Что собой представляют электронные аналоговые приборы

Что собой представляют электронные аналоговые приборы

Электронные аналоговые приборы и преобразователи представляют собой средства измерений, в которых преобразование сигналов измерительной информации осуществляется с помощью аналоговых электронных устройств. Выходной сигнал таких средств является непрерывной функцией измеряемой величины. Электронные приборы и преобразователи применяют при измерении практически всех электрических величин: напряжения, тока, частоты, мощности, сопротивления и т. д.

Благодаря применению электронных устройств удается расширить функциональные возможности средств измерений и обеспечить высокий уровень их метрологических характеристик: это, в первую очередь, относится к высокой чувствительности приборов, широкому диапазону измерений, малой потребляемой мощности от измеряемой цепи, широкому частотному диапазону и др.

В настоящее время широкое признание получили такие приборы, как электронно-лучевые осциллографы, электронные вольтметры, омметры, анализаторы спектра и др. В то же время некоторые аналоговые приборы, например частотомеры и фазометры, вытесняются соответствующими цифровыми приборами, что

обусловлено относительной простотой преобразования этих параметров в кодовый сигнал.

Весьма разнообразен перечень выпускаемых промышленностью электронных измерительных преобразователей электрических величин с аналоговым выходным сигналом. Такие преобразователи имеют, как правило, унифицированный выходной сигнал, в частности, в виде напряжения постоянного тока или постоянного тока . Эти преобразователи широко используются в измерительных информационных системах.

В настоящей главе дано описание принципа действия наиболее распространенных электронных измерительных приборов, а также приведены примеры построения электронных измерительных преобразователей некоторых электрических величин в постоянное напряжение или ток.

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.

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 K_BУ, К_упт, К_в — коэффициенты преобразования ВУ, УПТ и электронного вольтметра соответственно; S_им — 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 К_ф 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%.

Тема 5. Аналоговые измерительные приборы

Аналоговыми измерительными приборами называются при­боры, показания которых являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. Аналоговые электромеханические приборы строятся по структурной схеме, представленной на (рис.5.1). Они состоят из измерительной цепи, измерительного механизма и отсчетного устрой­ства.

Рисунок 5.1 – Структурная схема аналогового

Измерительная цепь (ИЦ) содержит резисторы и другие элементы, необ­ходимые для требуемого преобразования измеряемой величины.

Измерительный механизм (ИМ) состоит из подвижной и неподвижной ча­стей. В зависимости от принципа преобразования электромагнитной энергии в энергию движения подвижной части механизма различают магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические и индукционные приборы.

Отсчетное устройство (ОУ) состоит из указателя (стрелочного или свето­вого), связанного с подвижной частью прибора, и неподвижной шкалы, представляющей собой совокупность отметок, нанесенных на лицевой стороне (циферблате) прибора. Расстояние между двумя соседними отметками называется длиной деления или просто делением шкалы.

Цена деления, называемая также постоянной прибора, соответствует изменению измеряемой величины, вызывающему перемещение указа­теля на одно деление.

Уравнение (5.1) называется уравнением преобразования механизма прибора, оно связывает показания прибора со значением измеряемой величину, и характеризует свойства измерительного прибора в целом.

где α – угол поворота подвижной части; W – электрокинетическая сила; λ — величина, зависящая от параметров измерительного механизма.

Магнитоэлектрические приборы

В приборах магнитоэлектрической системы используется взаимодействие поля постоянного магнита с катушкой (рамкой), по которой протекает ток. Конструктивно измерительный механизм может быть выполнен либо с подвижным магнитом, либо с подвижной катушкой. На (рис.5.2) показана конструкция прибора с подвижной катушкой.

Рисунок 5.2 – Измерительный механизм МЭ прибора

Постоянный магнит 1, магнитопровод с полюсны­ми наконечниками 2 и неподвижный сердечник 3 составляют магнитную систему механизма. В зазоре между полюсными наконечниками и сердеч­ником создается сильное равномер­ное радиальное магнитное поле, в ко­тором находится подвижная прямо­угольная катушка (рамка) 4, намо­танная медным или алюминиевым проводом на алюминиевом каркасе.

Уравнение преобразования можно получить, если подставить в фор­мулу (5.1) выражение для вращающего момента М_вр, действующего на подвижную часть магнитоэлектрического механизма

где B – магнитная индукция в воздушном зазоре; w – число витков рамки; S – ее площадь; I – ток, протекающий по рамке.

Коэффициент пропорциональности S_I = BwS/W называется чувствительностью магнитоэлектрического механизма к току.

