Электронные аналоговые приборы
Электронные аналоговые приборы это приборы, в которых преобразование сигналов осуществляется с помощью аналоговых электронных устройств. Выходной сигнал таких средств является непрерывной функцией измеряемой величины. Электронные приборы применяют при измерении практически всех электрических величин: напряжения, тока, частоты, мощности, сопротивления и т.д. Благодаря применению электронных усилителей удается расширить функциональные возможности средств измерений и обеспечить высокий уровень их характеристик: это, в первую очередь, относится к высокой чувствительности приборов, широкому диапазону измерений, малой мощности потребляемой от измеряемой цепи и т.д.
В настоящее время широкое признание получили такие приборы, как электронно-лучевые осциллографы, электронные вольтметры, омметры, анализаторы спектра и другие. Рассмотрим кратко некоторые из них.
1. Электронные вольтметры.
В электронных вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется с помощью аналоговых электронных устройств в постоянный ток, который подается на магнитоэлектрический измерительный механизм со шкалой, градуированной в единицах напряжения. Электронные вольтметры обладают высокой чувствительностью, широким диапазоном измерения напряжении (от десятков нановольт на постоянном токе до десятков киловольт) и большим входным сопротивлением (более 1 МОм), измеряют сигналы до частот порядка сотен, мегагерц.
Упрощенная структурная схема вольтметров постоянного тока показана на рисунке 11.
где ВД – входной делитель напряжения, УПГ – усилитель переменного или постоянного тока, УМ – магнитоэлектрический прибор.
Последовательное соединение делителя напряжения и усилителя является характерной особенностью всех электронных вольтметров. Такая структура позволяет делать вольтметры высокочувствительными и многопредельными.
Селективные вольтметры предназначены для измерения действующего значения отдельных гармонических составляющих измеряемого сигнала.
Принцип действия селективного вольтметра заключается в выделении отдельных гармонических составляющих сигнала или сигнала узкой полосы с помощью перестраиваемого полосового фильтра и измерений действующего значения выделенных сигналов.
2. Приборы для измерения частоты и фазы.
В электронных аналоговых частотомерах применяются два способа измерения частоты. Первый, используемый в области звуковых частот, основан на формировании импульсов, имеющих постоянную площадь, ограниченную кривой импульса тока и времени на диафрагме. Частота этих импульсов должна быть равна частоте измеряемого сигнала.
В основе второго, резонансного, способа измерения лежит сравнение частоты колебаний исследуемого источника с собственной частотой колебаний резонансного контура.
Измерительные преобразователи фазы в напряжение построены по принципу формирования прямоугольных импульсов, длительность которых пропорциональна измеряемой фазе.
3. Приборы для измерения мощности и энергии.
Электронные приборы для измерения мощности — электронные ваттметры построены на основе измерительного преобразователя мощности в напряжение, на выходе которого устанавливается измерительный механизм со шкалой, градуированной в единицах мощности. Выпускаются измерительные преобразователи активной, реактивной и полной мощности переменного тока, которые предназначены для работы как в однофазных, так и трехфазных цепях.
4. Электронно-лучевые осциллографы.
Электронно-лучевые осциллографы предназначены для визуального наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов, возможность наблюдения изменяющихся во времени сигналов делает осциллограф очень удобным при определении различных амплитудных и временных параметров наблюдаемых сигналов. Важными достоинствами осциллографа являются широкий частотный диапазон, высокая чувствительность и большое входное сопротивление. По количеству одновременно исследуемых сигналов осциллографы могут быть одноканальными и многоканальными (в основном двухканальными), В основе работы любых электронных осциллографов лежит преобразование исследуемых сигналов в видимое изображение, получаемое на экране электроннолучевой трубки.
5. Анализаторы спектра.
Анализаторы спектра, называемые также анализаторами гармоник, предназначены для измерения спектра амплитуд, сигналов. Анализ спектра производится двумя способами: первый способ анализа называется последовательным, поскольку гармоники определяются поочередно; второй способ – параллельным (или одновременным), так как гармоники определяются одновременно.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
1.Аналоговые электронные измерительные приборы.
Такие приборы состоят из электронной части, предназначенной для преобразования, выпрямления, усиления электрической величины, измерительного механизма магнитоэлектрической системы, а осциллографах — электронно-лучевой трубки.
Аналоговые электронные приборы используются в качестве вольтметров, частотомеров, осциллографов, измерителей сопротивления, емкости, индуктивности, параметров транзисторов, интегральных схем и др.
