Измерение мощности в однофазных цепях переменного тока

Работа добавлена на сайт samzan.net:

Измерение мощности и энергии в цепях переменного тока промышленной частоты.

Измерение мощности в однофазных цепях переменного тока.

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

Для измерения мощности в цепях постоянного и однофазного переменного тока применяют приборы называемые ваттметрами. В них применяют электродинамические и ферродинамические измерительные механизмы.

Электродинамические ваттметры используются для точных измерений мощности (класс точности 0,1 - 0,5) постоянного и переменного тока на промышленной и повышенной частоте (до 5000 Гц)

Ферродинамические ваттметры применяются в основном на переменном токе промышленной частоты (класс точности 1,5 – 2,5). На постоянном токе они имеют значительную погрешность, обусловленную гистерезисом сердечников.

Неподвижная катушка 1 включенная в цепь нагрузки последовательно, называется последовательной цепью ваттметра, подвижная катушка 2, включенная параллельно нагрузке – параллельной цепью.

Если ток  в неподвижной, включенной последовательно с нагрузкой пропорционален току в нагрузке  ток , протекающий в рамке, пропорционален напряжению на нагрузке , так как включена прааллельно нагрузке, а характер поля в месте расположения подвижной рамки таков, что            

Угол  равен углу , если в цепи ваттметра с рамкой преобладает активное сопротивление и, следовательно, угол сдвига фаз между током  и напряжением  равен нулю. Формула примет вид: 

Измерение энергии однофазного переменного тока.

Как известно электрическая энергия определяется выражением  где P – мощность потребляемая нагрузкой.

Энергия измеряется электрическими счетчиками. Для счетчиков переменного тока используются индукционные измерительные механизмы.

Принцип действия механизма основан на взаимодействии двух или нескольких магнитных потоков с токами, индуцированными ими в подвижном алюминиевом диске.

1.  Трехстержневой магнитопровод с обмоткой цепи напряжения (параллельный электромагнит)
2.  Двухстержневой магнитопровод с двумя последовательно соединенными токовыми обмотками (последовательный электромагнит)
3.  Алюминиевый диск, жестко укрепленный на оси подвижной части
4.  Противополюс из магнитомягкого материала

Напряжение  приложенное к обмотке напряжения, создает ток , имеющий угол сдвига фаз относительно напряжения , близкий к  из-за большого реактивного сопротивления обмотки. Ток  создает магнитные поток Ф в среднем стержне магнитопровода 1. Поток Ф делится на два потока:  и .

Рабочий поток  пересекает диск 3 и замыкается через противополюс 4.

Нерабочий поток  замыкается через боковые стержни магнитопровода 1 и непосредственного участия в сздании вращающего момента не принимает.

Потоки  и  отстают от тока  на углы потерь . Угол , так как поток  пересекает диск 3 и проходит через противополюс , в котором возникают дополнительные потери.

Ток  создает в магнитопроводе 2 магнитный поток , который дважды пересекает диск 3 и проходит через нижнюю часть среднего стрежня магнитопровода 1. Поток  отстает от тока  на угол .

Таким образом диск пересекает два несовпадающих в пространстве и имеющих фазовый сдвиг потока . Возникающие при этом в диске токи, взаимодействуя с потоками, создают вращающий момент:

 

При работе на линейном участке кривой намагничивания материалов магнитопровода, имеем:

Учитывая, что неактивное сопротивление цепи напряжения много больше активного:

M=k∙U∙I∙Sinψ

Если построить векторную диаграмму можно увидеть, что вращающий момент счетчика пропорционален активной мощности, если выполняется равенство:

Для создания тормозного момента и обеспечения равномерной угловой скорости диска служит постоянный магнит.

При пересечении вращающимся диском потока магнита в диске наводится ЭДС, возникает ток, а следовательно и тормозной момент Mт, пропорциональный угловой скорости цикла Mт=C1∙ω

Если пренебречь трением и тормозными моментами k∙P=C1∙ω=C1∙dαdt;      kPdt=C1dt,   интегрируя от t1 до t2 имеем

c=C1∙2πk-постоянная счетчика.

Отсчет энергии производится по показаниям счетного механизма. Единице электрической энергии (обычно 1 кВт ч), регистрируемой счетным механизмом соответствует определенное число оборотов подвижной части счетчика. Это соотношение называется передаточным числом А. Величина обратная А, называется номинальной постоянной .

Электронный счетчик энергии переменного тока.

Изменение активной мощности и энергии в трехфазных цепях.

Включение одноэлементного индукционного счетчика, осуществляется точно так же, как и одноэлементного ваттметра.

Как известно независимо от характера нагрузки и схемы соединения трехфазной системы активная мощность P и энергия W за время  определяются выражениями:

Для симметричной трехфазной системы:

В трехфазной системе не зависимо от схемы соединения нагрузки, мгновенное значение мощности p системы равняется сумме мгновенных значений мощности отдельных фаз.

Для схемы соединения нагрузки :

Переходя от мгновенных значений к средним получим:

– действующие значения линейных напряжений и токов.

