МОСТЫ И КОМПЕНСАТОРЫ

Мосты и компенсаторы – это приборы, которые строятся на основе метода сравнения с мерой. Мосты широко применяют для измерения сопротивления, индуктивности, емкости, добротности и угла потерь. Широкое применение мостов объясняется возможностью достижения высокой точности результатов измерений и высокой чувствительности. Различают мосты постоянного тока и переменного тока, одинарные (четырехплечие) и двойные шестиплечие, с ручным и автоматическим уравновешиванием.

Компенсаторы применяются для измерения напряжений и ЭДС постоянного и переменного тока.

Схема одинарного моста переменного тока ( рис.12) содержит четыре сопротивления Z₁, Z₂, Z₃, Z₄, включенных в виде кольца. Точки а, б, в, г называют вершинами моста, а участок цепи между двумя смежными вершинами - плечи моста, а между противоположными вершинами ав и бг – диагональю. В диагональ ав включен источник питания и она называется входной, а другая диагональ – бг содержит нагрузку Z₀ и называется выходной.

 

 

Рис. 12 Схема моста переменного тока

Режим работы моста при котором ток выходной диагонали I₀ равен нулю называют уравновешенным. Такой режим возможен когда потенциалы вершин б и г равны между собой. Это означает, что падения напряжения на первом и третьем плечах одинаковы. Одинаковы и падения напряжения на втором и четвертом плечах моста. Значит можно записать:

Так как ток диагонали бг - равен нулю, то очевидно, что , а и разделив почленно эти равенства получим условие равновесия одинарного моста:

или аналогичное ему условие

В схеме моста постоянного тока сопротивления плеч чисто активные - . В диагональ б-г включают нуль – индикатор (магнитоэлектрический гальванометр) с сопротивлением R₀. Условие равновесия моста в этом случае имеет вид:

Это равенство показывает возможность подключения объекта в любое из плеч моста с последующим вычислением его сопротивления.

Мосты, в которых измеряемую величину определяют из условия равновесия (15.2), называют уравновешенными. Мосты, в которых измеряемую величину определяют по значению тока или напряжения выходной диагонали называют неуравновешенными.. .

Для измерения сопротивлений применяются мосты постоянного тока. При изменении средних сопротивлений (1010⁶ Ом) применяют одинарные мосты ( рис.12)

Двойные мосты применяют для измерения сопротивлений в диапазоне от 10^-8 до 100 Ом. ( рис.13)

 

 

Рис. 13 Схема двойного моста

 

Измеряемое сопротивление R_Х включается последовательно с образцовым R₀. Образцовое сопротивление выбирают одного порядка с R_Х. Сопротивление проводников, соединяющих R_Х и R_0, обозначено R. Чтобы уменьшить влияние R на результат измерений, проводник выполняют предельно коротким, с большим сечением.

В общем случае:

Чтобы исключить R, принимают и тогда. ,

т.е. мост превращается в 4-х плечий.

Уравновешивается мост регулировкой R₁, который выполняется в виде многодекадного магазина сопротивлений. Для соблюдения условия R₁=R₃, последнее выполняют идентичным R₁ и с общей ручкой управления. Выбор нужного предела производится изменением R₂ одновременно с R₄.

Мосты переменного тока широко применяются для измерения емкости, угла потерь, индуктивности и добротности. При измерении емкости следует учитывать, что реальный конденсатор обычно обладает потерями, которые учитываются в схеме замещения сопротивлением R , причем . Схема моста для измерения емкости конденсаторов с малыми потерями приведена на рис.14, а индуктивности – на рис 15

Рис. 14 Схема моста для измерения Рис. 15 Схема моста для измерения

Ёмкости индуктивности

Порядок измерения ёмкости заключается в следующем. Установив R₃ = 0, изменяют отношение R₄/R₂ до получения минимального показания нуль - индикатора. Регулировкой R₃ добиваются дальнейшего уменьшения показаний. Затем, вновь изменяют R₄/R₂ и так до получения равновесия.

Искомые величины получаем из выражения:

При измерении индуктивности L_XR_X означает последовательное включение активного сопротивления измеряемой катушки R_Х и идеальной индуктивности L_Х (схема замещения). L₃R₃ – параметры образцовой катушки. Для такого включения получим:

.