Из группы аналоговых приборов магнитоэлектрические приборы от­носятся к числу наиболее чувствительных и точных. Изменения темпера­туры окружающей среды и внешние магнитные поля мало влияют на их работу. Для измерений в цепях переменного тока требуется предварительное преобразование переменного тока в постоянный.

Амперметры

Магнитоэлектрический механизм позволяет измерять малые постоян­ные токи, не превышающие 20-50 мА. Для того чтобы измерять большие токи, используют измерительные цепи, включающие в себя шунты, представляющие собой манганиновые резисторы, сопротивление которых во много раз меньше сопротивления рамки R_А магнито­электрического измерительного механизма. Поэтому при включении шунта параллельно прибору (рис.5.3) основная часть измеряемого тока I проходит через шунт, а ток I_А не превышает допустимого значения.

Рисунок 5.3 – Схема включения амперметра с шунтом

Отношение I/I_А = n, показывающее, во сколько раз измеряемый ток превышает допустимое значение, называется коэффициентом шунтирования. Со­противление шунта определяется как

Амперметры для измерения сравнительно небольших токов (до не­скольких десятков ампер) имеют внутренние шунты, вмонтированные в корпус прибора. Измерение больших токов (до нескольких тысяч ампер) осуществляют при помощи наружных шунтов, которые имеют определенные номинальные падения напряжения (45, 60, 75, 100 и 300 мВ) и классы точности (0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5).

Вольтметры

Схема вольтметра магнитоэлектрической системы приведена (рис.5.4).

Рисунок 5.4 – Схема включения вольтметра

Добавочный резистор R_доб, включенный последовательно с рамкой измерительного механизма, ограничивает ток полного отклонения I, протекающего через нее, до допустимых значений. При этом падение напряжения на рамке U_V зависит от сопротивления рам­ки R_V и обычно не должно превышать десятков милливольт. Осталь­ная часть измеряемого напряжения U должна падать на добавочном сопротивлении. Если необходимо получить верхний предел измерения напряжения, в m раз превышающий значение U_V, то необходимо вклю­чить добавочный резистор, сопротивление которого легко вычисляется по формуле

Добавочные резисторы изготавливают из термостабильных мате­риалов, например, из манганиновой проволоки. Они могут быть внут­ренними, встроенными в корпус прибора (при напряжениях до 600 В), и наружными (при напряжениях 600-1500 В).

Логометры

Приборы, в которых противодействующий момент со­здается не при помощи упругого элемента, а теми же электромагнит­ными силами, что и вращающий, называются логометрами. У логометров положение подвижной части определяется отношением двух токов. Логометры магнитоэлектрической системы (рис.5.5) имеют подвиж­ную часть из двух жестко скрепленных между собой катушек 1 и 2 (рамок).

Рисунок 5.5 – Устройство логометра

Последние могут свободно вращаться в неравномерном поле постоян­ного магнита. Для создания неравномерного магнитного поля полюсным наконечникам, как и сердечнику, находящемуся между ними, при­дается особая форма. Отклонение указателя прибора равно

Логометры применяются для измерения сопротивления и других электрических величин. Основным достоинством логометрических при­боров является независимость их показаний от напряжения питания.

Электродинамические приборы

Принцип действия электродинамических приборов основан на взаимодействии магнитных полей двух катушек, по которым про­текает ток (рис.5.6).

Рисунок 5.6 – Электродинамический измерительный прибор

Внутри неподвижной катушки 1 может вращаться подвижная катушка 2. Поворот осуществляется вращающим моментом, вызванным взаимодействием магнитных полей катушек 1 и 2. Уравнение преобразования прибора для постоянных токов имеет вид

где М – взаимная индуктивность катушки; I₁I₂ – токи в катушках.

Если по катушкам протекают переменные токи, то это выражение примет вид

Из этого уравнения следует, что перемещения подвижной части механизма при работе на пе­ременном токе зависят как от токов в его катушках, так и от разно­сти фаз между этими токами. Это дает возможность использовать при­боры электродинамической системы не только в качестве амперметров и вольтметров, но и в качестве ваттметров.

В амперметрах катушки соединены последовательно (рис.5.7.а) или параллельно (рис.5.7.б). Последовательное соединение используется в приборах, предназначенных для измерения малых токов (до 0,5 А). При больших токах (до 10 А) катушки вклю­чаются параллельно.

