Эталоны единиц электрических величин

У человечества всегда возникала необходимость иметь количественную информацию о том или ином объекте материального мира. Основным способом получения такой информации являются измерения. Чем с большей точностью выполняются измерения, тем более точные сведения получаем об объекте исследования. Познание окружающего мира невозможно без измерений. По этому поводу Макс Планк сказал: «В физике существует только то, что можно измерить».

Научную и законодательную базу измерений обеспечивает метрология (от греческих слов «метрон» - мера, «логос» - учение) - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Основы отечественной метрологии заложил Д.И.Менделееев. Роль и значение измерений Д.И.Менделееев определил так: «В природе мера и вес суть главное орудие познания. Наука начинается с тех пор, как начинают измерять, точная наука немыслима без меры». В 1893 г. Д.И.Менделееев основал Главную палату мер и весов, которая должна обеспечивать хранение эталонов и поверку средств измерений.

История развития техники электрических измерений связана с русскими учеными М.В.Ломоносовым и Г.В.Рихманом, которые в XV111 веке сконструировали первый электроизмерительный прибор – указатель электрической силы. В XV111 – X1X веках ученые Вольт, Кулон, Ом, Фарадей и др. продолжили создание электроизмерительных приборов. Развитие техники радиоизмерений началось в начале XX века после изобретения радио А.С.Поповым. Первые измерительные приборы давали относительную оценку измеряемой физической величины. Затем появились приборы, осуществляющие и количественные измерения. Это стало возможным после создания в 1875 г. Международного бюро мер и весов, обеспечивающего единство измерений.

Первые измерительные приборы были преимущественно стрелочного типа. На современном этапе развития техники измерений переходят на цифровые методы. В последние годы сформировалось новое направление в метрологии и электрорадиоизмерительной технике – компьютерно-измерительные системы (КИС). Их разновидностью являются виртуальные приборы, встроенные в программы исследования радиоэлектронных систем. Виртуальный прибор – это специальная плата с соответствующим программным обеспечением, моделирующим нужную метрологическую задачу. Такие системы в ближайшем будущем найдут преимущественное распространение.

Настоящее учебное пособие рекомендовано студентам специальности 200800 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» и специализации 200801 «"Проектирование и технология аппаратуры средств связи".

Любой объект окружающего мира характеризуется своими свойствами.

Свойство – философская категория, выражающая такую сторону объекта, которая обуславливает его общность или различие с другими объектами и обнаруживает его отношение к ним.

Величина – свойство чего-либо, которое может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количественно. Величина может быть идеальной и реальной.

Идеальная величина – обобщение (моделирование) некоторых конкретных понятий, например в области математики.

Реальная величина – характеризующая свойства объектов, изучаемых в естественных и технических науках, а также в общественных науках, при этом в первом случае реальные величины называют физическими, во втором – нефизическими.

Физическая величина – свойство объекта, общее с множеством других объектов в качественном отношении и индивидуальное в количественном, например, сопротивление проводника и количественная величина сопротивления, емкость конденсатора и количественная величина емкости и др.

Измеряемая физическая величина – можно выразить количественно в установленных единицах измерения.

Оценивание – операция приписывания физической величине определенного числа единиц, проведенная по установленным правилам.

Значение физической величины – оценка физической величины в принятых единицах измерения.

Истинное значение физической величины – значение физической величины, которое идеальным образом отражает качественное и количественное свойства объекта.

Погрешность – это отклонение результата измерения от истинного значения физической величины.

Действительное значение физической величины – значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному, что его можно использовать вместо него.

Измеренное значение физической величины – значение физической величины, отсчитанное по отсчетному устройству средства измерения.

Постоянная физическая величина – физическая величина, размер которой не изменяется за время измерения

Переменная физическая величина - физическая величина, размер которой изменяется за время измерения.

Физический параметр – физическая величина, характеризующая частную особенность измеряемой величины.

Единица физической величины – физическая величина, которой по определению присвоено стандартное числовое значение, равное единице.