Компенсаторы предназначены для сравнения нулевым методом двух независимых напряжений, токов или ЭДС.(рис. 16)

 

Рис. 16 Схема компенсатора

 

Компенсационная цепь содержит двухполюсник А с параметрами Е_Х и R, причем Е_Х – измеряемая величина; двухполюсник Б, на выводах которого в и г действует регулируемое в пределах от нуля до некоторого заданного значения компенсирующее напряжение U_К, величина которого известна с высокой точностью;R_К – внутреннее сопротивление источника U_К; сравнивающее устройство СУ. В процессе измерения компенсирующее напряжение регулируется до достижения равновесия U_K=E_X. Это равенство устанавливается по показанию СУ.

Таким образом, характерной особенностью компенсационной цепи является наличие в ней двух или более независимых источников напряжения; двух ветвей, ток которых при равновесии равен нулю. Компенсационные цепи на переменном токе должны содержать источники напряжения со строго одинаковыми частотами. Только в этом случае возможно уравновешивание схемы.

 

ЛЕКЦИЯ 7 . ЭЛЕКТРОННЫЕ АНАЛОГОВЫЕ ПРИБОРЫ

В электронных измерительных устройствах основными функциональными узлами являются усилители, преобразователи и другие электронные устройства. Наиболее широкое применение находят вольтметры, генераторы, осциллографы, частотомеры, приборы для измерения параметров схем.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

Классифицируются вольтметры по следующим параметрам:

- по виду (В2 ÷ В7);

- по типу индикатора (стрелочные, цифровые);

- по методу измерения (непосредственной оценки, нулевой);

- по измеряемому параметру (пиковые, U, U₀);

- по диапазону (НЧ, ВЧ, СВЧ, широкодиапазонные);

- по схеме входного устройства (с открытым и закрытым входом);

- по элементной базе (лампы, транзисторы, микросхемы).

Структурная схема стрелочных электронных вольтметров в самом общем виде состоит из входного устройства; усилителя; преобразователя; электроизмерительного прибора и узла питания.(рис. 1)

Рис. 1 Обобщённая структурная схема электронного вольтметра

для измерения постоянного напряжения

Здесь входное устройство обычно состоит из делителей напряжения – аттенюаторов и эмиттерного повторителя. Аттенюатор изменяет пределы измерения; эмиттерный повторитель создает большое входное сопротивление

Для приборов, измеряющих переменное напряжение, характерны три варианта структурной схемы (рис.2,а-в).

Рис. 2 Схемы вольтметров переменного тока

Принцип действия первого варианта заключается в преобразовании переменного напряжения в постоянное, которое измеряется стрелочным прибором.

При измерении малых напряжений применяют второй вариант схемы , основной недостаток которой заключается в ограниченной полосе частот (10÷50 МГц).

Третий вариант схемы позволяет получить более высокую чувствительность, чем предыдущие. Все три варианта схем можно сочетать в одном приборе, который становится универсальным, т. к. служит как для измерения переменных, так

и постоянных напряжений.

В стрелочных электронных вольтметрах применяют усилители постоянного и переменного тока. Усилители постоянного тока выполняют роль усилителей мощности сигнала, достаточной для приведения в действие магнитоэлектрического прибора.

В микровольтметрах постоянного напряжения, где треюуется усиление весьма

малых сигналов, применяют усилители с преобразованием постоянного напряжения в переменное. В них последовательно выполняется модуляция – усиление – демодуляция сигнала. Поэтому их называют усилители типа MDM или с конвертированием.

Схемы СЭВ могут включать в свой состав преобразователи амплитудного (пикового), среднего или действующего значений переменного напряжения.

В качестве стрелочных измерительных приборов в электронных вольтметрах при

меняют магнитоэлектрические микроамперметры с пределами 1001000 мкА. В импульсных киловольтметрах могут применяться электростатические вольтметры. Основной вклад в значение погрешности вносят измерительный прибор и преобразователь.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ОММЕТРЫ

В основе большинства электронных оммеров лежат схемы рис.3

Рис.3 Схемы электронных вольтметров

Для схемы рис. 19, а, напряжение на входе усилителя постоянного тока равно

.

При это напряжение пропорционально измеряемому сопротивлению . Шкала прибора линейна.

Схема рис.19, б применяется когда . В этом случае ,

поэтому показания прибора обратно пропорциональны измеряемому сопротивлению, а шкала носит гиперболический характер.

