Лекция № 4. Методы, измерительные преобразователи и приборы для измерения периодических сигналов

 

Содержание лекции: измерительные детекторы и преобразователи; структурные схемы ИС; каналы связи и ИС.

Цель лекции: изучить и понять особенности измерения периодических сигналов и приборную реализации методов измерения.

В ИТ весьма широко применяются синусоидальные и периодические последовательности прямоугольных импульсов, а также пилообразные и треугольные импульсы (см. рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 – Периодические сигналы

 

В метрологии измерительные сигналы описываются математическими моделями. Для стационарного синусоидального (гармонического) сигнала принята модель

u(t) = U_msinω t;

i(t) = I_msin(ω t + φ).

Энергетический параметр данной модели, как известно из ТОЭ, может быть задан в виде амплитудного значения (АЗ), среднеквадратического (действующего) значения (СКЗ), среднего значения за определённый интервал, например, период (СЗ), среднего выпрямленного значения за период (СВЗ). В зависимости от поставленной измерительной задачи можно получить любое из перечисленных значений. Для этих целей применяются преобразователи – детекторы.

Детектор – первичный линейный преобразователь переменного тока в постоянный или пульсирующий одного знака.

В качестве детектора СЗ и СВЗ применяется выпрямительный мост (см.рисунок 4.2), состоящий из четырёх полупроводниковых диодов. В диагональ моста, образованного катодной группой (знак +) и анодной группами диодов (знак –), включён ИМ МЭС. Данное устройство выпрямляет отрицательную часть синусоидального напряжения (см. рисунок 4.3).

а) б) в)

Рисунок 4.2 – ИС выпрямительной системы (а), чередование рабочих диодов при положительной (б) и отрицательной (в) полярности входного сигнала

В результате чрез ИМ протекает ток в форме двух синусоидальных импульсов за период Т= 2 π /ω. Амплитуда импульсов равна I_mп =U_mс/(2R_д+R_им), R_д – прямое сопротивление диода, R_им – сопротивление ИМ.

Рисунок 4.2 – Осциллограммы входного сигнала и тока ИМ

 

Среднее значение тока через прибор равно Iп ср = 2 Imп / π.

Для прибора, приведённого на рисунке 4.1, а, получим

I=2U_mс/ (2R_д+R_п) = 2K_uIU_mc/ π,

где K_uI =1/(2R_д + R_п) – коэффициент преобразования напряжения в ток.

В повседневной практике пользуемся действующими значениями, поэтому α = 2K_uI1, 41Uс/π. Известно, что коэффициент формы синусоидального напряжения (тока) равен К_ф._син =π /(2× 1, 41) = 1, 11. С учётом К_ф._син имеем

α =K_uIUс/К_ф._син= 0, 9K_uIUс,

т.е. действительно прибор показывает действующее значение напряжения. Если шкалу проградуировать в действующих значениях синусоидального сигнала, то при её разметке вводится множитель 0, 9. Коэффициент K_uI определяет пределы измерения прибора.

Практическая схема преобразователя переменного тока в постоянный на основе полупроводниковых диодов и усилителя представлена на рисунке 4.3.

1 – усилитель; 2 – диодный детектор по однополупериодной схеме; 4 – фильтр низких частот.

Рисунок 4.4 – Диодный электронный преобразователь

 

Однако данный детектор ограничен по частоте измеряемого сигнала. Он применяется для измерения сигналов с частотой не свыше 40 кГц. Для измерения напряжений и токов на высоких частотах (до 60 МГц) применяются термопреобразователи (ТП) (см. рисунок 4.4).

Термопреобразователь ТП преобразует тепло, выделяемое в нагревателе Н за счёт измеряемого тока, в термо-ЭДС при помощи термопары Т.

а – контактная; б – бесконтактная.

Рисунок 4.5 – Устройство ТП

 

Среднеквадратическое значение переменного напряжения можно весьма точно измерить при помощи двух термопреобразователей (ТП), включённых в схему компенсации выходного напряжения (см. рисунок 4.6). В преобразователе ТП1 измеряемое переменное напряжение преобразуется в постоянное напряжение, поступающее на усилитель УПТ1. Выходной ток данного усилителя протекает по нагревателю ТП2, термо-ЭДС которого включена встречно с термо-ЭДС ТП1. В этом заключаются компенсационные свойства данной схемы. Усилитель УПТ усиливает разность Е_т1 – Е_т2, сводя её к минимуму. Показание выходного прибора пропорционально действующему значению входного напряжения, причём его шкала линейная.

1 – делитель напряжения; 2 – усилитель по эмиттерной схеме повторителя; 3 – аттенюатор; 4 – усилитель переменного тока; 5 – детектор; 6 – усилитель постоянного тока; 7 – индикатор.

Рисунок 4.6 – Структурная схема преобразователя переменного тока с детектором среднеквадратических (действующих) напряжений

 

Измерение амплитудных (пиковых значений) производится с помощью специальной схемы выпрямления (см. рисунок 4.7, а). Измерительное устройство (диод, ёмкость) помещены в выносное устройство – пробник. Пробник соединяется с ИС коаксиальным кабелем. Этот кабель передаёт только постоянное напряжение, и поэтому емкость кабеля и входная ёмкость ИС никакого влияния на результат измерения не оказывают. Основным достоинством детектирования входного сигнала внутри пробника является увеличение входного импеданса. Пробник пикового детектора может обеспечить входной импеданс Z_вх, примерно равный 1Мом/1пФ.

а) б)

Рисунок 4.7 – ИС с пиковым детектором (а) и вольтамперные характеристики измерительного пробника (б)