книги / Устройство, эксплуатационно-техническое обслуживание и ремонт станционного оборудования радиорелейных линий связи
..pdfмехи. Результаты относительных измерений выражаются внесис темными или безразмерными единицами (например, децибела ми — Д б).
Методы измерений классифицируют по использованным прин ципам и средствам измерений. Различают два основных метода измерения: непосредственной оценки и сравнения.
В методе непосредственной оценки измеряемую величину определяют по шкале (индикатору) измерительного прибора, пользуясь прямыми измерениями, а в ме тоде сравнения измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой специальным прибором (мерой).
Этот метод имеет несколько модификаций: дифференциальный, когда на измерительный прибор воздействует разность измеряе мой величины и величины, воспеоизводимой мерой (например, измерение электрического сопротивления неуравновешенным мостом); нулевой, когда разность воздействующих на измеритель ный прибор величин, измеряемой и эталонной, доводится до нуля (например, измерение электрического сопротивления уравнове шенным мостом); замещения, когда измеряемую величину заме щают (заменяют) другой, заранее известной величиной (мерой) (например, измерение электрического сопротивления поочеред ным включением его и регулируемого образцового сопротивле ния в одно и то же плечо моста).
§ 27. Погрешности измерений
Измерить физическую величину с абсолютной точностью, т. е. определить истинное ее значение, практически невозможно, так как все измерения выполняются с погрешностями (ошибками).
Погрешностью измерения называются отклонения результатов измерения от истинного значения измеряемой величины.
Но как узнать величину погрешности, если мы не знаем истин ного значения измеряемой величины? Прежде всего, надо разо браться, какие бывают погрешности и каковы их причины. Оказы вается, причин много и погрешность каждого измерения представ ляет собой сумму погрешностей, вызываемых всеми этими при чинами. Погрешности можно подразделить на три основные груп пы: средств измерения; метода измерения; от внешних влияний.
В зависимости от условий, в которых проводят измерения, различают основную и дополнительную погрешности средств из мерения.
Основная |
погрешность — это погрешность |
средств измерения, используемых |
в нормальных |
условиях (при / = (20=1=5) °С, |
отсутствии внешних мешающих |
факторов, нормальном положении измерительного прибора и т. д.); дополнитель ная погрешность — это погрешность, возникающая при отклонении одного из влияющих внешних факторов от нормальных условий.
По способу выражения различают абсолютную, относитель ную и приведенную погрешности.
Абсолютная погрешность прибора ДА — это разность между показанием прибора ах и истинным значением измеряемой величины А:
Д Л = а х — А .
Относительная погрешность прибора 0Л представляет собой отношение аб солютной погрешности к истинному значению измеряемой величины (в процентах):
е . |
ЛЛ , „ |
6Л = |
- г - • 100. |
|
л |
Ранее говорилось о том, что истинное значение измеряемой величины неизвестно, поэтому вместо него (вместо А) пользуются
действительным значением, под которым понимают значение из меряемой величины, найденное путем обработки результатов многократных измерений в одних и тех же условиях одной и той же величины. Действительное значение обычно ничтожно мало отличается от истинного.
Приведенная погрешность прибора у — это отношение абсолютной погреш ности к нормирующему значению AN (в процентах):
V - ю о .
Нормирующее значение — это наибольшее деление шкалы прибора.
По характеру проявления погрешности разделяют на систе матическую и случайную. Их значение и характер проявления сильно зависят от внешних влияний.
Систематической Дс называют такую составляющую погрешности, значение и знак которой при многократных измерениях постоянны (или закономерно из меняются).
Такая составляющая возникает, например, при измерении зна чения сопротивления резистора омметром, у которого стрелка в исходном положении не установлена на нуль.
Случайной Д называют такую составляющую погрешности, значение и знак которой изменяются случайным образом.
Эта составляющая — результат одновременного влияния мно гих случайных причин, учесть которые практически невозможно. Обнаружить случайную составляющую можно при многократных измерениях одной и той же величины в одних и тех же условиях. Она проявляется в виде случайных отклонений результатов от дельных измерений от некоторого среднего значения.
Иногда встречается грубая погрешность (промах). Она за метно превышает ожидаемые в данных условиях результаты и является либо следствием неправильных действий оператора, либо неисправностей прибора и т. п. Грубые погрешности при обра ботке результатов измерений не учитывают.
