Основные радиоэлектронные измерения и измерительные приборы. Об электрических и радиотехнических измерениях

В книге рассмотрены основные методы измерений электрических и радиотехнических величин на постоянном токе и переменном в широком диапазоне частот. Описаны измерительные схемы, их принципы построения и приведены технические характеристики наиболее широко распространенных измерительных приборов. Даны примеры расчетов, облегчающие усвоение материала. Учебник может быть использован при профессиональном обучении рабочих на производстве.

Основные определения. Особенности и методы измерений.
Общее в качественном отношении свойство многих физических объектов (физических систем, их состояний, происходящих в них процессов) называют физической величиной. В электро- и радиотехнике физическими величинами являются электрическое напряжение, сила тока, мощность, энергия, а также электрическое сопротивление, электрическая емкость, индуктивность, частота.

Физическая величина может иметь различные значения. Определенное значение принимают в качестве единицы измерения физической величины. Как правило, таким значением является единица

Измерение данной физической величины - это определение ее значения опытным путем. Количественный результат, т.е. результат измерений, получают, сравнивая найденное значение физической величины с единицей ее измерения.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава первая. Общие сведения об измерениях
§1. Основные определения. Особенности и методы измерений
§2. Физические величины и их единицы измерения
§3. Погрешности измерений
§4. Классификация и система обозначений измерительных приборов
Глава вторая. Электромеханические измерительные приборы
§5. Общие сведения
§6. Приборы магнитоэлектрической системы
§7. Приборы электромагнитной системы
§8. Приборы электро-, ферродинамической и индукционной систем
§9. Приборы электростатической системы
Глава третья. Измерение постоянного тока и напряжения
§10. Измерение постоянного тока магнитоэлектрическим прибором
§11. Измерение постоянного тока электронным микроамперметром
§12. Измерение постоянного напряжения магнитоэлектрическим прибором
§13. Измерение постоянного напряжения электронными приборами
Глава четвертая. Измерение переменного тока и напряжении
§14. Общие сведения
§15. Приборы термоэлектрической системы
§16. Приборы выпрямительной системы
§17. Амперметры и вольтметры выпрямительной системы
§18. Комбинированные приборы
§19. Электронные вольтметры
§20. Цифровые вольтметры
Глава пятая. Измерение параметров элементов электрических н радиотехнических цепей
§21. Общие сведения
§22. Прямопоказывающие омметры
§23. Метод вольтметра - амперметра
§24. Мостовой метод
§25. Резонансный метод
Глава шестая. Измерение параметров диодов, транзисторов и электронных ламп
§26. Измерение параметров диодов
§27. Измерение параметров биполярных транзисторов
§28. Измерение параметров полевых транзисторов
§29. Испытание электронных ламп
Глава седьмая. Измерительные генераторы
§30. Общие сведения
§31. Генераторы сигналов низких частот
§32. Генераторы сигналов высокой частоты
§33. Генераторы сигналов сверхвысокой частоты
§34. Генераторы импульсных сигналов
Глава восьмая. Электронные осциллографы
§35. Общие сведения
§36. Электронно-лучевая трубка
§37. Осциллографические развертки
§38. Генераторы линейно нарастающего напряжения
§39. Каналы управления
§40. Измерение напряжений и временных интервалов
Глава девятая. Измерение частоты
§41. Общие сведения
§42. Осциллографический метод сравнения частот
§43. Сравнение частот по нулевым биениям
§44. Резонансный метод измерений частоты
§45. Прямопоказывающие аналоговые частотомеры
§46. Прямопоказывающие электронно-счетные частотомеры
Глава десятая. Измерение параметров модулированных колебаний и спектра
§47. Измерение параметров модулированных колебаний
§48. Исследование спектра
§49. Измерение нелинейных искажений
Глава одиннадцатая. Измерении в цепях с распределенными постоянными
§50. Измерительные линии
§51. Измерение мощности
Литература.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова

Факультет Радиотехники и электроники

Кафедра РС и С

Лабораторная работа № 2, 3

Измерение параметров электро- и радиотехнических

ЦЕПЕЙ МОСТОВЫМ МЕТОДОМ

Выполнил: студент группы РТЭ-11-10

Иванов А.О.

Проверил: Казаков В.Д.

Чебоксары 2012

Лабораторная работа 2

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРО- И РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ

ЦЕПЕЙ МОСТОВЫМ МЕТОДОМ

Цель работы : ознакомление с мостовым методом измерения активного сопротивления , индуктивности L , емкости С , добротности катушки и колебательных контуров Q и тангенса угла диэлектрических потерь
, изучение принципа действия приборов, основанных на мостовых схемах и приобретение навыков работы на этих приборах.

Краткие теоретические сведения

Электрические и радиотехнические цепи состоят из резисторов, катушек индуктивности, конденсаторов и соединительных проводов. Для отбора этих компонентов или их проверки следует измерить активное сопротивление R , индуктивность , емкостьС . Кроме того, часто измеряют потери в конденсаторах, добротность катушек и колебательных контуров. Потери в конденсаторах определяются тангенсом угла диэлектрических потерь
.

Сравнение измеряемой величины (сопротивления, емкости, индуктивности) с образцовой мерой при помощи моста в процессе измерения может осуществляться вручную или автоматически на постоянном или переменном токе. Мостовые схемы обладают большой точностью, высокой чувствительностью, широким диапазоном измеряемых значений параметров. На основе мостовых методов строятся средства измерения, предназначенные для измерения какой-либо одной величины, и универсальные аналоговые и цифровые приборы.

Измерительный мост постоянного тока

Мост постоянного тока (рис.6) содержит четыре резистора, соединенных в замкнутый контур. Резисторы ,,,этого контура называются плечами моста, а точки соединения соседних плеч - вершинами. Цепи, соединяющие противоположные вершины, называют диагоналями. Диагональаб содержит источник питания и называется диагональю питания . Диагональ с d , в которую включен индикатор Г (гальванометр), называется измерительной диагональю .

.

Условие равновесия моста постоянного тока формулируется следующим образом: чтобы мост был уравновешен, произведения сопротивлений противоположных плеч моста должны быть равны. Если сопротивление одного из плеч моста (например ) неизвестно, то, уравновесив мост путем подбора сопротивлений плеч моста,и, находим его из условия равновесия
.

В состоянии равновесия моста ток через гальванометр равен нулю и, следовательно, колебания напряжения питания и сопротивления гальванометра на результат измерения не оказывают. Поэтому основная погрешность уравновешенного моста определяется чувствительностью гальванометра и схемы, погрешностью сопротивлений плеч, а также сопротивлениями проводов и контактов.

Cтраница 1

Радиотехнические измерения используют также весьма широко в различных отраслях народного хозяйства. Неэлектрические величины, такие как давление, влажность, температура, линейные удлинения, механические вибрации, число оборотов и другие, можно с помощью специальных датчиков преобразовать в электрические и оценивать их, применяя методы и приборы электрических и радиотехнических измерений.  

Радиотехнические измерения охватывают область электрических измерений и, кроме того, включают все виды специальных радиоизмерений.  

Радиотехнические измерения используют и для оценки неэлектрических величин. Такие величины как давление, температура, влажность, механические вибрации, линейные удлинения при нагревании и др. можно преобразовать с помощью специальных датчиков в электрические и оценивать их, используя приборы и методы электрических и радиотехнических измерений. Целью же измерений является получение численного значения измеряемой величины.  

Предмет радиотехнических измерений, в соответствии с программой, включает следующие разделы: основное метрологические понятия; краткие сведения о погрешностях измерений, способах их учета и уменьшения влияния на результаты измерения; измерение тока, напряжения и мощности в широком диапазоне частот; изучение генераторов измерительных сигналов; электронные осциллографы; измерение фазового сдвига, частоты и интервалов времени; измерение параметров модуляции, нелинейных искажений; измерения в радиотехнических цепях с сосредоточенными и распределенными параметрами; измерения напряженности электромагнитного поля и радиопомех.  

Особенности радиотехнических измерений напряжений и токов.  

В радиотехнических измерениях часто встречаются систематические погрешности, изменяющиеся во времени. Так, высокочувствительным приборам свойственна систематическая погрешность, вызванная регулярными помехами в виде импульсного или квазигармонического сигнала, наводимого на входные цепи прибора. Для уменьшения уровня наводок принимают конструктивные меры: экранируют входные цепи, рационально выбирают точку заземления. Общий метод уменьшения влияния периодических наводок заключается в усреднении результатов измерения на некотором интервале времени. Усреднение достигается двумя способами, часто используемыми совместно: предварительной фильтрацией входного сигнала и проведением многократных измерений с последующим вычислением среднеарифметического.  

При радиотехнических измерениях в диапазонах звуковых, низких и очень низких частот, главным образом, применяют С-генераторы, которые на этих частотах обладают существенными преимуществами по сравнению с LC-гене-раторами. Это объясняется тем, что элементы колебательных контуров LC-генераторов для звуковых частот слишком громоздки (прежде всего катушки индуктивности), а их параметры при изменении температуры нестабильны, что определяет низкую стабильность частоты генерируемых сигналов. Кроме того, частоту LC-генераторов в звуковом диапазоне перестраивать сложно.  

