1 Измерение электрических и неэлектрических величин
2 Измерение электрических величин
3 Особенности радиоизмерений. Схемы замещения параметров цепей на НЧ и ВЧ L L R L R C L C C r C R L r НЧ ВЧ R
4 Особенности радиоизмерений. Место подключения СИ в ВЧ - цепях Zn 1 2 3 4 С 13 С 24 С 12 С 34 I c I n I a I a = I n + I C
5 Особенности радиоизмерений. Режимы работы реактивных параметров на ВЧ Х С Х L Х Х f Ae -J Ae +J F 0
6 Виды измерений 1. Прямые - из опыта Y=f(X), Y=AX ед, 2. Косвенные – по известной функциональной зависимости от других, измеренных прямым методом. Y=f(X1, X2, Xi... Xn), P=I R, = R·S/l. 3. Совокупные и совместные имеют единую математическую модель: Совокупные – одноимённые, совместные - разноимённые Y=f(X 1, X 2,.. X n, Y 1, Y 2,.. Y m ), Х i – измеренные, У J – вычисленные величины, n>m. Решая систему n уравнений, m – число параметров, находят искомые Совокупные R3 R2 R1 1 2 2 3 Система уравнений: 1 ). R1 3 = R1 +R3, 2). R1 2 = R1 +R2, 3). R 2 3 = R3 +R2. Совместные Rt = R0[1+ (t-t0)+ (t-100)] ; и - искомые параметры t R(t) R1, R2, R3 - искомые 2
7 Совокупные измерения * * L Σ = L1 + L2 + 2M 12 L1 L2 * * L Σ = L1 + L2 - 2M 12 L1 L2 M 12 M 12
8 Методы и средства измерений Классификация методов измерений : Прямые: Метод непосредственной оценки. Методы сравнения с мерой: а) дифференциальный, б)нулевой, в) замещения, г) метод совпадения отметок или сигналов.
9 Х=0 Х Х 0 Ноль индикатор Метод сравнения а)Дифференциальный Х = Х-Х 0 Х Х 0 Изм. прибор Устройство сравнения б) Нулевой Х=0 Х Х 0 Ноль индикатор Устройство сравнения в) Замещения. U Rx R0 при 1 = 2 1 2 Rx = R 0 Х Х 0
10 Устройство, принцип работы, характеристики, аналоговых C И Электромагнитная энергия В приборах магнитоэлектрической системы В приборах электромагнитной системы ; В приборах электродинамической системы Электромагнитная энергия преобразуется в силу или момент Противодействующий момент Мпр = K Муст = Мвр + Мпр + Мтр + Мусп устанавливающий момент
11 Устройство, принцип работы, характеристики, аналоговых средств измерений. Х Первичный преобразователь Измерительная цепь Измерительный механизм Отсчётное устройство Х / У Структурная схема аналогового СИ Уравнение преобразования измерительного механизма аналогового прибора. Мпр = К , М вр = ( X, Y ). X - измеряемая величина, Y - параметры измерительного механизма,
12 Устройство, уравнение шкалы и характеристики приборов магнитоэлектрической системы N S при Мвр = Мпр чувствительность по напряжению чувствительность по току Мвр Мпр 1 2 3 I 1 I 2 I 3 R ип W I U Мпр=К α I
13 Логометры магнитоэлектрической системы I 1 I 2 N S I 1 M1 M2 M3 M ( I 2 ) 1 2 3 I Моменты, создаваемые рамками Электрокинетическая энергия рамок с током в поле постоянного магнита W 1 = 1 ( ) I 1 W 2 = 2 ( ) I 2,
14 Устройство, уравнение шкалы и основные характеристики приборов электромагнитной системы Катушка Сердечник Пружина Уравнение шкалы электромагнитного прибора I I 1 I 2 I K I i 1 2 i K
15 Устройство, уравнение шкалы и основные характеристики приборов электродинамической системы W эм = При Мвр = Мпр = К· При i 1 (t) = I 1m sin( t+ 1 ), i 2 (t) = I 2m sin( t+ 2 ), L 1, L 2 = const
16 Электродинамический ваттметр Уравнение шкалы * * r Z P I 1 I 2 Соединение катушек электродинамического прибора для работы его в качестве: а) амперметра, б) вольтметра, в) ваттметра I I I I I U U R I U a) б) в)
17 Счётчик активной энергии В последовательном электромагните – ток потребителей энергии. Магнитный поток Ф м i в сердечнике пропорционален току I, В параллельном электромагните – ток I U Магнитный поток Ф м U в сердечнике пропорционален напряжению U Два магнитных потока в диске создают Мвр = К Ф м Ф м U i sin = 90 o Мвр = К 1 IUcos = К 1 P Тормозной момент создаётся потоком Ф Т тормозного магнита М Т = К 2 I в Ф Т I в –вихревые токи в диске пропорциональны Ев и скорости вращения диска n об/мин I в = Ев / r d
18 Устройство, уравнение шкалы, применение приборов индукционной системы Принцип действия S ЭМ 1 ЭМ 2 I 1 I 2 Ф 1 Ф 2 N ЭМ Схема включения счётчика активной энергии I 2 =U H / r Генератор S N S * * Н I 1 I 2 S N Н Г ЭМ 1 Счётчик ЭМ 2 г н
19 Счётчик эл. энергии
20 Н I 1 I 2 S N Н Г Счётчик ЭМ 2 Схема включения счётчика активной энергии генератор нагрузка магнит ЭМ1
