5.3. Генераторы высокочастотных измерительных сигналов

Генераторы ВЧ сигналов – это источники незатухающих синусоидальных и (или) модулированных колебаний в диапазоне частот 20…30 кГц – 30…50 МГц.

Обобщённая структурная схема ГИС:

Рис. 42

На рисунке 42: ЗГ – задающий генератор, М – модулятор, УН – усилитель напряжения, ГМН – генератор модулирующего напряжения, ИП – измерительный прибор, Атт – аттенюатор.

ЗГ вырабатывает синусоидальные колебания в заданном диапазоне частот. Схемотехнически ЗГ реализуется чаще всего в виде LC-автогенератора. LC-автогенератор – резистивно-ёмкостный усилительный каскад, коллекторная нагрузка которого представляет собой параллельный колебательный контур:

Рис. 43

На первом выходе формируется сигнал синусоидальной формы, на втором выходе – модулированный. Модулирующее напряжение, как правило, низкочастотное, может вырабатываться внутренним генератором или подаваться извне. Если используется внутренний ГМН, его частота (этого генератора) стандартизирована (400 Гц или 1 кГц). Если модулирующий сигнал подаётся извне, то параметры модулирующего сигнала оговариваются.

Аттенюатор обеспечивает ступенчатое изменение уровня сигнала. Плавная регулировка – в УН. ИП контролирует уровень сигнала, частоту и параметры модуляции.

5.4. Генераторы импульсных измерительных сигналов

Генераторы импульсных измерительных сигналов – это источники напряжения в виде одиночных или периодически повторяющихся импульсов, форма которых близка к прямоугольной.

Основными параметрами импульсных сигналов являются:

- амплитуда импульсов;

- длительность импульса;

- частота следования импульсов;

- период повторения импульсов;

- длительности фронта и среза импульсов;

- скважность импульсов.

Обобщённая структурная схема на примере ГИС Г5-54:

Рис. 44

На рисунке 44: ЗГ – задающий генератор, УЗ – устройство запуска, УВЗ – устройство временной задержки, ФИ – формирователь импульсов, ФИС – формирователь импульсов синхронизации, ИП – измерительный прибор, УН – усилитель напряжения, Атт – аттенюатор.

ЗГ, как правило, вырабатывает напряжение в виде последовательности импульсов и может работать в непрерывном или ждущем режиме, реализуется как мультивибратор и делитель частоты. Если ЗГ работает в ждущем режиме, то предполагается запуск от внешнего источника сигнала.

УЗ формирует фиксированные по длительности и амплитуде импульсы, которые поступают одновременно на УВЗ и ФИС. УВЗ обеспечивает регулируемую временную задержку между основными импульсами и синхроимпульсами. ФИ вырабатывает импульсы по форме, близкие к прямоугольным. ИП, как правило, измеритель параметров импульсов.

В таких генераторах предусмотрен выход синхроимпульсов, возможность изменения полярности импульсов, аттенюатор для ступенчатого ослабления уровня импульсов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из вышеизложенного материала можно сделать вывод, что использование тех или иных измерительных приборов при измерениях обусловлено несколькими наиболее важными метрологическими характеристиками, такими как:

- точность;

- чувствительность;

- быстродействие;

- диапазон рабочих частот.

Также немаловажную роль играют стоимость и надёжность измерительного прибора.

Исходя из всего вышеназванных характеристик, инженер, который проводит эксперимент, должен решить, какая характеристика измерительного прибора является наиболее важной при решении данной технической задачи. Это решение обусловит выбор того или иного типа измерительного прибора.

Приложение

Домашние задания

Домашнее задание №1:

Основные единицы системы СИ и примеры совокупных и совместных измерений

Основные единицы системы СИ:

Физическая величина	Название единицы	Символ	Обозначение
			Русское	Международное
Время	Секунда	t	с	s
Длина	Метр	L	м	m
Количество вещества	Моль		моль	mol
Масса	Килограмм	m	кг	kg
Сила света	Кандела	J	кд	cd
Температура	Кельвин	T	К	K
Электрический ток	Ампер	I	А	A

Примеры совокупных измерений: измерения, при которых значения сопротивлений отдельных резисторов набора находят по известному сопротивлению одного из них и по результатам прямых сравнений сопротивлений различных сочетаний резисторов. Аналогично проводят измерения масс и ёмкостей конденсаторов отдельных элементов из набора.

Примеры совместных измерений: измерения, при которых сопротивление резистора при и его температурные коэффициенты находят по данным прямых измерений сопротивлений и температуры , выполненных при разных температурах: .

