В книге рассмотрены основные методы измерений электрических и радиотехнических величин на постоянном токе и переменном в широком диапазоне частот. Описаны измерительные схемы, их принципы построения и приведены технические характеристики наиболее широко распространенных измерительных приборов. Даны примеры расчетов, облегчающие усвоение материала. Учебник может быть использован при профессиональном обучении рабочих на производстве.

Основные определения. Особенности и методы измерений.
Общее в качественном отношении свойство многих физических объектов (физических систем, их состояний, происходящих в них процессов) называют физической величиной. В электро- и радиотехнике физическими величинами являются электрическое напряжение, сила тока, мощность, энергия, а также электрическое сопротивление, электрическая емкость, индуктивность, частота.

Физическая величина может иметь различные значения. Определенное значение принимают в качестве единицы измерения физической величины. Как правило, таким значением является единица

Измерение данной физической величины - это определение ее значения опытным путем. Количественный результат, т.е. результат измерений, получают, сравнивая найденное значение физической величины с единицей ее измерения.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава первая. Общие сведения об измерениях
§1. Основные определения. Особенности и методы измерений
§2. Физические величины и их единицы измерения
§3. Погрешности измерений
§4. Классификация и система обозначений измерительных приборов
Глава вторая. Электромеханические измерительные приборы
§5. Общие сведения
§6. Приборы магнитоэлектрической системы
§7. Приборы электромагнитной системы
§8. Приборы электро-, ферродинамической и индукционной систем
§9. Приборы электростатической системы
Глава третья. Измерение постоянного тока и напряжения
§10. Измерение постоянного тока магнитоэлектрическим прибором
§11. Измерение постоянного тока электронным микроамперметром
§12. Измерение постоянного напряжения магнитоэлектрическим прибором
§13. Измерение постоянного напряжения электронными приборами
Глава четвертая. Измерение переменного тока и напряжении
§14. Общие сведения
§15. Приборы термоэлектрической системы
§16. Приборы выпрямительной системы
§17. Амперметры и вольтметры выпрямительной системы
§18. Комбинированные приборы
§19. Электронные вольтметры
§20. Цифровые вольтметры
Глава пятая. Измерение параметров элементов электрических н радиотехнических цепей
§21. Общие сведения
§22. Прямопоказывающие омметры
§23. Метод вольтметра - амперметра
§24. Мостовой метод
§25. Резонансный метод
Глава шестая. Измерение параметров диодов, транзисторов и электронных ламп
§26. Измерение параметров диодов
§27. Измерение параметров биполярных транзисторов
§28. Измерение параметров полевых транзисторов
§29. Испытание электронных ламп
Глава седьмая. Измерительные генераторы
§30. Общие сведения
§31. Генераторы сигналов низких частот
§32. Генераторы сигналов высокой частоты
§33. Генераторы сигналов сверхвысокой частоты
§34. Генераторы импульсных сигналов
Глава восьмая. Электронные осциллографы
§35. Общие сведения
§36. Электронно-лучевая трубка
§37. Осциллографические развертки
§38. Генераторы линейно нарастающего напряжения
§39. Каналы управления
§40. Измерение напряжений и временных интервалов
Глава девятая. Измерение частоты
§41. Общие сведения
§42. Осциллографический метод сравнения частот
§43. Сравнение частот по нулевым биениям
§44. Резонансный метод измерений частоты
§45. Прямопоказывающие аналоговые частотомеры
§46. Прямопоказывающие электронно-счетные частотомеры
Глава десятая. Измерение параметров модулированных колебаний и спектра
§47. Измерение параметров модулированных колебаний
§48. Исследование спектра
§49. Измерение нелинейных искажений
Глава одиннадцатая. Измерении в цепях с распределенными постоянными
§50. Измерительные линии
§51. Измерение мощности
Литература.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова

Факультет Радиотехники и электроники

Кафедра РС и С

Лабораторная работа № 2, 3

Измерение параметров электро- и радиотехнических

ЦЕПЕЙ МОСТОВЫМ МЕТОДОМ

Выполнил: студент группы РТЭ-11-10

Иванов А.О.

Проверил: Казаков В.Д.

Чебоксары 2012

Лабораторная работа 2

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРО- И РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ

ЦЕПЕЙ МОСТОВЫМ МЕТОДОМ

Цель работы : ознакомление с мостовым методом измерения активного сопротивления , индуктивности L , емкости С , добротности катушки и колебательных контуров Q и тангенса угла диэлектрических потерь
, изучение принципа действия приборов, основанных на мостовых схемах и приобретение навыков работы на этих приборах.

Краткие теоретические сведения

Электрические и радиотехнические цепи состоят из резисторов, катушек индуктивности, конденсаторов и соединительных проводов. Для отбора этих компонентов или их проверки следует измерить активное сопротивление R , индуктивность , емкостьС . Кроме того, часто измеряют потери в конденсаторах, добротность катушек и колебательных контуров. Потери в конденсаторах определяются тангенсом угла диэлектрических потерь
.

