Задача измерения постоянных напряжения и силы тока заключается в на­хождении их значения и полярности. Целью измерения переменных напря­жения и силы тока является определение какого-либо их параметра

Вид материала

Задача

Содержание Измерение шумового напряжения Измерения импульсных и высокочастотных напряжений 7. Особенности измерения силы токов

Подобный материал:

• Отчёт лабораторной работы №3. 3 по метрологии Тема, 26.53kb.
• Разработка урока по физике по теме Электрическая лампа накаливания и электронагревательные, 105.5kb.
• Задачи урока. Усвоить, что сила тока прямо пропорциональна напряжению на концах проводника,, 192.56kb.
• Программа вступительных испытаний в форме междисциплинарного экзамена для поступления, 67.49kb.
• Характеристики, 623.95kb.
• Преобразователь измерительный активной мощности трехфазного тока эп8508, 237.92kb.
• Метод измерения фазовых соотношений в стрелочных электроприводах с двигателями переменного, 6.25kb.
• Тема урока: «Активное сопротивление в цепи переменного тока», 53.01kb.
• Переходные процессы в линейных электрических цепях, 378.64kb.
• Задача: Часть I: 1 определение коэффициента передачи напряжения в каждой цепи, 99.51kb.

Измерение шумового напряжения

Поскольку одной из основных особенностей специальности является обнаружение и оценка параметров сигналов на фоне шумов и помех этот раздел приобретает особое значение. Спектральному составу шума и тому, что с этим связано уделим внимание поэже.

Наиболее точно среднее квадратическое значение шумового напряжения можно измерить квадратичным вольтметром. Градуировка вольтметра с квадратичным детектором не зависит от формы напряжения, а следователь­но, пригодна и в данном случае.

При измерении шумовых напряжений необходимо учитывать ряд специ­фических требований.

1. Шумовое напряжение может иметь большие выбросы, превышающие в 3...4 раза его среднее квадратическое значение. Поэтому протяженность квадратичного участка вольт-амперной характеристики детектора должна быть большой, при этом не должно быть ограничения шумового напряжения в усилителях, включенных до схемы детектора. Амплитудная характеристика входного усилителя должна быть линейной до уровня, вероятность превыше­ния которого шумовым напряжением невелика. Обычно этот уровень выби­рают равным утроенному среднему квадратическому значению напряжения.

2. Спектральная плотность шумового напряжения обычно занимает ши­рокую полосу частот. Усилители, включенные до нелинейного устройства, не должны вносить линейных искажений.

3. При измерении показания вольтметра определяются реализацией ис­следуемого процесса за конечное время накопления, т.е. вольтметр измеряет среднее квадратическое значение отдельных реализаций шумового напряже­ния. Пусть исследуемый шум — стационарный эргодический случайный процесс и его математическое ожидание и дисперсия не зависят от времени. Показания вольтметра различны для разных реализаций, т.е. имеет место ошибка измерений, обусловленная конечностью времени накопления. Раз­брос показаний вольтметра от одной реализации к другой тем меньше, чем больше время накопления. При этом ошибка измерений также уменьшается. Для обеспечения требуемого времени усреднения в схеме вольтметра необ­ходимо иметь фильтр, включаемый после нелинейного элемента. Роль фильтра может выполнять подвижная часть электромеханического прибора; в электронных приборах — это ФНЧ.


Измерения импульсных и высокочастотных напряжений

Импульсные напряжения измеряют с помощью импульсных вольтметров, построенных по схеме, представленной на рис. 5.6, а. В этой схеме возможно измерение амплитуды только положительных импульсов, для отрицательных необходимо обратное включение диода. Специальные импульсные вольтметры градуируются в амплитудных (пиковых) значениях.

При исследовании радиоимпульсов процессы в схеме вольтметра проте­кают так же, как и при измерении видеоимпульсов. Однако заряд конденса­тора происходит только при положительных полупериодах несущей частоты, т.е. при положительной огибающей. Погрешность измерений в этом случае может возрасти.

В случае измерения импульсных напряжений необходимо иметь в виду, что спектр частот, занимаемый импульсами, бывает широким, особенно спектр радиоимпульсов малой длительности. Составляющие спектра могут находиться в области высоких частот, на которых появляются дополнитель­ные погрешности.

При измерении напряжений высокой частоты появляется погрешность, обусловленная влиянием следующих факторов:

• наличием входных емкостей детектора, емкостью и индуктивностью монтажа; наличие этих емкостей приводит к резонансным явлениям, при этом напряжение, приложенное к конденсатору и диоду, не равно измеряемо­му напряжению, как это имеет место на низких частотах;

• инерционностью носителей заряда в активных элементах (например, транзисторах усилителей).

