Библиотечка электротехника
— приложение к журналу “Энергетик ”
Основана в июне 1998 г.
Выпуск 8 (92)
В. А. Панфилов
АНАЛОГОВЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Москва
НТФ “Энергопрогресс”, “Энергетик”
2006
УДК 621.317.3
ББК 31.221
П16
Главный редактор журнала “Энергетик” А. Ф. ДЬЯКОВ
РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ “Библиотечки электротехника”
В. А. Семенов (председатель), И. И. Батюк (зам. председателя), Б. А. Алексеев, К. М. Антипов, Г. А. Безчастнов, А. Н. Жулев, В. А. Забегалов, В. X. Ишкин, Ф. Л. Коган, В. И. Кочкарев, Н. В. Лисицын, Л. Г. Мамиконянц, Л. Ф. Плетнев, В. И. Пуляев, Ю. В. Усачев, М. А. Шабад
Панфилов В. А
П16 Аналоговые методы и средства электрических измерений. — М.: НТФ “Энергопрогресс”, 2006. — 112 с.; ил. [Библиотечка электротехника, приложение к журналу “Энергетик”; Вып. 8 (92)].
В брошюре изложены аналоговые методы и средства электрических измерений. Приведены технические, методические и метрологические особенности методов и средств измерений.
Для широкого круга инженерно-технических специалистов электротехнических подразделений энергопредприятий (электростанций, предприятий электрических сетей и энергосбыта и др.).
ISSN 0013-7278 © НТФ “Энергопрогресс”, “Энергетик”, 2006
Предисловие
Все средства измерений (СИ) делятся на две большие группы: аналоговые и цифровые. В данной брошюре речь пойдет об аналоговой измерительной технике. Известны пять видов средств измерений: мера, измерительный преобразователь, измерительный прибор, измерительная установка и измерительная система. Наиболее важным для повседневной практики видом СИ является измерительный прибор (ИП).
Аналоговые измерительные приборы (АИП) — это такие приборы, показания которых являются непрерывной функцией изменения входной измеряемой величины (способной принимать бесконечное множество значений в определенном диапазоне). Группу АИП можно представить двумя подгруппами: приборы для стати-ческихт^ерсшал (например, вольтметры) и приборы для динамических измерений (например, аналоговые осциллографы).
Аналоговые измерительные приборы для статических измерений бывают электромеханическими и электронными} АИП для динамических измерений, в свою очередь, делятся на показывающие (например, электронно-лучевые осциллографы, анализаторы спектра) и регистрирующие (например, самопишущие приборы, светолучевые осциллографы, аналоговые запоминающие осциллографы).
В брошюре приведены технические, методические и метрологические особенности методов и средств измерений. Она окажет помощь специалистам энергопредприятий при выборе, эксплуатации и обслуживании электроизмерительных приборов и измерительных систем, используемых для контроля технологических режимов работы электротехнического оборудования и при учете отпускаемой и потребляемой электрической энергии.
Замечания и пожелания по брошюре просим направлять по адресу: 115280, Москва, ул. Автозаводская, 14/23. Редакция журнала “Энергетик”.
Автор
3
ГЛАВА ПЕРВАЯ
Электромеханические измерительные приборы
1.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Электромеханические ИП основаны на преобразовании электрической энергии входного сигнала в механическую энергию углового (реже — линейного) перемещения подвижной части отсчетного устройства. Кроме самостоятельного применения электромеханические ИП используются также в качестве выходных устройств большинства электронных АИП.
Большинство используемых сегодня стационарных ИП — это классические аналоговые электромеханические приборы. Их мет-
Рис. 1.1. Классификация электромеханических приборов
4
рологические и эксплуатационные характеристики вполне достаточны для решения основных задач технических измерений. Классы точности этих приборов (как правило, предел приведенной погрешности) лежат в диапазоне (0,1 — 4) %,
Широко распространены электромеханические вольтметры, амперметры, ваттметры, омметры, фазометры, счетчики активной и реактивной энергии. В электромеханических приборах реализованы различные физические принципы, позволяющие преобразовать значение измеряемой величины в пропорциональное отклонение (видимое перемещение) указателя (например, стрелки прибора). Однако структуру любого электромеханического прибора можно представить последовательным соединением входной цепи, измерительного механизма и отсчетного устройства.
Из всего разнообразия конструкций (систем) и схем электромеханических приборов в данной главе рассмотрим некоторые наиболее распространенные. Эти устройства лежат в основе измерителей самых различных электрических и неэлектрических величин. Классификация основных типов электромеханических ИП приведена на рис. 1.1.
1.2. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
Конструкция и принцип действия. На рис. 1.2. показано упрощенное устройство измерительного механизма (ИМ) магнитоэлектрической (МЭ) системы. Конструкция представляет собой преобразователь электрической величины (входного измеряемого тока) в механическую (угол отклонения) и указатель (отсчетное устройство).
Постоянный магнит 7, магнитопровод 2 и цилиндрический сердечник 3 создают равномерное радиальное магнитное поле в воздушном зазоре, в котором расположена и может поворачиваться рамка 4 с измеряемым током. Рамка (обычно это несколько десятков витков медного провода) жестко связана с осью 5, на которой закреплена стрелка 7. Эти элементы образуют подвижную часть механизма.
Как известно, на проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила. При протекании измеряемого тока 1в рамке, находящейся в магнитном поле зазора, возникает вращающий момент А/, равный произведению индукции В магнитного поля в зазоре, активной (т.е. находящейся в магнитном поле) площади 5рамки, числу витков w и току I в рамке:
M=BSwL
5
Рис. 1.2. Конструкция магнитоэлектрического механизма
Отсчетное устройство — стрелка 7 и шкала 8— преобразует угол отклонения (поворота) а рамки в показания (отсчет). Спиральная пружина 6 служит для создания противодействующего момента Мпр:
Мпр = aQ’
где a — угол поворота подвижной части; Q — удельный противодействующий момент.
Вращающий момент Мзаставляет рамку поворачиваться. Противодействующий момент Л/пр направлен навстречу вращающему М. В процессе поворота рамки противодействующий момент растет пропорционально углу поворота а. Это происходит до тех пор, пока моменты не станут равны. При этом М = Л/пр и, следовательно:
BSwI= aQ.
Отсюда угол поворота
a = BSwI/£l.
Таким образом, поскольку значения параметров В, S, w, Q практически постоянны, можно говорить о линейной зависимости угла поворота а (и, следовательно, показаний) МЭ-приборов от значения измеряемой величины (в данном случае — тока /).
6
Рис. 1.3. Амперметры и вольтметры магнитоэлектрической системы
В реальной конструкции (естественно, более сложной) есть элементы для создания момента успокоения, который необходим для оптимальной динамики движения подвижной части.
Амперметры и вольтметры. Для измерения малых токов (до 50 - 100 мА) используется непосредственно МЭ ИМ. Если требуется измерять токи, превосходящие ток полного отклонения механизма, то применяют шунты (точные резисторы с малым сопротивлением: десятые — тысячные доли ома) — рис. 1.3, а. При этом через ИМ течет ток /м, представляющий собой только часть измеряемого тока I. Зная соотношение между сопротивлениями рамки ИМ и шунта Аш, можно переградуировать шкалу прибора или пересчитать показания в результат измерения.
Магнитоэлектрические вольтметры строятся по схеме рис. 1.3, б. Последовательно с ИМ включается основной резистор Rvc достаточно большим сопротивлением. Значение сопротивления Rvдолжно быть таким, чтобы при подаче номинального напряжения Vi значение тока через ИМ было равно номинальному значению /ном:
(И/4ом) “ Лим-
Предположим, использован МЭ-механизм с сопротивлением ЛИм = Ю 0м и номинальным током /ном = 1 мА. Тогда для организации вольтметра с диапазоном измерения V\ = 1,0 В требуется последовательно с ИМ включить резистор с сопротивлением Rv, равным:
Rv= (1,0/0,001) - 10 = 990 Ом.
Добавочные резисторы 7?д1 и R& обеспечивают несколько диапазонов измерения напряжения (И3 > V2 > И0, т.е. позволяют создать многопредельный вольтметр. Например, для расширения диапазона измерения рассмотренного в предыдущем примере вольтметра до И2 = 10 В, необходимо последовательно включить Лд1 = 9 кОм, а для организации диапазона до Г3 = 100 В потребуется еще один дополнительный резистор 7?д2 = 90 кОм.
7
Таблица 1.1. Технические характеристики прибора М 2044
Диапазоны измеряемых постоянных напряжений	0- 15 мВ/30 мВ/75 мВ/0,15 В/ 0,3 В / 0,75 В / 1,5 В / 3 В / 7,5 В / 15 В / 30 В / 75 В / 150 В / 300 В / 600 В
Диапазоны измеряемых постоянных токов	0 - 75 мА/150 мА/300 мА/0,75 А/ 1,5А/ЗА/7,5 А/ 15 А/30А
Класс точности (предел основной приведенной погрешности)	0,2%
Шкала прибора	Равномерная, зеркальная, число делений 150, длина 150 мм
Габаритные размеры, мм	243 х 200 х 100
Ток I через ИМ на любом диапазоне не должен превосходить номинального значения /ном для механизма.
Особенности магнитоэлектрических приборов. Приборы МЭ-сис-темы, по сравнению с другими электромеханическими приборами, имеют ряд преимуществ’,
•	более высокие точность и чувствительность;
•	равномерная (линейная) писала;
•	сравнительно малое собственное потребление энергии от источника сигнала;
•	практическое отсутствие влияния магнитных полей (так как собственное поле в зазоре значительно).
Есть и недостатки’.
•	возможность работы ИМ только на постоянном токе;
•	сравнительная сложность реальной конструкции;
•	заметная чувствительность к перегрузкам, механическим воздействиям, ударам, вибрации;
•	зависимость показаний от изменения температуры окружающей среды.
Обозначение МЭ-системы на шкалах приборов:
Пример магнитоэлектрического прибора. В качестве примера современного прибора МЭ-системы рассмотрим вольтамперметр М2044, выпускаемый ПО “Элекгроточприбор” (г. Омск). Он предназначен для измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного тока. Этот многопредельный прибор обеспечивает измерения с высокой точностью и чувствительностью в широких диапазонах изменений токов и напряжений. Основные технические характеристики вольтамперметра М2044 приведены в табл. 1.1.
Q
1.3. ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Поскольку в соответствии с выражением вращающего момента приборы МЭ-системы непосредственно могут быть использованы только для работы с постоянными напряжениями и токами, то для работы в цепях переменного тока им требуются преобразователи переменного тока в постоянный — выпрямители (детекторы). Могут применяться детекторы разных типов: амплитудного значения, среднего выпрямленного значения, среднего квадратического (действующего) значения. Наиболее распространены в простых аналоговых электромеханических приборах детекторы среднего выпрямленного значения как самые простые и дешевые.
На рис. 1.4, «показан вариант схемы вольтметра переменного напряжения с двухполупериодным выпрямителем, а на рис. 1.4, б — временные диаграммы входного напряжения и (t) и тока /в(/) через МЭ ИМ.
Выпрямитель образован мостом из четырех полупроводниковых диодов VD1— VD4, включенных таким образом, что выпрямленный ток /в(/) через ИМ всегда течет в одну сторону независимо от полярности входного напряжения. Если на каком-то интервале времени на верхнем входном зажиме (рис. 1.4, а) положительный потенциал, то открываются диоды VD1 и VD3, а диоды К02и VD4 закрыты и ток через ИМ течет справа налево. Если положительный потенциал на нижнем входном зажиме, то открываются диоды VD2 и VD4 (при этом диоды VD1 и VD3 закрыты) и ток через ИМ также течет справа налево. И хотя вращающий момент является меняющейся функцией выпрямленного тока, но вследствие значительной механической инерционности подвижной части ИМ показания прибора при частотах выше 10 Гц равны среднему значению текущего в рамке тока /в(/), т.е. равны среднему выпрямленному значению /с в. Добавочный резистор 7?д, во-первых, устанавливает связь между входным
Рис. 1.4. Вольтметр среднего выпрямленного значения
9
Рис. 1.5. Вариант вольтметра с однополупериодным выпрямителем
напряжением и номинальным током МЭ-механизма и, во-вторых, обеспечивает достаточно высокое входное сопротивление вольтметра. Таким образом, показания вольтметра пропорциональны среднему выпрямленному значению входного напряжения и (/).
Помимо рассмотренной схемы иногда применяются и более дешевые решения двухполупериодного выпрямления, например показанное на рис. 1.4, в (сопротивления резисторов и R2равны).
В некоторых простых приборах реализовано однополупериодное выпрямление — рис. 1.5, а (значение сопротивления резистора R выбирают равным сопротивлению рамки ИМ).
Правда, в этом случае чувствительность прибора заметно ниже, поскольку среднее выпрямленное значение в этой схеме вдвое меньше, чем при двухполупериодном выпрямлении (рис. 1.5, б).
Схемы, показанные на рис. 1.4 и 1.5, лежат в основе большинства аналоговых многофункциональных приборов — тестеров. Расширение диапазонов измерения вольтметров реализуется подключением (переключением) различных добавочных резисторов.
Важно не забывать, что такие вольтметры и амперметры реагируют именно на среднее выпрямленное значение переменного сигнала, а не на действующее (которое чаще всего требуется). Градуируются они обычно в действующих значениях для частного (хоть и распространенного) случая синусоидального сигнала. Поэтому при работе с заметно несинусоидальными сигналами возможны большие погрешности измерения. Например, при форме сигнала, близкой к прямоугольной, погрешность может достигать 10 %.
о
Обозначение приборов выпрямительной системы на шкалах: “М"
10
1.4.	ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
г Термоэлектрические (ТЭ) измерительные приборы основаны на преобразовании электрической энергии в тепловую и затем вновь в электрическую. Приборы этой системы состоят из термоэлектрического преобразователя (ТП) и магнитоэлектрического измерительного механизма. Термоэлектрический преобразователь представляет собой объединение нагревателя (тонкая проволока из нихрома или константана) и термопары (рис. 1.6, а), ТермоЭДС термопары ет зависит от температуры ее рабочего спая, т.е. от температуры нагревателя, которая, в свою очередь зависит от действующего значения протекающего по нему тока i (Г).
Протекающий по нагревателю ТП ток i (t) (переменный или постоянный) нагревает рабочий спай термопары до температуры, пропорциональной квадрату действующего значения этого тока. Свободные концы термопары подключаются к МЭ ИМ (рис. 1.6, б). Ток ZM, текущий через ИМ,
где ет — термоЭДС термопары; Rz — суммарное сопротивление термопары и ИМ.
Показания прибора а определяются таким образом:
а = kl2,
где к— коэффициент пропорциональности, определяемый особенностями конструкции ТП; /—действующее значение измеряемого тока i (Г).
Рис. 1.6. Принцип действия и схемы термоэлектрических приборов
11
На рис. 1.6, б приведена схема ТЭ-амперметра, а на рис. 1.6, в — схема ТЭ-вольтметра.
Для измерения малых токов и напряжений (поскольку значения термоЭДС термопары незначительны — единицы — десятки милливольт) в схему прибора вводится усилитель постоянного тока, повышающий выходной сигнал термопары. Расширение диапазонов измерения ТЭ-амперметров в сторону увеличения значений осуществляется с помощью измерительных трансформаторов тока. В случае расширения пределов измерения ТЭ-вольтметров применяют добавочные резисторы с различными сопротивлениями.
К достоинствам ТЭ-приборов можно отнести следующие:
•	возможность работы как с постоянными, так и с переменными токами и напряжениями;
•	реакция на истинное среднее квадратическое (действующее) значение независимо от формы сигнала;
•	широкий диапазон частот измеряемых сигналов (до единиц — десятков мегагерц);
•	сравнительно высокая точность приборов (типичные классы точности 1,0 — 1,5).
К недостаткам ТЭ-приборов относятся такие:
•	невысокое быстродействие в силу значительной тепловой инерционности ТП;
•	заметное собственное потребление приборов от источника исследуемого сигнала;
•	неравномерность (квадратичность) шкалы приборов;
•	малая перегрузочная способность.
о
V
Обозначение термоэлектрических приборов на шкалах: о-^-о
1.5.	ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРИБОРЫ
В щитовых измерительных приборах, предназначенных для работы в электрических цепях переменного тока промышленной частоты, широко применяется электромагнитная (ЭМ) система, которая имеет ряд преимуществ перед магнитоэлектрической.
Конструкция и принцип действия. В основе самой простой конструкции (рис. 1.7) этого ИМ — полая катушка с измеряемым током I (или с током, пропорциональным измеряемому напряжению U в случае вольтметра).
12
Рис. 1.7. Устройство электромагнитного механизма
Протекающий по катушке 1 ток создает магнитный поток, который притягивает (втягивает внутрь катушки) сердечник 4, выполненный из магнитомягкого материала и закрепленный на оси 2.
При этом возникает вращающий момент М, равный производной энергии этой механической системы по углу поворота а:
M=h2 —,
2 da
где I — действующее значение тока в катушке; L — индуктивность катушки; a — угол поворота сердечника.
Спиральная пружина 3 служит для создания противодействующего момента Мпр:
мпр = aQ,
где Q — удельный противодействующий момент.
Моменты М и Л/пр направлены навстречу друг другу. С ростом угла поворота а противодействующий момент Мпр пропорционально растет. Это происходит до тех пор, пока моменты не станут равны. При этом
Отсюда уравнение шкалы прибора:
I2 dL a = -----.
2Q da
13
Рис. 1.8. Амперметры и вольтметры электромагнитной системы
Отсчетное устройство — стрелка 5 и шкала 6 — преобразует угол поворота сердечника в показания (отсчет).
Из последнего уравнения следует, что ЭМ-приборы могут работать в цепях как постоянного, так и переменного тока; а также то, что шкала у ЭМ-приборов — нелинейная (квадратичная).
Существуют и другие конструкции ЭМ ИМ, в частности — с замкнутым магнитопроводом, которая обеспечивает лучшую защищенность от внешних магнитных полей.
Амперметры и вольтметры. Амперметры ЭМ-системы представляют собой катушку, состоящую из нескольких секций (рис. 1.8, а), переключением которых можно менять пределы измерения токов: 1Х> 12> /3.
В простейшей схеме вольтметра последовательно с катушкой включается добавочный резистор (рис. 1.8, б). В такой схеме с ростом частоты со напряжения линейно растет индуктивное сопротивление XL катушки измерительного механизма:
=jaL.
При этом растет суммарное сопротивление цепи, ток в катушке (при неизменном действующем значении напряжения) падает, что приводит к уменьшению показаний прибора.
Для поддержания полного комплексного сопротивления примерно постоянным в достаточно широком диапазоне частот в схему вольтметра (рис. 1.8, в) вводится цепь частотной коррекции (конденсатор Ск и резистор Ак), сопротивление которой с ростом частоты падает, компенсируя возрастание сопротивления катушки. С помощью добавочных резисторов 7?д1 и Яд2 обеспечивается возможность работы в нескольких диапазонах измерения напряжения (И3> K2>H).
Особенности ЭМ-приборов. Приборы электромагнитной системы могут быть использованы для измерения и постоянных, и переменных напряжений и токов. При этом они реагируют на истинное среднее квадратическое (действующее) значение переменного сиг
14
нала независимо от формы сигнала (правда, в пределах своего сравнительно неширокого частотного диапазона). Кроме того, важным преимуществом является то, что приборы этой системы выдерживают значительные перегрузки (возможны двух- и трехкратные), имеют сравнительно простую конструкцию и, следовательно, надежны и дешевы. Достаточно сказать, что ЭМ-приборы — это самые распространенные приборы.
Недостатки приборов ЭМ-системы следующие:
•	нелинейная (квадратичная) шкала;
•	узкий частотный диапазон измеряемых сигналов (сотни герц — единицы килогерц);
•	заметное влияние внешних магнитных полей;
•	невысокий класс точности (типично 1,5 — 2,5 %).
Обозначение приборов ЭМ-системы на шкалах:
1.6. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
Конструкция и принцип действия. На рис. 1.9 приведена упрощенная конструкция электродинамического (ЭД) измерительного механизма. Принцип его действия основан на взаимодействии магнитных потоков двух катушек с токами 1Х и /2- Протекающие по катушкам токи создают магнитные потоки, которые стремятся принять одно направление, при этом подвижная катушка поворачи-
Рис. 1.9. Конструкция электродинамического механизма:
1 — неподвижная катушка с током 1Х (разделенная на две части); 2 — подвижная катушка с током /2; 5 — ось внутри неподвижной катушки; 4— спиральная пружина для создания противодействующего момента; 5— стрелка; 6— шкала
15
Рис. 1.10. Амперметры электродинамической системы
вается внутри неподвижной. Вращающий момент М для постоянных токов
M=/1/2(dM1_2/da),
где Мх _ 2 — взаимная индуктивность катушек; a — угол поворота подвижной части.