Сравнение измеряемой величины (сопротивления, емкости, индуктивности) с образцовой мерой при помощи моста в процессе измерения может осуществляться вручную или автоматически на постоянном или переменном токе. Мостовые схемы обладают большой точностью, высокой чувствительностью, широким диапазоном измеряемых значений параметров. На основе мостовых методов строятся средства измерения, предназначенные для измерения какой-либо одной величины, и универсальные аналоговые и цифровые приборы.

Измерительный мост постоянного тока

Мост постоянного тока (рис.6) содержит четыре резистора, соединенных в замкнутый контур. Резисторы ,,,этого контура называются плечами моста, а точки соединения соседних плеч - вершинами. Цепи, соединяющие противоположные вершины, называют диагоналями. Диагональаб содержит источник питания и называется диагональю питания . Диагональ с d , в которую включен индикатор Г (гальванометр), называется измерительной диагональю .

Рис.6. Схема моста постоянного тока

Мосты постоянного тока предназначены для измерения активного сопротивления. Процесс измерения с помощью мостовых схем основан на соотношении сопротивлений плеч, называемого условием равновесия (баланса), которое имеет вид:

.

Условие равновесия моста постоянного тока формулируется следующим образом: чтобы мост был уравновешен, произведения сопротивлений противоположных плеч моста должны быть равны. Если сопротивление одного из плеч моста (например ) неизвестно, то, уравновесив мост путем подбора сопротивлений плеч моста,и, находим его из условия равновесия
.

В состоянии равновесия моста ток через гальванометр равен нулю и, следовательно, колебания напряжения питания и сопротивления гальванометра на результат измерения не оказывают. Поэтому основная погрешность уравновешенного моста определяется чувствительностью гальванометра и схемы, погрешностью сопротивлений плеч, а также сопротивлениями проводов и контактов.

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.

Основные параметры средств измерений

Любой измерительный прибор должен иметь определенные параметры, которые обеспечивали бы получение более точных результатов измерения. К наиболее общим параметрам измерительных приборов относятся:

Чувствительность - отношение изменения сигнала на выходе прибора к вызвавшему его изменению измеряемой величины.

Порог чувствительности - минимальное значение измеряемой величины на входе прибора, при котором еще можно произвести ее отсчет.

Амплитудный диапазон - минимальное и максимальное значения измеряемой величины, измеряемые с заданной точностью.

Входное сопротивление - сопротивление между зажимами прибора, к которым подключается объект измерений. Этот параметр имеет важное значение для вольтметров, осциллографов и других приборов, которые при измерении создают дополнительную нагрузку для исследуемой цепи. Для генераторов этот параметр называется выходным сопротивлением.

Точность измерения - параметр, отражающий близость результата измерения к действительному значению измеряемой величины.

Быстродействие - время установления показаний прибора.

Вид уравнения шкалы - наиболее удобна шкала с линейной зависимостью,

Измерение какой-либо физической величины заключается в определении ее значения с помощью специальных технических средств путем сравнения с некоторым значением этой величины, принятым за единицу.

Все средства, используемые непосредственно при измерении, называют измерительной аппаратурой и делят по характеру участия в процессе измерения на три группы: меры, измерительные приборы и измерительные приспособления. Меры и измерительные приборы подразделяются на образцовые и рабочие.

Образцовые меры и измерительные приборы служат для воспроизведения и градуировки различных мер и измерительных приборов. Те образцовые меры и измерительные приборы, которые предназначены для осуществления и хранения единиц измерения величин с наивысшей достижимой при данном состоянии техники точностью, называют эталонами.

Рабочие меры и измерительные приборы служат для практических целей измерения и делятся на лабораторные и технические. Лабораторные меры и измерительные приборы стоят выше технических, так как при их применении производится учет точности измерения с помощью поправочных таблиц или формул.

В своей практической деятельности радиомеханик использует электрические и радиотехнические измерения для проверки, регулировки, настройки и ремонта бытовой радиотелевизионной аппаратуры. При отыскании простых неисправностей часто ограничиваются измерениями напряжений, токов и сопротивлений. Для нахождения сложных неисправностей, а также настройки и регулировки радиотелевизионной аппаратуры применяют более сложные измерения.

Метрологическая надежность - параметр, зависящий от неявных отказов прибора, связанных с уходом параметров за пределы допуска в течение времени.

Единицы физических величин

В нашей стране с 1 января 1982 г. введен в действие ГОСТ 8.417-81 ГСИ. Единицы физических величин, которым предусмотрен переход на обязательное применение единиц Международной системы (СИ), представляющей собой основу для унификации единиц физических величин во всем мире. Основные единицы этой системы следующие: длина (метр), масса (килограмм), время (секунда), сила электрического тока (ампер), термодинамическая температура (кельвин), количество вещества (моль) и сила света (кандела).

Наряду с основными единицами СИ применяются производные от них, а также десятичные кратные (больше в 10, 100, ... раз) и дольные (меньше в 10, 100, ... раз) единицы. Приведем наименования некоторых основных и производных единиц: электрический ток - ампер (А), электрическое напряжение - вольт (В), электрическая мощность - ватт (Вт), электрическое сопротивление- ом (Ом), электрическая проводимость - сименс (См), электрическая емкость - фарад (Ф), индуктивность - генри (Гн), частота - герц (Гц), время - секунда (с).

Наименования и обозначения десятичных кратных и дольных единиц образуются путем добавления следующих приставок:

Атто (а) 10 -18 , фемто (ф) 10 -15 , пико (п) 10 -12 , нано (н) 10 -9 , микро (мк) 10 -6 , милли (м) 10 -3 , санти (с) 10 -2 , деци (д) 10 -1 , дека (да) 10, гекто (г) 10 2 , кило (к) 10 3 , мега (М) 10 6 , гига (Г) 10 9 , тера (Т) 10 12 .

Погрешности измерений

Целью измерения являются получение числового значения измеряемой величины и оценка допущенной погрешности. Погрешность; неизбежна даже при самых тщательных измерениях. Поэтому истинное значение измеряемой величины получить невозможно.

Чтобы определить погрешности измерений, вместо истинного применяют действительное А Д значение измеряемой величины, которое определяется образцовым прибором или как среднее арифметическое А ср результатов большого числа п измерений:

Абсолютной погрешностью измерения ΔА называется разность между результатом измерения А и действительным значением из меряемой величины А Д: АΔ = А - А Д.

Абсолютная погрешность с обратным знаком, называемая поправкой, используется при работе с лабораторными приборами.

Применение абсолютной погрешности для оценки точности измерения неудобно, поскольку она неодинакова на разных пределах измерений. Поэтому абсолютную погрешность сравнивают с одним из полученных значений измеряемой величины, т. е. определяют относительную погрешность.

Различают действительную относительную погрешность Y Д %, которая определяется как отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины:

Y Д = (ΔА/А Д) 100, и приведенную относительную погрешность Y Д %, которая определяется как отношение абсолютной погрешности к максимально возможному значению измеряемой величины А пр т. е. к верхнему пределу измерений:

Y пр = (ΔА/А пр) ∙ 100

Если используются многопредельные приборы, то необходимо выбирать такой предел измерений, при котором отклонения указателя индикатора располагаются ближе к концу шкалы. При этом действительная погрешность близка к приведенной. При установке указателя в начале шкалы резко возрастает действительная погрешность при неизменной приведенной.

Точность измерительных приборов оценивается по наибольшему значению допустимой погрешности, которая указывается на шкале и в паспорте прибора в виде абсолютной, действительной или приведенной погрешностей. Для электроизмерительных приборов наибольшая приведенная погрешность определяет класс их точности. Установлено девять классов точности: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Радиоизмерительные приборы не имеют класса точности, поскольку в некоторых из них отсутствует стрелочный индикатор, а там, где он есть, на его показания влияет электронная схема, с которой он используется. Для оценки точности радиоизмерительных приборов применяются абсолютная и относительная погрешности.

Абсолютная погрешность прибора указывается в виде одного значения (например, ±1 Гц - уход частоты генератора при колебаниях сети) или в виде суммы, двух значений, из которых одно зависит, а другое не зависит от измеряемой величины (например, 0,1 F +4 , Гц,- погрешность установки частоты следования импульсов генератора).

Относительная погрешность прибора указывается в процентах одним значением (например, ±6%,- погрешность вольтметра при измерении переменного напряжения) или в виде суммы двух значений, из которых первое определяет погрешность при больших измеряемых величинах, а второе при малых (например, 1 + 6R,%,- погрешность универсального моста при измерении сопротивлений).

В зависимости от условий измерения абсолютная и относительная погрешности могут быть основными и дополнительными. Основная - это погрешность прибора, который работает при нормальных условиях (температуре, влажности, давлении). Основная погрешность зависит от конструктивных особенностей прибора, качества его изготовления, точности градуировки шкалы и пр. Дополнительная - это погрешность прибора, работающего в условиях, отличных от нормальных. Значение дополнительной погрешности указывают в виде слагаемого к основной погрешности или поправочного множителя к результату измерений.

В зависимости от причин возникновения погрешности разделяют на систематические и случайные. Первые обусловлены неточностью градуировки шкал приборов, их неисправностью, влиянием механических, тепловых или иных факторов. Эти погрешности повторяются при последующих измерениях, их можно обнаружить и исключить при обработке результатов измерения. Случайные погрешности возникают по многим причинам, учесть которые невозможно (например, нерегулярные колебания напряжения источников питания, случайные изменения внешних условий и т. д.).

При неоднократных измерениях случайные погрешности получаются различными как по значению, так и по знаку. Для уменьшения влияния случайных погрешностей на результат измерения необходимо повторить измерения п раз, рассчитать среднее арифметическое результатов измерения А ср и принять его как действительное значение. Для оценки влияния случайной погрешности используют среднюю квадратическую погрешность о, которую рассчитывают по формуле

Чем меньше средняя квадрэтическая погрешность, тем точнее измерение и меньше влияние случайной погрешности на результат измерения.

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