Кое-что об измерениях
1.1. Расширение пределов измерений амперметров и вольтметров. Стрелочные (электромеханические) амперметры и вольтметры содержат измерительный механизм (микро- или миллиамперметр), измерительный преобразователь: шунты или добавочные резисторы для расширения пределов измерений и выпрямительную систему, если предусматривается измерение переменных токов и напряжений. Наиболее широко в стрелочных электромеханических приборах применяются измерительные механизмы магнитоэлектрической системы. Основные характеристики некоторых из них приведены в табл. 1.
Таблица 1
Измерители магнитоэлектрической системы
Расширение предела измерений по току осуществляют путем включения шунта параллельно измерителю. В многопредельных приборах более удобен не индивидуальный шунт на каждый предел измерений, а так называемый универсальный шунт. При этом можно обойтись простыми гнездами, зажимами или обычным переключателем, в то время как при индивидуальных шунтах нужный предел измерений можно выбирать лишь при помощи специального безобрывного переключателя. В противном случае в момент переключения измерительный механизм (рамка милли- или микроамперметра) оказывается под многократной токовой перегрузкой со всеми вытекающими последствиями.
Рис. 1. Схема многопредельного амперметра с "универсальным" шунтом.
Для расширения предела измерений измерителя Р (рис. 1) по току в N раз (I1 = NIn) требуется шунт сопротивлением:
где r — внутреннее сопротивление измерителя.
Составные части сопротивления шунта определяют по формулам:
Расширение предела измерений по напряжению осуществляют, включая последовательно с измерителем добавочный резистор. Схемы многопредельных вольтметров показаны на рис. 2. Сопротивление каждого добавочного резистора для вольтметра, изображенного на рис. 2, а, определяют по формуле:
где U — выбранный предел измерения; Iи — ток полного отклонения стрелки измерителя; r — внутреннее сопротивление измерителя.
Для вольтметра, выполненного по схеме, изображенной на рис. 2, б, сопротивления добавочных резисторов вычисляют по формулам:
и т.д. для каждого последующего предела измерений.
Рис. 2. Схема многопредельного вольтметра с отдельными добавочными резисторами (а) и с составными (б).
В вольтметрах невысокого класса точности допустимо применение непроволочных резисторов. Причем удобнее каждое добавочное сопротивление составлять из двух резисторов. Так легче обеспечить требуемое сопротивление. Например, 327,91 кОм можно получить, подобрав пару резисторов с нужным отклонением сопротивления от номинального значения, из резисторов с номинальным сопротивлением 330 кОм (20 или 10%-ного ряда) и 910 Ом (5 %-ного ряда).
Приборы, содержащие выпрямительную систему, позволяют измерять напряжения и токи с частотами до нескольких десятков килогерц при практически равномерной шкале, за исключением небольшого участка в ее начале. Измеряемые переменные токи и напряжения преобразуются полупроводниковыми выпрямителями в постоянный ток, регистрируемый магнитоэлектрическим измерителем. Выпрямительная система может быть выполнена по однополупериодной или двухполупериодной (мостовой) схеме.
Рис. 3. Схема измерителя с однополупериодной (а) и двухполупериодной (б) выпрямительной системой и графики тока.
В однополупериодной схеме (рис. 3, а) резистор R служит для выравнивания сопротивления выпрямительной части для токов обоих направлений и сопротивление его выбирается равным внутреннему сопротивлению измерителя r. При измерении синусоидального тока с действующим значением I средневыпрямленное значение тока, отклоняющее стрелку измерителя, Iсрв 0,45 I. Поэтому при токе полного отклонения измерителя Iи предельное действующее значение измеряемого выпрямительной частью прибора переменного тока будет:
В двухполупериодной схеме (рис. 3, б) получается более высокая чувствительность. В этой схеме измеритель Р включен в диагональ моста, образованного четырьмя диодами. Здесь через измеритель ток проходит оба полупериода в одном и том же направлении. Поэтому средневыпрямленное значение тока Iсрв 0,9 I, а предельное значение измеряемого тока Iп 1,11 Iи. Недостаток двухполупериодной схемы по сравнению с однополупериодной состоит в некотором расширении неравномерного участка в начале шкалы из-за уменьшения напряжения, приложенного к каждому диоду. В практических схемах вместо двух смежных диодов (например, VD1 и VD2 или VD3 и VD4) иногда включают резисторы сопротивлением в несколько тысяч Ом. Это хотя и ухудшает чувствительность прибора, но зато повышает температурную стабильность и улучшает равномерность шкалы.
Градуируют шкалы приборов выпрямительной системы в действующих значениях синусоидального тока (пп. 1.23, 1.24). Если форма кривой измеряемого тока отличается от синусоиды, то возникает погрешность, зависящая от коэффициента формы кривой kф = I/Iсрв (см. например, п. 1.26).
При изготовлении вольтметра (амперметра) выпрямительной системы необходимо знать данные его выпрямительной части: ток полного отклонения In , напряжение полного отклонения Un и номинальное сопротивление переменному току rn = Un/In, которое можно определить опытным путем по аналогии с методикой, изложенной в пп. 1.2 и 1.3.
1.2. Измерение внутреннего сопротивления микроамперметра можно осуществить, если подключить его к источнику питания через переменный резистор. Изменяя сопротивление резистора, устанавливают такой ток Iп, чтобы стрелка прибора отклонилась на всю шкалу. Далее прибор шунтируют резистором с сопротивлением Rш , чтобы ток I, протекающий через прибор, составлял около половины тока полного отклонения Iп .
Если сопротивление рамки r (внутреннее сопротивление микроамперметра) много меньше добавочного сопротивления (включенной части переменного резистора), то общий ток в цепи после подключения к прибору шунта существенно не изменится и ток через Rш можно считать Iш = Iп — I. Так как при параллельном соединении rI = Rш Iш, то сопротивление рамки прибора может быть вычислено по формуле: r = Rш (Iп / I — 1).
Использование сопротивления Rш с отклонением от номинального значения ±5% дает вполне допускаемую в любительской практике погрешность измерения.
1.3. Измерение входного сопротивления вольтметра можно осуществить с помощью источника питания, внутреннее сопротивление которого по сравнению с входным сопротивлением вольтметра пренебрежимо мало. Таким источником может быть выпрямитель, «свежая» батарея или элемент, заряженный аккумулятор.
Входное сопротивление вольтметра, особенно лампового или транзисторного, как правило, достаточно велико. Такой вольтметр, подключенный к батарее, покажет значение ЭДС батареи (Е). Для повышения точности измерений напряжение источника питания и предел измерений вольтметра желательно выбрать таким, чтобы стрелка отклонилась почти на всю шкалу. После этого между источником напряжения и входом вольтметра включают резистор, сопротивление которого R известно с достаточной точностью. Из-за падения напряжения на этом резисторе показание вольтметра уменьшается до значения U. Теперь входное сопротивление вольтметра можно определить по формуле:
Вольтметры (отдельные или входящие в состав ампервольтомметра), у которых при переходе от одного предела измерений к другому переключаются добавочные резисторы, имеют различное входное сопротивление на разных пределах измерений. Такие приборы принято характеризовать входным сопротивлением, отнесенным к одному вольту предела шкалы. Это сопротивление для данного вольтметра неизменно на всех пределах.
1.4. Особенности измерения постоянных напряжений заключаются в том, что подключение вольтметра приводит к уменьшению общего сопротивления участка цепи, параллельно которому присоединяют вольтметр. Относительное уменьшение сопротивления определяется отношением Rц /(Rвх+Rц), где Rц — полное сопротивление цепи между точками включения вольтметра, a Rвх = Rдоб + Rи = Uп/Iи — входное сопротивление вольтметра. Вольтметр будет мало влиять на режим цепи при Rвх » Rц. Это условие в полной мере на практике не всегда выполняется, поэтому на схемах промышленных образцов аппаратуры, на картах напряжений, в таблицах режимов часто указывают не только значения, а и тип прибора, которым они измерены. Когда измерения должны проводиться в очень высокоомных цепях и тем более когда подключение вольтметра ощутимо влияет на режим исследуемого каскада, рекомендуется применять электронный вольтметр, обладающий гораздо большим входным сопротивлением.
1.5. Особенности измерения постоянных токов связаны с тем, что прибор включают последовательно в исследуемую цепь. Это приводит к увеличению общего сопротивления цепи и уменьшению тока в ней. Прибор будет тем меньше влиять на режим цепи, чем меньше будет падение напряжения на нем в сравнении с напряжением, действующим в цепи.
Если в исследуемой цепи протекает пульсирующий или импульсный ток, то магнитоэлектрический прибор будет реагировать на постоянную составляющую и этого тока. В этом случае параллельно прибору включают конденсатор большой емкости, имеющий гораздо меньшее сопротивление для переменной составляющей тока, чем сам измеритель. Кроме того, место включения прибора в цепи с переменной составляющей выбирают таким образом, чтобы один из его зажимов непосредственно или через конденсатор большой емкости соединялся с корпусом.
1.6. Измерение тока вольтметром особенно удобно, если почему-либо нежелательно или технически сложно разрывать цепь для включения амперметра. В этом случае измеряют падение напряжения на резисторе, по которому проходит измеряемый ток. Если сопротивление резистора известно (или специально измерено), то искомый ток определяют по закону Ома: I = U/R, где I — ток, мА; U — показание вольтметра, В; R — сопротивление резистора, падение напряжения на котором измерялось вольтметром, кОм. При этом нужно помнить, что сопротивление вольтметра должно хотя бы в 10—20 раз превышать сопротивление резистора, на котором измеряют падение напряжения.
1.7. Особенности измерения переменных напряжений и токов в цепях, где присутствует и постоянная составляющая, состоит прежде всего в том, что магнитоэлектрический прибор с выпрямительной системой реагирует и на эту составляющую. Другое дело — электронный измерительный прибор с закрытым входом, т.е. имеющий на входе конденсатор, включенный между входной клеммой и схемой прибора. Однако таким прибором любитель не всегда располагает.
Измеряя переменные напряжения обычным ампер-вольтомметром, можно исключить влияние постоянной составляющей, если присоединить прибор к измеряемой цепи через конденсатор достаточно большой емкости. Емкость должна быть такой, чтобы сопротивление конденсатора на данной частоте было бы гораздо меньше входного сопротивления вольтметра. Например, для нижнего участка диапазона звуковых частот при входном сопротивлении вольтметра 20 кОм/В можно применить конденсатор емкостью 1 мкФ. Для частот более высоких емкость конденсатора может быть уменьшена. При этом нужно помнить, что с увеличением частоты возрастает и частотная погрешность вольтметра, так как показания прибора начинают зависеть не только от активного сопротивления, как при измерении постоянных напряжений, но и от реактивного сопротивления, т.е. от полного сопротивления прибора. Здесь реактивное сопротивление обусловлено прежде всего наличием индуктивностей рамки, добавочных резисторов (особенно проволочных) и другими факторами.
Измерять переменные токи в отлаживаемых схемах удобнее методом вольтметра (п. 1.6).
Важно при измерениях переменных напряжений или токов правильно выбрать место включения прибора в исследуемую схему. Включать прибор желательно так, чтобы потенциал точки подключения прибора был как можно ближе к потенциалу «земли», а еще лучше, если один из щупов будет заземлен.
Все изложенное в пп. 1.4 и 1.5 о влиянии прибора на параметры измеряемой цепи в полной мере относится и к измерениям на переменном токе. И здесь нужно контролировать, не влияет ли перемещение присоединительных проводов и рук на показания прибора. Если да, то имеются паразитные наводки или образовались условия для самовозбуждения схемы и верить показаниям прибора нельзя.
1.8. Вольтметр с «растянутой» шкалой позволяет измерять малое относительно номинального U изменение напряжения U. Такая необходимость возникает при контроле напряжения вторичных источников питания в аппаратуре, напряжения питающей сети, при оценке степени разряженности аккумуляторных батарей и в других случаях с помощью встроенных вольтметров.
Измерять малое изменение напряжения обычным вольтметром затруднительно. Задачу можно решить, расширяя рабочий участок шкалы измерительного прибора. Для этого в измерительную схему включают пороговый элемент (рис. 4), в качестве которого используется стабилитрон VD1 с пороговым значением напряжения Uст = U — 2U. При достижении напряжения стабилизация диод обратимо пробивается и при значительном увеличении тока через него напряжение на нем мало изменяется. Встречное включение второго такого же стабилитрона VD2 позволяет уменьшить суммарную температурную нестабильность диодов.
Рис. 4. Схема вольтметра с "растянутой" шкалой.
Напряжение, поданное на вход схемы, распределяется между резистором R и стабилитронами VD1 и VD2. Поскольку на стабилитронах падение напряжения практически неизменно, то падение напряжения на резисторе равно разности между входным напряжением и Uст. Таким образом, измерительный прибор показывает не значение входного напряжения, а только его изменение — в интервале от 0 до 2U. Это значительно увеличивает разрешающую способность шкалы прибора.
Сопротивление резистора определяют традиционным для схемы стабилизации способом: R = 2U/Iст (2U — предел измерений прибора; Iст — ток стабилизации).
Для контроля степени разряженности, например, двенадцативольтной кислотной аккумуляторной батареи необходимы два диода (можно выбрать из нескольких диодов типа Д810 или Д814В) с напряжением стабилизации 10 В, вольтметр с пределом измерений 3 В, резистор сопротивлением 120 Ом. Шкалу измерительного прибора градуируют в пределах от 10 до 13 В.
1.9. Измерение входного сопротивления и входной емкости осциллографа можно осуществить без применения дополнительной аппаратуры. Для этого входной щуп «Вход Y» подключают к выходному гнезду генератора пилообразного напряжения. Устанавливают длительность развертки 2—20 мс/дел, а усиление таким, чтобы размах изображения на экране составил, к примеру, четыре деления. При больших частотах развертки начнет сказываться влияние емкостного сопротивления входа осциллографа и входного кабеля. Затем между входным щупом и гнездом «Вход Y» включают переменный резистор сопротивлением 1—2 МОм и с его помощью добиваются вдвое меньшего размаха изображения. Получившееся при этом значение сопротивления переменного резистора будет равно входному сопротивлению осциллографа.
Аналогично измеряют и входную емкость осциллографа, но вместо переменного резистора используют конденсатор емкостью до 100 пФ. Длительность развертки уменьшают (до 2—20 мкс/дел), чтобы сделать минимальным влияние входного сопротивления осциллографа на результаты измерения. Подбором емкости конденсатора (или набора конденсаторов) добиваются вдвое меньшего размаха изображения на экране. Значение подобранной емкости и будет равно входной емкости осциллографа, включая емкость входного кабеля. Конечно, удобнее воспользоваться конденсатором переменной емкости, если есть возможность измерить полученную емкость.
Если у осциллографа нет гнезда пилообразного напряжения, то при измерении входного сопротивления на вход осциллографа подают сигнал с частотой 50—500 Гц (можно подать напряжение с низковольтной обмотки любого сетевого трансформатора), а при измерении входной емкости — сигнал с частотой 50—500 кГц от генератора сигналов. Большей точности измерений легче достигнуть, отключив горизонтальную развертку и наблюдая на экране вертикальную линию.
1.10. Входной делитель 1:2 для осциллографа. Делитель обеспечивает возможность наблюдения сигналов, например, в цепях с напряжением до 600 В при помощи осциллографа с допустимым входным напряжением до 300 В. Для изготовления делителя определяют входное сопротивление и входную емкость осциллографа (например, по методике, изложенной в п. 1.9) и последовательно со входным щупом включают параллельную цепочку из резистора и конденсатора. Резистор должен иметь номинальное сопротивление, равное входному, и допускать мощность рассеяния не менее 0,5 Вт, а конденсатор — номинальную емкость, равную входной емкости осциллографа, и быть рассчитан на работу в цепях с напряжением не ниже 400 В.
При включении делителя размах изображения сигнала, подаваемого на «Вход Y», уменьшится вдвое.
1.11. Измерение пульсаций питающих напряжений с помощью осциллографа. Для входной цепи осциллографа существует предельное значение исследуемого напряжения, обычно указываемое в паспорте или в техническом описании прибора. Если возникает необходимость измерить пульсации выпрямленного напряжения при больших номинальных значениях (например, при паспортных данных 300 В необходимо измерить пульсации выходного напряжения выпрямителя 400 В), поступают следующим образом.
Для защиты входной цепи осциллографа входной щуп подключают к исследуемой цепи с большим постоянным напряжением через конденсатор емкостью 0,1—1,0 мкФ на номинальное напряжение не менее 500 В. Причем подключение должно быть выполнено до включения выпрямителя в сеть. На осциллографе (он теперь должен работать в режиме с открытым входом) вначале устанавливают минимальную чувствительность, а затем такую, при которой можно измерить амплитуду пульсаций.
