Метрология и радиоизмерения

Содержание 
 
 

Введение......................................................................................................................3

1. Методы измерения ...............................................................................................4
2. Метод непосредственной оценки .......................................................................4
3. Метод сравнения...................................................................................................5
4. Средства измерения (Электромеханические амперметры и вольтметры).5
5. Магнитоэлектрические приборы.........................................................................8
6. Электромагнитные приборы..............................................................................12
7. Ферродинамические приборы ...........................................................................14
8. Электростатические приборы............................................................................14
9. Выпрямительные приборы.................................................................................15

Заключение..............................................................................................................17

Литературы................................................................................................................19 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

      В эпоху научно-технической революции  темпы развития науки и техники  в значительной степени определяются научным и техническим уровнем  измерения. В свою очередь уровень  развития измерительной техники  является одним из важнейших показателей  прогресса науки и техники. Это  особенно справедливо для электрорадиоизмерений, поскольку исследования в области физики, радиотехники, электроники, космонавтики, медицины, биологии и других отраслей человеческой деятельности базируются на измерениях электромагнитных величин.

      Основными направлениями качественной стороны  развития электрорадиоизмерительной техники являются:

• повышение точности измерения;
• автоматизация процессов измерения;
• повышение быстродействия и надежности измерительных приборов;
• уменьшение потребляемой мощности питания и габаритов всех средств измерительной техники.

      Электрорадиоизмерения, как и другие измерения, основаны на метрологии.

      Метрология  – наука об измерениях, методах  и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой  точности. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Методы  измерения 

      Перед измерением тока (напряжения) нужно  иметь представление о его  частоте, форме, ожидаемом значении, требуемой точности измерения и  сопротивлении цепи, в которой  производится измерение. Эти предварительные  сведения позволяют выбрать наиболее подходящий метод измерения и измерительный прибор.

      Для измерения тока и напряжения применяют  метод непосредственной оценки и  метод сравнения. 

Метод непосредственной оценки

                       а) б) 

     а) тока;

     б) напряжения

Рисунок 1. Схема измерения методом непосредственной оценки. 

      Метод непосредственной оценки осуществляют с помощью прямопоказывающих приборов – амперметров и вольтметров со шкалами, градуированными в единицах измеряемой величины. Как показано в 1 рисунке Амперметр включают последовательно с нагрузкой (в разрыв цепи); вольтметр присоединяют параллельно участку цепи, падение напряжения на котором нужно измерить. Включенный в цепь прибор оказывает на ее режим определенное влияние, для уменьшения которого необходимо строго выполнять следующие условия:

• внутреннее сопротивление амперметра R_A должно быть много меньше сопротивления нагрузки R_н;
• внутреннее сопротивление вольтметра R_V должно быть много больше сопротивления нагрузки R_н;

      Невыполнение  этих условий приводит к систематической  методической погрешности, которая  приблизительно совпадет со значениями отношений R_A/R_Н и R_Н/R_V. Условие R_V > R_Н особенно трудно выполнить при измерении напряжения на участках (нагрузках) с большим сопротивлением в так называемых слаботочных цепях. Для этой цели применяют электронные вольтметры с входным сопротивлением до сотен мегаом.

      С повышением частоты погрешность  измерений тока увеличивается. 

Метод сравнения 

      Метод сравнения обеспечивает более высокую  точность измерения. Его осуществляют с помощью приборов – компенсаторов, отличающихся тем свойством, что  в момент измерения мощность от измеряемой цепи не потребляется, т.е. входное сопротивление  практически бесконечно. Это свойство позволяет применять компенсаторы для измерения ЭДС. Метод сравнения  реализуется также в цифровых вольтметрах дискретного действия и аналоговых компенсационных вольтметрах, благодаря чему погрешность измерения  составляет десятые, сотые и даже тысячные доли процента. 

Средства  измерения (Электромеханические  амперметры и вольтметры) 

      Электромеханические измерительные приборы относятся  к приборам прямого преобразования, в которых электрическая измеряемая величина х непосредственно преобразуется в показания отсчетного устройства. Таким образом, любой электромеханический прибор состоит из следующих главных частей:

• неподвижной, соединенной с корпусом прибора;
• подвижной, механической или оптической связанной с отсчетным устройством.

