Электронные аналоговые приборы и преобразователи

Лекция 9

ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ (самостоятельно)

Электронные аналоговые приборы и преобразователи − это средства измерений, в которых преобразование сигналов измерительной информации осуществляется с помощью аналоговых электронных устройств. Выходной сигнал таких средств является непрерывной функцией измеряемой величины. Они применяются при измере­нии практически всех электрических величин: напряжения, тока, частоты, мощности, сопротивления и т. д. Широкое признание получили электронно-лучевые осциллографы, электронные вольт­метры, омметры, анализаторы спектра и др. Электронные частотомеры и фазометры, вытесняются соответствующими цифровыми приборами, что объясняется относительной простотой преобразования таких пара­метров в кодовый сигнал.

Электронные вольтметры. Измеряемое напряжение преоб­разуется с помощью аналоговых электронных устройств в посто­янный ток, который подается на магнитоэлектрический измери­тельный механизм со шкалой, градуированной в единицах напря­жения. Они обладают высокой чувствитель­ностью и широким диапазоном измеряемых напряжений (от десятков нановольт на постоянном токе до десятков киловольт), большим входным сопротивлением (более 1 МОм), могут рабо­тать в широком частотном диапазоне (от постоянного тока до частот порядка сотен мегагерц).

Электронные вольтметры с прямым преобразованием сигналов обычно имеют относительно невысокие классы точно­сти (1-6). Вольтметры с уравновешивающим преобразованием, как правило, имеют более высокие классы точности (0,2-2,5), но они более сложны и менее удобны в эксплуатации. Наибо­лее распространенные вольтметры могут быть подразделены на вольтметры постоянного тока, переменного тока, универсальные, импульсные и селективные. Вольтметры переменного тока состоят из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усили­теля и магнитоэлектрического измерительного механизма. Универсальные вольтметры предназначе­ны для измерения напряжений постоянного и переменного токов. Импульсные вольтметры используются для измерения амплитуды импульс­ных сигналов различной формы. Их градуируют в амплитудных значе­ниях измеряемых импульсов. Селективные вольтметры предназначены для изме­рения действующего значения напряжения в некоторой полосе частот или действующего значения отдельных гармонических составляющих измеряемого сигнала. Принцип действия селективного вольтметра заключается в выделении отдельных гармонических составляющих сигнала или сигнала узкой полосы частот с помощью перестраиваемого полосового фильтра и измерении действующего значения выде­ленных сигналов.

Электронные аналоговые частотомеры. Применяются в ос­новном два способа измерения частоты. Первый, используемый в области звуковых частот, основан на формировании импульсов, имеющих постоянную площадь, ограниченную кривой импульса тока и осью времени на диаграмме. Частота этих импульсов должна быть равна частоте измеряемого сигнала. Среднее значение напряжения этих импульсов пропорционально измеряемой часто­те. В основе второго, резонансного, способа измерения лежит сравнение частоты колебаний исследуемого источника с соб­ственной частотой колебаний резонансного контура.

Электронные фазометры. Измерительные преобразователи фазы в напряжение могут быть построены по принципу формирования прямоугольных импульсов, длительность которых пропорциональна измеряемой фазе.

Электронные приборы, преобразователи для измерения мощности и энергии. Электрон­ные ваттметры могут быть построены на основе измерительного преобразователя мощности в напряжение, на выходе которого устанавливается магнитоэлектрический измерительный меха­низм со шкалой, градуированной в единицах мощности. Выпускаются измерительные преобразователи актив­ной, реактивной и полной мощности переменного тока, предназначенные для работы в однофазных и трехфазных цепях. Принципы построения этих преобразователей во многом схожи. Рассмотрим основные способы построения преобразовате­лей активной мощности.

Электронные счетчики активной энергии строятся на основе преобразователя мощности с последующим интегрированием его выходной величины в соответствии с зависимостью. Применяют электронные счетчики постоянного тока: счетчики киловатт-часов, счетчики ампер-часов и счетчики вольт-часов.

Электронные омметры. Эти приборы имеют широкий диапа­зон измеряемых сопротивлений (10^-4-10¹⁷ Ом) и достаточно просты в эксплуатации. Точность таких омметров невысока: приведенная погрешность составляет единицы процен­тов и увеличивается до 10-15 % при измерении особо больших сопротивлений (R> 10¹² Ом). В зависимости от диапазона изме­рений их называют омметрами, миллиомметрами, тераомметрами или мегомметрами. В основе работы электронных омметров лежит преобразова­ние измеряемого сопротивления в функционально связанное с ним напряжение постоянного тока, которое подается на магни­тоэлектрический измерительный механизм; при этом шкала изме­рительного механизма градуируется в единицах сопротивления. Наибольшее распространение получили схемы омметров, изобра­женные на рис. 1 и рис.2, где ИСН − источник стабильного напряжения U₀; УПТ − усилитель постоянного тока; ОУ − операционный усилитель, ИМ − измерительный механизм, R_х − измеряемое сопротивление; R₀ − известное сопротивление; U_x − напряжение, функционально связанное с измеряемым сопротив­лением R_х. Возможны два варианта включения R₀ и R_х, показанные на рисунках без скобок (1-й вариант) и со скобками (2-й вариант).