Современная измерительная техника располагает достаточно точными измерительными приборами и для определения действи тельного значения измеряемой величины при эксплуатации ра диорелейных линий связи оператору не нужно заниматься мно гократными измерениями одной и той же величины в одних и тех же условиях с последующей математической обработкой резуль татов измерений. Достаточно провести измерение один раз. Оно будет выполнено с погрешностью, но погрешность эта известна заранее и записана в технической документации прибора, а также
112
поставлена на его шкале. Она называется пределом допустимой суммарной погрешности или просто допустимой погрешностью.
Разные приборы имеют разную допустимую погрешность, поэтому при изготовлении и градуировке всем прборам присваи вают класс точности: 1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5 и 6 - 10л (где п= + 1, 0, — 1,
— 2 и т. д.). Цифру, обозначающую класс точности, обычно раз мещают в нижней (нерабочей) части шкалы.
ф Значение погрешности при измерении определяют следующим образом: например, при измерении стрелка прибора остановилась на делении 100 В (изме рялось напряжение в сети), а класс точности вольтметра 1,5. Значит, предел допустимой погрешности 1,5 %, что составляет в рассматриваемом случае 1,5 В. Иными словами, при измерении напряжения в сети ошибка составит не более 1,5 В.
При работе с другим вольтметром, класс точности которого 2, допустимая погрешность измерения 2 %, т. е. 2 В. Значит, при измерении этим вольтметром ошибаются несколько больше.
Итак, чем меньше цифра в обозначении класса точности прибора, тем выше его точность.
При косвенных измерениях надо учитывать еще и погрешность метода, а не только погрешность средств измерения. Например, методом амперметра и вольтметра измерим мощность PR , затра чиваемую на резисторе R (рис. 87, а, б).
Во-первых, используются два прибора (амперметр и вольт метр) и результат измерения равен произведению их показаний:
следовательно, надо учитывать ошибки обоих приборов. Кроме того, результат измерения, проведенного по схеме, показанной на рис. 87, а, будет отличаться от результата измерения, прове денного по схеме, показанной на рис. 87, б, причем оба результата не соответствуют истинному значению. В первом случае получено значение тока / несколько большее того, который проходит через резистор /?, так как амперметр «учтет» еще и ток, проходящий через вольтметр (1у ).
Значение 1у можно определить и учесть, если известны зна чения сопротивлений резистора и вольтметра (которые тоже определены с ошибками).
Во втором случае получено значение напряжения несколько
а) |
Ф |
Рис. 87. Схемы для измерения мощности методом амперметра и вольтметра
ИЗ
большее того, которое действует на резисторе /?, так как вольт метр «учтет» еще и падение напряжения на амперметре (UA ). Его тоже можно определить и учесть, если известны значения со противлений резистора и амперметра. Из приведенного примера видно, что ошибки при косвенных измерениях больше, чем при прямых.
Полностью исключить удается иногда только систематические погрешности, однако существуют способы уменьшения как систе матических, так и случайных погрешностей.
Исключить систематические погрешности можно путем при менения различных приборов, методов и приемов при измерении одной и той же величины с последующей соответствующей обра боткой результатов измерений.
Уменьшить погрешности измерений (в том числе и случайных) можно применением более точных приборов и их подбором в со ответствии с измеряемой величиной.
Например, если предварительно известно, что ожидаемое зна чение напряжения в сети примерно 40 В, то лучше применить для измерений вольтметр с пределами измерений 50 В, а не 250 В, так, чтобы измеряемая величина определялась по второй половине шкалы прибора.
Уменьшить влияние случайных погрешностей можно и путем увеличения количества измерений одной и той же величины в од них и тех же условиях. Тогда (если считать, что систематические ошибки близки к нулю) наиболее достоверным значением изме ряемой величины будет среднее арифметическое полученных значений:
А |
_ a i + fl2 + |
+ fln |
ср |
п |
|
§ 28. Электрорадиоизмерительные приборы
Электрорадиоизмерительные приборы — это средства измерения, предназначен ные для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной Для непосредственного восприятия наблюдателем.
В электрорадиоизмерениях наибольшее распространение по лучили аналоговые электромеханические и электронные, а также цифровые электронные приборы. Аналоговые приборы дак>т воз можность измерять ту или иную величину непрерывно, в процессе ее изменения, причем их показания меняются непрерывно, после довательно показывая значения измеряемой величины. В цифро вом приборе показания на отсчетном устройстве появля1°тся 6 виде цифр с определенной дискретностью в целых единица* изме ряемой величины или в ее десятых, сотых долях и т. д.
По характеру измерений и виду измеряемых величин э^ектрорадиоизмерительнце приборы подразделяют на 2 1 подгруппу, обозначаемые буквами: А — амперметры, В — вольтметры и т. д. Электромеханические приборы по принципу действия бывают
114
магнитоэлектрические, электромагнитные, термоэлектрические, электродинамические и т. д. В простейших приборах маркировку
(символ) типа прибора размещают на его шкале. В сложных при борах маркировку помещают на передней панели.
Функциональную схему электрорадиоизмерительного прибора можно представить в следующем виде: измерительная цепь преобразователь — отсчетное устройство (рис. 8 8 ).
Измерительная цепь состоит из усилителя» делителя» шунта» выпрямителя» измерительного трансформатора или какого-либо другого устройства (элемента) и служит для первичного преобразования измеряемого сигнала с целью согласо вания его вида и значения с возможностями следующего элемента прибора.
Измерительный преобразователь — это устройство, в котором измеряемая электрическая величина преобразуется в механическую (например, угол а в электромеханических приборах), магнитную (например, отклоняющее поле в осциллографах) или в цифровой код (воздействующий на индикатор цифрового прибора).
Некоторые измерительные приборы выпускаются без измери тельной цепи, а шунты и другие элементы придаются к ним отдель но. В электромеханических приборах основным элементом явля ется электромеханический преобразователь. Его тип и определяет тип прибора.
Принцип работы магнитоэлектрического преобразователя
(рис. 89) основан на взаимодействии магнитного поля постоян ного магнита с магнитным полем рамки, возникающим, когда по ней протекает ток. Полюсные наконечники 3 и цилиндрический сердечник 2 служат для создания в воздушном зазоре между ними равномерного магнитного поля такой формы, чтобы силовые линии его были перпендикулярны проводам рамки 1 при любом ее поло жении. На одну из сторон рамки в магнитном поле по закону Ам пера действует сила
F= Blnl,
где В — магнитная индукция в воздушном зазоре; / — длина активной (находящейся в магнитном поле) стороны рамки; п — число витков рамки; / — сила тока в ней.
Сила, действующая на другую сторону рамки, такая же, но направлена в противоположную сторону, так как ток в ней прохо дит в противоположном направлении. Суммарный момент сил, действующих на рамку, определяется как произведение силы F на плечо b (ширину рамки):
M x= Fb = Blbnl BSnl = /Ci/,
где S = bl — площадь рамки, BSn = K\ — постоянная для каж дого прибора величина.
Измерительная |
Преобразоба- |
Отсчетное |
цепь |
/пель |
устройстоо |
Рис. 88. Структурная схема электрорадио измерительного прибора
|
Чтобы рамка с током не вра |
|||
|
щалась непрерывно, надо создать |
|||
|
противодействующий |
момент. |
||
|
Для этого служат спиральные пру |
|||
|
жины 4 (по ним же подводится к |
|||
|
рамке ток). Момент, создаваемый |
|||
|
пружинами, пропорционален углу |
|||
|
поворота рамки а (углу закручи |
|||
|
вания пружин) : |
|
||
|
где |
М2 = /С20С, |
коэффици |
|
|
К2 — постоянный |
|||
|
ент, |
значение |
которого |
определя |
|
ется упругостью пружин. |
|||
|
Когда моменты Mi и М2 будут |
|||
|
равны, рамка и закрепленная на |
|||
|
ней стрелка 5 остановятся. Мож |
|||
|
но производить отсчет |
показания |
||
|
прибора (по шкале). При этом |
|||
Рис. 89. Устройство магнитоэлек |
К . 1 = К 2а, |
т.е. а = - ^ 1 = К 1 |
||
трического преобразователя |
—угол поворота стрелки прибора пропорционален току в рамке и прибор можно проградуировать как амперметр.
В то же время, по закону Ома, I = U / R и
— угол поворота рамки пропорционален напряжению на входе прибора и, следовательно, его шкалу можно проградуировать в
вольтах.
Приборы магнитоэлектрической системы обладают высокой точностью и чувствительностью, малым собственным потребле нием энергии. Они имеют равномерную шкалу, и на их работу мало влияют внешние магнитные и электрические поля. Однако приборы такой системы боятся перегрузок и не могут работать в цепях переменного тока без дополнительных элементов.