Принцип измерений – совокупность физических принципов, положенных в основу измерений.

Метод измерений – совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Объект измерения – физический объект, свойства которого характеризуются одним или несколькими измеряемыми физическими величинами.

Математическая модель объекта – совокупность математических символов и отношений между ними, которая адекватно описывает свойства объекта измерения.

Достоверность измерений определяется вероятностью (доверительной вероятностью) того, что истинное значение измеряемой величины находится в указанных пределах.

Правильность измерений – метрологическая характеристика, отражающая близость к нулю систематических погрешностей результатов измерений.

Сходимость результата измерений – близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполняемых повторно одними и теми же методами и средствами измерений в одинаковых условиях.

Воспроизводимость результатов измерений - близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами и средствами измерений, разными операторами, но приведенными к одним и тем же условиям.

Количественные проявления свойства объекта представляются множествами, которые образуют шкалы измерения этих свойств. Различают пять типов шкал: наименований, порядка, интервалов, отношений и абсолютные.

Шкала наименований (шкала классификации) – основана на приписывании объекту цифр или имен, не являющихся физическими величинами и для которых нельзя установить отношение «больше» или «меньше», например, обозначение элементов на электрической принципиальной схеме.

Шкала порядка (шкала рангов) – предполагает упорядочивание объекта относительно какого-либо свойства. Подобный ряд может дать ответ на вопрос «что больше или меньше», но не определяет на сколько больше или меньше, например, оценка землетрясений или волнения моря в баллах.

Шкала интервалов (шкала разностей) – определяет разность между отдельными значениями, но не определяет начало отсчета (нулевую точку), например, температурная шкала Цельсия.

Шкала отношений - определяет разность между отдельными значениями и началом отсчета. Охватывает интервал от нуля до бесконечности и не содержит отрицательных значений, например, шкала абсолютной температуры.

Абсолютные шкалы – имеют все признаки шкал отношений и однозначно определяют единицу измерения, например, коэффициент усиления или ослабления.

Единицы физических величин подразделяются на основные и производные в соответствии с принятыми принципами построения Международной системы единиц СИ (SI – от франц. Systeme International). Применение системы единиц физических величин регламентируется ГОСТ 8.417-81 «ГСИ. Единицы физических величин». В основу данной системы входят семь основных единиц и две дополнительные.

Метр – единица длины, равная длине пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды.

Секунда – единица интервала времени, равная 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Килограмм – единица массы, равная массе международного прототипа килограмма (масса одного кубического дециметра чистой воды при 4°С).

Ампер – сила тока, который, проходя по двум параллельным проводникам, расположенным на расстоянии одного метра друг от друга в вакууме, вызывает на каждом метре длины силу взаимодействия 2·10^-7 Н.

Кельвин – единица термодинамической температуры – 1/273,16 термодинамической температуры тройной точки воды. 273,16 – интервал температур от абсолютного нуля до тройной точки воды в градусах Цельсия. Тройная точка воды – температура, при которой твердая, жидкая и газообразная фазы воды находятся в равновесии.

Производные единицы образуются из основных и дополнительных. Наиболее употребляемые в радиоэлектронике и радиосвязи единицы: частота (Герц), энергия, работа, количество теплоты, мощность, поток энергии (Ватт), количество электричества (Кулон), электрическое напряжение, электрический потенциал, электродвижущая сила, разность электрических потенциалов (Вольт), электрическая емкость (Фарада), электрическое сопротивление (Ом), электрическая проводимость (Сименс), поток магнитной индукции, магнитный поток (Вебер), индуктивность, взаимная индуктивность (Генри).

Установлены десятичные кратные и дольные единицы системы измерений, которые образуются с помощью приставок: экса (10¹⁸), пета (10¹⁵), тера (10¹²), гига (10⁹), мега (10⁶), кило (10³), гекто (10²), дека (10¹), деци (10^-1), санти (10^-2), милли (10^-3), микро (10^-6), нано (10^-9), пико (10^-12), фемто (10^-15), атто (10^-18).

Виды измерений. Различают прямые, косвенные и совместные измерения.

Прямыми называют измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из результатов измерений. Математически прямые измерения можно охарактеризовать формулой

Косвенными называют измерения, при которых искомое значение физической величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, найденными в результате прямых измерений. Косвенные измерения можно описать формулой

Совместными называют одновременные измерения двух и большего числа величин для нахождения зависимости между ними.

Измерения могут быть абсолютными и относительными.

Абсолютные измерения – это такие измерения, при которых результат выражается в единицах измеряемой величины.

Относительные измерения – это такие измерения, при которых результат есть отношение измеряемой величины к одноименной величине, принимаемой за исходную.

Методы измерений. Измерение физической величины базируется на определенных принципах, Принцип измерения – совокупность физических явлений, на которых основаны измерения. Совокупность приемов использования принципов и средств измерений определяется как метод измерения. Методы измерений подразделяются на метод непосредственной оценки и метод сравнения (рисунок 1.3).

Метод непосредственной оценки предусматривает определение численного значения измеряемой величины непосредственно по показаниям измерительного прибора.

Метод сравнения предполагает сравнение измеряемой величины с воспроизводимой средством измерения мерой. Метод сравнения подразделяют на следующие:

- нулевой метод, при котором измеряемая величина полностью уравновешивается образцовой;

- дифференциальный метод, при котором измеряется разница между измеряемой величиной и близкой к ней образцовой;

- метод замещения, при котором действие измеряемой величины замещается образцовой.

- компенсационный метод, при котором действие измеряемой величины компенсируется образцовой:

- мостовой метод, при котором достигают нулевого значения тока в измерительной диагонали моста.

Вольтметры предназначены для измерения напряжений постоянного, переменного и импульсного токов в широком диапазоне напряжений и частот. Обозначения подгрупп: В2- вольтметры постоянного тока, В3 – вольтметры переменного тока, В4 – вольтметры импульсного тока, В7 – вольтметры универсальные, В8 – измерители отношений напряжений. Добавление к основному обозначению подгруппы буквы К означает, что прибор комбинированный и может измерять несколько физических величин (ВК2-17, В7-21).

Аналоговые вольтметры делятся на электромеханические и электронные.

Измерительная цепь преобразует измеряемую электрическую величину U_X в некоторую промежуточную электрическую величину Y (ток или напряжение), функционально связанную с величиной U_X. Величина Y непосредственно воздействует на измерительный механизм. В зависимости от характера преобразования измерительная цепь может представлять собой совокупность преобразовательных элементов (резисторов, конденсаторов, выпрямительных диодов).

Измерительный механизм преобразует электромагнитную энергию в механическую энергию, необходимую для угла отклонения α его подвижной части относительно неподвижной, т.е. α=f(Y)=F(U_X). В зависимости от способа преобразования электромагнитной энергии в механическое угловое перемещение подвижной части измерительного механизма электромеханические вольтметры делят на магнитоэлектрические, электродинамические, ферродинамические, электромагнитные, электростатические и т.д.

Отсчетное устройство электромеханического прибора чаще всего состоит из указателя (стрелочного или светового), жестко связанного с подвижной частью измерительного механизма, и неподвижной шкалы. По начертанию шкалы бывают прямолинейные (горизонтальные или вертикальные), дуговые (при дуге ≤180⁰) и круговые (при дуге >180⁰). По характеру расположения отметок различают шкалы равномерные и неравномерные, односторонние относительно нуля, двусторонние и безнулевые.

Числовое значение измеряемой величины равно произведению числа делений, отсчитанных по шкале, на цену деления прибора. Цена деления – значение измеряемой величины, соответствующее одному делению шкалы.

Чувствительность прибора: S=S_иц∙S_им, где S_иц, S_им – чувствительности соответственно измерительной цепи и измерительного механизма. Классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. К аналоговым электромеханическим вольтметрам относятся также комбинированный прибор – ампервольтомметр (авометр) и логометр, измеряющий отношение двух эдектрических величин.

Аналоговые электронные вольтметры включают в себя электронные (активные) преобразователи измеряемой величины в постоянное напряжение (ток) и магнитоэлектрический прибор. Они отличаются Высокой чувствительностью (0,1 нВ/дел), широким частотным диапазоном (от нуля дол единиц МГц) и высоким входным сопротивлением (до 10¹⁶ Ом). Вольтметры постоянного тока в диапазоне от 10 мВ до 1000 В строят по схеме (рис. 2.2).

Для измерения низких напряжений от долей микровольта до единиц вольт применяют микро- и милливольтметры, содержащие во входных цепях усилители с МДМ-преобразованием (рис. 2.3).

Постоянное входное напряжение U_вх преобразуется модулятором М в переменное импульсное напряжение. Модулятор М образован двумя ключами SA1 и SA2, коммутация которых производится в противофазе. Управление ключами осуществляется от специального генератора Г. Если R_кл=0 в замкнутом состоянии и R_кл=∞ в разомкнутом состоянии, и если переключение производится мгновенно, то на выходе модулятора М имеем последовательность прямоугольных импульсов с амплитудой U_вх.

Эти импульсы усиливаются усилителем переменного напряжения у, выходной сигнал которого не содержит постоянной составляющей, т.к. усилители переменного напряжения не усиливают постоянной составляющей переменного напряжения. Принцип действия демодулятора ДМ аналогичен принципу действия модулятора М. На выходе ДМ при синхронной коммутации ключей (одновременно замкнуты ключи SA1 и SA3, а разомкнуты SA2 и SA4, и наоборот) полярность прямоугольных импульсов совпадает с полярностью импульсов на выходе М. Фильтром Ф импульсы усредняются и на выходе усилителя МДМ получаем усиленное постоянное напряжение, полярность которого определяется полярностью U_вх. В модуляторе М и демодуляторе ДМ в качестве ключей чаще всего используются электромеханические прерыватели (вибропреобразователи) или полевые транзисторы.

б) упрощенные схемы модулятора и демодулятора;

Применение усилителей типа МДМ по сравнению с традиционными УПТ позволяет существенно снизить погрешности от нестабильности напряжения смещения (дрейфа нуля), которые оказываются особенно значимыми при измерениях малых напряжений. Нестабильность напряжения смещения у УПТ по схеме МДМ составляет десятые доли мкВ на градус кельвина. Недостаток усилителей с МДМ – узкий частотный диапазон по входу, т.к. максимальная частота напряжения U_вх должна быть по меньшей мере на порядок ниже частоты сигнала генератора Г.

Вольтметры переменного тока строятся по двум схемам, изображенным на рис.2.4.

Первая схема имеет широкий частотный диапазон (до 700 МГц), но сравнительно низкую чувствительность. Вторая схема имеет более узкий частотный диапазон (до 10 МГц), определяемый полосой пропускания усилителя переменного тока, но более высокую чувствительность (нет УПТ и связанного с ним дрейфа нуля).

Рис. 2.4. Типовые схемы вольтметров переменного тока.

Универсальные аналоговые электронные вольтметры, предназначенные для измерения в цепях постоянного и переменного токов, реализуются по комбинированной схеме (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Универсальный аналоговый электронный вольтметр.

Входное устройство обеспечивает значения измеряемого напряжения, необходимые для дальнейшего преобразования. Им может быть либо высокоомный вход преобразователя, либо резистивный, конденсаторный делитель напряжения (рис. 2.6).

Для резистивного делителя: К_Д=U_вых/U_вх= R₂/(R₁+R₂)=f(ω)|_ω_↑.

Для конденсаторного делителя: К_Д=U_вых/U_вх=С₁/(C₁+C₂)=f(ω)|_ω_↓.

К_Д=U_вых/U_вх=Z₂/(Z₁+Z₂) =R₂/(R₁+R₂)= С₁/(C₁+C₂≠ f(ω).

Резистивно-конденсаторный делитель работает как резистивный в области низких и как конденсаторный в области высоких частот. Теоретически его К_Д не зависит от частоты, поэтому такой делитель называют частотно-скомпенсированным.

Обычно делители напряжения выпускаются многопредельными и выполняются по схеме с постоянным входным либо выходным сопротивлением (рис.2.7).

Рис. 2.7. Многопредельные делители напряжения:

При подаче на его вход синусоидального напряжения и малой постоянной времени заряда τ₃=(R_И+R_Д)С (R_И и R_Д – сопротивления источника сигнала и открытого диода) по сравнению с периодом измеряемого напряжения на конденсаторе практически повторяет входное и через четверть периода достигает U_max. После этого U_вх падает, и диод закрывается, а конденсатор разряжается через резистор R. В момент, когда входное напряжение вновь становится равным напряжению на конденсаторе, диод открывается, и конденсатор подзаряжается до U_max и т.д.

Среднее значение напряжения на К_паз= U_со/ U_max называется коэффициентом преобразования амплитудного значения: ПАЗ. Величину R нельзя взять бесконечно большой из-за наличия шунтирования следующим каскадом, а также из-за увеличения инерционности ПАЗ в случае изменения величины U_max (R от 10 до 50 МОм).

Если на входе ПАЗ действует последовательность прямоугольных импульсов, то выходное напряжение ПАЗ близко к их амплитуде U_max (рис. 2.9). Коэффициент заряда и разряда конденсатора. Таким путем можно измерять амплитуду импульсов с длительностью от десятых долей мкс и выше и скважностью от 2 до 1000.

Преобразователи среднего значения диодах, соединенных по мостовой схеме (рис. 2.10). пропорциональны U_ср, т.е. α=kU_ср (из-за инерцион Показания α микроамперметра ности подвижной части).При необходимости повышения чувствительности ПСЗ данная мостовая схема включается в качестве нагрузки усилителя переменного тока, охваченного отрицательной обратной связью по току.

Преобразователи действующего значения ПДЗ (рис. 2.11) строятся на основе термопреобразователей ТП в совокупности с операционными усилителями ОУ. ЭДС Е₁ пропорциональна квадрату действующего значения U_вх, а Е₂ – квадрату напряжения U_вых, т.е. Е₁=k1U²_{вх д}; Е₂=k2U²_вых. В свою очередь U_вых=k(E₁-E₂), где k₁ и k₂ – коэффициенты преобразования термопреобразователей ТП1 и ТП2, k – коэффициент усиления ОУ. В итоге

Рис. 2.11. Преобразователь действующего значения.

Таким образом, точность преобразования ПДЗ определяется отношением коэффициентов преобразования ТП и значительно выше, чем у обычных термоэлектрических приборов. Подобные ПДЗ наиболее эффективны при измерении напряжений, имеющих большое количество гармонических составляющих. Их γ_пр от 0,5 до 1,50%. Однако быстролействие из-за инерционности термопреобразователей низкое (от 1 до 3 с). Также в ПДЗ могут использоваться элементы с квадратичной вольт-амперной характеристикой i=kU² (преобразователи на диодных цепочках).

Шкалы большинства вольтметров независимо от типа преобразования отградуированы в действующих значениях синусоидального сигнала, поэтому градуировка справедлива только при измерении сигналов синусоидальной формы, за исключением вольтметров с ПДЗ.

Принцип действия цифровых вольтметров состоит в преобразовании измеряемого постоянного или медленно меняющегося напряжения в код, который отображается на табло в цифровой форме. Структурная схема цифрового вольтметра изображена на рис. 2.12.

Входное устройство осуществляет изменение масштаба измеряемого напряжения, фильтрацию помех, и, при измерении переменного напряжения, его преобразование в постоянное. В соответствии с назначением во входном устройстве имеется делитель напряжения, усилитель, фильтр, а также преобразователи ПАЗ, ПСЗ или ПДЗ, выполненные по известным схемам.

Рис. 2.12. Структурная схема цифрового вольтметра.

Схемные решения цифровых вольтметров определяются видом АЦА. В соответствии с рассмотренными модификациями АЦП существуют цифровые вольтметры развертывающего типа, следящего типа, поразрядного уравновешивания. Наибольшее распространение получили интегрирующие вольтметры, которые позволяют повысить точность измерения за счет усреднения помехи.

Самой распространенной помехой является переменное напряжение частоты промышленной сети (50Гц). Для снижения действия помех в состав входного устройства и включают фильтр низких частот (ФНЧ), который вместе с тем ухудшает такие характеристики вольтметра, как сопротивление входа и быстродействие.

Для интегрирующего вольтметра ФНЧ не требуется, т.к. он показывает среднее значение входного напряжения за некоторый фиксированный интервал времени U_{х ср}. Действительно, в этом случае (рис. 4.13).

где U_nm и ω – амплитуда и угловая частота напряжения помехи; ∆t₁ – это первый такт интегрирования.

Рассмотрим работу вольтметра с двухтактным интегрированием (рис. 2.14). В исходном состоянии аналоговые ключи Кл1 и Кл2, а также логический ключ Кл3 “разомкнуты”. Цикл измерения начинается с прихода на ключ Кл1 управляющего сигнала u₁ с устройства управления УУ. В результате ключ Кл1 в течение времени ∆t₁ ”замкнут”. Через него на вход интегратора И, построенного на операционном усилителе ОУ, подается измеряемое напряжение U_х.

При U_х>0 напряжение на входе интегратора И во время первого такта линейно падает в соответствии с выражением

По окончании первого такта U₁=0, и ключ Кл1 “размыкается”. Одновременно на другом выходе УУ появляется импульсный сигнал, Устанавливающий триггер Т в состояние “1”. Выходным напряжением триггера U₂ “замыкаются” ключи Кл2 и Кл3. Через ключ Кл2 на вход интегратора И поступает постоянное опорное напряжение U₀, полярность которого противоположна полярности U_x. Тем самым начинается второй такт интегрирования, в течение которого выходное напряжение интегратора

Одновременно через открытый ключ Кл3 на счетчик Сч проходят импульсы u₅ с генератора стабильной (кварцованной) частоты Г. Когда напряжение на выходе интегратора u₄=0, срабатывает схема сравнения СС. Она обнуляет триггер Т, в результате чего “размыкаются” ключи Кл2 и КЛ3.

Рис. 2.14. Цифровой вольтметр с двухтактным интегрированием:

Число импульсов, сосчитанное счетчиком и отображенное на цифровом индикаторе ЦИ,

т.е. прямо пропорционально величине U_{х ср}. Длительность ∆t₁ выбирают равной или кратной периоду самой частой помехи – сетевой: ∆t₁=20m мс, (m=1,2,…). За счет этого обеспечивается подавление сетевой помехи свыше 40 дБ.

Интервал ∆t₁ обычно формируется с помощью входящего в состав УУ триггерного делителя частоты, на вход которого поступают импульсы с выхода генератора Г (штриховая линия связи на рис. 2.14, а). В этом случае ∆t₁=n₁T₀, тогда n=n₁U_x_ср/U₀.

Погрешности такого цифрового вольтметра возникают из-за погрешности дискретного квантования ∆t₂, от нестабильности U₀, от влияния остаточных параметров аналоговых ключей, из-за неточного выполнения операций интегрирования реальным интегратором. Существуют и другие модификации цифровых вольтметров, в том числе классов точности 0,001 и 0,0025.

Цифровой индикатор ЦИ (цифровой дисплей) обычно включает в свой состав дешифратор, преобразователи уровня (ключи) и собственно знаковые индикаторы, осуществляющие преобразование кодовых электрических сигналов в световые, удобные для непосредственного восприятия оператором. Имеются знаковые индикаторы с катодами в форме цифр от 0 до 9, а также сегментные, в которых изображение той или иной цифры обеспечивается засвечиванием необходимой комбинации сегментов.

Измерение сдвига фаз осуществляется приборами – фазометрами, маркировка которых начинается с символов Ф2. Фазометры бывают аналоговые и цифровые. К аналоговым относятся электромеханические (например, логометры) и электронные фазометры. Электронный фазометр измеряет угол сдвига фаз между двумя периодическими напряжениями одной частоты в диапазоне частот до 1МГц (рис. 2.28).

Напряжения U₁ и U₁^* подаются на два входа прибора. Одно из них (например, U₁) является опорным. Усилители-формирователи УФ1 и УФ2 преобразуют входные сигналы по переходам из отрицательной полуплоскости в положительную и обратно в двуполярные импульсные напряжения прямоугольной формы с крутыми фонтами. Очевидно, что при этом исходный сдвиг фаз сохраняется неизменным.

Дифференцирующие цепи ДЦ1 и ДЦ2 формируют по обоим перепадам короткие импульсы, полярность которых соответствует знаку производной от того или иного перепада во времени. Диодные цепи Д1 и Д2 отсекают импульсы ненужной полярности. Каждым первым импульсом триггер Т взводится, а вторым сбрасывается (обнуляется).Очевидно, что чем больше измеряемый сдвиг фаз ∆φ_х, тем больше длительность t_φ прямоугольных импульсов на выходе триггера Т, к выходу которого через ограничивающий резистор подключен магнитоэлектрический микроамперметр.

где I_max - амплитуда импульсов тока через микроамперметр.

Поскольку ток I_ср прямо пропорционален измеряемому сдвигу фаз ∆φ_х, то шкала прибора линейна и не зависит от частоты (в выражение для градуировки шкалы не входят ни частота, ни период). Приведенная погрешность γ_пр таких фазометров составляет около 1%.

Сдвиг фаз ∆φ_х можно также измерять электронно-лучевым осциллографом в режимах линейной или синусоидальной разверток (как и при измерении частоты). При линейной развертке применяется двухлучевой осциллограф или однолучевой с электронным коммутатором. На экране наблюдают изображение двух напряжений, сдвиг фаз между которыми надо измерить (рис. 2.29). По измеренным отрезкам ab и ac вычисляется ∆φ_х=(ab/ac)360⁰. Погрешности в этом случае в основном возникают за счет неточности измерения длин отрезков, в том числе по причине ненулевой толщины луча, и составляют от 5 до 10%. При синусоидальной развертке (метод эллипса) сигналы U₁ и U₁^* подаются соответственно на входы каналов Y и X осциллографа (естественно, внутренний генератор пилообразного напряжения развертки предварительно отключается). На экране электронно-лучевой трубки получаютизображение эллипса (рис. 6.3), также относящееся к семейству фигур Лиссажу.

то в момент времени t=0 светящееся пятно будет находится в точках a или b (поскольку при этом U_Y=0), следовательно,

Метод эллипса позволяет измерять сдвиг фаз ∆φ_х в пределах от 0⁰ до 90⁰ без определения знака угла. Его погрешности, вызванные неточностью измерения отрезков и недостаточным совпадением чувствительностей осциллографа по каналам Y и Х, составляют от 5 до 10%.

Цифровые фазометры бывают компенсационные и прямого преобразования. В компенсационном фазометре (рис. 2.31) одно из гармоничемких напряжений поступает на фазовращатель ФЗ, управляемый кодом. Фазовый сдвиг напряжения U₂ относительно напряжения U₁^* меняется, пока напряжения U₁ и U₂ не станут синфазны (совпадут по фазе). Знак сдвига фаз между сигналами U₁ и U₂ определяется фазочувствительным детектором ФЧД, выходной сигнал которого поступает на устройство управления УУ. По окончании уравновешивания код на управляющем входе ФВ эквивалентен фазовому сдвигу напряжения U₂ относительно напряжения U₁^*, а, следовательно, и равн

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: