сильно зависят от внешних влияний.

Систематической Дс называют такую составляющую погрешности, значение и знак которой при многократных измерениях постоянны (или закономерно из­ меняются).

Такая составляющая возникает, например, при измерении зна­ чения сопротивления резистора омметром, у которого стрелка в исходном положении не установлена на нуль.

Случайной Д называют такую составляющую погрешности, значение и знак которой изменяются случайным образом.

Эта составляющая — результат одновременного влияния мно­ гих случайных причин, учесть которые практически невозможно. Обнаружить случайную составляющую можно при многократных измерениях одной и той же величины в одних и тех же условиях. Она проявляется в виде случайных отклонений результатов от­ дельных измерений от некоторого среднего значения.

Иногда встречается грубая погрешность (промах). Она за­ метно превышает ожидаемые в данных условиях результаты и является либо следствием неправильных действий оператора, либо неисправностей прибора и т. п. Грубые погрешности при обра­ ботке результатов измерений не учитывают.

Современная измерительная техника располагает достаточно точными измерительными приборами и для определения действи­ тельного значения измеряемой величины при эксплуатации ра­ диорелейных линий связи оператору не нужно заниматься мно­ гократными измерениями одной и той же величины в одних и тех же условиях с последующей математической обработкой резуль­ татов измерений. Достаточно провести измерение один раз. Оно будет выполнено с погрешностью, но погрешность эта известна заранее и записана в технической документации прибора, а также

112

поставлена на его шкале. Она называется пределом допустимой суммарной погрешности или просто допустимой погрешностью.

Разные приборы имеют разную допустимую погрешность, поэтому при изготовлении и градуировке всем прборам присваи­ вают класс точности: 1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5 и 6 - 10л (где п= + 1, 0, — 1,

— 2 и т. д.). Цифру, обозначающую класс точности, обычно раз­ мещают в нижней (нерабочей) части шкалы.

ф Значение погрешности при измерении определяют следующим образом: например, при измерении стрелка прибора остановилась на делении 100 В (изме­ рялось напряжение в сети), а класс точности вольтметра 1,5. Значит, предел допустимой погрешности 1,5 %, что составляет в рассматриваемом случае 1,5 В. Иными словами, при измерении напряжения в сети ошибка составит не более 1,5 В.

При работе с другим вольтметром, класс точности которого 2, допустимая погрешность измерения 2 %, т. е. 2 В. Значит, при измерении этим вольтметром ошибаются несколько больше.

Итак, чем меньше цифра в обозначении класса точности прибора, тем выше его точность.

При косвенных измерениях надо учитывать еще и погрешность метода, а не только погрешность средств измерения. Например, методом амперметра и вольтметра измерим мощность PR , затра­ чиваемую на резисторе R (рис. 87, а, б).

Во-первых, используются два прибора (амперметр и вольт­ метр) и результат измерения равен произведению их показаний:

следовательно, надо учитывать ошибки обоих приборов. Кроме того, результат измерения, проведенного по схеме, показанной на рис. 87, а, будет отличаться от результата измерения, прове­ денного по схеме, показанной на рис. 87, б, причем оба результата не соответствуют истинному значению. В первом случае получено значение тока / несколько большее того, который проходит через резистор /?, так как амперметр «учтет» еще и ток, проходящий через вольтметр (1у ).

Значение 1у можно определить и учесть, если известны зна­ чения сопротивлений резистора и вольтметра (которые тоже определены с ошибками).

Во втором случае получено значение напряжения несколько

а)

Ф

Рис. 87. Схемы для измерения мощности методом амперметра и вольтметра

ИЗ

большее того, которое действует на резисторе /?, так как вольт­ метр «учтет» еще и падение напряжения на амперметре (UA ). Его тоже можно определить и учесть, если известны значения со­ противлений резистора и амперметра. Из приведенного примера видно, что ошибки при косвенных измерениях больше, чем при прямых.

Полностью исключить удается иногда только систематические погрешности, однако существуют способы уменьшения как систе­ матических, так и случайных погрешностей.

Исключить систематические погрешности можно путем при­ менения различных приборов, методов и приемов при измерении одной и той же величины с последующей соответствующей обра­ боткой результатов измерений.

Уменьшить погрешности измерений (в том числе и случайных) можно применением более точных приборов и их подбором в со­ ответствии с измеряемой величиной.

Например, если предварительно известно, что ожидаемое зна­ чение напряжения в сети примерно 40 В, то лучше применить для измерений вольтметр с пределами измерений 50 В, а не 250 В, так, чтобы измеряемая величина определялась по второй половине шкалы прибора.

