Електровимі́рювальні при́лади

Електровимі́рювальні при́лади — клас пристроїв, що застосовуються для вимірювання різних електричних величин. До групи електровимірювальних приладів також належать й інші засоби вимірювань — міри, перетворювачі, комплексні установки.

 Електровимірювальні прилади для вимірювання електричних величин поділяються на:

    Електронні вимірювальні прилади — це поєднання електронних перетворювачів з аналоговими, частіше — магнітоелектричними, приладами. Вони призначені для вимірювань електричних або неелектричних величин (напруги, струму, частоти, зсуву фаз, опорів,температури, рівня тощо).  
    Майже в усіх випадках електронні прилади мають меншу потужність, споживану з вимірювальних кіл, і менше, порівняно з аналогічними за призначенням аналоговими електромеханічними вимірювальними приладами,впливають на ці кола. Відзначимо, що при цьому електронні прилади є значно складнішими за аналогові електромеханічні прилади за схемою, менш надійні й потребують стороннього джерела живлення. Втім попри все інше, електронні прилади весь час вдосконалюються в напрямі подолання вказаних недоліків і розширення своїх функціональних можливостей. 
    У цій главі буде розглянуто ряд електронних приладів, що вимірюють лише електричні величини.

                                  1. Електронні прилади для вимірювання напруги
 Найпростіший електронний прилад для вимірювання напруги — вольтметр постійного струму (він же й мілівольтметр) — складається з: подільника напруги високого опору ПН; транзисторного підсилювача ТП; магнітоелектричного вольтметра V та джерела живлення ДЖ..(рис. 5.1).
    Основою вольтметра є електронний мікроамперметр з номінальним струмом 5 мкА, у котрого резистор Кш являє собою шунт із номінальною напругою 25 мВ. Мілівольтметр і вольтметр із цього мікроамперметра одержали шляхом приєднання до вказаного шунта ряду резисторів R10...R18, які разом з опором Rш складають подільник напруги.
    На рисунку показано подільник напруги з окремими гніздами для кожної номінальної напруги вольтметра. У багатьох випадках більш зручним вважають перемикання величин номінальних напруг за допомогою перемикача, але таке рішення не завжди доцільне, зважаючи на величину опорів резисторів, що відповідають найбільшим напругам. Бо за таких величин опорів навіть наявність пилу на ізоляційній платі, де закріплено контакти перемикача, може суттєво змінити величину опору між початковим і кінцевим виводами цього резистора, а отже і внести похибку при вимірах високих напруг.

     Рисунок 5.1. Схема електронного вольтметра постійного струму на біполярних транзисторах

    У розглянутій схемі (рис. 5.1) резистори R3 і R6 створюють початкове зміщення на базах транзисторів Т1 і Т2, що дає можливість вибрати найбільш доцільну ділянку характеристики підсилення транзисторів з метою одержання кутів відхилення покажчика мікроамперметра, пропорційних вимірюваним напругам. Для початкового встановлення нуля на мікроамперметрі при відсутності вимірюваної напруги при дещо відмінних характеристикахтранзисторів ТІ, Т2 у схемі підсилювача передбачено регульований резистор R7.
    Паралельно-зустрічно з'єднані діоди Д1 і Д2 захитають транзистори ТІ і Т2 від пошкодження в разі помилкового вмикання значної вимірюваної напруги, коли прилад має вимірювати напруги меншої величини. У таких випадках деяке допустиме підвищення напруги хоч на одному з діодів призведе до значного зменшення опору цього діода і до шунтування ним входу підсилювача, а також і до збільшення падіння напруги на опорах подільника напруги. 
    Звичайно, застосування транзисторного підсилювача дає можливість створити вольтметр з дуже великим вхідним опором, відповідно малими споживаними струмом та потужністю, що у десятки разів менші, ніж у електромеханічних приладів. Але часто й ці малі струми можуть бути сумірними зі струмами, що є у схемах, контрольованих подібними вольтметрами, і це призводить до зміни режиму схеми, де виконують вимірювання. Зовсім незадовільними можуть бути результати вимірювань цими вольтметрами, якщо в процесі вимірювань доводиться змінювати межі вимірювань напруги, що призведе до ступінчастої зміни режиму роботи схеми, де застосовано такий електронний вольтметр. 
    Ці небажані явища значною мірою зменшені в електронних вольтметрах, де підсилювач виконано на польових транзисторах, які не потребують струму для керування ними, бо керуються не струмом, а електричним полем, створеним вимірюваною напругою. 
    Звичайно, і при використанні таких транзисторів потрібні подільники напруги, щоб змінювати межі вимірювань, але, по-перше, порівняно з попереднім, величину опорів подільників можна ще збільшити, а, по-друге, подільники можна виконати з постійною величиною опору, бо зміну границь вимірювання можна досягти перемикаючи вхід підсилювача на різні частки подільника.        Схему електронного вольтметра з підсилювачем на польових транзисторах зображено на рис. 5.2. У цього вольтметра величина опору між 4 вхідними гніздами становить 10 МОм незалежно від положення перемикача границь вимірів П.