Предполагается, что обе схемы имеют большое входное сопротивление усилителя: ; . Поэтому входной ток усилителя пренебрежимо мал.

 

ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНДУКТИВНОСТИ И ЕМКОСТИ

Разработано много способов измерения Q, L, и C. Наиболее широкое распространение получили способ, основанный на явлении резонанса в LC контуре, и способ, основанный на сравнении частот двух генераторов.

На схеме рис. 4 приведён один из способов измерения L и C .

Рис.4 Схема измерения индуктивности и ёмкости сравнением с

частотой опорного генератора

На этой схеме Г₁ – генератор, перестраиваемый образцовым конденсатором С₀; Г₂ – генератор, в колебательный контур которого включаются измеряемые L_x или С_х; С_М – смеситель, выделяющий разностную частоту F = f_Г1 – f_Г2; ИМ – индикатор. Параметры контуров выбираются одинаковыми, т.е. L₁ = L₂; С₁ = С₂.

При подготовке к измерениям зажимы «аб» замыкаются, «вг» – размыкаются. Генераторы настраиваются на одну частоту конденсатором С₀. Совпадение частот фиксируется индикатором (нуль – индикатором) по нулевым биениям на выходе смесителя.

Измеряемая емкость С_х включается к зажимам «вг». При этом равенство частот генераторов нарушается. Оно вновь восстанавливается измерением емкости образцового конденсатора на . При этом .

Измеряемая индуктивность подключается к контактам «аб». При равенстве частот имеем .

Поэтому

.

Следовательно, шкала конденсатора С₀ может быть проградуирована в единицах индуктивности.

ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ И ЭНЕРГИИ

Электронные ваттметры могут быть построены на основе измерительного преобразователя мощности в напряжение. В основе работы преобразователей активной мощности лежит реализация зависимости

Наиболее точными являются модуляционные множительные устройства. Они основаны на двойной модуляции импульсных сигналов. Чаще других применяют модуляцию ШИМ – АМ.

Структурная схема преобразователя приведена на рис.5, а, а на рис.5, б – временная диаграмма, поясняющая принцип работы.

Рис. 5 Схема (а) и графики (б) преобразователя мощности в напряжение

Генератор вырабатывает прямоугольные двухполярные импульсы постоянной амплитуды U и длительности, причем t₁ = t₂. Период импульсов . В широтно-импульсном модуляторе длительность импульсов под воздействием тока изменяется по зависимости =,

где – коэффициент ШИМ.

В амплитудном модуляторе амплитуда импульсов модулируется пропорционально входному напряжению, т.е. ,

где К_а – коэффициент АМ.

Тогда среднее за период Т₀ значение напряжения на выходе АМ равно , т.е. пропорционально мгновенной мощности.

На выходе УУ выполняется операция интегрирования

,

где Т – период тока i.

Электронные счетчики активной энергии строятся по принципу реализации алгоритма

Одна из возможных схем такого счетчика приведена на рис.6

Рис.6 Схема электронного счётчика активной энергии.

В состав схемы входят ПМН – преобразователь мощности в напряжение, представленный на рис.6., а, ПНЧ – преобразователь напряжения в частоту, СИ – счетчик импульсов. Выходные импульсы ПНЧ подсчитываются (интегрируются) СИ. Следовательно, показания СИ пропорциональны активной энергии.

 

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Основным прибором для исследования формы напряжения является электронно-лучевой осциллограф. Он позволяет визуально наблюдать форму сигналов в координатах амплитуда – время, измерять их параметры с помощью ЭЛТ; отличается высокой чувствительностью, большим входным сопротивлением, пренебрежимо малой инерционностью и

универсальностью

Структурная схема осциллографа (рис.7) включает в свой состав ЭЛТ, канал вертикального отклонения (канал сигнала); канал горизонтального отклонения (канал развертки); канал управления яркостью; калибраторы и питающее устройство (на рисунке не показано).

Рис. 7 Структурная схема электронно-лучевого осциллографа

В осциллографах используют главным образом ЭЛТ с электростатическим управлением лучем. Две пары пластин ЭЛТ отклоняют электронный луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях, которые реализуют координатные оси.

Для наблюдения на экране ЭЛТ исследуемого напряжения необходимо, чтобы луч отклонялся по горизонтальной оси пропорционально времени, а по вертикальной оси пропорционально значению исследуемого напряжения. Поэтому на ГОП подают пилообразное напряжение, а на ВОП – исследуемое. При этом положение луча в каждый момент времени однозначно соответствует значению сигнала в этот момент. Наблюдаемое изображение называют осциллограммой.