1.12. Измерение частоты с помощью осциллографа.
1-й способ. Способ не требует дополнительных измерительных приборов, но пользоваться им целесообразно, когда в осциллографе имеется встроенный калибратор длительности горизонтальной развертки.
В соответствии с инструкцией по эксплуатации осциллографа производят калибровку длительности развертки и подают исследуемый сигнал на «Вход Y». Переключением частоты развертки и регулировкой уровня синхронизации добиваются устойчивого изображения сигнала на экране. Измеряют целое число периодов сигнала (в делениях), укладывающихся на линии горизонтальной развертки, и определяют частоту исследуемого сигнала (в герцах) по формуле
где n — число периодов исследуемого сигнала; l — длина линии развертки (в делениях масштабной сетки), на которой укладывается возможно большее целое число периодов исследуемого сигнала; Тр — коэффициент развертки в исследуемом диапазоне, с/дел.
Измерение частоты этим способом не требует, как отмечено выше, других измерительных приборов, но не обладает высокой точностью.
2-й способ. Здесь для выполнения измерений дополнительно требуется генератор сигналов. Измерения производят методом фигур Лиссажу.
Сигнал известкой частоты от генератора сигналов подают на «Вход X» осциллографа, исследуемый сигнал — на «Вход Y». Генератор горизонтальной развертки выключают. Органами управления устанавливают приблизительно одинаковые размахи отклонения луча по горизонтали и вертикали. Изменяя частоты генератора сигналов, стараются получить на экране фигуру Лиссажу первого порядка — эллипс или круг. При этом частоты исследуемого сигнала и генератора оказываются равными. Значение измеренной частоты считывают со шкалы генератора.
Если максимальное значение частоты имеющегося генератора ниже частоты исследуемого сигнала, можно воспользоваться более сложными фигурами Лиссажу, получаемыми на экране осциллографа при кратном соотношении частот (рис. 5).
Рис. 5. Фигура Лиссажу при соотношении частот исследуемого и эталонного сигналов 5 : 2.
Расшифровывают подобные осциллограммы следующим образом. Регулировками положения луча по вертикали и горизонтали перемещают фигуру Лиссажу так, чтобы горизонтальная и вертикальная линии масштабной сетки экрана оказались касательными к боковой и нижней (верхней) сторонам фигуры (рис. 5). Подсчитывают число точек касания фигуры с линиями сетки. Отношение числа этих точек показывает отношение частот генератора fг и исследуемого f сигналов. Например, для фигуры, изображенной на рис. 5, соотношение частот f и fг равно 5 : 2. Поэтому частоту исследуемого сигнала находят по формуле:
1.13. Измерение времени срабатывания и отпускания реле возможно с помощью осциллографа, способного работать в ждущем режиме с запуском от внешнего сигнала и имеющего открытый вход. Измерения проводят по схеме, изображенной на рис. 6, а.
Рис. 6. Схема (а) для определения времени срабатывания и отпускания реле и осциллограммы "фронта срабатывания" (б) и "фронта отпускания" (в).
Напряжение Uпит , при котором работает реле К1, подается на его обмотку через кнопку SB1. Это же напряжение поступает через контакт К1.1 на вход усилителя вертикального отклонения. С обмотки реле напряжение подается через конденсатор С1 на гнездо «Вход X» осциллографа — это импульс запуска генератора развертки.
Подготавливая осциллограф к исследованию, устанавливают такую его чувствительность, чтобы для данного напряжения Uпит отклонение луча по вертикали составило 2—3 деления. Длительность развертка выбирают в зависимости от предполагаемого времени срабатывания. Поскольку для современных реле время срабатывания и отпускания в большинстве случаев составляет единицы миллисекунд, то длительность развертки можно установить, например, равной 2 мс/дел.
При нажатии кнопки на экране появляется изображение луча, "пробегающего" по линии развертки некоторое расстояние, по которому можно определить время срабатывания реле (время замыкания контактов K1.1). После замыкания луч резко отклонится вверх (рис. 6, б). Если длина пробега луча до отклонения составит два деления, то при выбранной длительности развертки время срабатывания будет 4 мс.
Если, нажав кнопку SB1, подержать ее несколько секунд и отпустить, то по расстоянию, которое пройдет луч до резкого отклонения вниз (на линию развертки) можно определить время отпускания реле (рис. 6, в).
|