21 Измерение тока и напряжения аналоговыми приборами
22 Измерительные преобразователи амперметров и вольтметров , R ип R ш П Т Т П I Шунт R1 R2 R3 * U1 U2 U3 U4 трансформаторы тока и напряжения реактивный активный R н U вы x U в x R1 R2 U вы x U в x C1 C2 R1 R2 U в x C н U вы x частотнокомпенсированный C1 C2 Делители напряжения Шунт U R добавочное
23 Виды измерительных сигналов. Сигналы постоянного тока U t Периодические сигналы: Т Радио U U U U t t t t видео U U T t t t T T T
24 Виды измерительных сигналов. Синусоидальные (гармонические) сигналы 2 T U t Несинусоидальные сигналы Интегральные оценки периодических сигналов u = Umsin (2 ft + ). Для несинусоидального сигнала к - гармоники
25 Таблица интегральных характеристик сигналов Xm Xm Х СВ = Х m, X =Xm X m X m X CB = 0,5X m
26 Структурные схемы вольтметров ВД Преобр. импеданса АТТ УС ОУ Структурная схема вольтметра постоянного тока. (В2) Структурная схема милливольтметра постоянного тока ВД U = U имп Усил имп U имп U = АТТ УС ОУ Модул г-р Демодулятор
27 Электронные вольтметры переменного напряжения структурные схемы электронных вольтметров вольтметр типа входное устройство - детектор – усилитель - измеритель ; вольтметр типа входное устройство - усилитель – детектор – измеритель У ~ У= ВУ ВУ
28 Вольтметры переменного тока (В3) Структурная схема вольтметра типа В3 ВД Пр. Z АТТ = ОУ Милливольтметры переменного тока ВТ ВД ППС У 1 АТТ У 2 Диф усил. ОУ
29 U U= U~ Детекторы средневыпрямленного значения напряжения U с в U с в откуда для гармонического сигнала
30 Активные преобразователи средневыпрямленного значения напряжения У U Д1—Д4
31 детекторы амплитудных вольтметров. Детектор с открытым входом c Д uR i U c U m T1 t2 T1 t2 Ic T1 t2 зар =( R i +R Д )С раз = RC за интервал t 2 –t 1 зар <1/ f в раз > 1/ f H зар < раз U пик =U m cos - угол осечки тока диода R вху = 10 Мом, R д =1 кОм 0,1 град cos = 0,99 U пик = 0,99U m
32 Амплитудный детектор с закрытым входом Uc =U m Uc P = U m U x U x U c U d Д c Процесс преобразования переменного напряжения в постоянное аналогичен Отличие в наличии переменной составляющей, которую надо фильтровать C ф R ф
33 Автокомпенсационные вольтметры R 1 УПТ С1 С2 R2 Д1 Д2 С U C1 < C2 UC1 Uoc
34 Принцип автокомпенсации Измеряемое напряжение преобразуется компенсирующее Входной импульс через диод заряжает конденсатор С1 до значения Uc 1 ~U пик за счёт малой 3 = Rd C1 ~ имп Переменная составляющая U с усиливается и через диод заряжает конденсатор С2, которое через резистор R поступает на конденсатор С1 в качестве компенсирующего. При этом уменьшается до нуля переменная составляющая. Напряжение Uc 2 - измеряется
35 Преобразователи переменного напряжения в постоянное по уровню среднеквадратического значения (ПСКЗ). Детектор среднеквадратического значения напряжения Структурная схема вольтметра СКЗ ВУ Линейный детектор Квадратор Фильтр НЧ
36 Виды преобразователей СКЗ с квадратичной ФП. а) с квадратичными преобразователями по мгновенным значениям, в которых используются элементы с естественными нелинейными вольтамперными характеристиками; Д1 Д2 u
37 37 Квадраторы с линейной сегментной (кусочной ) аппроксимацией + Ux Е( t) Д1 Д 2 Д 3 U см U1 U 2 U 3 U 4 R1 R2 R3 R4 Е( t) I1 i2 i3 i4 R Ux~
38 ВУ Усилитель К Y 1 У (ос) U е 1 е 2 K T K T U Х Линейный преобразователь СКЗ е1-е2 е 1 = α 1 U X 2, e 2 = α 2 ( β U) 2 U=k(e 1 -e 2 )
39 39 С промежуточным преобразованием электрической энергии в тепловую U M R (t) Roc(t) Е( t ) I У нагреватели
40 Цифровые электронные вольтметры U Вх устр АЦП ЦИ Цифровые вольтметры с времяимпульсным преобразованием Q T R ГЛИН ГОЧ & +1 x / N Ux/ x Ux x N Пуск CxCp CxCp CT N Ux Ux
41 Цифровые электронные вольтметры U глин Пуск t t t t t Т Cx Cp T x Сч Ux Т 0
42 42 Схема двухкомпараторного АЦП. Ux Uo t 1 t 2 t 0 0 x t КН1 + - КН2 + - ГЛИН Пуск S R T & +1 CT ГОЧ
43 Цифровые электронные вольтметры Т 0 Т Х α Uo = KT U x =U 0 N = f 0 ·T X U 0 0 0 t t t
44 Измерение параметров цепей Классификация методов измерения параметров цепей. Метод амперметра и вольтметра, Метод непосредственного измерения, Мостовой метод для измерения активных и реактивных параметров, Резонансный метод, резонансный с замещением, Метод преобразования параметра в эквивалентный ток и напряжение, Метод дискретного преобразования параметра, цифровой метод.
45 Метод амперметра - вольтметра I A =I v +I R А V А V E E Rx Rx Uv = I( R A +Rx) Rx<<Rv Rx >>Ra А V А V E E С x С x ~ ~ С x большого номинала (Хс <Rv) С x малого номинала (Хс >R A )
46 Метод непосредственного измерения c опротивления Е I Ro Rx R = 0 Е I Rx R = Ro K 0 0
47 Омметр на основе логометра I 2 I 1 R x R 0 U I 2 I 1 R 0 R 0 U R x
48 Электронные омметры У Rx Ro У Rx Ro U U 0
49 Мосты постоянного тока Условие равновесия мостов постоянного тока R 1 · R 3 = R 2 · R 4, где R 1, R 2, R 3, R 4 – сопротивления плеч моста. R 1/ R 2 – плечи отношения, ( масштабные), R 3 – плечо сравнения. R 1 R 3 R 2 R 4 U M U ВЫХ Одинарный мост При R 4 = R х,
50 Мосты переменного тока Z 1 Z 3 Z 2 Z 4 U M U ВЫХ Баланс моста
51 Измерение ёмкости и угла потерь. Сх Rx R0 С 0 R2 R1 U~ Полное сопротивление конденсатора
52 Резонансный метод измерения параметров цепей Резонансная частота метод замещения в сочетании с резонансным методом. 1) 2) Г f Co Cx ИР L L K
53 Измерение сопротивления изоляции А В R AB R AB R AB R A R B Эквивалентная схема двухпроводной сети. Измерение сопротивления изоляции установки без напряжения r Э Л Г З Л r r Is I S I 0 I 0 Жила кабеля Экранное кольцо
54 Измерение сопротивления изоляции кабеля л э з л э з I скв I ут I ут I х I ут R утечки большое R утечки малое Г Г
55 Схема прохождения токов в земле между двумя электродами Плотность тока по мере удаления от первого электрода уменьшается, достигая на некотором расстоянии (около 20 м) ноля Таким образом, вблизи электрода сопротивление току увеличивается. По мере приближения ко второму электроду сопротивление и, соответственно, падение напряжения увеличиваются.
56 Измерение сопротивлений заземлителей В А В Б 1 2 3Н r x r В Г 20м 20м U ГВ U АБ U А V U L Распределение потенциалов между электродами на поверхности земли.
57 метод измерения сопротивления заземления с помощью прибора на основе логометра типа МС-07 В Г I 1 I 2 А В В ЗН Rd U r x Падение напряжения на участке цепи между зондом и заземлителем от тока I 2 равно падению напряжения на измеряемом сопротивлении от тока I 1.
58 Метод логометра где: r х – сопротивление заземлителя r ЗН – сопротивление зонда (приняв его пренебрежимо малым) к = ( r 2 +r d +r ЗН ) - градуировочное сопротивление в цепи второй рамки
59 Измерение сопротивления заземлений методом трёх электродов В А В Б r 12 1 2 3 r 23 r 13 r x r Б r В Б и В вспомогательные электроды, имеющие сопротивления r а, r в, идентичные измеряемому. r x r 12 = r Х + r В ; r 1 3 = r Х + r Б ; r 23 = r В + r Б .
60 Определение места повреждения изоляции мостовым методом Г A 2RL- Rx Rx R2 R1 R A Б В Г x При балансировке моста с помощью реохорда R и резисторов R1, R2 При известном значении удельного сопротивления жилы кабеля , сечения S расстояние от точки Б до места повреждения изоляции Х
61 Определение места повреждения изоляции мостовым методом При одинаковом сечении кабеля по всей длине, в формулу для определения Rx вместо Rx и RL можно представить их через длину, сечение, и удельное сопротивление. Тогда получим
62 Измерение поверхностного и объёмного сопротивлений диэлектрика. I S I U I S I 0 I S I S I 0 Б А А В В В Б Б U . Измерение объёмного сопротивления Измерение поверхностного сопротивления Б
Основные соотношения f = C /λ; f =1/ T, где f – частота ( Гц ), С – скорость распространения электромагнитных колебаний в вакууме (С ≈ 2,9976·10 8 м/ c ), λ – длина волны, (м) – расстояние между ближайшими точками колебательного процесса, находящимися в одинаковой фазе колебаний, Т – период колебаний, ( с ) – интервал времени, за который происходит полная смена фазы колебаний в одной точке пространства.
64 Методы измерения частоты Основные соотношения f = C /λ; f =1/ T, где f – частота ( Гц ), С – скорость распространения электромагнитных колебаний в вакууме (С ≈ 2,9976·10 8 м/ c ), λ – длина волны, (м) – расстояние между ближайшими точками колебательного процесса, находящимися в одинаковой фазе колебаний, Т – период колебаний, ( с ) – интервал времени, за который происходит полная смена фазы колебаний в одной точке пространства. М М 3 - 1 Y(t)=Asin( 0 t+ ) Н 2 0 1 4 Н -1 t T А 0 t +
65 № полосы Диапазон частот Диапазон длин волн Обозначение по частоте Обозначение по длине волны 1 2 3 4 5 4 3 – 30 кГц 100 – 10 км ОНЧ очень низкие СДВ сверхдлинные 5 30 – 300 кГц 10 – 1 км НЧ низкие ДВ длинные 6 300 – 3000 кГц 1000 -100 м СЧ средние СВ средние 7 3 – 30 МГц 100 – 10 м ВЧ высокие КВ короткие 8 30 – 300 МГц 10 – 1 м ОВЧ очень высокие УКВ ультракороткие 9 300 – 3000 МГц 100 – 10 см УВЧ ультравысокие ДЦМВ дециметровые 10 3 – 30 ГГц 10 – 1 см СВЧ сверхвысокие СМВ сантиметровые 11 30 – 300 ГГц 10 – 1 мм КВЧ крайне высокие ММВ миллиметровые 12 300 – 3000 ГГц 1 – 0,1 мм - СММВ субмиллиметровые
φ 0 - начальная фаза φ ( t) = sin( ω t + φ 0 ) - полная, текущая, мгновенная фаза ω – угловая, циклическая частота ω = 2 π f – частота изменения фазы Спектр частот: НЧ и ВЧ НЧ – инфранизкие – ниже 20 Гц; звуковые -20 – 20кГц; УЗВ ÷ 20 ÷ 200 кГц ВЧ – 200 ÷ 30 МГц: УВЧ - 30 ÷ 300 МГц; СВЧ –выше 300 МГц Мгновенное значение частоты f(t) = f n + kf 0 t + ∆f(t) f n – частота в тех документации, kf 0 t временной дрейф, ∆f(t) – случайный дрейф
67 Измерение частоты Классификация, наименование и обозначение, приборов для измерения частоты Ч1 – стандарты частоты и времени, Ч2 - частотомеры резонансные, Ч3 – частотомеры электронносчётные, Ч4 – частотомеры гетеродинные, емкостные, мостовые, Ч5 – синхронизаторы частоты, Ч6 – синтезаторы частоты, Ч7 – приёмники сигналов эталонных частот, Ч9 – преобразователи частоты.