                     Рисунок 5.2. Схема електронного вольтметра на польових транзисторах

    Щоб вимірювати напругу змінного струму, у вхідне коло подібних вольтметрів вмикають напівпровідниковий випрямляч. У цьому разі доцільно роздільно градуювати шкалу вольтметра V — одну на постійному струмі, а іншу — на змінному. Іноді намагаються використати ту саму шкалу для вимірювань напруг як постійного, так і змінного струму, але цс дещо складніше.

                                     2. Електронні прилади для вимірювання струму
    Дуже малі струми, порядку одного — кількох мікроампер, звичні для мікроелектронних схем, не можна виміряти електромеханічними приладами, не впливаючи на режим роботи схеми, де проводять ці виміри. Але за наявності попереднього підсилення струму десь у 10...50 разів, вимірювання і таких малих величин струмів стає можливим. Таке підсилення можна здійснювати за допомогою паралельно- балансної схеми, що є основним вузлом електронного мікро-амперметра, зображеного на рис. 5.3. На основі аналогічної схеми виконано й електронний вольтметр (див. рис. 5.1). Схожість основних вузлів цих схем призводить до того, що часто виробляють комбіновані прилади, за допомогою яких вимірюють і напруги, і струми при нескладних перемиканнях. 
    Для вимірювання струмів після введення в дію вимикача В, за допомогою змінного резистора R7 встановлюють такі величини струмів зміщення, що проходять крізь резистори R5 і R6, при наявності яких покажчик мікроамперметра, ввімкнутого між колекторами транзисторів Т1 і Т2, перебуватиме на нульовій позначці шкали. Після цього з надходженням вимірюваного струму Ів, який створює деяку напругу на резисторі Rш, з’являється різниця напруг між базами транзисторів Т1 і Т2 та змінюються струми, що проходять крізь бази цих транзисторів. Це збільшує колекторний струм одного транзистора та, водночас, зменшує колекторний струм іншого, а в результаті призводить до відхилення покажчика мікроамперметра. Величина струму, що відповідає відхиленню покажчика приладу до кінцевої позначки шкали при номінальному значенні вимірюваного струму Івн, регулюється зміною величини регулювального опору R6. Цього можна досягти й змінюючи величини опору шунтового резистора Rш, але робити це небажано, бо доцільно, щоб величина цього опору була такою, аби при номінальному значенні вимірюваного струму Івн величина напруги, що є в цьому випадку між точками а і б схеми, мала б величину, кратну одній з дозволених Держстандартом величин номінальних напруг вольтметрів. У цьому разі прилад може бути використаний і як мікроамперметр, і як мілівольтметр з малим власним споживаним струмом. 
    Стійкій роботі підсилювача у розглянутій схемі (рис. 5.3) сприяє наявність негативного зворотного зв’язку, створюваного в емітерних колах транзисторів опорами R3 і R4. 
    Звичайно, повірка електронного мікроамперметра з номінальним струмом у кілька мікроампер пов’язана зі значними труднощами через нестачу відповідних зразкових приладів високого класу точності чи зразкових мір опору значної величини для використання їх у вимірювальних схемах з потенціометрами.
                              Рисунок 5.3. Схема електронного мікроампер метра

                                                     3. Електронні осцилографи
    Електронний осцилограф — це вимірювальний прилад з електроннопроменевою трубкою, призначений для дослідження та реєстрації швидкоплинних процесів у електричних колах.
    У більшості випадків електронні осцилографи використовують для досліджень періодично змінюваних процесів. Але при використанні електронно-променевих трубок з післясвіченням осцилографами можна користуватись і для досліджень неперіодичних, одноразових процесів. Цими приладами можна вимірювати величини напруги, струму, частоти, зсуву фаз, досліджувати форму кривої змінної напруги, визначати характеристики магнітних матеріалів та нелінійних опорів.
    Їх можна використовувати як нуль-індикатори у схемах порівняння напруг змінного струму.            Власне прилади, що їх називають “електронними осцилографами", було б правильно називати осцилоскопами, бо вони самі, без фотографічного апарата, кіно- або телевізійної камери не здатні записувати чи вирисовувати вимірювані величини, а дають змогу їх лише розглядати. Але таку назву за ними закріплено історично й написи з такою назвою друкують у технічних описах цих приладів і позначають на корпусах.
   Рисунок 5.4. Будова електронно-променевої трубки з електростатичним відхиленням променя 
    
    У зв’язку з тим, що основним вузлом у електронному осцилографі є електронно-променева трубка, доцільно розглянути її будову (рис. 5.4). Виконана ця електронно-променева трубка на основі скляного балона 1, виготовленого з товстого скла, здатного витримати атмосферний тиск, бо з балона відкачано повітря. На передню частину балона зсередини нанесено люмінісцентний екран, який має здатність світитися у тому місці, куди влучатиме електронний промінь. У трубці підігрівач 2 при проходженні по ньому струму розжарювання розігріває циліндричний катод 3 з оксидним покриттям, яке полегшує випромінювання з нього електронів. Катод з боків і спереду оточений керуючим елементом — модулятором 4, який має у своїй круговій частині невеликий отвір, крізь який частина електронів, випромінювана катодом у вигляді розфокусованого променя, прямує повз перший анод 5, фокусуючий електрод 6, електроди вертикальної розгортки 7, електроди горизонтальної розгортки 8, повз другий анод 9 на люмінісцентний екран 10. На шляху проходження крізь перший анод 5 та фокусуючий електрод 6 електронний промінь остаточно фокусується, так що у місці його падіння на екран 10 діаметр променя не перевищує 0,5...0,7 мм.
    Підігрівай 2 живиться змінним струмом при напрузі 6,3 В. Напруга на модуляторі 4 негативна відносно катода 3 і становить від кількох десятків до кількох вольт. Змінюючи величину напруги модулятора відносно катода, можна регулювати кількість електронів, що вилітають крізь отвір модулятора, і тим самим змінювати яскравість свічення екрана у і місці падіння сфокусованого на нього електронного променя. За досить значної негативної напруги на модуляторі електрони не протікатимуть крізь отвір у модуляторі й екран не світитиметься. Перший анод 5 призначений для початкового прискорення електронів, наявних у промені, а фокусуючий електрод — для зведення променя в точку на екрані, вкритому люмінофором. Другий анод призначено для остаточного прискорення електронів (напруга на ньому досягає 1800...2500 В).
    Бувають електронно-променеві трубки, де фокусування виконують, змінюючи напругу на першому аноді, а окремо фокусуючого електрода немає. 
    Пари пластин 7 і 8 призначено для відхилення електронного променя у напрямі потрібної координати. Ці відхилення будуть тим більшими, чим більшою буде напруга між відповідними пластинами. Напрям відхилення залежатиме від полярності напруги, прикладеної до відповідної пари пластин. 
    Залежно від найвірогіднішої швидкості процесу, який j спостерігатимуть на екрані трубки, люмінісцентні покриття екранів можуть бути малоінерційними, з середнім часом післясвічення (до 0,1 с), чи інерційними. Після того як процес уже закінчився, інерційні покриття можуть зберігати зображення на екрані ще протягом 10... 16 с, а то й більше. 
    Структурно-функціональну схему електронно-променевого осцилографа показано на рис. 5.5. Досліджуваний електричний сигнал подають на гнізда, позначені як Y. Подільником напруги ПНY величина напруги досліджуваного сигналу знижується до рівня, придатного для підсилення на попередньому підсилювачі ППY (а це десяті — соті частки вольта) і підсилюється ним, а потім і підсилювачем вертикального відхилення ПВВ, вихідні затискачі якого з’єднано з пластинами вертикального відхилення електронного променя електронно-променевої трубки ЕПТ. Разом з тим попередньо підсилений досліджуваний сигнал через правий (на схемі) контакт перемикача сигналів синхронізації Псинх проходить на вхід пристрою синхронізації ПС, а через нього — на генератор розгортки ГР, який генерує напругу пилкоподібної форми, такої, як показано на рисунку. Після підсилення цієї напруги підсилювачем ПГВ, напруга створює між вертикально розташованими пластинами горизонтальної розгортки електричне поле, яке з часом рівномірно збільшуючись, відхиляє електронний промінь. Якщо напруги на гніздах Y немає, то цей промінь креслить на екрані осцилографа горизонтальну пряму лінію.

          Рисунок 5.5. Структурно-функціональна схема електронно-променевого осцилографа

    Якщо ж напруга на гніздах Y є, то на електронний промінь одразу діятимуть дві взаємноперпендикулярні сили, завдяки чому цей промінь креслитиме залежність напруги, прикладеної до гнізд Y, від часу, наприклад синусоїду напруги мережі, якщо гнізда Y з нею десь з’єднані, тощо.   
    Важливе значення у роботі осцилографа має пристрій синхронізації ПС, який дає змогу за допомогою попередньо підсиленої напруги UY керувати роботою генератора розгортки, а точніше — примушувати його починати роботу, тобто пересувати електронний промінь упоперек екрана у певний час, наприклад у момент початку збільшення напруги UY від нуля у позитивний бік. Це сприятиме тому, що за періодично горизонтальної розгортки всі наступні зображення періодично-змінної напруги точно накладатимуться одне на одне і зображення на екрані буде стійким, як нерухомий рисунок.
    При бажанні керувати розгорткою за допомогою зовнішнього сигналу, перемикач синхронізації (Псинх) переводять у положення “3” (зовнішня). В цьому разі внутрішній зв’язок між напругою UY, що спостерігається, і розгорткою розривається. 
    У більшості осцилографів (окрім показаних на схемі перемикачів) є ще перемикач виду розгортки: “періодична — чекаюча”. Періодична — це та, що працює весь час роботи осцилографа й синхронізується періодичною досліджуваною напругою UY або зовнішніми сигналами. 
    Чекаюча розгортка — це така, що зовсім не працює за відсутності напруги Uy. В цьому разі на екрані є лише світна крапка (звичайно з лівого боку), а розгортка починає діяти лише з моменту появи напруги UY. Такою розгорткою доцільно користуватись при дослідженні випадкових чи імпульсних процесів. Якщо ці процеси не повторюються, то доцільно користуватись осцилографом, у якому електронно-променева трубка має значне післясвічення, бо в разі його відсутності спостерігач не встигає розгледіти подробиці процесу. 
    Іноді необхідно розглядати водночас дві напруги у взаємодії. У таких випадках перемикач Проз, який переводять у нижнє положення, зовсім вимикає розгортку, а на пластини X, що керують променем, подають поділену ПНХ і підсилену підсилювачами ППХ і ПГВ напругу, що надходить із гнізд X. 
    У цьому разі на екрані електронно-променевої трубки будуть викреслюватись так звані фігури Ліссажа, за якими можна визначити величину кута зсушу фаз між напругами UХ і UY, досить точно виміряти величину частоти невідомого джерела змінного струму тощо.

                                                          
                                                          Контрольні запитання
1. Що являє собою електронний електровимірювальний прилад?
2. Які переваги мають електронні прилади порівняно з електромеханічними? 
3. Які недоліки електронних приладів порівняно з електромеханічними? 
4. Чому зміна величин опору подільника напруги, звичайна для електромеханічного приладу при зміні границь вимірювання, шкідлива для вимірювань у схемах з малою потужністю їхніх елементів? 
5. Як у електронних вольтметрів на польових транзисторах підтримується незмінність опору подільника напруги при перемиканнях границь вимірювань? 
6. Яку перевагу мають електронні прилади при вимірюваннях величин струму, порівняно з магнітоелектричними приладами, що працюють із шунтами? 
7. Які величини можна вимірювати за допомогою електронного осцилографа? 
8. Для чого слугує в електронно-променевій трубці модулятор? 
9. Як змінюють положення променя трубки електронного осцилографа? 
10. З якою метою в електронному осцилографі використовують вузол синхронізації? 
11. Яку форму має напруга горизонтальної розгортки у електронного осцилографа?



at

Комментариев нет:

Отправить комментарий

Подписаться на: Комментарии к сообщению (Atom)