Уменьшить влияние случайных погрешностей можно и путем увеличения количества измерений одной и той же величины в од­ них и тех же условиях. Тогда (если считать, что систематические ошибки близки к нулю) наиболее достоверным значением изме­ ряемой величины будет среднее арифметическое полученных значений:

А	_ a i + fl2 +	+ fln
ср	п

§ 28. Электрорадиоизмерительные приборы

Электрорадиоизмерительные приборы — это средства измерения, предназначен­ ные для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной Для непосредственного восприятия наблюдателем.

В электрорадиоизмерениях наибольшее распространение по­ лучили аналоговые электромеханические и электронные, а также цифровые электронные приборы. Аналоговые приборы дак>т воз­ можность измерять ту или иную величину непрерывно, в процессе ее изменения, причем их показания меняются непрерывно, после­ довательно показывая значения измеряемой величины. В цифро­ вом приборе показания на отсчетном устройстве появля1°тся 6 виде цифр с определенной дискретностью в целых единица* изме­ ряемой величины или в ее десятых, сотых долях и т. д.

По характеру измерений и виду измеряемых величин э^ектрорадиоизмерительнце приборы подразделяют на 2 1 подгруппу, обозначаемые буквами: А — амперметры, В — вольтметры и т. д. Электромеханические приборы по принципу действия бывают

114

магнитоэлектрические, электромагнитные, термоэлектрические, электродинамические и т. д. В простейших приборах маркировку

(символ) типа прибора размещают на его шкале. В сложных при­ борах маркировку помещают на передней панели.

Функциональную схему электрорадиоизмерительного прибора можно представить в следующем виде: измерительная цепь преобразователь — отсчетное устройство (рис. 8 8 ).

Измерительная цепь состоит из усилителя» делителя» шунта» выпрямителя» измерительного трансформатора или какого-либо другого устройства (элемента) и служит для первичного преобразования измеряемого сигнала с целью согласо­ вания его вида и значения с возможностями следующего элемента прибора.

Измерительный преобразователь — это устройство, в котором измеряемая электрическая величина преобразуется в механическую (например, угол а в электромеханических приборах), магнитную (например, отклоняющее поле в осциллографах) или в цифровой код (воздействующий на индикатор цифрового прибора).

Некоторые измерительные приборы выпускаются без измери­ тельной цепи, а шунты и другие элементы придаются к ним отдель­ но. В электромеханических приборах основным элементом явля­ ется электромеханический преобразователь. Его тип и определяет тип прибора.

Принцип работы магнитоэлектрического преобразователя

(рис. 89) основан на взаимодействии магнитного поля постоян­ ного магнита с магнитным полем рамки, возникающим, когда по ней протекает ток. Полюсные наконечники 3 и цилиндрический сердечник 2 служат для создания в воздушном зазоре между ними равномерного магнитного поля такой формы, чтобы силовые линии его были перпендикулярны проводам рамки 1 при любом ее поло­ жении. На одну из сторон рамки в магнитном поле по закону Ам­ пера действует сила

F= Blnl,

где В — магнитная индукция в воздушном зазоре; / — длина активной (находящейся в магнитном поле) стороны рамки; п — число витков рамки; / — сила тока в ней.

Сила, действующая на другую сторону рамки, такая же, но направлена в противоположную сторону, так как ток в ней прохо­ дит в противоположном направлении. Суммарный момент сил, действующих на рамку, определяется как произведение силы F на плечо b (ширину рамки):

M x= Fb = Blbnl BSnl = /Ci/,

где S = bl — площадь рамки, BSn = K\ — постоянная для каж­ дого прибора величина.

Измерительная	Преобразоба-	Отсчетное
цепь	/пель	устройстоо

Рис. 88. Структурная схема электрорадио­ измерительного прибора

	Чтобы рамка с током не вра­
	щалась непрерывно, надо создать
	противодействующий			момент.
	Для этого служат спиральные пру­
	жины 4 (по ним же подводится к
	рамке ток). Момент, создаваемый
	пружинами, пропорционален углу
	поворота рамки а (углу закручи­
	вания пружин) :
	где	М2 = /С20С,		коэффици­
		К2 — постоянный
	ент,	значение	которого	определя­
	ется упругостью пружин.
	Когда моменты Mi и М2 будут
	равны, рамка и закрепленная на
	ней стрелка 5 остановятся. Мож­
	но производить отсчет			показания
	прибора (по шкале). При этом
Рис. 89. Устройство магнитоэлек­	К . 1 = К 2а,		т.е. а = - ^ 1 = К 1
трического преобразователя

—угол поворота стрелки прибора пропорционален току в рамке и прибор можно проградуировать как амперметр.

В то же время, по закону Ома, I = U / R и

— угол поворота рамки пропорционален напряжению на входе прибора и, следовательно, его шкалу можно проградуировать в

вольтах.