1 - методы сравнения с образцовой частотой: а) сличения на основе нулевых биений б) гетеродинный в)- осциллографический 2 - функциональные методы : а) резонансный б) мостовой в) спектральные 3 - генераторные : а)перезаряда конденсатора; Преобразования временного интервала в напряжение 4 –дискретного счёта (цифровой)
69 Методы измерения частоты Методы сравнения Функциональные методы Методы дискретного счёта Генераторные методы Метод сравнения с известной частотой. Метод нулевых (звуковых) биений f x f 0 V При f 1 = Um 1 sinω 1 t и f 2 = Um 2 sinω 2 t образуется сложное амплитудно-модулированное колебание F = f 1 – f 2 с амплитудой в пределах от Um 1 ─ Um 2 до Um 1 + Um 2
u t F f 2 0 Гц f 1 f Х = f 0 f 2
71 Гетеродинный метод при m = n = 1, F = fx – f 0, fx = f 0 + F, где F – частота биений fx f 0 Смеситель Индикатор Нулевых биений Погрешность F = fx – f 0
72 Осциллографический метод f x f o Y X Y X Fx:fo С д в и г ф а з с и г н а л о в Fx и Fo 0 π /2 π 3/2 π 2 π 1 2 3 Fx : fo . F верт · N верт = f гор · N гор,
73 Метод круговой развёртки и яркостной модуляции R C f 0 fx M Y X fx = 4 f 0 Метод сравнения с частотой развёртки осциллографа Tx = N Кр, fx = 1/ Tx. Кр – коэффициент развёртки время на деление N – число делений на периоде Tx Т
74 Резонансный метод измерения частоты Элемент связи Колебательная система Индикато р резонанса Элемент настройки fx L C M Ир fx U Up 0,75 Up f1 f f2 fp fp = 0,5 ( f1 + f2 ) f f1 f2 U L
формирователь детектор И fx Tx Tx Tx τ x U и U ср U
76 ГЕНЕРАТОРНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ Усилитель - ограничитель Формиров. импульсов Детектор линейный fx Т Т Схема конденсаторного частотомера Д2 Д1 С Дст Rk R fx И Ek fx = I / C ( U зар – U разр). U ср U и I зар I разр q = CU,- за период i зар = q/T = CU ·f f = i/CU
77 Цифровой метод (метод дискретного счёта) Форм & Счётчик имп. F 0 F 0 n Тр Fx Структурная схема частотомера Форм Тр & Счётчик имп. Fo F 0 x n Структурная схема периодомера Форм & Счётчик имп. F 0 F 0 n Тр Fx Fx T 0 T x
78 ЭСЧ в режиме измерения частоты fx fo БА N t сч fo : n T Х T 0
79 ЭСЧ в режиме измерения периода f о f х БА N t сч f о f о f х БА N t сч T х
80 Методы измерения фазовых сдвигов Для двух гармонических сигналов при одинаковой частоте u1 = Um sin( t 1 + 1 ), u2 = Um sin( t 2 + 2 ) 1 = 2 = , приняв 2 = 0, получим t 1 + - t 2 = , = ( t 1 – t 2 ) = 2 /Т∙ ( t 1 – t 2 ). = 2 t /Т методы измерения фазовых сдвигов осциллографический, с преобразованием во временной интервал, цифровой компенсационный, U Т t1 t2
Классификация методов измерения фазы
где ψ1, ψ2 — углы сдвига фаз между токами в неподвижной катушке и токами I1, I2 соответственно в подвижных катушках; cos 2 = cos (90 - 1 ), 1 = , f 3 ( ) = tg. 2 = 1 I 2 I 1 U I 90 о
83 Осциллографический метод Разновидности: Метод эллипса, Метод двухканального осциллографа, Метод круговой развёртки и яркостной модуляции Метод эллипса Y Х l L Ux = U m Sin ( t+) Uy = U m Sin t Um = L При Uy =0 Ux = U m Sin = l Ux = l
Х У А В D C А–В; С– D = . С -D = l A-B = L
85 четырёх полюсник Расщепитель фазы Ф1 Ф2 Метод яркостной модуляции и круговой развёртки Umsin( t + ) Umsin t X M X Y Y Umsin( t+ /2)
86 Электронные методы измерения фазовых сдвигов Метод суммы и разности напряжений U U U1 +U2 -U2 При U 1 = U 2 при использовании разности значений напряжений
87 Измерение фазы методом сложения импульсов. 4-х пол. Формирователь Формирователь Инвертор Сумматор Вольтметр U1 U2 U C В = U · · f,
88 Временные диаграммы метода суммы и разности напряжений Входные сигналы Сигналы после формирователей Суммарное напряжение Средне выпрямленное напряжение U2 U1 U 1ф U2 ф U U св
89 Схема суммирования на операционном усилителе Z1 Z2 U1 U2 + - U Z ос При Z1 = Z2 = Z
90 Метод балансного фазового детектора. U 1 =U m1 sin t U 2 =U m2 sin( t+ ) VD2 VD1 U 2 U1 U1 C1 C2 R2 R1 R U /2Um 1 -1 / 2 2
91 Компенсационный метод измерения сдвига фаз 4х пол U1=Um sin t U1=Um sin t+ 1 2 K 0 1 ИФС Фазосдвигающие цепи C R U2 U1 U1 R C U2 I·1/ C IR=U вых =U2 U вх =U1 I
ФЧД – фазочувствительный детектор; ФВ – фазовращатель
при измерении Δt получим число импульсов:
При измерении Т получим число
Структурная схема
пачки проходят в течение интервала Δtц количество пачек импульсов:
101 Цифровой двухканальный фазометр. &3 счётчик ГОЧ fo Делитель fo/n & 2 S Тр2 R -1 Пуск . Фу1 S Тр1 R Фу2 = u(t)=Umsin t 4-Х Пол u(t)=Umsin( t+ ) N = к m = m = t изм./ Тх к = ./ То. t изм = nT 0 . N = 2 t изм = nT 0 T x t изм T р3 S R
102 . Измерение временных интервалов с преобразованием в напряжение U 0 Стар Стоп В R С t = RC. Используя метод заряда конденсатора постоянным током I = const Стоп Старт Ключ Интегратор Ампл. вольтметр U 0 Старт Стоп t 2 t 1 t U U t