Электродинамические приборы можно использовать в цепях как постоянного, так и переменного тока. Во втором случае вращающий момент определяется так:
М= 1^2 cos ср (dA/| _ 2/da),
где Z2 — действующие значения переменных токов в катушках; ф — угол сдвига фаз между токами в катушках.
На базе ЭД-механизма выпускаются амперметры, вольтметры, ваттметры, фазометры.
Амперметры и вольтметры. Схема на рис. 1.10, а с последовательным соединением катушек применяется при построении миллиамперметров. Схема на рис. 1.10, б с параллельным соединением катушек используется при построении амперметров на токи более 0,5 А.
В схеме вольтметра используется последовательное соединение катушек (рис. 1.11).
Рис. 1.11. Вольтметр электродинамической системы
16
Рис. 1.12. Ваттметр электродинамической системы
Резистор Ry служит для повышения входного сопротивления прибора. Добавочные резисторы 7?д1 и Т?д2 обеспечивают возможность работы в нескольких диапазонах (значения номинальных входных напряжений И3 > V2 >
Здесь, как и в вольтметрах электромагнитной системы, индуктивное сопротивление катушек растет с ростом частоты измеряемого сигнала. Поэтому для поддержания полного комплексного сопротивления примерно постоянным в некотором диапазоне частот, как и в случае с ЭМ-приборами, применяется частотная коррекция (конденсатор Ск и резистор RK).
Ваттметры. Хотя на базе ЭД-механизма можно строить приборы различных типов, основное применение этот принцип нашел в классе ваттметров.
Произведение двух токов в выражении вращающего момента является основой для построения ваттметров на основе ЭД-механиз-мов. Если в одной катушке ток равен току, текущему в нагрузку, а во второй — пропорционален напряжению на нагрузке, то показания прибора будут пропорциональны активной мощности. Схема включения ваттметра приведена на рис. 1.12.
Цепь катушки напряжения также содержит элементы частотной коррекции (конденсатор С и резистор R).
Особенности электродинамических приборов. К достоинствам ЭД-приборов относятся следующие:
•	высокая точность (предел основной приведенной погрешности -до 0,1 %);
•	возможность работы как на постоянном, так и на переменном токе;
17
•	амперметры и вольтметры этой системы реагируют на действующее значение переменного тока или напряжения.
Недостатками являются:
•	сравнительно невысокая чувствительность;
•	возможное влияние внешних магнитных полей (что может потребовать экранирования механизма);
•	заметное влияние температуры окружающей среды на сопротивление катушек и, как следствие, на показания прибора;
•	значительная собственная мощность потребления энергии от
источника сигнала;
•	нелинейная (квадратичная) шкала;
•	ограниченный частотный диапазон (до 1,0 — 5 кГц).
Обозначение ЭД-системы на шкалах приборов: ф
Обозначение ЭД-системы с магнитным экранированием меха
низма:
Существует разновидность конструкции, в которой магнитные потоки катушек замыкаются не по воздуху, как в классическом варианте, а по вспомогательным магнитопроводам. Это так называемая ферродинамическая (ФД) система. Благодаря заметному уменьшению магнитного сопротивления значительно возрастает вращающий момент механизма. Поэтому может быть снижена мощность собственного потребления прибора и/или повышена его чувствительность. Кроме того, наличие магнитопровода ослабляет влияние внешних магнитных полей и поэтому не требуется экранирование механизма. Правда, точность ФД-приборов ниже, а диапазон частот — несколько уже, чем у ЭД-приборов.
Обозначение ФД-системы на шкалах приборов:
Главное применение ЭД- и ФД-приборов — работа в электрических цепях переменного тока промышленной частоты (50 Гц).
1.7. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ВОЛЬТМЕТРЫ
Электростатические (ЭС) вольтметры применяются в основном для измерения напряжений в высоковольтных цепях как постоянного, так и переменного тока.
Конструкция и принцип действия. Принцип действия ЭС ИМ основан на взаимодействии заряженных электродов. В основе конструкции этого ИМ (рис. 1.13) два электрода (алюминиевые пласти-
18
Рис. 1.13. Устройство электростатического механизма
ны, между которыми — воздушный зазор), образующих переменную емкость. Измеряемое напряжение Uподается на неподвижную пластину 7, образующую своеобразную камеру, и подвижную 2, закрепленную на оси 3. Спиральная пружина 4 служит для создания противодействующего момента Мпр. Стрелка 5 и шкала 6 образуют отсчетное устройство.
Подведенное к пластинам напряжение U создает между пластинами электрическое поле. Под действием электростатических сил притяжения подвижная пластина втягивается в камеру неподвижной пластины, поворачивая при этом ось со стрелкой. Чем выше приложенное (измеряемое) напряжение U, тем глубже входит подвижная пластина внутрь неподвижной (увеличивается площадь перекрытия пластин) и тем больше угол поворота.
Геометрия подвижной пластины выбирается такой, чтобы повысить линейность (равномерность) шкалы прибора.
Вращающий момент М равен производной энергии этой электромеханической системы по углу поворота а:
2 da
где U — напряжение на пластинах; С — емкость между пластинами; a — угол поворота сердечника.
Противодействующий момент
Чтр = aQ’
где Q. — удельный противодействующий момент.
19
Рис. 1.14. Расширение диапазонов измерения электростатического вольтметра
Моменты М и Л/пр направлены навстречу друг другу. С ростом угла поворота а противодействующий момент Мпр пропорционально растет. Это происходит до тех пор, пока моменты не станут равны. М — Мпр. При этом
-и2— = аЯ.
2 da
Отсюда уравнение шкалы ЭС-вольтметра:
U2dC a = ----•
2Q da
Из последнего уравнения следует, во-первых, что ЭС-приборы могут измерять напряжение в цепях и постоянного, и переменного тока, а во-вторых, что шкала у ЭС-вольтметров — нелинейная (квадратичная).
Расширение диапазонов измерения ЭС-вольтметров можно выполнять несколькими способами (рис. 1.14).
На постоянном токе это делается с помощью резистивного делителя напряжения (см. рис. 1.14, а). На переменном токе используют емкостный делитель напряжения (см. рис. 1.14, б) или, в крайнем случае, добавочный конденсатор (см. рис. 1.14, в), который совместно с емкостью самого ЭС-механизма также создают делитель напряжения.
Особенности ЭС-вольтметров. К достоинствам ЭС-вольтметров можно отнести следующие:
•	высокое входное сопротивление (на постоянном напряжении — практически бесконечное, а на низких и средних частотах составляет десятки мегаом и более), что означает чрезвычайно малое собственное потребление энергии от источника измеряемого напряжения;
20
•	реакция на среднее квадратическое (действующее) значение напряжения (независимо от формы сигнала);
•	широкий диапазон частот измеряемых напряжений (до единиц - десятков мегагерц);
•	сравнительно высокая точность (типичные классы точности 0,5-1,5);
•	простота конструкции и, следовательно, достаточная надежность.
Недостатки ЭС-вольтметров:
•	нелинейная шкала;
•	малая чувствительность;
•	возможное значительное влияние внешних электрических полей, требующее экранирования механизма.
Существует разновидность конструкции ЭС ИМ, в которой изменение емкости происходит с изменением расстояния между пластинами. Этот вариант применяется в случае измерения достаточно больших напряжений.
Основное применение ЭС-вольтметров — измерения в высоковольтных цепях, в маломощных цепях, а также в цепях с высокочастотными сигналами.
Обозначения вольтметров ЭС-системы на шкалах: Т"
Обозначение ЭС-вольтметров с экранированным ИМ:
1.8. ПРИБОРЫ ИНДУКЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
Конструкция и принцип действия. Принцип действия индукционных приборов основан на взаимодействии двух или нескольких переменных магнитных потоков с токами, индуцированными в подвижном проводнике (например, диске). Типичным представителем этой системы является классический индукционный счетчик — измеритель активной энергии.
Рассмотрим устройство и принцип действия индукционного однофазного счетчика активной энергии. На рис. 1.15 показана упрощенная конструкция такого прибора. Основными элементами являются два магнитопровода со своими обмотками (напряжения и токовой), вращающийся диск и счетный механизм. Как и ваттметр, счетчик содержит токовую обмотку и обмотку напряжения. Включается счетчик в цепь так же, как и ваттметр.
21
Рис. 1.15. Упрощенная конструкция индукционного однофазного счетчика
Чертеж (рис. 1.16) и векторная диаграмма (рис. 1.17) поясняют принцип действия этого прибора.
Рассмотрим работу счетчика на примере входных сигналов напряжения и тока синусоидальной формы с действующими значениями, равными соответственно <7и I. Входное напряжение U, приложенное к обмотке напряжения 2, создает в ней ток 1ц имеющий по отношению к напряжению Uсдвиг по фазе, близкий к 90° (из-за большого индуктивного сопротивления этой обмотки). Ток 1ц рождает магнитный поток Фц в среднем сердечнике магнитопровода обмотки напряжения 1. Этот поток делится на два потока: нерабочий Фэд, который замыкается внутри магнитопровода 7, и основной Фцц пересекающий диск 6, закрепленный на оси 7и вращающийся вместе с нею. Этот основной поток замыкается через противополюс 5.
Входной ток I, текущий в токовой обмотке 4, создает в магнитопроводе 3 магнитный поток Ф7, который дважды пересекает диск 6. Поток Фу отстает от тока / на небольшой угол потерь az (поскольку сопротивление токовой обмотки мало).
Таким образом, диск пересекают два магнитных потока ФйиФ;, не совпадающих в пространстве и имеющих фазовый сдвиг у. При этом в диске возникает вращающий момент
22
Рис. 1.16. К пояснению принципа действия счетчика
М = с/Ф^Фу8Ш\|/,
где с — некая константа; f — частота напряжения.
При работе на линейном участке кривой намагничивания материалов магнитопроводов можно считать, что:
Фу —	~	^2 U/Zu*
где и - коэффициенты пропорциональности; Z^ — полное комплексное сопротивление обмотки напряжения.
Учитывая, что реактивная (индуктивная) составляющая сопротивления Z^ обмотки напряжения гораздо больше активной, можно записать:
Ьц — индуктивность обмотки напряжения.
Тогда
= k2U/WLv) = k3U/f
к3 = к^/^пЬу).
Рис. 1.17. Векторная диаграмма
23
Следовательно, вращающий момент М в данной электромагнитной механической системе можно определить таким образом:
М = kUIsm \|/,
где к — коэффициент пропорциональности.
Для того чтобы вращающий момент был пропорционален текущей активной мощности, необходимо выполнение условия
sin \|/ = cos ср.
А это, в свою очередь, выполнится, если у + ф = 90°. Это равенство может быть обеспечено изменением (регулированием) угла потерь ар Изменение этого угла реализуется двухступенчато: грубо — изменением числа короткозамкнутых витков, надетых на магнитопровод 3, и плавно — изменением сопротивления вспомогательной цепи (эти элементы конструкции на рис. 1.15 и рис. 1.16 не показаны).
Таким образом, вращающий момент Мпропорционален текущему значению активной мощности. Интегрирование реализовано счетным механизмом 9, связанным с осью 7 червячной передачей 8.
Постоянный магнит служит для создания тормозного момента и обеспечения угловой скорости вращения, пропорциональной текущему значению активной мощности. Кроме того, в реальной конструкции есть элементы, обеспечивающие дополнительный момент, компенсирующий момент трения, а также элементы устранения “самохода” (на рис. 1.15 и рис. 1.16 не приведены).
Включение счетчика. На рис. 1.18 показано включение однофазного счетчика активной энергии.
При необходимости работы в цепях с напряжениями и/или токами большими, чем номинальные для конкретного счетчика, используются измерительные трансформаторы напряжения и/или тока. Схема подключения такая же, как и в подобном случае с ваттметрами.
Для измерения реактивной энергии также используются индукционные счетчики. Принцип их действия аналогичен рассмотренному. Некоторые различия в конструкции, организации подключения и, как следствие, в векторных диаграммах позволяют получить скорость вращения диска, пропорциональную значению текущей реактивной мощности.
Номинальная постоянная счетчика. Число оборотов диска, приходящееся на единицу учитываемой счетчиком энергии, называют передаточным числом счетчика. Например, в паспорте сказано:
24
Рис. 1.18. Включение однофазного счетчика активной энергии
“2000 оборотов соответствуют одному киловатт-часу” (1 кВт • ч = = 2 000 оборотов). Коэффициент, обратный передаточному числу, т.е. энергия, приходящаяся на один оборот диска, называется номинальной постоянной счетчика Сном. В нашем примере:
сном = 3600 ’ Ю00/2000 = 1800 Вт • с/об.
Зная Сном и число оборотов N, можно определить потребленную активную энергию
С N УУ VHOM
Пример. Номинальная постоянная счетчика известна: Сном = 1800 Вт • с/об. За время наблюдения зафиксировано 400 оборотов диска (#= 400). Определим значение активной энергии потребленной за время наблюдения:
1800 • 400 = 720 000 Вт • с = 0,2 кВт • ч.
Классы точности индукционных счетчиков (задаются пределом относительной погрешности) обычно невысоки: 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 4,0.
Обозначение индукционной системы на шкалах приборов:
Трехфазные счетчики. Для учета суммарной активной и реактивной энергии в трехфазных цепях используются двухэлементные и трехэлементные счетчики. В таких счетчиках применяются те же
25
Рис. 1.19. Двухэлементный трехфазный счетчик
конструктивные элементы (два или три механизма), что и в однофазных приборах. Диски (два или три) закреплены на общей оси. Вращающие моменты дисков складываются, и скорость вращения оси зависит от суммарной текущей потребляемой мощности. На рис. 1.19 упрощенно показано устройство двухэлементного трехфазного счетчика. Скорость вращения в данном случае определяется суммой моментов Mi и М2. Включаются трехфазные счетчики так же, как и трехфазные ваттметры.
В настоящее время в задачах измерения активной энергии все шире применяются цифровые (микропроцессорные) счетчики энергии. В задачах технических экспресс-измерений для оценки потребленной энергии в кратковременных экспериментах используют автономные цифровые измерительные регистраторы/ана-лизаторы, которые имеют режим вычисления активной и реактивной энергии или позволяют найти эти величины с помощью компьютера и специализированного программного обеспечения.
26
ГЛАВА ВТОРАЯ
Электронные измерительные приборы
Аналоговые электронные измерительные приборы —- это такие приборы, в которых энергия для механического перемещения указателя отсчетного устройтва поступает не от источника измеряемого сигнала (как в электромеханических приборах), а от вспомогательного источника энергии, например от электрической сети, питающей прибор. Электронные ИП (ЭИП) представляют собой более сложные устройства, чем электромеханические. Они содержат несколько различных преобразователей, которые в общем случае выполняют функции деления, усиления, выпрямления и фильтрации сигнала, преобразования одних электрических величин в другие. В качестве выходных устройств в большинстве ЭИП используются магнитоэлектрические измерительные механизмы с соответствующей градуировкой шкалы.
В задачах электрических измерений используется множество ЭИП различных типов (вольтметры переменного и постоянного напряжения, частотомеры и фазометры, омметры, измерители индуктивностей и емкостей, разнообразные генераторы, осциллографы и анализаторы). Среди этого многообразия выделим группу электронных вольтметров как наиболее распространенных приборов и рассмотрим основные особенности построения и применения ЭИП на примере именно вольтметров.
2.1.	ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Электронные вольтметры переменного напряжения — наиболее часто применяемые приборы. Эти вольтметры строятся по одной из двух структурных схем (рис. 2.1). Измеряемое переменное напряже-
27
Рис. 2.1. Структуры электронных вольтметров переменного напряжения
ние LL поступает на вход вольтметра. Входная цепь (ВЦ) прибора может содержать делители напряжения, переключатели, вспомогательные преобразователи, фильтры и др. Усилитель необходим для усиления сигналов до необходимого уровня. Детектор и в той, и в другой схеме служит для выпрямления переменного входного (или усиленного) сигнала. ИП — выходной измерительный прибор (чаще всего магнитоэлектрической системы), шкала которого градуируется в требуемых значениях.
Схемы различаются последовательностью чередования основных этапов преобразования исследуемого сигнала. В первом случае (рис. 2.1, а) входное периодическое напряжение U~ сначала усиливается с помощью усилителя переменного напряжения, а затем выпрямляется детектором. Приборы, построенные по этой схеме (усилитель — детектор — прибор), обладают более высокой чувствительностью (порог чувствительности — доли микровольта), но имеют заметно меньший диапазон частот измеряемых напряжений (до 20 МГц).
В приборах, построенных по схеме рис. 2.1, £ (детектор — усилитель — прибор), входной сигнал сначала выпрямляется детектором, а затем усиливается усилителем постоянного напряжения. Такие вольтметры, наоборот, обладают более широким диапазоном частот (от 20 Гц до 500 МГц), но имеют существенно меньшую (худшую) чувствительность (порог чувствительности от 0,5 В).
2.2.	ВЫПРЯМИТЕЛИ (ДЕТЕКТОРЫ)
Одним из основных элементов электронного вольтметра переменного напряжения является выпрямитель (детектор) — преобразователь переменного напряжения в постоянное. Именно особенности детектора в значительной мере определяют функциональные возможности и характеристики вольтметра. В зависимости от назначения вольтметра используются различные детекторы:
•	амплитудного значения;
28
Рис. 2.2. Амплитудный детектор с открытым входом
•	среднего выпрямленного значения;
•	среднего квадратического (действующего) значения.
Детекторы амплитудного значения (или амплитудные детекторы — АД) делятся на детекторы с так называемым открытым (АДОВ) и с закрытым (АДЗВ) входами. Амплитудные детекторы иногда называются пиковыми детекторами. Рассмотрим устройства и работу таких детекторов. При рассмотрении работы обоих вариантов детекторов будем полагать, что выходное сопротивление предыдущего каскада (ВЦ или усилителя — в зависимости от структуры вольтметра) пренебрежимо мало и не определяет значения постоянных времени заряда т3 и разряда тр конденсатора С.
На рис. 2.2, а приведена упрощенная схема АДОВ, на рис. 2.2, б — временная диаграмма изменения входного u(t) и выходного ивых(0 напряжений такого детектора. Схема содержит полупроводниковый диод VD, конденсатор Си нагрузочный резистор R.
При поступлении положительной полуволны входного напряжения и (/) на верхнюю входную клемму (точнее, при положительной разнице потенциалов между верхней и нижней входными клеммами) диод VD открывается (при этом его сопротивление становится малым — г0) и через конденсатор Стечет ток, заряжающий его. При отрицательной разнице значений текущего входного напряжения и (t) и напряжения на конденсаторе диод VD закрывается (при этом его сопротивление становится большим) и конденсатор С медленно разряжается через большое сопротивление резистора R (рис. 2.2, б). Поскольку постоянная времени заряда т3 конденсатора С гораздо меньше постоянной времени разряда тр
т3 = Сг0 с тр = СЯ,
то напряжение на конденсаторе непрерывно растет и через несколько периодов входного сигнала напряжение на выходе детектора
29
Рис. 2.3. Реакция АДОВ на сумму переменного и постоянного сигналов
wBbIX(0 становится практически равным амплитудному значению Um входного напряжения и (t). Отметим, что форма входного периодического сигнала в большинстве реальных случаев значения не имеет.
Если же входное напряжение и (t) представляет собой сумму переменной (с амплитудой Um) и постоянной UQ составляющих (рис. 2.3), то реакция АДОВ по окончании переходного процесса будет соответствовать самому большому значению входного напряжения, т.е. выходное напряжение станет равным сумме Од + ^т- И, следовательно, показания выходного измерительного прибора будут определяться именно этой суммой.
Отметим, что форма переменной составляющей входного периодического сигнала и в данном случае практически не имеет значения.
Амплитудный детектор с закрытым входом (АДЗВ) — рис. 2.4 — на переменный входной сигнал без постоянной составляющей реагирует, по сути, аналогично рассмотренному АДОВ.
И в этом варианте при положительной полуволне напряжения на верхней входной клемме, точнее, при текущем значении входного напряжения и (t) большем, чем напряжение на конденсаторе u^t), открывается диод VD и конденсатор С быстро заряжается через его малое сопротивление. Если текущее значение входного напряжения и (t) меньше напряжения на конденсаторе u^t), то диод VD закрыт и конденсатор С медленно разряжается через большое сопротивле-
30
Рис. 2.5. Реакция амплитудного детектора с закрытым входом
ние резистора R. Поскольку конденсатор С быстро заряжается и медленно разряжается, то напряжение на нем u^t) будет постепенно расти (по модулю) и через нескольких периодов входного сигнала практически достигнет амплитудного значения — Um (рис. 2.5).
Напряжение uR(t) на резисторе R представляет собой разницу входного напряжения и (t) и напряжения на конденсаторе u^t). Это напряжение в установившемся режиме повторяет по форме входное измеряемое, но смещено на амплитудное значении —Um. Далее напряжение состоящее из суммы переменной составляющей и постоянной — Um, поступает на вход фильтра нижних частот (ФНЧ), который сглаживает форму этого сигнала. Выходное напряжение фильтра «вых(0 соответствует среднему значению его входного напряжения, т.е. — Um. Таким образом, выходное напряжение «вых(0 через несколько периодов входного сигнала станет практически равным максимальному (амплитудному) значению Um входного измеряемого напряжения.
При входном сигнале, содержащем помимо переменной (с амплитудой Um) еще и постоянную составляющую UQ, АДЗВ ведет себя иначе, чем АДОВ. В этом случае через несколько периодов конденсатор С зарядится до напряжения, равного сумме Um + (70, т.е. конденсатор С “не пропускает” постоянную составляющую, и выходное напряжение wBbIX(Z) будет определяться только амплитудой Um переменной составляющей выходного сигнала.
Детекторы среднего выпрямленного значения (СВЗ) делятся на однополупериодные и двухполупериодные. Рассмотрим вариант двух-полупериодного детектора СВЗ (рис. 2.6, а) как наиболее распространенного.
В основе схемы детектора четыре одинаковых полупроводниковых диода (VD1 - VD4), соединенных в мостовую схему.
31
Рис. 2.6. Детектор среднего выпрямленного значения
При поступлении положительной полуволны входного напряжения и (t) на верхнюю клемму открываются диоды VD1 и VD3 (другие диоды закрыты) и через резистор R начинает протекать ток (справа налево) — рис. 2.6, а.
При отрицательной полуволне и (t) на верхней клемме (т.е. при положительной полуволне на нижней клемме) открываются только диоды VD2 и VD4 и через резистор R вновь начинает протекать ток, причем в том же направлении (справа налево). Таким образом, ток через резистор протекает всегда в одну и ту же сторону (рис. 2.6, б). Этот ток iR(t) создает падение напряжения на резисторе R. Это однополярное (уже выпрямленное) напряжение, среднее значение которого пропорционально среднему выпрямленному значению Uc в входного напряжения и (t), поступает затем на вход ФНЧ, с помощью которого выполняется сглаживание сигнала. В результате на выходе фильтра возникает постоянное напряжение, пропорциональное среднему выпрямленному значению Uc в входного напряжения u(t).
Детекторы среднего квадратического значения (СКЗ) — Root Mean Square (RMS) делятся на аппроксимирующие детекторы (т.е. устройства, лишь приближенно дающие нужный результат) и детекторы так называемого истинного СКЗ.
Рассмотрим устройство аппроксимирующего детектора СКЗ (рис. 2.7, а). Основными элементами схемы являются набор однотипных резистивно-диодных цепочек (Ri — VD1, R2 — VD2, R3 — VD3,... Rn — VDn); делитель напряжения, образованный резисторами Гр r2, г3’ —, гп> го и источником стабильного известного напряжения Uq, а также фильтр нижних частот ФНЧ. Делитель напряжения создает ряд последовательно возрастающих опорных потенциалов (фр ф2, ф3,..., фл ). Фильтр нижних частот предназначен для сглаживания кривой выходного напряжения.
32
a)
Характеристика преобразования детектора
Рис. 2.7. Аппроксимирующий детектор среднего квадратического значения
При поступлении на вход детектора напряжения «(/), текущее значение (7ВХ которого больше, чем значение потенциала (р! (но меньше значения всех остальных потенциалов), открывается диод VD1 и по цепи R\ — VD1 — начинает протекать ток Если входное напряжение будет расти, то пропорционально будет расти и ток /| до тех пор, пока текущее значение t/BX не превысит потенциал ф2. При этом, наряду с уже открытым диодом VD1, откроется также диод KD2 и через резистор Г| потечет сумма токов + z2 (рис. 2.7, б). При дальнейшем увеличении входного напряжения будут последовательно открываться и другие резистивно-диодные цепочки и суммарный ток в резисторе q будет расти. Таким образом, чем больше текущее значение входного напряжения (/вх, тем большее число резистивно-диодных цепочек откроется и тем, следовательно, больше будет суммарный ток, протекающий в резисторе q (рис. 2.7, б). Подбором числа и параметров резистивно-диодных цепочек можно достичь желаемого квадратического характера зависимости суммарного тока (и, следовательно, зависимости выходного напряжения детектора) от текущего значения входного напряжения UBX.
Детекторы истинного СКЗ (True RMS — TRMS), в отличие от рассмотренных — аппроксимирующих, реагируют именно на действительное (реальное) среднее квадратическое (действующее) значение независимо от формы кривой входного напряжения. На рис. 2.8, а приведена простейшая иллюстрация принципа действия
33
детектора истинного СКЗ, в основе которого лежит термоэлектрический преобразователь.
Входное измеряемое напряжение и (t) с помощью усилителя переменного напряжения Ус- усиливается и поступает на термоэлектрический преобразователь ТП, содержащий две части: нагреватель Ни термопару Т. Переменный ток, протекающий через Н, нагревает его до температуры, пропорциональной именно действующему значению входного измеряемого напряжения u(t). В непосредственной близости от нагревателя расположен рабочий спай термопары, поэтому значение ее термоЭДС ет определяется температурой нагревателя и, следовательно, будет пропорционально действующему значению измеряемого напряжения u(t). Усилитель постоянного напряжения Ус— усиливает выходной сигнал малого уровня термопары. Таким образом, независимо от формы входного сигнала выходное постоянное напряжение (7ВЬ1Х такого детектора пропорционально именно истинному действующему значению.
Рассмотрим один из вариантов реального устройства такого детектора СКЗ (рис. 2.8, б). Прямой канал преобразования, как и в уже рассмотренной структуре, создается усилителем Ус- и термопреобразователем ТП1. Чем больше СКЗ входного напряжения, тем больше термоЭДС ТП1 и тем больше выходной ток /вых усилителя постоянного напряжения Ус—. Этим током нагревается нагреватель второго термопреобразователя ТП2 до температуры, создающей термоЭДС термопары ТП2, практически равной термоЭДС термопары ТП1. Термопары обоих ТП включены встречно. Поэтому при любых изменениях СКЗ входного напряжения и (t) соответственно изменяется выходной ток /вых и, следовательно, термоЭДС ТП2. Таким образом, на входе усилителя Ус— автоматически всегда поддерживается минимальная разность &Е двух термоЭДС: ТП1 и ТП2. Благодаря такой отрицательной обратной связи заметно повышаются линейность и точность преобразования. Выходной ток /вых, протекая по вспомогательному резистору R, создает выходное напряже
34
ние (7ВЫХ детектора, пропорциональное действительному (истинному) СКЗ измеряемого входного напряжения и (/).
Основные достоинства электронных вольтметров с термоэлектрическими детекторами:
•	высокая точность преобразования (до 0,1 %);
•	широкий диапазон частот (до 10 МГц);
•	измерение истинного СКЗ напряжения.
Пожалуй, единственный недостаток таких вольтметров — сравнительно невысокое быстродействие, т.е. быстрые изменения СКЗ входного сигнала не воспринимаются сразу в силу тепловой инерционности ТП.
2.3. ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Основными достоинствами электронных вольтметров (по сравнению с электромеханическими) являются следующие:
•	малая мощность потребления от исследуемой цепи (источника сигнала), что обусловлено большим входным сопротивлением приборов — 105 — 107 Ом;
•	широкий диапазон амплитуд исследуемых напряжений — от 10 мкВ до 1000 В — за счет применения усилителей и делителей;
•	высокая чувствительность — 0,1 — 1,0 мкВ;
•	широкий диапазон частот входных периодических сигналов (у некоторых типов до 500 МГц);
•	более широкие функциональные возможности, возможность измерения одним прибором нескольких различных параметров (например, постоянного и переменного напряжения, сопротивления постоянному току, параметров комплексного сопротивления).
К недостаткам этих приборов относятся следующие:
•	сравнительно большая инструментальная погрешность (1,5 — 4 %), за исключением термоэлектрических вольтметров;
•	сложность устройства ЭИП и, как следствие, сравнительно невысокая надежность и высокая стоимость;
•	требование дополнительного источника питания (или внешнего — электрической сети, или внутреннего — батареи);
•	сравнительно большие габариты и масса.
35
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
Измерение некоторых параметров электрических цепей
Оценка параметров электрических цепей (сопротивлений активных и реактивных — емкостей, индуктивностей) относится к числу довольно распространенных задач электрических измерений. Различают сопротивления постоянному току (условно — чисто активные сопротивления) и сопротивления переменному току (реактивные, комплексные). Отметим, что реальные сопротивления не бывают чисто активными или чисто реактивными.
В современной практике возникают потребности измерять значения сопротивлений в очень широких пределах (10 “ 9 — 1015 Ом). Требования по точности, разрешающей способности и чувствительности результатов измерений также лежат в широких диапазонах. Сегодня используются различные методы и средства измерения со-
Рис. 3.1. Виды, методы и средства измерения сопротивлений
36
противлений. Известны прямые и косвенные измерения, методы непосредственной оценки и сравнения с мерой. Применяют как аналоговые. так и цифровые подходы.
На рис. 3.1 приведена упрощенная классификация основных подходов (видов, методов и средств измерения), наиболее часто применяемых в обычной практике.
Рассмотрим некоторые основные аналоговые методы и средства. При этом ограничимся упрощенным описанием устройства приборов и облегченными выкладками. В зависимости от постановки конкретной задачи (вид измеряемого параметра, предполагаемое его значение, требуемые точность и чувствительность, специфика объекта, возможности и квалификация экспериментаторов) выбирают тот или иной вариант решения.
3.1.	ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОММЕТРЫ
Рассмотрим наиболее распространенные средства измерения сопротивления постоянному току — аналоговые магнитоэлектрические омметры. Это малогабаритные, переносные, сравнительно простые, поэтому надежные и дешевые приборы. Правда, класс точности этих приборов сравнительно невысок: 1,5 — 4,0.
На рис. 3.2, а приведена схема омметра, в которой измерительный механизм (ИМ) включен последовательно с резистором неизвестного сопротивления Rr
В качестве ИМ используется магнитоэлектрический микроамперметр. Регулировочный резистор и переключатель 5ИКнеобхо-димы для начальной настройки прибора. Перед экспериментом необходимо замкнуть ключ SWи, изменяя сопротивление резистора R^ установить на шкале прибора максимальное отклонение стрелки а, соответствующее нулевому сопротивлению R*. Эта процедура необходима потому, что источником питания прибора обычно являет-
Рис. 3.2. Омметр с последовательной схемой
37
Рис. 3.3. Омметр с параллельной схемой
ся гальванический элемент, ЭДС которого, естественно, меняется во времени.
Шкала такого омметра нелинейная и обратная (т.е. нулевое значение шкалы сопротивлений находится справа и соответствует максимальному току ИМ), поскольку ток, текущий через ИМ, обратно пропорционален значению Rx (рис. 3.2, бив). Такие омметры применяются для измерения сравнительно больших сопротивлений (10 кОм - 100 МОм).
На рис. 3.3, а приведена схема омметра, в которой измерительный механизм включен параллельно резистору с неизвестным сопротивлением Rx. Резистор Ry и ключ £ Выслужат для начальной настройки прибора. В нормальном режиме (в режиме измерения) ключ 5Ж замкнут. Перед экспериментом необходимо разомкнуть ключ SJV и, изменяя сопротивление резистора Яр, установить на шкале прибора максимальное отклонение стрелки а, соответствующее в данном случае бесконечному сопротивлению Rx.
Шкала такого омметра также нелинейная (рис. 3.3, би в), но прямая, в отличие от предыдущего варианта омметра. Такие омметры применяются для измерения сравнительно малых сопротивлений (10 мОм — 10 кОм).
Оба варианта схем широко применяются в аналоговых универсальных измерительных приборах (тестерах).
Довольно распространены конструкции омметров (в частности — мегаомметров), в которых используется логометрический магнитоэлектрический механизм. Отличие этого механизма (рис. 3.4, а) от обычного состоит в том, что на одной оси жестко закреплены под определенным углом две рамки (катушки).
Вращающий момент и, соответственно, отклонение стрелки пропорциональны отношению токов 1х/12 в катушках (рис. 3.4, 6). Токи в катушках равны соответственно:
I{ = U/R}, I2=U/R2.
38
Рис. 3.4. Магнитоэлектрический логометрический механизм и омметр на его основе
Таким образом, показания Птакого омметра:
П= klx/l2 = к (U/Rx)/( U/R2) = kR2/R{,
где к — коэффициент пропорциональности.
Как видно, показания этих приборов практически не зависят от изменения ЭДС источника питания Е в достаточно широких пределах, поскольку отношение токов, текущих в двух обмотках, не зависит от значения напряжения U
Таким образом, если последовательно с одной катушкой включен резистор с известным сопротивлением, а в цепи другой — неизвестное сопротивление, то его значение может быть найдено.
3.2.	ЭЛЕКТРОННЫЕ ОММЕТРЫ
Рассмотрим принцип действия электронного омметра. На рис. 3.5 показана упрощенная схема прибора.
В основе схемы усилитель Ус напряжения постоянного тока с отрицательной обратной связью, которая образована измеряемым сопротивлением Rx. Для рассмотрения работы схемы оговорим некоторые допущения. Коэффициент усиления Ус и его входное сопротивление стремятся к бесконечности; выходное сопротивление стремится к нулю.
В схему входят также источник ЭДС Е, образцовый резистор R$ и вольтметр V. Ток 1Х, текущий от источника Е к инвертирующему входу Ус (к точке А) через резистор Яд, равен:

39
Рис. 3.5. Электронный омметр
С другой стороны, можно записать, что ток 12, текущий через резистор с неизвестным сопротивлением Rx, равен:
4 = (^вых-г4х)/^
где UBX — напряжение на инвертирующем входе Ус (в точке Л); С/вых — напряжение на выходе Ус.
Учитывая введенные допущения, получаем, что токи Ц и /2 равны, поскольку на вход Ус ток не течет, а потенциал точки А равен нулю, т.е. UBX = 0. Тогда можно записать:
Отсюда
^вых	/А)‘
Поскольку значения Ей Rq можем считать постоянными, делаем вывод, что шкала прибора практически линейная:
^вых
где А:—коэффициент пропорциональности, зависящий от значений ТГи^о.
Для реализации многодиапазонных омметров используется набор переключаемых образцовых резисторов Rq.
3.3.	МОСТЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Мостовые схемы могут работать в двух режимах: равновесия (уравновешенные мосты) и неравновесном (неуравновешенные мо
40
сты). Первые обеспечивают более высокую точность, вторые более удобны в работе.
Различают одинарные и двойные мосты постоянного тока. Рассмотрим устройство уравновешенных одинарных мостов. Типичные диапазоны измеряемых сопротивлений (10-3 — 106 Ом), классы точности мостов (предельные значения основных относительных погрешностей 5П) лежат в пределах 0,01 — 0,1 %.
На рис. 3.6, а приведена простейшая конфигурация одинарного четырехплечего моста, содержащая четыре резистора Rx — R4, нулевой индикатор НИ и источник постоянного напряжения С/п. В качестве НИчаст используется чувствительный магнитоэлектрический гальванометр.
Целенаправленным изменением сопротивления одного или нескольких резисторов R2 — R4 можно достичь отсутствия показаний НИ— 0 (т.е. отсутствия тока в НИ), что свидетельствует о равенстве потенциалов фл = ср^, т.е. о нулевой разности потенциалов в измерительной диагонали моста. При этом можно записать

Ч>Б ~ ф£ “ 4 ^з-
Это означает, что IXRX = /2А4; I^R2 = /2Ry Отсюда следуют равенства:
А* A3 = R2R<, R\ = ^2^4/^Зф
Таким образом, если сопротивление R{ неизвестно, то, уравновесив мост и зная сопротивления образцовых резисторов R2, R3, R4, можно определить искомое значение Ар
Рис. 3.6. Одинарные мосты постоянного тока
41
Рис. 3.7. К вопросу о чувствительности моста
При измерении малых значений сопротивлений А* существенное влияние на результат может оказать сопротивление гл с соединительных проводников (рис. 3.6, б), так как они оказываются включенными последовательно с измеряемым Rx. При соизмеримых значениях этих сопротивлений гл с и Rx погрешность может быть значительной. Для ослабления (уменьшения) этого влияния применяют четырехпроводное подключение резистора Rx (рис. 3.6, в). При ЭТОМ сопротивления проводников ЛИНИИ СВЯЗИ г2 и Г4 не ВЛИЯЮТ на результат измерения, а воздействие сопротивлений q и г3 сравнительно невелико, так как их сопротивления гораздо меньше R2 и А4 соответственно.
Важной характеристикой моста является его чувствительность. Чем выше чувствительность, тем выше может быть обеспечена точность измерения. Чувствительность S любого функционального преобразователя /’определяется отношением изменения выходного параметра А У к вызвавшему его изменению входного параметра ДХ (рис. 3.7, а).
Одинарный мост (рис. 3.7, б) можно представить частями (рис. 3.7, в): мостовой схемой МСи нулевым индикатором НИ. Работа моста может быть представлена двумя последовательно выполняемыми функциями: преобразованием изменения входного сопротивления ДА в изменение тока Д/ в измерительной диагонали моста и последующим преобразованием этого тока в отклонение указателя Да нулевого индикатора НИ. Таким образом общая чувствительность моста 5М может быть представлена произведением чувствительности мостовой схемы 5МС и чувствительности нулевого индикатора 5НИ:
5М “ ^МС ^НИ “ (Д//ДА)(Да/Д7) — Да/ДА.
42
Чувствительность 5НИ определяется конструкцией и принципом действия НИ. Чувствительность же мостовой схемы 5МС прямо пропорциональна значению напряжения питания Un. Повышение чувствительности моста SM увеличением напряжения Un возможно лишь до тех пор, пока не превышается предельно допустимая мощность рассеяния в резисторах плеч моста (особенно — в измеряемом).
Часто оперируют понятиями относительной чувствительности моста 5ОТН и/или только мостовой схемы	которые определя-
ются соответственно:
50ТН = Да/(ДЯ • 100/7?); 5отнМС = Д//(ДА • 100/7?).
Единицы величин:	— дел/% (делений на процент);
А/% (амперы на процент). Например, если 5ОТН = 20 дел/%, то этого не достаточно для обеспечения класса точности 0,01 % (т.е. Sn = 0,01 %), поскольку при изменении измеряемого сопротивления R на 0,01 % отклонение указателя индикатора составит всего 0,2 деления.
3.4.	КОСВЕННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Метод амперметра и вольтметра. В соответствии с законом Ома с помощью амперметра и вольтметра можно измерить значение сопротивления R постоянному току косвенным образом, например, по схеме рис. 3.8, а.
В результате деления показаний вольтметра U на показания амперметра /получаем оценку значения (т.е. приблизительное — вычисленное Ав — значение) искомого сопротивления R. Вычисленное значение
R^U/I.
В данном эксперименте имеет место методическая погрешность, определяемая не классами точности приборов, а их внутренними сопротивлениями и схемой включения. Разница между вычисленным Яв и действительным А значениями (абсолютная методическая погрешность Дм) и относительная методическая погрешность Зм равны соответственно:
Дм = Лв-Л = Лл; 5м«Лл.100/Лв.
В данном случае причина погрешности в наличии конечного (а не нулевого) внутреннего сопротивления амперметра Т?А. Зная значе-
43
Рис. 3.8. Косвенное измерение сопротивления
ние этого сопротивления, можно, во-первых, оценить значение методической погрешности для данного случая, а во-вторых, можно скорректировать (исправить) результат уменьшением вычисленного значенйя на значение ЛА. Отметим, что вычисленное значение RB в данном случае больше реального R, а методические погрешности (и абсолютная, и относительная) — положительны.
Заметим, что изменение конфигурации схемы (рис. 3.8, б) не исключает методическую погрешность. В этом случае источником погрешности будут конечное (не бесконечно большое) внутреннее сопротивление вольтметра RyH, как следствие, несколько завышенные показатели амперметра.
Можно показать, что в этой схеме относительная погрешность 5М равна:
5М = —R • 100/(7? + Ry).
Если сопротивление R гораздо меньше сопротивления Ry, то можно приблизительно оценивать погрешность 8М таким образом:
5М«-А. 100/Яи.
Отметим, что вычисленное значение во втором случае меньше реального, а методические погрешности (и абсолютная, и относительная) — отрицательны.
Чем меньше отношение значений сопротивления амперметра и искомого А в первой схеме (см. рис. 3.8, а), тем лучше (тем меньше значение методической погрешности). Для второй схемы (см. рис. 3.8, б) чем выше сопротивление вольтметра Акпо сравнению с искомым сопротивлением R, тем лучше. На рис. 3.8, в приведены
44
В ости относительных методиче-решностей SM от значения измеря-шротивления R для обеих схем.
гнсационный метод измерения со-* ения постоянному току основан межуточном преобразовании со-ения в напряжение. В этих случа-$Йх используются компенсаторы (потенциометры) постоянного тока. Компенсационный метод обеспечивает достаточно высокую точность измерения напряжения постоянного тока. На рис. 3.9 показан принцип (метод) измерения.
Через соединенные последовательно Рцс 3 9 Компенсацией-резистор с неизвестным сопротивлением Ный метод измерения Rx и образцовый резистор с известным сопротивлением Rq течет ток I, создаваемый источником ЭДС Е. Поочередно измеряя компенсатором падения
напряжения Ux и Щ на резисторах Rx и Rq (с помощью переключателя SW), можно найти значение сопротивления R^
Ток в этих двух измерениях должен оставаться постоянным. Для задания конкретного значения тока I служит регулировочный резистор ч -
Данный подход относится к косвенным измерениям, поскольку искомая величина находится на основании известной функциональной зависимости и при этом используются два средства измерений: компенсатор и образцовый резистор.
3.5.	ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ
Для измерения сопротивления изоляции R* кабелей и технологического оборудования (единицы — десятки — сотни мегаом) используются специальные приборы, конструкция которых отличается от конструкции обычных омметров. Такие приборы называются мегаомметрами (мегометрами).
На рис. 3.10, а представлена упрощенная схема классического электромеханического логометрического мегаомметра. В основе измерительной части прибора — магнитоэлектрический логометрический измерительный механизм (ИМ — см. выше).
45
Вторым важным элементом конструкции является генератор постоянного тока повышенного напряжения с ручным приводом Г. При вращении ротора внутри обмотки статора возникает ЭДС, которая при соединении с внутренней схемой прибора становится напряжением U. Номинальная частота вращения —120 об/мин, номинальные значения напряжений: 100, 500, 1000, 2500 В. Показания прибора определяются отношением токов Zj//2 и практически не зависят от значения напряжения U. Поскольку значения токов 1Х и 12 равны соответственно
IX = U/RX, I2 = U/(R2 + Ли), то показания П прибора определяются отношением токов в катушках:
Я=/1//2 = (А2 + Аи)/А1.
Значения сопротивлений R{ и R2 известны, поэтому показания прибора пропорциональны значению неизвестного (искомого) сопротивления изоляции Rw
Для проверки исправности прибора перед экспериментом выполняют две вспомогательные процедуры. Вначале переключатель устанавливают в положение 1 и замыкают зажимы Л (“линия”) и 3 (“земля”). Вращая рукоятку генератора, необходимо убедиться в нулевом показании прибора. Затем при разомкнутых зажимахЛнЗ проверяют, соответствуют ли показания прибора отметки “оо”. Рабочее положение переключателя (при проведении измерений) — 2.
На рис. 3.10, б показан пример подключения мегометра к исследуемому кабелю (естественно, не находящемуся под напряжением) для контроля изоляции между жилами. Для устранения влияния токов утечки по поверхности изоляции зажим Э (“экран”) прибора
Рис. 3.10. Устройство и подключение мегаомметра
46
подключают к экрану (броне) кабеля (если он/она есть) или к вспомогательным металлическим защитным кольцам.
В настоящее время все шире применяются цифровые методы и средства измерения сопротивления изоляции,
3.6.	ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАЗЕМЛЕНИЯ
Состояние заземления электрооборудования в значительной мере определяет безопасность обслуживающего персонала. На значение этого сопротивления влияют особенности организации системы заземления (ее конструкция, размеры, материал и возраст заземлителей, глубина залегания, их возможная коррозия), свойства грунта (его влажность, кислотность и др.). Для определения значения сопротивления заземления используются специальные измерители малых сопротивлений.
Наиболее простой и распространенный подход к решению таких задач — трехполюсный (трехэлектродный) метод измерения сопротивления заземления. При этом вблизи обследуемого заземлителя в грунт забивают вспомогательные электроды и пропускают ток между испытуемым заземлителем и токовым электродом. Электрод напряжения располагается между основным заземлителем и токовым электродом. Расстояние между электродами должно быть достаточно большим. Затем измеряют протекающий в основном заземлителе ток и падение напряжения на участке между ним и потенциальным электродом. Частота напряжения источника должна отличаться от частоты 50 Гц с тем, чтобы избежать возможных значительных помех. Это мог бы быть и источник постоянного тока, но (возможные) проблемы с электрической поляризацией электродов, погруженных в почву, заставляют использовать переменный ток.
Подобным образом измеряют и удельное сопротивление грунта.
Рисунок 3.11, а поясняет принцип измерения сопротивления заземления на примере косвенного метода амперметра и вольтметра. Помимо основного (испытуемого) заземлителя Z используются два вспомогательных электрода-заземлителя: токовый Z7h потенциальный Zv. С помощью первого (Zz) создается контур протекания тока от источника переменного напряжения Е. Ко второму заземлителю (Z^) подключается вольтметр, которым измеряется падение напряжения на участке от основного заземлителя 2Гдо Z^.
Сопротивление заземления Rx определяется отношением показаний вольтметра U к показаниям амперметра I. Поскольку измеряемое сопротивление мало (доли — единицы ом), то в этой схеме дляуменыие-
47
Рис. 3.11. Измерение сопротивления заземления
ния влияния сопротивления соединительных проводников требуется применять вольтметр с большим входным сопротивлением.
В классическом варианте этот метод реализуется на основе логометрического измерительного механизма, который объединяет в себе функции амперметра и вольтметра. Подключение к объекту такого прибора показано на рис. 3.11, б, и, таким образом, результат измерения получается непосредственно по показаниям прибора.
Иногда для исключения влияния сопротивлений соединительных проводников на результат измерения применяют четырехпроводную схему подключения.
Сегодня все шире применяются цифровые методы и средства измерения сопротивления заземления.
3.7.	МОСТЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Различные методы и средства измерения сопротивления переменному току представим наиболее распространенными инструментами — мостами переменного тока. Мосты переменного тока предназначены для измерения параметров комплексных сопротивлений. Напряжение питания такого моста — переменное.
Реальные нагрузки в электрических цепях переменного тока не бывают чисто активными или чисто реактивными. Не существует идеальных активных сопротивлений, идеальных индуктивностей или идеальных емкостей. Детальная эквивалентная схема любого реального электрического устройства содержит как активные, так и реактивные элементы. Например, обмотка обычного трансформатора как минимум состоит из активной и индуктивной составляющих (а если рассматривать подробнее, т.е. более точно, то следует учитывать и емкостную — межвитковые емкости).
Важное понятие в электроэнергетике, электротехнике, электрических измерениях — понятие комплексного сопротивления Z. Лю
48
бое сопротивления является комплексным, т.е. содержащим как активную R, так и реактивную Xсоставляющие:
Z= R+JX.
Такие сопротивления являются по сути векторными величинами, образованными активной и реактивной составляющими (рис. 3.12, а). Ось абсцисс — действительная ось (Re — Real), ось ординат — мнимая (Im = Imaginary). Любое комплексное сопротивление можно представить следующим образом:
Z— ze-W,
где z — модуль (т.е. скаляр вектора Z); ср — угол вектора (фаза).
Модуль z—длина вектора Z— есть геометрическая сумма составляющих R и X,
В общем виде схема моста переменного тока выглядит так, как показано на рис. 3.12, б. Плечи моста — комплексные сопротивления Z[, Z2, Z3, Z4 — векторы, каждый из которых можно представить так:
Z^z^,
где Zj — модули комплексных сопротивлений Z/, <р; — углы векторов (фазы).
Рис. 3.12. Комплексные сопротивления. Мосты переменного тока
49
Рис. 3.13. Эквивалентные схемы, векторные диаграммы и фазовые сдвиги комплексных сопротивлений
Равновесие такого моста (как и в случае мостов постоянного тока) наступает при равенстве произведений комплексных сопротивлений (векторов) противоположных плеч:
Z1Z3 — ZqZ^>
Это равенство выполняется, если
г1г3е'(<₽1+<₽з) = z^4e/(<P2+<₽4).
Это равенство можно представить двумя равенствами: балансом модулей и балансом фаз соответственно:
Z1Z3 = Z2Z4; (Pt + Фз = ф2 + Ч>4-
Это означает, что для уравновешивания необходимо иметь в противоположных плечах моста реактивности разного характера или в соседних плечах — реактивности одного характера.
На рис. 3.13 показаны эквивалентные схемы, временные диаграммы и фазовые сдвиги типичных комплексных сопротивлений. В комплексном сопротивлении индуктивного характера ток отстает от напряжения на угол ср. В комплексном сопротивлении емкостного характера ток опережает напряжение на угол ср.
50
Рис. 3.14. Мосты переменного тока
На рис. 3.14 приведены варианты схем мостов для последовательных эквивалентных схем: на рис. 3.14, а — схема для случая комплексного сопротивления индуктивного характера, а на рис. 3.14,6— схема моста для случая комплексного сопротивления емкостного характера.
Напомним, что для последовательных эквивалентных схем комплексные сопротивления индуктивного характера ZL и емкостного Zc равны соответственно:
ZL =j&L + A; Zq = 1/(уоэС) + R.
Добротность Q и тангенс угла потерь tgS равны, как известно:
Q = &L/R', tg5 = ttiCR.
В случае равновесия моста для схемы на рис. 3.14, а можно записать:
(>£х + Ах)А3/(1 +>С3А3) = А2А4.
Преобразуем это равенство:
j(^LxR^ + RjqR^ ~	А3А2А4.
51
Рис. 3.15. Устройство нулевого индикатора моста переменного тока
Приравняв действительные и мнимые части равенства (отдельно), получаем окончательные выражения для активной Rx и индуктивной Lx составляющих, а также для добротности Q:
Rx = ^2^4/^3’ Lx — Л2Л4С3; Q = coZy Rx = о>С3Я3.
Для схемы, представленной на рис. 3.14, а, в случае равновесия моста можно записать:
[Rx + 1/(/<оСх)]Я3 = [Я2 + 1/(/<оС2)]Я4.
Преобразуем это равенство:
[А3/(/оэСх)] + RXR3 = (Л^Л/оэС^)] + Я2Я4.
Приравняв действительные и мнимые части равенства (отдельно), получаем окончательные выражения для активной Rx и емкостной Сх составляющих, а также для тангенса угла потерь tgS:
Rx = А2А4/7?3; Сх = R^C^/ R^	= соС2Т?2.
Упрощенное устройство нулевого индикатора моста переменного тока показано на рис. 3.15.
Индикатор содержит усилитель переменного тока Ус~, детектор Д (выпрямитель), измерительный механизм ИМ магнитоэлектрической системы. Резистор R служит для изменения чувствительности моста в процессе уравновешивания.
Пример моста переменного тока: Е7-4. Частота 100 Гц, 1000 Гц. Диапазоны измерения: емкость С = 10-ь 108 пФ; индуктивность L = 10 -ь 108 мкГн; сопротивление R = 0,1 + 107 Ом. Класс точности (предел основной относительной погрешности) — 0,5 %.
52
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
Электронно-лучевые осциллографы
Класс осциллографов сегодня может быть поделен на две сильно различающиеся группы: классические аналоговые (электронно-лучевые и светолучевые) и сравнительно молодые — цифровые. Каждая из этих групп имеет свои функциональные возможности, достоинства и недостатки, метрологические и эксплуатационные характеристики, свои области и специфику применения.
Электронно-лучевой осциллограф (ЭЛО), как законченный прибор широкого назначения, начал применяться в 30-х годах XX столетия (хотя собственно электронно-лучевая трубка появилась еще в конце XIX века). До настоящего времени ЭЛО является, пожалуй, одним из основных инструментов изучения различных динамических процессов во временной области. Классический ЭЛО — электронный аналоговый измерительный прибор, который используется для исследования, как правило, периодических процессов в реальном времени (Real-Time Scope).
4.1. УСТРОЙСТВО ЭЛО
Упрощенно структуру ЭЛО можно представить тремя основными частями (рис. 4.1). Это канал вертикального отклонения луча (канал У), канал горизонтального отклонения (канал X) и электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Такое название каналов (Yu X) отвечает классическому двухкоординатному представлению различных функций (вертикальная ось — ось ординат Y, горизонтальная — ось абсцисс X).
Назначение каналов У и X— преобразование входных исследуемых и/или вспомогательных напряжений до уровней, необходимых для управления потоком электронов в электронно-лучевой трубке. Назначение этой трубки — формирование изображения исследуемого сигнала или изображения, отражающего результат взаимодействия двух или нескольких сигналов.
53
Рис. 4.1. Упрощенная структура электронно-лучевого осциллографа
Рассмотрим подробнее устройство и работу каждой из этих частей.
Электронно-лучевая трубка. Конструктивно электронно-лучевая трубка — X-Ray Tube — основной элемент ЭЛО, представляющий собой стеклянный баллон с глубоким вакуумом, в который встроены металлические электроды (рис. 4.2). Внутренняя поверхность экрана ЭЛТ покрыта люминофором — веществом, которое светится в месте удара потока электронов.
Нить накала НН, находящаяся внутри цилиндра катода К, нагревает его. С поверхности нагретого катода вылетают электроны, которые, стремясь к высокому положительному потенциалу анодов Л 7 и А2, проходят сквозь модулятор (“сетку”). Модулятор Мимеет отрицательный по отношению к катоду потенциал, изменяя который (см. рис. 4.1), можно менять число проходящих сквозь него электронов и тем самым регулировать яркость изображения на экране ЭЛТ. Аноды А1 и А2 образуют своеобразную электронную линзу, благодаря которой осуществляется фокусирование потока электронов (и, следовательно, изображения). Кроме того, аноды обеспечивают значительную скорость движения электронов, достаточную для нормального свечения люминофора экрана в месте удара.
Рассмотренные электроды (НН, К, М,А1и А2) образуют так называемую электронную “пушку”, назначение которой — формирование узкого пучка летящих с большой скоростью электронов (луча). Далее поток электронов пролетает между двумя парами отклоняющих его пластин (Хи Y), расположенных взаимно перпендикулярно.
Приложенные к пластинам Xи Yнапряжения отклоняют луч и, как следствие, определяют положение светящегося пятна на экране. Отклонение потока электронов в электрическом поле пластин (на примере действия одной пары пластин — пластин К) иллюстрирует
54
рис. 4.3. Если к пластинам /приложено некоторое постоянное напряжение UY, то между пластинами возникает электрическое поле, напряженность Е которого прямо пропорциональна значению напряжения UY и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами.
Поток электронов, пролетая в электрическом поле пластин, испытывает действие силы F. Значение этой силы /’пропорционально напряженности /'электрического поля. Таким образом, отклонение потока электронов и, следовательно, вертикальное отклонение h светящегося пятна на экране определяются напряжением на плас-
Рис. 4.3. Отклонение потока электронов в поле пластин
55
тинах t/y. Если напряжение на пластинах t/уменяется, то пропорционально меняется и отклонение пятна на экране h.
Действие другой пары пластин — пластин X— на поток электронов аналогично рассмотренному, но только отклонение потока электронов при подаче напряжения Ux происходит в горизонтальной плоскости и, следовательно, на экране в горизонтальном направлении, т.е. вдоль оси X.
Чувствительность собственно ЭЛТ низка, поэтому для работы с сигналами обычных уровней (доли вольта — единицы вольт) необходимо предварительное усиление исследуемых сигналов. Кроме того, для организации различных режимов работы, возможности измерения сигналов в достаточно широких диапазонах изменения их амплитуд и частот необходимы дополнительные узлы. Для обеспечения этих возможностей и предназначены элементы каналов Уи X.
Каналы вертикального и горизонтального отклонения. Максимально упрощая рассматриваемую структуру ЭЛО (см. рис. 4.1), представим канал вертикального отклонения (канал У) содержащим только делитель напряжения Д, усилитель УуИ переключатель SW1, Делитель Д предназначен для уменьшения входных исследуемых сигналов больших уровней, при этом переключатель SW1 находится в положении 1. Усилитель Уу служит для усиления малых входных сигналов, при этом переключатель SW1 находится в положении 2, Выходной сигнал усилителя поступает на пластины У ЭЛТ, а также на вход канала X. Все элементы канала Уобладают достаточно широкой полосой частот пропускания (верхняя граница полосы у обычных моделей ЭЛО составляет единицы — десятки мегагерц).
Канал горизонтального отклонения (канал X) в упрощенном виде можно представить так (см. рис. 4.1): генератор развертки ГР, усилитель Ух, два переключателя 5И<2и SW3. Вход внешней синхронизации ВС предназначен для запуска генератора развертки внешним вспомогательным сигналом. Генератор развертки формирует линейно изменяющееся (пилообразное) напряжение, которое через У^поступает на пластины горизонтального отклонения — пластины ХЭЛТ. Это напряжение в течение интервала времени прямого хода как бы “разворачивает” исследуемый сигнал по горизонтальной оси (т.е. оси X) с постоянной скоростью. Таким образом создается аналогия развертки в текущем времени. Усилитель .^предназначен для усиления входного сигнала до уровня, необходимого для нормального отклонения луча. В положении 1 переключателя SW2 на вход ГР поступает сигнал с выхода канала Y. Таким образом обеспечивается режим внутреннего запуска генератора развертки исследуемым
56
сигналом. В положении 2 переключателя 5ИК2на вход ГР поступает сигнал синхронизации от внешнего источника.
С помощью переключателя выбирается режим развертки: положение 1 — режим линейной развертки (Y—t); положение 2 — режим Y—X(b частности, круговой развертки).
Конечно, реальные структура ЭЛО иустройство ЭЛТ гораздо сложнее рассмотренных нами.
Двухканальные ЭЛО. Довольно широко распространены сегодня двухканальные (двухлучевые) осциллографы, которые имеют более широкие возможности, так как позволяют одновременно исследовать два разных протекающих процесса. У таких приборов два отдельных входа У, они содержат два самостоятельных канала вертикального отклонения У, аналогичных рассмотренным для обычных одноканальных ЭЛО. Электронно-лучевая трубка — общая для обоих каналов и состоит из двух отдельных электронных пушек, которые формируют два потока электронов (луча). Каждый из этих потоков управляется своими парами пластин У и X. Таким образом, на одном экране одновременно формируются изображения двух разных сигналов.
Поскольку, как правило, развертка во времени у двух сигналов общая, то появляется возможность, например, анализировать синхронность происходящих процессов, оценивать задержки или фазовые сдвиги между сигналами. Особенно удобны такие двухканальные ЭЛО при исследовании, наладке, ремонте релейных схем, узлов цифровой схемотехники (например, элементов запоминающих устройств, микропроцессорных контроллеров, блоков компьютеров и т.п.).
Параметры и метрологические характеристики каналов обычно идентичны. Значения коэффициентов их отклонения по вертикали могут меняться индивидуально по каждому каналу, а коэффициент отклонения по горизонтали (коэффициент развертки) — общий и изменяется одновременно для обоих входных сигналов.
4.2. ФОРМИРОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ НА ЭКРАНЕ ЭЛТ
Если и на пластины У, и на пластины ^поступают изменяющиеся во времени сигналы, то траектория движения светящегося пятна на экране будет определяться характером поведения этих сигналов.
Если напряжения на пластинах меняются достаточно быстро (с частотой более 20 — 30 Гц), то траектория пятна на экране представляется сплошной линией. При малых скоростях (частоты ниже 1 Гц)
57
можно наблюдать на экране светящуюся точку, перемещающуюся по экрану ЭЛТ.
В ЭЛО используются разные способы (режимы) формирования изображения:
•	режим линейной (равномерной) развертки — режим Y— t,
•	режим Y— X (в частности, круговой развертки);
•	растровый режим — режим Y — X — Z.
Режим линейной развертки (режим У— t). Режим линейной развертки называется также режимом Y — t, поскольку входной сигнал У как бы разворачивается в текущем времени t. Это наиболее часто используемый режим, в котором можно исследовать изменения входного сигнала во времени. В этом случае на пластины /подается исследуемый сигнал, а на пластины ^подается пилообразное напряжение развертки. На рис. 4.4 показан случай синусоидального исследуемого сигнала UYc периодом Тс и линейно изменяющегося напряжения ГР Uxc периодом развертки Гр, равным Тс.
Интервал времени обратного хода луча не равен нулю, поэтому для устранения ненужных фрагментов изображения используется гашение луча на это время. Это достигается подачей на модулятор ЭЛТ запирающего отрицательного напряжения.
Линейная развертка может быть реализована в автоколебательном режиме или в режиме ждущей развертки.
Автоколебательный режим развертки. В этом режиме ГР непрерывно генерирует периодическое пилообразное напряжение. Если период сигнала Тс окажется равным периоду Гр напряжения генератора развертки, то траектория движения светящегося пятна на экране будет повторяться от цикла к циклу, т.е. в каждом периоде развертки Гр изображение будет одним и тем же. Таким образом, изображение на экране будет устойчивым (рис. 4.5).
Конечно, изображение будет устойчивым также и при кратном от-ношении (Тр/Тс = 2; Т^/Тс = 3; 7р/Гс = 4;...).
В более общем случае, когда периоды сигналов исследуемого и ГР не равны (и не кратны), изображение на экране будет неустойчивым и/или неудобным, так как в каждом цикле развертки луча изображение будет отличаться от изображений предыдущих циклов. Суммарное изображение как бы бежит по экрану. В некоторых случаях изображение может быть устойчивым, но неудобным для анализа. При достаточно высоких частотах сигналов (десятки герц и выше) отдельные изображения в каждом цикле чередуются так быстро, что (из-за инерционности человеческого глаза и имеющегося некоторого послесвечения люминофора ЭЛТ) как бы накладываются друг на друга, создавая единый суммарный образ. На рис. 4.6 приведен пример
58
Рис. 4.4. Режим линейной развертки (режим Y—t)
формирования изображения для отношения периодов Т^/Тс = 3/4. В данном случае изображение на экране хоть и устойчивое, но неудобное для работы.
Одни и те же сигналы могут создавать разные изображения на экране в зависимости от начальных временных сдвигов напряжений на пластинах. На рис. 4.7 приведены примеры изображений для сигналов одной формы, но с различными временными сдвигами. Изображение 1 соответствует паре напряжений t/уи UX1. Изображение 2 соответствует паре напряжений UY и UX2, изображение 3 соответствует паре напряжений (7ки UX3, изображение 4 соответствует паре напряжений t/уИ UX4.
Ждущий режим развертки. В отличие от автоколебательного режима развертки, режим ждущей развертки позволяет получить повторяющееся устойчивое изображение при периодическом сигнале на входе Y независимо от соотношения периодов напряжения ГР
59
Рис. 4.6. Случай неравенства периодов сигнала и ГР
t/rp и входного напряжения UY. При этом цикл работы ГР определяется (задается) неким управляющим напряжением, например входным исследуемым сигналом UY Запуск ГР (начало формирования “пилы”) происходит лишь при наличии заданных оператором признаков, например определенного уровня входного сигнала и знака его изменения (производной). На рис. 4.8 показан случай, соответствующий нулевому уровню запуска (т.е. значению входного напряжения UY = 0) и положительному изменению входного сигнала (т.е. при его возрастании).
Цикл работы ГР при этом состоит из интервалов Гр — рабочего хода и Гож — интервала ожидания,. Значение Гр не зависит от периода входного сигнала и задается оператором. Значение Гож (точнее — момент его окончания) определяется следующим моментом совпадения заданных признаков управляющего сигнала (см. рис. 4.8).
В качестве управляющего запуском развертки сигнала (сигнала синхронизации) могут использоваться:
•	входной исследуемый сигнал (внутренний запуск);
•	внешний вспомогательный сигнал (внешний запуск);
•	сигнал напряжения электрической сети питания ЭЛО.
60
Рис. 4.7. Различные изображения при одинаковых сигналах
Режим ждущей развертки удобен в большинстве случаев, поэтому он наиболее часто используется.
Режим У — X. В отличие от режима линейной развертки в этом режиме на входы У и Смогут поступать исследуемые сигналы различных форм. Генератор развертки при этом не используется.
Метод эллипса. В режиме круговой (эллиптической) развертки на входы Уи ХЭЛ О подаются синусоидальные сигналы одной частоты или разных частот. На рис. 4.9 приведен пример формирования изображения при поданных на пластины Уи Хдвух синусоидальных напряжений одной частоты, но сдвинутых друг относительно друга на 90°.
Если на пластины У и X поступают два синусоидальных сигнала одной частоты/= 1/Т, но с некоторым сдвигом фаз ср = АГ • 360°/ Т, то на экране ЭЛТ возникнет изображение наклоненного эллипса, по некоторым параметрам которого можно найти значение фазового сдвига ср. Измерив отрезки а и b или с и d в изображении эллипса на экране, можно найти оценку фазового сдвига ф (рис. 4.10).
Поскольку зшф = а/b или зшф = с/d, то значение фазового сдвига Ф определяется таким образом:
61
Рис. 4.8. Режим ждущей развертки
Ф = arcsin(tf/Z>) = arcsin(c/rf).
На рис. 4.11 приведены примеры изображений для разных значений фазового сдвига ф.
Метод фигур Лиссажу. Если на пластины Уи ^поступают синусоидальные напряжения различных частот fynfx, то (при определенных соотношениях частот) на экране ЭЛТ возникает изображение замкнутой фигуры — фигуры Лиссажу. На рис. 4.12 показан случай формирования изображения, когда частота/увдвое больше частоты fx-
Зная значение одной из частот, можно найти значение другой. Этот метод используется для измерения неизвестной частоты синусоидальных сигналов. На один вход ЭЛО (любой), например на вход У, подается сигнал неизвестной частоты, на другой вход — вход X— подается напряжение с выхода генератора синусоидальных сигналов. Изменением частоты сигнала генератора добиваются устойчивого изображения на экране одной из понятных (удобных) фигур Лиссажу. Затем определяется число точек пересечения полученной фигуры горизонтальной и вертикальной линиями (рис. 4.13, а). Для получе-
Рис. 4.9. Режим круговой развертки (режим Y— X)
62
Рис. 4.10. Определение значения фазового сдвига
ния правильного результата линии должны проходить таким образом, чтобы число точек пересечения обеими линиями было максимальным.
После этого отсчитывается значение установленной частоты сигнала генератора. Отношение частот fy/fx равно отношению числа точек пересечения по горизонтали Nr и по вертикали NB:
fy/fX=Nr/Nv
На рис. 4.13, а приведен пример фигуры Лиссажу с соотношением точек пересечения NT /NB = 6/4. Это значит, что частота сигнала на входе Ув 1,5 раза больше, чем частота сигнала на входе X. Например, если частота сигнала генератора, поданного на вход X, оказалась равной 12,4 кГц, то при такой фигуре на экране значение неизвестной частоты сигнала, поданного на вход Y, равно 18,6 кГц.
Можно использовать и касательные к фигуре линии (см. рис. 4.13, б) и тогда нужно использовать аналогичное соотношение, но точек касания горизонтальной и вертикальной касательных.
Рис. 4.11. Изображения на экране в методе эллипса при различных сдвигах фаз:
а - 0; б - 30°; в - 60°; г - 90°; д - 180°
63
Рис. 4.12. Метод фигур Лиссажу
На рис. 4.14 приведены примеры изображений для различных соотношений частот /ги fx.
Общий случай. В режиме Y— X возможна также работа с сигналами любых форм. Понимание принципа управления отклонением луча позволяет априори определить возможную траекторию движения пятна на экране при известных диаграммах сигналов на пластинах. При достаточном навыке для построения изображения можно обойтись сравнительно небольшим числом точек. Кроме того, для случаев кусочно-линейных сигналов (или хотя бы одного из них) можно упростить процесс построения, рассматривая интервалы времени, соответствующие однообразному (постоянному) поведению сигналов, например, постоянным производным, и дающие сразу целые фрагменты траектории, а не только точки. На рис. 4.15 показан случай двух сигналов с постоянными производными на некоторых интервалах времени. Легко видеть, что на интервалах 7,2,3, 4на экране будут отрезки прямых линий, что при систематическом и
Рис. 4.13. Определение точек пересечения или касания
64
Рис. 4.14. Фигуры Лиссажу при различных соотношениях частот /у/Д:
а-3;б —2; в-3/2; г- 1;д- 1/2
достаточно быстром повторении образует на экране прямоугольник (квадрат).
В этом режиме ЭЛО может использоваться в качестве характериографа — инструмента исследования характеристик электронных, электрических и электромагнитных устройств. Например, с помощью ЭЛО можно получить зависимость выходного напряжения от входного для четырехполюсника.
Растровый режим (режим У— X — Z). В этом режиме на пластины Уи ^подаются периодически изменяющиеся сигналы UY и Ux, которые заставляют луч последовательно с большой скоростью обегать множество сдвинутых параллельных горизонтальных строк (рис. 4.16). Так формируется растр (кадр).
Не вся траектория луча видна на экране. Изменением напряжения Uz на модуляторе М ЭЛТ можно управлять яркостью отдельных элементов траектории. Таким образом можно формировать разнообразные изображения (как графические, таки знаковые) с помощью множества светящихся точек или небольших фрагментов. Отрицательное значение напряжения Uz, как говорят, “запирает”
Рис. 4.15. Формирование изображения на экране
65
Рис. 4.16. Растровый режим (режим Y — X — 2)
ЭЛТ, т.е. резко уменьшает число электронов в пучке, и свечения пятна на экране при этом не будет. Положительным импульсом напряжения Uz ЭЛТ “открывается”, и в соответствующем месте экрана возникает светящееся пятно. В примере на рис. 4.16 множество светящихся точек в начале каждой строки пятна образует как бы вертикальную линию в левой части экрана.
Скорость обегания всего экрана должна быть достаточно высокой с тем, чтобы обновление всего кадра не замечалось глазом, т.е. не реже 25 — 30 раз в секунду. Число строк также должно быть достаточно большим для образования удовлетворительного по разрешающей способности изображения (образа). Обычно число строк в этом режиме — не менее нескольких сотен. Чем больше число строк и чем выше скорость изменения кадров, тем выше качество изображения. Отметим, что подобный режим редко применяется в классических ЭЛО, появляется основным в ЭЛТ цифровых осциллографов, телевизоров, мониторов персональных компьютеров.
4.3.	МЕТРОЛОГИЯ ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Общая погрешность результата измерения, выполненного с помощью осциллографа, содержит те же составляющие, что и погрешность результата любого другого измерения: инструментальную, методическую и субъективную, хотя в подходах к оценкам отдельных составляющих отражается определенная специфика осциллографических измерений.
Инструментальная погрешность результата осциллографического измерения складывается из статической (при постоянном или низкочастотном входном сигнале) и динамической составляющих.
66
Статическая погрешность. При измерении как амплитудных, так И временных параметров можно использовать общий подход к оценке погрешностей. Поскольку подавляющее большинство случаев йрименения ЭЛО основано на измерении длин (или разностей Длин) линейных отрезков (например, при измерении амплитуды и Периода сигнала, длительности импульса), то наличие систематических аддитивных погрешностей каналов Y и X не приводит к погрешностям результатов, так как определяет лишь сдвиг изображения на экране.
Мультипликативные же погрешности каналов в большинстве случаев влияют на результат измерения, так как искажения линейных параметров изображения на экране при этом линейно зависят от значения входной величины. Пределы допускаемых относительных мультипликативных погрешностей каналов Y и X называются погрешностями коэффициентов отклонения и задаются количественно, например так: 5Г=±5%;8%=±2%. Эти значения характеризуют только статическую (или низкочастотную) погрешность воспроизведения сигналов каналами.
Динамическая погрешность. Входные каналы ЭЛО не в состоянии воспринимать (“пропускать”) высокочастотные сигналы в бесконечно широкой полосе частот. Есть естественные ограничения. Полоса частот, которую “пропускает” канал (т.е. позволяет нормально исследовать) ЭЛО, зависит от схемотехники и элементной базы его каналов. Понятно, что чем шире полоса частот, тем лучше (но тем, естественно, сложнее и дороже прибор). Граница определяется верхней частотойУв полосы пропускания.
К характеристикам ЭЛО, определяющим динамическую погрешность, относятся:
•	амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и значение верхней границы^ полосы пропускания по каналам У и У;
•	время нарастания тн переходной характеристики канала У;
•	время установления ту;
•	неравномерность АЧХ канала У;
•	фазочастотная характеристика (ФЧХ) канала У
Рассмотрим основные из этих характеристик на примере канала К
Для лучшего понимания существа АЧХ рассмотрим, как практически определяется реальная АЧХ канала У (рис. 4.17).
На вход канала УЭЛО подается синусоидальный сигнал от высокочастотного генератора, частота которого может регулироваться в широких пределах (верхняя граница диапазона изменения частоты должна быть, конечно, не менее верхней границы^ полосы пропускания исследуемого ЭЛО). Затем, изменяя (поочередно задавая не
67
сколько разных значений) частоту сигнала генератора и поддерживая (с помощью показаний широкополосного электронного вольтметра) амплитуду сигнала постоянной, фиксируют амплитуду изображаемого на экране сигнала. Таким образом можно построить по некоторому множеству точек кривую АЧХ сигнала. Пример АЧХ канала Y ЭЛО показан на рис. 4.18.
По оси абсцисс отложены (в логарифмическом масштабе) значения относительной частоты f/fB сигнала, т.е. отношение частоты входного сигнала f к верхней границе полосы пропускания^ канала (границе его частотного диапазона). По оси ординат (слева) отложена относительная амплитуда v изображения сигнала по осциллограмме v = й/й0, где h — амплитуда сигнала по осциллограмме (изображению) на конкретной частоте, й0 — амплитуда по осциллограмме при низкой частоте входного сигнала (или на постоянном напряжении).
Верхняя граница полосы пропускания (для канала с открытым входом — см. ниже) определяется по уровню уменьшения относительной амплитуды на —3 дБ и задается в паспорте на ЭЛО (например, fB = 10 МГц). Зная АЧХ, можно определить погрешность воспроизведения на экране амплитуды синусоидального сигнала известной частоты. Например, при частоте входного сигнала/= 5 МГц и значении^ = Ю МГц погрешность воспроизведения амплитуты синусоидального сигнала на экране составит (рис. 4.18) приблизительно -10%.
Время нарастания тн переходной характеристики канала и время установления ту характеризуют реакцию ЭЛО на скачкообразные (импульсного характера) изменения входного сигнала. Время нарастания тн определяется интервалом времени изменения сигнала на экране от 0,1 Um до 0,9 Um амплитудного значения сигнала Um (рис. 4.19, а).
Генератор
синусоидального Высокочастотный	Исследуемый
напряжения вольтметр	ЭЛО
Рис. 4.17. Экспериментальное определение АЧХ канала Y ЭЛО
68
Рис. 4.18. Амплитудно-частотная характеристика канала У
Время установления ту определяется интервалом от 0,lt/w до вхождения сигнала в заданную зону ± А (например, ± 5 % Um — см. рис. 4.19, б).
На практике значения времен нарастания тн и установления ту канала У определяются таким образом (рис. 4.20). На вход канала Y ЭЛО подается сигнал от генератора прямоугольных импульсов. Длительность фронта выходного сигнала должна быть, конечно, заметно меньше ожидаемого времени нарастания и времени установления канала исследуемого ЭЛО. Затем, измерив указанные параметры осциллограммы сигнала, определяют искомые значения времен нарастания тн и установления ту.
Неравномерность АЧХ канала и фазочастотная характеристика (ФЧХ) канала Yопределяют в основном искажения формы несинусоидальных входных сигналов.
Погрешность взаимодействия. В осциллографических измерениях, как и в других измерениях, присутствует погрешность взаимодействия прибора с объектом исследования (ОИ) — источником
Рис. 4.19. Время нарастания и время установления
69
Генератор
прямоугольных	Исследуемый
импульсов	ЭЛО
Рис. 4.20. Экспериментальное определение времен нарастания и установления канала Y
сигнала, которая определяется соотношением выходного сопротивления источника и комплексного входного сопротивления (импеданса) ЭЛО. Так как обычный осциллограф является измерителем напряжения, то чем больше его входное сопротивление по сравнению с выходным сопротивлением источника сигнала, тем лучше. А поскольку ЭЛО подключается к источнику сигнала с помощью входного соединительного кабеля, то необходимо учитывать как входные параметры собственно прибора, так и параметры кабеля. При подключении ЭЛО к объекту исследования важное значение имеют правильный выбор входного кабеля, учет и согласование параметров источника сигнала, кабеля и собственно осциллографа.
Входные кабели. Входные кабели (ВК) по своим возможностям делятся на пассивные и активные. Группа пассивных (т.е. не содержащих активных элементов) ВК — наиболее массовая группа и делится, в свою очередь, на кабели без деления (без уменьшения) входного сигнала (1:1) и кабели с делением сигнала (10:1; 100:1).
Самый простой пассивный ВК без деления сигнала (1:1) — это, по сути, отрезок экранированного коаксиального (для уменьшения влияния внешних электромагнитных полей и создания определенного волнового сопротивления) кабеля с разъемом для подключения ко входу ЭЛО с одной стороны и контактами-щупами для подсоединения к ОИ — с другой. Такие ВК используются при исследовании сравнительно малых по амплитуде сигналов невысокой частоты, т.е. в тех случаях, когда значительная входная емкость (ограничивающая полосу пропускания) не приводит к серьезной погрешности взаимодействия. Схема подключения ВК приведена на рис. 4.21.
70
Коаксиальный кабель представляет собой распределенную электрическую емкость. Погонная емкость коаксиального кабеля обычно составляет 50 — 100 пФ/м, поэтому длина ВК имеет существенное значение, так как определяет емкостное сопротивление кабеля и, следовательно, общую входную емкость. Таким образом, общая входная емкость (с точки зрения источника сигнала) Свх равна сумме емкостей кабеля Ск и усилителя Су ЭЛО. Активное сопротивление кабеля пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением входного усилителя ЭЛО, и его можно не учитывать. Общее входное сопротивление с учетом ВК определяется параллельным соединением активного сопротивления входного усилителя Ку и суммарной входной емкости Свх. Строго говоря, необходимо также учитывать и емкость собственно контактов щупов (наконечников), подсоединяемых к ОИ. Типичное значение этой емкости — 2 — 5 пФ. Понятно, что чем меньше общая входная ёмкость и чем больше входное сопротивление, тем лучше, так как тем меньше будет погрешность взаимодействия и, следовательно, шире полоса частот пропускания.
Пассивные ВК с делением (ВКД) сигнала содержат дополнительную внутреннюю резистивно-емкостную цепь (резистор R и конденсатор Q, обеспечивающую увеличение входного активного сопротивления и одновременно уменьшение входной емкости, т.е. расширение полосы частот исследуемых сигналов. Схема включения ВКД показана на рис. 4.22.
При соединении ОИ с ЭЛО таким кабелем возникает делитель напряжения, верхнее плечо которого образовано суммарным комплексным сопротивлением резистивно-емкостной цепи кабеля (Ли С), а нижнее — параллельным соединением емкостей кабеля Ск, усилителя Су и входного сопротивления Ry усилителя ЭЛО. На рис. 4.23 приведена эквивалентная схема подключения такого делителя.
В этом случае входное активное сопротивление Лвх (с точки зрения ОИ) равно:
^ВХ R +
Рис. 4.21. Подключение входного кабеля без деления (1:1)
71
Рис. 4.22. Подключение входного кабеля с делением
Входная емкость Свх при этом образована последовательным соединением емкости конденсатора С резистивно-емкостной цепи ВКД и суммарной емкости параллельного соединения емкостей кабеля Ск и емкости усилителя Су:
Свх = WK + ф/(С + ск + Су).
Таким образом, очевидно, что в данном случае суммарная входная емкость Свх заметно уменьшается.
Рассмотрим пример для ВКД с коэффициентом деления 10:1. Известны параметры ЭЛО и ВКД:
/?у= 1 МОм; Су = 50 пФ; Ск = 50 пФ; R = 9 МОм; С= ПпФ.
Сумма емкостей кабеля Ск и усилителя ЭЛО Су равна:
С„ + С, = 100 пФ. к у
Окончательные значения суммарных входного активного сопротивления Авх и емкости Свх (с точки зрения источника сигнала) равны соответственно:
Rm = 10 МОм; Свх = 10 пФ. ЬХ	7 вл
Таким образом, в результате применения такого кабеля получаем значительно лучшие входные параметра прибора и, как следствие, лучшие динамические характеристики. Хотя, надо отметить, что использование ВКД пропорционально снижает чувствительность измерения. Напряжение U2, поступающее на вход усилителя ЭЛО, в коэффициент деления раз меньше, чем измеряемое напряжение Скажем, в рассмотренном примере при постоянном (или низкочас-
72
Рис. 4.23. Эквивалентная схема подключения кабеля с делением
тотном) входном напряжении отношение	= Ю, т.е. чувствите-
льность уменьшается в 10 раз.
Значение емкости конденсатора С ВКД можно изменять в небольших пределах для настройки частотных свойств делителя.
Если известны значения суммарных (с учетом соединительного кабеля любого типа) входного сопротивления и входной емкости, то погрешность взаимодействия Авз для случая синусоидального сигнала оценивается таким образом:
где U — результат измерения амплитуды; Аи — сопротивление источника сигнала; Явх — суммарное входное сопротивление ЭЛО; со — круговая частота сигнала, со = 2л/(/ — частота входного сигнала); т = ЛИСВХ (Свх — суммарная входная емкость).
Первое слагаемое в этой сумме характеризует значение погрешности при постоянном входном напряжении, а второе — при переменном напряжении определенной частоты со = 2л/
Активные ВК содержат усилители, которые позволяют повысить входное сопротивление ЭЛО и тем самым резко уменьшить погрешность взаимодействия.
Открытый и закрытый входы ЭЛО. Эти функции ЭЛО напоминают возможности электронных вольтметров с амплитудными детекторами с открытым и закрытым входами (см. выше). В режиме так называемого открытого входа усилитель канала УЭЛ О воспринимает любой сигнал пропорционально его мгновенным значениям. На рис. 4.24, а приведена эквивалентная схема входного каскада усилителя Y ЭЛО в режиме открытого входа, а на рис. 4.24, б показана АЧХ канала У в этом режиме. В режиме открытого входа ЭЛО воспринимает сигналы в полосе частот от 0 до некоторой верхней частоты^.
73
В режиме закрытого входа усилитель канала /пропускает только переменную составляющую сигнала и игнорирует (не пропускает) постоянную составляющую. Представим себе сигнал и (t), который содержит постоянную С/о и переменную составляющие (рис. 4.25, а).
Предположим, нас интересует только переменная составляющая (скажем, амплитуда Um) входного сигнала. Для того чтобы обстоятельно исследовать характер изменения и амплитуду только переменной составляющей, необходимо повысить чувствительность канала. Но в данном случае при соизмеримой (с амплитудой Um переменной составляющей) постоянной составляющей <70 невозможно обеспечить требуемое изображение, так как простое увеличение чувствительности канала при такой сумме не дает желаемого результата — изображение выходит за рамки экрана (рис. 4.25, б). Но если избавиться от постоянной составляющей [/0, то можно увеличить до необходимого размера только переменную (интересующую нас) составляющую (рис. 4.25, в). Это возможно в режиме так называемого закрытого входа.
В режиме закрытого входа (рис. 4.26, а) на входе усилителя последовательно включается разделительный конденсатор Ср, который как раз и не пропускает постоянную составляющую С/о входного сигнала. Амплитудно-частотная характеристика усилителя У в этом
Рис. 4.25. Переход к режиму закрытого входа
74
режиме показана на рис. 4.26, б. Амплитудно-частотная характеристика в режиме закрытого входа имеет полосу частот, начинающуюся не с нуля, а с некоторой нижней частоты^.
Условные обозначения режимов открытого и закрытого входов, которые наносятся на лицевые панели приборов, могут различаться для разных приборов (рис. 4.27). На рис. 4.27, а приведены обозначения режима открытого входа, а на рис. 4.27, б — режима закрытого входа.
Англоязычные аббревиатуры DC и АС в обозначениях раскрываются так: DC — Direct Current — напряжение постоянного тока; АС — Alternating Current — напряжение переменного тока.
Субъективная погрешность. Как и в случае с другими аналоговыми приборами (электромеханическими, электронными), субъективная погрешность результатов измерений, выполняемых с помощью ЭЛО, может складываться в общем случае из погрешности отсчитывания и грубой ошибки (промаха). Промах непредсказуем и поэтому не может быть заранее оценен.
Погрешности отсчитывания Дотс в системе “шкала — стрелка” (у стрелочных приборов) и в системе “сетка — пятно” (у осциллографов) по природе одинаковы. Погрешность отсчитывания содержит две составляющие: интерполяции и параллакса. Первая составляющая неизбежно возникает всегда, когда требуется количественно выразить положение стрелки, точки, границы отрезка в долях деления, в координатах сетки шкалы экрана ЭЛО. Значение этой по-
Рис. 4.27. Обозначения режимов открытого (а) и закрытого (б) входов
75
грешности определяется квалификацией оператора, размерами пятна, расстоянием между соседними делениями шкалы. Вторая составляющая — погрешность параллакса — в ЭЛО вызвана тем, что поток электронов вызывает свечение на внутренней поверхности экрана ЭЛТ, а сетка, как правило, нанесена на внешней поверхности защитного стекла. Именно толщина стекла экрана и защитного стекла (аналог расстояния между стрелкой и шкалой у стрелочных приборов) и рождает эту погрешность. Количественную оценку этих составляющих в различных изданиях предлагается осуществить по-разному. Предлагаем для простоты и легкости запоминания оценивать значения этих составляющих одинаково (по одной десятой веса одного деления сетки экрана):
Аотс = ± (0,1а + 0,1а) = ±0,2а,
где а — вес одного деления шкалы экрана по оси У или X.
Кстати, это совпадает с подходом к оценке погрешности отсчитывания в аналоговых стрелочных измерительных приборах.
У некоторых моделей ЭЛО сетка нанесена на обеих поверхностях (внешней и внутренней) защитного стекла. Грамотное использование этой конструктивной особенности позволяет уменьшить погрешность параллакса до пренебрежимо малых значений. В этом случае следует учитывать только первую составляющую — погрешность интерполяции.
Если в ЭЛО имеется режим цифрового отсчета значений амплитудных и временных параметров, то погрешность отсчитывания вообще отсутствует.
4.4.	ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
Режим линейной развертки (режим У — /). В случае осциллографических измерений значения амплитудных и временных параметров сигнала находят по его изображению на экране (т.е. по осциллограмме) посредством определения размеров линейных отрезков. Поэтому, во избежание значительных погрешностей, важно выбирать оптимальные значения коэффициентов отклонения по каналам У и X, т.е. такие, при которых интересующий нас параметр представляется отрезком наибольшей возможной (в пределах сетки экрана, разумеется) длины. Чем меньше размер нужного параметра на осциллограмме, тем хуже, так как тем больше относительная погрешность его определения.
76
Рис. 4.28. Выбор коэффициента отклонения по X (скорости развертки)
Проиллюстрируем это примером расчета предельных инструментальных и субъективных погрешностей результата измерения временных параметров. Пусть по изображению периодического сигнала требуется определить значения длительности импульса ти и периода повторения Гимпульсной последовательности (рис. 4.28, а), а также оценить инструментальные погрешности результатов.
Известны значение коэффициента отклонения по оси X (скорости развертки) КХ\ = 200 мкс/дел. и его относительная погрешность — ± 3 %.
Результат измерения периода Т составляет 6,5 дел. (см. рис. 4.28, а)\
Т= 6,5А>! = 6,5 • 200 = 1300 мкс.
Инструментальная статическая Аи и субъективная Ас составляющие общей погрешности А в абсолютном виде равны соответственно:
Аи = (8^Г)/100 = (± 3 • 1300)/100 = ± 39 мкс;
Ас = ± 2(0,1 • дел.) = ± 2(0,1 • 200) = ± 40 мкс.
Окончательная запись результата измерения периода Тв этом эксперименте выглядит так:
Т— 1300 мкс; А = ± 79 мкс; Рппп = 1.
’	7 доь
77
0,5 В/дел. Правильно б)
Рис. 4.29. Измерение амплитуды сигнала
Рис. 4.30. Измерение периода сигнала
Рис. 4.31. Измерение длительности фронта импульсного сигнала
78
Рис. 4.32. Измерение временных параметров
Результат измерения (1,3 дел.) длительности импульса ти1 на этой (первоначально выбранной) скорости развертки (см. рис. 4.28, а) определяется таким образом:
ти1 = 1,3 • 200 = 260 мкс.
Инструментальная Аи1 и субъективная Ас1 составляющие, атакже общая абсолютная погрешность измерения Л| в этом (первом) измерении равны соответственно:
Аи1 = (5;пти1)/100 = (± 3 • 260)/100 = ± 7,8 мкс;
Ас1 = ± 2(0,1 • дел.) = ± 2(0,1 • 200) = ±40 мкс;
А! = ±47,8 мкс.
Предельное значение суммарной относительной погрешности измерения длительности импульса при этом составит:
5j = А • 100/ти1 = ± (47,8 • 100)/260 « ± 18,4 %.
Такое значение погрешности может оказаться недопустимо большим. В этом случае целесообразно для повышения точности измерения длительности импульса перейти на другой коэффициент отклонения (развертки), например изменить на коэффициент ^Х1 ~ 50 мкс/дел. (см. рис. 4.28, б). Предположим, погрешность 8^ при этом значении коэффициента отклонения (на этом диапазоне развертки) отличается от предыдущего и равна 8^ = ±4 %. В этом
79
случае результат измерения (5,1 дел.) длительности импульса ти2 составит, допустим,
ти2 = 5,1 • 50 = 255 мкс.
Предельные значения инструментальной Ди2 и субъективной Дс2 составляющих, а также общие абсолютная Д2 и относительная 52 погрешности измерения в этом (втором) измерении соответственно равны:
Ди2 = (§А2ти2)/100 = ± (4 ’ 255)/100 = ± 10,2 мкс;
Дс2 = ± 2(0,1 • дел.) = ± 2(0,1 • 50) = ± 10 мкс;
Д2 = ± 20 мкс; 82 = (Д2 • 100)/ти2 = ± (20,2 • 100)/255 « ± 7,9 %.
Это заметно меньше, чем в первом случае. Окончательная запись результата измерения длительности импульса ти2 выглядит таким образом:
ти2 = 255 мкс; Д2 = ± 20 мкс; Рдов = 1.
Напомним, что при измерении амплитудных и временных параметров надо всегда стремиться выбрать такие значения коэффициентов отклонения по осям, при которых искомые параметры были бы представлены возможно большими линейными отрезками на экране. На рис. 4.29 — 4.31 показаны примеры неправильного (а) и правильного (б) выбора значений коэффициентов отклонения по осям в некоторых наиболее часто встречающихся экспериментах.
Отметим, что при нахождении некоторых временных параметров (например, периода сигнала) динамические характеристики канала Y практически не влияют на результат (рис. 4. 32).
На рис. 4.32, а показано изображение входного сигнала на экране, которое соответствовало бы идеальной АЧХ канала Y, а на рис. 4.32, б — осциллограмма при реальной АЧХ. Даже при заметных амплитудных погрешностях воспроизведения и значительных временных задержках линейные отрезки, соответствующие периодам в осциллограммах, фактически одинаковы, поэтому результаты измерения и в том, и в другом случаях равны: 7\ = Г2.
В некоторых экспериментах можно выполнить коррекцию (т.е. исправление) результата. Например, при измерении длительности
80
фронта Тф импульсных сигналов полезно ввести поправку в результат измерения:
т*ф=7тф“тн’
где — скорректированный (исправленный результат); Тф — значение длительности фронта, найденное по осциллограмме; тн — время нарастания, связанное с верхней границей/ц полосы пропускания канала У соотношением:
тн = 0,25//в.
Например, если верхняя граница пропускания канала Y Ув = 10 МГц и результат предварительного измерения длительности фронта Тф = 75 нс, то оценить значение времени нарастания тн и найти исправленный результат измерения длительности фронта т^ можно так:
тн = 0,35/10 • 106 = 35 нс; т*ф» 66 нс.
Режим У — X. Подход к оценке погрешности результата в этом режиме также имеет определенную специфику. Рассмотрим ее на примерах использования метода фигур Лиссажу и метода эллипса.
В методе фигур Лиссажу (одной из реализаций метода сравнения) ЭЛО выступает в необычной (нехарактерной) роли — в качестве нулевого индикатора, показывающего удобное соотношение частот. Погрешности коэффициентов отклонения (в том числе нелинейность) и погрешности отсчитывания по обеим осям при этом не имеют значения, так как не масштабы и не пропорции изображения
Рис. 4.33. Погрешность определения частоты
81
определяют результат, а соотношение конечных чисел (точек пересечения фигуры мысленными секущими).
Погрешность результата при неподвижном изображении определяется погрешностью задания известной (образцовой) частоты генератора. Если, например, сигнал неизвестной частоты подан на вход X ЭЛО, а выход генератора подключен ко входу Уи изменением частоты его напряжения получена устойчивая фигура, то абсолютная погрешность результата измерения связана с абсолютной погрешностью задания частоты генератора тем же соотношением, что и частоты. Относительная погрешность определения неизвестной частоты совпадает с относительной погрешностью частоты генератора. Допустим, неподвижное изображение фигуры Лиссажу (рис. 4.33) получено при частоте сигнала генератора (поданного на вход Y)fy= 1040 Гц. Относительная погрешность задания этой частоты 5К= ± 1 %.
Соотношение числа точек пересечения фигуры вертикальной и горизонтальной секущими равно N3 /Nr = 6/4, т.е. значение неизвестной частоты на входе Нравно:
fx=fYNb/Nr= 1040 • 6/4 = 1560 Гц-
Значения абсолютной погрешности частоты генератора А г, абсолютной А^погрешности определения неизвестной частоты fxравны соответственно:
Ar= (6^/0/100 = (± 1 • 1040)/100 = ± 10,4 Гц;
А%= ^ynJNt = ± 10’4 • 6/4 = ± 15,6 Гц.
Относительные погрешности частоты генератора/ги оценки неизвестной частоты /нравны: 8r-8r-±1 %. Запись окончательного результата данного эксперимента выглядит так:
fX= 1560 Гц; Дх=±16Гц; Рдов=1.
Погрешность измерения сдвига фаз методом эллипса, в отличие от предыдущего случая, зависит от характеристики каналов ЭЛО, хотя аддитивные и мультипликативные составляющие погрешностей каналов Y и X в этом режиме не влияют на результат, так как длины отрезков а и Ь (или отрезков с и d) в выражении для определения ф (см. выше)
82
Ф = arcsin(fl/Z>) = arcsin(c/rf)
не зависят от аддитивного смещения, а пропорциональное изменение их размеров не меняет отношения их длин (а/b или c/d).
Таким образом, погрешность результата измерения в методе эллипса определяется только погрешностями линейности и разностью фазовых сдвигов Аф усилителей каналов Y и X.
Рассмотрим влияние разности фазовых сдвигов Аф на погрешность измерения. Если бы у обоих каналов фазовые сдвиги были одинаковыми (неважно, какими конкретно), то Аф была бы равна нулю (Аф = 0) и при подаче на оба входа одного и того же синусоидального сигнала на экране возникло бы изображение отрезка прямой линии (рис. 4.34, а). У реального же ЭЛО имеет место неравенство фазовых сдвигов, поэтому в таком случае вместо отрезка прямой на экране будет небольшой эллипс (рис. 4.34, б).
Вследствие этого в реальном измерительном эксперименте по оценке фазового сдвига ф между исследуемыми сигналами мы получим на экране эллипс (рис. 4.34, в), размеры которого не будут соответствовать идеальным, а будут отражать сумму искомого фазового сдвига ф и разности Аф (т.е. будут несколько большими). Длина отрезка Ср на реальной осциллограмме будет больше, чем в идеальном случае Си, что и приведет к погрешности измерения фазового сдвига Ф (рис. 4.34, г). При желании эту погрешность можно оценить и затем скорректировать результат.
83
ГЛАВА ПЯТАЯ
Аналоговые методы и средства регистрации
Под измерительной регистрацией понимают процедуру запоминания и хранения в любой форме достаточно больших объемов информации.
К группе аналоговых методов и средств измерительной регистрации относятся такие, в которых бесконечное множество значений входного непрерывного (аналогового) сигнала преобразуется в другое бесконечное множество значений выходного сигнала-образа (в частности, видимого изображения), представленного в различных аналоговых формах (диаграмма на бумаге, запись на магнитном носителе, изображение на экране и т.п.) с заданной достоверностью.
К цифровым, соответственно, отнесем такие, в которых бесконечное множество значений входных непрерывных сигналов преобразуется в конечное множество дискретных во времени и квантованных по уровню значений. При этом выходная информация, предлагаемая исследова-*телю, может быть представлена в аналоговой (точнее, псевдоаналого-вой) форме.
Сегодня в практике динамических исследований чаще других используются следующие основные методы аналоговой регистрации (Analog Recording):
•	видимая запись на поверхности твердого носителя (бумага, термобумага, фотобумага, фотопленка);
•	запись на магнитном носителе;
•	хранение электрического заряда в диэлектрике.
Первый метод реализуется в самопишущих приборах (СП) и светолучевых осциллографах (СЛО). Второй метод представлен магнитографами (ИМГ), которые, кстати говоря, являются измерительными преобразователями, а не приборами. Третий — аналоговыми запоминающими осциллографами (АЗО).
84
Среди средств аналоговой регистрации сегодня наиболее широко распространены электронные самопишущие приборы для регистрации различных физических величин (электрических параметров, температуры, относительной влажности, давления и др.). До сих пор в тех случаях, когда требуется регистрировать достаточно высокочастотные процессы (полоса частот сотни герц — единицы килогерц), используются светолучевые осциллографы. В тех ситуациях, где требуются длительная многоканальная регистрация, возможность работы в полевых условиях, применяются измерительные магнитографы.
Аналоговые средства регистрации (по сравнению с цифровыми) имеют ряд серьезных недостатков'.
•	сравнительно невысокая точность (1 — 5 %);
•	не всегда достаточное число входных сигналов;
•	невысокая надежность (вследствие наличия механических узлов);
•	невозможность автоматизированной обработки результатов записи.
Кроме того, их практически невозможно использовать в информационно-измерительных системах, системах автоматизированного управления.
Современные тенденции измерительной техники — решение задач измерения, регистрации, анализа цифровыми методами и средствами. Возможности применения и перспективы развития цифровых измерительных регистраторов очень широки. Основные причины — простота и удобство передачи, преобразования, хранения, обработки и представления больших массивов информации, выраженной в цифровой форме.
Одно из важных преимуществ цифровых измерительных регистраторов — легкий переход от процедуры регистрации к процедуре автоматизированного цифрового анализа. Известно, что с развитием цифровой и аналоговой микроэлектроники (схемотехники, технологии), вычислительной техники стоимость цифровых решений в деле регистрации процессов быстро снижается, область применения цифровых методов и средств расширяется. Следовательно, роль аналоговых регистраторов постоянно уменьшается.
5.1.	САМОПИШУЩИЕ ПРИБОРЫ
Как и показывающие приборы, аналоговые самопишущие приборы (СП) разделяются на электромеханические и электронные.
Электромеханические СП. Принцип действия простейшего электромеханического (магнитоэлектрического) СП основан (рис. 5.1)
85
на взаимодействии подвижной катушки 3 с током (пропорциональным исследуемому сигналу) с полем постоянного магнита 1.
Движение — поворот — a(t) катушки 3, закрепленной на оси 2, передается отсчетному устройству (ОУ), состоящему из стрелки 7и шкалы 8, а также регистрирующему устройству (РУ), образованному пером 4 и движущейся бумагой 6. Развертка во времени осуществляется равномерным перемещением диаграммной бумаги 6 благодаря вращению вала двигателя 5.
Обобщенная структура электромеханического СП показана на рис. 5.2, а. Входной сигнал X(t) поступает на измерительную цепь (ИЦ), в которой осуществляются вспомогательные преобразования (масштабирование сигналов, преобразование различных величин в ток), и далее, обычно в виде тока i (/), на измерительный механизм (ИМ). Выходная величина ИМ — угол поворота а(7) (или линейное перемещение) — определяет показания ОУ и положение пишущего органа (пера) РУ.
В таких СП могут применяться различные системы преобразователей электрической величины в механическую. Наиболее часто это — магнитоэлектрический измерительный механизм.
Все достоинства обычного магнитоэлектрического механизма сохраняются в СП, но вследствие большего необходимого вращающего момента (заметное трение пишущего органа о бумагу) потребляется большая мощность от источника исследуемого сигнала. Типичные значения классов точности электромеханических СП 0,5 — 2,5 %.
Рис. 5.7. Упрощенное устройство электромеханического СП
86
Рис. 5.2. Обобщенные структуры электромеханического и электронного СП
Полоса частот регистрируемых сигналов сравнительно укая — О - 5 Гц.
Электронные СП отличаются от электромеханических как по структуре (см. рис. 5.2, б), так и по конструкции. Классический магнитоэлектрический измерительный механизм заменен реверсивным двигателем, в схеме присутствуют различные аналоговые измерительные преобразователи (например, усилители, преобразователи переменного напряжения в постоянное и др.).
В основу работы электронных СП положен принцип уравновешивающего (компенсирующего) преобразования, в соответствии с которым электромеханическая отрицательная обратная связь обеспечивает уравновешивание входного сигнала, например напряжения UY(t) меняющимся компенсирующим напряжением UK(t) (см. рис. 5.2, б).
Разница входного и компенсирующего сигналов поступает на усилитель Ус, выходное напряжение которого управляет реверсивным двигателем РД. Образованный угол поворота a(t) определяет показания ОУ и РУ. Компенсирующее напряжение UK(t) формируется узлом отрицательной обратной связи ОС и меняется таким об-
Рис. 5.3. Реализация отрицательной обратной связи
87
Рис. 5.4. Автоматический мост
разом, что уменьшает разницу потенциалов A U(t) на входе усилителя до минимального различаемого усилителем значения.
Узел ОС может быть реализован, например, реохордом, движок которого перемещается валом РД. Формируемое при этом компенсирующее напряжение UK(t) уравновешивает входное UY(t), которое определяет положение стрелки ОУ и пера РУ по оси ординат Y (рис. 5.3).
Качество уравновешивания и, следовательно, метрологические характеристики (статические) в большой мере определяются усилителем У и узлом обратной связи ОС.
Динамика электронных СП характеризуется верхними частотами исследуемых сигналов до значений 0,5 — 2 Гц.
В зависимости от назначения прибора структура (и особенно входные цепи) могут сильно различаться. На рис. 5.4 показано упрощенное устройство автоматического моста для регистрации изменяющихся сопротивлений (например, для записи температуры с помощью термометров сопротивления). Датчик сопротивления включен в мостовую схему (уравновешенный мост), выходное напряжение которой при измерении сопротивления /^создает некоторую разность потенциалов АС/. Усилитель Ус усиливает эту разность и подает на реверсивный двигатель РД, который одновременно управляет положением стрелки отсчетного устройства ОУ, пера регистрирующего устройства РУи положением движка реохорда Р2- Развертка диаграммной бумаги во времени осуществляется двигателем Д.. Пунктиром на рис. 5.4 показана механическая связь.
Таким образом, благодаря электромеханической отрицательной обратной связи разница потенциалов АС/стремится к нулю, мост всегда уравновешен и показания на ОУ и РУ пропорциональны сопротивлению Р^и, следовательно, измеряемой величине.
88
Существует большой класс СП, содержащих преобразователи входных периодических напряжений и токов в постоянные значения (часто средние квадратические). Не следует путать частотные свойства входных преобразователей таких СП (обычно до единиц — десятков килогерц) с динамическими возможностями собственно механизма (обычно единицы герц). Английские термины: Recorder, Paper Recorder, Y — Т Recorder.
Быстродействующие СП. Быстродействующие самопишущие приборы (БСП) имеют более высокое быстродействие. Недостаточно хорошая динамика обычных СП заставила искать конструктивные и технологические решения, обеспечивающие более широкую полосу частот. В основе этих решений лежат использование увеличенного противодействующего момента и сознательное уменьшение размаха (амплитуды) колебаний подвижной части. Диапазоны частот исследуемых сигналов в БСП — 0 — 150 Гц.
Существует разновидность БСП, основанная на струйной записи (отклонение меняющимся электрическим полем заряженной струи краски). Такие приборы обеспечивают еще более высокие динамические характеристики (до 2 кГц) благодаря меньшей, чем в механической системе, массе подвижной части (струи). Однако из-за своей сложной конструкции и специфики обслуживания они распространены не так широко.
Двухкоординатные СП. Основная функция двухкоординатных самопишущих приборов (ДСП) — Y — X Recorder — построение функциональных зависимостей меняющихся сигналов X(t) и Y(t). Такой прибор может выступать в роли характериографа, инструмента, например, для построения зависимости “вход—выход” различных четырехполюсников.
Рис. 5.5. Конструкция двухкоординатного самопишущего прибора
89
Рис. 5.6. Структура ДСП
Конструкция ДСП (рис. 5.5) обеспечивает перемещение пера (фломастера) независимо по двум координатам У и X. Каретка 7, на которой закреплено перо (фломастер или стеклянный капилляр, карандаш и т.п.) 6, благодаря реверсивному двигателю 3 и нерастяжимой нити движется по рейке 2. Это определяет положение пера по оси ординат (оси У). Рейка 2 с расположенной на ней кареткой 1 может перемещаться параллельно-поступательно при вращении вала второго реверсивного двигателя 4, что определяет положение пера по оси абсцисс (оси X). Лист бумаги 5 в этой конструкции неподвижен и по окончании регистрации несет двухкоординатное изображение.
Структура ДСП содержит два обычно идентичных канала уравновешивающего преобразования Y(t) и X(t), которые обеспечивают отклонения соответственно по осям ординат и абсцисс (рис. 5.6).
Динамические характеристики ДСП аналогичны характеристикам электронных СП.
Существует разновидность конструкции ДСП, в которой по одной из осей перемещается лист бумаги (рис. 5.7).
Рис. 5.7. Вариант конструкции двухкоординатного СП
90
При этом рейка 2 с закрепленным на ней реверсивным двигателем 3 неподвижна. По рейке перемещается каретка 1 с пером 6 (как и в предыдущем варианте), что определяет положение пера по оси Y. А положение пера относительно листа бумаги 5 по оси ^определяется перемещением собственно листа 5. Эту функцию выполняют реверсивный двигатель 4 и прижимные ролики 7. Окончательные результат регистрации тот же — двухкоординатное изображение. Некоторое преимущество подобной конструкции заключается в меньшей механической погрешности тракта X массы рейки, закрепленного на ней двигателя и каретки с пером. И, следовательно, несколько более высокое быстродействие.
Двухкоординатный самопишущий прибор может быть использован и в режиме обычного СП (режим Y — Т, Y — Т Mode). Для этого вместо канала (обычно сменного блока) X(t) используется канал (сменный блок) развертывающего линейно изменяющегося напряжения.
Примером отечественного ДСП может служить прибор Н-306, выпускавшийся серийно ПО “Краснодарский ЗИП”, основные характеристики которого приведены ниже:
Режимы работы........................................Y — X, Y — Т
Размеры рабочего поля, мм............................... 200	х 300
Рабочий диапазон частот, Гц..................................0—1
Чувствительность, В/см..................................0,05	— 10
Коэффициенты развертки (Y-Т режим), с/см................0,25	— 50
Максимальная скорость перемещения пара, мм/с.................750
Статическая погрешность, %.............................±(0,5	— 1,5)
Число сменных функциональных блоков............................6
Существуют устройства, внешне похожие на ДСП, так называемые плоттеры (Plotters), входными сигналами для которых служат цифровые (логические сигналы). Плоттер не является в полном смысле измерительным прибором, а выступает в качестве периферийного устройства графического вывода для средств вычислительной техники.
В настоящее время широко распространен еще один самостоятельный класс приборов, которые могут выдавать результат регистрации в виде диаграммы сигнала на бумаге — цифровые измерительные регистраторы (Transient Memory Recorder, ADC Recorder). Но внутренняя начинка таких приборов совершенно другая. Основными узлами их являются аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и достаточно большого объема запоминающее устройство. Полоса частот исследуемых сигналов у таких регистраторов значительно шире и может достигать единиц — десятков мегагерц. Зарегистрированный массив кодов затем преобразуется в графический образ входного сигнала.
91
5.2.	СВЕТОЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ
Динамика светолучевых осциллографов (СЛО) существенно лучше, чем у СП, поскольку масса подвижной части (рамки) осциллографического гальванометра СЛО существенно меньше массы катушки или ротора двигателя СП. Понятно, что отклонять поток света легче, чем поворачивать стрелку ОУ и тем более пишущий орган (например, стеклянный капилляр) РУ. В основе СЛО (рис. 5.8) лежит классический принцип магнитоэлектрического механизма — взаимодействие тока рамки 5 гальванометра с полем постоянного магнита 6. Рамка висит на натянутых упругих растяжках, на одной из которых закреплено крошечное зеркальце 4 (обычно кусочек фольги). Поворот рамки (и, следовательно, зеркальца) приводит к отклонению потока света, падающего на зеркальце, и к отклонению светового пятна на светочувствительном носителе (фотобумаге или фотопленке) 8 и/или матовом экране 10. Развертка во времени осуществляется движением носителя (бумаги, пленки) и вращением зеркального многогранника 9. Поток света (спектр которого обычно смещен в ультрафиолетовую область) формируется источником 7, конденсором 2 (задача которого — формирование параллельного потока из расходящегося) и диафрагмой 3 (“вырезание” узкого пучка для каждого отдельного гальванометра — канала).
Осциллографический гальванометр (ОГ) — Oscillographic Galvanometer, т.е. рамка, растяжки, токоподводы, зеркальце, — выполнен в виде неразборной конструкции и представляет собой цилиндр длиной 60 — 90 мм и диаметром 4 — 6 мм, в котором имеется прозрачное окно для узкого потока света. Корпус ОГ выполнен из немагнитного материала, но в него встроены элементы общего магнитопровода. В случае использования жидкостного успокоения корпус ОГ заполнен неорганической прозрачной жидкостью, обладающей определенной вязкостью.
Конструктивно все ОГ объединены общим магнитопроводом. Расположение ОГ в общем магнитопроводе СЛО показано на рис. 5.9.
Характеристики некоторых моделей серийных ОГ приведены ниже:
Тип гальванометра............................. М 004-7 М 042-30
Собственная частота Го, Гц.................... 7000	45 000
Рабочий диапазон частот, Гц................... 0 — 5 000 0 — 30 000
Чувствительность S, мм/(мА • м)..................... 20	0,2
Внутреннее сопротивления, Ом........................ 16	200
Максимальный допустимый ток, мА.................... 130	30
92
Рис. 5.8. Упрощенное устройство светолучевого осциллографа
Основные достоинства СЛО:
•	многоканальность (до 30 сигналов могут регистрироваться одновременно);
•	возможность получения твердой копии исследуемых сигналов;
•	сравнительно (с СП) широкая полоса частот исследуемых сигналов (до 30 кГц);
•	отсутствие механического контакта регистрирующего органа и носителя (поток света и фоточувствительный материал).
Основными недостатками СЛО являются:
•	сложность оптико-механической конструкции и, следовательно, сравнительно невысокая надежность и высокая стоимость;
Рис. 5.9. Расположение гальванометров в магнитопроводе
93
•	невысокая точность получаемых результатов (единицы процентов);
•	сравнительно (с магнитографами и аналоговыми запоминающими осциллографами) узкая полоса частот сигналов;
•	необходимость специальных расходных материалов (фотобумаги или пленки) и (может быть) дополнительной их обработки;
•	сравнительно большая мощность потребления от источника исследуемого сигнала.
Отметим, что эти приборы в задачах регистрации применяются все реже, так как вытесняются цифровыми осциллографами, которые по всем показателям превосходят СЛО.
Англоязычная терминология СЛО — Oscillographic Recorder Ultra-Violett (U-V) Recorder.
5.3.	ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МАГНИТОГРАФЫ
В отличие от предыдущих регистраторов, измерительные магнитографы (ИМГ) являются не приборами, а измерительными преобразователями, поскольку не имеют отсчетных устройств.
Принцип магнитной записи основан на воздействии магнитного поля (образованного переменным током) на положение магнитных доменов в материале носителя (ленте, проволоке) — рис. 5.10.
Основным элементом магнитной головки является магнитопровод с намотанной катушкой (см. рис. 5.10, а). При протекании переменного тока i (t) в катушке в магнитопроводе возникает магнитный поток Ф(0- Магнитопровод имеет небольшой воздушный зазор, в котором замыкаются магнитные силовые линии потока Ф(7). Этот воздушный зазор соприкасается с магнитным носителем, домены которого реагируют на магнитный поток и меняют (и затем сохраняют) свое положение. Таким образом, если носитель равномерно перемещается, на нем запоминаются все изменения во времени магнитного поля в зазоре. Поскольку современные ИМГ, как правило, многоканальны, то магнитные головки записи (ГЗ) содержат несколько отдельных самостоятельных элементов (магнитопроводов с катушками) — см. рис. 5.10, б. Поэтому на носителе (например, на магнитной ленте) при записи исследуемого процесса формируются несколько независимых дорожек с записанными входными сигналами.
Головки воспроизведения (ГВ) по конструкции аналогичны головкам записи, их задача — воспринять информацию, сохраненную на носителе. Расположение магнитных доменов на носителе хранит записанную информацию, которая и воспринимается ГВ. Измене-
94
Рис. 5.10. Магнитная запись
ния выходного сигнала ГВ пропорциональны изменениям ранее записанных входных токов i (t).
В аналоговых ИМГ применяются два способа магнитной записи: прямая запись (Direct Recording — DR), и запись модулированием (чаще частотно-модулированным — Frequency Modulation — FM) сигналом. Первый способ (прямая запись) обеспечивает простое устройство, но имеет серьезный недостаток — полоса частот исследуемых сигналов начинается не с нуля, а с нескольких сот герц (рис. 5.11), поскольку производная (изменения во времени) магнитного потока на низких частотах недостаточно велика для воздействия на магнитные домены носителя.
Второй способ — частотно-модулированная (ЧМ) запись — основан на переносе спектра входного сигнала в область более высоких частот, поэтому ИМГ-ЧМ могут регистрировать медленно меняющиеся (и даже постоянные) сигналы (рис. 5.12).
Верхняя граница полосы частот в обоих вариантах примерно одинакова и составляет десятки — сотни килогерц или даже единицы мегагерц.
Рис. 5.11. Магнитограф с прямой записью
95
Рис. 5.12. Магнитограф с частотно-модулированной записью
Характеристики применяемых в нынешней практике ИМГ весьма разнообразны. Скорость движения ленты: от единиц миллиметров в секунду до единиц метров в секунду. Ширина ленты (диаметр проволоки): от долей миллиметра до единиц сантиметров. Время возможной регистрации: от долей секунды до суток. Число каналов: до нескольких десятков. Масса устройств: от сотен граммов до десятков килограммов.
Основные достоинства ИМГ:
•	многоканальность (до 40 каналов одновременной записи);
•	возможность работы в полевых условиях;
•	сравнительно широкий диапазон частот (до сотен килогерц);
•	длительные интервалы регистрации (до нескольких суток);
•	большие объемы регистрируемой информации;
•	длительное энергонезависимое хранение.
Основные недостатки ИМГ:
•	сравнительно невысокая надежность вследствие наличия механических узлов;
•	невозможность непосредственного наблюдения зарегистрированных сигналов (отсутствие видимого изображения сигналов);
•	сравнительно невысокая точность.
Ниже приведены некоторые основные технические характеристики серийно выпускавшегося в России магнитографа Н046.
Режимы записи...................................Прямая,	ЧМ-запись
Ширина магнитной ленты, мм...................................12,7
Рабочий диапазон частот (прямая запись), кГц..............0,3	— 64
Рабочий диапазон частот (ЧМ-запись), кГц.....................0—16
Скорость движения ленты, см/с........................9,5;	19; 38; 76
Число каналов...................................................7
Отметим, что наряду с чисто измерительными задачами ИМГ используются также в качестве так называемых “черных ящиков ” на борту самолетов и кораблей. При этом они регистрируют разнообраз-
96
ную информацию о состоянии основных агрегатов, все команды и переговоры экипажа с основной базой.
Существует разновидность магнитных регистраторов, использующих промежуточное аналого-цифровое преобразование исследуемого сигнала и последующую цифровую магнитную запись. В этих аппаратах метрология определяется не столько аналоговыми преобразованиями сигнала, сколько АЦП, поэтому они ближе к цифровым измерительным регистраторам.
Англоязычная терминология ИМГ — Magnet Таре Recorder, Таре Recorder.
5.4.	АНАЛОГОВЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ
По признакам введенного понятия РЕГИСТРАЦИЯ эти приборы относятся к регистрирующим средствам измерения, хотя это и необщепризнано, видимо, потому, что длительность хранения информации недостаточно велика. Два простых физических принципа лежат в основе действия АЗО: явление вторичной эмиссии электронов из диэлектрика “мишени” и достаточно длительное хранение заряда в диэлектрике.
По устройству запоминающая электронно-лучевая трубка (ЗЭЛТ) (Storage X-Ray Tube) отличается от обычной ЭЛТ наличием дополнительных электронно-лучевых пушек (формирующих рассеянные потоки медленных электронов) и дополнительных электродов — “мишени” и коллектора. Мишень размещена между внутренней поверхностью (люминофором) экрана и коллектором и представляет собой мелкоструктурную (ячейки размером 0,1 —2 мм) металлическую сетку, покрытую слоем диэлектрика. Потенциал мишени — отрицательный и составляет несколько сот вольт. Коллектор — также металлическая сетка (шаг 1 — 2 мм), которая имеет небольшой (сотни вольт) положительный потенциал.
Работу ЗЭЛТ удобно представить двумя фазами: первая — фаза запоминания (собственно регистрация), вторая — фаза считывания.
В первой фазе, напоминающей действие обычной ЭЛТ, сфокусированный поток электронов (основной поток) с большой скоростью попадает на мишень и выбивает в местах удара вторичные электроны, которые собираются коллектором. Количество выбитых электронов значительно больше, чем упавших (коэффициент вторичной эмиссии гораздо больше единицы), поэтому на мишени в точках попадания остается положительный заряд. След основного потока электронов образует траекторию положительных зарядов на поверхности мишени, несущую информацию о исследуемом сигнале.
97
Во второй фазе (фазе считывания) мишень облучается рассеянными потоками медленных электронов, для которых траектория на мишени является прозрачной, а вся мишень (отрицательно заряженная) непрозрачна. Таким образом, на люминофоре экрана возникает (и поддерживается в течение времени подсветки) копия траектории, т.е. образ исследуемого сигнала. Длительность времени хранения заряда — от нескольких часов до нескольких недель, но время воспроизведения (считывания) меньше: единицы минут - единицы часов. Это объясняется ускорением рассасывания (диффузии) хранимого мишенью заряда при подсветке (считывании).
Основные характеристики АЗО практически не отличаются от соответствующих характеристик обычных аналоговых (электронно-лучевых) осциллографов. При сравнительно высоких динамических характеристиках АЗО (до сотен мегагерц — единиц гигагерц) точность результатов измерения амплитудных и временных параметров невысока (единицы процентов при квалифицированном операторе). Стоимость АЗО значительно выше стоимости обычного ЭЛО за счет специализированной трубки, надежность ниже, срок службы меньше, масса и габариты больше.
Характеристики двух моделей отечественных АЗО приведены ниже:
Тип осциллографа..................................... С8-9А	С8-12
Скорость записи, км/с................................. 100	4000
Время воспроизведения.............................. 1	мин 40 с
Время хранения, ч...................................... 16	40
Полоса частот, МГц.................................... 0-2	0-50
Погрешность измерения амплитудных	*	+ (5 - 10) + (5 — 10)
и временных параметров, %.......................... “	”'	7
С появлением и широким распространением цифровых (Digital Storage Scopes) осциллографов (ЦО) роль и значение АЗО стремительно уменьшаются. Англоязычные синонимы: Analog Storage Oscilloscope, Storage Scope.
5.5.	СРАВНЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ АНАЛОГОВЫХ РЕГИСТРАТОРОВ
Сравнение соотношения “быстродействие — точность”, т.е. основных характеристик регистраторов, показано диаграммой на рис. 5.13. Общий характер диаграммы хорошо отвечает известному правилу измерительной техники “выиграешь в точности — потеряешь в скорости” (аналогичному “золотому правилу” механики — “выиграешь в силе — проиграешь в расстоянии”) и позволяет пред-
98
Рис. 5.13. Диаграмма “быстродействие — точность” для аналоговых регистраторов
варительно выбрать инструмент для эксперимента по регистрации. На рис. 5.13 по оси абсцисс в логарифмическом масштабе показаны значения частот, ориентировочно соответствующих верхним границам полос пропускания конкретных регистраторов; по оси ординат (также в логарифмическом масштабе, но в обратном направлении) — ориентировочные значения относительных погрешностей.
Отметим одно важное обстоятельство. Возможности развития аналоговых регистраторов практически исчерпаны; технологическими и конструктивными способами совершенствования характеристик “выбраны”, по сути, все резервы. Развитие этой (аналоговой) группы идет в основном по пути некоторого улучшения эксплуатационных характеристик. Положенные в основу принципы действия при нынешнем уровне развития технологии, точной механики реализованы практически полностью. В этом смысле аналоговые методы и средства нельзя считать перспективным направлением развития регистрирующей техники. Однако пока существует экономически оправданная ниша, в которой они находят целесообразное применение.
99
ПРИЛОЖЕНИЕ
Измерительные преобразователи тока и напряжения
Обычные измерительные приборы (амперметры, вольтметры, ваттметры, регистраторы, анализаторы, самопишущие приборы и т.п.) рассчитаны на сравнительно небольшие диапазоны токов и напряжений (типичные максимальные значения токов — единицы ампер, напряжений — сотни вольт). Часто требуется измерять гораздо большие значения. Для расширения диапазонов измерения электрических величин (токов, напряжений, мощностей, энергии) применяются различные измерительные преобразователи. В некоторых случаях измерительные преобразователи дают ряд полезных дополнительных возможностей (например, бесконтактное измерение тока без разрыва цепи).
Выделим две группы преобразователей, различающихся применяемыми элементами: резистивные и трансформаторные.
П1. РЕЗИСТИВНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Шунты. В измерительной технике давно известно применение шунтов (рис. П1).
Шунты — точные резисторы с малым (десятые — тысячные доли ома) сопротивлением, включаемые в цепь исследуемого тока, позволяют измерять миллиамперметрами токи средних и больших значений (10 — 100 А) и преобразовывать их в пропорциональные значения напряжения. Прецизионные резисторы шунтов в состоянии обеспечить высокую точность преобразования (0,1 —0,01 %). Однако для работы с высокими напряжениями они не всегда применимы
Рис. П1. Применение шунтов
100
вследствие отсутствия гальванического разделения цепей. Иногда частотные свойства шунтов недостаточно хороши для решения задач эксперимента. Кроме того, при больших измеряемых токах шунты не применимы, так как рассеиваемая в них мощность может привести к их недопустимому нагреву и резкому возрастанию погрешности.
На рис. Ш, а показано включение шунта и миллиамперметра. При этом ток /м, текущий через измерительный механизм (ИМ), меньше измеряемого тока /на значение тока /ш, текущего через шунт:
Необходимое значение сопротивления шунта можно определить следующим образом:
где RM — внутреннее сопротивление ИМ.
При оценке общей погрешности в этом случае помимо основной погрешности шунта необходимо учитывать и возможную значительную дополнительную погрешность, вызываемую изменением температуры окружающей среды.
Шунты, кроме того, могут быть использованы для измерения различных токов вольтметрами (милливольтметрами) — см. рис. Ш, б. Значение измеряемого тока /при этом равно:
/= U/Rm,
где U — показания вольтметра; Аш — значение сопротивления шунта.
Предполагая, что значение сопротивления вольтметра Rvгораздо больше сопротивления шунта Ruv тем не менее необходимо оценивать погрешность взаимодействия, которая тем больше, чем меньше отношение &у/ Дп-
Добавочные сопротивления и делители. Добавочные сопротивления позволяют превратить миллиамперметр в вольтметр или расширить диапазон измерения имеющегося вольтметра (рис. П2, а).
Значение напряжения, которое при этом может быть измерено, равно:
U=ImwR,
где /ном — номинальное значение тока ИМ; R—суммарное сопротивление цепи (с учетом внутреннего сопротивления измерительного механизма R^).
Например, для номинального напряжения Ux (рис. П2, а) суммарное сопротивления цепи Л должно быть равно RM + Rv
101
Рис. П2. Добавочные сопротивления и делители напряжения
Если значение измеряемого напряжения больше номинального для имеющегося вольтметра, то возможно использование делителей напряжения (рис. П2, б). При этом
U2= UR2/(RX + R1).
И в этом случае необходимо оценивать погрешность взаимодействия, которая тем больше, чем меньше отношение Ry/R2.
Для работы с сигналами частотой выше 1 кГц применяют так называемые частотонезависимые делители напряжения, в плечах которых включены дополнительные конденсаторы.
П2. ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Довольно типичной задачей в энергетике является задача измерения переменных больших напряжений и токов (сотни и тысячи вольт, десятки — тысячи ампер). При этом могут потребоваться вполне определенные метрологические и эксплуатационные характеристики таких преобразователей (например, погрешность 0,2 — 0,5 %; рабочий диапазон частот 0 — 50 кГц, диапазон рабочих температур от —30 °C до +60 °C и др.). Порой принципиально необходимо гальваническое разделение цепей. Кроме того, часто требуется обеспечить измерение токов без отключения и без разрыва цепи.
Трансформаторы напряжения и тока. В простейшем виде трансформатор содержит две изолированные обмотки, намотанные на общем магнитопроводе, выполненном из ферромагнитного материала. Текущий в первичной обмотке переменный ток 1Х создает переменный магнитный поток Ф, который, в свою очередь, рождает на вторичной обмотке ЭДС. Если ко вторичной обмотке подключена нагрузка, потечет переменный ток 12. В нашем случае в качестве нагрузки используются измерительные приборы.
В первом приближении, пренебрегая различными потерями и погрешностями, можно считать, что
102
^2/^2» Wj/j = W2/2,
где w2 — число витков первой и второй обмоток, соответственно* £71, U2 — значения напряжений на обмотках первой и второй, соответственно; Ц, 12 — значения токов в обмотках первой и второй, соответственно.
Полезной побочной особенностью применения трансформаторов является обеспечение гальванического разделения первичной и вторичной цепей (чего нет в случае применения делителей напряжения и шунтов), что, в частности, повышает безопасность работы персонала.
Измерительные трансформаторы (ИТ) называются так потому, что являются одним из видов средств измерений (а именно, измерительными преобразователями) и поэтому имеют нормированные метрологические характеристики.
Измерительные трансформаторы делятся на трансформаторы напряжения (ИТН) и тока (ИТТ) и предназначены в основном для преобразования больших переменных напряжений (сотни — тысячи вольт) и токов (десятки — тысячи ампер) в сравнительно малые. Это необходимо для последующего измерения и/или регистрации этих величин измерительными приборами с небольшими номинальными значениями входных параметров. Если для последующих измерений применяются обычные (электромеханические) щитовые приборы, то выходные значения этих параметров составляют обычно десятки — сотни вольт (например, 100 В) и единицы ампер (например, 5 А). Если же это цифровые мультиметры, осциллографы, микропроцессорные регистраторы, анализаторы, то типичные требуемые значения выходных параметров ИТ меньше: для ИТН — это единицы вольт, а для ИТТ — десятки — сотни миллиампер).
Схемы включения и режимы работы ИТ напряжения и ИТ тока различны.
Первичная обмотка ИТН включается параллельно нагрузке (или генератору). Вторичная обмотка ИТН подключается к измерительному прибору с большим входным сопротивлением (вольтметру, осциллографу). Таким образом, ИТН работает в режиме, близком к режиму холостого хода. На рис. ПЗ включение ИТН показано слева.
Первичная обмотка ИТТ включается в исследуемую цепь последовательно (в разрыв этой цепи). Вторичная обмотка ИТТ подключается к измерительному прибору с малым входным сопротивлением (например, к амперметру, к токовой обмотке индукционного счетчика активной энергии или шунту). Таким образом, ИТТ работает в режиме, близком к режиму короткого замыкания. На рис. ПЗ включение ИТТ показано справа.
Коэффициенты трансформации ИТ. Коэффициенты трансформации К для ИТН и ИТТ определяются, соответственно, отношением
103
Вольтметр Амперметр
входного и выходного напряжений Кц или отношением входного и выходного токов Kf.
Ки=их/и^
Различают номинальные и реальные коэффициенты трансформации ИТ. Номинальные значения этих коэффициентов задаются изготовителем и указаны на корпусах ИТ в виде дроби, в числителе и знаменателе которой стоят номинальные значения входных и выходных параметров. Например, надпись “ А/н0М = 100 А/5 А” означает, что значение номинального
Рис. ИЗ. Включение ИТН и ИТТ первичного тока = 100 А. При этом номинальный вторичный ток 12 = 5 А. Номинальное значение коэффициента трансформации для каждого конкретного ИТ является константой. Для определения исходного значения измеряемой величины показания выходного измерительного прибора умножаются именно на номинальное значение коэффициента трансформации:
^1	^£7ном^2’ Л ^7ном^2*
Например, получив показания амперметра, включенного на выходе ИТТ, 12 = 4,5 А и зная номинальное значение коэффициента трансформации = 100 А/5 А, можно найти значение тока в первичной цепи
/i = 4,5(100/5) = 90 А.
Реальное (иногда называемое действительным) значение коэффициента трансформации ИТ, естественно, отличается от номинального. Кроме того, реальные значения этих коэффициентов не постоянны, а зависят от различных параметров: конструкции ИТ, материала магнитопровода, режима работы ИТ, значения и характера сопротивления вторичной цепи, частоты исследуемых напряжений или токов и их спектрального состава, условий эксплуатации (в частности, температуры) и др.
Метрологические характеристики ИТ. Поскольку ИТ являются измерительными преобразователями, то важными для оценки их качества являются метрологические характеристики. Достоверность пре
104
образования трансформатора может характеризоваться по-разному В простейшем случае оговаривается относительная погрешность ппе’ образования. Часто задается еще и угловая погрешность а также по лоса частот пропускания. Лучще, когда производителем Йт задаются (и, разумеется, гарантируются) амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики, зависимость коэффициента трансформации от значения преобразуемого параметра и характера нагрузки. Это важно, например, в задачах измерения и регистрации истинных средних квадратических (действующих) значений заметно несинусоидальных напряжений и токов, так как при этом спектр гармоник может быть достаточно широким. Конечно, подразумевается, что в таких задачах сам инструмент, подключенный к трансформатору (например, вольтметр или мультиметр), реагирует именно на действующее значение в заданном диапазоне частот.
Различие между реальным и номинальным значениями коэффициента трансформации и определяет погрешность измерения (или регистрации) напряжения, тока и, как следствие, мощности, энергии и некоторых других параметров.
Относительная погрешность 8 результата преобразования ИТ определяется для ИТН и ИТТ соответственно:
Ьи= (U- СЛД) 100/С^; 8^= (^ом -	100/^;
8/ = (I-/д)100//д; 8/ = (Ал,ом - ^>100/^,
где U, I — результаты нахождения (измерения) соответственно входного напряжения и тока по показаниям приборов и по номинальным значениям коэффициентов трансформации; Ua, /д — действительные значения входных напряжения и тока соответственно; Куном, А}ном — номинальные значения коэффициентов трансформации ИТН и ИТТ соответственно; К& Kt — реальные значения коэффициентов трансформации ИТН и ИТТ соответственно.
У идеального трансформатора вектор вторичного напряжения для ИТН (тока для ИТТ) сдвинут по фазе по отношению к первичному напряжению (току) на угол 180°. В реальном трансформаторе этот угол немного отличается от 180°. Разностный угол между вектором первичного параметра и повернутым на 180° вектором вторичного называется угловой погрешностью А и выражается в градусах или минутах.
Характеристика преобразования любого трансформатора нелинейна, т.е. погрешности зависят от конкретных значений преобразуемых величин. Поэтому часто задаются (в табличном или графическом виде) зависимости погрешностей от значения преобразуемых величин.
105
На погрешность влияют также значение и характер (соотношение активной и индуктивной составляющих) входного комплексного сопротивления измерительного прибора. Например, для ИТТ чем больше внутреннее сопротивление измерителя (например, амперметра), тем больше погрешность. При увеличении индуктивного сопротивления нагрузки (прибора) растет относительная токовая погрешность и уменьшается угловая погрешность.
Для задач измерения и регистрации истинных действующих значений (True Root Mean Square — TRMS) заметно несинусоидальных напряжений и токов важно обеспечить соответствие полосы частот и фазовых характеристик ИТ особенностям сигнала и требованиям эксперимента.
Измерительные трансформаторы тока с разъемными магнитопроводами. Классические ИТТ с жестким (неразъемным) магнитопроводом требуют врезки в цепь, ток в которой нас интересует (как и в случае с обычным амперметром), т.е. для подключения обычного ИТТ требуется разорвать цепь (предварительно, конечно, отключив нагрузку, обесточив всю цепь). Для стационарного измерительного оборудования это не большая проблема. Но для задач, например, энергетических обследований важно иметь компактные переносные устройства, которые бы не требовали отключения напряжения и разрыва цепи всякий раз, когда надо измерять.
Существуют ИТТ с разъемным магнитопроводом. Их можно разделить на три вида: ИТТ с разъемным магнитопроводом для задач стационарных измерений; ИТТ — токовые клещи (ТК); ИТТ с гибким разъемным магнитопроводом.
Первая группа (стационарное оборудование) облегчает установку (замену) ИТТ. Магнитопровод у таких И'П легко разбирается и состоит, как правило, из двух отдельных частей. Подключение таких ИТТ может не требовать отключения электроэнергии и разрыва цепи (если кабель изолирован). В роли первичной обмотки выступает сам кабель (шина).
Токовые клещи (Current Clamp-On) отличаются от предыдущего вида ИТТ тем, что здесь части разъемного магнитопровода не разделяются совсем, а представляют собой конструкцию, где элементы соединены шарнирами и пружинами и напоминают клещи. Эта конструктивная особенность обеспечивает важное преимущество, так как позволяет оперативно подключать (отключать) средства измерений к объекту (от объекта) без разрыва цепи и без отключения электроэнергии. Разъемный магнитопровод надевается на проводник (кабель, шину) с интересующим током и замыкается механически. Так образуется обычный ИТТ. По завершении эксперимента достаточно разомкнуть магнитопровод и удалить клещи.
Среди последних достижений в технике бесконтактного измерения переменных (и в некоторых случаях постоянных) токов отметим
106
появление ИТТ с гибким разъемным магнитопроводом — Flexible АС Current Probes (рис. П4).
Сохраняя все достоинства ИТТ, такие устройства дают важное дополнительное преимущество. Часто токовые шины или кабели распределительных устройств (или подводов к потребителям) расположены так близко друг к другу, что громоздкие токовые клещи (особенно на большие токи) не могут быть надеты. Раздвинуть кабели не всегда представляется возможным. Кроме того, размеры, конфигурация и расположение фазных шин могут не отвечать геометрии внутреннего окна и размерам токовых клещей. Гибкость магнитопровода обеспечивает простоту и удобство установки ИТТ на кабели и шины любых форм и расположения, в неудобных местах (в отличие от жестких магнитопроводов). Длина петли магнитопровода может быть различной (до 150 см) и обычно выбирается при заказе.
Дополнительными достоинствами таких устройств являются сравнительно малая масса, высокие метрологические характеристики, возможность работы с различными измерительными приборами (мультиметрами, ваттметрами или регистраторами). Подключение к прибору осуществляется посредством небольшого электронного преобразователя. Его выходной сигнал — обычно переменное напряжение, пропорциональное измеряемому входному току. Типичные значения коэффициентов: 0,1; 1,0; 10 мВ/А.
Примером современного ИТТ с гибким разъемным магнитопроводом может служить модель А 100 200-2000/2 фирмы Chauvin Amoux (Франция).
Выходной сигнал ИТТ (и ТК, в частности) может быть использован по-разному. Самый простой вариант — вторичная обмотка ИТТ просто нагружена на амперметр (или миллиамперметр) переменного тока (АС — Alternating Current). Подключен может быть и вольтметр (милливольтметр) переменного тока. В этом случае вторичная обмотка ИТТ замыкается на малое сопротивление R шунта. На потенциальных зажимах шунта при этом возникает напряжение, пропорциональное вторичному току, которое и измеряется вольтметром.
107
Может быть использована схема (рис. П5), в которой в качестве измерителя использован вольтметр постоянного тока (DC — Direct Current). При этом требуются выпрямитель (и, может быть, фильтр).
Измерительные трансформаторы тока для работы с постоянными токами. Серьезным недостатком большинства ИТ (и обычных ТК, в частности) является невозможность измерения с их помощью постоянных напряжений и токов или сигналов, содержащих как переменную, так и постоянную составляющие. Известно, что обычные ИТ, как говорят, “пропускают” только переменную составляющую. В англоязычной литературе это обозначается как Alternating Current Transformer — AC Transformer, т.е. если в сигнале входного исследуемого напряжения или тока есть постоянная составляющая, то на выходном сигнале ИТ она не отразится и поэтому результат измерения может сильно отличаться от ожидаемого.
Широко распространен метод, основанный на эффекте Холла, позволяющий бесконтактно измерять и регистрировать как переменные, так и постоянные (DC — Direct Current) токи. Построенные на этом принципе ИТТ “пропускают” и переменную составляющую и постоянную, т.е. если в сигнале входного исследуемого тока есть постоянная составляющая, то в выходном сигнале она будет пропорционально присутствовать.
Эффект Холла (Hall Phenomenon) можно упрощенно объяснить так. Если в тонкой пластине из полупроводникового материала течет управляющий ток /и пластину пересекает магнитный поток с индукцией В (вектор потока должен быть перпендикулярен плоскости пластины), то на боковых гранях пластины будет возникать ЭДС Е, значение которой прямо пропорционально магнитной индукции В потока, силе тока I и обратно пропорционально толщине пластины. Таким образом, если значение силы тока /поддерживается неизменным, то значение ЭДС можно использовать для измерения индукции магнитного поля. После усиления этот выходной сигнал датчика Холла можно подать на измеритель.
108
Список литературы
1.	Основы метрологии и электрические измерения: Учеб, для вузов / Под ред. Е. М. Душина. Л.: Энергоатомиздат, 1987.
2.	Метрология и электроизмерительная техника. М: Изд-во МЭИ, 1991.
3.	Методы электрических измерений: Учеб, пособие для вузов / Под ред. Э. И. Цветкова. Л.: Энергоатомиздат, 1990.
4.	Панфилов В. А. Электрические измерения: Учеб, для средн, проф. образования. М: Издател. центр “Академия”, 2004.
5.	Основополагающие стандарты в области метрологии. М.: Изд-во стандартов, 1986.
6.	Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб, пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1990.
109
Содержание
Предисловие................................................3
ГЛАВА ПЕРВАЯ. Электромеханические измерительные приборы......................................4
1.1.	Общие положения....................................4
1.2.	Магнитоэлектрические приборы.......................5
1.3.	Выпрямительные приборы.............................9
1.4.	Термоэлектрические приборы........................11
1.5.	Электромагнитные приборы..........................12
1.6.	Электродинамические приборы.......................15
1.7.	Электростатические вольтметры.....................18
1.8.	Приборы индукционной системы......................21
ГЛАВА ВТОРАЯ. Электронные измерительные приборы............27
2.1.	Электронные вольтметры переменного напряжения......27
2.2.	Выпрямители (детекторы)...........................28
2.3.	Особенности электронных измерительных приборов.....35
ГЛАВА ТРЕТЬЯ. Измерение некоторых параметров электрических цепей.......................................36
3.1.	Электромеханические омметры.......................37
3.2.	Электронные омметры...............................39
3.3.	Мосты постоянного тока............................40
3.4.	Косвенное измерение сопротивления.................43
3.5.	Измерение сопротивления изоляции..................45
3.6.	Измерение сопротивления заземления................47
3.7.	Мосты переменного тока............................48
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. Электронно-лучевые осциллографы...........53
4.1.	Устройство ЭЛО....................................53
4.2.	Формирование изображений на экране ЭЛТ............57
4.3.	Метрология осциллографических измерений...........66
4.4.	Оценка погрешностей результатов измерений.........76
ПО
ГЛАВА ПЯТАЯ. Аналоговые методы и средства регистрации....................................84
5.1.	Самопишущие приборы...............................85
5.2.	Светолучевые осциллографы.........................92
5.3.	Измерительные магнитографы........................94
5.4.	Аналоговые запоминающие осциллографы..............97
5.5.	Сравнение возможностей аналоговых регистраторов...98
ПРИЛОЖЕНИЕ. Измерительные преобразователи тока и напряжения.............................................100
П1. Резистивные преобразователи.......................100
П2. Трансформаторные преобразователи..................102
Список литературы........................................109
111
Библиотечка электротехника
Приложение к производственно-массовому журналу “Энергетик”
ПАНФИЛОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ
Аналоговые методы и средства электрических измерений
АДРЕС РЕДАКЦИИ:
115280, Москва, ул. Автозаводская, 14/23 Телефоны: (495) 675-19-06, тел. 675-00-23 доб. 22-47; факс: 234-74-21
Редакторы: Л. Л. Жданова, Н. В. Ольшанская
Худож.-техн. редактор Т. Ю. Андреева
Сдано в набор 28.06.2006 г. Подписано в печать 28.08.2006 г.
Формат 60x84!/1б. Печать офсетная.
Печ. л. 7,0. Заказ БЭТ/08(92)-2006
Макет выполнен издательством “Фолиум”: 127238, Москва, Дмитровское ш., 58.
Отпечатано типографией издательства “Фолиум”: 127238, Москва, Дмитровское ш., 58.