Приборы магнитоэлектрической системы обладают высокой точностью и чувствительностью, малым собственным потребле­ нием энергии. Они имеют равномерную шкалу, и на их работу мало влияют внешние магнитные и электрические поля. Однако приборы такой системы боятся перегрузок и не могут работать в цепях переменного тока без дополнительных элементов.

Если в качестве измерительной цепи такого прибора исполь­ зовать выпрямитель, то получится выпрямительный прибор. Вклю­ чение выпрямителя вносит дополнительные погрешности в изме­ рения, и класс точности прибора снижается, но появляется воз­ можность работы и в цепях переменного тока. Такими делают комбинированные приборы для измерения тока, напряжения, со­ противления на постоянном токе и на низких частотах (в основ­ ном звуковых).

В технике радиоизмерений сигналов сверхвысоких частот широкое применение нашли термоэлектрические радиоизмерительные приборы, у которых в измерительной цепи включен тер­ моэлемент. Термоэлемент представляет собой термопару — два

проводника из разнородных металлов	(золото — палладий,
медь — константан и т. п.), соединенных	между собой в точке

спая С (рис. 90). Под действием теплоты, выделяемой нагревате­ лем на концах проводников 2 и 3 возникает разность потенциа­ лов, которую и отмечает подключенный к этим концам магнито­ электрический прибор.

Взависимости от способа нагрева спая различают контактные

ибесконтактные термоэлементы. В контактных (рис. 90, а) горя­ чий спай С приваривают к нагревателю /, в бесконтактных (рис. 90,6) они разделены изолятором 4 (стеклом). Эдс одной термо­ пары мала, поэтому бесконтактные термоэлементы объединяют в батарею (рис. 90, в).

Термоэлектрические приборы применяют главным образом при измерении мощности высокочастотных колебаний. Их досто­ инствами являются высокая точность измерений в широком диа­ пазоне частот и независимость показаний от формы кривой изме­ ряемого переменного тока (синусоидальная, пилообразная и т. д.).

Кнедостаткам таких приборов следует отнести малую перегрузоч­ ную способность, неравномерность шкалы, большое собственное потребление энергии и ограниченный срок службы (даже при нормальных условиях эксплуатации).

Практически не боятся перегрузок приборы с электромагнит­ ным измерительным преобразователем. Эти приборы дешевы, просты, надежны и механически прочны. В основе работы элек­ тромагнитного преобразователя лежит принцип взаимодействия магнитного поля и ферромагнитного материала.

Основой прибора (рис. 91) является катушка 1. При прохож­ дении по ней тока ферритовый сердечник 2 втягивается внутрь катушки и стрелка 5 отклоняется. Противодействующий момент создается спиральной пружиной 3. Успокоение качаний стрелки осуществляется воздушным демпфером 4. Вращающий момент, под действием которого отклоняется стрелка, пропорционален квадрату тока, так как магнитные поля катушки и сердечника создаются одним и тем же током, проходящим по катушке. Вслед­ ствие этого шкала прибора неравномерная (квадратичная) —

сжатая вначале и растянутая в конце. Начальную часть шкалы

(примерно 20%) считают нерабочей. Например* вольтметром на 300 В можно измерять напряжения от 60 до 300 В.

Приборы электромагнитной системы имеют большое собствен­ ное потребление мощности и подвержены влиянию внешних маг-

Рис. 90. Термоэлектрические преобразователи:

а — контактный; б — бесконтактны"; в — батарея термоэлементов

нитных полей. Их применяют главным образом в качестве щито­ вых

Приборы для измерения мощности — ваттметры — обычно вы­ полняют с электродинамическим преобразователем. Они обеспе­ чивают достаточно высокую точность измерений в цепях перемен ного и постоянного тока.

Принцип действия прибора (рис. 92) основан на взаимодей­ ствии магнитных полей неподвижной 1 и подвижной 2 катушек, когда по ним проходит ток.

Собственное магнитное поле такой системы невелико (осо­ бенно при измерении слабых токов), поэтому приборы с электро­ динамическим преобразователем подвержены влиянию внешних магнитных полей, для защиты от которых их экранируют. К недо­ статкам этих приборов следует отнести большое собственное потребление энергии и чувствительность к тряске (вибрации)

Разновидностью приборов электродинамической системы явля­ ются ферродинамические, у которых для повышения вращающего момента магнитный поток неподвижной катушки создается в специальном магнитопроводе (например, железном). Конструкция такого прибора напоминает конструкцию магнитоэлектрического, у которого постоянный магнит заменен электромагнитом. Фер­ ромагнитный сердечник вносит дополнительные погрешности в измерения. Существенным недостатком приборов ферродинами-

ческой системы является зависимость их параметров от частоты измеряемого тока.

Входное сопротивление приборов для измерения напряже­ ний — вольтметров — в отличие от амперметров должно быть большим, так как их включают в цепь параллельно измеряемому элементу, а подключение прибора не должно влиять на режим ра­ боты цепи. Кроме того, при измерении небольших напряжений (сотые доли вольт и т. п.) и на частотах значительно больших, чем частота в промышленной электросети (например, в радиотех­ нике), потребовались такие вольтметры, в измерительной цепи которых содержится усилитель (транзисторный и др.).

Поэтому были созданы электронные вольтметры. Они, как пра­ вило, комбинированные, т. е. их можно использовать для разных целей. У таких приборов измерительная цепь представляет собой электронное устройство той или иной сложности, к выходу кото­ рого подключен прибор магнитоэлектрической системы.

Как уже упоминалось, в цифровых электрорадиоизмерительных приборах измерения проводятся дискретно, т. е. через опре­ деленные промежутки времени, которые называют шагом дискре­ тизации. Если сигнал изменяется во времени, то его значение будет разным в разные моменты измерения, т. е. при каждом измерении получают мгновенное значение измеряемой величины. Далее эти значения подвергают квантованию, т. е. округлению до опреде­ ленных ближайших значений — уровней квантования. Разность между двумя уровнями называют шагом квантования. Например, измеряют изменяющуюся величину x(t), шаг дискретизации А/, шаг квантования Ах (рис. 93). В момент времени /о на вход при­ бора поступает значение JCI, в моменты времени /1, /2, h на выходе получают х2, а в моменты времени t\, /5 , h — х4. Эти значения отмечены на рис. 93, а точками. В результате квантования полу­ чают сигнал, показанный на рис. 93, б, отличающийся от перво­ начального.

Как видно из рисунка, измерения выполнены с ошибками, но чем меньше шаг квантования и шаг дискретизации, тем эти ошиб-

Рис. 93. Дискретизация по времени (а ) и квантование по уровню (б) непрерыв­ ного сигнала

ки меньше. В точных современных приборах этими ошибками мож­ но пренебречь.

После квантования результаты измерения подвергают даль­ нейшей обработке в зависимости от того, на измерение каких параметров настроен прибор. Например, при измерении перемен­ ного тока (напряжения) интерес могут представлять следующие параметры: пиковое, среднее, средневыпрямленное, среднеквад­ ратичное значения. Соответствующие элементы прибора зареги­ стрируют нужное значение.

Однако теперь эти значения нужно закодировать, т. е. преобра­ зовать в такой сигнал, который удобно передать в ЭВМ или на цифровой индикатор. Все преобразования измеряемой величины происходят в измерительном преобразователе электронного типа.

Цифровые приборы наиболее точные и, кроме того, их можно использовать в автоматизированных измерительных системах там, где главную роль в обработке результатов измерений играет ЭВМ.

§29. Простейшие электроизмерения

Кпростейшим можно отнести электроизмерения силы тока, напряжения, сопро­ тивления резисторов и некоторые другие измерения, проводящиеся на постоянном токе или на переменном токе низкой частоты (обычно промышленной — 50 Гц).

Необходимым условием для всех измерений является то, что подключение измерительного прибора должно как можно меньше влиять на режим работы электрической цепи, в которой произво­ дится измерение, поэтому они должны потреблять минимальную мощность.

Напряжение измеряют вольтметрами, ток — амперметрами. Амперметры всегда включают в цепь последовательно (рис. 94, а), поэтому их сопротивление должно быть возможно меньшим. Вольтметры подключают параллельно к участку цепи (рис. 94, б), поэтому их сопротивление должно быть возможно большим.

Перед измерением той или иной величины необходимо хотя бы приближенно знать пределы ее изменения и в соответствии с этим выбрать измерительный прибор. Так, если в электрической цепи ожидается прохождение токов порядка 1 А и имеется только миллиамперметр на 100 мА, то прямо этим прибором измерения проводить нельзя, так как стрелку прибора «зашкалит» и он вооб­ ще может выйти из строя. Амперметром, рассчитанным на изме­ рения токов до 10 А, измерения проводить можно, но точность их будет очень плохой, так как стрелка отклонится в пределах 1/ ю части шкалы (в ее начале).

Существуют способы расширения пределов измерения прибо­ ров. Так, к амперметрам (миллиамперметрам и т. д.) параллельно подключают шунты — резисторы с сопротивлением в несколько раз меньшим сопротивления прибора. Например, если ток в изме­ ряемой цепи может измениться в пределах от 1 до 10 А, а ампер-