103 метода масштабного преобразования временного интервала Старт Форм 1 Форм 2 Стоп ГЛИН 1 ГЛИН 2 Компаратор S Тр R Временные диаграммы метода трансформации времени. T t t t1 t2 t t3 U U2 = U = tg ·{(t 3 – t1) - (t2 – t1)} = tg ·( T- t), U 1 = U = tg ·( t 3 – t 1) = tg · T T
104 Измерение мощности Энергия, поступающая в нагрузку Мгновенная мощность Мгновенная мощность величина алгебраическая Если положительные направления u, I одинаковых знаков р > 0 Энергия поступает в нагрузку Если положительные направления u, I разных знаков р < 0 Энергия возвращается к источнику
Мощность в цепи переменного тока выражается комплексным числом Активная мощность – действительная часть. Реактивная – мнимая часть, Полная мощность – модуль, Угол сдвига фаз - аргумент
106 Единицы измерения мощности Виды измеряемой мощности Активная Полная Реактивная (Вольт-амперы) Активная (Ватт) Ра = U · Icos φ (Вар)
107 Единицы измерения уровней мощности Для оценки эффективности передачи энергии по каналу определяется затухание или усиление сигнала Единица затухания 4-х полюсника Бел (непер) 4-х пол Р 0 Р 1 При R вх = R вых В показательной форме Практически применяют децибелы В показательной форме Бел =
В цепях постоянного тока P n =I n U n, Pn = R n В цепях переменного тока G Z n U(t)=U m Sin t i(t)=I m Sin( t+) а) Оценка мгновенной мощности в нагрузке P(t)=u(t)i(t)= U m Sin t · I m Sin( t+) = 0,5 U m I m Cos - 0,5 U m I m Cos(2 t+) b ) Оценка средней мощности в нагрузке за период - активная мощность При работе на согласованную нагрузку P=0,5 U m I m Cos =UICos P =UICos
Активная мощность – P = UI cos φ скорость необратимого превращения электрической энергии в другие виды: тепловую, электромагнитную Реактивная мощность – Q = UI sin φ величина, характеризующая нагрузки, создаваемые колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи переменного тока. Она вызывает в эл. цепях дополнительные активные потери (расход энергии на станциях) и потери напряжения в сети. Реактивная энергия не участвует в работе эл. тока. Полная мощность
110 φ = 0° sin90° = 0 cos90° = 1 В этом случае : Реактивная мощность Q = UIsin0 = 0 Потребляемая мощность P = UIcos0 = UI Полная мощность S = UI = √(P² + Q²) будет равна потребляемой мощности Коэффициент мощности P/S = 1 При отсутствии реактивных элементов и сдвига фаз в нагрузках, мгновенная мощность в полупериоде Umax*Imax будет максимальной Ракт t
111 φ = 45° sin45° = cos45° = √2/2 ≈ 0.71 Реактивная мощность Q = UIsin45° = 0.71UI Потребляемая мощность P = UIcos45° = 0.71UI Полная мощность S = √(P² + Q²) = UI Коэффициент мощности P/S = 0.71 рисунок графиков со сдвигом фаз 45°, для случая равенства активного и реактивного сопротивлений в нагрузке. Ракт t
112 φ = 90° sin90° = 1 cos90° = 0 φ = 90° sin90° = 1 cos90° = 0 При отсутствии активной составляющей в нагрузке, сдвиг фаз между напряжением и током составит 90°. средняя (активная) потребляемая мощность P avg за период будет равна нулю. Ракт t
113 Принципы оценки мощности Реактивная мощность для периодического переменного тока В трёхфазных цепях При равномерной нагрузке Индуктивность > 0 Q>0 Ёмкость < 0 Q<0 Активность = 0 Q = 0
114 Принципы оценки мощности В общем случае Так как произведение мгновенных значений сигналов разной частоты равно нулю Когда надо знать Р, U, I используют понятие полной мощности Коэффициент мощности
115 Классификация методов измерения мощности 1. По способу включения в тракт передачи (по назначению) Проходящей мощности Нагрузка ИП Измеритель Рх Рн Ризм Рх = Рн + Ризм Ризм << Px Поглощаемой мощности Нагрузка ИП Измеритель Рх Рх = Рн 2. По виду первичных ИП Эл. механические Электронные тепловые 3. По типу тракта передачи 2-х проводная, Коаксиальная, Волновая
116 Классификация методов измерения мощности По характеру измеряемой мощности Среднего значения: Непрерывного сигнала Импульсного сигнала, 2. Активной, реактивной, полной По уровню P<10 BT, -6 P<0,1 BT, P = 1 10 BT, P = 10 10 BT, 3 P > 10 BT, 3 По способу преобразования мощности. Прямые ИП i ИП u X I U P Косвенные ИП i ИП u I U B, A ВУ P
117 117 Преобразователи с модуляцией сигнала Аналоговые U, I в параметры импульсных сигналов: U и, и, f и. T и c последующим интегрированием (усреднением). Модуляции: ШИМ – ЧМ, ШИМ –ШИМ, ШИМ –АМ. ШИМ ЧМ & Ui Uu f = const f N = /T = f P f = K 1 U u, = K 2 Ui, N = f = K 1 K 2 U u Ui =KP
118 118 Гальваномагнитный датчик мощности
119 Преобразователи мощности Электромеханические * U I 1 I 2 * * Z Н r
120 Измерение мощности трёхфазного тока Вид электрической цепи А В С О А В С
В зависимости от вида трёхфазной системы, её симметрии схемы измерения различны: Для системы с симметричной нагрузкой и любой схемы соединения фаз приёмника – метод одного ваттметра. для системы с несимметричной нагрузкой и любой схемы соединения фаз приёмника - метод двух ваттметров Четырёхпроводная система – метод трёх ваттметров
122 Схемы измерения активной мощности W A B C O W A B C O При несимметричной нагрузке W W W A B C O Р = Р 1 +Р 2 +Р 3
123 Метод двух ваттметров W W i A i B i C A B C P 1 P 2 P = P 1 +P 2 = (u A –u B )i A + (u C –u B )i C P = u A i A + u B i B + u C i C, i A +i B +i C = 0 Один измерительный механизм
124 Схема включения ваттметра с трансформатором тока I 1 Л 1 I в u 1 u 2 I 2 P =I 2 U 1 cos(180 ) = I 2 U 1 cos Л 2
127 127 Терморезистивный метод измерения СВЧ мощности Термистор Стеклянный корпус Терморезистор п/п Выводы Болометр Подложка Термочувствительная плёнка Pt Контакты Приёмные преобразователи Рх К мостовой схеме R 1 R 2 R 3 R 4 Е R t Рх
128 128 Измерение ВЧ мощности Тепловые методы Рсвч Q/t Ct C – теплоёмкость, С – время, - перепад температур рабочего тела Р свч = Q/t = Ct R R 2 P 1 P 2 P 0 R P P 1 P 2 0 R 1 R 2 R 1
129 129 Термисторный мост ваттметра R1 R2 L C R3 Rt P свч Сх. Ср Рег.источник Пост напр V A) Px=0, R1=R2=R3=Rt=R Px=0 B) P2 + P вч = P вч +
130 130 Мостовые методы измерения мощности Rt R1 R3 R2 P ~ ~ I U Px=0, P 1 = Px=0 P 2 = Px = +Px Rt 0 “ “
131 131 Автобалансный термисторный мост R 1 R 2 R 3 R t U = P P E Диапазон P 10 мкВт 10 мкВт 4
132 132 Термоэлектрический преобразователь С1 С2 R 1 R2 Фильтрующая Разделительная Рсвч Структурная схема цифрового термоваттметра Рсвч ТП УПТ АЦП ОУ Тепловая энергия выделяется на сопротивлениях термопар
133 133 Диодные ваттметры R2 R1 K = (R1+R2)/R2
134 Измерительные генераторы
135 Измерительные генераторы Генераторы измерительных сигналов низкой частоты Диапазон частот 20 Гц – 20 кГц и 20 Гц – 200 кГц Структурная схема генератора НЧ ЗГ У АТТ ТР V Выход
136 RC - генераторы U п U 0 К U вх R1 C1 C2 R2 Z1 Z2 U вых R 4 R3 Баланс моста Z1 R 4= Z2 R3 при R 1 = R 2 = R, C 1 = C 2 = C, R 3 = 2 R 4 Коэф. ПОС Коэф. ООС
137 Условия генерации При R 1 = R 2 = R, C 1 = C 2 = C . Баланс фаз при Z 1 · R 4 = Z 2 · R 3 φвых ─ φвх = 0. При R 3 = 2 R 4 Баланс амплитуд. U вх = U п ─ Uo = , Условие генерации колебаний K=3
139 Электронно-лучевой осциллограф Структурная схема ву лз г БС Вход У Вход синхр Вход Z У 1 У 2 У 3 У 4 ЭЛТ Вн Внешн Внешн Вход Х Вн Внешн Вн
140 Электронно-лучевой осциллограф Принцип получения изображения Т пр Т р U р = U x x x y Т c Т р = Т c U c = U y t
141 Круговая развёртка У Х X=SUmsin t = A sin t Y= SUmsin( t +)=B sin( t +) sin t=X/A X=A sin t Y=B/A(X cos + sin ) Уравнение эллипса При =0 или 180 Y= ( B/A ) X - линия При =90 или 270 При А=В =90 окружность
142 Синхронизация 1 2 3 4 5 6
ВАХ резистора Х У R ЭТ R ~ получение вольтамперной характеристики диода снятие прямой и обратной ветви вольтамперной характеристики диода + V A + V A Х У R ЭТ VD ~ Х У R ЭТ VD ~
144 Измерение неэлектрических величин
145 Структурная схема ИП Z Y X датчик Измерительная цепь Измерительный преобразователь Ф Т R АЦП Датчик Первичный ИП предварительная обработка сигнала дополнительная обработка сигнала Т R V УС
146 Преобразователи деформации Коэффициент Пуассона определяет деформацию, перпендикулярную направлению действия силы. Деформация Механическое напряжение G = F / S Предел упругости – G мах - максимальное напряжение, не вызывающее остаточной деформации, большей 0,2%. Модуль Юнга « Е » определяет деформацию в направлении действия силы При = 1, где l = l – lo = 1 Модуль упругости представляет собой такое механическое напряжение, при котором l = 1, т.е. удлинение l = 2 lo В области упругой деформации = 0,3 0,5
147 Физические основы получения информации Упругие преобразователи силы. L S q F F S q Продольная деформация Относительная деформация Поперечная деформация Жёсткость стержня Кольцевые упругие элементы Стержневые упругие элементы F А R h b ,
148 Плоские упругие элементы h b F A A X x l консольная балка равного сечения Деформация Прогиб в точке А прогиб в точке Х Жёсткость консольная балка равного сопротивления F X x A h b l относительная деформация в произвольной точке Прогиб Жёсткость
149 Манометрические упругие элементы Плоские оболочки F X x 2R Деформация в точке Х Жёсткость Прогиб центра плоской мембраны Цилиндрические оболочки h 2R L P A P При L > R Деформация на поверхности в точке А