Для уменьшения погрешности первого вида необходимо частоту резонан­са входной цепи расположить вне диапазона рабочих частот вольтметра и предельно уменьшить длину соединительных проводов. Для этого исполь­зуемый в преобразователе детектор выполняют в виде отдельного выносного блока, который можно непосредственно подключать в точках, где измеряется напряжение. При этом максимально снижаются емкости и индуктивности соединительных проводников. Иногда измеряемое напряжение подается на вход вольтметра через отрезок длинной линии. Следует подчеркнуть, что резонансные процессы во входной цепи приводят к завышению значения измеряемого напряжения.

Инерционность носителей заряда ведет к тому, что вольтметр показывает заниженное значение измеряемого напряжения, причем занижение тем больше, чем выше частота.

Погрешности за счет резонанса и инерционности носителей заряда имеют противоположные знаки, и поэтому происходит их частичная (или полная) компенсация.


7. Особенности измерения силы токов


Существует ряд методов измерения силы токов в электрических цепях: кроме прямых измерений, широко используются косвенные измерения.

Прямое измерение силы тока. В этом случае амперметр включают последовательно в разрыв электрической цепи (рис. 5.18, а), в которой производится измерение силы тока.

Включение в исследуемую цепь амперметра искажает результат изме­рения. В частности, наличие в схеме рис. 5.18, а амперметра с внутрен­ним сопротивлением R_A приведет к тому, что вместо силы тока I_x = U/R, который протекал в этой цепи без амперметра, после его включения по­течет ток:



Абсолютная погрешность измерения будет тем больше, чем выше внутреннее сопротивление амперметра R_A.

Измерение силы тока косвенным методом с помо­щью электронных вольтметров. Поскольку между напряжени­ем и током в электрической цепи имеется линейная связь (согласно зако­ну Ома), то ток может быть измерен косвенным методом с помощью схемы, показанной на рис. 5.18, б. При этом, измерив вольтметром на­пряжение на сопротивлении эталонного резистора Я_э, силу тока находим по формуле:



где U_э — напряжение, измеренное вольтметром; 1_х — ток, подлежащий опре­делению; R_э — активное эталонное сопротивление известного номинала.

Однако при измерении малых токов подобная методика может оказаться неприемлемой. В этом случае в измерительных приборах применяется схема входного усилительного каскада с достаточно малым входным сопротивле­нием. Одним из вариантов такого каскада может служить преобразователь тока в напряжение на ОУ.

Особенности измерений малых токов и напряжений. Рассмотренные способы измерения напряжения или токов малых уровней основаны, главным образом, на применении усилителей. Для усиления малых сигналов требуется иметь усилитель с большим коэффициентом усиления. Современный уровень развития электронной техники позволя­ет успешно решить эту задачу. Поэтому не коэффициент усиления, а внутренние шумы источника и усилителя исследуемого сигнала опреде­ляют предельно достижимый порог чувствительности при измерении малых уровней сигналов.

Контрольные вопросы

1. Что называется амплитудным, средним, средневыпрямленным и средним квад-ратическим значениями напряжения или тока?

2. Какие коэффициенты устанавливают связь между амплитудным и средним квадратическим, между средним квадратическим и средним значениями напря­жения (тока)?

3. Чему равны коэффициенты амплитуды и формы для гармонической формы сигнала?

4. Из-за чего может возникать методическая погрешность при измерении несину­соидального сигнала? Приведите примеры приборов, в которых наблюдается такая погрешность.

5. Перечислить основные системы электромеханических приборов и дать сравни­тельные характеристики по параметрам.

6. Почему магнитоэлектрический механизм работоспособен только на постоян­ном токе? Что предпринимается для использования его в приборах перемен­ного тока?

7. Какие системы электромеханических приборов являются высокочастотными?

8. Каковы достоинства компенсационного метода измерения?

9. Привести основные схемы построения электронных аналоговых вольтметров и их отличия.

10. Объяснить работу амплитудного диодного преобразователя переменного тока в постоянный. Почему амплитудный преобразователь является наиболее высоко­частотным?

11. Как функционирует преобразователь среднего квадратического значения, реа­лизованный с помощью кусочно-линейной аппроксимации вольт-амперной ха­рактеристики?

12. Как возникают на входе цифрового вольтметра помехи общего и нормального вида? Каковы методы борьбы с ними?

13. Какой принцип реализован в электрических схемах кодоимпульсных цифровых вольтметрах?

14. На каком принципе строят вольтметры времяимпульсного типа?