Если в качестве измерительной цепи такого прибора исполь зовать выпрямитель, то получится выпрямительный прибор. Вклю чение выпрямителя вносит дополнительные погрешности в изме рения, и класс точности прибора снижается, но появляется воз можность работы и в цепях переменного тока. Такими делают комбинированные приборы для измерения тока, напряжения, со противления на постоянном токе и на низких частотах (в основ ном звуковых).
В технике радиоизмерений сигналов сверхвысоких частот широкое применение нашли термоэлектрические радиоизмерительные приборы, у которых в измерительной цепи включен тер моэлемент. Термоэлемент представляет собой термопару — два
проводника из разнородных металлов |
(золото — палладий, |
медь — константан и т. п.), соединенных |
между собой в точке |
спая С (рис. 90). Под действием теплоты, выделяемой нагревате лем на концах проводников 2 и 3 возникает разность потенциа лов, которую и отмечает подключенный к этим концам магнито электрический прибор.
Взависимости от способа нагрева спая различают контактные
ибесконтактные термоэлементы. В контактных (рис. 90, а) горя чий спай С приваривают к нагревателю /, в бесконтактных (рис. 90,6) они разделены изолятором 4 (стеклом). Эдс одной термо пары мала, поэтому бесконтактные термоэлементы объединяют в батарею (рис. 90, в).
Термоэлектрические приборы применяют главным образом при измерении мощности высокочастотных колебаний. Их досто инствами являются высокая точность измерений в широком диа пазоне частот и независимость показаний от формы кривой изме ряемого переменного тока (синусоидальная, пилообразная и т. д.).
Кнедостаткам таких приборов следует отнести малую перегрузоч ную способность, неравномерность шкалы, большое собственное потребление энергии и ограниченный срок службы (даже при нормальных условиях эксплуатации).
Практически не боятся перегрузок приборы с электромагнит ным измерительным преобразователем. Эти приборы дешевы, просты, надежны и механически прочны. В основе работы элек тромагнитного преобразователя лежит принцип взаимодействия магнитного поля и ферромагнитного материала.
Основой прибора (рис. 91) является катушка 1. При прохож дении по ней тока ферритовый сердечник 2 втягивается внутрь катушки и стрелка 5 отклоняется. Противодействующий момент создается спиральной пружиной 3. Успокоение качаний стрелки осуществляется воздушным демпфером 4. Вращающий момент, под действием которого отклоняется стрелка, пропорционален квадрату тока, так как магнитные поля катушки и сердечника создаются одним и тем же током, проходящим по катушке. Вслед ствие этого шкала прибора неравномерная (квадратичная) —
сжатая вначале и растянутая в конце. Начальную часть шкалы
(примерно 20%) считают нерабочей. Например* вольтметром на 300 В можно измерять напряжения от 60 до 300 В.
Приборы электромагнитной системы имеют большое собствен ное потребление мощности и подвержены влиянию внешних маг-
Рис. 90. Термоэлектрические преобразователи:
а — контактный; б — бесконтактны"; в — батарея термоэлементов
нитных полей. Их применяют главным образом в качестве щито вых
Приборы для измерения мощности — ваттметры — обычно вы полняют с электродинамическим преобразователем. Они обеспе чивают достаточно высокую точность измерений в цепях перемен ного и постоянного тока.
Принцип действия прибора (рис. 92) основан на взаимодей ствии магнитных полей неподвижной 1 и подвижной 2 катушек, когда по ним проходит ток.
Собственное магнитное поле такой системы невелико (осо бенно при измерении слабых токов), поэтому приборы с электро динамическим преобразователем подвержены влиянию внешних магнитных полей, для защиты от которых их экранируют. К недо статкам этих приборов следует отнести большое собственное потребление энергии и чувствительность к тряске (вибрации)
Разновидностью приборов электродинамической системы явля ются ферродинамические, у которых для повышения вращающего момента магнитный поток неподвижной катушки создается в специальном магнитопроводе (например, железном). Конструкция такого прибора напоминает конструкцию магнитоэлектрического, у которого постоянный магнит заменен электромагнитом. Фер ромагнитный сердечник вносит дополнительные погрешности в измерения. Существенным недостатком приборов ферродинами-
ческой системы является зависимость их параметров от частоты измеряемого тока.
Входное сопротивление приборов для измерения напряже ний — вольтметров — в отличие от амперметров должно быть большим, так как их включают в цепь параллельно измеряемому элементу, а подключение прибора не должно влиять на режим ра боты цепи. Кроме того, при измерении небольших напряжений (сотые доли вольт и т. п.) и на частотах значительно больших, чем частота в промышленной электросети (например, в радиотех нике), потребовались такие вольтметры, в измерительной цепи которых содержится усилитель (транзисторный и др.).
Поэтому были созданы электронные вольтметры. Они, как пра вило, комбинированные, т. е. их можно использовать для разных целей. У таких приборов измерительная цепь представляет собой электронное устройство той или иной сложности, к выходу кото рого подключен прибор магнитоэлектрической системы.
Как уже упоминалось, в цифровых электрорадиоизмерительных приборах измерения проводятся дискретно, т. е. через опре деленные промежутки времени, которые называют шагом дискре тизации. Если сигнал изменяется во времени, то его значение будет разным в разные моменты измерения, т. е. при каждом измерении получают мгновенное значение измеряемой величины. Далее эти значения подвергают квантованию, т. е. округлению до опреде ленных ближайших значений — уровней квантования. Разность между двумя уровнями называют шагом квантования. Например, измеряют изменяющуюся величину x(t), шаг дискретизации А/, шаг квантования Ах (рис. 93). В момент времени /о на вход при бора поступает значение JCI, в моменты времени /1, /2, h на выходе получают х2, а в моменты времени t\, /5 , h — х4. Эти значения отмечены на рис. 93, а точками. В результате квантования полу чают сигнал, показанный на рис. 93, б, отличающийся от перво начального.
Как видно из рисунка, измерения выполнены с ошибками, но чем меньше шаг квантования и шаг дискретизации, тем эти ошиб-
Рис. 93. Дискретизация по времени (а ) и квантование по уровню (б) непрерыв ного сигнала
ки меньше. В точных современных приборах этими ошибками мож но пренебречь.
После квантования результаты измерения подвергают даль нейшей обработке в зависимости от того, на измерение каких параметров настроен прибор. Например, при измерении перемен ного тока (напряжения) интерес могут представлять следующие параметры: пиковое, среднее, средневыпрямленное, среднеквад ратичное значения. Соответствующие элементы прибора зареги стрируют нужное значение.
Однако теперь эти значения нужно закодировать, т. е. преобра зовать в такой сигнал, который удобно передать в ЭВМ или на цифровой индикатор. Все преобразования измеряемой величины происходят в измерительном преобразователе электронного типа.
Цифровые приборы наиболее точные и, кроме того, их можно использовать в автоматизированных измерительных системах там, где главную роль в обработке результатов измерений играет ЭВМ.
§29. Простейшие электроизмерения
Кпростейшим можно отнести электроизмерения силы тока, напряжения, сопро тивления резисторов и некоторые другие измерения, проводящиеся на постоянном токе или на переменном токе низкой частоты (обычно промышленной — 50 Гц).
Необходимым условием для всех измерений является то, что подключение измерительного прибора должно как можно меньше влиять на режим работы электрической цепи, в которой произво дится измерение, поэтому они должны потреблять минимальную мощность.
Напряжение измеряют вольтметрами, ток — амперметрами. Амперметры всегда включают в цепь последовательно (рис. 94, а), поэтому их сопротивление должно быть возможно меньшим. Вольтметры подключают параллельно к участку цепи (рис. 94, б), поэтому их сопротивление должно быть возможно большим.
Перед измерением той или иной величины необходимо хотя бы приближенно знать пределы ее изменения и в соответствии с этим выбрать измерительный прибор. Так, если в электрической цепи ожидается прохождение токов порядка 1 А и имеется только миллиамперметр на 100 мА, то прямо этим прибором измерения проводить нельзя, так как стрелку прибора «зашкалит» и он вооб ще может выйти из строя. Амперметром, рассчитанным на изме рения токов до 10 А, измерения проводить можно, но точность их будет очень плохой, так как стрелка отклонится в пределах 1/ ю части шкалы (в ее начале).
Существуют способы расширения пределов измерения прибо ров. Так, к амперметрам (миллиамперметрам и т. д.) параллельно подключают шунты — резисторы с сопротивлением в несколько раз меньшим сопротивления прибора. Например, если ток в изме ряемой цепи может измениться в пределах от 1 до 10 А, а ампер-