Учебное пособие по дисциплине "Электротехнические измерения"

	МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ НИЖЕГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ
	государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение  «Кстовский нефтяной техникум имени Б.И.Корнилова»
СК-МД-03-15	Система качества образовательного учреждения
	Методическое пособие

ЭЛЕКТРОННОЕ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ  «ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ

ИЗМЕРЕНИЯ»

Выполнила:

преподаватель КНТ                                                                      Архипова  Н.А.

                                                    Кстово 2015             

	МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ НИЖЕГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ
	Государственное бюджетное образовательное учреждение  среднего профессионального образования «Кстовский нефтяной техникум»
СК-МД-03-15	Система качества образовательного учреждения
	Методическое пособие

Автор (составитель)                                                                    Н.А. Архипова  

Рассмотрено на ПЦК

электротехнических  дисциплин

«___»_________20___ г.

Протокол №_________

Председатель ПЦК                                                                      Н.И. Фомочкина 

Утверждено

на методическом

совете

«___»_________20___г.

Председатель методического совета                                         Е.А. Костина

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 220703 Автоматизация технологических процессов и производств    (по отраслям) очного отделения.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ                                                                                                       4

Раздел 1. Государственная система обеспечения единства измерений             5

Тема 1.1 Основные виды и методы измерений, их классификация                  5

Тема 1.2. Метрологические показатели средств измерения                              7

Раздел 2 Приборы и методы электрических измерений                                    9

Тема 2.1 Механизмы и измерительные цепи  электромеханических

                приборов                                                                                                   9

Тема 2.2 Приборы и методы измерения тока                                                  14

Тема 2.3 Приборы и методы измерения напряжения                                      18

Тема 2.4 Приборы и методы измерения мощности и энергии                        21

Тема 2.5 Приборы и методы измерения параметров электрических цепей    24

Тема 2.6  Универсальные и специальные электроизмерительные                   

                 приборы                                                                                           28

Раздел 3  Исследование формы сигналов                                                        31

Тема 3.1 Осциллографы                                                                                  31

Тема 3.2 Приборы и методы измерения частоты и интервала времени      32

Тема 3.3 Приборы и методы измерения фазового сдвига                                 35

ВВЕДЕНИЕ

Цель и задачи учебной дисциплины. Краткие сведения из истории раз­вития электрических измерений. Связь данной учебной дисциплины с дру­гими дисциплинами.

Проведение измерений является одним из основных средств получения объективных знаний о мире,  а накопленный экспериментальный материал это  база для обобщений и установления закономерностей его существования и развития. Вместе с тем проведение измерений имеет безусловное практическое значение,  во многом на результатах измерений базируется и техническое развитие,  и взаимодействие между отдельными субъектами хозяйственной деятельности.  Среди всех измерений особое место занимают электротехнические измерения в силу универсальности электрических сигналов и имеющихся возможностей для их обработки и хранения, часто при измерении магнитных и неэлектрических величин выходным сигналом преобразователя является именно электрический сигнал.

Раздел 1. Государственная система обеспечения единства

измерений

Тема 1.1 Основные виды и методы измерений, их

классификация

Роль и значение электроизмерительной техники. Определение понятия «измерение». Единицы физических величин. Классификация методов измерений и их краткая характеристика. Прямой и косвенный методы. Методы непосредственной оценки и методы сравнения (дифференциальный, нулевой, замещения). Понятие о средствах измерений: меры основных электрических величин, электроизмерительные приборы, электроизмерительные установки, измерительные преобразователи, информационные системы. Классификация и маркировка электроизмерительных приборов. 

К числу технических средств измерения относятся меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы и изме­рительные системы. Измерительным преобразователем называют устройство, предназначенное для преобразования измеряемого параметра в сигнал, удобный для дальнейшей передачи на расстояние или в цепь управляющего устройства.

 Преобразователи подразделяют на первичные (датчики), промежуточные, передающие и масштаб­ные. Измеряемую величину называют входной, а результат пре­образования — выходным сигналом.

Первичные преобразователи предназначены для преобразования физических величин в сиг­налы, а передающие и промежуточные преобразователи формируют сигналы, удобные для передачи на расстояние и регистрации.

К масштабным относят преобразователи, с помощью которых измеряемая величина изменяется в заданное число раз, т. е. они не преобразуют одну физическую величину в другую.

Измерительным прибором называют устройство, предназначен­ное для выработки измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем (оператором). Измерительные приборы делят на две группы.

 К первой группе относят аналоговые приборы, показания которых являются не прерывной функцией измеряемого параметра.

    Вторая группа включает в себя цифровые приборы. Они вырабатывают дискрет­ные сигналы измеряемой информации в цифровой форме.

Измерительная система объединяет измерительные преобра­зователи и приборы, обеспечивая измерения параметра без участия человека.

Государственный стандарт устанавливает применение Между­народной системы единиц (СИ) во всех областях науки и техники.

В состав СИ входят семь основных единиц, две дополнительные и двадцать семь важнейших производных единиц.  В состав основных единиц входят: метр (м), килограмм (кг), секунда (с), ампер (А), кельвин (К), моль (моль), кандела (кд).

 К дополнительным единицам системы СИ относятся радиан и стерадиан, а все остальные единицы являются производными. Например, единица силы — ньютон (Н), сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 м/с2; единица давления — паскаль (Па), за еди­ницу давления принимается такое равномерно распределенное давление, при котором на 1 м2 действует нормально к поверх­ности сила, равная 1 Н.

Все измерения делят на прямые и косвенные. При прямых измерениях числовое значение измеряемого параметра определяют непосредственно измерительным прибором: например, измере­ние температуры термометром или линейных размеров детали мерительным инструментом.

Косвенные измерения предусматри­вают определение искомого параметра на основании прямого измерения вспомогательной величины, связанной с измеряемым параметром определенной функциональной зависимостью. На­пример, определение объема тела по его длине, ширине и высоте или измерение температуры по изменению электропроводности термометра сопротивления.

Вопросы для самопроверки

1.    Что такое измерение?

2.    Какова классификация видов измерений?

3.    В чем отличие образцовых измерительных средств от рабочих?

4.    Как классифицируются и обозначаются электроиз­мерительные и радиоизмерительные приборы?

  Тема 1.2. Метрологические показатели средств измерений

Виды ошибок, их классификация по форме числового выражения, по закономерности появления, по вероятности реализации.

Систематические погрешности, их задание и оценка. Случайные погрешности, источники их появления. Законы распределения погрешностей. Характеристики нормального распределения. Выявление промахов.

 Погрешности как характеристики средств измерений. Виды погрешностей и основные причины их возникновения. Определение приборной погрешности на основании класса точности прибора. Предел, цена деления, чувствительность электроизмерительного прибора. Типовая методика проверки электроизмерительных приборов. Общие сведения обработки результатов измерений.

Любое из­мерение должно проходить по системе: планирование, про­ведение измерений, математическая обработка результа­тов измерений. При обработке обращать внимание на вы­явление промахов. Очень важно научиться рассчитывать результирующую погрешность, знать, как суммируются систематические и случайные погрешности, как определя­ется результирующая погрешность с заданным уровнем вероятности.

В зависимости от причин погрешности подразделяют на пять групп: погрешности метода измерения, инструментальные, настройки прибора и его взаимодействия с объектом измерения, динамические и субъективные погрешности.

Погрешности метода измерения являются результатом вы­бранной схемы измерения, не позволяющей устранить источники известных погрешностей.

Инструментальные погрешности зависят от несовершенства измерительных устройств, т. е. от погрешностей изготовления деталей измерительного прибора.