150 Проволочные тензорезисторы коэффициент тензочувствительности. Логарифмическая производная коэффициент тензочувствительности Для металлов коэффициент К находится в пределах от 1,5 до 4. В пределах упругих деформаций l 2,5∙10, -3
151 Конструкция тензодатчиков подложка тензорешётка база выводы F F L L L n Коэффициент тензочувствительности равен 2 0,2; максимальная относительная деформация не более 0,003 (0,3%). номинальный рабочий ток– 30 ма ;
152 Полупроводниковые тензорезисторы Коэффициент тензочувствительности Ктч = –100…+200 Сопротивление тензодатчиков R = 100 Ом…50 кОм, Деформационная характеристика R p -4 0 +4 n l ∙10 -3 Вольтамперная характеристика | 1 |=| 2 |, 1 >0, 2 <0, 0 =0 I U = l/l 1 0 2 I пред
153 Измерительные схемы тензопреобразователей Схема 1: влияние температуры компенсируется на соединительных проводах – по трёхпроводной схеме либо с помощью эталонного термокомпенсирующего датчика. Rd B A R2 C D R4 R3 E Um Rs << Rdo При балансе моста все сопротивления плеч равны ( Rdo + Rs )= R 0, R s R s Напряжение разбаланса моста при измерении деформации Схема 1* Два рабочих датчика включены в противоположные плечи моста B A R2 C D R3 E Um Rd 1 Rd 2
154 Тепловые преобразователи Датчик T d Объект Окружающая среда r 1 r 2 c, m Тепловой поток T О T С r1, r2 - Тепловые сопротивления, теплопроводность температур a датчика, для снижения погрешности необходимо, чтобы r1/ r2 0, а так же Т = T O - T d = 0. необходимо улучшить тепловую связь датчика с объектом и изолировать датчик от окружающей среды.
155 Соотношения температурных шкал 0 100 373,16 273,16 212 32 96 R F 80 0,01 0 0 K 0 C Методы измерения температуры
156 ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ КОНТАКТНЫХ ТЕРМОМЕТРОВ Термометры сопротивления Основные параметры терморезисторов: (ТР ) номинальное значение сопротивления Ro при температуре 0оС, Температурный коэффициент сопротивления допустимые отклонения сопротивлений Ro при температуре 0 в процентах от номинала , значение отношений сопротивлений в диапазоне температур 0 100, , допустимые отклонения значений W 100 С о С о
157 Термометры сопротивления Платиновый термометр. ρ = const, в диапазоне R T = R [1+ AT + BT + CT ( T -100)] в диапазоне температур -200 0 С 0 3 2 0 C = -4,36∙ 10 C -2 -3 R 0 при Т = 0 С α = 3,9·10 К, = 0,105 Ом·мм2/м, при 20 0 -3 -1 С 0 Полный диапазон -200 до +1300. С 0
158 Термометры сопротивления Медные термометры( Cu ) диапазон температур от -50 до +180ºС, Rt = R 0(1+α T ), или Rt = Ro [1+ α (Т-Т o ], где Ro сопротивление при Т o = 0 C. α = 4,26·10 3 град 1 0 - - ρ = 0,017 Ом·мм2/м Функция преобразования медного терморезистора. 0 t R Ro
159 Термисторы Передаточная функция термисторов Простая модель, где А – константа, В – характеристическая температура материала Температура термистора Чувствительность датчика
160 Конструктивное выполнение термисторов ММТ-1, КМТ-!, СТ3 -1 ММТ-4, КМТ-4, СТ1-2, СТ2-1СТБ-4 ММТ-12, КМТ-12 КМ-14, СТ3-14 Т-8, Т-9
161 схемы измерения температуры терморезисторами Im R5 R4 Rt R3 R2 R1 У 1 R Um U вых R 3 R2 R1 Е R т Изм. схема Изм. прибор R л R л
162 Автоматические регистрирующие схемы Rt Y Д шкала реохорд Е ОВ * R 3 Rt R 1 R 2 а б Е R 2 R 4
163 Термоэлектрическая пирометрия термочувствительность термопар Тип термопары диапазон температур мкв\град тип термопары диапазон температур мкв\град ПП -20 1600 11 Au-Pt -185 800 16 ППр +300 1900 9 Au-Ag -185 800 16 ХА -200 1300 40 Cu- константан -250 400 40 ХК -200 800 75 нихром- Ni 1200 40 Fe- константан -200 1000
164 Измерительные схемы термопар Ип Rt R пр ТП R под R л R л У ЭД ов ТП Реохорд со шкалой
165 Оптическая пирометрия . Распределение энергии в спектре излучения (формула Планка), h – постоянная Планка; С – скорость света Полное излучение во всём диапазоне длин волн - поток монохроматического излучения в единицу времени с единицы площади поверхности тела с длинами волн от λ до dλ, Закон Стефана-Больцмана
166 Энергетическая фотометрия или радиометрия Энергия излучения Q – испускаемая, принимаемая – в джоулях Поток излучения Ф - испускаемая, принимаемая мощность (Ф = dQ/dt), в ваттах Сила излучения I – поток излучения, в данном направлении в единичном телесном угле (I = d Ф /d ) измеряется в Вт/ср ; Энергетическая яркость L – сила излучения с элемента поверхности d А в данном направлении, относимая к площади ортогональной проекции d А на плоскость перпендикулярную направлению ( L = dI/dAn) Вт/ср м ; 2 Энергетическая облучаемость Е – поток излучения, падающий на элемент поверхности, отнесённый к площади элемента (е = d Ф /dA), измеряется в Вт/м. 2
167 Основные методы измерения температур Пирометр полного излучения (радиационный пирометр). Объектив Диафрагма Термопара Окуляр T Пирометр с исчезающей нитью, или монохроматический пирометр с) в) а) Фон излучения тела Нить накала лампы
168 Автоматический оптический пирометр 3 2 T U вых 1 Измер. схема 1 - диафрагма 2 – опт фильтр 3 – шторка
169 Пирометр спектрального отношения Бихроматический пирометр, или пирометр спектрального отношения, Отношение r зависит только от температуры Т объекта t 0 ВУ r Фд2 Фд1 У1 У2 1 2 Светофильтр
170 фотодетектор ФДПК-1Т Типовая спектральная характеристика фотодетектора ФДПК 1Т
171 Методы измерения расхода Средняя скорость потока в сечении S равна Классификация методов по виду первичного преобразователя расхода Преобразователи с непрерывно движущимся телом 3. Преобразователи, основанные на гидродинамических законах 2. Преобразователи, основанные на физических явлениях 4. Ротаметры с упругим противодействием v
172 Расходомеры постоянного перепада давления. Поплавок V F S Fg F АРХ где U – объём поплавка, 0 - плотность поплавка, - плотность жидкости, V - скорость жидкости, S - площадь сечения поплавка перпендикулярная вектору скорости, g - ускорение силы тяжести, - К F – коэффициент лобового сопротивления. Поплавок находится в положении Z по вертикали при скорости жидкости расход Fg =Fs + F арх
173 Расходомеры переменного перепада давления. Р 1 Р 2 Q Р Р 1 р Р 2 X Р 1 Р 2 Диф. манометр Р Х V
174 Электромагнитные расходомеры токопроводящей жидкости. ~ B U e Uk U Q Wk W B D N S U ~ Ф
175 Ультразвуковые расходомеры L V Излучатели Приёмники Время распространения УЗВ на расстоянии L по направлению потока в направлении против потока
176 Тепловые преобразователи расхода газа Корпус Нагреваемый терморезистор Поток где К1, К2 – приборные константы, U, I – напряжение и ток питания датчиков, Т Н - температура рабочего датчика нагревателя, Т С - температура потока ( компенсационного датчика ) R ( VT ) V R (T ) . Схема расположения рабочего и компенсирующего датчиков
177 Объёмные счётчики Лопасти Измерительная камера Ротационный счётчик газа
178 Измерение расхода тепловой энергии где Q – массовый расход теплоносителя, С – теплоёмкость, i 1 i2 – ‘ энтальпия теплоносителя на входе и выходе. где R1 – R4 – постоянные коэффициенты. Т – температура; р – давление Расход тепловой энергии W за промежуток времени t 2 - t 1 Потребитель Х W Расходомер Термопары Энтальпия — это количество энергии, которая доступна для преобразования в теплоту при определенной температуре и давлении.
179 Измерение уровня раздела сред. Гидростатические уровнемеры. Поплавковые преобразователи. Сила, действующая на поплавок При 1 << 2, 1 0, Fa = g ∙ 2∙ S ∙ X. Положение поплавка соответствует положению уровня Буйковые (плунжерные) уровнемеры , , где Р – вес плунжера, S – площадь его поперечного сечения, gSh – выталкивающая сила Архимеда, плотность среды, g ускорение силы тяжести. h h Упругий элемент Перемещения плунжера минимальны
180 Вторичные преобразователи гидростатических уровнемеров Поплавковые преобразователи. Реостатные h Оптические фд сд Кодовая линейка h h R R Электромагнитные h U U~ h U~ U~ U1 U2
181 Вторичные преобразователи гидростатических уровнемеров Буйковые (плунжерные) уровнемеры h Упругий элемент Тензодатчик h с Емкостной датчик
182 Измерение уровня раздела сред. Гидростатические уровнемеры. Преобразователь перепада гидростатического давления. где давление равно Датчик располагается у дна резервуара , h p o Мембрана Массовые уровнемеры h G – сила веса, действующая на опору, S - площадь зеркала поверхности, g ускорение силы тяжести, плотность среды. р = р 0 + gh
183 Электрофизические уровнемеры h h Корпус неэлектропроводный Корпус электропроводный Уровнемеры на основе электропроводности R=f(h) h R R R Контакт R h
184 Емкостные преобразователи уровня L 0 L R 2 R 1 Внутренний электрод Наружный электрод С 1 С 0 С D 1 h D 2 Диэлектрик Электрод D 2 D 1 с с Корпус Электрод Диэлектрик
185 Ультразвуковые уровнемеры Измерение с помощью акустических волн У ф1 Тр У1 У ф2 Г Апр h H t t t U г U отр U тр Изм. врем. инт.
186 Измерение ускорения, вибрации и удара Схема измерения относительной вибрации в назначенной инерциальной системе отсчёта НСО m x L 0 L основание измерительной системы Упругий элемент инерционная масса датчик объект измерения 0
187 Вторичные преобразователи акселерометров Пьезоэлектрические акселерометры q=d F m Корпус Инертная масса Пъезодатчики Поджимная пружина Пьезоэлектрические акселерометры консольного типа. М
188 Электродинамический датчик виброскорости S N Корпус Упругий подвес Катушка Магнит Магнитопровод U вых m U = BSN(dX/dt) B – индукция, S – площадь катушки, N – число витков катушки, Х – вибросмещение. m – масса катушки