В обычных радиотехнических измерениях, производимых в лабораторных условиях, полагают Тт - 292 К (примерно комнатная температура 19 С), а отношение Тш вх / 292 называют шумовым числом.  

При электротехнических и радиотехнических измерениях принято на приборах указывать знак незаземленного провода по отношению к земле; таким образом, здесь применяют противоположное правило знаков.  

Внедрение техники радиотехнических измерений совпало с началом развития систем радиосвязи и радиоэлектроники.  

Широкое использование радиотехнических измерений в различных областях радиотехники влечет за собой появление новых методов измерений и специальных измерительных приборов. Наиболее специфичными являются измерения на сверхвысоких частотах, что объясняется конструктивными особенностями колебательных систем и линий передачи энергии этого диапазона.  

Степень точности радиотехнических измерений, так же как и электрических, определяется погрешностью, или ошибкой измерения.  

Излагаются основы радиотехнических измерений. Рассматриваются принципы и методы измерений радиотехнических величин, характеризующих параметры сигналов, систем и устройств радиосвязи и радиовещания во всем применяемом диапазоне частот. Приводятся сведения о построении структурных схем измерительных приборов, погрешностях и способах их учета и уменьшения влияния. Особое внимание уделено приборам цифровым и выполненным на микросхемах. Приведены краткие справочные данные о многих измерительных приборах.  

АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Общие сведения

В аналоговых электромеханических измерительных приборах непосредственной оценки электромагнитная энергия, подведенная к прибору непосредственно из измеряемой цепи, преобразуется в механическую энергию углового перемещения подвижной части относительно неподвижной.

Электромеханические измерительные приборы (ЭИП) применяют для измерения тока, напряжения, мощности, сопротивлений и других электрических величин на постоянном и переменном токах преимущественно промышленной частоты 50 Гц. Эти приборы относят к приборам прямого действия. Они состоят из электрического преобразователя (измерительной цепи), электромеханического преобразователя (измерительного механизма), отсчетного устройства (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Структурная схема аналогового ЭИП

Измерительная цепь . Она обеспечивает преобразование электрической измеряемой величины X в некоторую промежуточную электрическую величину Y (ток или напряжение), функционально связанную с измеряемой величиной X. Величина Y непосредственно воздействует на измерительный механизм (ИМ).

По характеру преобразования измерительная цепь может представлять собой совокупность элементов (резисторов, конденсаторов, выпрямителей, термопар и др.). Различные измерительные цепи позволяют использовать один и тот же ИМ при измерениях разнородных величин, напряжения, тока, сопротивления, меняющихся в широких пределах.

Измерительный механизм . Являясь основной частью конструкции прибора, он преобразует электромагнитную энергию в механическую энергию, необходимую для угла отклонения а его подвижной части относительно неподвижной, т. е.

α = f(Y) = F(X).

Подвижная часть ИМ представляет собой механическую систему с одной степенью свободы относительно оси вращения. Момент количества движения равен сумме моментов, действующих на подвижную часть.

Дифференциальное уравнение моментов, описывающее работу ИМ, имеет вид

J(d 2 α/dt 2) = ΣM , (5.1)

где J - момент инерции подвижной части ИМ; α - угол отклонения подвижной части; d 2 α/dt 2 - угловое ускорение.

На подвижную часть ИМ при ее движении воздействуют:

вращающий момент М , определяемый для всех ЭИП скоростью изменения энергии электромагнитного поля w э, сосредоточенной в механизме, по углу отклонения α подвижной части. Вращающий момент является некоторой функцией измеряемой величины X, а следовательно, Y (тока, напряжения, произведения токов) и α:

М = (∂w э /∂α) = f (α) Y n , (5.2)

противодействующий момент М α , создаваемый механическим путем с помощью спиральных пружин, растяжек, подводящих проводов и пропорциональный углу отклонения α подвижной части:

М α = - W α, (5,3)

где W - удельный противодействующий момент на единицу угла закручивания пружины (зависит от материала пружины и ее геометрических размеров);

момент успокоения М усп, т. е. момент сил сопротивления движению, всегда направленный навстречу движению и пропорциональный угловой скорости отклонения:

М усп =- Р (d α/d t), (5.4)

где Р - коэффициент успокоения (демпфирования).

Подставив (5.2) - (5.4) в (5.1), получим дифференциальное уравнение отклонения подвижной части механизма:

J(d 2 α/dt 2) = М + М α + М усп, (5.5)

J(d 2 α/dt 2) + Р (d α/d t) + W α = M . (5.6)

Установившееся отклонение подвижной части ИМ определяется равенством вращающего и противодействующего моментов, т. е. М = М α , в том случае, если два первых члена левой части дифференциального уравнения (5.6) равны нулю. Подставив в равенство М = М α аналитические выражения моментов, получим уравнение шкалы прибора, показывающее зависимость угла отклонения а подвижной части от значения измеряемой величины и параметров ИМ.

В зависимости от способа преобразования электромагнитной энергии в механическое угловое перемещение подвижной части ИМ электромеханические приборы делят на магнитоэлектрические, электродинамические, ферродинамические, электромагнитные и др.

Отсчетное устройство аналоговых ЭИП . Чаще всего оно состоит из указателя, жестко связанного с подвижной частью ИМ, и неподвижной шкалы. Указатели бывают стрелочные (механические) и световые. Шкала представляет собой совокупность отметок, которые расположены вдоль какой-либо линии и изображают ряд последовательных чисел, соответствующих значениям измеряемой величины. Отметки имеют вид штрихов, черточек, точек и т. п.

По начертанию шкалы бывают прямолинейные (горизонтальные или вертикальные), дуговые (при дуге до 180° включительно) и круговые (при дуге более 180°).

По характеру расположения отметок различают шкалы равномерные и неравномерные, односторонние относительно нуля, двусторонние и безнулевые. Шкалы градуируют либо в единицах измеряемой величины (именованная шкала), либо в делениях (неименованная шкала). Числовое значение измеряемой величины равно произведению числа делений, прочитанных по шкале, на цену (постоянную) прибора. Цена деления- значение измеряемой величины, соответствующее одному делению шкалы.

Так как ЭИП являются приборами прямого действия, то чувствительность прибора S п определяется чувствительностью цепи S ц и чувствительностью измерительного механизма S и:

S п = S ц S и (5.7)

Классы точности аналоговых ЭИП: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Узлы и детали измерительных приборов . Для большинства ЭИП, несмотря на разнообразие ИМ, можно выделить общие узлы и детали - устройства для установки подвижной части ИМ, для создания противодействующего момента, уравновешивания и успокоения

.

Рис. 5.2. Установка подвижной части измерительного механизма

Так как любой измерительный механизм ЭИП состоит из подвижной и неподвижной частей, то для обеспечения свободного перемещения подвижной части последнюю устанавливают на опорах (рис. 5.2,а), растяжках (рис. 5.2,6), подвесе (рис. 5.2,в). При транспортировке подвижную часть ИМ закрепляют неподвижно с помощью арретира.

Устройства для установки подвижной части на опорах представляют собой легкую алюминиевую трубку, в которую запрессовывают керны (стальные отрезки). Концы кернов затачивают и шлифуют на конус с закруглением. Опираются керны на агатовые или корундовые подпятники. При установке подвижной части ИМ на кернах между керном и подпятником возникает трение, что вносит погрешность в показания прибора. В приборах высокого класса точности (лабораторных) для уменьшения трения шкала устанавливается горизонтально, а ось вертикально. При этом нагрузка сосредоточена в основном на нижней опоре.

Устройства для установки подвижной части на растяжках представляют собой две тонкие ленты из бронзового сплава, на которых подвешивается подвижная часть ИМ.

Рис. 5.3. Общие детали подвижной части ИМ на опорах

Их наличие обеспечивает отсутствие трения в опорах, облегчает подвижную систему, повышает виброустойчивость. Растяжки используют для подведения тока к обмотке рамки и создания противодействующего момента.

Устройства для установки подвижной части на подвесах используют в особо чувствительных приборах. Подвижную часть ИМ подвешивают на тонкой металлической (иногда кварцевой) нити. Ток в рамку подвижной части подводят через нить подвеса и специальный безмоментный токоподвод из золота или серебра.

Для создания противодействующего момента в ИМ с установкой подвижной части на опорах (рис. 5.3) используют одну или две плоские спиральные пружины 5 и 6, выполненные из оловянно-цинковой бронзы. Пружины служат также в качестве токоподводов к обмотке рамки подвижной части. Одним концом пружину крепят к оси или полуоси, а другим - к поводку 4 корректора. Корректор, устанавливающий на нуль стрелку 3 невключенного прибора, состоит из винта 9 с эксцентрично расположенным пальцем 8 и вилки 7 с поводком. Винт 9 корректора выводится на переднюю панель корпуса прибора, вращаясь, он движет вилку 7, что вызывает закручивание пружины и соответственно перемещение стрелки 3. Ось 2 заканчивается кернами, опирающимися на подпятники 1.

Для уравновешивания подвижной части служат грузики-противовесы 10.

Рис. 5.4. Схемы магнитоиндукционного (а) и воздушного (б) успокоителей

Измерительный механизм считается уравновешенным, когда центр тяжести подвижной части совпадает с осью вращения. Хорошо уравновешенный измерительный механизм показывает при различных положениях одно и то же значение измеряемой величины.

Для создания необходимого успокоения ИМ снабжают успокоителями, развивающими момент, направленный навстречу движению (время успокоения не более 4 с). В ИМ наиболее часто применяют магнитоиндукционные и воздушные успокоители, реже - жидкостные (когда требуется очень большое успокоение).

Магнитоиндукционный успокоитель (рис. 5.4, о) состоит из постоянного магнита 1 и алюминиевого диска 2, жестко связанного с подвижной частью механизма и свободно перемещающегося в поле постоянного магнита. Успокоение создается за счет взаимодействия токов, индуцированных в диске при его перемещении в магнитном поле постоянного магнита с потоком этого же магнита.

Воздушный успокоитель (рис. 5.4, б) представляет собой камеру /, в которой перемещается легкое алюминиевое крыло (или поршенек) 2, жестко связанное с подвижной частью ИМ. При перемещении воздуха из одной части камеры в другую через зазор (между камерой и крылом) тормозится движение крыла и колебания подвижной части быстро затухают. Воздушные успокоители слабее магнитоиндукционных.

Логометры

Логометры - приборы электромеханической группы, измеряющие отношение двух электрических величин Y 1 и Y 2:

α = F(Y 1 / Y2) n , (5.41)

где n - коэффициент, зависящий от системы ИМ.

Особенность логометров заключается в том, что вращающий М и противодействующий М α моменты в них создаются электрическим путем, поэтому логометр имеет два воспринимающих элемента, на которые воздействуют величины Y 1 и Y 2 , составляющие измеряемое отношение. Направления величин Y 1 и Y 2 должны выбираться такими, чтобы моменты М и М α , действующие на подвижную часть, были направлены навстречу друг другу; при этом подвижная часть будет поворачиваться под действием большего момента. Для выполнения этих условий моменты М и М α должны по-разному зависеть от угла отклонения подвижной части прибора.

Источниками погрешности логометра служат неидентичное выполнение двух воспринимающих элементов, особенно при наличии ферромагнитных материалов; наличие в логометре дополнительных моментов М доп (от трения в опорах, безмоментных подводок, неуравновешенности подвижной части). Следовательно,

M = М α + М доп. (5.42)

Присутствие дополнительного момента М доп делает показания логометра зависящими от побочных факторов (например, напряжения). Поэтому на шкале логометра указывают рабочий диапазон напряжения, в пределах которого градуировка шкалы справедлива. Верхний предел напряжения определяется максимальной мощностью, выделяемой в цепях логометра, а нижний - М доп. Стрелка, не включенного под напряжение логометра, из-за отсутствия механического противодействующего момента занимает безразличное положение.

Рис. 5.18. Устройство механизма магнитоэлектрического логометра

Действие магнитоэлектрического логометра заключается в следующем.

В неравномерное магнитное поле постоянного магнита (рис. 5.18) помещают подвижную часть ИМ, содержащую две рамки, жестко скрепленные под углом d = 30°-90° и насаженные на общую ось. Токи I 1 и I 2 подводят к рамкам с помощью безмоментных токоподводов. Направление токов таково, что ток I 1 создает вращающий, а I 2 - противодействующий моменты:

M = I 1 (∂Ψ 1 /∂α); M α = I 2 (∂Ψ 2 /∂α), (5.43)

где Ψ 1 , Ψ 2 -потоки, создаваемые магнитом и сцепленные с рамками.

Моменты М и M α изменяются в зависимости от изменения угла α. Максимальные значения моментов будут сдвинуты на угол d, что позволяет получить на рабочем участке уменьшение М и увеличение M α . При равновесии I 1 (∂Ψ 1 /∂α) = I 2 (∂Ψ 2 /∂α), откуда

где f 1 (α), f 2 (α) - величины, определяющие скорость изменения потокосцепления.

Из равенства моментов следует, что

α = F(I 1 / I 2) (5.45)

Если отношение токов выразить через искомую величину X, то

α = F 1 (X). (5.46)

Существование данной функциональной зависимости возможно при выполнении основного условия работы логометра, т.е. при ∂Ψ 1 /∂α ≠ ∂Ψ 2 /∂α, которое обеспечивается при искусственно созданной неравномерности магнитного поля в воздушном зазоре логометра. Магнитоэлектрические логометры применяют для измерения сопротивлений, частоты и неэлектрических величин,

Электро- радиотехнические измерения