Домашнее задание №2:

Классификация измерительных приборов в виде структурной схемы

Домашнее задание №3:

КЛАССИФИКАЦИЯ РАДИОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ СОГЛАСНО ГОСТ 15094-69

Классификация предусматривает следующие подгруппы и виды приборов.

А - приборы для измерения силы тока:

• A1 - установки или приборы для поверки амперметров;

• А2 - амперметры постоянного тока;

• A3 - амперметры переменного тока;

• А7 - амперметры универсальные;

• А9 - преобразователи тока.

В - приборы для измерения напряжения:

• B1 - установки или приборы для поверки вольтметров;

• В2 - вольтметры постоянного тока;

• ВЗ - вольтметры переменного тока;

• В4 - вольтметры импульсного тока;

• В5 - вольтметры фазочувствительные (векторметры);

• В6 - вольтметры селективные;

• В7 - вольтметры универсальные,

• В8 - измерители отношения напряжений и (или) разности напряжений;

• В9 - преобразователи напряжений.

Е - приборы для измерения параметров компонентов и цепей с сосредоточенными постоянными:

• E1 - меры, установки или приборы для поверки измерителей параметров компонентов и цепей;

• Е2 - измерители полных сопротивлений и (или) полных проводимостей;

• ЕЗ - измерители индуктивностей;

• Е4 - измерители добротности;

• Е6 - измерители сопротивлений;

• Е7 - измерители параметров универсальные;

• Е8 - измерители емкостей;

• Е9 - преобразователи параметров компонентов и цепей.

М - приборы для измерения мощности:

• M1 - установки или приборы для поверки ваттметров;

• М2 - ваттметры проходящей мощности;

• МЗ - ваттметры поглощаемой мощности;

• М5 - преобразователи приемные (головки) ваттметров.

Р - приборы для измерения параметров элементов и трактов с распределенными постоянными:

• Р1 - линии измерительные;

• Р2 - измерители коэффициента стоячей волны;

• РЗ - измерители полных сопротивлений;

• Р4 - измерители комплексных коэффициентов передач;

• Р5 - измерители параметров линий передач;

• Р6 - измерители добротности;

• Р9 - преобразователи параметров.

Ч - приборы для измерения частоты и времени:

• Ч1 - стандарты частоты и времени;

• Ч2 - частотомеры резонансные;

• Ч3 - частотомеры электронно-счетные;

• Ч4 - частотомеры гетеродинные, емкостные и мостовые;

• Ч5 - синхронизаторы частоты и преобразователи частоты сигнала;

• Ч6 - синтезаторы частот, делители и умножители частоты;

• Ч7 - приемники сигналов эталонных частот и сигналов времени, компараторы частотные (фазовые, временные) и синхронометры;

• Ч9 - преобразователи частоты.

Ф - приборы для измерения разности фаз и группового времени запаздывания:

• Ф1 - установки или приборы для поверки измерителей разности фаз и группового времени запаздывания;

• Ф2 - измерители разности фаз;

• ФЗ - фазовращатели измерительные;

• Ф4 - измерители группового времени запаздывания.

С - приборы для наблюдения, измерения и исследования формы сигнала и спектра:

• С1 - осциллографы универсальные;

• С2 - измерители коэффициента амплитудной модуляции (модулометры);

• СЗ - измерители девиации частоты (девиометры);

• С4 - анализаторы спектра;

• С6 - измерители нелинейных искажений;

• С7 - осциллографы скоростные, стробоскопические;

• С8 - осциллографы запоминающие;

• С9 - осциллографы специальные.

Х - приборы для наблюдения и исследования характеристик радиоустройств:

• X1 - приборы для исследования амплитудно-частотных характеристик;

• Х2 - приборы для исследования переходных характеристик;

• ХЗ - приборы для исследования фазочастотных характеристик;

• Х4 - приборы для исследования амплитудных характеристик;

• Х5 - измерители коэффициента шума;

• Х6 - приборы для исследования корреляционных характеристик;

• Х8 - установки или прибору для поверки измерителей характеристик радиоустройств.

П - приборы для измерения напряженности поля и радиопомех:

• П1 - установки (приборы) для поверки приборов для измерения напряженности поля и радиопомех;

• П2 - индикаторы поля;

• ПЗ - измерители напряженности поля;

• П4 - измерители радиопомех;

• П5 - приемники измерительные;

• П6 - антенны измерительные;

• П7 - измерители параметров антенн.

У - усилители измерительные:

• У2 - усилители селективные;

• УЗ - усилители высокочастотные;

• У4 - усилители низкочастотные;

• У5 - усилители напряжения постоянного тока;

• У7 - усилители универсальные.

Г - генераторы измерительные:

• Г1 - установки для поверки измерительных генераторов;

• Г2 - генераторы шумовых сигналов;

• ГЗ - генераторы сигналов низкочастотные;

• Г4 - генераторы сигналов высокочастотные;

• Г5 - генераторы импульсов;

• Г6 - генераторы сигналов специальной формы;

• Г8 - генераторы качающейся частоты (свип-генераторы).

Д - аттенюаторы и приборы для измерения ослаблений:

• Д1 - установки или приборы для поверки аттенюаторов и приборов для измерения ослаблений;

• Д2 - аттенюаторы резисторные и емкостные;

• ДЗ - аттенюаторы поляризационные;

• Д4 - аттенюаторы предельные;

• Д5 - аттенюаторы поглощающие;

• Д6 - аттенюаторы электрически управляемые;

• Д8 - измерители ослаблений.

К - комплексные измерительные установки:

• К2 - установки измерительные комплексные;

• КЗ - установки измерительные комплексные автоматизированные;

• К4 - приборы (блоки) комплексных измерительных установок;

• К6 - приборы (блоки) комплексных автоматизированных измерительных установок.

Л - приборы общего применения для измерения параметров электронных ламп и полупроводниковых приборов:

• Л2 - измерители параметров (характеристик) полупроводниковых приборов;

• ЛЗ - измерители параметров (характеристик) электронных ламп;

• Л4 - измерители шумовых параметров полупроводниковых приборов.

Ш - приборы для измерения электрических и магнитных свойств материалов:

• Ш1 - измерители электрических и магнитных свойств материалов на низких частотах;

• Ш2 - измерители электрических и магнитных свойств материалов на высоких частотах.

Я - блоки радиоизмерительных приборов:

• Я1 - блоки приборов для измерения силы тока и напряжения, параметров компонентов и цепей с сосредоточенными постоянными;

• Я2 - блоки измерителей параметров элементов и трактов с распределенными постоянными; блоки приборов для измерения мощности;

• ЯЗ - блоки приборов для измерения частоты и времени; блоки измерителей разности фаз и группового времени запаздывания;

• Я4 - блоки приборов для наблюдения, измерения и исследования формы сигнала и спектра;

• Я5 - блоки измерителей характеристик радиоустройств и блоки приборов для импульсных измерений;

• Я6 - блоки приборов для измерения напряженности поля и радиопомех и блоки усилителей измерительных;

• Я7 - блоки измерительных генераторов и приборов для измерения ослаблений;

• Я8 - блоки источников питания;

• Я9 - блоки преобразователей измерительных, блоки для индикации результатов измерений, блоки коммутации.

Э - измерительные устройства коаксиальных и волноводных трактов:

• Э1 - трансформаторы;

• Э2 - переходы, соединители;

• ЭЗ - переключатели;

• Э4 - модуляторы;

• Э5 - направленные ответвители, разветвители, датчики полных сопротивлений;

• Э6 - вентили, циркуляторы;

• Э7 - головки детекторные, головки смесительные;

• Э8 - фильтры;

• Э9 - нагрузки.

Б - источники питания для измерений и радиоизмерительных приборов:

• Б2 - источники переменного тока;

• Б4 - источники калиброванного напряжения и тока;

• Б5 - источники постоянного тока;

• Б6 - источники с регулируемыми параметрами;

• Б7 - источники постоянного и переменного тока универсальные.

Домашнее задание №4:

Расширение пределов измерений магнитоэлектрических измерительных приборов с помощью шунтов и дополнительных сопротивлений

Магнитоэлектрические амперметры. Основой ампер­метров является измерительный механизм. В микро- и миллиамперметрах, предназначенных для измерения токов (не превосходящих 50 мА), измерительная цепь состоит из рамки и пружин, через которые подводится ток к рамке (со­противление цепи измерительного механизма ).

Значение тока полного отклонения ограничено влиянием его теплового действия на упругие свойства спи­ральных противодействующих пружинок.

Рис. 1. Схема микро­амперметра с шунтом

Рис. 2. Схема двухпредельного амперметра

Если измеряемый ток превышает по значению ток полного отклонения подвижной части, то параллель­но цепи измерительного механизма подключается шунт (резистор), через который пропускается ток (рис. 1). Сопротивление шунта определя­ется из условия

.

Если шунт рассматривать как делитель тока с ко­эффициентом деления , то его сопротивление

.

Обычно Ом.

Для исключения влияния на результат измерения сопротивления соединительных проводов и контактов, соизмеримых с сопротивлением шунта, последние вы­полняются четырёхзажимными: два зажима (токовых) используют для включения шунта в цепь измеряемого тока и два других зажима (потенциальных) – для под­ключения к измерительному механизму.

Шунты обычно изготовляют из манганина, обладаю­щего ничтожно малым температурным коэффициентом сопротивления.

В двухпредельном амперметре (рис.2), если при­нять , сопротивления шунта для пределов и соответственно равны:

где - коэффициенты шунтирования. Совместно решая эти два уравнения, можно определить сопро­тивления шунтов:

Шунты бывают внутренние, вмонтированные в кор­пус прибора, и наружные. Наружные шунты подразде­ляют на индивидуальные и взаимозаменяемые (калиб­рованные). Индивидуальные шунты применяют к кон­кретным измерительным механизмам. Взаимозаменяемые шунты изготовляют на номинальные токи и падения напряжения 60, 75 мВ, но допускают значения 100, 150, 300 мВ; эти шунты применяют к измерительным механизмам, рассчитанным на такие же падения напряжения. Внутренние шунты изготовляют на токи примерно до 50 А, наружные — на токи до 10 кА. Наружные шунты обычно присоеди­няются к механизму двумя калиброванными проводни­ками с общим сопротивлением 0,035 Ом. Классы точно­сти шунтов — 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 — показывают допустимое отклонение сопротивления шунта от номи­нального значения, выраженное в процентах. Примене­ние шунтов позволяет расширить пределы измерения амперметров, но приводит к увеличению мощности по­требления, снижению точности измерения и чувстви­тельности. Для понижения температурной погрешности, вызванной изменением сопротивления обмотки рамки и пружин подвижной части измерительного механизма при протекании тока, последовательно с рамкой включается добавочное со­противление из манганина.

Магнитоэлектрические вольтметры. Магнитоэлек­трический измерительный механизм с включенным последовательно добавоч­ным резистором можно использовать как вольтметр для измерения напряжения. Его подключают параллельно к объекту измерения. В измерительной цепи вольтметра измеряемое напряжение преобразуется в ток, необходи­мый для отклонения подвижной части измерительного механизма.

Предел измерения вольтметра зависит от тока полного отклонения подвижной части и внутреннего сопротивления вольтметра (суммы сопротивлений обмотки рамки , пружин и резистора ):

Ток полного отклонения рамки магнитоэлектрических вольтметров составляет десятки миллиампер.

Для изменения предела измерения напряжения до последовательно с вольтметром включается доба­вочный резистор, сопротивление которого при задан­ном значении определяется из выражений:

где — коэффициент расширения предела измерения вольтметра (множитель шкалы).

Рис. 3. Схема трёхпредельного вольтметра

В многопредельных вольт­метрах (рис. 3) используют ступенчатое включение резис­торов и для соответствующих пределов измерения напряже­ний при заданном токе рамки сопротивления добавочных резисторов рассчитывают по формулам:

или

или ,

где — коэффициенты расшире­ния пределов.

Добавочные резисторы в основном изготовляют из манганинового провода, намотанного на круглые или плоские каркасы из изоляционного материала. Они мо­гут быть внутренними (до 600 В) и наружными (до 1500 В). Наружные добавочные резисторы, в свою оче­редь, могут быть индивидуальными и взаимозаменяемыми на номинальные токи 0,5; 1; 3; 7,5; 15 и 30 мА.

Магнитоэлектрические вольтметры имеют равномер­ную шкалу, высокую точность, большую чувствитель­ность, но малое внутреннее сопротивление. Диапазон измеряемых ими напряжений лежит в пределах от мик­ровольт до 1,5 кВ.

Домашнее задание №5:

Условные графические обозначения, применяемые на шкалах электромеханических измерительных приборов

Домашнее задание №6:

Вычислить интегралы:

Домашнее задание №7:

Устройство и принцип действия электродинамических, ферродинамических и электростатических измерительных приборов

Электродинамические и ферродинамические приборы

В приборах электродинамической системы имеются две пары кату­шек — подвижных и неподвижных. Подвижная катушка 1 (рис. 4, а) может поворачиваться относительно неподвижной 2, состоящей из двух частей, разделенных зазором. Магнитное поле катушек замыкает­ся по воздуху. Вращающий момент перемещает стрелку 4, укреплен­ную на оси 5, относительно шкалы 3. Успокоитель 6 — воздушного типа. Для увеличения вращающего момента иногда применяют магнитопроводы. Такие приборы называются ферродинамическими. Вращающий момент находится с помощью уравнения Лагранжа , где — энергия магнитного поля; — угол отклонения подвижной части механизма.

Рис. 4. Прибор электродинамической системы

Как следует из уравнения Лагранжа, вращающий момент равен производной от энергии системы по углу а. Энергия системы, состоящей из двух катушек 2 с токами и (рис. 4, б), определяется соотно­шением , где и — индук­тивности катушек, а — взаимоиндуктивность. При дифференци­ровании учитываем, что токи и , а также индуктивности и постоянны. Лишь зависит от угла поворота . Следовательно,

Если пропустить по катушкам переменные токи и , подвижная часть прибора будет реагировать лишь на среднее значение вращающего момента:

При установившемся отклонении справедливо соотношение и .

Если токи и синусоидальны и имеют фазовый сдвиг , то , где и — среднеквадратические (действующие) значения токов. Следовательно, , отсюда следует, что показания прибора определяются произведением токов и и углом . При отклонение равно нулю.

При последовательном соединении катушек (рис. 5, а) и .

Если прибор используется для измерения напряжения, то включают дополнительный резистор (рис. 5, б), который ограничивает ток через прибор. Показания прибора определяются формулой .

Рис. 5. Схемы включения катушек для различных приборов электродинамической системы

Параллельное включение обмоток используется в амперметрах, рассчитанных на большой ток (рис. 5, в). При этом основную часть тока пропускают по неподвижной катушке, которая наматывается тол­стым проводом. При этом уменьшается ток через рамку.

Введя коэффициент распределения токов по обмоткам и обозначив измеряемый ток , имеем .

Подбирая величину , можно построить прибор для измерения боль­ших токов. Независимое включение катушек электродинамического механизма применяется в ваттметрах – приборах для измерения мощности. Схема включения катушек показана на рис. 5, г. Неподвижная катушка с малым сопротивлением включается последовательно с нагрузкой . Подвижная катушка с последовательно включенным резистором подключается параллельно нагрузке. При таком соединении отклоне­ние подвижной части прибора пропорционально средней активной мощности, рассеиваемой на нагрузке за период Т, т. е.

.

При измерении мощности в цепях переменного тока иногда требуется измерять реактивную мощность . Приборы, измеряю­щие , называют варметрами. В этих приборах создается искусствен­ный фазовый сдвиг 90° между напряжением, приложенным к парал­лельной цепи, и током в рамке. В этом случае

.

Знак минус указывает, что стрелка отклоняется в обратную сторону. Для нормальной работы прибора необходимо переключить концы од­ной из обмоток. Зажимы, обозначенные звездочкой (*) на рис. 5, г, называются генераторными и подключают­ся со стороны генератора.

Основная погрешность электродинами­ческих приборов на постоянном токе опре­деляется механическими свойствами меха­низма, постоянством параметров измери­тельной цепи и точностью градуировочной характеристики. Механические свойства мо­гут быть доведены до высокой степени со­вершенства. Стабильность параметров из­мерительной цепи повышается, если в ка­честве добавочного сопротивления (рис. 5) используется проволочный рези­стор (из манганина). Градуировку можно выполнить весьма точно на постоянном токе с помощью образцовых приборов (компенсаторов). Однако постоянный ток лучше измеряется магнитоэлектрическими приборами (так как электродинамические потребляют мощность 3...15 Вт). Поэтому представляет интерес гра­дуировка на постоянном токе с последующим использованием прибора на переменном токе.

В вольтметрах (рис. 5, б) частотная погрешность вызывается ин­дуктивным сопротивлением его цепи. Поэтому если прибор градуирован на постоянном токе, при измерении переменных токов возникнет су­щественная погрешность. Достаточно эффективной частотной коррек­цией является последовательное включение резисторов и шунтирование одного из них конденсатором (рис. 6).

Рис. 6. Схема для частотной коррекции при измерениях на переменном токе

Вольтметр, градуированный на постоянном токе, но с частотной коррекцией, можно применять на частотах до 2...3 кГц при классе точности до 0,2. При ис­пользовании электродинамического прибора в качестве амперметра ка­тушки включаются последовательно (рис. 5, а), в этом случае изме­нение активного сопротивления (например, от температуры) и изме­нение индуктивного сопротивления (при изменении частоты) не вызы­вают погрешности измерения, поскольку прибор показывает тот ток, который через него протекает. Если амперметр рассчитан на большой ток и его обмотки включаются параллельно (рис. 5, в), то погреш­ность измерения определяется перераспределением токов между вет­вями при изменении температуры и частоты. Для коррекции в схему вводят резисторы и конденсатор (рис. 7). При выполнении условия удается устранить перераспределение токов при изменении ча­стоты. Шунтирование конденсатором устраняет различие показаний на по­стоянном и переменном токах.

Рис. 7. Схема для коррекции перераспределения токов между ветвями при изменении частоты и температуры

По сравнению с приборами магнитоэлектрической системы, электродинамические более чувствительны к внешним полям. Экранирование прибора экраном из ферромагнитного материала существенно ослаб­ляет влияние внешних полей. Другой прием носит название — астазирование. В приборах такого типа используются две подвижные ка­тушки, которые создают два вращающих момента. Катушки располо­жены так, что внешнее магнитное поле увеличивает один вращающий момент и настолько же уменьшает другой. Сумма моментов остается неизменной. Астатические механизмы применяются сравнительно ред­ко, так как имеют сравнительно сложную конструкцию.

Электростатические приборы

Рис. 8. Электростатические измерительные приборы

В электростатических приборах перемещение подвижной части механизма осуществляется под действием энергии электрического поля системы заряженных проводников. Поэтому электростатические приборы обычно используются в ка­честве вольтметров. Наибольшее распространение получили два вида механиз­мов, конструкции которых показаны на рис. 8. Конструкция, изображенная на рис. 8, а, применяется в щитовых и переносных вольтметрах, измеряющих напряжения до нескольких сотен вольт. Конструкция рис. 8, б позволяет из­мерять напряжения в несколько киловольт.

В приборе рис. 8,а секторообразные пластины 2 образуют подвижную часть прибора. Она поворачивается на оси 3 вместе со стрелкой 4. Силы электрического поля стремятся повернуть подвижную часть относительно неподвижной 1 так, чтобы энергия электрического поля была максимальна. Поскольку энергия будет максимальна при максимальном значении емкости, под воздейст­вием приложенного напряжения подвижный электрод будет втягиваться между неподвижными. В электростатическом приборе второго типа (рис. 8, б) элек­троды 1 закреплены неподвижно, подвижный электрод 2 прикреплен на упру­гих лентах 3 к держателю 4. Один из неподвижных электродов (например, ле­вый) соединяется электрически с подвижным электродом и к ним подводится один потенциал (например, положительный). Отрицательный потенциал подает­ся на неподвижный электрод. Подвижный электрод отталкивается от левого не­подвижного электрода и притягивается к правому. Перемещение подвижного электрода с помощью оттяжки 7 передается на ось 5 со стрелкой 6.

Вращающий момент электростатического механизма . Величина отклонения, соответствующая условию равновесия , определяется соотношением , из которого видно, что откло­нение пропорционально квадрату приложенного напряжения. Смена полярности приложенного напряжения не изменяет направления отклонения. Поэтому электростатические приборы можно применять на переменном токе. При этом из-за инерции подвижная часть не может следовать за изменениями вращающего момента и реагирует на его среднее значение , где - действующее значение напряжения.

Вращающий момент электростатического механизма мал, поэтому вольтметры данного типа рассчитаны на предел более 10 В. Собственное электростатическое поле прибора мало, поэтому необходима экранировка от внешних полей. На показания электростатического прибора практически не влияют температу­ра, частота, форма приложенного на­пряжения, а также внешние магнитные поля. Собственное потребление энергии вольтметром чрезвычайно мало и на постоянном токе равно нулю.

Для расширения пределов измере­ния электростатического вольтметра при измерении постоянных напряжений целесообразно применять резистивиый делитель, а при измерении переменных — емкостный. Схемы делителей показаны на рис. 9, а, б. При использовании емкостного делителя измеряемое напря­жение и напряжение на вольтметре определяются соотношением: , где — электрическая емкость вольтметра.

Рис. 9. Схемы для расширения пределов измерений электростатических измерительных приборов

Промышленность выпускает электростатические вольтметры классов точно­сти 0,5; 1,0; 1,5 на напряжения от 10 В до 300 кВ. Частотный диапазон до 10 МГц. Основное применение электростатические вольтметры находят для измерений в маломощных цепях при широком частотном диапазоне, а также в цепях высокого напряжения.

Домашнее задание №8:

Общие детали и узлы конструкции электромеханических измерительных приборов: способы установки подвижной части (подвесы, растяжки, опоры), виды успокоителей, шкалы

На шкалы отсчетного устройства наносятся отметки в виде коротких линий, интервал между которыми называют делением шкалы. Отмет­ки шкалы, снабженные числами, называют числовыми отметками шкалы. Шкалы мо­гут быть равномерными или неравномер­ными. Наименьшее значение измеряемой величины, указанное на шкале, называют начальным значением шкалы, наиболь­шее — конечным. Диапазон показаний оп­ределяют по начальному и конечному зна­чениям шкалы. Под диапазоном измерений понимают область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерения. При равномерных шкалах обычно диапазон показаний и диапазон измерений совпадают.

Неравномерные шкалы используются в приборах определенного це­левого назначения. На рис. 10 изображена шкала неравномерного типа для вольтметра. Вольтметр со шкалой такого типа удобно применять в устройствах, в которых возможны броски напряжения. В стационар­ном режиме измеряемое напряжение невелико и измеряется с высокой точностью, так как начальная часть шкалы растянута.

Рис. 10. Шкала неравномерного типа

Рис. 11. Формы стрелок на шкалах

В приборах с не­равномерной шкалой диапазон показаний не совпадает с диапазоном измерений. Для определения диапазона измерений на шкале обычно ставят точки. Если наибольшее значение диапазона измерений и диа­пазона показаний совпадают, точка ставится только в начальной части шкалы, как показано на рис. 10 (точка у отметки 5).

Механический указатель прибора представляет собой стрелку, ко­нец которой выполнен в форме, облегчающей отсчет показаний. Воз­можные формы стрелок, соответствующие ГОСТ 3051-69, показаны на рис. 11.

В лабораторных приборах повышенных классов точности приме­няют отсчетное устройство с зеркальной шкалой. На циферблате (рис. 11) под шкалой устанавливается зеркало 2. При отсчете оператор совмещает стрелку 3 с ее изображением в зеркале. При этом линия наблюдения составляет с плоскостью зеркала угол 90°, что устраняет погрешность отсчета, связанную с параллаксом.

В приборах со световым указателем на подвижной части укреп­ляется зеркальце. Луч света от миниатюрной лампы накаливания отра­жается от него и образует на матовом стекле световую отметку. При повороте подвижной части поворачивается зеркало, изменяется угол отражения луча и положение светового пятна относительно шкалы.

Конструкция устройства, создающего противодействующий момент, показана на рис. 12. Внутренний конец спиральной пружины 1 при­крепляется к подвижной части измерительного механизма 2, а наружный к неподвижной части прибора. Противодействующий момент увели­чивается по мере закручивания пружины. Для регулировки пружины используется корректор, С помощью эксцентрично расположенного винта 4 регулируется положение поводка 3 и первоначальное натяже­ние пружины. Нулевой противодействующий момент должен соответ­ствовать нулевому показанию стрелки 5.

Рис. 12 Конструкция устройства, Рис. 13. Устройства для создания

создающего противодействующий успокаивающего момента

момент

Растяжки представляют собой металлические ленты толщиной 0,01 и 0,04 мм. Подвижная часть прибора подвешивается на двух растяжках. Таким образом, они создают противодействующий мо­мент и одновременно служат для крепления подвижной части при­бора. При необходимости по рас­тяжкам может подводиться ток.

Рис. 14. Магнитоиндукционный ус­покоитель

Устройства для создания успокаивающего момента имеют разные принципы действия. Воздушный успокоитель (рис.13,а) состоит из закрытой камеры 1, внутри которой перемещается легкое алюминиевое крыло 2, закрепленное на оси подвижной части механизма 3. Успокаи­вающий момент возникает благодаря прохождения воздуха через уз­кий зазор между стенками камеры и крылом. Жидкостный успокои­тель (рис.13,б) основан на использовании специальной маловысыхающей кремнеорганической жидкости 3, находящейся в зазоре 0,1...0,15 мм между двумя дисками 1 и 2. Успокаивающий момент возни­кает при повороте одного диска относительно другого вследствие тре­ния между различными слоями жидкости. Магнитоиндукционный ус­покоитель (рис. 14) основан на использовании вихревых токов в алюминиевом крыле 2, возникающих при его перемещении в поле постоян­ного магнита 1. Магнитное поле вихревых токов, взаимодействует с по­лем постоянного магнита, создавая успокаивающий момент. В боль­шинстве случаев момент успокоения связан со скоростью подвижной части линейной зависимостью , где — коэффициент про­порциональности (коэффициент успокоения). На рис. 15 показаны гра­фики движения подвижной части при различных значениях : 1 — малый момент (колебательный процесс); 2 — критический момент; 3 — большой момент (апериодический процесс). Согласно ГОСТ 22261-76 время успокоения не должно превышать 4 с.

Рис. 15. Гра­фики движения подвижной Рис. 16. Опоры, которые

части при различных значениях используются при креплении

подвижной части на оси

При креплении подвижной части на оси используются опоры (рис. 16). Ось подвижной части оканчивается заостренным стальным стержнем (керном 1) из специального сплава. Конец керна закруглен и отполирован. Керн опирается на подпятник 2, выполненный из твер­дых материалов (агата или корунда). Подпятник закреплен в металли­ческой оправе 5, которая соединяется с неподвижной частью прибора с помощью резьбы.

Домашнее задание №9:

Описание принципа действия детектора амплитудных значений с закрытым входом

Большое практическое применение имеет преобразо­ватель амплитудного значения с закрытым входом (рис. 17), в котором диод VD включен параллельно высокоомному резистору R (такая схема используется в универсальных аналоговых электронных вольтметрах). При положительной полуволне измеряемого напряжения конденсатор С заряжается через диод VD сопротивлением приблизительно до ампли­тудного значения , а при отрицательной полуволне измеряемого напряжения диод VD будет заперт, поэто­му заряженный конденсатор разряжается на резистор , но так как постоянная времени разряда RC конден­сатора велика по сравнению с периодом Т измеряемого напряжения, то конденсатор С не успевает разрядиться за период и напряжение на нем остается примерно равным .

К резистору приложено напряжение, равное разности измеряемого напряжения и напряжения на конденсаторе , т.е. .

Рис. 17. Преобразо­ватель амплитудного значения с закрытым входом

Напряжение на резисторе повторяет форму измеряемого напряжения , но смещено на ампли­тудное значение (рис. 17), т.е. пульсирует от 0 до . Микроамперметр, включенный в цепь резисто­ра , реагирует на среднее значение тока в цепи . Так как напряжение пульсирует от 0 до , то, чтобы уменьшить пульсации тока через прибор, в реальных схемах аналоговых электрон­ных вольтметров напряжение подается на вход усилителя постоянного тока через сглаживающий фильтр низкой частоты, а микроамперметр включается на выходе усилителя постоянного тока (рис. 18).

Рис. 18. Реальная схема амплитудного преобразователя с закрытым входом

Если измеряемое напряжение , поданное на пре­образователь амплитудного значения с закрытым вхо­дом, содержит кроме переменной еще и постоянную со­ставляющую, т.е. , то при действии напряжения конденсатор зарядится до значения и напряжение на резисторе будет

.

Постоянные составляющие измеряемого напряжения и напряжения на конденсаторе С друг друга взаимно компенсируют на резисторе . Таким образом, микро­амперметр в преобразователе амплитудного значения с закрытым входом реагирует только на переменную со­ставляющую напряжения .

Домашнее задание №10:

Вольтметры среднеквадратических значений, построенные на основе термоэлектрических преобразователей

Преобразователи среднеквадратического значения, преимущественно применяемые в электронных вольтмет­рах, строятся на термоэлектрических элементах (рис. 19), в которых электрическая энергия преобразуется в тепловую и используется квадратичная зависимость термо-ЭДС от тока нагревателя, или, что то же,— от входного напряжения.

Термопреобразователь состоит из нагреватели Н и термопары Т. В схеме используются два бесконтакт­ных термопреобразователя ТП1 и ТП2, включенных встречно. Термопреобразователь ТП1 включен между выходом усилителя напряжения переменного тока и входом усилителя постоянного тока. Мощность, подводимая к нагревателю ТП1, равна . ЭДС, развиваемая термопарой ТП1, пропорциональна , т. е. .

Рис. 19. Детектор среднеквадратических зна­чений с термопреобразователями

После подачи измеряемого напряжения ЭДС начинает нарастать и на выходе усилителя постоянного тока появляется напряжение, создающее ток в нагревателе ТП2. ЭДС, развиваемая термопарой, , где — выходной ток усилителя постоянного тока, протекающий по нагревателю ТП2.

Нарастание продолжается до некоторого уста­новившегося значения, соответствующего значению . Параметры схемы выбирают такими, что напряжение на входе усилителя постоянного тока определяются из условия . Подставив в данное уравнение значения и , получим линей­ную зависимость постоянного тока , пропорциональ­ного входному напряжению . Шкала выход­ного микроамперметра будет равномерной. Частотный диапазон вольтметров от 20 Гц до 10 МГц.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Атамалян Э. Г. Приборы и методы измерения электрических величин. – М.: Высш. шк., 1989. – 384 с.

2. Мирский Г. Я. Электронные измерения. – М.: Радио и связь, 1985. – 368 с.

3. Винокуров В. И., Каплин С. И., Петелин И. Г. Электрорадиоизмерения М.: Высш. шк., 1986. – 351 с.

4. Хромой Б. П., Моисеев Ю. Г. Электрорадиоизмерения. – М.: Радио и связь, 1985. – 288 с.

126