Рис.2. Функциональная схема электронного омметра с операционным усилителем

Рис.1. Функциональная схема электронного омметра с усилителем постоянного тока

В омметрах, изображенных на рис.1, используется УПТ с большим входным сопротивлением, которым можно пренебречь. Угол поворота подвижной части ИМ

для 1-го варианта;

для 2-го варианта,

где k – коэффициент преобразования УПТ и ИМ. Шкала такого омметра неравномерна. Эта схема (рис.1) нашла применение в комбинированных приборах, в частности в универсальных вольтметрах.

В омметрах, построенных по схеме рис. 2, применен операционный усилитель, с большим коэффициентом усиления k и большим входным сопротивлением. Поэтому потенциал точ­ки а, определяемый как U_х/к, и входной ток усилителя практиче­ски равны нулю. Следовательно, токи, протекающие через ре­зисторы R₀ и R_x, равны и справедливы соотношения (1-ый случай) или (2-ой случай).

Для 1-го случая, где S_U – чувствительность ИМ. Такая схема включения предпочтительна, поскольку омметр имеет рав­номерную шкалу.

Приборы для измерений добротности, индуктивности и емкос­ти. Среди различных способов измерения добротности Q, индук­тивности L_х и емкости С_х в электронных приборах получили распространение способ, основанный на явлении резонанса в LС-контуре, и способ, основанный на сравнении частот двух генераторов, в колебательный контур одного из которых включа­ются катушка индуктивности или конденсатор с измеряемыми L_х или С_х. На рис. 3 приведена упрощенная схема куметра, предназначенного для измерения добротно­сти и индуктивности катушек и емкости конденсаторов.

Рис.3. Функциональная схема куметра

В общем случае куметр позволяет измерять полное сопротивление двухпо­люсников. Куметр содержит перестраиваемый по частоте генератор ПГ, микроамперметр, резистор малого сопротивления R₀ (примерно 0,05 Ом), образцовый переменный конденсатор С₀, электронный вольтметр V. Катушку или конденсатор с изме­ряемыми индуктивностью и емкостью подключают соответствен­но к зажимам аб или вг. При измерении емкости к зажимам аб подключают образцовую катушку индуктивности.

Определение добротности основано на свойстве последовательного колебательного контура при резонансе иметь на реактивных элементах напряжение, в Q раз большее напряже­ния возбуждения, т. е. при резонансе

где − напряжение на конденсаторе С₀, I – ток через резистор R₀. На основании этого шкалу вольтметра градуируют в единицах добротности.

Определение индуктивности L_x и емкости C_x основано на соотношении для частоты при резонансе.

, где C₀ – емкость образцового конденсатора при резонансе контура L_xC₀.

, где L₀ – индуктивность образцовой катушки при резонансе L_xC_0.

Осциллографы. Электронно-лучевые (электронные) ос­циллографы предназначены для визуального наблюдения, изме­рения и регистрации электрических сигналов. Они являются чрезвычайно удобными при определении различных амплитудных и временных параметров наблюдаемых сигналов. Важными достоинствами осциллографов являются широкий час­тотный диапазон, высокая чувствительность и большое входное сопротивление. Большое распростране­ние получили универсальные осциллографы для периодических и непериодических сигналов непрерывного и импульсного харак­тера в широком (до 100 МГц) диапазоне частот. Выпускаются также осциллографы специального назначения: многофункцио­нальные со сменными входными блоками, запоминающие для регистрации одиночных импульсов, стробоскопические для иссле­дования высокочастотных процессов и другие. По количеству одновременно исследуемых сигналов бывают одноканальные и многоканальные (в основном двухканальные). Осциллографы могут различаться чувствительностью, поло­сой пропускания, погрешностью воспроизведения формы кривой и другими характеристиками.

Анализаторы спектра, измерители линейных искажений. Анализаторы спектра, называемые также анализаторами гармоник, предназначены для измерения спектра амплитуд сиг­налов. Анализ спектра может производиться двумя способами: последовательным, поскольку гармоники определяются поочередно; параллельным (или одновременным), так как гармоники определяются одновременно. Анализаторы последовательного действия применимы лишь для исследования периодических процессов − ими нельзя анализи­ровать одиночные импульсы. Анализаторы спектра параллельного действия применяются для анализа высокочастотных колебаний и анализа одиночных импульсов.

Для оценки отличия сигнала от синусоидальной формы вы­пускают приборы − измерители нелинейных искажений. Количе­ственно искажения сигнала оцениваются двумя коэффициента­ми: коэффициентом нелинейных искажений

и коэффициентом гармоник

где U_i − действующее значение напряжения i-й гармоники. 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 определяет коэффици­ент. Коэффициент гармоник определяется по формуле

При малых значениях.

Дата добавления: 2014-01-04