Рисунок 4.7 – Схема соединений катушек амперметра

а) неподвижная, б)подвижная

В последовательной схеме амперметра I₁ = I₂ = I, φ₁ – φ₂ = 0, поэто­му уравнение преобразования (4.5) сводится к виду

т.е. при условии dМ/dα = const угол поворота стрелки α квадратично за­висит от тока, протекающего в катушках.

В этом случае шкала неравномерна. Поэтому расположение и форму катушек выбирают так, чтобы производная dM/dα зависела от угла между подвижной и неподвиж­ной катушками.

В параллельной схеме I₁ = kI; I₂ = kI, а разность фаз также устанав­ливается равной нулю подбором индуктивностей в цепях катушек.

Вольтметры выполняются по схеме (рис.5.8). Катушки включаются последовательно, ток через них ограничивается добавочным резистором R_доб.

Уравнение преобразования вольтметра имеет вид

где R — общее сопротивление цепи прибора.

Как и в случае амперметров, изменением dM/dα добиваются почти равномерного характера рабочего участка электродинамических вольт­метров.

Рисунок 5.8 – Схема включения катушек вольтметра

Обычно электродинамические вольтметры выполняются многопредельными при помощи нескольких добавочных рези­сторов.

Схема соединения катушек ваттметра и его включения в цепь для измерения мощности, потребляемой на­грузкой Z_н , приведена на (рис.5.9).

Рисунок 5.9 – Схема включения ваттметра

Ток I₁ в неподвижной катушке равен току нагрузки, а ток I₂ в подвижной катушке пропорционален приложенному напряжению:

где R_доб — сопротив­ление добавочного резистора; r — сопротивление подвижной катушки.

С учетом этого и (5.5) уравнение шкалы для ваттметра

где Р — активная мощность нагрузки.

Погрешности электродинамических приборов возникают из-за темпе­ратурных влияний и наличия внешних магнитных полей. При повыше­нии частоты до нескольких сот герц существенными становятся также частотные погрешности.

Электростатические приборы

Принцип действия электростатических приборов основан на взаимодействии электрически заряженных проводников. Подвижная алюминиевая пластина, закрепленная вместе со стрелкой на оси, может переме­щаться, взаимодействуя с двумя электрически соединенными непо­движными пластинами . Входные зажимы, к которым подводится измеряемое напряжение, соединены с подвижной и непо­движными пластинами. Под действием электростатических сил подвиж­ная пластина втягивается в пространство между неподвижными пла­стинами.

Уравнение преобразования электростатического прибора для постоянного тока

где С — емкость между пластинами, зависящая от их взаимного распо­ложения; U- измеряемое напряжение. Из (5.9) следует, что показание прибора не зависит от полярности приложенного напряжения.

В случае переменного тока уравнение остается прежним, но только переменная U является действующим значением переменного напряжения.

Достоинства: ши­рокий частотный диапазон, малое потребление энергии, независи­мость показаний от внешних магнитных полей.

Недостатки: низкая чувствительность и невысокую точность.

Электромагнитные приборы

Электромагнитный изме­рительный механизм представлен на (рис.5.10), где 1 — катушка; 2 — сердечник, укрепленный на оси прибора; 3 — спиральная пружина, создающая противодействующий момент; 4 — воздушный успокоитель.

Рисунок 5.10 – Конструкция электромагнитного прибора

Под действием магнитного поля сер­дечник втягивается внутрь катушки. Подвижная часть механизма по­ворачивается до тех пор, пока вращающий момент не уравновесится противодействующим моментом, создаваемым пружиной.

Уравнение преобразования прибора имеет вид

где L — индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника, а следовательно, и от угла поворота подвижной части.

Из (5.10) следует, что угол поворота подвижной части механизма пропорционален квадрату действующего значения тока, т.е. не за­висит от направления тока. Поэтому электромагнитные приборы оди­наково пригодны для измерений в цепях постоянного и переменного тока.

Достоинства: низкая стоимость, надежность, пригодность для измерения в цепях постоянного и переменного тока.

Недостатки: большое потребление энергии, малая точность и чувствительность, сильное влияние внешних маг­нитных полей.

Заключение: у большинства электромеханических приборов входное сопротивле­ние невелико (килоомы), поэтому они пригодны для измерения напря­жения только в низкоомных цепях. В цепях с высокоомными нагрузками (мегаомы) эти приборы (за исключением электростатических) исполь­зовать нельзя, так как при их включении шунтируется нагрузка и тем самым изменяется электрический режим цепи. Кроме того, малый диапазон частот, большие входные емкости и индуктивности, зависимость входного со­противления от частоты.