книги / Приборы и методы измерения электрических величин.-1

Рис. 2.16. Устройство электроста­ тического измерительного механиз­ ма

Расширение пределов измерения электромагнитных ампермет­ ров и вольтметров сопряжено с увеличением погрешности измере­ ния.

§ 2.6. Электростатические измерительные приборы

Принцип работы электростатических измерительных приборов основан на взаимодействии электрически заряженных электродов, разделенных диэлектриком. Конструктивно электростатические приборы представляют собой раз­ новидность плоского конденсато­ ра, так как в результате переме­ щения подвижной части изменяет­ ся емкость системы. Практическое применение нашли приборы с по­ верхностным механизмом (измене­ ние емкости осуществляется за счет изменения активной площади электродов) и с линейным меха­ низмом (изменение емкости осуще­ ствляется за счет изменения рас­ стояния между электродами).

На рис. 2.16 представлен при­ бор с поверхностным измеритель­ ным механизмом. Он состоит из неподвижных электродов 1 и под­ вижных электродов 2, укреплен­ ных на оси. Электроды выполня­ ются из алюминия. Измеряемое

напряжение I/, приложенное к неподвижным и подвижным элек­ тродам, создает между ними электростатическое поле, энергия которого щ = С112/2, где С — емкость между электродами.

Электростатические силы взаимодействия заряженных электро­ дов создают вращающий момент, под действием которого подвиж­ ные электроды втягиваются в пространство между неподвижными и изменяют активную площадь электродов, т. е. изменяют ем­

кость С:
М = дтъ]да = (1/*/2) (дС/да).	(2.37)

Подвижные электроды втягиваются до тех пор, пока вращаю­ щий момент не станет р'авен противодействующему моменту.

Из условия равенства моментов следует, что

а = (0,5/Г )1/ 2 (дС/да).

(2.38)

Шкала прибора квадратичная, поэтому изменение полярности приложенного напряжения не изменяет направления вращения. При приложенном переменном напряжении прибор реагирует

на среднее значение* момента за период:

0,5СЛ§, (2.39)

О

где и (О = (/„ зш Ы — мгновенное значение переменного напря­ жения; V — среднеквадратичное значение напряжения; Т — пе­

риод.

Достоинства электростатических приборов — высокое входное сопротивление; малая, но переменная входная емкость; малая мощность потребления; возможность использования как в цепи постоянного, так и в цепи переменного токов; широкий частотный диапазон; независимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения. Показания прибора соответствуют среднеквадра­ тичному значению измеряемого напряжения. К недостаткам элек­ тростатических приборов относят квадратичную шкалу; малую чувствительность из-за слабого собственного электрического поля; невысокую точность; возможность пробоя между электродами; необходимость экрана.

Электростатические вольтметры применяют для измерения в це­ пях с маломощными источниками и при лабораторных исследова­ ниях в цепях высокого напряжения. В совокупности с электрон­ ными усилителями их используют как высокочувствительные элек­ трометры и вольтметры переменного тока.

§ 2.7. Логометры

Логометры — приборы электромеханической группы, измеряю­ щие отношение двух электрических величин Уг и Уа:

а=г Р (У1/Уг)п,

(2.40)

где п — коэффициент, зависящий от системы измерительного меха­ низма.

Особенность логометров заключается в том, что вращающий М и противодействующий Ма моменты в них создаются электриче­ ским путем, поэтому логометр имеет два воспринимающих эле­ мента, на которые воздействуют величины У\ и У2, составляю­ щие измеряемое отношение. Направления величин Уг и У2 должны выбираться такими, чтобы моменты М и Ма, действующие на под­ вижную часть, были направлены навстречу друг другу, при этом подвижная часть будет поворачиваться под действием большего момента. Для выполнения этих условий моменты М и Ма должны по-разному зависеть от угла отклонения подвижной части прибора.

Источниками погрешности логометра служат неидентичное вы­ полнение двух воспринимающих элементов, особенно при наличии ферромагнитных материалов; наличие в логометре дополнительных моментов Мдоп (от трения в опорах, безмоментных подводок, неурав­ новешенности подвижной части). Следовательно,

М = М « + Л1д011.

(2.41)

Рис. 2.17. Механизм магнито­ электрического логометра

Присутствие дополнительного момента М жоп делает показания логометра зависящими от побочных факторов (например, напря­ жения). Поэтому на шкале логометра указывают рабочий диапазон напряжения, в пределах которого градуировка шкалы справед­ лива. Верхний предел напряжения определяется максимальной мощ­ ностью, выделяемой в цепях логомет­ ра, а нижний — Мдоп. Стрелка невключенного под напряжение лого­ метра из-за отсутствия механическо­ го противодействующего момента за­ нимает безразличное положение.