Наблюдение периодических сигналов. Для получения качественного изображения сигнала на экране ЭЛТ необходимо:

1. Правильно выбрать развертку. Для периодических сигналов применяют линейную периодическую развертку. Длительность развертки должна быть кратной длительности периода сигнала. Минимальная частота развертки должна быть такой, чтобы изображение не мерцало на экране трубки с коротким или средним послесвечением.

2. При наблюдении периодических сигналов наиболее целесообразно применять внутреннюю синхронизацию, т.е. синхронизацию исследуемым сигналом.

Синхронизация от сети удобна при наблюдении напряжений, частоты которых кратны частоте сети, например выходных напряжений трансформаторов, питаемых от сети; пульсаций выпрямителей и т.п.

Внешнюю синхронизацию используют в том случае, когда исследуемый сигнал не пригоден по форме для синхронизации или слишком мал по амплитуде.

3. Вертикальный размер изображения должен быть удобным для наблюдения, но не выходить за рамки масштабной сетки. Размер регулируют с помощью аттенюатора и изменением коэффициента усиления канала вертикального отклонения.

4. При наблюдении однократных импульсных сигналов или импульсных периодических сигналов с большой скважностью применяется ждущая развертка. Скорость выбирают так, чтобы изображение сигнала растягивалось на весь экран.

Измерение амплитуды напряжения.

Перед измерением калибруют чувствительность канала вертикального отклонения. Затем подают исследуемый сигнал на вход У осциллографа и , не меняя положение регулятора усиления, аттенюатором устанавливают изображение сигнала таким, чтобы его размер Н занимал большую часть экрана (рис.8, а). Искомую амплитуду определяют по формуле .

Рис. 8 Измерение амплитуды (а) и длительности (б) импульса

 

Погрешности измерения амплитуды складываются из погрешности меры, преобразования, сравнения и фиксации. Погрешность меры состоит из погрешности напряжения калибратора и погрешности калибровки чувствительности.

Все составляющие погрешности независимы. Поэтому суммарная погрешность запишется так:

.

Измерение интервалов времени.

Интервалы времени измеряют, используя калиброванную развертку, то есть перед началом измерений, её поверяют по калибратору длительности. Исследуемый сигнал подают на вход У осциллографа. После появления изображения (например прямоугольного импульса) на экране подбирают длительность развертки. Необходимо чтобы изображение импульса занимало возможно большую длину экрана. Фронт, как правило, совмещают с граничной или второй линией масштабной сетки, срез – как можно ближе к правой граничной линии (рис.8, б). Средняя линия масштабной сетки должна проходить на уровне 0,5U_m. Измеряют длительность по горизонтальной масштабной сетке в виде расстояния l, которое затем умножают на число q, равное произведению чисел, определяющих положение переключателей «Длительность» и «Множитель». Искомая длительность импульса определяется выражением:

Измерение частоты гармонических сигналов посредством осциллографа возможно выполнить методом сравнения. Метод предполагает наличие источника измеряемой. частоты, образцового генератора (точность которого в 5 раз выше точности контролируемого источника) и устройства сравнения (осциллографа).

Напряжение образцового генератора подается на один вход осциллографа (например Х), а напряжение измеряемой частоты на второй (например У). Частоту образцового генератора перестраивают до получения на экране осциллографа устойчивого изображения простейшей интерференционной фигуры: прямой, окружности или эллипса (рис.9). Появление одной из этих фигур свидетельствует о равенстве частот.

Рис. 9 Примеры интерференционных фигур на экране осциллографа

Если равенство не достигнуто, то есть , то фигура непрерывно изменяется, принимая форму эллипсов с переменной длиной осей или прямой. В этом случае отчетливо проявляются погрешность меры (нестабильность образцовой частоты)

и погрешность сравнения – F_р..

При малом F_р, её можно определить, сосчитав число периодов п именения фигуры за определенный интервал времени , т.е.

Рассмотренным методом можно измерять частоту следования импульсов. При этом импульсное напряжение следует подавать на вход У, а напряжение образцового генератора – на вход Х. Изменением частоты синусоидального напряжения добиваются устойчивого изображения одиночного импульса. При этом .