      Отсчетное устройство предназначено для наблюдения значений измеряемой величины. Оно  состоит из шкалы и указателя, располагаемых на лицевой стороне прибора. Шкалой называется совокупность отметок (штрихов), расположенных в определенной последовательности, и проставленных у некоторых из них чисел отсчета, соответствующих ряду последовательных значений измеряемой величины. Шкалы могут быть равномерными и неравномерными (квадратичными, логарифмическими и др.). Расстояние между двумя соседними штрихами называется делением шкалы. Разность значений измеряемой величины, соответствующая двум соседним отметкам называется ценой деления.

      а) б) в)

:

    а) на оси;

     б) на растяжках;

     в) на подвесе;

Рисунок 2. Способы установки подвижной части прибора

      Указатели делятся на стрелочные и оптические. Оптические указатели состоят из источника света, зеркальца, расположенного на подвижной части, и системы зеркал удлиняющих путь луча света и направляющих его на полупрозрачную шкалу. Оптические указатели обеспечивают большую чувствительность прибора и меньшую погрешность отсчета по сравнению со

стрелочным.

    Подвижная часть прибора снабжается осью или полуосями, которые оканчиваются запресованными в них стальными кернами. Последние опираются на корундовые или рубиновые подпятники (Рисунок 2,а). Трение керна о подпятник снижает чувствительность и точность прибора, поэтому подвижную часть устанавливают на растяжках или подвесах (Рисунок 2,б,в).

Электромеханический измерительный прибор содержит следующие  узлы:

• узел, создающий вращающий момент;
• узел, создающий противодействующий момент;
• успокоитель

    Электромагнитная энергия W_эм поступает от измеряемого объекта в узел, создающий вращающий момент, и вызывает поворот подвижной части прибора. Вращающий момент М_в можно выразить уравнением Лангранжа второго рода:                                                                                                  

                                                                                                                         (1)

      Под воздействием вращающего момента подвижная  часть всегда будет поворачиваться до упора. Необходим противодействующий момент М_п , направленный навстречу вращающему моменту. Противодействующий момент можно получить за счет механических или электрический сил. В первом случае он создается с помощью плоских спиральных пружин или металлических нитей, закрепленных концами на неподвижной и подвижной частях прибора и закручивающихся при повороте подвижной части. Механический противодействующий момент прямо пропорционален углу поворота а:

      (2)

      где W – удельный противодействующий момент, зависящий от свойств упругого элемента.

   Рисунок 3 

   Во  втором случае противодействующий момент создается за счет электромагнитной энергии измеряемой величины в соответствии с формулой.

Движение  подвижной части прибора прекращается в некотором положении а₀ , когда вращающий и противодействующий моменты окажутся равными друг другу: М_в = М_п (Рисунок 3). Подставляя значение М_в и М_п из формул 1 и 2, можно получить выражение для угла поворота

подвижной части прибора в виде

                                                                                                        (3)  

      Если  противодействующий момент создается  за счет электромагнитной энергии, движение прекращается в момент достижения равенства  двух моментов М₁ и М₂ противоположного направления. В общем виде на основе формулы (1) выражения для моментов можно записать так:

 и

      где х₁ и х₂ – электрические измеряемые величины.

 Успокоитель предназначается для  убыстрения процесса затухания колебаний  подвижной части прибора, выведенной из равновесия. Момент успокоения

(4)                                                                                            

      где Р – коэффициент успокоения, зависящий от типа и конструкции успокоителя;

                da/dt – угловая скорость перемещения подвижной части.

            а)                        б)

а) воздушный;

                   б)магнитоиндукционный;

Рисунок 4. Успокоители 

Наиболее  распространены воздушные жидкостные и магнитоиндукционные успокоители (Рисунок 4), с помощью которых время успокоения сокращается до 3-4с. По принципу преобразования электромагнитной энергии в механическую приборы разделяются на несколько групп (систем). Основными системами являются: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая (ферродинамическая) и электростатическая. 
 

Магнитоэлектрические  приборы 

      Магнитоэлектрические  приборы применяются в качестве амперметров, вольтметров и гальванометров для измерений в цепях постоянного  тока, а в сочетании с преобразователями  переменного тока в постоянный – и для измерений в цепях переменного тока.

      Узел  для создания вращающего момента  состоит из сильного постоянного  магнита и легкой подвижной катушки, по которой протекает измеряемый ток (Рисунок 5, а).

      Обмотка подвижной катушки состоит из витков тонкого провода, поэтому  магнитоэлектрический прибор можно  применять непосредственно только в качестве микро- или миллиамперметра  и милливольтметра.

Катушка в форме прямоугольной рамки  помещена в кольцевом зазоре между  полюсными наконечниками магнита  и цилиндрическим сердечником, т.е. в радиальном магнитном поле.  

     1 – корректор; 2 –  противодействующие  пружины; 3 – подвижная  катушка; 4 – полюсные  наконечники; 5 –  стрелка; 6 – сердечник;

Рисунок 5. Магнитоэлектрический прибор

      Принцип действия магнитоэлектрических приборов заключается  во взаимодействии поля постоянного магнита  с проводником (катушкой), по которому протекает  измеряемый ток. При этом возникает пара сил F (Рисунок 5, б), создающая вращающий момент. Энергия магнитоэлектрической системы является суммой энергии поля магнита W_п.м. , энергии катушки с током и энергии взаимодействия поля магнита и катушки с током YI, где Y -- потокосцепление, численно равное произведению числа силовых магнитных линий, пересекаемых обеими сторонами катушки при ее повороте на угол а, на число витков n ее обмотки:                               

                                                                                                                               (5)

      Здесь В – магнитная индукция в зазоре, Тл;

                s – площадь обеих сторон катушки, м².

      Таким образом, вся энергия, сосредоточенная  в узле, вызывающем вращающий момент, равна

             (6)

      На  основании формулы (1), дифференцируя  выражение (6) по перемещению, получим  уравнение вращающего момента

      (7)

      На  основании формулы (2) отклонение подвижной  части прибора подчинено следующей  зависимости:

                                                                                        (8)

      где S_i = Bns/W – чувствительность прибора по току.

      Формула (8) является уравнением шкалы прибора  магнитоэлектрической системы. Из этого  уравнения следует, что отклонение указателя пропорционально измеряемому  току, шкала равномерна (линейна), при  включении следует соблюдать  полярность, так как прибор чувствителен к постоянному току. При включении  прибора в цепь по которому протекает пульсирующий или импульсный ток, отклонение указателя будет пропорционально постоянной составляющей (среднему значению) этих токов; в цепи с током синусоидальной формы вследствии инерционности подвижной части показания будут равны нулю и лишь при частоте переменного тока ниже 10 Гц подвижная часть с указателем будет совершать колебательные движения.

Время установления показаний сокращается  с помощью электромагнитного  успокоения, возникающего за счет индуцированного  тока в катушке, возбуждаемого при  пересечении ею магнитного поля:             I = e/R_S ,

      где е – индуцированная ЭДС,

             R_S – сумма сопротивлений подвижной катушки и внешней цепи, на которую она замкнута;  

      Находим момент электромагнитного успокоения

      Коэффициент успокоения в соответствии с формулой (4)

 (9) 

      Для увеличения коэффициента успокоения нужно  уменьшиь общее сопротивление, что не всегда возможно. Выход состоит в том, что катушка наматывается на алюминиевом каркасе, в котором индуцируется ЭДС; тогда формула (9) примет вид:

      где R_k – электрическое сопротивление каркаса.

      Если  катушку утяжелять нежелательно, то она выполняется бескаркасной (витки склеиваются), а для получения индуцированной ЭДС наматывают дополнительный короткозамкнутый виток.

      Имеются конструкции магнитоэлектрических приборов с неподвижной катушкой и подвижным магнитом на одной  оси с указателем (Рисунок 5,в ).

      К достоинствам магнитоэлектрических приборов относятся: высокая чувствительность (до 3*10^-11 А); высокая точность (до класса 0,05); малое потребление мощности от измеряемой цепи (10^-5 – 10^-6 Вт); влияющая величина –температура окружающей среды.

 Недостатки: сложность изготовления и ремонта; недопустимость даже кратковременных  перегрузок (деформируются или перегорают токоподводящие пружинки, нити растяжек и подвесов).

                                                        а) амперметра; б) вольтметра

Рисунок 6. Схема расширения пределов измерения 

Рисунок 7. Графики различных  режимов подвижной части гальванометра

      Амперметры. Для измерения токов параллельно зажимам прибора присоединяется электрический шунт представляющий собой прямоугольную манганиновую пластину. Для измерения токов выше 50 А применяют наружние шунты. Переносные приборы снабжаются внутренними многопредельными шунтами или наружными наборами шунтов на несколько номинальных токов. Выбор шунта для данного прибора зависит от заданного расширения пределов измерения m = I/I_A и внутреннего сопротивления прибора (сопротивления его катушки) R_A. Для электрической цепи, приведенной на рис.6, а, справедливы следующие равенства: I_aR_a=I_шR_ш; I=mI_a; I_ш=I-I_a. Отсюда находим сопротивление шунта: R_ш=R_аI_a/I_ш=R_aI_a/(mI_a-I_a)=R_a/(m-1). Через катушку прибора будет протекать (1/m)-я часть измеряемого тока, а через шунт – в (m-1) раз больше.

Погрешность шунтированного амперметра возрастает вследствие неточности изготовления шунтов (от 0,005 до 0,5%) и различных температурных  коэффициентов сопротивления катушки  и шунта.

      Вольтметры. При параллельном подключении магнитоэлектрического прибора к участку электрической цепи можно измерить напряжение. В этом случае уравнение (8) примет вид:

                                                                                                     (10)

      где S_u – чувствительность вольтметра по напряжению;

               R_v – сопротивление проводов катушки.

      Сопротивление обмотки катушки мало и для  измерения больших напряжений последовательно  ей включают добавочные резисторы с  сопротивлением R_д. Пусть задано расширить предел измерений в m=U/U_v раз. Для электрической цепи представленной на рис. 6, б, можно написать: U_Rд/R_д=U_v/R_v, откуда R_д=R_vU_Rд/U_v=R_v(m-1). Значит на катушке прибора падение напряжения составит (1/m)-ю часть измеряемого напряжения, а на добавочном резисторе в (m-1) раз больше. В формуле (10) вместо R_v нужно подставить R_v+R_д.

      Гальванометры. Особо чувствительные магнитоэлектрические приборы для измерения токов, напряжений и количества электричества. Гальванометры часто используют в качестве нулевых индикаторов, показывающих отсутствие тока в цепи. Для этого выпускаются гальванометры с двухсторонней шкалой, т.е. с нулевой отметкой посередине.

 Гальванометры разделяются на переносные и стационарные. Подвижная катушка у переносных гальванометров крепится на растяжках; внутреннее отсчетное устройство снабжено оптическим указателем. Стационарные (зеркальные) гальванометры выполняют с подвесом рамки (катушки) и внешней шкалой, на которую падает луч света, отраженный от зеркальца (Рисунок 2,в). Легкая катушка и малый удельный противодействующий момент создает условия для возникновения механических затухающих колебаний подвижной части гальванометра (Рисунок 7, кривая 1). Для убыстрения затухания колебаний применяют электромагнитное успокоение. Коэффициент успокоения (9) 
 

      где R_г – сопротивление проводов рамки гальванометра;

               R_н – сопротивление наружного резистора (цепи), на который замкнута рамка.

 Зная, что P=f(R_г+R_н); изменяя наружное сопротивление, можно изменять коэффициент успокоения и интервал времени успокоения. Положим, что при некотором P=P_кр наступает критический режим, при котором в течении минимального интервала времени t_у наступает успокоение. Введем понятие степени успокоения b : 
 

      где R_н.кр – некоторое значение наружного сопротивления, при котором возникает критический режим.

      В критическом режиме b_кр = 1 и процесс установления характеризуется кривой 3 на рис.7. Если b_кр > 1, режим апериодический (кривая 2), если b_кр < 1 – колебательный (кривая 1). В паспортных данных гальванометра приводятся значения R_г R_н.кр, собственный период механических колебаний T₀ и длительность успокоения в критическом режиме t_y. 
 
 

Электромагнитные  приборы 

      Узел  для создания вращающего момента (Рисунок 8,а) состоит из плоской или круглой катушки, по которой протекает измеряемый ток, и сердечника, закрепленного на оси указателя.

      Принцип действия приборов электромагнитной системы  заключается во взаимодействии магнитного поля катушки с подвижным ферромагнитным сердечником. Энергия, запасенная в катушке, . Индуктивность катушки при движении сердечника меняется, следовательно, выражение для вращающего момента (1) будет иметь следующий вид:

Из условия  равенства вращающего и противодействующего  моментов получаем

(11)

                         а)

      б) в)

1,4 – плоская и  круглая неподвижные  катушки; 2 – ферромагнитный подвижный сердечник; 3 – ось;

Рисунок 8. Электромагнитный прибор

      Из  этого уравнения следует, что  отклонение указателя пропорционально  квадрату измеряемого тока. Прибор пригоден для измерения как постоянного, так и переменного тока. Градуировка шкалы на постоянном токе соответствует среднеквадратическим (действующим) значениям переменного тока.

      Достоинства электромагнитных приборов – простота конструкции и надежность. Недостатки: малая чувствительность; Значительное потребление мощности от измеряемой цепи (до 1 Вт); нелинейность шкалы; значительная погрешность; много влияющих величин: температура окружающей среды, внешнее  магнитное поле, частота измеряемого  переменного тока.