 Погрешности на­стройки измерительных приборов определяются условиями экс­плуатации. Погрешности могут возникать при взаимодействии прибора с объектом измерения; например, такие погрешности, которые вызываются влиянием измерительного усилия на де­формацию измеряемой детали.

Динамические погрешности возни­кают при преобразовании измеряемой величины. Динамические погрешности появляются в результате инерционности изменения измеряемого параметра.

Субъективные погрешности появляются вследствие ограниченных физических возможностей оператора.

В зависимости от условий работы различают два вида погреш­ностей: основные и дополнительные.

 Основные погрешности имеют место при нормальных режимах работы измерительного прибора, когда влияние внешних факторов минимально.

Дополнительные погрешности вызываются воздействием внешних факторов, нару­шающих нормальные условия работы прибора, например, измене­нием температуры или давления окружающей среды.

Если значение абсолютной погрешности  отнести к истинному значению А0 измеряемого параметра, то получим относительную погрешность , т. е.

= / А0.

Отношение абсолютной погрешности  к диапазону шкалы прибора N называют приведенной  относительной погрешностью.

Вопросы для самопроверки

1.     По каким признакам классифицируются ошибки?

2.     Чем отличается относительная ошибка от приведен­ной?

3.     Какие показатели применяются для характеристики случайной погрешности?

4.     Каким образом можно выявить «промах» в ряде по­лученных результатов измерений?

5.     В чем отличие равноточных измерений от неравно­точных?

6.     Какова методика обработки результатов косвенных измерений?

7.  Как рассчитать результирующую погрешность?

ВАРИАНТ №1

	Варианты    ответов
№ Вопросы	а	б	в
1.Какую погрешность называют абсолютной?	отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению, выраженное в процентах	разность между измеренным и действительным значениями величины	отношение абсолютной погрешности к действительному значению, выраженное в процентах
2.Что такое чувствительность прибора?	отношение изменения выходного сигнала  к вызвавшему его изменению измеряемой величины	это число единиц измеряемой величины, приходящееся на одно деление  шкалы прибора	область значений шкалы, ограниченная конечным и начальным значениями шкалы
3.Диапазон показаний - это	область значений шкалы, ограниченная конечным и начальным значениями шкалы	область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений	разность между измеренным и действительным значением величины
4.Что такое калибровка СИ?	совокупность операций, выполняемых с целью определения действительных значений метрологических характеристик	совокупность операций, выполняемых в целях подтверждения соответствия средств измерений метрологическим требованиям	совокупность операций и видов работ, направленных на обеспечение единства измерений.
5.Приведенная погрешность	отношение абсолютной погрешности к действительному значению, выраженное в процентах	отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению, выраженное в процентах	разность между измеренным и действительным значением величины

ВАРИАНТ №2

	Варианты    ответов
№ Вопросы	а	б	в
1.Какую погрешность называют относительной?	отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению, выраженное в процентах	разность между измеренным и действительным значением величины	отношение абсолютной погрешности к действительному значению, выраженное в процентах
2.Что такое цена деления прибора?	число единиц измеряемой величины, приходящееся на одно деление  шкалы прибора	отношение изменения выходного сигнала  к вызвавшему его изменению измеряемой величины	область значений шкалы, ограниченная конечным и начальным значениями шкалы
3.Вариация  показаний прибора - это	разность между измеренным и действительным значением величины	наибольшая разность показаний при одном и том же значении измеряемой величины	совокупность операций и видов работ, направленных на обеспечение единства измерений
4.Диапазон измерений - это	область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности прибора	разность между измеренным и действительным значением величины	область значений шкалы прибора, ограниченная конечным и начальным значениями шкалы
5.Что такое поверка СИ?	совокупность операций, выполняемых с целью определения действительных значений МХ.	совокупность операций и видов работ, направленных на обеспечение единства измерений	совокупность операций, выполняемых в целях подтверждения соответствия средств измерений метрологическим требованиям

Раздел 2 Приборы и методы электрических измерений 

Тема 2.1         Механизмы и измерительные цепи

                        электромеханических приборов

Измерительные механизмы магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, ферродинамической, электростатической, индукционной систем. Общий принцип создания различных электроизмерительных механизмов. Принцип действия электромеханических приборов. Понятие об измерительных цепях. Измерительная цепь электроизмерительных приборов: вольтметров, амперметров, ваттметров. Условные обозначения, наносимые на приборы.

Основной функциональной частью магнитоэлектрического прибора является измерительный механизм.  Конструктивно  магнитоэлектрический    механизм   выполняется либо  с  подвижной  катушкой (рамкой),  либо с   подвижным  магнитом.   Большее применение имеет первая из указанных групп.

Принцип действия магнитоэлектрического механизма основан на взаимодействии магнитных полей постоянного магнита и катушки (рамки), по которой протекает  ток. Противодействующий момент может создаваться механическим и электромагнитным  способами.

  Магнитоэлектрические приборы применяют в качестве: 1) ам­перметров и вольтметров для измерения токов и напряжений в цепях постоянного тока (для этих целей приборы других групп используют в редких случаях); 2) омметров; 3) галь­ванометров постоянного тока, используемых в качестве нулевых индикаторов, а также для измерения малых токов и напряжений; 4) баллистических гальванометров, применяемых для измерений малых количеств электричества; 5) приборов для измерений в цепях переменного тока: а) осциллографических гальванометров, применяемых для наблюдения и записи быстропротекающих процессов; б) вибрационных гальванометров, используемых в ос­новном в качестве нулевых индикаторов переменного тока; в) выпрямительных, термоэлектрических и электронных приборов, содержащих преобразователь переменного тока в постоянный.

 Достоинствами  магнитоэлектрических приборов являются: 1) высокая чувствительность; 2) высокая точность; 3) малое собственное потребление мощности; 4) равномерная шкала; 5) малое влияние внешних магнитных полей.

К   недостаткам  магнитоэлектрических приборов можно отнести: 1) невысокую  перегрузочную  способность; 2) сравнительно сложную конструкцию; 3) применение, при отсутствии преобразователей, только в цепях постоянного тока.

Основной частью электромагнитного прибора является электромагнитный ИМ. Принцип  действия электромагнитного измерительного механизма основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого проводником с током, и ферромагнитного сердечника.

В настоящее время применяется большое число различных типов электромагнитных приборов, которые различаются по назначению, конструкции ИМ, форме катушек и сердечников и т. д.

В зависимости от инерционности подвижной части или частоты ее собственных колебаний все электромагнитные приборы разде­ляются на две группы: резонансные и нерезонансные. Резонансные работают только на переменном токе.  В нерезонансных приборах момент инерции подвижной части значителен, и смещение подвижной части пропорционально квадрату действующего значения тока.

Обе группы приборов делятся на две подгруппы: поляризован­ные и неполяризованные. В поляризованных приборах кроме намагничивающей катушки имеется постоянный магнит. Поляри­зованные нерезонансные приборы не обладают высокой точностью. Из резонансных приборов в основном применяются язычковые герцметры.

В зависимости от характера магнитной цепи нерезонансные приборы разделяются на приборы с магнитопроводом, условно называемым замкнутым, и без магнитопровода. Приборы с магнитопроводом имеют меньшее собственное потребление мощности, но вместе с этим и значительные погрешности из-за потерь в магнитопроводе от вихревых токов и гистерезиса.  Приборы без магнитопровода имеют малое собственное магнитное поле и большую зависимость показаний от влияния внешних магнитных полей и  позволяют создать приборы высокой точности для работы на постоянном и переменном токе. Эти приборы подразделяются на приборы отталкивающего и втяжного действия. В приборах первого типа расположенные внутри катушки с током ферромагнитные сердечники намагничиваются одноименно и отталкиваются друг от друга

Электродинамический ИМ  состоит из  системы неподвижных и подвижных катушек (рамок), стойки, упругих элементов, успокоителя, отсчетного устройства, средств магнитной защиты. Катушки выполняют круглыми или прямоугольными. Круглые катушки дают, по сравнению с прямоугольными,  увеличение  чувстви­тельности на 15—20%. Приборы с прямоугольными катушками  имеют меньшие  размеры прибора по вертикали.

