Электронные измерительные приборы и их особенности

1. ВВЕДЕНИЕ

Для измерения электрических  и неэлектрических величин широко применяются электронные измерительные  приборы. В зависимости от способа преобразования входного сигнала электронные приборы делятся на аналоговые и цифровые.

Для электронных измерительных  приборов характерны следующие преимущества — высокая чувствительность, малое  собственное потребление энергии  из измерительной цепи, широкий частотный  диапазон. Кроме того, электронные  измерительные приборы характеризуются  рядом особенностей — быстродействием, автоматизацией процесса измерения, простотой  и удобством регистрации результатов  измерения, возможностью сопряжения с  ПЭВМ.

Применение электронных  измерительных приборов разнообразно. Наиболее распространенные — электронные вольтметры. Кроме этого электронные приборы используются для измерения интервалов времени, частоты и углов сдвига фаз, для измерения спектральных характеристик сигнала и др.

Говоря о совершенствовании  электронных измерительных приборов, необходимо подчеркнуть качественные изменения их вследствие внедрения  микропроцессоров и микропроцессорных  систем, которые стали неотъемлемой частью многих электронных измерительных  приборов, улучшили их характеристики, придали новые свойства. С помощью  микропроцессорных систем, встроенных в электронные измерительные  приборы, достигается многофункциональность  приборов, автоматизация регулировок, самокалибровка, улучшаются метрологические  характеристики, создаются программируемые, полностью автоматизированные приборы.

К недостаткам электронных  измерительных приборов можно отнести  сложность, обусловленную большим  количеством элементов, необходимость  источников питания.

 

2. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Автоматическими измерительными приборами (АИП) называются приборы, в  которых процесс измерения производится автоматически, без участия операторов. АИП предназначены для измерения и регистрации параметров, характеризующих технологические процессы производства. К таким параметрам относятся температура, давление, уровень и расход жидкости, влажность, концентрация и состав газов и жидкостей, электрические напряжения и ток, мощность, частота и др.

Широкое использование в  настоящее время АИП и все  большая потребность в них  объясняется рядом важнейших  метрологических и эксплуатационных характеристик высокая точность (до 0,001%) и чувствительность (до 10^-8), незначительная зависимость показаний прибора от условий эксплуатации, малое собственное потребление энергии и возможность использования маломощных первичных преобразователей сигнала, возможность одновременного измерения нескольких величин и получение документальной информации. Эти показатели обеспечиваются использованием компенсационного метода измерения, применением совершенных электронных устройств, характеризующихся малой инерционностью и большой выходной мощностью, некоторым усложнением схем узлов АИП, использованием объективного отсчета измеряемых параметров.

В общем случае структура АИП непрерывного действия включает в себя: ПП — первичный преобразователь, ИЦ — измерительную цепь, У — усилитель, РД — реверсивный двигатель, Р — редуктор, КУ — корректирующее устройство, ВУ— выходное устройство.

Звенья прямой передачи сигнала  или прямого тракта системы (ИЦ, У, РД, Р), охваченные корректирующим устройством КУ, образуют следящую систему (СС) и обеспечивают автоматизацию процесса измерения. Принцип действия СС заключается в сравнении измеряемой величины U_K, поступающей от ПП, с компенсирующей ее величиной U_K, вырабатываемой КУ. Разность этих величин усиливается и подается на РД, который, воздействуя через Р на КУ, одновременно обеспечивает работу ВУ. Равновесие системы наступает при .

 Это равновесие возможно в астатической системе, необходимым условием которой является наличие в прямом тракте передачи сигнала интегрирующего звена. В данном случае интегрирующим звеном является РД — скорость поворота его выходного вала пропорциональна поданному на управляющую обмотку напряжению.

, или ,

где α — угол поворота выходного вала РД; k — постоянный коэффициент; U₂ — выходное напряжение У.

В действительности при равновесии , а определяется порогом чувствительности — минимальным значением ΔU, приводящим к троганию двигатель, и инерционностью используемых звеньев системы.

По типу измерительных  систем существующие АИП непрерывного действия подразделяют на:

Мосты с уравновешиванием по одному параметру. Например, автоматический мост для измерения температуры применяется для измерения температуры с помощью терморезистора.

Потенциометры постоянного тока. В качестве примера реализации автоматического устройства, использующего компенсационный метод измерения, рассмотрим потенциометр, работающий в комплекте с термопарой, на концах которой создается термо-ЭДС. Современные автоматические потенциометры для измерения температуры снабжаются стабилизированными источниками питания. Они не имеют нормального элемента и режима автоматической установки рабочих токов.

Приборы с дифференциально-трансформаторной системой. Основными узлами измерительной цепи являются дифференциальный трансформаторный преобразователь и компенсационный дифференциальный трансформатор. Дифференциально-трансформаторные измерительные системы нашли широкое применение для измерения давления (автоматический манометр), уровня жидкости (уровнемер), расхода жидкости (расходомер).

 

2. ЭЛЕКТРОННЫЕ АНАЛОГОВЫЕ  ВОЛЬТМЕТРЫ

В этих приборах измеряемое напряжение преобразуется с помощью электронных устройств в постоянный ток, который воздействует на магнитоэлектрический измерительный механизм со шкалой, градуированной в единицах напряжения. Электронные вольтметры (ЭВ) обладают широким диапазоном измерения (от десятков нановольт до десятков киловольт), большим входным сопротивлением (единицы мегаом), широким частотным диапазоном (от нуля до сотен мегагерц).

Вольтметры постоянного напряжения. Упрощенная структура: усилитель входной, усилитель постоянного тока, магнитоэлектрический измерительный механизм. Предел измерения этих приборов не бывает ниже десятков милливольт.

Вольтметры переменного напряжения. Структура такого вольтметра включает в себя преобразователь переменного напряжения, усилитель постоянного или переменного тока и магнитоэлектрический измерительный механизм. Электронный вольтметр имеет широкий частотный диапазон (до 10³ МГц), но невысокую чувствительность. Предел измерения таких вольтметров — десятки милливольт.

Универсальные вольтметры. Эти вольтметры предназначены для измерения постоянного и переменного напряжений, а также для измерения сопротивления. Появление высокостабильных операционных усилителей с малым дрейфом позволяет существенно снизить порог чувствительности в режиме измерения переменного напряжения при сохранении достаточно широкого частотного диапазона.

Импульсные вольтметры. Эти вольтметры используются для измерения амплитуды импульсных сигналов различной формы. Особенностью их работы является малая длительность измеряемых импульсов (10 — 100 нс), большая скважность (до 10⁹). Импульсные вольтметры градуируются в амплитудных значениях напряжений. В современных приборах используются компенсационные схемы амплитудных преобразователей.

Вольтметры селективные. Это вольтметры предназначены для измерения действующего значения напряжения в некоторой полосе частот или отдельных гармонических составляющих несинусоидального напряжения.

 

3. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ  ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ  ЦЕПЕЙ

Электронные омметры имеют широкий диапазон измерения (10^-4 — 10¹² Ом) и служат для измерения сопротивлений резисторов, изоляции, контактов и т д. Погрешность этих приборов составляет от единиц процентов до 10% (при измерении больших сопротивлений). В основу построения омметров положено преобразование измеряемого сопротивления в постоянное напряжение от источника стабилизированного напряжения, которое подается на магнитоэлектрический измерительный механизм.

Электронные приборы для измерения  индуктивности катушки Z, емкости  конденсатора С и добротности  контура Q. Эти приборы чаще всего используют принцип, основанный на явлении резонанса в LC-контуре.

 

 

4. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЧАСТОТОМЕРЫ  И ФАЗОМЕТРЫ

4.1. Электронный частотомер

Электронно-счетные частотомеры. Принцип действия электронно-счетных частотомеров (ЭСЧ) основан на подсчете количества импульсов, сформированных входными цепями из периодического сигнала произвольной формы, за определенный интервал времени.

Резонансные частотомеры. Принцип действия резонансных частотомеров основан на сравнении частоты входного сигнала с собственной резонансной частотой перестраиваемого резонатора.

 Гетеродинные частотомеры. Принцип действия гетеродинных частотомеров основан на сравнении частоты входного сигнала с частотой перестраиваемого вспомогательного генератора (гетеродина) с помощью т. н. метода нулевых биений.

Конденсаторные частотомеры. Электронные конденсаторные частотомеры применяются для измерения частот в диапазоне от 10 до 1000Гц. Принцип таких частотомеров основывается на попеременном заряде конденсаторов от батареи с последующим его разрядом через магнитоэлектрический механизм.

Вибрационные (язычковые) частотомеры. Представляет собой прибор с подвижной частью в виде набора упругих Элементов (пластинок, язычков), приводимых в резонансные колебания при воздействии переменного магнитного или электрического поля.

Аналоговые стрелочные частотомеры. Аналоговые частотомеры по применяемому измерительному механизму бывают электромагнитной, электродинамической и магнитоэлектрической систем. В основе работы их лежит использование частотозависимой цепи, модуль полного сопротивления которой зависит от частоты.

4.2. Электронные фазометры

Фазометр — электроизмерительный прибор, предназначенный для измерения углов сдвига фаз между двумя изменяющимися периодически электрическими колебаниями, например в трёхфазной системе электроснабжения.

Фазометры очень часто  применяются в электроустановках  для определения коэффициента реактивной мощности cosφ. Фазометры находят  применение при разработке, регулировке  и эксплуатации электронных и  электротехнических аппаратов и  устройств.

 

5. ЭЛЕКТРОННЫЕ ВАТТМЕТРЫ  И СЧЕТЧИКИ

Электронные ваттметры строятся на основе измерительного преобразователя мощности в напряжение, на выходе которого устанавливается магнитоэлектрический механизм.

Принцип работы преобразователей заключается в реализации зависимости . Отсюда следует, что необходимым элементом является устройство для перемножения u и i — множительное устройство (МУ). Различают параметрические и модуляционные МУ.

Наиболее точными являются модуляционные МУ, основанные на двойной  модуляции импульсных сигналов —  широтно-импульсной и амплитудно-импульсной.

Электронные счетчики активной энергии  строятся на основе рассмотренных преобразователей с последующим интегрированием выходной величины в соответствии с зависимостью .

 

6. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ  ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Электронно-лучевые осциллографы (ЭЛО) предназначены для визуального наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов. Они также могут быть использованы для измерения частоты, угла сдвига фаз, составляющих комплексного сопротивления и т.д.

В настоящее время выпускается  множество осциллографов, различающихся назначением и характеристиками. Кроме универсальных ЭЛО, которые используются при периодических и непериодических сигналах непрерывного и импульсного характера, выпускаются запоминающие ЭЛО для регистрации одиночных импульсов, стробоскопические для исследования высокочастотных процессов, цифровые ЭЛО и др.

Осциллографы различаются  чувствительностью, полосой пропускания, погрешностью воспроизведения формы кривой.

Основными узлами ЭЛО являются электронно-лучевая трубка ЭЛТ, делитель напряжения ДН, усилители вертикального УВО и горизонтального УГО отклонения, калибраторы амплитуды КА и длительности КД, генератор развертки ГР, блок синхронизации БС.

Электронно-лучевой осциллограф  может использоваться не только для наблюдения формы сигнала, но и для измерения параметров сигнала и параметров цепи.

Измерение мгновенного значения напряжения. Измеряемое напряжение определяется непосредственно с помощью градуированной сетки экрана осциллографа, при использовании значений коэффициентов усиления усилителя вертикального отклонения, обозначенных на передней панели ЭЛО в милливольтах на сантиметр или в вольтах на сантиметр. Измеренное амплитудное значение напряжения в вольтах равно произведению измеренного в сантиметрах по шкале экрана длины отрезка l, соответствующего амплитуде входного напряжения, и масштаба градуировки k_y, т е .

Этому способу измерения  напряжения присуща погрешность  отсчета— субъективная погрешность Для уменьшения ее используют; двойную шкалу, нанесенную как с внутренней, так и с наружной стороны трубки или изготавливают безпараллаксные шкалы из прозрачного материала с линиями на двух сторонах Погрешность измерения напряжения этим способом находится на уровне 4 — 7%.

Измерение частоты. Наиболее распространенным является способ сравнения неизвестной частоты с эталонной по фигурам Лиссажу.

Для проведения измерения  необходимо на экране ЭЛО получить неподвижное изображение сигнала, на котором будут видны яркие метки с темными промежутками Зная количество меток за период исследуемого сигнала и частоту следования меток, можно определить частоту измеряемого сигнала.

Измерение сдвига фаз. Одним из методов измерения сдвига фаз между двумя синусоидальными функциями является использование фигуры Лиссажу — метод эллипса.

Измерение входного сопротивления  двухполюсника. Измерение входного комплексного сопротивления любого двухполюсника сводится к измерению значения входного напряжения, тока и угла сдвига фаз между ними

Стробоскопические осциллографы. Используются для исследования быстропротекающих процессов или очень коротких импульсов (периодически повторяющихся или искусственно превращаемых в периодическую последовательность).