‘ Электронные вольтметры (ЭВ) составляют наиболее обширную группу электронных приборов. Основное их назначение — измерение напряжения в цепях постоянного, переменного тока в широком диапазоне частот.
Электронные вольтметры можно классифицировать по следующим признакам:
• по способу измерения — приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;
• назначению — приборы постоянного, переменного, импульсного напряжений, универсальные (постоянного и переменного напряжений) и селективные (с частотно-избирательными свойствами);
• характеру измеряемого напряжения — амплитудные (пиковые), действующего и среднего значений;
• частотному диапазону — низкочастотные и высокочастотные.
Электронные вольтметры постоянного тока. Структурная схема ЭВ постоянного тока представлена на рис. 1.
Измеряемое напряжение постоянного тока поступает на входное устройство (ВУ), представляющее собой многопредельный высокоомный резисторный делитель напряжения. Сигнал с ВУ поступает на вход усилителя постоянного тока (УПТ), который помимо функций усиления сигнала по напряжению и мощности согласует высокое выходное сопротивление ВУ с малым сопротивлением рамки измерительного механизма (ИМ) магнитоэлектрической системы.
Уравнение преобразования такого вольтметра:
где KBУ, Купт, Кв — коэффициенты преобразования ВУ, УПТ и электронного вольтметра соответственно; Sим — чувствительность ИМ по напряжению;
Входное сопротивление электронных вольтметров составляет десятки мегаом, что практически исключает их влияние на объект измерения.
При измерении малых напряжений начинает сказывается дрейф нуля УПТ, поэтому в электронных микровольтметрах исключают УПТ , постоянный ток преобразовывают с помощью модулятора в переменный и используют усилитель переменного напряжения.
Технические характеристики: диапазон измеряемых напряжений для вольтметров — 10 мВ до 1000 В и 10 -8 . 1 В для микровольтметров. Классы точности — 1,5; 2,5. Шкала — линейная.
Электронные вольтметры переменного тока. Упрощенные струк-. турные схемы вольтметров переменного тока приведены на рис. 2
Структурная схема, приведенная на рис. 2,а, используется в вольтметрах для измерения напряжений значительного уровня Измеряемое напряжение после прохождения частотно-компенсированного делителя (ВУ) преобразуется детектором (Д) в напряжение постоянного тока, которое усиливается УПТ и поступает на ИМ магнитоэлектрической системы. Частотные характеристики таких вольтметров определяются только входным устройством и детектором и составляют от 10 Гц до 1 ГГц. Диапазон измеряемых напряжений начинается с 0,1 В и выше.
Вторая структурная схема (рис. 2,б) применяется в милливольтметрах, поскольку обладает большей чувствительностью за счет использования дополнительного усилителя. Измеряемое напряжение после прохождения входного устройства (ВУ) поступает на вход усилителя переменного напряжения (УН), далее на вход детектора (Д) и через усилитель постоянного тока (УПТ) на измерительный механизм (ИМ). Частотный диапазон таких приборов определяется частотными характеристиками усилителя переменного тока (трудно изготовить широкополосный усилитель переменного тока) и ограничивается до 1 МГц. Диапазон измеряемых напряжений составляет от единиц милливольт до нескольких сотен вольт.
Элементная база, используемая при создании вольтметров переменного тока, определяется существующим уровнем техники (от полупроводниковых образцов до микроинтегрального исполнения), а функциональное назначение блоков схемы при этом не меняется.
Важным элементом, существенно влияющим на метрологические характеристики вольтметров, являются детекторы, выполняющие функцию преобразователей переменного напряжения в
Рис. 2. Упрощенные структурные схемы: а — электронного вольтметра; б — электронного милливольтметра
постоянное напряжение. Напряжение на выходе детектора может быть пропорционально амплитудному, средневыпрямленному и среднему квадратическому значению измеряемого напряжения. Тип детектора определяет эксплуатационные свойства вольтметра. Так, вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными; вольтметры с детекторами среднего квадратического (действующего) значения измеряют напряжение любой формы; вольтметры среднего (средневыпрямленного) значения пригодны для измерения только гармонического сигнала. Шкалу электронных вольтметров обычно градуируют в действующих значениях синусоидального сигнала.
Электронный вольтметр среднего значения. Простейший вольтметр для измерения относительно высоких напряжений может быть выполнен по структурной схеме, представленной на рис. 2, а. Выпрямитель состоит из полупроводниковых диодов, работающих на линейном участке вольт-амперной характеристики. Широкий диапазон измерений ЭВ обеспечивается с помощью входного делителя.