Т.о. для измерения мощности и энергии трехфазной системы могут быть применены 1, 2 или 3 прибора.

Метод одного прибора. Если трехфазная система симметричная:

1.  фазы нагрузки соединены  с доступной нулевой точкой;
2.   при условии включения последовательной обмотки ваттметра в одну из фаз;
3.  если нагрузка включена или  с недоступной нулевой точкой.

Метод двух приборов: применяется в ассиметричных трехпроводных цепях трехфазного тока.

Метод трех приборов: В том случае, когда несимметричная нагрузка включается звездой с нулевым проводом, т.е. когда имеется асимметричная трехфазная четырехпроводная система.

Измерение реактивной мощности и энергии в трехфазных цепях.

Реактивная мощность трехфазной системы равна сумме реактивных мощностей отдельных фаз. При полной симметрии системы можно воспользоваться методом одного прибора и тогда

При асимметричной нагрузке пользуются методом двух приборов. Их можно включить двумя способами:

1.  по схеме для измерения активной мощности:

1.  каждый из ваттметров по схеме «чужие» фазы. Тогда:

При измерении реактивной мощности и энергии в трехпроводной и четырехпроводной асимметричных сетях может быть применен один трехэлементный прибор или три прибора (ваттметра или счетчика).

Чтобы найти реактивную мощность системы, сумму показаний ваттметров необходимо разделить на .

Измерение коэффициента мощности

Значение угла сдвига фаз между током и напряжением  и  являются полностью определенными только для однофазных и строго симметричных трехфазных цепей. (так как в каждой фазе они могут иметь свои определенные, отличающиеся друг от друга значения). В этом случае применяют понятие коэффициента мощности , который определяется как отношение суммарных значений активной и полной мощностей всех трех фаз.

В однофазной и семметричной трехфазной цепях при синусоидальных токах и напряжениях понятия коэффициента мощности .

В однофазных и симметричных трехфазных цепях  можно определить с помощью амперметра, вольтмтера и ваттметра соответствующие значения:

а для симметричной трехфазной цепи

В симметричной трехфазной трехпроводной цепи значение  можно определить по показаниям 2-х ваттметров:

Коэффициент мощности  в несимметричной 3-хфазной цепи можно определить измерив активную P и реактивную Q мощности:

 4  Электронные измерительные приборы

Осциллограф – прибор, предназначенный для наблюдения формы и измерения амплитудных и временны́х параметров электрических сигналов.

Электронно-лучевые осциллографы (ЭЛО) – устройства, в которых основным элементом является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) с электростатическим управлением луча и люминесцирующим экраном. Для преобразования исследуемого сигнала в видимое изображение на экране электрический луч перемещается в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Исследуемый сигнал подается на вход Y непосредственно или через разделительный конденсатор, который включается переключением SA1. Разделительный конденсатор позволяет сделать вход осциллографа закрытым и изучать сигналы с большой постоянной составляющей. Исследуемый сигнал поступая на вход канала Y усиливается и преобразуется в симметричный. Применение симметричного выхода в усилителях осциллографа необходимо для уменьшения специфических искажений сигнала, появляющихся в связи с наличием емкостей отклоняющих пластин, а также влияния на скорость движения электронов в трубке среднего потенциала пластин.

Для измерения калиброванного коэффициента отклонения на входе сигнала Y установлен входной делитель-аттенюатор (частотно компенсированный делитель напряжения, состоящий из RC-элементов, откалиброванный в коэф. отклонения [В/дел]). При переключении аттенюатора калибровочный коэффициент усиления изменяется в 2 или 2,5 раза при неизменном сопротивлении входа осциллографа.

В предварительном усилителе канала Y предусмотрена плавная регулировка усиления и перемещения изображения по вертикали.

Входной канал усиления совместно с аттенюатором должен обеспечить малое влияние осциллографа на исследуемы объект, т.е. должен иметь большое входное сопротивление, малую входную емкость и способность пропускать все частоты входного сигнала.

В канале Y имеется линия задержки, которая задерживает входной сигнал на время задержки работы генератора ждущей развертки. Это позволяет получить на экране осциллографа полное изображение процесса, включая даже его самый начальный момент и получить устойчивое изображение импульсного процесса с любыми параметрами.

На горизонтально отклоняющие пластины трубки поступает вырабатываемое генератором развертки пилообразное напряжение, усиленное усилителем горизонтального отклонения луча (канал X). Регулирование усиления этого усилителя позволяет изменять масштаб изображения по горизонтали и калибровать коэффициент развертки.

В зависимости от характера исследуемых сигналов генератор развертки может работать в непрерывном и ждущем режимах (положение Ж и Н переключателя SA2).

Чтобы изображение на экране осциллографа было неподвижным и стабильным, необходима синхронизация генератора развертки исследуемым процессом. Для неподвижности и стабилизации н агенератор развертки подают короткие синхронизирующие импульсы, сформированные из исследуемого сигнала в устройстве синхронизации и запуска развертки (положение 1 SA5). Синхронизацию непрерывной Н и ждущей Ж разверток можно осуществлять от внешних источников сигнала (положение 2 SA5).

Устройство запуска развертки при этом нормализует синхронизирующий сигнал, превращая его в импульсы с постоянным фронтом. Чтобы иметь возможность получения изображения функциональной зависимости двух величин, предусмотрена возможность отключения генератора развертки от усилителя X и подачи на его вход внешнего сигнала (положение 2 SA3).

При осциллографировании быстрых процессов изображение сигнала неяркое. Для того чтобы обеспечить возможность его наблюдения приходится формировать режим работы трубки осциллографа. Для этого в осциллографе предусмотрено устройство управления лучом по яркости (вход Z), позволяющее резко увеличить яркость луча при прямом ходе развертки и исключить возможность прожога экрана трубки во время отсутствия сигнала на входе осциллографа.

С целью улучшения метрологических характеристик осциллографа в него вводятся калибраторы амплитуды и длительности.

Калибратор амплитуды представляет собой источник сигнала с известной амплитудой. Этот сигнал подается на вход осциллографа (положение 2 SA4) или на пластины трубки и позволяет отградуировать в единицах напряжения канал Y осциллографа.

Калибратор меток времени представляет собой стабильный генератор электрических колебаний. Его сигнал подается на усилитель канала вертикального отклонения. Период повторения этого сигнала используется в качестве калибровочных интервалов времени; функции калибраторов могут быть совмещены в одном генераторе.

Среди электронных приборов осциллограф наиболее универсальный прибор для исследования электрических сигналов. Электронный осциллограф имеет все основные преимущества электронных приборов: большое входное сопротивление, высокую чувствительность, малую инерционность, широкий частотный диапазон.

Наиболее часто осциллограф используется для измерения и исследования переходных и установившихся режимов в электрических и электронных цепях. Прибор может использоваться для измерения:

•  амплитуды и мгновенных значений электрического сигнала (U и I);
•  временных параметров сигнала (длительности импульса, длительности фронта, периода повторения, задержки);
•  частоты гармонического сигнала (методами линейной и круговой развертки, фигур Лиссажу);
•  сдвига фаз между двумя сигналами;
•  мощности импульсного сигнала (мгновенных значений, импульсной мощности, среднего значения);
•  полного сопротивления, активной и реактивной составляющих сопротивления;
•  амплитудно- и фазочастотных характеристик четырехполюсников;
•  функциональных зависимостей Y(X) – характеристики транзисторов, диодов, интегральных схем;
•  характеристик магнитных материалов и др.

Классификация осциллографов.

1.  По назначению:

•  универсальные (С7) моноблочного исполнения и со сменными блоками;
•  стробоскопические (С8);
•  скоростные (С7);
•  запоминающие (С8);
•  специальные (С9) – для исследования телевизионных сигналов, медицинских целей и т.д.

1.  По ширине полосы пропускания:

•  низкочастотные с полосой до единиц МГц;
•  широкополосные (скоростные) с полосой пропускания до 1000-1500 МГц;
•  сверхскоростные с полосой до десятков ГГц.

1.  По количеству одновременно исследуемых сигналов (однолучевые, двухлучевые, двухканальные, многолучевые, многоканальные). В многолучевом осциллографе возможность набльюдения многих процессов обеспечивается применением многолучевой ЭЛТ, а в многоканальном – использованием коммутаторов сигналов в однолучевом осциллографе.
2.  По характеру исследуемого сигнала – для наблюдения непрерывных сигналов, импульсных сигналов, универсальные, специальные (позволяет детально исследовать специальные сигналы).
3.  По точности воспроизвеления формы сигналов, точности измерения временных интервалов и амплитуд 1, 2, 3 и 4 классов точности.
4.  По масштабу времени в котором исследуется процесс – на осциллографы, работающие в реальном и измененном масштабе времени (запоминающие стробоскопические).
5.  По условиям эксплуатации.

Аналоговые электронные вольтметры.

Аналоговый электронный вольтметр – измерительный прибор, который состоит из электронного преобразователя, выполненного на полупроводниковых элементах, интегральных микросхемах и магнитоэлектрического измерителя.

Для измерения напряжения в радиоэлектронных цепях используются следующие типы электронных вольтметров:

В2 – постоянного тока;

В3 – переменного тока;

В4 – импульсные;

В5 – фазочувствительные;

В6 – селективные;

В7 – универсальные.

Аналоговые электронные вольтметры постоянного тока по сравнению с магнитоэлектрическими имеют большое входное сопротивление (порядка 10-30 МОм ) и высокую чувствительность. Значение входного сопротивления неизменно при переключении пределов измерения.

Электронный вольтметр постоянного тока состоит из: входного устройства – высокоомного резистивного делителя напряжения; усилителя постоянного тока или электронного преобразователя; электромеханического преобразователя – магнитоэлектрического микроамперметра.

Усилитель постоянного тока (УПТ) предназначен для повышения чувствительности вольтметра, он увеличивает мощность сигнала до уровня, необходимого для приведения в действие магнитоэлектрического измерителя. УПТ должен обладать высокой линейностью амплитудной характеристики, постоянством коэффициента усиления, малым дрейфом нуля.

Линейность амплитудной характеристики обеспечивается правильным выбором режимов работы транзисторов, микросхем усилителя. Отрицательная обратная связь в усилителях повышает стабильность коэффициента усиления и улучшает линейность амплитудной характеристики. Стабилизация питающих напряжений так же способствует стабилизации коэффициента усиления. Для уменьшения дрейфа нулевого уровня усилитель выполняют по мостовой балансной схеме. Расширение пределов измерения осуществляется с помощью делителя и сопротивления обратной связи.

Аналоговые электронные вольтметры переменного тока выполняют по схемам:

1.  преобразования переменного напряжения в постоянное и дальнейшего усиления постоянного напряжения ;
2.  усиления переменного напряжения и дальнейшего преобразования переменного напряжения в постоянное.

Вольтметры построенные по первой схеме характеризуются широким частотным диапазоном 20Гц-1000МГц, но недостаточно высокой чувствительностью. Вольтметры, построенные по второй схеме, характеризуются сравнительно узким сатотным диапазоном 10Гц-20МГц, определяемым полосой пропускания усилителя переменного тока, но более высокой чувствительностью.

Характеристики аналоговых электронных вольтметров переменного тока и градуировка их шкал в основном определяется схемой электронного преобразователя (детектора).

Различают преобразователи: амплитудного, средневыпрямленного, среднеквадратического значений, преобразующие переменные напряжения в постоянное, пропорциональное по уровню соответствующему значению. Вход преобразователей относительно постоянной составляющей измеряемого напряжения может быть открытым, либо закрытым (с разделительным конденсатором на входе).

Универсальные аналоговые электронные вольтметры состоят из 2-х схем: для измерения напряжения в цепях постоянного и переменного токов с преобразователем амплитудного значения, закрытым входом и выходным индикатором (магнитоэлектрический амперметр), шкала которого отградуирована в среднеквадратических значениях синусоидального тока.

Цифровые приборы

Цифровые вольтметры.

Цифровыми средствами измерений называют такие средства, в которых операции дискретизации, квантования и кодирования осуществляются автоматически.

Среди цифровых измерительных приборов (ЦИП) особое место занимают цифровые вольтметры. Они содержат аналого-цифровой преобразователь (АЦП), в котором выполняются операции квантования по уровню и кодирования, а также устройство цифрового отсчета.

Классификация.

1.  По способу преобразования непрерывной величины в дискретную:

•  ЦВ с кодоимпульсным преобразованием – происходит последовательное сравнение значений измеряемой величины с рядом дискретных значений известной величины, изменяющейся по определенному закону.
•  ЦВ с времяимпульсным преобразованием измеряемая величина Uх преобразуется во временной интервал  с последующим заполнением этого интервала импульсами N образцовой частоты, которые подсчитываются цифровым счетчиком
•  ЦВ с частотноимпульсным преобразованием (интегрирующие) измеряемое напряжение Uх преобразуется в частоту f следования импульсов, которые подсчитываются за определенный интервал времени.

1.  По структурной схеме АЦП:

•  прямого преобразования – отсутствует обратная связь с выхода на вход и непрерывная измеряемая величина непосредственно преобразуется в дискретную
•  уравновешивающего преобразования – обязательно имеется обратная связь, т.е. входная величина в процессе преобразования уравновешивается выходной.

1.  По способу уравновешивания:

•  следящее уравновешивание – измеряемая величина Uх непрерывно сравнивается с компенсирующей величиной Uк. Компенсирующая величина изменяется во времени до тех пор, пока с заданной точностью не будет достигнуто равенство Uх=Uк, после чего выполняется отсчет
•  развертывающее уравновешивание – сравнение измеряемой Uх и компенсирующей Uк величин происходит по определенной наперед заданной программе. Компенсирующее напряжение принудительно изменяется от 0 до максимального значения и прекращает это изменение в момент равенства напряжений, т.е. Uх=Uк.

Основные характеристики

•  Точность преобразования: в АЦП методическая погрешность является следствием квантования непрерывной величины по уровню и дискретизации по времени. Инструментальная погрешность обусловлена неидеальностью использованных элементов.
•  Время преобразования – это время, затрачиваемое на выполнение одного преобразования аналоговой величины в цифровой код.
•  Пределы измерений входной величины (xmax-xmin)
•  Порог чувствительности (разрешающая способность) – наименьшее различимое преобразователем изменение входной величины.
•  Формы представления входной и выходной величин. Формы входных величин АЦП – напряжение или ток; временно́й интервал. Выходной код может выдаваться параллельно или последовательно.
•  Помехоустойчивость – способность прибора снижать величины, которые действуют вместе с измеряемыми величинами и искажают результат измерения.

Измерительные преобразователи, в которых автоматически осуществляются операции дискретизации, квантования и представления значения входной величины в выбранной системе счисления с выработкой цифровых кодовых сигналов измерительной информации, называются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП)

АЦП может быть отдельным средством измерения или применяться в качестве неотъемлемой части цифрового измерительного прибора (ЦИП).

Рассмотрим его обобщенную структурную схему.

В состав ЦИП водят:

АП – аналоговый преобразователь;

АЦП – аналогово-цифровой преобразователь;

ВУ – вычислительное устройство;

УИ – устройство индикации;

УУ – устройство управления.

Аналоговые преобразователи применяются для масштабирования, а также для преобразования одних величин в другие с определенной интенсивностью (например ).

Цифровые сигналы с входа АЦП могут дополнительно обрабатываться в вычислительном устройстве (ВУ). ВУ применяется для обработки информации, заключенной в выходных сигналах АЦП например при определении частоты по информации о периоде, или усреднении результатов нескольких преобразований с целью уменьшения случайной погрешности. Устройство индикации содержит дешифратор для преобразования кодов выходных сигналов АЦП или ВУ в десятичный цифровой код, схему управления индикатором и индикатор. Выходной цифровой сигнал ВУ может поступать на регистрирующее устройство РУ или в цифровую ЭВМ. Работа всех основных  узлов ЦИП и задание алгоритма измерения осуществляются устройством управления УУ.

Достоинства:

•  объективность, удобство отсчета и регистрации результатов измерения;
•  полная автоматизация процесса измерения;
•  возможность применения в автоматизированных системах управления;
•  высокая точность и быстродействие.

Недостатки:

•  относительная сложность.

ЦИП многопредельны, универсальны, предназначены для измерения напряжения постоянного и переменного токов, частоты, фазы, сопротивления резисторов, емкости конденсаторов, отношения напржяений и других электрических, а также неэлектрических величин.

Измерительные генераторы сигналов.

Измерительные генераторы (ИГ) – источники, вырабатывающие стабильные сигналы с известными параметрами, частотой, напряжением и формой.

ИГ обладают высокой точностью установки и стабильностью, а также возможностью регулировки параметров выходного сигнала. Их применяют при настройке измерительной и радиоэлектронной аппаратуры, устройств автоматики и вычислительной техники, градуировке приборов.

Классификация ИГ.

По диапазону частот генерируемых сигналов:

•  инфранизкочастотные – до 20 Гц;
•  низкочастотные – 20 Гц – 200 кГц;
•  высокочастотные – 200 кГц – 50 МГц;
•  сверхвысокочастотные с коаксиальным выходом – 50 МГц   - 10 ГГц;
•  сверхвысокочастотные с волновым выходом – свыше 10 ГГц.

По форме генерируемых сигналов:

Г3 – генератор синусоидальных сигналов низкой частоты;

Г4 – генератор синусоидальных сигналов высокой частоты;

Г5 – периодических импульсов прямоугольной формы;

Г6 – сигналов специальной формы (треугольной, трапецеидальной, пилообразной и др.);

Г8 – качающейся формы – маломощные источники колебаний со специальным, часто линейным законом изменения частоты;

Г2 – шумовых сигналов – источники переменных напряжений с бесконечно широким сплошным спектром частот и калиброванным уровнем.

По виду модуляции: различают ИГ амплитудной синусоидальной; частотной синусоидальной; импульсной, частотной, фазовой, комбинированной.

Низкочастотные ИГ (звуковой и ультразвуковой частот) вырабатывают синусоидальные колебания с плавно и ступенчато регулируемыми частотами (20 Гц – 200 кГц), амплитудой (от долей милливольт до 150 В) при фиксированных значениях сопротивления нагрузки, максимальной мощностью 1 мВт – 10 Вт.

Схема измерительного генератора низкой частоты.

Задающий генератор (возбудитель) создает стабильные по частоте и амплитуде синусоидальные колебания в требуемом диапазоне частот. Он во многом определяет характеристики ИГ (форму ил периодичность выходного сигнала). В зависимости от схемного решения задающего генератора ИГ делят на LC-генераторы, генераторы на биениях и RC-генераторы.

Усилитель мощности – обеспечивает развязку задающего генератора от нагрузки, усиливает напряжение (мощность) генерируемых колебаний (повышает энергетический уровень сигналов) на заданной нагрузке, т.е. согласует выход задающего генератора с выходным устройством ИГ.

Выходное устройство состоит из генератора, согласующего трансформатора, электронного вольтметра. Аттенюатор изменяет, а электронный вольтметр контролирует уровень выходного напряжения (мощности), подводимого к нагрузке. Согласующий трансформатор согласует выходное сопротивление ИГ с сопротивлением нагрузки, что обеспечивает получение максимальной выходной мощности и минимальных искажений.

Лекция 5.  Методы и приборы измерения частоты.

Частота – определяется числом полных циклов (периодов) изменения сигнала в единицу времени.

Период – наименьший интервал времени, удовлетворяющий уравнению .

Мгновенная угловая частота определяется через производную во времени от фазы напряжения сигнала, т.е. . Так как фазу гармонического сигнала растет во времени по линейному закону, то частота f – постоянная величина, т.е.

Частота электрических сигналов измеряется методами непосредственной оценки и сравнения.

Частотомеры – приборы, измеряющие частоту. Измерение частоты методом непосредственной оценки электромеханическими и цифровыми электронно-счетными частотомерами. Измерение частоты сигналов методом сравнения осуществляется с помощью осциллографа, частотомеров гетеродинных, построенных на биениях и др.

Электромеханический частотомер может быть осуществлен на основе электро- или ферродинамического лометра.

Цифровые частотомеры  предназначаются для точных измерений частоты гармонических и импульсных сигналов в диапазоне 10 Гц – 50 ГГц; используется для измерения отношения частоты, периода, длительности импульсов, интервалов времени.

В цифровом (электронно-счетном) частотомере подсчитывается число импульсов N, соответствующее числу периодов неизвестной частоты fx за известный высокоточный интервал времени, называемый временем измерения Tи. Если за время Tи подсчитано N импульсов, то среднее значение измеряемой частоты .

При времени Tu=1 с количество подсчитанных импульсов (периодов) N и есть значение измеряемой частоты (Гц), т.е. .

Входное устройство, состоящее из широкополосного усилителя и аттенюатора, предназначено для согласования частотомера с источником сигнала, а также для усиления или ограничения напряжения на входе до значения, запускающего формирователь. Формирователь преобразует синусоидальные и периодические импульсные сигналы в последовательность импульсов постоянной амплитуды с большой крутизной фронтов, независимо от входного сигнала, частота следования которых равна частоте измеряемого сигнала. Временной селектор (электронный ключ с двумя входами) открывается стоб-импульсом, вырабатываемым устройством управления, на высокоточное время измерения и пропускает эти импульсы на электронный счетчик. Цифровой индикатор автоматически выдает результат измерения в Гц. Генератор меток времени состоит из генератора образцовой частоты 1 МГц с кварцевой стабилизацией (кварцевого генератора) и делителя частоты. Делитель частоты делит частоту кварцевого генератора  МГц декодными ступенями (в 10 раз) до 0,01 Гц, т.е. 100; 10; 1 кГц; 100; 10; 1; 0,1; 0,01 Гц. Полученные частоты используются для формирования высокоточного времени измерения – меток времени, равных соответственно .

Устройство управления (автоматики) управляет всем процессом измерения и обеспечивает регулируемое время индикации 0,3-5 с результатов измерения на цифровом табло; сброс счетных декад и других схем в «нулевое» состояние перед каждым измерением; режим ручного, автоматического и внешнего пуска прибора; вырабатывает из частот, поступающих с делителей строб-импульс, открывающий селектор на время счета.

Электронный счетчик, предназначенный для счета поступающий с временного селектора N импульсов, состоит из нескольких последовательно соединенных счетных декад, каждая из которых соответствует определенному порядку частоты fx (единицам, десяткам, сотням герц и т.д.). Цифровой индикатор обеспечивает отображение результатов измерений, поступающих с дешифратора. Последний преобразует двоично-десятичный код 8-4-2-1, поступающий со счетных декад в десятичный.

Основная особенность последовательного счета импульсов, положенная в основу работы цифровых частотомеров состоит в увеличении погрешности измерения при уменьшении частоты. При измерении высоких частот погрешность обусловлена в основном нестабильностью кварцевого генератора, а при измерении низких частот – погрешностью дискретности.

Измерение частоты осциллографом.

Метод линейной развертки

Частоту исследуемого сигнала можно определить, если синал измеряемой частоты подать на Y-вход осциллографа, использовать линейную развертку и получить на экране несколько периодов исследуемого сигнала.

где  – размер по оси X, занимаемый одним периодом сигнала;

– масштаб времени по оси X,  и, следовательно, вычислить частоту .

Измерение частоты сигнала по интерференционным фигурам (фигурам Лиссажу)

Точность измерения можно увеличить, если измерение частоты осуществить методом сравнения измеряемой частоты fx и образцовой f0. Применяют этот способ для измерения частот сигналов индивидуальной формы в диапазоне частот от 10 Гц, до значения, определяемого полосой пропускания осциллографа. Сигналы образцовой f0 и измеряемой fx частот подводят непосредственно через усилитель к вертикальным и горизонтальным пластинам осциллографа. Измерения выполняют при выключенном генераторе развертки. Частоту f0 образцового генератора изменяют до получения на экране устойчивого изображения какой-нибудь фигуры Лиссажу. Форма фигуры зависит от соотношения амплитуд, частот и начальных фаз сравниваемых сигналов. Неподвижные фигуры на экране получаются, когда частоты сигналов образцового генератора и исследуемого равны или относятся друг к другу на целые числа, т.е.

где nв, nг – целые числа, равные числу точек пересечения фигуры Лиссажу с вертикальной и горизонтальной прямыми, не проходящими, через точки пересечения самой фигуры. Начальный сдвиг по фазе всегда оценивается по отношению к периоду напряжения более высокой частоты.

Измерение частоты по фигурам Лиссажу характеризуется высокой точностью, в основном определяемой точностью генератора образцовой частоты. Недостатки этого способа – сложность расшифровки фигур при соотношении частот более 10 и возрастании погрешности при установлении истинного соотношения частот.

Измерение частоты сигнала в режиме круговой развертки с модуляцией яркости луча.

Если напряжение одной частоты (образцовой f0) использовать для получения круговой развертки на экране осциллографа, а напряжение другой (большей частоты fx) подать на электрод (модулятор), управляющий яркостью свечения трубки, то в положительный полупериод этого напряжения яркость развертки будет увеличиваться, а в отрицательный уменьшаться. В результате окружность получится прерывистой причем число темных (или светлых) штрихов этой окружности будет равно отношению частот, т.е.

При целом значении n осциллограмма будет неподвижна. Если же, наоборот, измеряемая частота меньше образцовой частоты, то для получения круговой развертки используют напряжение неизвестной частоты fx, а модуляцию луча по яркости осуществляют напряжением образцовой частоты. Для получения круговой развертки можно использовать сдвиг по фазе на  между напряжением на элементах RC-цепи .

Измерение параметров электрических цепей.

Измерение параметров элементов и цепей может быть прямое и косвенное. Прямые измерения выполняются методами непосредственной оценки; косвенные – вольтметром и амперметром, методами сравнения.

Полное сопротивление цепи Z зависит от частоты питающего тока. В общем случае полное сопротивление цепи комплексная величина . Косвенное измерение полного сопротивления можно осуществить с помощью амперметра и вольтметра. Значение Zx определяется по формуле:

U и I – среднеквадратические значения напряжения и тока, измеренные приборами. Этим способом пользуются на переменном токе частотой 50 Гц или звуковой частотой. С помощью амперметра и вольтметра измеряются сопротивление R, индуктивность L и емкость C.

Погрешность измерения составляет  при использовании приборов класса точности 0,2 или 0,5; при измерении приборами невысокого класса точности она равна

Методы и приборы непосредственной оценки.

Диапазон сопротивлений, подлежащих измерению, составляет  Ом, причем точность измерения очень малых и больших сопротивлений невысока. Микропроволочные резисторы сопротивлением до 1010 Ом измеряют с погрешностью ; непроволочные резисторы сопротивлением до 1014 Ом – с погрешностью ; а сопротивления диэлектриков до 1016 Ом с погрешностью . Сопротивления резисторов до 10-6 Ом измеряют с погрешностью , а до 10-8 – с погрешностью

В зависимости от пределов измеряемых сопротивлений измерители сопротивления подразделяются на миллиомметры ( с нижним пределом в десятые доли миллиом); омметры (с нижним пределом в единицы ом); килоомметры (с верхним пределом около 1 МОм); мегаомметры ( с верхним пределом до 1000 МОм); террооммтеры (с верхним пределом более 106 МОм).

Аналоговые измерители сопротивления постоянному току.

Измерение сопротивления R амперметром реализуется в электромеханическом омметре. В схеме электромеханического омметра для измерения больших сопротивлений измеряемое сопротивление Rx включено последовательно с измерительным механизмом в схеме для измерения малых сопротивлений – параллельно с ИМ.

Основной недостаток омметров – зависимость показаний омметра от значения напряжения U, поэтому перед измерением проверяется правильность градуировки шкалы.

Логометрические омметры (логометры) содержат двухрамочные магнитоэлектрические ИМ. Их показания не зависят от значения напряжения. В омметре измеряемое сопротивление соединяют либо последовательно с одной из рамок логометра, либо параллельно. Если в цепи рамок         , то уравнение шкалы омметра имеет вид:

Логометрические омметры – приборы невысокого класса точности (1,5; 2,5; 4). Погрешность омметра указывают в процентах от длинны рабочей шкалы.

Логометры.

Логометры – приборы электромеханической группы, измеряющие оношение двух электрических величин Y1 и Y2.   , где n – коэффициент зависящий от системы ИМ.

Особенность логометров заключается в том, что вращающий  и противодействующий  моменты в них создаются электрическим путем, поэтом логометр имеет два воспринимающих элемента, на которые воздействуют величины Y1 и Y2, составляющие измеряемое отношение. Направление величин Y1 и Y2 должны выбираться такими, чтобы моменты  и , действующие на подвижную часть, были направлены навстречу друг другу; при этом подвижная часть будет поворачиваться под действием большего момента. Для выполнения этих условий моменты  и  должны по-разному зависеть от угла отклонения подвижной части прибора.

Действие магнитоэлектрического логометра заключается в следующем.

В неравномерное магнитное поле постоянного магнита помещают подвижную часть ИМ, содержащую две рамки, жестко скрепленные под углом   и насаженные на общую ось. Токи I1 и I2 подводят к рамке с помощью безмоментных токопроводов. Направление токов таково, что ток I1 создает вращающий, а I2 противодействующий моменты.

где  – потоки, создаваемые магнитом и сцепления с рамками.

Моменты  и  изменяются в зависимости от изменения угла . Максимальное значение моментов будут сдвинуты на угол , что позволяет получить на рабочем участке уменьшение  и увеличение . Из равенства моментов следует, что . Существование данной функциональной зависимости возможно при выполнении основного условия работы логометра, т.е. при  которое обеспечивается при искусственно созданной неравномерности магнитного поля в воздушном зазоре логометра.

Методы и приборы сравнения.

Измерительные мосты – приборы, служащие для измерения сопротивления, в основе работы которых заложен дифференциальный или нулевой метод. При дифференциальном методе делают неуравновешенные мосты, а при нулевом – уравновешенные нулевые. Уравновешенный мост – четырехполюсник, питаемый от одного источника и имеющий две равнопотенциальные или безпотенциальные точки, обнаруживаемые индикатором равновесия.

Измерительные мосты различают по виду тока источника питания и схемному выполнению.

Мосты постоянного тока делят на двуплечия, одинарные (четырехплечие) и двоичные (шестиплечие). Индикаторами равновесия в них служат гальванометры постоянного тока (стрелочные и зеркальные). Мосты постоянного тока используют для измерения больших и малых сопротивлений.

Мосты переменного тока делят на одинарные, двойные, Т-образные. По характеру сопротивления плеч они бывают с индуктивными и безиндуктивными связями, а по влиянию частоты частотозависимые и частотонезависимые.

Мосты постоянного тока.

В уравновешенных одинарных мостах постоянного тока при любом напряжении U в диагонали питания ток и напряжение в диагонали индикатора равновесия равны 0; потенциалы точек 1 и 2 одинаковы. Следовательно, одинаковы падения напряжения на печах 1 и 4 моста. Тоже самое справедливо и для напряжений на плечах 2 и 3 моста:

Но так как при равновесии , то . Разделив полученное равенство, получим условие равновесия для одинарного моста:

Откуда значение измеряемого сопротивления Rx, обычно включаемого в плечо 1:

Из равенства следует, что уравновешивание моста постоянного тока можно выполнить регулированием отношения сопротивлений  при некотором неизменном значении сопротивления R2 (мосты с переменным отношением плеч); сопротивление R2 при неизменном отношении  (мосты с постоянным отношением плеч).

Важное свойство моста – чувствительность по току, напряжению, мощности.

Чувствительность моста – отношение изменения тока , напряжения  или мощности  в цепи индикатора равновесия либо к относительному изменению сопротивления Ri, одного из плеч мостовой схемы, либо к абсолютному изменению сопротивления.

Чувствительность моста соответственно по току и напряжению:

При рассмотрении вопроса о максимальной чувствительности ставятся две задачи:

1.  достижение предельной чувствительности схемы при условии, что значения сопротивлений плеч моста не заданы;
2.  рациональный подбор индикатора равновесия к мостовой схеме или схемы к индикатору.

Одинарный мост применяют для измерения больших сопротивлений (10-106 Ом)

Двойной мост содержит рабочую цепь из источника питания, регулировочного сопротивления Rp, измеряемого сопротивления Rx, малого сопротивления R, известного сопротивления R0. Измерительная часть цепи составлена сопротивлениями R1-R4 и внутренним сопротивлением индикатора равновесия Rг. Преобразовав треугольник сопротивлений  в эквивалентную звезду, можно получить схему одинарного моста, для которого условие равновесия записывается согласно соотношению Iг=0 Следовательно измеряемое сопротивление:

При R1=R3; R2=R4 и малом сопротивлении R (для получения малого значения R используют короткий соединительный провод большого сечения) вторым членом можно пренебречь.

Двойной мост применяют при измерении малых сопротивлений (10-8-10 Ом).

Для исключения влияния соединительных проводов сопротивления резисторов R1-R4 измерительной цепи выбирается больше 10 Ом, а известное сопротивление примерно того же порядка, что и измеряемое. Для подключения известного и измеряемого резисторов в рабочую цепь служат токовые зажимы, в измерительную же цепь – потенциальные зажимы.

1. либо ни один вообще и предполагают что нет никакой опасности
2. а для заполнения шва если это необходимо подается второй рукой
3. . Внешний вид МФК3000
4. 12 Русский язык и культура речи
5. а изучающие закономерности переноса тепла передачи звука и света т
6. ВВЕДЕНИЕ. Для получения качественной продукции с оптимальными свойствами в металлургической промышле
7. Вариант 1 Название тип здания Многофункциональный центр досуга К
8. АДМИНИСТРАТИВНОЕ ПРАВО (конспект лекций)
9. Губительная власть денег
10. тема нормативноправових актів які регламентують суспільні відносини у сфері раціонального використання і
11. Понятия маркетинга и исходные идеи лежащие в его основе
12. Финансы и основные пути их социализации в условиях социально-рыночной экономики.html
13. Степан Васыльченко
14. темах счисления от положения цифры в записи числа не зависит величина которую она обозначает
15. Організація бухгалтерського обліку
16. а и его органы на местах
17. Курсовая работа Валютный курс, понятия и характеристика
18. Як готують операційне поле до операції- 1 робиться премедикація 2 ставиться постійний кат
19. Облік операцій з давальницькою сировиною
20. ТЕМА Навчальнометодичний посібник для студентів заочної форми які навчаються за освітньоквал

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе