Измерительные приборы. 
Технические измерения и приборы

Измерительными приборами называют средства измерений, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации, то есть информации о значениях измеряемой величины, в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, например амперметр, вольтметр, ваттметр, фазометр.

По физическим явлениям, положенным в основу работы измерительных приборов, их можно разделить на электроизмерительные, электронные и виртуальные приборы. Электроизмерительные приборы подразделяются на электромеханические, электротепловые и электрохимические. Электронные приборы бывают аналоговыми и цифровыми.

По назначению приборы классифицируют на приборы для измерения электрических и неэлектрических физических величин, по способу представления результатов — на показывающие и регистрирующие, по методу преобразования измеряемой величины — на приборы непосредственной оценки и сравнения, по способу применения и по конструкции — на щитовые, переносные и стационарные. По защищенности от воздействия внешних условий измерительные приборы подразделяют, например, на обыкновенные, влагозащищенные, газозащищенные, пылезащищенные, герметичные и взрывобезопасные.

Электромеханические измерительные приборы отличаются простотой, дешевизной, высокой надежностью, разнообразием применения, относительно высокой точностью. Любой электромеханический измерительный прибор состоит из трех основных преобразователей: измерительной цепи, измерительного механизма и отсчетного устройства.

Несмотря на большое разнообразие конструкций и типов электромеханических приборов, все они имеют ряд общих узлов и деталей. Такими деталями являются корпус, шкала, приспособление для отсчета, приспособление для установки, уравновешивания подвижной части и создания вращающего момента, успокоитель, корректор и арретир.

Различают следующие измерительные системы приборов:

• • магнитоэлектрическую,
• • электромагнитную,
• • электродинамическую,
• • ферродинамическую,
• • электростатическую,
• • индукционную.

На вход каждой из этих систем поступает электрический сигнал с выхода преобразователя, несущий информацию об измеряемой величине.

В магнитоэлектрических приборах перемещение подвижной части вызывается взаимодействием поля постоянного магнита и тока, проходящего по катушке. Эти приборы конструктивно могут быть выполнены с подвижным магнитом или с подвижной катушкой. На рис. 1.6 показана конструкция прибора с подвижной катушкой.

Рис. 1.6. Устройство магнитоэлектрического прибора с подвижной катушкой

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 4, на которую намотан медный или алюминиевый провод на алюминиевом каркасе. Иногда применяют бескаркасные рамки. Катушка (рамка) может поворачиваться в зазоре на полуосях 5 и 6. Спиральные пружины 7 и 8 создают противодействующий момент и используются для подачи измеряемого тока от выходных зажимов прибора в рамку. Рамка жестко соединена со стрелкой 9. Для балансировки подвижной части используются передвижные противовесы 10. Проходя по проводникам обмотки рамки, информационный ток I взаимодействует с магнитным потоком постоянного магнита, что вызывает появление механических сил F, создающих вращающий момент М_ар, стремящийся повернуть рамку. Из электротехники известно выражение для механической работы, совершаемой при перемещении проводника с током в магнитном поле:

где F-сила, действующая на проводник в направлении элементарного перемещения da; dW_M — изменение запаса энергии магнитного поля. Если проводник движется по окружности с радиусом г, то.

где da — элементарный угол поворота. Следовательно, где F г — вращающий момент, т. е.

Тогда окончательно запишем:

Это уравнение является обобщенным выражением вращающего момента для всех приборов, в которых используют силу электромагнитного поля. Противодействующий момент в приборах необходим для создания однозначного соответствия измеряемой величины определенному углу отклонения подвижной части. В аналоговых электромеханических приборах противодействующий момент создается либо при помощи пружин, либо за счет энергии электромагнитного поля.

В случае, когда противодействующий момент создается спиральной пружиной, противодействующий момент равен.

где W — удельный противодействующий момент, зависящий от геометрических размеров и материала пружины.

Выражение для вращающего момента, действующего на рамку при протекании по ней тока /, может быть получено, исходя из обобщенного выражения вращающего момента. Запас электромагнитной энергии в контуре с током /, находящимся в поле постоянного магнита, выражается формулой.

где Ч* — полное потокосцепление данного контура с магнитным полем постоянного магнита. Тогда.

При повороте рамки на угол da каждая ее сторона опишет дугу.

где b — ширина рамки, пересекающей при этом силовые линии магнитного поля. Число пересеченных линий будет равно произведению пройденного пути на длину активной стороны рамки / и на индукцию в зазоре В. Полное изменение потокосцепления с рамкой равно произведению числа силовых линий, пересеченных обеими сторонами рамки, на число витков ее обмотки су, т. е.

Обозначив площадь рамки через s, получим.

Если положить da — 1 рад, то произведение Bsco будет постоянной величиной для каждого данного прибора. Она равна изменению потокосцепления при повороте рамки на 1 рад. Обозначая его через запишем.

и тогда.

С учетом вышеизложенного получаем выражение вращающего момента для магнитоэлектрического механизма в следующем виде.

Установившееся положение подвижной катушки наступает при равенстве вращающего и противодействующего моментов М_вр = М"_р. Тогда можно записать.

Отсюда находим уравнение шкалы измерительного механизма магнитоэлектрической системы

или.

где величина S = Т₀/ W является чувствительностью прибора в радианах на ампер. Успокоение подвижной части магнитоэлектрических приборов — магнитоиндукционное, то есть создается взаимодействием маг нитных полей от вихревых токов в каркасе рамки и поля постоянного магнита.

Магнитоэлектрические приборы имеют высокий класс точности, равномерную шкалу, высокую чувствительность, малое собственное потребление мощности и большой диапазон измерений. Однако, они имеют малую нагрузочную способность и сложную конструкцию, а показания приборов зависят от температуры. Эти приборы применяются в качестве амперметров, вольтметров, гальванометров и омметров.

Гальванометры магнитоэлектрической системы представляют собой прибор высокой чувствительности по току и напряжению с неградуированной шкалой. Преимущественное применение гальванометры получили при нулевых методах измерения в качестве приборов, позволяющих с большой точностью фиксировать отсутствие тока в цепи. Гальванометры после соответствующей градуировки могут быть использованы для измерений весьма малых токов и напряжений и для измерения количества электричества. Существуют различные виды гальванометров, в частности, гальванометры с подвижной рамкой и гальванометры с подвижным магнитом, к которым относится так называемый вибрационный гальванометр.

Для измерения небольшого количества электричества применяется баллистический гальванометр. Он является разновидностью магнитоэлектрического гальванометра и предназначен для измерения небольших количеств электричества в кратковременных импульсах тока. Их отличие от обычных магнитоэлектрических гальванометров заключается в искусственно увеличенном моменте инерции подвижной части путем увеличения ее веса и, следовательно, большим периодом собственных колебаний.

Для измерения больших количеств электричества, протекающих за промежуток времени порядка несколько часов, применяются кулонметры. Прибор имеет магнитоэлектрический измерительный механизм, особенностью которого является отсутствие противодействующего момента. Подвод тока к обмотке рамки осуществляется с помощью безмоментных спиралей. Обмотка выполнена из медного провода, намотанного на толстый алюминиевый каркас, в котором при движении рамки индуцируется ток, создающий тормозной момент. Под действием вращающего и тормозного моментов рамка поворачивается с постоянной, пропорциональной току, скоростью в течение всего времени пока длится импульс тока.

На рис. 1.7 показано устройство магнитоэлектрического гальванометра постоянного тока.

Рис. 1.7. Устройство магнитоэлектрического гальванометра

Сильный постоянный магнит 1 из высококоэрцетивного сплава, полюсные наконечники 2 из магнитомягкой стали с цилиндрической расточкой концов и неподвижный стальной цилиндр 3, укрепленный в расточке, служат для создания в зазоре сильного равномерного магнитного поля. В этом зазоре находится рамка 4, укрепленная на подвесе 5. Ток подводится через безмоментные спирали 6. На оси рамки закреплено зеркальце 7 для оптического отсчета угла отклонения рамки от нулевого положения.

На рамку при подаче тока / действуют вращающий момент М_вг- Момент успокоения

направленный в сторону, противоположную М_Вр, и противодействующий момент, создаваемый при закручивании подвеса

Величина Р = Ч’о / (Rr + Rbh) называется коэффициентом успокоения и определяется конструктивными параметрами гальванометра! fy, R/ и сопротивлением внешней цепи RbhИзменяя R_BH можно изменять коэффициент успокоения. Известно, что движение вращающегося тела определяется уравнением.

где J — момент инерции тела; d²a/dt² — угловое ускорение;

— сумма вращающих моментов, действующих на тело. Для гальванометра это уравнение имеет вид.

Подставляя в это уравнение значения моментов с учетом их знака, получим дифференциальное уравнение движения подвижной рамки гальванометра.

Интеграл этого дифференциального уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами и с правой частью состоит из двух членов: «_с — частного решения при заданных условиях и ао — общего решения данного уравнения без правой части, т. е.

Частное решение дифференциального уравнения, рассмотренное для случая установившегося равновесия подвижной части гальванометра, когда скорость ее движения da/dt и ускорение efa/dt² будут равны нулю, равно.

Уравнение без правой части для получения общего решения имеет вид.

Решением его будет функция.

где С/ и Сг постоянные интегрирования, получаемые из начальных условий; X/ и Х2 — корни характеристического уравнения

Нахождение этих корней, а затем получение значения ад, дает искомое уравнение движения подвижной части гальванометра.

График этой функции для различных значений сопротивления нагрузки приведен на рис. 1.8.

Рис. 1.8. График движения подвижной части гальванометра

При Rbh = °о колебания подвижной части гальванометра будут постепенно, хотя и медленно, затухать из-за трения подвижной рамки о воздух (кривая 1). Режим движения рамки будет колебательный. При R_KP < Rbh< ⁰⁰ подвижная часть совершает затухающие колебательные движения около положения установившегося равновесия, определяемого углом а_с (кривая.

• 2). При Rbh меньше критического сопротивления R/a> режим движения рамки гальванометра будет апериодическим (кривая
• 3). При R_Bh = R/ подвижная часть приходит в режим устойчивого равновесия без колебаний и за минимальное время ^(кривая 4). Этот режим называется критическим. Значение критического сопротивления предопределяет возможность применения гальванометра для измерения малых токов и напряжений, а также в качестве нуль-индикаторов.

Электромагнитные измерительные приборы используют взаимодействие магнитного поля, создаваемого неподвижной катушкой, с измеряемым током и ферромагнитным сердечником для перемещения своей подвижной части. Используют три конструкции электромагнитных приборов: с плоской катушкой, с круглой катушкой и с замкнутым магнитопроводом.

Устройство электромагнитного прибора с плоской катушкой приведено на рис. 1.9.

Рис. 1.9. Электромагнитный прибор с плоской катушкой

Устройство состоит из плоской катушки 1 и оси со стрелкой, несимметричным сердечником 2, пружиной 3 и успокоителем 4 с воздушным торможением.

Измеряемый постоянный ток, проходя по катушке, намагничивает сердечник. Сила, втягивающая сердечник вокруг оси вращения внутрь катушки, стремится переместить его в положение, при котором энергия магнитного поля.

имеет наибольшее значение. При повороте сердечника на угол do приращение энергии магнитного поля равно.

Вращающий момент определяется как.

Приняв в первом приближении отношение изменения индуктивности катушки при повороте сердечника постоянным, получим:

dL.

где к =-.

2da

Положение равновесия подвижной части определяется равенством моментов магнитного поля и пружины, откуда угол поворота подвижной части.

где D — удельный противодействующий момент пружины. Таким образом, угол поворота стрелки пропорционален квадрату тока, и шкала в общем случае будет неравномерной. Выбором формы сердечника и его расположением относительно катушки можно получить более равномерную шкалу.

При прохождении по катушке переменного тока вращающий момент изменяется пропорционально квадрату мгновенного значения тока. Вследствие значительного момента инерции подвижной части и большого периода собственных колебаний угол ее поворота будет определяться средним за период значением момента, пропорциональным квадрату действующего значения тока.

Электромагнитные приборы, помимо неравномерной шкалы, имеют большое собственное потребление мощности и невысокую чувствительность, что является их недостатками, также как влияние внешних магнитных и температурных полей при работе. К достоинствам электромагнитных измерительных приборов относятся простота конструкции и относительно невысокая стоимость. Они устойчивы к перегрузкам, имеют высокую надежность и возможность работы в цепях постоянного и переменного тока. Электромагнитные измерительные приборы применяются в качестве амперметров, вольтметров, фазометров, частотомеров, генриметров и фарадметров.

В электродинамических измерительных приборах для перемещения подвижной части используется энергия системы, состоящей из подвижного и неподвижного контуров с токами. В одном из контуров протекает информационный ток, а в другом — опорный ток. Величина опорного тока задается постоянной. Неподвижная часть может состоять из одной или двух катушек, соединенных между собой параллельно или последовательно, внутри которых располагается подвижная катушка, обычно бескаркасная. Для ее включения в цепь измеряемого тока используются пружины или растяжки. Успокоение подвижной части реализуется воздушным или магнитоиндукционным способом. На рис. 1.10 приведена схема устройства электродинамического измерительного прибора.

Рис. 1.10. Устройство электродинамического прибора

Внутри неподвижной катушки 1 вращается укрепленная на оси бескаркасная рамка 2 из изолированной проволоки. Ток к ней подводится по спиральным токоподводящим пружинам, служащим одновременно для создания противодействующего момента. Электромагнитная энергия системы двух катушек с токами /, и 1₂ равна:

где L и La — индуктивность неподвижной и подвижной катушек, а М — взаимная индуктивность катушек. Индуктивности катушек Ц и L₂ не зависят от положения в пространстве, поэтому первые два слагаемые равны нулю. Таким образом, выражение для вращающего момента запишется как.

Приравнивая вращающий момент к противодействующему моменту, получим.

Отсюда получаем выражение уравнения шкалы электродинамического прибора в виде.

Учитывая, что взаимная индуктивность М катушек зависит от расположения подвижной катушки относительно неподвижной катушки и от их формы, которая выражается функцией flа А можно представить уравнение шкалы в общем виде:

Полученное уравнение действительно для случая работы прибора на постоянном токе. На переменном токе показания зависят от произведения действующих значений токов 1 и lj и от сдвига по фазе? между этими токами:

Достоинства электродинамических приборов заключаются в возможности их использования в цепях постоянного и переменного тока. Недостатки состоят в малой перегрузочной способности, они неустойчивы к тряске и вибрации, сравнительно дороги и сложны по конструкции. На показания этих приборов влияют внешние магнитные поля, температура и частота питающего напряжения. Электродинамические приборы применяются в качестве амперметров, вольтметров, ваттметров, частотомеров и фазометров.

Ферродиналшческие приборы отличаются от электродинамических приборов тем, что неподвижная катушка расположена на сердечнике из ферромагнитного материала. Это приводит к значительному увеличению момента вращения и уменьшению влияния внешних магнитных полей.

Схема ферродинамического прибора приведена на рис. 1.11.

Рис. 1.11. Схема ферродинамического прибора

Две половины неподвижной катушки А и Az расположены на стержнях магнитопровода из листовой стали 1. Подвижная катушка 2 без металлического каркаса во избежание появления в нем индуктированных токов укреплена на одной оси со стрелкой 3. В воздушном зазоре возникает однородное радиальное поле с индукцией, пропорциональной току в неподвижной катушке. Взаимодействие этого поля с током в подвижной катушке создает вращающий момент, который пропорционален произведению действующих значений токов в катушках и косинусу угла сдвига фаз между ними.

Малое сопротивление магнитной цепи обеспечивает получение значительной индукции в воздушном зазоре и большого вращающего момента. Это дает возможность увеличить массу подвижной части без увеличения погрешности от трения и повысить прочность подвижной части.

Эти приборы, как и электродинамические приборы, имеют неравномерную шкалу, но меньшее собственное потребление мощности. К их достоинствам можно отнести устойчивость к вибрациям и тряске, а также незначительное влияние на них внешних магнитных полей. Однако наличие магнитопровода снижает точность этих приборов за счет наличия потерь на гистерезис и вихревые токи. На их работу влияет частота питающего напряжения и температура внешней среды. Применяются ферродинамические приборы в качестве амперметров, вольтметров и ваттметров.

Электростатические измерительные приборы для перемещения подвижной части используют взаимодействие двух или нескольких электрически заряженных проводников. Здесь, в отличие от механизмов других систем, перемещение подвижной части осуществляется за счет непосредственного приложенного напряжения. Эти приборы по своему принципу действия являются приборами, измеряющими только напряжение.

Все конструкции электростатических приборов сводятся к разновидностям плоского конденсатора с подвижными и неподвижными электродами. Перемещение подвижной части связано с изменением емкости системы, что может быть осуществлено либо изменением площади электродов, либо изменением расстояния между ними.

На рис. 1.12 приведена схема устройства электростатического прибора.

Рис. 1 12. Схема прибора электростатической системы

Подвижная алюминиевая пластина 1, закрепленная вместе со стрелкой на оси 3, может перемещаться, взаимодействуя с двумя электрически соединенными неподвижными пластинами.

2. Входное напряжение подается одним потенциалом на подвижную пластину, а вторым потенциалом — на неподвижные пластины. Под действием электростатических сил подвижная пластина втягивается в пространство между неподвижными пластинами.

Обобщенное выражение момента вращения для электростатического прибора имеет вид.

где И^э — изменение энергии электрического поля при изменении положения подвижной части на угол da. Энергия заряженного конденсатора определяется уравнением

где С — емкость, образуемая между электродами, U — входное напряжение электростатического прибора. Тогда момент вращения можно выразить как.

Из условия статического равновесия получим.

Из этого выражения видно, что шкала прибора нелинейная. Равномерность шкалы увеличивают подбором формы, размеров и взаимного расположения электродов.

При переменном напряжении на электродах подвижная часть из-за инерционности будет реагировать на среднее за период значение момента. Успокоение осуществляется магнитоиндукционным методом. В электростатических приборах ска;

зывается влияние внешних электрических и электростатических полей. Они используются в цепях постоянного и переменного тока в качестве вольтметров.

Индукционные измерительные приборы состоят из одного или нескольких неподвижных электромагнитов и подвижной части, выполненной в виде алюминиевого диска. Переменные магнитные потоки, направленные перпендикулярно диску, пронизывая его, индуцируют в нем вихревые токи. Взаимодействие этих магнитных потоков с магнитными потоками от вихревых токов вызывает вращение диска. По числу потоков, пересекающих диск, индукционные приборы могут быть однопоточными и многопоточными. Рассмотрим принцип действия индукционного прибора на примере счетчика активной энергии. Упрощенная схема индукционного счетчика показана на рис. 1.13.

Рис. 1.13. Устройство счетчика энергии индукционной системы

Механизм прибора состоит из двух неподвижных магнитопроводов: трехстержневого сердечника с одной катушкой напряжения 1 и П-образного сердечника 5 с двумя последовательно соединенными токовыми катушками, счетного механизма 2, алюминиевого диска 3, жестко укрепленного на оси, и постоянного магнита 4 для создания тормозного момента.

Анализ работы индукционного счетчика показывает, что его вращающий момент пропорционален активной мощности переменного тока, т. е.

где Ki — коэффициент пропорциональности, <�р — угол сдвига фаз между напряжением U и током I.

Под влиянием вращающего момента диск счетчика начинает вращаться. На диск счетчика действует тормозной момент, который упрощенно можно считать пропорциональным скорости вращения диска.

где К₂ — постоянный коэффициент. При неизменной активной мощности в цепи.

Энергия в цепи будет равна.

где с — постоянная счетчика, N — число оборотов диска за время измерения.

Индукционный измерительный механизм применяется в счетчиках активной и реактивной энергии в однофазных и трехфазных цепях переменного тока.

Логометры — приборы электромеханической группы, измеряющие отношение двух электрических величин а = / (Х/Х₂). В логометрах вращающий и противодействующий моменты создаются электрическим путем и направлены навстречу друг другу.

Логометры используются для измерения электрических величин, например сопротивления, емкости, частоты и угла сдвига фаз. Они также широко применяются при измерении неэлектрических величин электрическими методами. На рис. 1.14 приведена схема устройства магнитоэлектрического логометра.

В поле постоянного магнита помещена подвижная часть, состоящая из двух жестко закрепленных под определенным углом рамок. Особой формой полюсных наконечников и сердечника, находящегося между ними, искусственно создается неравномерное магнитное поле постоянного магнита. Токи к рамкам подводятся через безмоментные спирали, не создающие противодействующего момента.

Направление тока в рамках логометра выбираются так, чтобы вращающие моменты М и А/₂ были направлены в разные стороны. Тогда в общем виде можно записать:

М = /г f(а); М₂ = h • /2 (а),

где /1 и /₂ — токи в рамках; а — угол отклонения подвижной части от некоторого условного нулевого положения. Равновесие подвижной части наступает при равенстве моментов М и М₂, действующих на рамку, т. е. при условии

откуда.

Рис. 1.14. Устройство магнитоэлектрического логометра

или.

Аналогично рассмотренному принципу построения логометрического прибора магнитоэлектрической системы выпускают логомстры электромагнитной, электродинамической, ферродинамической и индукционной систем. Основным достоинством логометрических приборов является независимость их показаний от напряжения питания.

Электронные аналоговые измерительные приборы — это сочетание электронной части, предназначенной для преобразования, выпрямления, усиления электрической величины, и измерительного механизма магнитоэлектрической системы, а в осциллографах — электронно-лучевой трубки. Электронные приборы по сравнению с электромеханическими приборами обладают значительным быстродействием, большим диапазоном измеряемых величин. Они применяются в качестве вольтметров, частотомеров, осциллографов, измерителей сопротивления, емкости, индуктивности, параметров транзисторов, интегральных схем и др. В зависимости от характера измерений и вида измеряемых величин, все электронные измерительные приборы подразделяются на группы:

• ? Группа В — приборы для измерения напряжений: В1 — калибраторы; В2 — вольтметры постоянного тока; ВЗ — вольтметры переменного тока; В4 — вольтметры импульсного тока; В6 — вольтметры селективные.
• ? Группа Г — измерительные усилители и генераторы; ГЗ — генераторы гармонических колебаний низкочастотные; Г4 — генераторы гармонических колебаний высокочастотные; Г5 — генераторы импульсные; Гб — генераторы функциональные.
• ? Группа Е — приборы для измерения параметров электрических цепей: ЕЗ — измерители индуктивности, Е6 — измерители сопротивлений, Е7 — измерители емкостей.
• ? Группа С — приборы для наблюдения за формой сигналов и ее исследования.
• ? Группа Ч — частотомеры.
• ? Г руппа Ф — измерители фазового сдвига.

В обозначении комбинированного прибора, предназначенного для измерения нескольких физических величин, к основному обозначению подгруппы добавляется буква К.

Модернизированные приборы сохраняют свое прежнее обозначение, но после номера типа добавляется прописная буква русского алфавита: А — первая модернизация, Б — вторая и т. д.

Обозначение В2−25, например, характеризует модель 25 вольтметра постоянного напряжения, а обозначение С1 — универсальный осциллограф.

Осциллограф является электронным прибором, часто применяемым для исследования формы электрических колебаний. Воспроизводя электрический сигнал y (t) на экране электроннолучевой трубки (ЭЛТ), осциллограф делает его видимым как функцию времени. Достигается это одновременным изображением графика у = у (х), возникающего на экране ЭЛТ в результате согласованной подачи наблюдаемого сигнала y (t) и сигнала x (t) = ct, генерируемого внутри осциллографа. Новому моменту времени в сигнале y (t) соответствует очередное мгновенное значение сигнала x (t). Так как у (х) = y (ct), изменением константы с можно увеличивать или уменьшать масштаб по оси времени. При этом будет казаться, что величина у меняется быстрее или медленнее. Осциллографу необходим генератор временной развертки для формирования сигнала x (t) и аналоговый двухкоординатный дисплей, позволяющий показывать сигнал у как функцию х. Из-за ограниченных размеров дисплея сигнал y (t) можно наблюдать только в течение короткого интервала времени. Однако в случае, когда y (t) является периодическим и его период равен Т, очевидно, можно получить непрерывное изображение этого сигнала, периодически повторяя у (t + пТ), при условии, что с переходом к новому значению п развертка каждый раз начинается в одной и той же фазе сигнала у (1 + п’Г). Для этого необходима схема, способная вырабатывать сигнал запуска развертки x (t) в момент времени, когда фаза сигнала у (1 + пТ) имеет заданное значение.

Чтобы обеспечить большую гибкость и возможность анализа множества сигналов самой различной формы, осциллографы выполняются иногда в виде базового блока, в который можно вставлять различные сменные блоки. В базовом блоке содержится ЭЛТ в качестве аналогового дисплея в координатах х, у, генератор временной развертки, схема запуска и блок питания.

Сменные блоки предоставляют возможность измерения различных параметров входного сигнала, таких как амплитуда, частота, интервал времени и спектр.

На рис. 1.15 показано внутреннее устройство осциллографа.

Рис. 1.15. Функциональная схема осциллографа

ЭЛТ является главным блоком осциллографа. В ней выполняются следующие операции: формирование, фокусировка и отклонение электронного луча, а также преобразование электрической энергии в видимый свет. Электронный луч формируется в ЭЛТ так же, как в ламповом триоде, состоящем из катода, управляющей сетки и анода. Торец цилиндрического катода покрыт материалом с малой работой выхода. Когда катод нагревается нитью накала, самые быстрые электроны вылетают с его поверхности. Их подхватывает электрическое поле, и они с ускорением летят вдоль центральной оси трубки в сторону анода (рис. 1.16).

Рис. 1.16. Конструкция электродов в ЭЛТ

На управляющей сетке, расположенной между катодом и анодом, поддерживается отрицательное напряжение. С ее помощью регулируется количество электронов, достигающих анода. Когда напряжение на сетке делается более отрицательным, электронный луч становится уже. Электроны, вылетевшие из разных точек катода, проходят через сечение небольшой площади. Система фокусировки проецирует эту небольшую площадку в точку на экране ЭЛТ. Эта операция имеет много общего с фокусировкой, осуществляемой оптическими линзами, поэтому часто такие системы называют электронными линзами.

Потенциал фокусирующего электрода, расположенного между двумя анодами, поддерживается более низким, чем потенциал анодов, в результате чего возникает электрическое поле. Попадая в линзу, электронный луч, прежде всего, сталкивается с выпуклыми эквипотенциальными поверхностями убывающего потенциала, которые оказывают рассеивающее действие на электроны. Это можно сравнить с прохождением света сквозь рассеивающую линзу. Затем луч проходит через убывающее вогнутое поле, в котором электроны подвергаются воздействию собирающих сил. Далее следует еще одно выпуклое поле, но теперь уже с нарастающим потенциалом. Это поле также стягивает электронный луч. Наконец, луч проходит сквозь вогнутое поле с увеличивающимся потенциалом, которое снова оказывает на луч рассеивающее действие.

Несмотря на симметричную конструкцию электродов, параллельный луч, пройдя сквозь линзы, выйдет не параллельным, поскольку электроны, проходя через фокусирующие электроды, замедляются из-за отрицательного потенциала этих электродов по отношению к анодам. Из-за этого электроны дольше находятся в собирающем поле, и система в целом оказывает фокусирующее действие. Этот эффект остается и в том случае, когда потенциал фокусирующего электрода положителен по отношению к анодам. Следовательно, потенциалом фокусирующего электрода можно воспользоваться для регулирования резкости точки на экране. Если, изменив потенциал управляющей сетки, сделать плотность электронного луча другой, то его фокус слегка сместится и точка на экране станет больше. При изменении интенсивности и, как следствие, яркости изображения на экране, необходимо заново подстроить фокусировку.

Отклонение электронного луча можно осуществлять с помощью магнитного или электрического поля. При проведении измерений бывает необходимо обеспечить возможность наблюдения высокочастотных сигналов, поэтому отклонение луча должно происходить быстро, и с этой целью почти всегда применяется отклонение электрическим полем. Отклоняющие электроды (пластины), как правило, изогнуты и расходятся в стороны, как показано на рис. 1.16. Это позволяет получить больший угол отклонения.

Определим чувствительность ЭЛТ по отклонению. Предположим, что отклоняющие пластины являются абсолютно плоскими и параллельными, и электрическое поле в конденсаторе, образованном этими пластинами, однородно. Если расстояние между пластинами равно d и к ним приложено напряжение V, то напряженность электрического поля равна

На электрон в этом поле действует кулоновская сила.

где <7 — заряд, т — масса, а — ускорение. В результате электрон будет смещаться в сторону с ускорением.

Таким образом, смещение по вертикали от оси отклоняющей системы равно.

Скорость v, с которой электрон влетает в конденсатор, будет оставаться постоянной. Следовательно, расстояние у можно представить в виде:

где / - расстояние вдоль длины пластины. Тогда для угла а справедливо соотношение.

Чувствительность велика, когда пластины являются протяженными и расположены близко друг к другу, а также при низкой скорости электронов. Обозначая напряжение между катодом и анодом в ЭЛТ через V_m, мы можем найти скорость электронов вблизи экрана из соотношения:

Следовательно,.

Отсюда видно, что чувствительность падает с увеличением напряжения на аноде. Если мы хотим наблюдать сигналы с частотой свыше 10 МГц, то электронный луч будет двигаться по экрану исключительно быстро и яркость изображения будет небольшой. Эту проблему можно отчасти преодолеть, увеличив ток в луче, хотя это и сократит срок службы катода. Обычно в высокочастотных трубках ускорение электронов разделено на два этапа: сначала они предварительно ускоряются разностью потенциалов в несколько киловольт, затем луч отклоняется и только после этого снова осуществляется ускорение напряжением порядка 15 кВ. На высоких частотах из-за емкости отклоняющих пластин усилители горизонтального и вертикального отклонения оказываются почти накоротко замкнутыми по выходу. Чтобы решить эту проблему, часто применяют ряд пластин, образующих в совокупности длинную линию.

Экран ЭЛТ покрыт слоем люминофора, атомы которого легко возбуждаются при бомбардировке электронным лучом. По прошествии времени релаксации, они испускают свет. Во время бомбардировки электронами люминофор быстро достигает определенного уровня излучения. Этот этап называют флуоресценцией. После того, как возбуждение прекращается, слой люминофора все еще светится в течение некоторого времени. Об этой фазе послесвечения говорят как о фосфоресценции. Цвет испускаемого света зависит от химического состава люминофора. Цвет в фазе фосфоресценции, как правило, отличается от цвета в фазе флуоресценции. Длительность фазы фосфоресценции также зависит от химического состава. Для наблюдения медленных явлений таких, как радиолокационные изображения, применяют люминофоры с длительным послесвечением.

Наблюдаемый сигнал поступает на пластины вертикального отклонения ЭЛТ, пройдя по каналу у вертикального отклонения. В этом канале происходит усиление малых сигналов или ослабление больших сигналов. Иногда в этом канале осуществляется регулируемая фильтрация искаженных шумом сигналов. В высокочастотных осциллографах, предназначенных для работы на частотах выше 25 МГц, в канал вертикального отклонения включена линия задержки, представляющая собой бобину с намотанным на нее коаксиальным кабелем или ряд LC-звеньев. Эта линия задержки необходима для того, чтобы сделать видимым начальный перепад в импульсных сигналах.

Введение

задержки приводит к тому, что запуск развертки происходит раньше момента времени, когда сигнал y (t) начинает поступать на пластины горизонтального отклонения ЭЛТ. Таким образом, устраняется влияние задержки в схеме запуска. Кроме того, для сигналов, нарастающих очень быстро, делается видимой часть сигнала, предшествующая моменту запуска.

Через усилитель отклонения в канале х на пластины горизонтального отклонения ЭЛТ может поступать внешний сигнал. Внутри сигнал развертки создается путем интегрирования постоянного тока, благодаря чему отклоняющее напряжение имеет пилообразную форму. Сигнал запуска развертки генерируется схемой запуска, в которой этот сигнал формируется либо из сигнала y (t), либо из сигнала, поступающего извне.

Чтобы подавить электронный луч ЭЛТ на время обратного хода, схемой развертки вырабатывается также сигнал гашения луча. В момент появления запускающего импульса гашение электронного луча заканчивается и начинается нарастание пилообразного напряжения. Электронный луч начинает движение по экрану ЭЛТ, показывая на нем исследуемый сигнал. Как только луч достигает конца экрана, его движение прерывается, и напряжение развертки возвращается к своему начальному значению. На время обратного хода луч гасится. Теперь осциллограф готов показать следующий цикл колебания и ждет следующего импульса запуска. Время между двумя проходами луча занимает, по крайней мере, один период наблюдаемого сигнала. В случае высокочастотных сигналов обычно пропускается несколько периодов входного сигнала, прежде чем осциллограф будет готов воспроизвести следующую кривую. Задержка необходима, в основном, для восстановления генератора развертки. Регулируя наклон пилообразного сигнала, можно выбирать длительность изображаемого на экране отрезка входного сигнала. Изменяя время горизонтальной развертки, получим больший или меньший интервал наблюдения сигнала y (t). Масштаб развертки может изменяться от 5 с/см до 0,5 нс/см у высокочастотных осциллографов.

В большинстве осциллографов имеется возможность уве_г личения коэффициента усиления усилителя в канале х в 5 или в 10 раз. Это приводит к увеличению размера изображаемого сигнала по горизонтали относительно центра экрана. Добавляя к напряжению, отклоняющему луч по оси х, необходимое постоянное напряжение, можно получить на экране растянутое изображение любой части входного сигнала. При этом сигнал сдвигается по горизонтальной оси.

С помощью схемы запуска можно осуществить запуск развертки от сигнала y (t). Если сигнал y (t) привязан к частоте силовой сети 50 Гц, то для создания сигнала запуска можно воспользоваться напряжением сети, то есть производить запуск от сети. Это приведет к тому, что все сигналы, синхронные с электрическими колебаниями в сети, на экране ЭЛТ будут неподвижны. Кроме того, часто осциллограф можно запустить от внешнего сигнала.

Электронные вольтметры (ЭВ) составляют наиболее обширную группу электронных приборов. Основное их назначение — измерение напряжения в цепях постоянного и переменного тока в широком диапазоне частот.

ЭВ постоянного тока состоят из делителя входного напряжения, усилителя постоянного тока и магнитоэлектрического микроамперметра. Их диапазон измерения составляет от 100 мВ до 1000 В.

Структурная схема ЭВ переменного тока может иметь два вида:

• а) выпрямитель, усилитель постоянного тока, магнитоэлектрический измерительный механизм;
• б) усилитель переменного тока, выпрямитель, магнитоэлектрический измерительный механизм.

ЭВ, выполненные по первой схеме, имеют меньшую чувствительность, меньшую точность, так как при низких напряжениях выпрямители работают неэффективно, но имеют более широкий частотный диапазон — от 10 Гц до 700 МГц. По такой схеме обычно выполняются универсальные вольтметры переменного и постоянного тока. Нижний предел измерения таких вольтметров ограничивается порогом чувствительности выпрямителя и составляет обычно 0,1 В.

ЭВ, выполненные по второй схеме, более чувствительны, но имеют более узкий частотный диапазон (до 50 МГц), который ограничивается усилителем переменного тока.

Главными достоинствами ЭВ являются высокая чувствительность за счет усилительных свойств, практическое отсутствие потребляемой мощности, а также широкий диапазон рабочих частот и измеряемых напряжений. Основными недостатками являются сравнительно высокая стоимость, ограниченная точность и необходимость переградуировки при замене элементной базы.

Электронный омметр представляет собой электронный вольтметр постоянного тока, имеющий измерительную схему, преобразующую измеряемое сопротивление в пропорциональное ему постоянное напряжение. Шкалу такого прибора градуируют в единицах измеряемого сопротивления. Расширение пределов измерения осуществляется с помощью образцовых резисторов. Диапазон измерения этих приборов этих приборов от 10 Ом до 1000 МОм, а погрешность измерения составляет около 3%.

Компенсаторы постоянного тока (КПТ) используются для прямого измерения ЭДС и напряжений и косвенного измерения тока, сопротивления и мощности. Компенсационный метод измерения заключается в том, что подлежащее измерению напряжение уравновешивается известным напряжением, получаемым в виде падения напряжения от строго определенного тока на сопротивлении известной величины. КПТ обеспечивают высокую точность измерений. Существуют высокоомные компенсаторы (до 40 кОм с пределом измерения до 1,9 В) и низкоомные (до 1000 Ом с пределом измерений до 100 мВ). С высокоомными компенсаторами в качестве нуль-индикатора используют гальванометры магнитоэлектрической системы с относительно большим критическим сопротивлением.

Автоматические компенсаторы постоянного тока, в которых процесс уравновешивания производится автоматически, применяются для измерения электрических и неэлектрических величин, которые могут быть предварительно преобразованы в напряжение или ЭДС постоянного тока.

Мостовые приборы дают возможность измерять параметры электрических цепей. Широкое применение мостовых схем, лежащих в основе этих приборов, объясняется высокой точностью измерений, большой чувствительностью и возможностью измерения различных физических величин. Наибольшее распространение для измерения больших и малых величин сопротивлений получили схема одинарного и двойного моста. Одинарные мосты применяются для измерения средних сопротивлений от 10 Ом до 100 МОм. Для измерения малых величин сопротивлений 10 Ом и меньше применяются двойные мосты, в которых влияние величин, вызывающих погрешность измерения, сведено к минимуму.

При измерении сопротивлений или при расчете мостовой схемы важно выбирать параметры моста таким образом, чтобы мост обладал необходимой чувствительностью. Основная погрешность моста состоит из ряда составляющих, таких как погрешности подгонки сопротивления, погрешности, вызываемые сопротивлением монтажных проводов и переходных контактов, погрешности от термо-ЭДС и погрешности отсчета.

Если для мостов постоянного тока имеется одно условие равновесия и, следовательно, уравновешивание моста может быть достигнуто изменением сопротивления одного из плеч моста, то для достижения равновесия мостов переменного тока необходимо регулировать не менее двух параметров схемы. Для мостов переменного тока имеет значение сходимость моста. Сходгшость мостов переменного тока — это возможность достижения состояния равновесия определенным числом переходов от регулировки одного параметра к регулировке другого. Все мосты переменного тока можно разделить на две группы:

• • частотонезависимые — уравновешенные при одной частоте и сохраняющие равновесие при изменении частоты источника питания.
• • частотозависимые — характеризуются тем, что в условии равновесия имеется частота, входящая в выражение реактивных составляющих сопротивления.

Погрешность мостов переменного тока зависит от погрешности учета активной и реактивной составляющих сопротивлений плеч моста.

В цифровых измерительных приборах (ЦИП) осуществляется автоматическое преобразование входной измеряемой непрерывной величины в код, то есть в дискретную величину с представлением результата измерения в виде числа. Код — это серия сигналов, обычно электрических, удобных для передачи информации по каналу связи. Для образования кода, любая непрерывная величина, ограниченная некоторыми предельными значениями, квантуется по времени и по уровню.

При квантовании теряется часть информации, но полученное в результате квантования значение величины известно с точностью, определяемой шагом квантования. Шаг квантования определяет число уровней квантования или разрешающую способность ЦИП.

ЦИП имеют широкий диапазон измерений, малое потребление мощности, большое входное сопротивление (до 1000 МОм), высокое быстродействие и время преобразования (время, затрачиваемое на выполнение одного преобразования сигнала в цифровой код), а также высокую точность измерения. Для них характерна сравнительно высокая стоимость. Их преимущества по сравнению с аналоговыми приборами заключаются в высокой помехозащищенности, возможности дистанционной передачи результата измерения в виде кодовых сигналов без потери точности, удобство и объективность отсчета и регистрации, возможность сочетания ЦИП с вычислительными машинами и микропроцессорами для обработки и хранения измерительной информации.

Классификация ЦИП осуществляется по принципу преобразования измеряемой непрерывной величины в код. В зависимости от структурной схемы аналого-цифрового преобразователя их делят на два класса: ЦИП прямого преобразования и ЦИП уравновешивающего (компенсационного) преобразования.

ЦИП прямого преобразования строятся из ряда отдельных преобразователей, соединенных последовательно между собой. Для них характерно отсутствие отрицательной обратной связи с выхода на вход. Приборам такого типа присуща относительно невысокая точность за счет накопления погрешностей отдельных преобразователей в процессе преобразования. К этому классу относятся ЦИП пространственного, последовательного, частотно-импульсного, времяимпульсного и взвешивающего кодирования.

ЦИП уравновешивающего или компенсационного преобразования получили наибольшее распространение. Они обеспечивают высокую точность измерения, благодаря наличию компенсационной обратной связи.

В зависимости от кодирования эти приборы подразделяются на.

• • ЦИП последовательного во времени преобразования непрерывной измеряемой величины, где используется метод последовательного счета. Дискретная выходная величина формируется в процессе измерения до тех пор, пока она не станет равной входной величине;
• • ЦИП параллельно-последовательного преобразования непрерывной измеряемой величины, где используется метод совпадений. Значение измеряемой величины определяется по совпавшему с ним значению известной величины, то есть имеет место непосредственное сравнение с мерой.

По характеру уравновешивания, т. е. по режиму работы, ЦИП подразделяются на.

• • ЦИП развертывающего преобразования, где процесс преобразования протекает всегда независимо от значений измеряемой величины по определенной заданной программе.
• • ЦИП следящего преобразования, где входная величина непрерывно сравнивается с компенсирующей выходной величиной и, при наличии их разности, блок управления изменяет выходную величину в функции времени до тех пор, пока с заданной точностью не будет достигнуто их равенство, после чего производится отсчет.

Виртуальные измерительные приборы представляют собой набор аппаратных и программных средств, выполняющий функции измерительного прибора на базе компьютера, который позволяет выполнять функции максимально приближенные к функциям реального прибора.

В научных исследованиях, диагностических, статистических и интеллектуальных системах, компьютеры используются для решения задач управления измерительными экспериментами, сбора, регистрации, обработки и систематизации данных, представления и хранения результатов наблюдений. При этом часть функций и операций осуществляется не аппаратно, а программно с помощью персонального компьютера. Аппаратная информационно-измерительная часть приборов и систем реализуется в конструкции стандартной платы и автономного модуля компьютера. Функции, передаваемые компьютеру, обычно связаны с организацией взаимодействия пользователя и компьютера, используется привычная для пользователя атрибутика — панели, ручки управления и так далее. В этом случае работа с виртуальными приборами оказывается аналогичной работе с традиционными приборами.

Функциональные возможности традиционных измерительных приборов заданы их производителем, и изменить число каналов проблематично. А так как никакой производитель не в состоянии охватить все многообразие реальных задач, это в значительной степени затрудняет подбор оптимального комплекта оборудования с требуемыми параметрами и его настройку. Виртуальный прибор снимает это ограничение. Основой стали открытые, а значит, доступные всем разработчикам и производителям стандарты на универсальное оборудование, что позволяет выбирать лучшие из существующих на рынке решений и компоновать из них специализированные системы.

На рис. 1.17 приведена панель виртуального хронопотенциографа, с помощью которого можно осуществлять все процедуры и измерения, указанные на панели.

Рис. 1.17. Внешний вид виртуального хронопотенциографа

Виртуальный самописец (рис. 1.18) имеет программируемое число дорожек, калибровку по физическим параметрам. Вывод данных на самописец производится в той размерности, которая удобна пользователю. Есть возможность записи на магнитный носитель. Сервис режима позволяет осуществлять просмотр и фрагментацию данных с записью фрагментов в файл или картотеку.

Рис. 1.18. Внешний вид виртуального самописца

Виртуальный анализатор спектра (рис. 1.19) имеет число гармоник от 2 до 1024. Анализатор позволяет получить амплитуды и фазы гармоник спектра, а также коэффициенты Фурье разложения входного сигнала. Полученные данные могут быть использованы для гармонической аппроксимации этого сигнала.

Системный уровень предоставляет возможность на базе информации предыдущего уровня создать измерительную процедуру и снабдить ее интерфейсом в виде виртуальной приборной панели, а также необходимыми данными о параметрах используемых средств.

Типовая архитектура программного обеспечения, которая отражает современное представление об измерительном программировании, имеет обычно три уровня: уровень метасистемы, системный уровень и уровень рабочих процедур. На метасистемном уровне проводится настройка измерительного программного обеспечения в соответствии с различными фактора;

ми: требованиями пользователей двух нижних уровней, аппаратного обеспечения, прикладной области и так далее.

Рис. 1.19. Внешний вид виртуального анализатора спектра

Нижний уровень отражает выполнение в реальном масштабе времени сформированной на верхних уровнях рабочей процедуры. Замена текстового представления графическим делает представление измерительных данных и процедур более наглядным, не создает языкового барьера, рисунок более компактно выражает смысл информации.

В технологии программирования приборов есть метод, позволяющий повысить универсальность работы. Он называется Interchangeable Virtual Instruments (IVI) — взаимозаменяемые виртуальные инструменты. Основная идея метода заключается в том, что все приборы одного класса имеют общую для всех приборов группу функций. Если эти функции выделить в особый блок, то часть программы, отвечающая за управление, не будет зависеть от конкретного прибора и его драйвера.

В настоящее время получило развитие направление, связанное с разработкой виртуальных измерительных систем, широко использующих возможности современных компьютеров, компьютерной графики, перспективных методов и средств измерений, цифровой обработки информации и эффективных «plug-and-play» мультимедиа-технологий при создании программного и технологического обеспечения. Основные области применения таких систем следующие:

• — научные измерения, где приборы реализуются как в виде функционально ориентированных систем в виртуальном исполнении, так и в виде проблемно-ориентированных систем.
• — разработка семейства универсальных компьютерных приборов, синтезированных программным путем, среди которых можно выделить приборы с блоком оценки и представления точности характеристик прибора и измерений;
• — виртуальные системы учебного назначения: практикумы и тренажеры, электронные каталоги и инструкции к серийно выпускаемым приборам, построенные на адекватных моделях устройств.