Достоинства: диапазон измеряемых напряжений — по частоте от 10 Гц до 10 МГц, по напряжению от 1 мВ до 300 В.
Недостатки: показания ЭВ среднего значения зависят от формы кривой Кф измеряемого напряжения.
Амплитудный электронный вольтметр (диодно-конденсаторный). Показания такого ЭВ пропорциональны амплитудному значению измеряемого напряжения. Такие вольтметры позволяют измерять амплитуду импульсов с минимальной длительностью до десятых долей микросекунды и скважностью 2. 500. Верхняя граница частотного диапазона измерения определяется частотными свойствами диода, значениями монтажных емкостей и индуктивностью подводящих проводов, нижняя граница — постоянной времени разряда конденсатора (чем больше ее значение, тем ниже граничная частота).
Диодные (как и транзисторные) амплитудные детекторы при малых напряжениях вносят в измеряемый сигнал значительные нелинейные искажения, поэтому в последнее время применяют амплитудные детекторы на интегральных микросхемах — операционных усилителях.
Достоинства: диапазон измерений по частоте от 20 Гц до 1000 МГц, по напряжению от 100 мВ до 1000 В; классы точности — 4,0; 10,0; входное сопротивление — 100 кОм. 5 МОм.
Недостатки: зависимость показаний ЭВ от формы сигнала.
Электронный вольтметр действующего значения. В схеме такого ЭВ выпрямитель состоит из полупроводниковых диодов, использующих квадратичный участок вольт-амперной характеристики. Для Увеличения протяженности этого участка используются преобразователи на диодных цепочках. Основное достоинство этих преобразователей заключается в независимости показаний на выходе от формы кривой измеряемого напряжения. Для расширения пределов измерения ЭВ на переменном токе используются емкостные делители напряжения.
Достоинства: высокая чувствительность (за счет усилительных свойств); малое потребление энергии; диапазон измерений по частоте от 20 Гц до 50 МГц, по напряжению от 1 мВ до 1000 В; классы точности — 2,5; 4,0; 10,0; 15,0.
Недостатки: высокая стоимость; ограниченная точность; необходимость переградуировки при замене элементной базы.
Электронный омметр. Он представляет собой электронный вольтметр постоянного тока, имеющий измерительную схему, преобразующую измеряемое сопротивление в пропорциональное ему постоянное напряжение. Шкалу такого вольтметра градуируют в единицах измеряемого сопротивления и применяют его в качестве омметра. Расширение пределов измерения осуществляется с помощью образцовых резисторов.
Технические характеристики: большое входное сопротивление; диапазон измерения от 10 Ом до 1000 МОм; погрешность измерения — 2. 4%; возможно измерение очень больших сопротивлений (тераомметры) с погрешностью до 10%.
6. Электронные аналоговые приборы
Электронный аналоговый измерительный прибор (ЭАИП) представляет собой сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма с электронным преобразователем, превращающим измеряемую величину в постоянный или пульсирующий ток.
Использование электронных преобразователей позволяет существенно расширить функциональные возможности аналоговых приборов и улучшить их метрологические характеристики. Это относится к таким свойствам ЭАИП, как высокая чувствительность, малая потребляемая мощность, широкий диапазон измерений.
6.1. Выпрямительные приборы
В выпрямительных приборах электронным преобразователем является выпрямитель, выполненный на маломощных полупроводниковых диодах. Сочетание выпрямителя с магнитоэлектрическим механизмом образует прибор, позволяющий измерять переменный ток или переменное напряжение.
Выпрямитель прибора может быть выполнен по однополупериодной или двухполупериодной схемам. В первом случае (рис. 6.1) используются два диода: VD1 включен последовательно с рамкой измерительного механизма, VD2 с резистором R образуют шунтирующую цепь. Сопротивление резистора должно быть равно сопротивлению рамки механизма.
Рис. 6.1. Миллиамперметр с однополупериодным выпрямителем (а) и временные диаграммы (б)
Положительная полуволна iп измеряемого переменного тока протекает через измерительный механизм, отрицательная iR – через резистор и диод VD2.
Среднее значение пульсирующего тока
а угол отклонения указателя
где Кф – коэффициент формы измеряемого переменного тока; SI – чувствительность измерительного механизма к току; I – действующее значение измеряемого тока.
Вариант прибора с двухполупериодным выпрямителем показан на рис. 6.2. В этом случае через измерительный механизм протекают обе полуволны измеряемого тока и чувствительность прибора возрастает в два раза:
Для расширения измерения до нескольких ампер используют специальные шунты, а при измерении больших токов – специальные трансформаторы тока.