Измерение угла сдвига фаз.

В производственной и исследовательской практике часто встает задача измерения сдвига фаз между током и напряжением, или между напряжениями одинаковой частоты любой формы. Эта задача может быть выполнена с помощью одно или двухлучевого осциллографа в режиме линейной развертки.

Применение однолучевого осциллографа предполагает включение в схему измерителя электронного коммутатора на два входа и один выход. Входы коммутатора пооче-

рёдно подключаются на выход с частотой значительно большей частоты исследуемых сигналов. Если выход коммутатора подать на вход У осциллографа, то на экране создается изображение двух напряжений (рис.10, а), угол сдвига фаз между которыми необходимо измерить.

Рис.10 Пример измерения разности фаз

Измерение угла сдвига фаз сводится к измерению длин отрезков aб и ас. Тогда

.

Сдвиг фаз можно измерить и методом эллипса, когда исследуемые сигналы подаются на входы Х и У осциллографа и на экране создается эллипс (рис.10, б). Если на вход У подано напряжение , а на вход Х напряжение , тогда для t = 0 луч будет находиться в точках а или б, то есть . Отрезок l_cd соответствует максимальному отклонению луча по оси Х, то есть и следовательно , а

ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ (ЦИП)

Цифровыми называют измерительные приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации и представляющие показания в цифровой форме. В ЦИП происходит автоматическое преобразование входной измеряемой величины в цифровой код, в соответствии с которым на цифровом отсчетном устройстве индуцируется значение входной величины.

Преобразование, обработка и передача измерительной информации в ЦИП осуществляется в двоичной системе счисления. При этом каждой цифре ставится в соответствие определенное сочетание единиц и нулей – кодовых комбинаций. Например:

0 – 0000	3 – 0011	6 – 0110	9 – 1001
1 - 0001	4 – 0100	7 – 0111
2 – 0010	5 – 0101	8 – 1000

Появление единицы в каждом из разрядов соответствует цифрам 8; 4; 2; 1. Эти цифры называют весом разряда, а код – кодом с весом 8-4-2-1. Могут быть и другие веса.

При переходе от двоичного кода к десятичному используется двоично – десятичная система. В этой системе цифра каждого разряда любого десятичного числа кодируется по двоичной системе. Например, число 258 будет иметь запись

сотни	десятки	Единицы

В ЦИП код физически представляется электрическими сигналами. Например, символ 0 отображается уровнем напряжения, близким к нулю, а символ 1 – уровнем, близким к +2,5 В.

Устройства, осуществляющие преобразование непрерывной величины в код называются аналого-цифровыми преобразователями АЦП , а при обратном преобразовании – ЦАП.. Они обязательно входят в состав любого ЦИП.

Схема ЦИП, в общем случае, включает последовательно соединенные аналоговый преобразователь АП, АЦП и ЦОУ (рис.11).

Рис.11 Обобщённая схема цифрового измерительного прибора

К основным техническим характеристикам ЦИП относятся: диапазон измерений; чувствительность; разрешающая способность; входное сопротивление; входной ток; точность, помехоустойчивость и быстродействие.

ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ

Цифровые приборы, предназначенные для измерения частоты называются электронно – счетными частотомерами. Они считают число импульсов п (число периодов) исследуемого сигнала за строго калиброванный интервал времени (например 1с). Тогда

.

Когда . Результаты измерений фиксируются в цифровой форме(рис. 12.,а. Сигнал, частоту которого необходимо измерить, поступает на входное устройство прибора. Формирующее устройство преобразует синусоидальное напряжение сигнала в последовательность однополярных импульсов. На его выходе получаются однополярные короткие импульсы, период следования которых равен периоду измеряемого сигнала (рис. 12., б₁).

Эти импульсы поступают на вход 1 временного селектора. Но в счетчик импульсы проходят лишь тогда, когда на входе 2 селектора действует стробирующий импульс (прямоугольный импульс заданной длительности) (рис.28., б₃), длительность которого

задается кварцевым генератором и делителем частоты. Синусоидальное напряжение генератора преобразуется в импульсы, которые подаются в делитель частоты.