Магнитоэлектрические логометры. Действие данного логометра заклю­ чается в следующем. В неравномерное магнитное поле постоянного магнита (рис. 2.17) помещают подвижную часть

измерительного механизма, содержащую две рамки, жестко скреп­ ленные под некоторым углом б (30 — 90°) и насаженные на об­ щую ось. Токи / х и / 2 подводят к рамкам с помощью безмоментных токоподводов. Направление токов таково, что ток 1г создает вра­ щающий, а ток /2 — противодействующий моменты:

М = /х (д^/да), Ма = / 2 (дтуда),

(2.42)

где Чг1, ХР2 — потоки, создаваемые магнитом и сцепленные с рам­ ками. Моменты М и Ма изменяются в зависимости от изменения угла а. Максимальные значения моментов будут сдвинуты на угол б, что позволяет получить на рабочем участке уменьшение М и уве­ личение Ми. При равновесии 1г (дЧ^ЛЭа) = /2 (дЧ'Уда), откуда

дЧг2/да	_	/2(а) _	,	(2.43)
/2 ~ дЧ\/да	-	М а)

где /х (а), /2 (а) — величины, определяющие скорость изменения потокосцепления.

Из равенства моментов следует, что

сс = Р(1г/12).

(2.44)

Если отношение токов в свою очередь выразить через искомую величину X, то

а = Л Р 0 .

(2.45)

Существование данной функциональной зависимости возможно при выполнении основного условия работы логометра, т. е. при дФх/да Ф дЧгъ/да, которое обеспечивается при искусственно соз­ данной неравномерности магнитного поля в воздушном зазоре логометра. Магнитоэлектрические логометры применяют для изме­ рения сопротивлений, частоты и неэлектрических величин.

Глава 3

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ СИГНАЛОВ

§ 3.1. Общие сведения

Измерительные генераторы — источники, вырабатывающие ста­ бильные испытательные сигналы с известными параметрами, ча­ стотой, напряжением (мощностью) и формой.

Измерительные генераторы обладают высокой точностью уста­ новки и стабильностью, а также возможностью регулировки пара­ метров выходного сигнала. Их применяют при настройке измери­

тельной и радиоэлектронной	аппаратуры,	устройств	автоматики
и вычислительной техники,	градуировке	приборов.	С помощью

измерительных генераторов снимают амплитудные, амплитудночастотные и переходные характеристики четырехполюсников, опре­ деляют их коэффициенты передачи и шума; питают различные измерительные устройства, построенные на резонансных и мостовых методах.

П о д и а п а з о н у ч а с т о т г е н е р и р у е м ы х с и г ­ н а л о в различают измерительные генераторы инфранизкочастотные— диапазон частот до 20 Гц; низкочастотные— диапазон ча­ стот 20—200 000 Гц (20—20 000 Гц — звуковые, 20 000—200 000 — ультразвуковые); высокочастотные— диапазон частот 200 кГц — 30 МГц; сверхвысокочастотные с коаксиальным выходом— диа­ пазон частот 30 МГц— 10 ГГц; сверхвысокочастотные с волно-

водным	выходом— диапазон частот выше	10 ГГц.
П о	ф о р м е г е н е р и р у е м ы х	с и г н а л о в разли­

чают измерительные генераторы синусоидальные; импульсные (источники одиночных или периодических видеоимпульсов прямо­ угольной формы); специальной формы (источники треугольной, трапецеидальной, пилообразной синусквадратной и других форм); качающейся частоты (маломощные источники колебаний со специаль­ ным, часто линейным, законом изменения частоты); шумовые (источники переменных напряжений с бесконечно широким сплош­ ным спектром частот и калиброванным уровнем).

П о в и д у м о д у л я ц и и различают измерительные гене­ раторы с модуляцией амплитудной синусоидальной; частотной синусоидальной; импульсной; частотной, фазовой, комбинирован­ ной (одновременное осуществление двух или более видов модуля­ ции).

Измерительные генераторы характеризуются диапазоном гене­ рируемых частот; точностью установки частоты и постоянством ее градуировки; стабильностью генерируемых сигналов по вре­ мени, частоте, амплитуде и форме; искажением генерируемых сиг­ налов заданной формы; зависимостью параметров выходного сиг­ нала от внешней нагрузки и пределами их регулировки; степенью экранирования паразитных электромагнитных полей,

П о н а з н а ч е н и ю и д о п у с к а е м ы м о с н о в н ы м

п о г р е ш н о с т я м установки	максимального значения напря­
жения импульсов, длительности,	частоты следования измеритель­
ные генераторы делятся на классы.

§ 3.2. Низкочастотные измерительные генераторы синусоидальных колебаний

Низкочастотные измерительные генераторы (звуковой и ультра­ звуковой частот) вырабатывают синусоидальные колебания с плавно и ступенчато регулируемыми частотами (20 Гц — 200 кГц), ампли­ тудой (от долей милливольта до 150 В) при нескольких фиксиро­ ванных значениях сопротивления нагрузки. Максимальная мощ­ ность — от 1 мВт до 10 Вт.

Степень нелинейных искажений гармонического выходного сиг­ нала характеризуется коэффициентом гармоники, равным отно­ шению среднеквадратичного напряжения суммы всех гармоник

сигнала 1/х, IIъ ..., IIп, кроме первой, к	среднеквадратичному
напряжению Ох первой (основной) гармоники:
КГ= У Щ + Щ + .7 М .	(3.1)

Обычно значение (3.1) выражают в процентах. Коэффициент Кг зависит от значений частоты и выходной мощности сигнала.

Диапазон генерируемых частот характеризуется коэффициен­ том перекрытия / С п е р • равным отношению максимальной генери­ руемой частоты /макс к минимальной /шш:

^С(1Ср

/*М ПК с//М Н И *

( 3 * 2 )

Расширение диапазона генерируемых частот возможно за счет применения частичных поддиапазонов.

Стабильность частоты генератора определяется отношением абсолютного изменения частоты Д/ к начальной частоте [0 при определенных условиях:

(/о -Ш о = ДМ>,

(3.3)

где /з. — частота генератора, измененная внешними условиями. Точность установки частоты определяется качеством шкальных

устройств и механизмов органов настройки.

Значение абсолютной погрешности установки частоты для гене­ раторов низких частот обычно выражается в виде

	Д /= ±(7оти/+ я).		(3-4)
где	уоти — относительная погрешность;	п — минимальное	значе­
ние	абсолютной погрешности установки	частоты, Гц.

Измерительные генераторы имеют малое выходное сопротивле­ ние, значение которого можно регулировать для согласования с со­ противлением внешней нагрузки. В них предусматривается регу­ лировка в широких пределах частоты и напряжения (мощности) выходного сигнала.

Измерительный генератор состоит из задающего генератора, выходного усилителя, выходного устройства (аттенюатора, согла­ сующего трансформатора, электронного вольтметра) (рис. 3.1).

Задающий генератор (возбудитель) создает стабильные по ча­ стоте и амплитуде синусоидальные колебания в требуемом диапа­ зоне частот. Он во многом определяет характеристики измеритель­ ного генератора (форму или периодичность выходного сигнала).

В зависимости от схемного решения задающего генератора изме­ рительные генераторы делят на ЬС-генераторы, генераторы на биениях и КС-генераторы.

Выходной усилитель обеспечивает развязку задающего генера­ тора от нагрузки, усиливает напряжение (мощность) генерируемых

Рис. 3.1. Схема измерительного генератора низкой частоты

колебаний (повышает энергетический уровень сигналов) на задан­ ной нагрузке, т. е. согласует выход задающего генератора с вы­ ходным устройством измерительного генератора.

В состав выходного устройства входят аттенюатор, согласую­ щий трансформатор, электронный вольтметр. Аттенюатор и элек­ тронный вольтметр служат для регулировки и контроля уровня выходного напряжения (мощности), подводимого к нагрузке. Согласующий трансформатор предназначен для согласования (урав­ нивания) выходного сопротивления генератора с сопротивлением нагрузки, что обеспечит получение максимальной выходной мощ­ ности и минимальных нелинейных искажений.

ЬС-генераторы. В ЬС-генераторах частота генерируемых коле­ баний / определяется емкостью С и индуктивностью Ь колеба­ тельного контура задающего генератора, работающего в режиме

самовозбуждения:
/ = 1/(2л]/Тс).	(3.5)

Основные недостатки ЬС-генераторов — громоздкость колеба­ тельного контура и сложность его перестройки. Для создания измерительного генератора с регулируемой частотой от 20 Гц до 20 кГц, т. е. при коэффициенте перекрытия /Спеп, равном 103, требуются большие емкости и индуктивности. ЬС-генераторы широкого распространения не получили и изготовляются на узкий

диапазон частот либо на одну или несколько фиксированных ча­ стот.

Генераторы на биениях. Задающий генератор составлен из двух высокочастотных, близких по частоте маломощных генераторов ЬС-типа, смесителя и фильтра низких частот (рис. 3.2). Генера­ тор фиксированной частоты генерирует колебания фиксированной частоты Д; частота Д генератора регулируемой частоты плавно регулируется в некоторых пределах. Напряжения этих частот через буферные каскады (катодные или эмиттерные повторители) поступают на смеситель. В результате взаимодействия колебаний с частотами Д и Д на выходе смесителя образуются колебания серии комбинационных частот ± тД, ± я | 2 (/пип — целые числа) и частоты Д равной разности частот Д — Д. Фильтр низких частот

задерживает высшие частоты и выделяет разностную	частоту,
т. е. частоту биений Д напряжение которой усиливается	в усили-

Рис. 3.2. Схема генератора на биениях

теле низких частот и через аттенюатор подается на выход. До аттенюатора включен вольтметр выходного напряжения.

Значения частот Д и Д выбирают такими, чтобы разностная

частота } лежала в диапазоне		низких	частот (например,	Д =
= 180 кГц;	Д = 180-5-200 кГц,	/ = Он-20 кГц). Недостатки		гене­
раторов на	биениях — сложность схемы		и относительная	неста­
бильность	низкой частоты. Однако эти		генераторы применяют

в измерительной технике, поскольку выходное напряжение не за­ висит от частоты и весь диапазон выходных частот плавно меняется с изменением емкости переменного конденсатора в колебательном контуре генератора регулируемой частоты.

Примером генератора на биениях служат генераторы ГЗ-18, ГЗ-104.

КС-генераторы. Наиболее распространенными измерительными генераторами низкой частоты являются КС-генераторы, выпол­ ненные по схеме, изображенной на рис. 3.1 и характеризующиеся простотой схемы и хорошими характеристиками.“Задающий КС-ге­ нератор представляет собой двухкаскадный усилитель с ДС поло­ жительной частотно-зависимой связью (рис. 3.3),

Положительная обратная связь создается фазирующим делите­ лем, образованным резисторами и. конденсаторами Яъ Сх и Я2, Са, предназначенными для обеспечения условий самовозбуждения лишь на одной частоте.

Условие генерации напряжения синусоидальной формы запи­

шется в виде			/С^=1 или /СРе/(ЧЧЛ|>) =		1,		(3.6)
где	К =	— комплексный		коэффициент	передачи		усилителя;
Р =	Ре^ — комплексный коэффициент обратной					связи.
	Из последнего уравнения следует:
	условие баланса		амплитуд /СР = 1;			2, ... .
	условие баланса фаз <р + ф = 2яп, где п = 1,
	Так как КС-генератор обычно строится по схеме двухкаскад­
ного усилителя на резисторах, для которого ср = 2я							(К — вели­
чина вещественная),			то для	выполнения	условия баланса фаз

угол ф должен быть равен нулю (коэффициент р должен быть ве­ щественным).

Из рис. 3.3 видно, что р =	2г1 (2 Х-}- 2а). После подстановки
в это выражение значений 2 Х =	Я\! (1 -+■ /ш С ^!) и 2а =		# а/(1 +
+ /шСа# 2) с учетом, что #1 =	Яг = Я и Сх =	Са = С,	получим
Р = 1/ 13 + / (а>СЯ — 1/ (о>С#))]. Коэффициент		р веществен, т. е.

ф= О, если его мнимая часть равна нулю, т. е. оаСЯ — 1/ (<оСЯ) =

=0. Из этого выражения

можно определить	частоту
самовозбуждения:
со=1 /(КС).	(3.7)

На данной частоте р = = 1/3.

Изменение частоты, при которой имеет место баланс фаз, достигается измене­ нием сопротивления Я и емкости С.

Условие баланса ампли­ туд выполняется при К = = 3. Генератор с малым

коэффициентом усиления работает нестабильно. Чтобы сохра­ нить стабильность во всем рабочем диапазоне генерирования, применяют усилители с большим коэффициентом, но вводят допол­ нительную отрицательную обратную связь, которая регулируется автоматически и позволяет уменьшить коэффициент усиления до К = 3 и обеспечить работу усилителя в пределах линейного ре­ жима.

Цепь отрицательной обратной связи представляет собой дели­ тель напряжения, образуемый из инерционного нелинейного рези­ стора Я3 Р отрицательным температурным коэффициентом (терми­ стора) и резистора Я4, с которого снимается напряжение отрица­

тельной обратной связи. Отрицательная частотно-независимая связь стабилизирует работу генератора во всем диапазоне генери­ руемых частот и автоматически поддерживает уровень выходного напряжения задающего генератора неизменным. Например, при увеличении выходного напряжения увеличивается ток в цепи отри­ цательной обратной связи, что приводит к уменьшению сопротивле­ ния термистора, т. е. к увеличению коэффициента обратной связи и приближению выходного напряжения к номинальному значению. Частоту генератора регулируют изменением сопротивлений рези­ сторов /?х, /?2 и емкостей конденсаторов С1г С2 фазирующей цепи. Ступенчатое изменение значений сопротивления позволяет весь диапазон частот разбивать на несколько поддиапазонов. Плавная установка частоты внутри поддиапазонов достигается изменением емкости С конденсаторов.

Выходной усилитель предназначается для создания необходимой мощности на нагрузке во всем диапазоне генерируемых частот. Напряжение на выходе усилителя изменяется от нуля до макси­ мума с помощью резистора, включенного на его входе. Усилитель состоит из каскадов усиления напряжения и усиления мощности. Первый каскад представляет собой фазоинвертор, превращающий однотактное входное напряжение в двухтактное; второй каскад — усилитель мощности, собранный по двухтактной схеме с глубокой отрицательной обратной связью, нагрузкой которого является выходное устройство (рис. 3.4). Напряжение на выходе усилителя измеряется вольтметром.

Выходное устройство состоит из градуированного аттенюатора и согласующего трансформатора СТр и вольтметра.

Аттенюатор (ослабитель) представляет собой резистивный дели­ тель напряжения и состоит из последовательно соединенных Т- и П-образных звеньев, которые при коммутации обеспечивают ослабление сигнала N ступенями, т. е. N = 20 1§ ((/В л^выхд)1 где 6/вхД, Упых а — входное и выходное напряжения аттенюатора; N — ослабление сигнала, дБ.

Особенность аттенюатора в том, что значения входного ЯвхД и выходного Кшха сопротивлений мало зависят от установлен­ ного значения затухания.

Калибровка аттенюатора производится при условии работы на согласованную нагрузку; это выгодно также тем, что на нагрузке выделяется максимально возможная выходная мощность. Поэтому вторичная обмотка согласующего трансформатора СТр выпол­ няется секционированной, число ее витков изменяют таким обра­ зом, чтобы приведенное к первичной обмотке сопротивление на­ грузки /?н было равно сопротивлению./?! первичной обмотки транс­ форматора СТр и было одинаково для всех указанных (на лице­ вой панели измерительного генератора) значений нагрузки, т. е.

КвхЛ= #выхЛ= # 1=Я,.Яа,

(3.8)

где п = щ /щ — коэффициент трансформации трансформатора СТр; щ и щ — соответственно число витков первичной и каждой сек­ ции вторичной обмоток.

Для выполнения условия согласования при различных значе­ ниях сопротивления нагрузки /?н коэффициент трансформации

п = у Л/?1//?н, а число витков щ = щ 1/ # н//?!.

Переключение выхода генератора на различные нагрузки про­ изводится переключателем Вг. В положении аТТ переключателя Вх к выходным зажимам подключается непосредственно выход аттеню­ атора. Аттенюатор обычно рассчитывается на активную нагрузку 600 Ом, поэтому коэффициент трансформации п соответственно для различных значений сопротивлений нагрузки равен;

для /?п = 60 Ом		п =1^600/60 = 3,16;
для	/?н = 600 Ом	п = 1;
для	/?н = 6000 Ом п = 0,316.

При высокоомной внешней нагрузке, превышающей наиболь­ шее значение, указанное на лицевой панели измерительного транс­ форматора, условия согласования выполняются только при вклю­ ченной к зажимам аттенюатора внутренней нагрузке /?М1, равной 600 Ом, когда согласующий трансформатор СТр отключается и напряжение на нагрузку подается непосредственно с точек а и Ь аттенюатора (переключатель находится в положении В%— вклю­ чено).

При работе на несимметричную нагрузку один из выходных зажимов (/ или 2) согласующего трансформатора СТр соединяют с заземленным зажимом 4.

Вторичная обмотка согласующего трансформатора имеет вы­ вод 3 от средней точки, что позволяет еще в два раза уменьшить значение выходного сопротивления, а также получить одновре­ менно два напряжения, равных по значению, но противоположных

по фазе.

Вольтметр подключается к входу аттенюатора и служит для контроля выходного напряжения генератора. Он представляет собой сочетание мостовой схемы с двумя полупроводниковыми диодами и магнитоэлектрического измерительного механизма. Шкала вольтметра отградуирована в действующих значениях синусои-

60