В основе ферродинамических приборов лежит ферродинамический измерительный механизм. Принцип действия ферродинамического измерительного механизма заключается во  взаимодействии  магнитных  полей двух систем проводников с токами, и по существу является разновидностью электродинамического механизма. Отличие  заключается  в том, что для увеличения чувствительности ИМ содержит магнитопровод из магнитно-мягкого  материала.  Наличие  магнитопровода  значительно    увеличивает  магнитное   поле в рабочем зазоре и при этом возрастает вращающий момент.

Электростатические приборы строятся на основе электростатического измерительного механизма, который представляет  собой систему подвиж­ных   и   неподвижных  электродов.   Под   действием  напряжения, приложенного к электродам,  подвижные электроды отклоняются относительно неподвижных. В электростатических ИМ отклонение подвижной части связано с изменением емкости.      

Электростатические приборы характеризуются: 1) весьма малым  собственным потреблением мощности на постоянном токе и низких частотах. Это ,объясняется тем, что оно обусловлено только кратковремен­ным зарядным током и протеканием весьма малых токов утечки через изоляцию. На переменном токе потребление мощности также невелико ввиду малой емкости ИМ и малых диэлектричес­ких   потерь  в  изоляции;  2) широким  частотным диапазоном  (от 20 Гц до 35 МГц); 3) малой зависимостью показаний от изменений формы кривой измеряемого напряжения; 4) возможностью использо­вания их в цепях постоянного и переменного токов для непосредственного измерения высоких напряжений (до 300 кВ) без применения измерительных трансформаторов напряжения. Наряду с этим электростатические приборы имеют и недостатки: они подвержены сильному влиянию внешних электростатических полей, обладают низкой чувствительностью к напряжению, имеют неравномерную шкалу, которую необходимо выравнивать за счет выбора формы электродов, и др.

Точность электростатических приборов можно получить высо­кой за счет применения специальных конструктивно-технологи­ческих мероприятий по снижению погрешностей. В настоящее время разработаны переносные приборы классов точности 0,2; 0,1 и 0,05.

Конструктивно индукционный измерительный механизм  состоит из одного или нескольких неподвижных электромагнитов и подвижной части, которая обычно выполняется в виде алюминиевого диска, укрепленного на оси. Переменные магнитные потоки, направленные  перпендикулярно плоскости диска, пронизывая последний,  индуктируют в нем вихревые токи. Взаимодействие потоков с токами в диске вызывают перемещение подвижной части.

По числу магнитных потоков,  пересекающих подвижную часть, они могут быть однопоточными и многопоточными. Однопоточные индукционные механизмы в измерительной технике в настоящее время не применяются.

 Изучая приборы электромагнитной, электродинамиче­ской и ферродинамической систем, необходимо обратить внимание на то, что по принципу действия эти приборы пригодны для измерений в цепях как постоянного, так и переменного тока.

Вопросы для самопроверки

1. Напишите и объясните условие статического равно­весия подвижной части показывающего прибора и уравне­ние его шкалы.

2. Каким путем создаются противодействующие моменты в показывающих приборах?

3. Что такое собственное потребление энергии прибо­ром, какое влияние оно может оказывать на результаты измерения?

4. Каковы принцип действия и устройство прибора магнитоэлектрической системы?

5. Каковы принцип действия и устройство приборов электромагнитной, электродинамической и электростатиче­ской систем?

6. Как устроены и каков принцип действия логометров магнитоэлектрической системы?

7. Какие применяются способы расширения пределов измерения приборов различных систем?

Тема 2.2 Приборы и методы измерения тока

Методы измерения тока. Устройство, принцип действия, технические характеристики, разновидности, область применения основных типов амперметров, токоизмерительных клещей. Расширение пределов измерения с помощью трансформаторов тока и шунтов. Применение комбинированных приборов для измерения тока. Выбор прибора для измерения тока, включение в цепь, измерение, обработка результата измерения.

Перед измерением тока нужно иметь представление о его частоте, форме, ожидаемом значении, требуемой точности измерения и сопротивлении цепи ,в которой производится измерение. Эти предварительные сведения позволят

выбрать наиболее подходящий метод измерения и измерительный прибор. Для измерения тока и напряжения применяют метод непосредственной оценки и метод сравнения.  Для измерения тока в какой-либо цепи последовательно в цепь включают амперметр. 

Амперметр был разработан так, чтобы  внутреннее сопротивление было как можно меньше. Поэтому, если вы включите не последовательно, а параллельно нагрузке обстоятельства могут быть непредсказуемые.  Именно в последствии малого сопротивления внутри через амперметр потечет большой ток, что приведет к тому, что прибор сгорит или погорят провода.

Амперметр – измерительный прибор для определения силы постоянного и переменного тока в электрической цепи. Показания амперметра всецело зависят от величины протекающего через него тока, в связи, с чем сопротивление амперметра по сравнению с сопротивлением нагрузки должно быть как можно меньшим. По своим конструктивным особенностям амперметры подразделяются на магнитоэлектрические, электромагнитные, термоэлектрические, электродинамические, ферродинамические и выпрямительные.

Магнитоэлектрические амперметры служат для измерения силы тока малой величины в цепях постоянного тока. Они состоят из магнитоэлектрического измерительного механизма и шкалы с нанесенными делениями, соответствующими различным значениям измеряемого тока.

Электромагнитные амперметры предназначены для измерения силы протекающего тока в цепях постоянного и переменного тока. Чаще всего используются для измерения силы в цепях переменного тока промышленной частоты (50 Гц). Состоят из измерительного механизма, шкала которого размечена в единицах силы тока, протекающего по катушке прибора. Для изготовления катушки можно использовать провод большого сечения и, следовательно, измерять ток большой величины (свыше 200 А).

Термоэлектрические амперметры применяются для измерения в цепях переменного тока высокой частоты. Они состоят из магнитоэлектрического прибора с контактным или бесконтактным преобразователем, который представляет собой проводник (нагреватель), к которому приварена термопара (она может находиться на некотором расстоянии от нагревателя и не иметь с ним непосредственного контакта). Ток, проходя по нагревателю, вызывает его нагрев (за счет активных потерь), который регистрируется термопарой. Возникающее термическое излучение воздействует на рамку магнитоэлектрического измерителя тока, которая отклоняется на угол, пропорциональный силе тока в цепи.

Электродинамические амперметры служат для измерения силы тока в цепях постоянного и переменного токов повышенной (до 200 Гц) частот. Приборы очень чувствительны к перегрузкам и внешним магнитным полям. Применяются в качестве контрольных приборов для проверки рабочих измерителей силы тока. Состоят из электродинамического измерительного механизма, катушки которого в зависимости от величины максимально измеряемого тока соединены последовательно или параллельно, и градуированной шкалы. При измерении токов малой силы катушки соединяются последовательно, а большой – параллельно.

Ферродинамические амперметры прочны и надежны по конструкции, малочувствительны к воздействию внешних магнитных полей. Они состоят из ферродинамического измерительного аппарата и применяются главным образом в системах автоматических контроллеров в качестве самопишущих амперметров.

Каждый амперметр рассчитывается на некоторое определенное максимальное значение измеряемой величины. Но, часто, возникают ситуации, когда необходимо выполнить измерение некоторой величины, значение которой больше пределов измерения прибора. Тем не менее, всегда оказывается возможным расширить пределы измерения данным прибором. Для этого параллельно амперметру присоединяют проводник, по которому проходит часть измеряемого тока. Значение сопротивления этого проводника рассчитывается так, чтобы сила тока, проходящего через амперметр, не превышала его максимально допустимого значения. Такое сопротивление называется шунтирующим. Результатом подобных действий станет то, что если амперметром, рассчитанным, например, на силу тока до 1 А, необходимо выполнить измерение тока в 10 раз больше, то сопротивление шунта должно быть в 9 раз меньше сопротивления амперметра. Разумеется, при этом цена градуировки увеличивается в 10 раз, а точность во столько же раз уменьшается.

Для расширения предела измерения амперметра ( в k раз) в цепях постоянного тока служат шунты-резисторы, включаемые параллельно амперметру.

            Шкалы амперметров обычно градуируют непосредственно в единицах силы тока:

амперах, миллиамперах или микроамперах. Нередко в лабораторной практике  применяет многопредельные амперметры. Внутри корпуса таких приборов размещают несколько различных шунтов, которые подключаются параллельно индикатору с помощью переключателя пределов измерений. На лицевой панели многопредельных приборов указывают максимальные значения силы тока, которые могут быть измерены при том или ином положении переключателя пределов измерений. Цена деления шкалы (если у прибора имеется единственная шкала) будет разной для каждого предела измерений. Часто многопредельные приборы имеют несколько шкал, каждая из которых соответствует определенному пределу измерений.

Вопросы для самопроверки

1.     Как измерить силу тока?

2.     Что такое амперметр?

3.     Основные типы амперметров

4.     Как подключается амперметр?

5.     Назначение шунтов

Решение задач по теме « Приборы и методы измерения тока»

ВАРИАНТ 1

Задача 1.

Амперметр с внутренним сопротивлением  0,28 Ом имеет шкалу на 50 дел. с ценой деления  0,01 А /дел. Определить цену деления и предельную величину измеряемого тока при подключении шунта с сопротивлением 0,02Ом.

Задача 2.

Шкала ИМ с сопротивлением 5Ом разбита на 100дел. Цена деления

0,2 мА/дел. Из этого механизма необходимо сделать амперметр на 10А. Как это сделать? Какой ток в цепи измерит амперметр, если стрелка отклонилась на 35дел.

Задача 3.

Определить значение сопротивления шунта, необходимого для расширения предела измерения амперметра с внутренним сопротивлением 5Ом, от номинального его значения 4мА до значения 15А.

ВАРИАНТ 2

Задача 1.

Шкала ИМ с внутренним сопротивлением 2Ом разбита на 150дел. Цена деления 0,2мА/дел. Из этого механизма необходимо сделать амперметр на 15А. Как это сделать?

Какой ток измерит амперметр, если стрелка отклонилась на 20дел.

Задача 2.

Определить значение сопротивления шунта для расширения предела измерения амперметра с внутренним сопротивлением 0,58Ом, от номинального значения 5А до значения 150А.

Задача 3.

К амперметру, рассчитанному на 5А с внутренним сопротивлением 0,6Ом и шкалой на 10дел. подключен шунт с сопротивлением 0,025Ом. При измерении тока стрелка отклонилась на 8дел. Определить ток в цепи, измеренный амперметром.

Тема 2.3 Приборы и методы измерения напряжения

Методы измерений напряжения.  Устройство,  принцип действия, технические характеристики, разновидности , область применения: электромеханических вольтметров, электронных вольтметров, цифровых вольтметров, компенсаторов . Применение комбинированных приборов для измерения напряжения. Выбор прибора для измерения напряжения, включения в цепь, измерение, обработка результата измерения.

Для измерения напряжения используются  вольтметры. Вольтметры включаются параллельно тому участку цепи, где необходимо измерить напряжение. Чтобы прибор не потреблял большой ток и не влиял на величину напряжения цепи, обмотка его должна иметь большое сопротивление. Чем больше внутреннее сопротивление вольтметра, тем точнее он будет измерять величину напряжения. Для этого обмотка вольтметра изготовляется из большого числа витков тонкой проволоки.  Для расширения пределов измерения вольтметров употребляются добавочные сопротивления, включаемые последовательно с вольтметрами. В этом случае напряжение сети распределяется между вольтметром и добавочным сопротивлением. Величину добавочного сопротивления необходимо подбирать с таким расчетом, чтобы в цепи с повышенным напряжением по обмотке вольтметра проходил тот же ток, что и при номинальном напряжении.

Большая часть применяемых сейчас стационарных измерительных устройств - это классические аналоговые электромеханические приборы. Их эксплуатационные и метрологические характеристики могут считаться достаточными для решения основных задач технических измерений. Классы точности данных устройств  лежат в диапазоне от 0,1 до 4 %.

Принцип действия электромеханических измерительных приборов базируется на преобразовании электрической энергии входного сигнала в механическую энергию углового   движения подвижной части отсчетного устройства. Кроме того электромеханические приборы, помимо автономного применения, могут использоваться и в качестве выходных устройств для других электронных аналоговых устройств.

В электромеханических приборах реализованы разные физические принципы, позволяющие преобразовать значение измеряемой характеристики в пропорциональное ей отклонение  указателя . Конструкцию же электромеханического прибора любого типа можно представить в виде последовательного соединения входной цепи, измерительного устройства и отсчетного прибора.

Из всего разнообразия систем, конструкций и схем электромеханических измерительных приборов можно отметить следующие основные классы: магнитоэлектрические, выпрямительные, термоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические, индукционные.

Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя  и измерительного прибора. В отличие от вольтметров элек­тромеханической группы электронные вольтметры постоянного и переменного токов имеют высокие входное сопротивление и чувствительность, широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20Гц до 1000 МГц), малое потребление тока из измерительной цепи.

Классифицируют электронные вольтметры по ряду признаков:

•  по назначению – вольтметры постоянного, переменного и импульсного напряжений; универсальные, фазочувствительные, селективные;

• по способу измерения — приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;

• по характеру измеряемого значения напряжения — амплитудные (пико­вые), среднего квадратического значения средневыпрямленного значения;

• по частотному диапазону — низкочастотные, высокочастотные, сверх­высокочастотные.

Кроме того, все электронные приборы можно разделить на две большие группы: аналоговые электронные со стрелочным отсчетом и приборы дис­кретного типа с цифровым отсчетом.

Измерители напряжения независимо от их назначения должны при включении не нарушать режима работы цепи измеряемого объекта; обеспечивать малую погрешность измерений, исключив при этом влияние внешних факторов на работу прибора, высокую чувствительность измерения на оптимальном пределе, быструю готовность к работе и высокую надежность.

Выбор приборов, выполняющих измерения напряжения, определяется совокупностью многих факторов, важнейшие из которых: род измеряемого напряжения; примерные диапазон частот измеряемой величины и амплитудный диапазон; форма кривой измеряемого напряжения; мощность цепи, в которой осуществляется измерение; мощность потребления прибора; возможная погрешность измерения.

В маломощных цепях постоянного и переменного токов для измерения напряжения обычно пользуются цифровыми и аналоговыми электронными вольтметрами. Если необходимо измерить напряжения с более высокой точностью, следует использовать приборы, действие которых основано на методах сравнения, в частности на методе противопоставления.

Современные цифровые вольтметры содержат микропроцессорные блоки и снабжены клавиатурой, что позволяет автоматизировать процесс измерения, проводить его в соответствии с заданной программой, осуществлять требуемую обработку результатов измерений, расширять функциональные возможности прибора. Превратить его в мультиметр, позволяющий измерять не только напряжение постоянного тока, но и многие другие величины: напряжение переменного тока, сопротивление, емкость конденсатора, частоту и др.

Вопросы для самопроверки

1.      Как можно измерить напряжение?

2.     Как классифицируются электронные вольтметры?

3.     Перечислите основные блоки цифровых вольтметров

4.     Как производится выбор приборов для измерения напряжения?

5.     Каковы значения коэффициентов амплитуды и фор­мы при синусоидальном напряжении?

6.     Нарисуйте  принципиальные  схемы вольтметров  с линейным, пиковым и квадратичным детекторами.

7.     Каковы разновидности структурных схем цифровых вольтметров?

Тема 2.4 Приборы и методы измерения мощности и энергии

Методы измерения мощности и  электроэнергии. Устройство, принцип действия, технические характеристики, разновидности, область применения: ваттметров и электросчётчиков. Выбор приборов для измерения мощности и электроэнергии, включение их в цепь, измерение, обработка результатов измерения. Расширение пределов измерения.

Из выражения для мощности на постоянном токе Р = IU видно, что мощность  можно измерить с помощью амперметра и вольтметра косвенным методом. Однако в этом случае необходимо производить одновременный отсчет по двум приборам и вычисления, усложняющие измерения и снижающие его точность.

             Для измерения мощности в цепях постоянного и однофазного переменного тока применяют приборы, называемые ваттметрами, для которых используют электродинамические и ферродинамические измерительные механизмы.

 Мощность в электрических цепях измеряют прямым и косвенным способами. При прямом измерении используют ваттметры, при косвенном — амперметры и вольтметры.

В системах электроснабжения применяются измерительные приборы электрических величин. Наиболее применимыми являются амперметры, вольтметры, измерители мощности (ваттметры и варметры), счетчики активной и реактивной энергии. При выборе приборов измерения электрических величин следует учитывать род тока – постоянный или переменный.

Для измерения активной мощности применятся ваттметры. Ваттметры имеют две измерительные катушки, тока и напряжения. Момент вращения, создаваемый этими катушками, пропорционален протекающим через них токам.

Для измерения потребляемой электроэнергии применяют однофазные или трехфазные счетчики электрической энергии. Эти приборы имеют индукционные измерительные механизмы.

Ваттметр – измерительный прибор, имеющий назначение определять работу совершаемую электрическим током в единицу времени для прохождения тока через какой-либо проводник (определение мощности электрического тока или электромагнитного сигнала).

Ваттметр может определить количество ваттов необходимых для получения некоторой силы электрического света в каждую секунду времени или определить величину выполняемой работы в единицу времени каким-либо электрическим прибором. Работа совершаемая электрическим прибором в единицу времени (его мощность) определяется в ваттах и является произведением числа амперов (сила тока) потребляемых данным видом электрических потребителей на разность потенциалов (+ -) концов этой части цепи измеряемой в вольтах.

Для определения мощности электрического тока и используются ваттметры, представляющие собой не что иное, как электродинамометр. Проходящий ток распределяется на две части, одна из которых является, по сути, контролем, а вторая опытом, изменяя сопротивление на опытной части и измеряя разность потенциалов на выходе и определяется мощность электрического тока.

По назначению и диапазону частот ваттметры можно разделить на три основные категории:
– низкочастотные (и постоянного тока);
– радиочастотные;
– оптические. 

Ваттметры радиодиапазона по назначению делятся на два вида: проходящей мощности, включаемые в разрыв линии передачи, и поглощаемой мощности, подключаемые к концу линии в качестве согласованной нагрузки. В зависимости от способа функционального преобразования измерительной информации и ее вывода пользователю ваттметры бывают аналоговые (показывающие и самопишущие) и цифровые.

Низкочастотные ваттметры используются преимущественно в сетях электропитания промышленной частоты для измерения потребляемой мощности, могут быть однофазные и трехфазные. Отдельную подгруппу составляют варметры - измерители реактивной мощности. Цифровые приборы обычно совмещают в себе возможность измерения активной и реактивной мощности.

Радиочастотные ваттметры образуют весьма большую и широко используемую подгруппу ваттметров радиодиапазона. Деление этой подгруппы связано в основном с применением различных типов первичных преобразователей. Выпускаемые ваттметры используют преобразователи на базе термистора, термопары или пикового детектора; значительно реже, применяются датчики, основанные на других принципах. При работе с ваттметрами поглощаемой мощности следует помнить, что из-за несогласования входного сопротивления приемных датчиков с волновым сопротивлением линии, часть энергии отражается и реально ваттметр измеряет не реальную мощность линии, а поглощенную, которая отличается от действительной.

Принцип действия термисторного преобразователя состоит в зависимости сопротивления термистора от температуры его нагрева, которая, в свою очередь зависит от рассеиваемой мощности сигнала, подаваемого на него. Измерение осуществляется методом сравнения мощности измеряемого сигнала, рассеиваемой в термисторе и разогревающей его, с мощностью тока низкой частоты, вызывающей такой же нагрев термистора. К недостаткам термисторных ваттметров относится их малый диапазон регистрации – несколько милливатт.

Расширение пределов измерения на постоянном токе по напряжению производится с помощью добавочных сопротивлений — шунтов. При измерениях на переменном токе расширение пределов производится с помощью трансформаторов тока и напряжения. При этом необходимо соблюдать правильность включения генераторных клемм ваттметра. 
Измерение мощности в трехфазных трехпроводных сетях производится с помощью двух однофазных ваттметров, включенных в две фазы. 
           Расширение пределов измерения производится с помощью трансформаторов тока и напряжения. В этих же сетях для измерения мощности применяется трехфазный ваттметр. 
В трехфазных четырехпроводных сетях измерение активной мощности производят с помощью трех однофазных ваттметров или одним трехэлементным ваттметром. 
Реактивная мощность в однофазных сетях измеряется с помощью одного ваттметра, включенного по схеме, а в трехфазных — с помощью трех ваттметров. 

Вопросы для самопроверки

1.                       Дайте определения и аналитические выражения ак­тивной и реактивной мощности.

2.                       Каковы методы измерения активной мощности в цепях постоянного и однофазного переменного тока?

3.                       Нарисуйте схему измерителя реактивной мощности.

4.                       Какие методы используются для измерения актив-
ной мощности и энергии в трехфазных цепях?

               Тема 2.5 Приборы и методы измерения параметров электрических цепей.

Измерение сопротивлений. Омметры. Метод вольтмет­ра и амперметра: схемы включения, их достоинства и не­достатки. Погрешности метода. Мостовые схемы. Теория одинарного моста постоянного тока. Двойной мост.

Измерение параметров конденсаторов и индуктивностей. Мостовые схемы. Резонансные схемы. Измерения ме­тодом замещения. Погрешности измерений.

Для измерения сопротивлений применяют различ­ные методы в зависимости от характера объектов и условий измерения (например, твердые и жидкие проводники, заземлители, электроизоляция); от требований к точности и быстроте изме­рения; от величины измеряемых сопротивлений.  При изучении теории мостов необходимо уяснить при­чины,   препятствующие   применению одинарного мос­та постоянного тока для измерения малых сопротивлений. Рассмотреть теорию двойного моста. В теории мостов пере­шитого тока необходимо рассмотреть условия равновесия, отличающиеся от условий равновесия мостов постоянного тока.

 Методы измерения малых сопротивлений существенно отлича­ются от методов измерения больших сопротивлений, так как в первом случае надо принимать меры для исключения влияния на ре­зультаты измерений сопротивления соединительных проводов, пе­реходных контактов.

              Основными методами измерения сопротивления постоянному току являются: косвенный метод; метод непосредственной оценки и мостовой метод. Выбор метода измерений зависит от ожидаемого значения измеряемого сопротивления и требуемой точности. Наиболее универсальным из косвенных методов является метод амперметра-вольтметра.

Метод амперметра-вольтметра - основан на измерении тока, протекающего через измеряемое сопротивление и падения напряжения на нем. Применяют две схемы измерения: измерение больших сопротивлений и измерение малых сопротивлений. По результатам измерения тока и напряжения определяют искомое сопротивление.

Метод непосредственной оценки -  предполагает измерение сопротивления постоянному току с помощью омметра. Измерения омметром дают существенные неточности. По этой причине данный метод используют для приближенных предварительных измерений сопротивлений и для проверки цепей коммутации.

Мостовой метод -  применяют две схемы измерения - схема одинарного моста и схема двойного моста. Одинарный мост постоянного тока состоит из трех образцовых резисторов (обычно регулируемых) ,которые включают последовательно с измеряемым сопротивлением Rx в мостовую схему.  Для измерения сопротивлений ниже 1 Ом используется двойной мост Томсона.

 Рассмотреть возможные методы измерения индуктивностей и емкостей. Достоинства и недостатки резонансных схем измерения. Источники погрешностей. Схемы замеще­ния, разобраться, в чем заключается их преимущество пе­ред другими методами измерения. Приборы непосредственной оценки и сравнения  - к измерительным приборам непосредственной оценки значения измеряемой емкости относятся  микрофарадметры, действие которых базируется на зависимости тока или напряжения в цепи переменного тока от значения включенной в нее измеряемой емкости. Значение емкости определяют по шкале стрелочного измерителя.

Более широко для измерения  параметров конденсаторов и индуктивностей применяют уравновешенные мосты переменного тока, позволяющие получить малую погрешность измерения (до 1 %). Питание моста осуществляется от генераторов, работающих на фиксированной частоте 400—1000 Гц. В качестве индикаторов применяют выпрямительные или электронные милливольтметры, а также осциллографические индикаторы. 

Вопросы для самопроверки

1.    Как можно измерить сопротивление в сетях постоянного и переменного тока?

2.    Как измеряют сопротивление изоляции проводов?

3.    Какова структурная схема прибора для измерения неэлектричёских величин?

4.    Рассмотрите принцип действия, устройство и осно­вы теории отдельных типов преобразователей.

5.    Какие существуют варианты схем включения ампер­метров и вольтметров для измерения сопротивления?

6.    Нарисуйте схему одинарного моста и укажите элементы, являющиеся источником погрешностей при измере­нии малых сопротивлений.

7.    Какие электрические величины могут быть измере­ны с помощью моста переменного тока?

8.    Какие существуют источники погрешностей в резо­нансных схемах измерения?

9.    Каковы достоинства измерительных схем замеще­ния?

Тема 2.6  Универсальные и специальные электроизмерительные   

                 приборы

              Основные параметры и типы универсальных и специальных электроизмерительных приборов, краткая техническая характеристика. Мультиметры, вольтамперметры, комбинированные приборы. Схема измерительных цепей комбинированного прибора. Цифровые мультиметры, блок-схема, переключатели рода измерений и пределов измерений. Единицы измерений. Входное сопротивление мультиметра. Измерение сопротивлений, токов, напряжений, электрических емкостей, параметров полупроводниковых приборов.

Существует большое число измерительных приборов, используемых для выполнения строго определенных работ: обслуживания, тестирования кабельных линий, измерения параметров питающей сети. Каждый из них идеально подходит для выполнения специфического набора измерений, но не более того. Поэтому ремонт или наладка различных устройств невозможны без обычных измерительных приборов: мультиметров, осциллографов, универсальных и специальных генераторов, частотомеров, измерителей RLC, логических анализаторов. Сегодня большинство из этих приборов выпускается в настольной, переносной и носимой модификациях. Поэтому такой прибор всегда можно подобрать в соответствии с любыми предполагаемыми условиями работы: от лабораторных до полевых, с питанием от сети переменного тока, бортовой сети или батарей. А принципиальные отличия приборов различного исполнения касаются, пожалуй, всего двух моментов: класса точности и возможности интеграции в измерительные комплексы. Обычно носимые модификации имеют и точность похуже, и набор сервисных функций попроще,  но внедрение цифровой обработки сигналов меняет эту ситуацию. область применения измерительных комплексов с компьютерным управлением ограничена, как правило, научными экспериментами и различными серийными испытаниями. Именно там важное значение имеет автоматизация процесса сбора и обработки результатов измерений . Мультиметр и осциллографы - одни из самых распространенных приборов. С каждым днем число интегрированных в них основных и дополнительных функций растет. Более того, с точки зрения своих возможностей эти приборы становятся все ближе. Осциллограф может иметь встроенный мультиметр, а мультиметр - возможность отображения измеряемого сигнала. Мультиме́тр (от англ. multimeter, те́стер — от англ. test — испытание, аво́метр — от АмперВольтОмметр) — комбинированный электроизмерительный прибор, объединяющий в себе несколько функций. В минимальном наборе это вольтметр, амперметр и омметр. Существуют цифровые и аналоговые мультиметры.

Мультиметр может быть как лёгким переносным устройством, используемым для базовых измерений и поиска неисправностей, так и сложным стационарным прибором со множеством возможностей.

Наиболее простые цифровые мультиметры имеют разрядность 2,5 цифровых разряда (точность обычно около 10 %). Наиболее распространены приборы с разрядностью 3,5 (точность обычно около 1,0 %). Выпускаются также чуть более дорогие приборы с разрядностью 4,5 (точность обычно около 0,1 %) и существенно более дорогие приборы с разрядностью 5 и выше. Точность последних сильно зависит от диапазона измерения и вида измеряемой величины, поэтому оговаривается отдельно для каждого поддиапазона. В общем случае точность таких приборов может превышать 0,01 %, несмотря на портативное исполнение.

Разрядность цифрового измерительного прибора, например, «3,5» означает, что дисплей прибора показывает 3 полноценных разряда, с диапазоном от 0 до 9, и 1 разряд — с ограниченным диапазоном. Так, прибор типа «3,5 разряда» может, например, давать показания в пределах от 0,000 до 1,999, при выходе измеряемой величины за эти пределы требуется переключение на другой диапазон (ручное или автоматическое).

Количество разрядов не определяет точность прибора. Точность измерений зависит от точности АЦП, от точности, термо- и временной стабильности применённых радиоэлементов, от качества защиты от внешних наводок, от качества проведённой калибровки.

Аналоговый мультиметр состоит из  стрелочного  магнитоэлектрического измерительного прибора, набора добавочных резисторов для измерения напряжения и набора шунтов для измерения тока. Измерение сопротивления производится с использованием встроенного или от внешнего источника. В аналоговом мультиметре результаты измерений наблюдается по движению стрелки (как на часах) по измерительной шкале, на которой подписаны значения: напряжение, ток, сопротивление. Популярность аналоговых мультиметров объясняется их доступностью и ценой, а основным недостатком является некоторая погрешность в результатах измерений. Для более точной подстройки в аналоговых мультиметрах имеется специальный построечный резистор, манипулируя которым можно добиться немного большей точности. Тем не менее, в случаях когда желательны более точные измерения, лучшим будет использование цифрового мультиметра.
                Главный отличием цифрового от аналогового является то, что результаты измерения отображаются на специальном экране. К тому же цифровые мультиметры обладают более высокой точностью и отличаются простотой использования, так как не приходится разбираться во всех тонкостях градуирования измерительной шкалы, как в стрелочных вариантах.

Вопросы для самопроверки

1.        Какой прибор называется мультиметром?

2.        Разновидности муьтиметров

3.        Характеристики аналогового мальтиметра

4.        Характеристики цифрового мультиметра

Раздел 3  Исследование формы сигналов

               Тема 3.1 Осциллографы

Общие сведения и классификация электронно-лучевых осциллографов. Устройство, принцип действия, назначение, технические характеристики, структурная схема электронно-лучевого осциллографа. Использование электронно-лучевого осциллографа для наблюдения электрического сигнала, для измерения амплитуды, частоты и периода периодического сигнала. Типы осциллографов. Блок-схема электронного осциллографа. Подготовка, калибровка и измерение различных сигналов. Особенности подготовки, калибровки и измерений двухлучевыми, осциллографами-мультиметрами и осциллографами с запоминанием информации. Особенности измерения электронными осциллографами неэлектрических величин Аналоговые осциллографы, цифровые запоминающие осциллографы, цифровые люминофорные осциллографы, цифровые стробоскопические  осциллографы, виртуальные осциллографы, портативные осциллографы

Электромеханические осциллографы широко применя­ются для наблюдения и регистрации быстро изменяющих­ся во времени величин. Что такое осциллограф? Это прибор, который предназначен для исследования всевозможных электрических сигналов путём визуального наблюдения специального сигнала, записанного на фотоленте либо на экране именно графика, а также для измерения амплитудных и временных параметров сигнала по форме графика.

Все электронно-лучевые осциллографы имеют экраны, на которых отображаются графики сигналов входных. В виде сетки на экран нанесена специальная разметка. Если применяется цифровой осциллограф, то у него изображения в виде готовой картинки выводятся на дисплей, который бывает монохромным или же цветным. У аналоговых осциллографов используется в качестве экрана электронно-лучевая трубка с, так называемым, электростатическим отклонением.

Все используемые сегодня осциллографы различаются по своему назначению, а также по способу вывода измерительной информации и, конечно, по тому, какой способ обработки входного сигнала используется.

Осциллографы для наблюдения на экране формы сигнала с периодической развёрткой. Экран может быть как электронно-лучевым, так и жидкокристаллическим. С непрерывной развёрткой осциллографы для регистрации на фотоленте кривой. Они еще называются шлейфовые осциллографы. Так же выделяют цифровые и аналоговые осциллографы

При их изучении необходимо уяснить причины, вследст­вие которых электромеханические осциллографы применя­ются лишь для исследования процессов с частотой, не пре­вышающей нескольких тысяч герц.

Вопросы для самопроверки

1.     Области применения электромеханических осцил­лографов?

2.     Каким способом достигается развертка кривой исследуемого напряжения в электронном осциллографе?

3.     От чего зависят амплитудные и фазовые погрешнос­ти электронного и электромеханического осциллографов?

       Тема 3.2 Приборы и методы измерения частоты и интервала времени

Методы измерения частоты и интервала времени. Устройство, принцип действия, технические характеристики, разновидности, область применения частотомеров. Измерение интервалов времени. Измерительные генераторы. Блок-схема. Генераторы R-C, L-C, на биениях, шума, стандартных сигналов, импульсные. Характеристики сигналов. Правила настройки и подключения. Согласующие устройства. Правила техники безопасности.

Непосредственное измерение частоты производят частотомерами, в основу которых положены различные методы измерения в зависимости от диапазона измеряемых частот и требуемой точности измерения. Наиболее распространенными методами измерения частоты являются: метод перезаряда конденсатора, резонансный метод,  метод дискретного счета , метод сравнения измеряемой частоты с эталонной. Частотомеры используются нечасто. По большей части функции встроенного в мультиметр частотомера оказывается достаточно. Но в тех случаях, когда нужен точный результат или внешнее управление, без специального прибора не обойтись. Такие частотомеры могут измерять частоту, период и скважность периодических сигналов, определять длительность интервалов, осуществлять эталонный отсчет времени. Сложные модели предусматривают возможность вычислительной обработки результатов совокупности измерений и несколько каналов для реализации сложных алгоритмов запуска счета, обработки сигналов с разными параметрами или выполнения относительных измерений.

Генераторы используется гораздо реже и, в основном, при отладке и испытаниях различных устройств. Генераторы делятся на низкочастотные, высокочастотные и функциональные. Первые формируют синусоидальный сигнал или меандр с частотой от нескольких герц до сотен килогерц, вторые - с частотами до сотен мегагерц с возможностью модулирования сигнала по заданному закону внешним или внутренним сигналом. Функциональные генераторы формируют сигналы сложной формы (синус, прямоугольник, треугольник, пила, трапеция) в диапазоне частот до десятков мегагерц с заданной скважностью, а также цифровые сигналы с уровнями ТТЛ и КМОП. Некоторые модели могут работать как генераторы качающейся частоты (по заданному закону) или формировать простейший амплитудно- или частотно-модулированный сигнал.

Метод перезаряда конденсатора за каждый период измеряемой частоты - среднее значение тока перезаряда пропорционально частоте и измеряется магнитоэлектрическим амперметром, шкала которого проградуирована в единицах частоты. Выпускают конденсаторные частотомеры с пределом измерения 10 Гц - 1 МГц и погрешностью измерения ±2%.

Резонансный метод, основанный на явлении электрического резонанса в контуре с подстраиваемыми элементами в резонанс с измеряемой частотой. Измеряемая частота определяется по шкале механизма подстройки. Метод применяется на частотах более 50 кГц. Погрешность измерения можно уменьшить до сотых долей процента. 

Метод дискретного счета лежит в основе работы электронно-счетных цифровых частотомеров. Он основан на счете импульсов измеряемой частоты за известный промежуток времени. Обеспечивает высокую точность измерения в любом диапазоне частот. 

Метод сравнения измеряемой частоты с эталонной - электрические колебания неизвестной и образцовой частот смешиваются таким образом, чтобы возникли биения некоторой частоты. При частоте биений, равной нулю, измеряемая частота равна образцовой. Смешение частот осуществляют гетеродинным способом (способ нулевых биений) или осциллографическим.

     Решение многих радиотехнических задач связано с измерением интерва­лов времени. Обычно приходится измерять как очень малые (единицы пикосекунд) так и очень большие (сотни секунд) интервалы времени. Интервалы времени могут также быть не только повторяющимися, но и однократными.

   Различают два основных способа измерения интервалов времени: осциллографический и цифровой.

Измерение интервалов времени с помощью осциллографа проводится по осциллограмме исследуемого напряжения с использованием «линейной» развертки. Из-за нелинейности развертки, а также больших погрешностей отсчета начала и конца интервала общая погрешность измерения составляет единицы процентов. В последние годы интервалы времени в основном изме­ряются цифровыми методами.

  Измерения интервалов времени с помощью цифрового частотомера - измерение интервала времени Тх цифровым методом основано на заполнении его импульсами , следующими с образцовым периодом Т0, и подсчете числа Mx  этих импульсов за время Тх.

Вопросы для самопроверки

1.                         Каковы наиболее распространенные методы измерения временных интервалов?

2.                         Нарисуйте структурную схему цифрового  измерителя временных интервалов.

3.                         Какие существуют методы уменьшения погрешнос­ти?

4.                        Какие методы измерения частоты вы знаете?

5.                        Нарисуйте функциональную схему осциллографического частотомера.

             Тема 3.3 Приборы и методы измерения фазового сдвига

              Методы измерения фазового сдвига. Устройство, принцип действия, технические характеристики, разновидности, область применения фазометров.

Решение многих задач радиотехники невозможно без измерения наряду с амплитудой и частотой также фазового сдвига (ФС) сигналов. Фазовые методы измерений позволяют решать многие задачи, связанные с измерением дальности, координат, помехоустойчивой передачи информации и т. д.

Например, фазовые радиотехнические системы ближней навигации обеспечивают измерение дальности и координат с погрешностью 0.1–1 м, спутниковые системы глобальной навигации позволяют определять расстояние с точностью до нескольких миллиметров, угловое положение – с точностью до единиц угловых минут. Устройства на основе фазовых методов с использованием лазерной техники могут измерять малые расстояния с погрешностью 10^{-9 м и менее.}

Понятие фазового сдвига введено только для гармонических сигналов с одинаковой частотой:
U₁=U_m1sin(w t+j ₁) y =w t+j ₀ – фаза колебания
U₂=U_m2sin(w t+j ₂) j ₀ – начальная фаза
j =y ₁ - y ₂=(w t+j ₁)- (w t+j ₂)= ê j ₁-j ₂ê 
Фазовый сдвиг – модуль разности начальных фаз.
Знание фазового сдвига позволяет выявить причины искажения сигнала.
Условие неискаженной передачи – фазовая характеристика должна быть линейной.
          Для измерения фазового сдвига применяют следующие методы: осциллографический, компенсационный, преобра­зования фазового сдвига в импульсы тока, метод дискрет­ного счета и др . Измерение фазового сдвига осциллографическим методом можно реализовать способами линейной, синусоидальной и круговой разверток. Для измерения фазового сдвига компенсационным мето­дом с осциллографической индикацией собирают измери­тельную установку, состоящую из однолучевого осциллографа, образцового φ_обр и вспомогательного φ_в фазовращателей.

Измерение фазового сдвига методом дискретного счета основано на формуле, в которую следует подставить вместо интервалов времени ∆T и Т соответствующее им число импульсов с постоянной частотой повторения. Прямо-показывающие фазометры такого типа называют электронно-счетными, или цифровыми, фазометрами. Имеется несколько схем цифровых фазометров, но преимущественное распро­странение получили интегрирующие фазометры, в которых результат измерения представляет собой среднее значение фазового сдвига за большое число периодов измеряемого напряжения. В таких фазометрах обеспечивается хорошая помехозащищенность.

Микропроцессорный фазометр - значительное расширение функциональных возможностей, повышение надежности и некоторых других характеристик фазометров обеспечиваются при их построении на основе микропроцессора, работающего совместно с измерительными преобразователями. Такие фазометры позволяют измерять фазовый сдвиг между двумя периодическими сигналами за любой выб­ранный период, наблюдать флюктуации подобных сдвигов и оценивать их статистические характеристики: математическое ожидание, дисперсию, среднее квадратическое отклонение. Возможно также, как и в рассмотренных выше цифровых фазометрах, выполненных по схемам с жесткой логикой ра­боты, измерение среднего значения фазового сдвига.

Фазовый сдвиг между двумя гармоническими сигналами одной частоты можно измерить фазовым детек­тором.

Фазовращателем называется устройство, с помощью которого вводится в электрическую цепь известный и регу­лируемый фазовый сдвиг. Конструкция фазовращателя зависит от диапазона рабочих частот, для которого он пред­назначен.

Вопросы для самопроверки

1.    Какой смысл вложен в понятие «фаза» сигнала?

2.    Что называется фазовым сдвигом двух сигналов?

3.    Перечислите основные методы измерения фазового сдвига.

4.    В чем состоит метод линейной развертки измерения фазового сдвига?

5.    На каком принципе работают компенсационные фазометры?

6.    Как работает цифровой фазометр на основе микропроцессора?

Контрольная работа по дисциплине «Электротехнические измерения»

1Вариант

1.     Магнитоэлектрический миллиамперметр имеет верхний предел измерения 100 мА. Изменению измеряемого тока на 12 мА соответствует перемещение стрелки на 6 делений. Определить число делений, цену деления и чувствительность шкалы.

2.     После ремонта амперметра с классом точности 1,5 и пределом измерения 5 А произвели его поверку. Наибольшая абсолютная погрешность составила 0,07 А.  Сохранил ли амперметр свой класс точности после ремонта?

3.     Вольтметр с внутренним сопротивлением 5 кОм включен с добавочным резистором, имеющим сопротивление 45 кОм. Определить во сколько раз увеличился предел измерения вольтметра. Нарисовать схему включения вольтметра с добавочным резистором.

4.     Миллиамперметр рассчитан на ток 200 мА и имеет чувствительность по току 0,5 дел/мА. Стрелка миллиамперметра отклонилась на 30 делений. Определить число делений шкалы, цену деления и измеренный ток.

Контрольная работа по дисциплине «Электротехнические измерения»

2Вариант

1.     Вольтметр с верхним пределом измерения 600 В имеет чувствительность 0,25 дел/В. При измерении напряжения стрелка вольтметра отклонилась на 50 делений. Определить число делений шкалы, цену деления и измеренное вольтметром напряжение.

2.     Амперметр с внутренним сопротивлением 1,2 Ом включен с шунтом, имеющим сопротивление 0,3 Ом. Определить во сколько раз увеличился предел измерения амперметра. Нарисовать схему включения амперметра с шунтом.

3.     Амперметр с классом точности 2,5 и верхним пределом измерения 20А показал значение тока 11,5 А. Определить в каких пределах находится действительное значение тока.

4.     При измерении тока в цепи указатель магнитоэлектрического миллиамперметра переместился на 10 делений с отметки 10 мА на отметку 20 мА. Шкала миллиамперметра имеет 100 делений. Определить верхний предел измерения прибора, цену деления и чувствительность шкалы.

Контрольная работа по дисциплине «Электротехнические измерения»

3Вариант

1.     Амперметр, имеющий шкалу на 10 делений и верхний предел измерения 20 А, показал ток в цепи 15А. Определить цену деления, чувствительность шкалы и количество делений, на которое отклонилась стрелка при измерении тока.

2.     При калибровке вольтметра, имеющего верхний предел измерения

50В, наибольшая абсолютная погрешность составила 1,1 В. Какой класс точности присвоен вольтметру?

3.     Вольтметр, имеющий внутреннее сопротивление 200 Ом и верхний предел измерения 50 В, необходимо использовать для измерения напряжения до 450 В. Каким образом это можно сделать? Нарисовать схему и выполнить необходимые расчеты.

4.       Действительное значение тока в цепи 5,23 А. Амперметр с верхним пределом измерения 10 А показал ток 5,3 А. Определить абсолютную, относительную и приведенную погрешности измерения.

Контрольная работа по дисциплине «Электротехнические измерения»

4Вариант

1.     Миллиамперметр рассчитан на ток 200 мА и имеет чувствительность по току 0,5 дел/мА. Стрелка миллиамперметра отклонилась на 30 делений. Определить число делений шкалы, цену деления и измеренный ток.

2.     Классы точности двух вольтметров одинаковы и равны 1. Верхний предел измерения первого вольтметра равен 50 В, а второго вольтметра равен 10 В. Определить в каком соотношении находятся наибольшие допустимые абсолютные погрешности вольтметров.

3.     Магнитоэлектрический амперметр имеет внутреннее сопротивление 0,05 Ом и верхний предел измерения 5 А. Каким образом можно расширить предел измерения амперметра до 125 А? Нарисовать схему и произвести необходимые расчеты.

4.     Через резистор с сопротивлением 8 Ом проходит действительный ток 2,4 А. При измерении напряжения на этом резисторе вольтметр показал напряжение 19,3 В. Определить абсолютную и относительную погрешности измерения напряжения.