Рис.12 Схема (а) и графики (б) счётчика частоты

Делитель частоты представляет набор q декад. Каждая декада делит частоту импульсов в 10 раз. Общий коэффициент деления равен 10^q. Число используемых декад может меняться от 0 до q переключателями. Поэтому с выхода делителя могут сниматься импульсы с различными частотами следования. Так при f_КВ = 10 МГц эти частоты равны 1 МГц; 100, 10, 1 кГц; 100, 10, 1 и 0,1 Гц. Периоды следования этих импульсов и определяют длительность стробирующего импульса (рис.28. б₂)(т.е. интервала счета) т.е. 0,0001; 0,001; 0,01; 0,1; 1; 10 с.

Узел формирования и управления содержит схему формирования прямоугольного стробирующего импульса, реле времени индикации и сброса показаний счетчика.

ИЗМЕРЕНИЕ ПЕРИОДА

Как и в предыдущем приборе, измерение сводится к подсчету импульсов п за некоторый интервал времени . Только теперь частота следования импульсов является известной

(мера, калиброванная частота), а интервал времени - измеряемая величина - период. Схема прибора для измерения периода приведена на рис.13, а эпюры, поясняющие принцип ее работы, на рис.14

Рис.13 Структурная схема измерителя периода

Измеряемый сигнал подается на входное устройство прибора. Формирующее устройство 2 преобразует синусоидальное напряжение в последовательность коротких импульсов с периодом Т_ИЗМ . В узле формирования и управления из них формируется стробирующий импульс длительностью Т_ИЗМ..

На формирующее устройство 1 поступает напряжение кварцевого генератора, из которого формируются короткие импульсы с периодом 1/f_КВ. Эти импульсы поступают на вход 1 временного селектора. Измеряемый период определяются числом периодов кварцевого генератора т на интервале Т_ИЗМ, т.е.

Рис.14 Графики, поясняющие принцип счёта периода

 

ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Цифровые вольтметры отличаются высокой точностью, широким диапазоном измерения, возможностью сопряжения с цифровыми печатающими устройствами и ЭВМ и классифицируются по:

– схемному решению (электронные и электромеханические);

– методу преобразования (время - импульсное, взвешивания, поразрядного кодирования);

– структурной схеме (приборы прямого преобразования и уравновешивающего).

Структурная схема вольтметра с время-импульсным преобразованием приведена на рис. 31, а графики, поясняющие его работу на рис.15

Рис.15 Структурная схема цифрового вольтметра

В таком приборе измеряемое постоянное напряжение преобразуется в интервал, который измеряется путем заполнения счетными импульсами. Число импульсов пропорционально напряжению, поэтому ЦОУ отображает результат в вольтах.

Напряжение измеряется циклами. Цикл задается управляющим устройством. В начале цикла импульс, выдаваемый управляющим устройством, сбрасывает предыдущие показания счетчика и запускает генератор пилообразного напряжения (рис.16, а).

Рис.16 Графики, поясняющие работу цифрового вольтметра

Пилообразное напряжение поступает на входы 1 двух сравнивающих устройств. Первое сравнивающее устройство предназначено для фиксации нулевого уровня. Его вход 2 заземлен. Поэтому, в момент t₁ равенства пилообразного напряжения нулю, на выходе сравнивающего устройства 1 возникает короткий импульс (рис.16, б). Этот импульс поступает на вход 1 формирующего устройства. Второе сравнивающее устройство предназначено для фиксации уровня измеряемого напряжения. В момент t₂ равенства пилообразного напряжения измеряемому на выходе сравнивающего устройства 2 возникает короткий импульс (рис.16, в). Этот импульс поступает на вход 2 формирующего устройства. Формирующее устройство вырабатывает прямоугольный импульс длительностью . Этот импульс воздействует на вход 1 временного селектора. На вход 2 селектора непрерывно подаются счетные импульсы генератора (рис.16, г,д).

Из диаграммы 32, а очевидно, что, а т.к. , то получим

Для конкретного образца вольтметра отношение . Его выбирают равным 10^-К (К = 0,1,2…) и тогда показания счетчика дают непосредственно измеренное значение напряжения в цифрах

. Кроме рассмотренного вольтметра широко применяются вольтметры с двухтактным интегрированием, вольтметры поразрядного уравновешивания, с преобразованием напряжения в частоту, а также вольтметры для измерения переменных и импульсных напряжений.

РЕГИСТРИРУЮЩИЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

Современные регистрирующие приборы позволяют не только отсчитывать значение измеряемой величины, но и получать график её изменения во времени. Все многообразие регистрирующих приборов принято разделять на две группы: регистрирующие приборы прямого действия и приборы сравнения.

Если регистрация производится с помощью специального устройства на носителе (чаще всего это бумажная лента с нанесенной диаграммой), то приборы называются самопишущими измерительными приборами.

В зависимости от допустимой частоты изменения регистрируемой электрической величины приборы разделяют на обычные (F_доп1 Гц) и быстродействующие (F_доп > 1 Гц).

Применяют большое разнообразие методов регистрации:

– регистрация нанесением слоя вещества на носитель (карандашный, чернильный струйный, пастой с шариковым устройством, копировальный, печатный и т.д.);

– регистрация со снятием слоя вещества с носителя (резцовый, плавильный, электротермический);

– регистрация с изменением состояния вещества носителя (термочувствительный, фотографический, магнитной записи).

Независимо от методов регистрации большинство регистрирующих приборов используют носители, на которые нанесена диаграммная сетка, а для перемещения носителя, на краях ленты наносят перфорацию.

Различают два вида регистрирующих приборов:

– с непосредственным соединением устройства регистрации и подвижной части измерительного механизма рис.17, а);

– с соединением посредством специальной механической передачи (рис.17, б).

Рис.17 Регистрирующий прибор с простой (а) и специальной (б)

механической передачей

В самопишущих приборах прямого действия применяют электромеханические или магнитоэлектрические измерительные механизмы, оснащенные устройствами регистрации показаний (перо специальной конструкции).

В регистрирующих приборах первого вида (рис.17, а) рычаг 1 жестко закрепляется на рамке подвижной части измерительного механизма. На рычаге 1 размещены капиллярная трубочка 2 и устройство регистрации 3 (перо). Один конец трубочки опущен в неподвижную чернильницу (на рисунке не показано), а другой соединен с пером.

При повороте подвижной части измерительного механизма на угол перо перемещается по дуге окружности также на угол . Следовательно, регистрация производится в криволинейной системе координат. Масштабную сетку с такой системой координат имеют ленты типа ЛR.

В регистрирующих приборах второго вида (рис.17, б) рычаг 1 также жестко связан с рамкой измерительного механизма. Но он имеет шарнирное соединение с держателем 2. На держателе укреплена капиллярная трубочка, один конец которой соединен с регистрирующим устройством. На конце держателя укреплен ролик 4, совершающий возвратно –

поступательной перемещение по неподвижным направляющим 5 при угловых переме-

щениях рамки измерительного механизма. Видно, что при этом регистрирующее устройство (перо) будет перемещаться по носителю по окружности значительно большего радиуса. Это перемещение (при соответствующей длине держателя) можно считать практически прямолинейным. Поэтому прибор позволяет производить регистрацию в прямоугольной системе координат.

Регистрирующие приборы прямого действия имеют два существенных недостатка: относительно невысокую точность; недостаточную мощность измерительных механизмов,что ограничивает область применения приборов собственно регистрацией измеряемой величины.

Приборы сравнения имеют не только повышенную точность (классы 0,25; 0,5; 1,0), но и мощные регистрирующие, сигнализирующие и регулирующие выходные устройства.( рис.18)

Рис. 18 Структурная схема регистрирующего прибора сравнения

 

В измерительной цепи прибора производится сравнение измеряемой электрической величины (например, U_изм) с напряжением цепи обратной связи U_ос. Разностное напряжение (постоянное или периодическое), после усиления, поступает на реверсивный двигатель.

Угол поворота вала реверсивного двигателя δ передается через понижающий редуктор на различные выходные устройства, в том числе и регистрирующее устройство.

Линейное l или угловое δ перемещение регистрирующего устройства передается на звено обратной связи. Таким образом, схема регистрирующего прибора сравнения представляет замкнутую астатическую следящую систему.

В качестве непосредственно измеряемых электрических величин могут быть постоянное и периодическое напряжение, активное сопротивление и поэтому практическую реализацию нашли три группы регистрирующих приборов сравнения:

– автоматические потенциометры постоянного напряжения;

– автоматические потенциометры переменного напряжения;

– автоматические мосты.

Регистрирующие приборы сравнения часто применяются для измерения и регистрации изменения различных неэлектрических величин. В этом случае, для преобразования неэлектрических величин в электрическую, применяются различные преобразователи, которые могут устанавливаться непосредственно на входе приборов или дистанционно.