Рис. 6.2. Миллиамперметр с двухполупериодным выпрямителем (а) и временные диаграммы (б)
Выпрямительные вольтметры выполняют по аналогичным схемам с добавочным резистором. Угол отклонения указателя при двухполупериодном выпрямлении
где U – действующее значение измеряемого напряжения; Rд – сопротивление добавочного резистора.
Из выражений (6.1), (6.2), (6.3) следует, что на показание приборов влияет форма измеряемого тока или напряжения. Шкалы таких приборов градуируют в действующих значениях для синусоид (Кф = 1.11), поэтому показания приборов достоверны лишь при измерении синусоидальных величин.
Если измеряемые величины несинусоидальны, показания прибора следует разделить на Кф = 1.11, что дает достоверное среднее значение, а затем умножить на коэффициент формы измеряемой величины:
В отличие от электромагнитных, выпрямительные приборы обладают высокой чувствительностью, имеют практически равномерные шкалы, могут работать на повышенных (до 50 кГц) частотах. Точность приборов относительно невысока (классы точности 1.0 или 1.5) из-за температурной зависимости характеристик диодов.
Устройство и принцип работы аналоговых электромеханических измерительных приборов
Электромеханические измерительные приборы (ЭИП) характеризуются простотой, дешевизной, высокой надежностью, разнообразием применения, относительно высокой точностью, не требуют дополнительных источников энергии, могут иметь выход для подключения к ЭВМ. С их помощью можно измерить различные физические величины.
Недостатки – ограничены возможности по уровню сигнала, диапазону частот, изменением мощности, сильно влияют на объект измерения, сложная технология изготовления, большие габариты.
В основе конструкции принципа работы положено преобразование электромагнитной энергии в механическую. Основные типы измерительных механизмов (ИМ) основаны на использовании механических взаимодействий систем между собой под действием электростатических и электромагнитных сил. При этом используют дополнительные преобразователи (масштабные и специальные).
Любой ЭИП состоит из ряда функциональных преобразователей, каждый из которых решает свою задачу в цепи преобразований. Так, самый простой измерительный ЭИП прямого преобразования состоит из трех основных преобразователей: измерительной цепи, измерительного механизма и отсчетного устройства.
Измерительная цепь обеспечивает преобразование электрической измеряемой величины в промежуточную электрическую величину (ток или напряжение), функционально связанную с измеряемой величиной и воздействующей на измерительный механизм.
Измерительный механизм является электромеханическим преобразователем, осуществляющим преобразование электрической величины в наглядное аналоговое показание. На магнитном воздействии электрического тока основаны магнитоэлектрический, электромагнитный, индукционный, электродинамический и вибрационный измерительные механизмы. Тепловое воздействие электрического тока используют биметаллический и тепловой измерительные механизмы. На взаимодействии заряженных электродов, находящихся под напряжением, основан принцип работы электростатического измерительного механизма.
Отсчетное устройство состоит из указателя, жестко связанного с подвижной частью ИМ, и неподвижной шкалы. Указатели бывают стрелочные и световые. Шкала – это совокупность отметок в виде штрихов, расположенных вдоль линии, по которым определяют числовое значение измеряемой величины.
В общем случае на подвижную часть ИМ при ее движении воздействуют моменты: вращающий противодействующий и успокоения .
Вращающий момент для ИМ, использующих силы электромагнитного поля:
где — изменение энергии поля,
— изменение угла отклонения подвижной части.
Противодействующий момент в ЭИП необходим для создания однозначного соответствия измеряемой величины определенному отклонению подвижной части. В аналоговых ЭИП противодействующий момент создается либо при помощи спиральных пружин, растяжек, подвесов, либо за счет энергии электромагнитного поля (в логометрах). В случае, когда противодействующий момент создается спиральной пружиной:
где к – удельный противодействующий момент, зависящий от
геометрических размеров и материала пружины.
Момент успокоения является моментом сил сопротивления движению подвижной части ИМ и пропорционален угловой скорости отклонения:
где р – коэффициент успокоения (демпфирования).
В ИМ применяют магнитоиндукционные, воздушные и жидкостные успокоители колебаний.
Несмотря на большое разнообразие конструкций и типов приборов все они имеют ряд общих узлов и деталей: корпус, шкала, указатель, устройства для установки и уравновешивания подвижной части, создания противодействующего момента и успокоения, корректор, а в высокочувствительных приборах – арретир.
Читайте также: