Измерение электрических величин аналоговыми и цифровыми преобразователями и измерительными приборами

Аналоговые электромеханические СИ включают в себя измерительную цепь, измерительный механизм, отсчетное устройство со шкалой и метрологическими характеристиками на ней. Измерительный механизм преобразует входной электрический сигнал в механическую энергию перемещения подвижной части. Перемещение, в основном, представляет собой поворот подвижной части относительно неподвижной оси на какой либо угол α.

Отсчетное устройство – указатель (стрелка), перо, жестко связанного с подвижной частью измерительного механизма, и неподвижной шкалой (бумажным носителем, совмещяющим функции шкалы и носителя регистрируемой информации). Подвижная часть преобразует угловое перемещение механизма в пермещение указателя, при этом величина α отсчитывается в единицах деления шкалы.

Вращающий момент М_вр., действующий на подвижную часть, определяется производной от энергии поля по углу отклонения подвижной системы СИ по формуле: - М_вр. = d W_l / dα, где W_l – энергия магнитного поля системы контуров с токами или энергия электрического поля системы заряженных тел. В зависимости от характера явления, используемого для создания вращающего момента, различают следующие системы электромеханических СИ: магнитоэлектрическую, электромагнитную, электродинамическую, индукционную. В любом из этих СИ действуют также уравновешивающий противодействующий момент М_α , зависящий от α и направленный в сторону, противодействующую М_вр.. В зависимости от способа создания противодействующего момента М_α электромеханические СИ подразделяются на две группы: - с механическим противодействующим моментом; - с электрическим противодействующим моментом (логометры).

Характеристики электромеханических измерительных механизмов представлены в таблице 15.1

Таблица 15.1 – Характеристики электромеханических измерительных механизмов

Тип измери-тельного механизма	Кинематическая схема механизма	Вращающий момент	Уравнение шкалы	Примечание
Магнито- электри-ческий		М =BsWI;	а = или а = SI	I – ток в обмотке рамки; S – чувстви-тельность, s – акт. пл. рамки, w – число вит-ков обмотки, В – индукция, W – уд. пр. момент.
Электро-магнит- ный		М=	а=	I – ток в обмотке ка-тушки; L – индуктив-ность катушки
Продолжение таблицы 15.1
Электро- динами- ческий		Общее выражение М = а = Для переменного тока М = а =	I1 – ток подвижной ка-тушки; I2 – ток непод-вижных кату-шек; М1,2 – взаимная индуктивность между подвижными и неподвижными катушками; ф – угол сдвига между токами I2 и I2.
Ферродинамичес- кий		М= К1ВI2 cos(В,^I2)	a= K1I2I2 cos(I1,^I2)	К, К1 – коэф-фициенты, опре-деляемые конст-рукцией измери- тельных меха-низмов и выбо-ром системы единиц
Электро- статичес- кий		М=	а=	u–напряжение между электро-дами; С–емкость меж-ду электродами

С развитием электроники, особенно полупроводникой и микропроцессорной и вычислительной электроники, электромеханические СИ частью дополнены электронной модернизацией, частью переоборудованы в электронные СИ, но в основном, вновь созданы в группу электронных аналоговых СИ. Электронные СИ отличаются высоким быстродействием, широким частотным диапазоном, высокой чувствительностью. Применение интегральных микросхем приводит к дальнейшему увеличению разрешительных способностей, стабильности и надежности СИ, к уменьшению их размеров, массы и потребления энергии. Многие вольтметры, осциллографы, частотомеры, фазометры и др. строятся на основе электронных приборов. В вышеприведенных разделах измерения давления и температуры были рассмотрены и аналоговые и аналого-электронные схемы приборов и преобразователей, примеры их можно расширять бесконечно, благо, что номенклатура таких приборов весьма обширна. Для примера приводятся - осциллографы для измерений радиотехнического и электронного назначений. Осциллографы используют для наблюдения и записи быстро протекающих процессов.

По принципу действия осциллографы существуют трех типов: электромеханический, электронный, электронно-лучевой.

Электромеханический осциллограф состоит из следующих узлов: вибраторов, оптической системы, приспособления для наблюдения и фотографирования исследуемого тока. Вибратор представляет собой натянутую бронзовую ленточку в виде петли и находится в поле постоянного магнита. Ток, проходящий по петле, взаимодействует с полем постоянного магнита, в результате чего появляется вращающий момент, под действием которого петля и прикрепленное к ней зеркальце повернуться в ту или иную сторону в зависимости от направления тока в петле, а угол отклонения будет пропорционален мгновенному значению тока. Луч света от лампы через диафрагму и фокусирующую линзу попадает на зеркальце вибратора. Отраженный от него луч через фокусирующую линзу падает на поверхность движущейся светочувствительной бумаги или кинопленки. Часть луча света с помощью призмы отбрасывается на вращающийся многогранный зеркальный барабан и отражается от него на матовый экран. При одновременном движении луча света, отраженного от колеблющегося зеркальца, и равномерном вращении барабана луч света вычертит на экране кривую исследуемого тока.

Осциллографы могут иметь несколько десятков вибраторов для одновременной записи нескольких различных процессов на фотобумаге (кинопленке), скорость движения которой устанавливается в пределах от 1 до 5000 мм / с. Электромеханические осциллографы могут записывать процессы с частотой от нуля до 5 – 10 кГц.

Электронный осциллограф позволяет наблюдать периодические процессы с частотой до сотен мегагерц. Основной частью осциллографа является вакуумная электронно-лучевая трубка. Под действием тока накала катод К излучает электроны, которые с помощью сетки и анодов А1 и А2 формируются в электронный луч и направляются на экран, покрытый слоем люминофора. Измеряемое напряжение прикладывается к паре горизонтально расположенных пластин; вторая пара пластин расположена вертикально, и к ней приложено периодически изменяющееся во времени линейное напряжение «развертки». Если частоты периодических напряжений совпадают, то светлое пятно на экране за время Т будет следовать с постоянной скоростью по горизонтали и одновременно смещаться по вертикали под действием напряжения, прочерчивая в результате кривую исследуемого напряжения.

Электронно-лучевой осциллограф используется для визуального наблюдения, измерения и регистрации формы и параметров электрических сигналов в диапазоне частот от постоянного тока до десятков мегагерц.

Электронно-лучевые осциллографы обладают высокой чувствительностью и малой инерционностью, подразделяются на универсальные, запоминающие, специальные и др., могут быть одно- , двух- и многолучевыми.

В настоящее время существует огромное количество моделей осциллографов. Рассмотрим некоторые из них.

Осциллограф АКТАКОМ АСК- 1021 с шириной полосы пропускания 25 МГц

Данный осциллограф является прибором лабораторного типа. Простота в обращении и высокая надежность делают его идеальным прибором с превосходными характеристиками для широкого спектра измерений, необходимых в исследованиях, производстве, в сфере образования и во многих других сферах применения.

Осциллограф С8 – 33

Осциллограф двухканальный цифровой запоминающий С8 – 33 предназначен для оперативного исследования однократных сигналов с максимальной частотой дискретизации 20 Мвыб / с и периодических сигналов с максимальным временем разрешения 100 пс в полосе частот от 0 до 20 МГц размахом от 10 мВ до 16 В (до 160 В с внешним делителем 1:10) путем регистрации их в цифровой памяти, отображения на экране электронно-лучевой трубки и цифрового измерения амплитудных и временных параметров. В осциллографе устанавливается интерфейс для устройств с последовательным обменом информацией в соответствии с рекомендациями. Область применения осциллографа: ремонт, наладка, эксплуатация различных электронных приборов и узлов автоматики, вычислительной техники, связи, сложной электронной техники, научные исследования.

Осциллограф универсальный С1-65

Осциллограф универсальный С1-65 предназначен для исследования формы электрических сигналов путем визуального наблюдения и измерения их амплитудных и временных параметров в цеховых, лабораторных и полевых условиях эксплуатации.

Прибор удовлетворяет требованиям ГОСТ 22261-94, нормалей Н0.005.026-030, а по условиям эксплуатации приборов к 7 группе нормали Н0.005.026.

Осциллограф С1-104

Осциллограф универсальный С1-104 предназначен для визуального наблюдения и измерения параметров периодических и однократных электрических процессов в диапазоне частот от постоянного тока до 500 МГц путем:

- измерения амплитудных и временных параметров исследуемого сигнала в диапазоне от 0,04 до 8 В, с выносным делителем 1:10 И22. 727. 082 – до 10 В, с активным пробником И22.746. 036 – до 24 В и временных интервалов в диапазоне от 4 10 ⁹ до 0,5 с;

- одновременного изображения двух исследуемых сигналов на одной развертке.

Осциллограф предназначен для работы в лабораторных и цеховых условиях и может использоваться для исследовательских, поверочных и ремонтных работ.

По метрологическим характеристикам осциллограф С1-104 соответствует II классу точности.

Осциллограф-мультиметр С1-155

Осциллограф-мультиметр С1-155 предназначен для визуального наблюдения, электрических сигналов.

Прибор позволяет измерять как периодические, так и однократные электрические сигналы. Имеет встроенный интерфейс RS-322 и встроенный мультиметр.

Создание прибора преследует цель заменить устаревший парк универсальных запоминающих осциллографов, повысить удобство их эксплуатации, уменьшить погрешность измерений амплитудно-временных параметров исследуемых сигналов при существенном снижении массы, габаритов и потребляемой мощности.

Осциллограф универсальный С1-77

Универсальный осциллограф С1-77 предназначен для исследования формы электрических сигналов путем визуального наблюдения в диапазоне частот от 0 до 10 МГц, измерения размахов в диапазоне от 0,01 до 200 В и временных интервалов от 0,08*10^-6 до 0,4 с.

Наличие двух каналов вертикального отклонения обеспечивает одновременное исследование двух сигналов на одной развертке.

Осциллограф относится ко II классу точности.

Осциллограф предназначен для использования при разработке, настройке и регулировке радиоэлектронной аппаратуры в лабораторных, цеховых и полевых условиях.

Осциллограф С1-125

Осциллограф С1-125 предназначен для исследования формы периодических электрических сигналов путем визуального наблюдения их формы, измерения амплитуды и временных параметров методом калиброванной шкалы.

Двухканальный осциллограф С1-125 с полосой пропускания 10 МГц отличается компактной конструкцией, небольшой массой и простотой управления.

Имеет повышенную надежность, прост по конструкции в эксплуатации. Применяется при проектировании, наладке и ремонте электронной аппаратуры в лабораторных, цеховых и полевых условиях.

Осциллограф С1-159

Осциллограф С1-159 предназначен для наблюдения и измерения электрических сигналов в реальном масштабе времени в диапазоне напряжений от 8 мВ до 60 В и длительностей от 80 нс до 0,2 с в полосе частот от 10 Гц до 10 мГц. Может применяться при производстве, разработке и эксплуатации радиоэлектронных изделий, а также в ходе учебного процесса в школах, вузах по курсам электротехники, электроники и.т. д.

Осциллограф С8-23

Осциллограф предназначен для исследования и измерения периодических сигналов в полосе частот 0 – 20 МГц и однократных сигналов, регистрируемых с максимальной частотой дискретизации 1 МГц. Прибор обеспечивает цифровое запоминание, цифровое измерение напряжения в диапазоне амплитуд от 5 мВ (с активным пробником – от 5 мВ) до 80 В (с делителем – до 200 В) и временных интервалов в диапазоне длительностей от 200 нс до 8000 с. Кроме этого, производится автоматическая обзорная установка размеров изображения в пределах рабочей части экрана, автоматическое измерение размаха, периода и длительности с выводом результатов измерения на экран электронно-лучевой трубки.

Осциллограф имеет самодиагностику и выход в канал общего пользования (КОП). Размеры рабочей части электронно-лучевой трубки оставляют 80 мм (10 делений) по горизонтали и 60 мм (8 делений) по вертикали.