Курс «Измерение электрических и неэлектрических величин»

1. Курс «измерение электрических и неэлектрических величин»

Рекомендуемая литература:
1. Раннев Г.Г. Тарасенко А.П. Методы и средства измерений.
2. В.Д.Кукуш Электрорадиоизмерения.
3. Ф.П. Кушнир Электрорадиоизмерения.
4. Кушнир Ф.П. Савенко В.Г. Электрорадиоизмерения.
5. Карпов Р.Г. Карпов Н.Р. Электрорадиоизмерения.
6. Туричин А.М., Новицкий П.В., Левшина Е.С. «Электрические
измерения неэлектрических величин».
7. Левшина Е.С., Новицкий П.В. «Электрические измерения
неэлектрических величин».
8. «Датчики измерительных систем» Ж. Аш с соавторами.
1

2. Измерение электрических величин

2

3. Особенности радиоизмерений. Схемы замещения параметров цепей на НЧ и ВЧ

L
L
R
L
r
CL
R
C
C
R
R
L
r
C
НЧ
ВЧ
3

4. Особенности радиоизмерений. Место подключения СИ в ВЧ - цепях

С12
Ia
In
1
2
Zn
С13
С24
Ic
3
4
С34
Ia = In + IC
4

5. Особенности радиоизмерений. Режимы работы реактивных параметров на ВЧ

Х
ХС
f
Ae-J
F0
Х
Ae+J
ХL
XC
1
J C
,
XL J L
5

6. Виды измерений

1. Прямые - из опыта Y=f(X),
Y=AXед,
2. Косвенные – по известной функциональной зависимости от
других, измеренных прямым методом.
Y=f(X1, X2, Xi... Xn),
P=I 2 R,
= R·S/l.
3. Совокупные и совместные имеют единую математическую
модель: Совокупные –одноимённые, совместные - разноимённые
Y=f(X1, X2, .. Xn, Y1, Y2,.. Ym), Хi – измеренные,
УJ – вычисленные величины, n>m. Решая систему n уравнений,
m – число параметров, находят искомые
Совокупные
R1
Совместные
R2
1
R(t)
3
R3
2
2
Система уравнений: 1). R13 = R1 +R3,
2). R12 = R1 +R2, 3). R23 = R3 +R2.
R1, R2, R3- искомые
t
Rt = R0[1+ (t-t0)+ (t-100)];
и - искомые параметры
6

7. Совокупные измерения

M12
M12
*
L1
L1
L2
L2
*
LΣ= L1 + L2 + 2M12
*
*
LΣ= L1 + L2 - 2M12
7

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.
8

9. Метод сравнения

а)Дифференциальный
Устройство
сравнения
Х
Х0
Х = Х-Х0
Изм.
прибор
б) Нулевой
Х
ХХ
Устройство
сравнения
Ноль
индикатор
в) Замещения.
Х0
при
ХХ00
1 = 2
Rx = R0
U
Х=0
Rx
1
2
R0
9

10. Устройство, принцип работы, характеристики, аналоговых CИ

Электромагнитная энергия
WÝ I ( )
1 2 1
LI CU 2 M 12 I1 I 2
2
2
В приборах магнитоэлектрической
системы
WÝ I ( )
В приборах электромагнитной системы
WÝ
;В
приборах электродинамической
системы
1
LI 2
2
WÝ M12 I1 I 2
Электромагнитная энергия преобразуется в силу или момент
M
dW
;
d
Противодействующий момент
устанавливающий момент
F
dW
.
dx
Мпр = K
Муст = Мвр + Мпр + Мтр + Мусп
10

11. Устройство, принцип работы, характеристики, аналоговых средств измерений .

Х
Первичный
преобразователь
Х/
Измерительная
цепь
У
Измерительный
механизм
Структурная схема аналогового СИ
Отсчётное
устройство
Уравнение преобразования измерительного механизма аналогового
прибора.
MBP
dWÝ
,
d
Мвр = (X,Y).
Мпр = К ,
Ì
ÂÐ
Ê
(X, Y)
Ê
.
X - измеряемая величина, Y - параметры измерительного механизма,
11

12. Устройство, уравнение шкалы и характеристики приборов магнитоэлектрической системы

Ì
âð
=BSWI
S
N
I
BSWI
K
Мвр
Мпр=Кα
SI
BSW
K
SU
BSU
KR È Ï
Мпр
I3
при Мвр = Мпр
чувствительность
по току
чувствительность
по напряжению
W
Rип
I2
U
I
I1
1
2
3
12

13. Логометры магнитоэлектрической системы

M1
I
M2
M3
N
I1
S
M ( I2)
I1
I2
1
2
3
Электрокинетическая энергия рамок с током в поле постоянного магнита
W1 = 1( )I1
W2 = 2( )I2,
Моменты, создаваемые рамками
Ì
1
d 1
d
I1 ,
Ì
2
d 2
d
I2 ,
I1 d 2
I2
d
d 1
d
I
f , F 1
I2
13

14. Устройство, уравнение шкалы и основные характеристики приборов электромагнитной системы

Катушка
Сердечник
Пружина
Уравнение шкалы электромагнитного прибора
1 dL 2
1 dL U 2
I ;
2
2 K d
2 K d RП
I
IK
Ii
I2
I1
1
2
i
K
14

15. Устройство, уравнение шкалы и основные характеристики приборов электродинамической системы

dM12
1
1
2 dL1
2 dL2
2
2
0,5I2
I1I2
L1 I1 L 2 I 2 I1 I 2 МВР 0,5I1
Wэм =
2
2
d
d
d
L1, L2 = const
При Мвр = Мпр = К·
При i1(t) = I1m sin( t+ 1),
SI1 I 2
1 dM12
I1 I 2
К d
i2(t) = I2m sin( t+ 2),
SI1 I 2 cos 12
15

16. Электродинамический ваттметр

Уравнение шкалы
Т
dM 12
dM 12 U
dМ 12 1
I1 I 2
I1 , так как
uidt тогда kP
d
d
r
d Т 0
*
I1
*
P
r
I2
Z
Соединение катушек электродинамического
прибора для работы его в качестве:
а) амперметра, б) вольтметра, в) ваттметра
a)
I
I
б)
I
I
U
U
R
в)
U
I
I
16

17. Счётчик активной энергии

В последовательном электромагните – ток потребителей энергии .
Магнитный поток Фмi в сердечнике пропорционален току I,
В параллельном электромагните – ток IU
Магнитный поток ФмU в сердечнике пропорционален напряжению U
Два магнитных потока в диске создают Мвр = К Фм ФмU i sin = 90o
Мвр = К1IUcos = К1 P
Тормозной момент создаётся потоком ФТ тормозного магнита
МТ = К2Iв ФТ
Iв –вихревые токи в диске пропорциональны Ев и скорости вращения
диска n об/мин
Iв = Ев / rd
17

18. Устройство, уравнение шкалы, применение приборов индукционной системы

M âð KfÔ 1Ô 2 sin ÊfI1 I 2 sin
Принцип
Ф1действия
N
ЭМ1
I1S
N
Мвр kfФ
Ф2 sin
ЭМ 1
S
S
ЭМ2
Ф2
I2
*
НЭМ
1
*
Счётчик
N
ЭМ
2
S
I1
Г
Н
г
I2
н
Генератор
I2=UH/r
Схема включения счётчика активной энергии
18

19. Счётчик эл. энергии

U
U
U
ÔU K1
K
ZK L
f
M âð kfÔU Ô I sin
Ô I KI Ì
M ÒÎ ÐÌ
d
KP C
dt
ò î ãäà
âð
êUI sin KP
sin cos
d
d
kÔ
C
dt
dt
2
t2
t2
K Pdt C d
t1
Pdt W
t1
KW CN
t2
d 2 N
î áî ðî ò î â
W K N
î áî ðî ò
C
êâò ÷àñ
t1
|
19

20. Схема включения счётчика активной энергии

Н
Счётчик
ЭМ1
N
ЭМ2
S
I1
магнит
Г
генератор
Н
I2
нагрузка
20

21. Измерение тока и напряжения аналоговыми приборами

21

22. Измерительные преобразователи амперметров и вольтметров

Rип
Шунт
U
I
Т
П
П
Rш
R добавочное
R1
Шунт
Т
R2
R3
,
*
U1
U3
U2
U4
трансформаторы тока и напряжения
Делители напряжения
активный
Uвыx
R1
реактивный
C1
C2
Uвыx
R2
Uвx
Uвx
C1
частотнокомпенсированный
R1
Uвx
C2
R2
Rн
Cн
Uвыx
22

23. Виды измерительных сигналов.

U
Сигналы постоянного тока
t
Периодические сигналы:
видео
U
U
t
U
U
T
t
T
U
t
t
Т
Радио
U
t
t
T
T
t
23

24. Виды измерительных сигналов.

Виды измерительных сигналов
Синусоидальные (гармонические) сигналы
U
.
u = Umsin(2 ft + ).
Несинусоидальные сигналы
n
u U O U mk sin( t K ).
t
K 1
к - гармоники
2
T
Интегральные оценки периодических сигналов
T
U CP
T
1
1
u(t)dt U O , U CPB | u(t) | dt, U
T0
T0
Для несинусоидального сигнала
U
T
1
2
u(t)
dt,
T0
n
2
U
K
Ê 1
24

25. Таблица интегральных характеристик сигналов

Xm
Xm
X CB
X 1,11X CB
ХСВ = Хm, X =Xm
XC
Xm
2X m
X
, X m , X 0, 71X m , X CB 0, 64X m
2
È
Ò
Õm
Xm
XCB = 0,5Xm
X
T
Xm
Xm
X
, X 0,58X m
3
25

26. Структурные схемы вольтметров

Структурная схема вольтметра постоянного тока. (В2)
Преобр.
импеданса
ВД
УС
АТТ
ОУ
Структурная схема милливольтметра постоянного тока
ВД
U=
Uимп
Модул
г-р
Усил
имп
АТТ
Uимп
УС
ОУ
U=
Демодулятор
26

27. Электронные вольтметры переменного напряжения структурные схемы электронных вольтметров

вольтметр типа входное устройство - детектор – усилитель - измеритель;
ВУ
У=
вольтметр типа входное устройство - усилитель – детектор – измеритель
ВУ
У~
27

28. Вольтметры переменного тока (В3)

Структурная схема вольтметра типа В3
АТТ
Пр. Z
ВД
=
ОУ
Милливольтметры переменного тока
ВТ
ВД
ППС
У1
АТТ
У2
Диф
усил.
ОУ
28

29.

Детекторы средневыпрямленного значения напряжения
для гармонического сигнала
откуда
I
2 2
T
2I
1
2 2I
I ñâ I m sin tdt m
,
T0
I ñâ 1,11 I ñâ
U
U=
U~
Uсв
U ÑÂ
Um
2U
0, 45U
U ÑÂ
2U m 2 2U
0,9U
Uсв
29

30. Активные преобразователи средневыпрямленного значения напряжения

Д1—Д4
U
У
30

31. детекторы амплитудных вольтметров.

Детектор с открытым входом
Uc
Д
c
u
Ri
Um
Ic
зар =(Ri+RД)С
раз = RC
зар <1/ fв
раз > 1/ fH
T1 t2
T1 t2
T1 t2
за интервал t2 –t1
зар < раз
U пик =Um cos
- угол осечки тока диода
3 3 (R i R Ä ) / R H
Rвху = 10 Мом, Rд =1 кОм
0,1град
cos = 0,99 U пик = 0,99Um
31

32. Амплитудный детектор с закрытым входом

Rф
Ux
Cф
Ux
c
Д
Процесс преобразования
переменного напряжения в
постоянное аналогичен
Отличие в наличии переменной
составляющей, которую надо
фильтровать
Uc
Uc =Um
Ud
UcP = Um
U õ U m sin t , U c U m
U d U x U c U m sin t U m .
32

33. Автокомпенсационные вольтметры

Uoc
R1
Д1
С
Д2
УПТ
U
С1
С2
R2
C1 < C2
UC1
33

34. Принцип автокомпенсации

• Измеряемое напряжение преобразуется компенсирующее
• Входной импульс через диод заряжает конденсатор С1 до
значения Uc1 ~Uпик за счёт малой 3 = Rd C1 ~ имп
Переменная составляющая Uс 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 Uc2 - измеряется
34

35. Преобразователи переменного напряжения в постоянное по уровню среднеквадратического значения (ПСКЗ).

Детектор среднеквадратического значения напряжения
i au bu ,
2
U
1
T
T
u(t )
2
dt ,
u u (t ) U m sin t ,
0
i a U m sin t bU m2 sin 2 t a U m sin t bU m2 1 cos 2 t .
Структурная схема вольтметра СКЗ
ВУ
Линейный
детектор
Квадратор
Фильтр НЧ
35

36. Виды преобразователей СКЗ с квадратичной ФП.

а) с квадратичными преобразователями по мгновенным значениям, в
которых используются элементы с естественными нелинейными
вольтамперными характеристиками;
Д1
u
Д2
36

37. Квадраторы с линейной сегментной (кусочной ) аппроксимацией

+
Ux~
Д1
Д2
Д3
R1
R2
R3
R
Uсм
R4
Е(t)
Е(t)
i4
i3
i2
I1
Ux
U1
U2
U3
U4
37

38. Линейный преобразователь СКЗ

KT
UХ
ВУ
е1
е1-е2
U
Усилитель КY1
У
е2
KT
е1=α1UX2, e2=α2(βU)2 U=k(e1-e2)
(ос)
1
U U
2
1
38

39. С промежуточным преобразованием электрической энергии в тепловую

UM
У
Е(t)
I
R (t) Roc(t)
нагреватели
39

40. Цифровые электронные вольтметры

U
Вх устр
АЦП
ЦИ
Цифровые вольтметры с времяимпульсным преобразованием
Ux
x
Ux
x
N
Ux
&
+1
N
CT
CxCp
CxCp
Пуск
ГОЧ
Q T
R
ГЛИН
Ux/
x / N
40

41. Цифровые электронные вольтметры

Пуск
t
Т
t
Ux
U глин
t
t
Cx Cp
Сч
t
Т0
Tx
U X tg ÒÕ
N fO
dU O
ÒX .
dt
UX
fO ÒX .
tg
41

42. Схема двухкомпараторного АЦП.

+
КН1
-
S
&
+1
CT
R
+
КН2
-
ГЛИН
T
ГОЧ
Пуск
Ux
Uo
0
dU O
U X tg (t 2 t 1 )
.
dt X
U
N fO X fO X .
tg
t
t2
t1
t
0
x
42

43. Цифровые электронные вольтметры

U X tg ÒÕ
N fO
dU O
ÒX .
dt
U
Uo = KT
UX
fO ÒX .
tg
α
t
Ux =U0
0
t
0
t
0
Т0
ТХ
N = f0·TX
43

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.
44

45. Метод амперметра - вольтметра

А
E
Rx
V
IA=Iv+IR
А
E
Uv
R
IV IR
V
Rx
R Ra Rx
Uv =I(RA +Rx)
Rx >>Ra
Rx<<Rv
А
E
~
А
E
V
Сx большого
номинала (Хс <Rv)
Сx
~
V
Сx
Сx малого
номинала (Хс >RA)
45

46. Метод непосредственного измерения cопротивления

K
Rx
Е
I
Rx
R=0
R=
Е
I
Ro
Ro
0
0
46

47. Омметр на основе логометра

Rx
I1
I1
I2
U
I2
U
Rx
R0
R0
R0
I1
RX
K K
I2
RO
47

48. Электронные омметры

Rx
U0
Ro
Ro
U
У
UO
R X K
1 R O
UÂÛ Õ
Rx
У
RO
RX
UO
1
K U
ÂÛ Õ
48

49. Мосты постоянного тока

Условие равновесия мостов постоянного тока
R1·R3 = R2·R4,
где R1, R2, R3, R4 – сопротивления плеч моста.
R1/ R2 – плечи отношения, ( масштабные), R3 – плечо сравнения.
Одинарный мост
UM
При R4 = Rх,
R1
R2
UВЫХ
R4
R1
R X R3
R2
R3
49

50. Мосты переменного тока

UM
Z1
Баланс моста
Z2
UВЫХ
Z4
Z3
Z Z ei ,
Z 1 Z 3 Z 2 Z 4
a) Z1 Z3 Z 2 Z 4 , b) 1 3 2 4 .
50

51. Измерение ёмкости и угла потерь.

Сх
R0
Rx
С0
U~
R2
R1
Полное сопротивление конденсатора
1
Z rC j
C
1
tg
RCC
tg rC C
(ï î ñëåäî âàòåëüí àÿ
R1
CX Co
R2
ñõåì à
çàì åù åí è ÿ)
R2
rX R0
R1
51

52. Резонансный метод измерения параметров цепей

2
1 1
1
р
, при С Сх Сх .
L
LC
р
Резонансная частота
метод замещения в сочетании с резонансным методом.
1)
0 1 L Co1 C p
2)
0 1 L C11o Cx Cp , Co1 Cp Co11 Cp Cx .Cx Co1 Co11
K
L
Г
ИР
Co
f
Cx
L
52

53. Измерение сопротивления изоляции

А
R
RAB
AB
AB
В
RA
RB
Эквивалентная схема двухпроводной сети.
З
I0
Жила
кабеля
r
Л
Л
Э
IS
Г
r
r
Is
I0
Экранное кольцо
Измерение сопротивления изоляции установки без напряжения
53

54. Измерение сопротивления изоляции кабеля

Г
Г
э
л
Iскв
Iут
R
утечки
з
Iут
большое
л
э
з
Iут
Iх
R
утечки
малое
54

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.
55

56. Измерение сопротивлений заземлителей

А
U
1
2
V
А
Б
rx
Г
ВВ
rВ
3Н
20м
20м
UГВ
U
UАБ
L
Распределение потенциалов между электродами на поверхности земли.
56

57. метод измерения сопротивления заземления с помощью прибора на основе логометра типа МС-07

I1
Г
Rd
I2
U
А
В
ЗН
ВВ
rx
Падение напряжения на участке цепи между зондом и заземлителем от тока I2
равно падению напряжения на измеряемом сопротивлении от тока I1.
I 2 (r2 rd rÇÍ ) I1rX
57

58. Метод логометра

I1
I1
F F
I 2 I1 rX
r r r
2 d ÇÍ
r r r
F 2 d ÇÍ
rX
k
F ,
rX
где: rх – сопротивление заземлителя
rЗН – сопротивление зонда (приняв его пренебрежимо малым)
к = (r2+rd+rЗН) - градуировочное сопротивление в цепи второй рамки
58

59. Измерение сопротивления заземлений методом трёх электродов

r12
1
2
r13
r23
3
А
Б
rx
rБ
ВВ
rВ
.
Б и В вспомогательные электроды, имеющие сопротивления
rа, rв,
идентичные измеряемому. rx
r12 = rХ + rВ; r13 = rХ + rБ; r23 = rВ + rБ
r12 r13 r23
rX
2
59

60. Определение места повреждения изоляции мостовым методом

R2
A
2RL- Rx
В
R
R1
Rx
Г
x
Г
A
Б
При балансировке моста с помощью реохорда R и резисторов R1, R2
R1
RX
k
k
,
î òê óäà
R X 2R L
R2
2R L R X
1 k
При известном значении удельного сопротивления жилы кабеля , сечения S
расстояние от точки Б до места повреждения изоляции Х
LX R X
S
LX
L k
2
S
S 1 k
LX 2L
k
1 k
60

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
LX
L k
2
S
S 1 k
k
LX 2L
1 k
61

62.

Измерение поверхностного и объёмного
сопротивлений диэлектрика.
I0
IS
В
В
Б
IS
В
А
U
Б
. Измерение
объёмного
сопротивления
IS
IS
Б
А
I
I0
U
Б
Измерение
поверхностного
сопротивления
62

63. Методы измерения частоты

Основные соотношения
f=C/λ; f=1/T,
где f – частота (Гц), С – скорость распространения
электромагнитных колебаний в вакууме (С ≈ 2,9976·108 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 ≈ 2,9976·108 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.
А
М
t+
0
Y(t)=Asin( 0t+ )
М
t
-1
Н
0
2
1
Н
3
4
-1
T
64

65.

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
65
№
поло
сы

66. Измерение частоты

f
1
T
C
f
f
C
u(t ) U m sin t 0 U m sin (t )
φ0 - начальная фаза φ(t) = sin(ωt + φ0) - полная, текущая,
мгновенная фаза
ω – угловая, циклическая частота ω = 2πf –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) = fn + kf0t + ∆f(t)
fn – частота в тех документации, kf0t 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.
67

68. Методы измерения 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
fx
f0
V
При f1 = Um1sinω1t и f2 = Um2sinω2t
образуется сложное амплитудно-модулированное колебание
F = f1 – f2 с амплитудой в пределах от Um1 ─ Um2 до Um1 + Um2
69

70. Нулевые биения

u
t
F
f
20 Гц
f1
fХ= f0
f2

71. Гетеродинный метод

fx
Смеситель
f0
Индикатор
Нулевых биений
F mf x nf
0
F = fx – f0
при m = n = 1 , F = fx – f0 , fx = f0 + F, где F – частота биений
Погрешность
ø2 ê 02 è2 í ä
71

72. Осциллографический метод

X
Y
fx
fo
Y
X
С д в и г ф а з с и г н а л о в Fx и Fo
Fx:fo
0
π/2
π
3/2π
2π
1
.
Fx:fo
2
3
Fверт · Nверт = fгор · Nгор,
f x f
N ãî ð
0
N âåð ò
72

73. Метод круговой развёртки и яркостной модуляции

Y
X
M
fx
Т
fx = 4f0
R
C
f0
Метод сравнения с частотой развёртки осциллографа
Tx = N Кр , fx = 1/Tx. Кр – коэффициент развёртки время на деление
N – число делений на периоде Tx
73

74. Резонансный метод измерения частоты

fx
Элемент
связи
Колебательная
система
Элемент
настройки
f
L
Индикатор
резонанса
U
Up
fx
L
C
0,75 Up
M
Ир
f
f1 fp f2
U
fp = 0,5 ( f1 + f2 )
f1
f2
74

75. Генераторные методы

fx
формирователь
детектор
И
U
Uи
Tx
Uср
τx
Tx
1
udt U И U И f X
T0
TX
T
U СР
Tx

76. ГЕНЕРАТОРНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ

fx
Усилитель ограничитель
Формиров.
импульсов
Детектор
линейный
Uи
Т
Uср
Т
Схема конденсаторного частотомера
fx = I/C(Uзар – Uразр).
fx
f = i/CU
Rk
Дст
q = CU,- за период
i зар = q/T = CU·f
Ek
С
I зар
Д2
R
I разр
И
Д1
76

77. Цифровой метод (метод дискретного счёта)

Форм
Fx
Тр
F0
F0
Счётчик
имп.
&
n
T0
Структурная схема частотомера
Fx
Форм
Fo
Тр
Tx
&
Счётчик
имп.
F0 x n
Структурная схема периодомера
77

78. ЭСЧ в режиме измерения частоты

fx
TХ
T0
fo
fo:n
tсч
БА
N
NTX T0
N
T0
fX
f X Nf 0
N
N
f0
f x
t ñ÷ n
78

79. ЭСЧ в режиме измерения периода

fо
fо
tсч
fх
Tх
БА
N
tm
1
f çà ï
1
.
Kf0
T x Nt m
N
N T0.
K
f çà ï
79

80. Методы измерения фазовых сдвигов

U
t1
t2
Т
Для двух гармонических сигналов при одинаковой частоте
u1 = Um sin( t1+ 1), u2 = Um sin( t2 + 2)
1 = 2 = ,
приняв 2 = 0, получим
• t1+ - t2
= , = (t1 – t2) = 2 /Т∙ (t1 – t2). = 2 t /Т
методы измерения фазовых сдвигов
осциллографический,
с преобразованием во временной интервал,
цифровой
компенсационный,
80

81. Измерение фазы

Классификация методов измерения фазы

82. Логометрический фазометр

где ψ1, ψ2 — углы сдвига фаз
между токами
в неподвижной катушке и
токами I1, I2 соответственно в
подвижных катушках;
U
= 1
I1
90о
I
2
I2
cos 2 = cos (90 - 1), 1 = , f3( ) = tg .

83. Осциллографический метод

• Разновидности:
Метод эллипса,
Метод двухканального осциллографа,
Метод круговой развёртки и яркостной модуляции
Метод эллипса
Y
Uy = UmSin t
Ux = UmSin ( t+ )
Х
l
Um = L
L
При Uy =0 Ux= UmSin
=l
Ux = l
l
l
sin , arcsin
L
L
83

84. Измерение фазы

У
C
А
В
Х
D
.
А–В; 2SX U m2
С–D =
2SX Um sin( t )
l
l
sin , arcsin
L
L
С-D = l A-B = L

85. Метод яркостной модуляции и круговой развёртки

Umsin t
M
Расщепитель
фазы
четырёх
полюсник
Y
Ф1
Umsin( t + )
Umsin( t+ /2)
X
Ф2
X
Y
85

86. Электронные методы измерения фазовых сдвигов

Метод суммы и разности напряжений
U 2 U12 U 22 2U1 U 2 cos
U1
U
-U2
При U1 = U2
U 2 U12 U 22
arccos
.
2U1 U 2
U
+U2
2
U2 2U2 1 cos 4U2 cos 2
2arc cos
при использовании разности значений напряжений
U 2 U12 U 22 2U1 U 2 cos
U
2U
2arcsin U 2U
86

87. Измерение фазы методом сложения импульсов.

U1
Формирователь
Инвертор
Сумматор
4-х
пол.
Вольтметр
Формирователь
U2
UCВ = U· ·f,
87

88. Временные диаграммы метода суммы и разности напряжений

U1
U2
Входные сигналы
U1ф
U2ф
U
Uсв
Сигналы после
формирователей
Суммарное напряжение
Средне выпрямленное
напряжение
88

89. Схема суммирования на операционном усилителе

Zос
Z1
Z2
U
+
U1
ZOC
ZOC
U U1
U2
.
Z1
Z2
U2
При Z1 = Z2= Z
ZOC
ZOC ZOC
U U1
U2
U1 U2
Z
Z
Z
89

90. Метод балансного фазового детектора.

Метод балансного фазового детектора
.
VD1
R1
U1 U 2
U1=Um1sin t
C1
R
U1
R2
C2
VD2
U2=Um2sin( t+ )
U C1 2U m cos ; U C2 2U m sin . U 2U m cos sin .
2
2
2
2
U /2Um
1
-1
/2
2
90

91. Компенсационный метод измерения сдвига фаз

0
U1=Um sin t
1
K
4х
пол
ИФС
2
1
U1=Um sin t+
Фазосдвигающие цепи
C
C
R
U1
R
I
U2
U1
U2
Uвх=U1
I·1/ C
IR=Uвых=U2
91

92. Компенсационный метод.

ФЧД – фазочувствительный детектор; ФВ – фазовращатель

93. Фазометры прямого преобразования.

94. временная диаграмма сигналов

95. длительность прямоугольных импульсов

при измерении Δt получим число импульсов:

96. измеряется период Т.

При измерении Т получим число

97. Фазометры с измерением за много периодов.

Структурная схема

98. временная диаграмма сигналов

99. на счётчик поступают пачки импульсов

пачки проходят в течение интервала Δtц
количество пачек импульсов:

100. общее количество импульсов Nц, прошедших на счётчик

101. Цифровой двухканальный фазометр.

=
u(t)=Umsin t
Фу1
S
Фу2
R
Тр1
Tx
tизм
&3
4-Х Пол
.
счётчик
u(t)=Umsin( t+ )
tизм = nT0
ГОЧ
fo
S Tр3
Делитель
.
fo/n
m= tизм./Тх
&2
R
S Тр2
Пуск
tизм = nT0
R
к = ./То.
N=кm=
t È ÇÌ
T0 Tx
nT0
T0 TX
-1
n
TX
N = 2
TX
101

102. . Измерение временных интервалов с преобразованием в напряжение

UC U0 1 e
R
Стар
Стоп
t
U0
В
С
U0
t ln
U0 UC
t
,
= RC.
Используя метод заряда конденсатора постоянным током I = const
Старт
Ключ
Интегратор
Стоп
Ампл.
вольтметр
U0
Старт
t1
U
Стоп
t
UC
t2
U
I
t
C
t
C
U kU
I
t
102

103. метода масштабного преобразования временного интервала

S
Старт
Форм 1
Тр
ГЛИН 1
R
Компаратор
Стоп
Форм 2
T
ГЛИН 2
Временные диаграммы метода трансформации времени.
t1
t2
t
t3
t
t
T
K2
T
tg
t tg tg K 2 K1
dU1
U1
t tg t K1 t
dt
U
dU2
t tg t K 2 t
dt
U1 = U = tg ·(t3 – t1) = tg · T
U2
U2 = U = tg ·{(t3 – t1) - (t2 – t1)} = tg ·( T- t),
K 2 K1
t T
K2
103

104. Измерение мощности

Энергия, поступающая в нагрузку
Мгновенная мощность
p
dW udq uidt
dW
ui
dt
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
104

105.

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
T
1
Pa u (t ) i (t )dt , Pa UI cos , u (t ) Um sin t ,
T0
Активная
i(t ) I m sin( t ).
Активная
Реактивная
Полная
(Ватт)
Ра = U·Icosφ
(Вар)
Q UI sin
S U I Q2 P2 .
(Вольт-амперы)
106

107. Единицы измерения уровней мощности

Для оценки эффективности передачи энергии по каналу определяется
затухание или усиление сигнала
Единица затухания 4-х полюсника Бел (непер)
Р
Р0
1
При R вх = R вых
4-х пол
UO2
PO ,
R
U2
P
R
P I R
2
В показательной форме
I2
I
S lg 2 2lg
IO
IO
U
10
UO
S
20
Практически применяют децибелы
В показательной форме
U2
U
S lg 2 2lg
UO
UO
I
10
IO
SDB 10lg
U
100,5S ,
UO
P
S(Бел
lg
ÁÅË=
)
PO
S
20
P
10
PO
S
10
P
U
I
20lg
20lg
PO
UO
IO
U
10, 0,5S
UO
P
10S
PO
107

108. Принципы оценки мощности

В цепях постоянного тока
Pn=InUn, Pn = I R n
2
n
U n2
Pn
Rn
Rn
В цепях переменного тока
G
Zn
U(t)=UmSin t i(t)=ImSin( t+ )
а) Оценка мгновенной мощности в нагрузке
P(t)=u(t)i(t)= UmSin t · ImSin( t+ ) =
0,5UmImCos - 0,5UmImCos(2 t+ )
b) Оценка средней мощности в нагрузке за период - активная мощность
PCH
1T
1
1
p(t)dt Um I m cos 0 U 2 I 2 cos UI cos
TO
2
2
P=0,5UmImCos =UICos
При работе на согласованную нагрузку
P =UICos

109. Активная, реактивная и полная мощностьмощность

Активная мощность – P = UI cosφ 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 S
P2 Q2

110.

При отсутствии реактивных элементов и сдвига фаз в
нагрузках, мгновенная мощность в полупериоде
Umax*Imax будет максимальной
Ракт
t
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
110

111.

рисунок графиков со сдвигом фаз 45°, для случая равенства
активного и реактивного сопротивлений в нагрузке.
Ракт
t
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
111

112.

средняя (активная) потребляемая мощность P avg
за период будет равна нулю.
Ракт
t
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°.
112

113. Принципы оценки мощности

Реактивная мощность для периодического переменного тока
1T
Q Um I m Sin t Sin t dt
TO
2
Q
Индуктивность > 0
Активность =0
Um Im
2 2
Q>0
Sin UISin
Ёмкость < 0
Q<0
Q=0
3
В трёхфазных цепях
P UÔ i IÔ i cos
i 1
3
Q UÔ i IÔ i sin
i 1
При равномерной нагрузке
P 3UÔ IÔ cos 3UË I Ë cos
Q 3UÔ IÔ sin 3UË I Ë sin
113

114. Принципы оценки мощности

В общем случае
1 T
P UKm Sin k t K I Km Sin k t K dt.
T 0 K 0
K 0
Так как произведение мгновенных значений сигналов разной частоты равно нулю
1T
P UKm I Km Sin k t K Sin k t K dt UK I K Cos K PK
T O K O
K O
K O
Когда надо знать Р, U, I используют понятие полной мощности
S UI
U I
K O
2
K
K O
2
K
S UI Cos2 Sin2 UI
Коэффициент мощности
P
K
S
â
÷àñòí î ì
ñëó÷àå
K Cos
114

115. Классификация методов измерения мощности

1. По способу включения в тракт передачи (по назначению)
Рн
Рх
Нагрузка
Проходящей мощности
Рх = Рн + Ризм
Ризм
ИП
Измеритель
Ризм << Px
Поглощаемой мощности
Рх
Нагрузка
ИП
Измеритель
Рх = Рн
2. По виду первичных ИП
3. По типу тракта передачи
1. Эл. механические
1. 2-х проводная,
2. Электронные
2. Коаксиальная,
3. тепловые
3. Волновая
115

116. Классификация методов измерения мощности

1. Среднего значения:
По характеру измеряемой мощности
-6
P<0,1BT,
Непрерывного сигнала
Импульсного сигнала,
2. Активной, реактивной, полной
По уровню
P<10 BT,
P = 1 10 BT,
P=
3
10 10 BT,
P >10
3
BT,
По способу преобразования мощности.
Прямые
I
U
Косвенные
I
ИП i
ИП u
P
X
ИП i
P
B,
ВУ
U
ИП u
A
116

117. Преобразователи с модуляцией сигнала

Аналоговые U, I в параметры импульсных сигналов: Uи, и, fи. Tи c
последующим интегрированием (усреднением).
Модуляции: ШИМ – ЧМ, ШИМ –ШИМ, ШИМ –АМ.
f = const
Ui
ШИМ
N = /T
P
&
f
Uu
= f
ЧМ
f = K1Uu, =K2Ui , N = f = K1K2UuUi =KP
117

118. Гальваномагнитный датчик мощности

118

119. Преобразователи мощности

1.
Электромеханические
dÌ 12 1 Ò
ò àê êàê
(ui ) dt ò î ãäà kP
d Ò 0
dM 12
dM 12 U
I1 I 2
I1 ,
d
d
r
*
*
U
I1
*
I2
r
ZН
119

120. Измерение мощности трёхфазного тока

• Вид электрической цепи
А
А
В
В
С
С
О
120

121. Измерение мощности трёхфазного тока

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.
P 3IU cos
для системы с несимметричной нагрузкой и любой схемы
соединения фаз приёмника - метод двух ваттметров
P PW 1 PW 2
PW 1 UI cos 300
P2 UI cos 300
Четырёхпроводная система – метод трёх ваттметров
P PWA PWB PWC

122. Схемы измерения активной мощности

A
B
W
A
B
W
C
O
C
O
При несимметричной нагрузке
W
A
W
B
W
C
Р = Р1 +Р2 +Р3
O
122

123. Метод двух ваттметров

P1
P = P1 +P2 = (uA –uB)iA + (uC –uB)iC
W
A
iA
P = uAiA + uBiB + uCiC, iA +iB +iC = 0
Один измерительный механизм
B
iB
W
C
P2
iC
123

124. Схема включения ваттметра с трансформатором тока

Л1
Iв
u1
I1
Л2
u2
I2
P =I2U1cos(180 ) = I2U1cos
124

125. Счётчики эл. энергии

126. Принцип работы электронного электросчетчика

127. Терморезистивный метод измерения СВЧ мощности

Стеклянный корпус
• Термистор
Терморезистор п/п
Выводы
Термочувствительная
плёнка Pt
Подложка
Болометр
Контакты
Приёмные преобразователи
R1
Рх
К
мостовой
схеме
R2
R4
R3
Е
Rt
Рх
127

128. Измерение ВЧ мощности

Тепловые методы Рсвч
Q/t
Ct
Рсвч = Q/t = Ct
C – теплоёмкость, С – время, - перепад температур рабочего тела
R
R
R2
R1
R2
R1
P
P
0
P1
P2
0
P1
P2
128

129. Термисторный мост ваттметра

R1
R2
Сх. Ср
L
C
Pсвч
Rt
Пост напр
R3
V
U12
P1
R
A) Px=0, R1=R2=R3=Rt=R
B) Px=0
Рег.источник
2
2
U
P2 + Pвч = Pвч +
R
ÐÂ× Ð1 Ð2
U
2
1
U22
R
129

130. Мостовые методы измерения мощности

U
P~
~
Rt
R3
I 12
Rt
Px=0, P1=
4
“0 “
R1
I
R2
I 22
Rt +Px
Px=0 P2 =
4
I12
Px =
4
I 22
4
Rt
130

131. Автобалансный термисторный мост

R2
R1
R3
P
E
Rt
U = P
U 2Í À×
U2
1
2
2
U
U
PÇÀÌ
Í À×
2R t 2R t 2R t
4
Диапазон P 10 мкВт 10 мкВт
131

132. Термоэлектрический преобразователь

Разделительная
Рсвч
R1
R2
С1
Фильтрующая
С2
Тепловая энергия выделяется на сопротивлениях термопар
Структурная схема цифрового термоваттметра
Рсвч
ТП
УПТ
АЦП
ОУ
132

133. Диодные ваттметры

I n2 R n
R1
R2
2
PÂ×
Um 1
K
2 R
K = (R1+R2)/R2
133

134. Измерительные генераторы

134

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
Выход
V
135

136. RC - генераторы

R3
R1
Uвх
Z1
К
C1
R4
Z2
R2
Uп
C2
Uвых
U0
Баланс моста Z1 R4= Z2 R3 при R1 = R2 = R,
C1 = C2 = C, R3 = 2R4
R4
U ï Z 2 ( Z ) U âû õ U 0 U Â Û Õ
R3 R 4
Z2
1
Z2
Z 1 Z 2
Коэф. ПОС
R4
R3 R 4
1
1
, f
.
RC
2 R C
Коэф. ООС
136

137. Условия генерации

U Ï U ÂÛ Õ
При R3 = 2R4
U ï Z 2 (Z ) U âû õ
Z2
1
U 0 R4
UO U ÂÛ Õ
R3 R 4
UÂÛ Õ
1
.
3
K=3
При R1 = R2 = R, C1 = C2 = C
. Баланс фаз при
Z1·R4 = Z2·R3
Баланс амплитуд.
Uвх = Uп ─ Uo =
K ( ) 1
1
U
âû õ
φвых ─ φвх = 0.
1
,
RC
,
U âû õ 1 .
K
U âõ
1
f
.
2 R C
K OC
K
1 K ( )
Условие генерации колебаний
137

138. Электронно-лучевой осциллограф

139. Электронно-лучевой осциллограф

Вход У
Структурная схема
У2
У1
ву
лз
Вн
Внешн
У3
Вход синхр
Вход Х
ЭЛТ
БС
Вн
г
Внешн
Вход Z
Внешн
Вн
У4
139

140. Электронно-лучевой осциллограф

• Принцип получения изображения
y
Uc = Uy
x
t
Тc
Тр = Тc
Uр = Ux
Тр
Тпр
x
140

141. Круговая развёртка

У
X=SUmsin t = Asin t
Х
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
X2 Y2
2 1
2
A
B
При А=В =90 окружность
141

142. Синхронизация

1
2
3
4
5
6
142

143. Безвременное осциллографирование

получение вольтамперной характеристики диода
снятие прямой и обратной ветви
вольтамперной характеристики диода
+
ВАХ резистора
V
+
A
V
A
Х
R
~
RЭТ
У
~
RЭТ
У
Х
Х
VD
VD
~
RЭТ
У

144. Измерение неэлектрических величин

144

145. Структурная схема ИП

Y
датчик
X
Измерительная цепь
Z
Измерительный преобразователь
Т
Ф
Т
R
R
Датчик
Первичный
ИП
УС
АЦП
V
предварительная
обработка
сигнала
дополнительная
обработка
сигнала
145

146. Преобразователи деформации

Деформация
l l l
Механическое напряжение
G = F/S
Предел упругости – Gмах - максимальное напряжение,
не вызывающее остаточной деформации, большей 0,2%.
Модуль Юнга «Е» определяет деформацию в направлении действия силы
l
1 F 1
G.
E s E
При
l l l
= 1, где l = l – lo = 1
G E
Модуль упругости представляет собой такое механическое напряжение,
при котором l = 1 , т.е. удлинение l = 2 lo
Коэффициент Пуассона определяет деформацию,
перпендикулярную направлению действия силы.
S
2
l
В области упругой деформации = 0,3 0,5
146

147. Физические основы получения информации

Упругие преобразователи силы.
F
Стержневые упругие элементы
F
Относительная деформация
Sq
Sq
L
W
Жёсткость стержня
,
SqE
L
Продольная деформация
l
Поперечная деформация
l
,
нар
вн
R
E h2 b
(1.9 3 cos ) F
R
E h2b
F
SqE
,
F
,
E
Sq
F
Кольцевые упругие элементы
L
l L
А
R
h
(1.9 3 cos ) F
b
147

148. Плоские упругие элементы

консольная балка равного сечения
F
X
A
h
A
x
b
E h3 b
W
4l3
Жёсткость
прогиб в точке Х
6(l x)
F
2
Eh b
4l3
F
A E h3
Прогиб в точке А
l
x
Деформация
6X2
X
(l ) F ,
x E h3 b
3
консольная балка равного сопротивления
3
F
x
X
A
Прогиб
b
h
X
x A 3 ,
l
Жёсткость
l
относительная деформация в произвольной точке
6l
Eh
2b
W
E h3 b
6l 3
F.
148

149. Манометрические упругие элементы

Плоские оболочки
Деформация в точке Х
F
X
x
x
2R
0.478
E h2
1 ln Rx 1 P
2
W
Жёсткость
4 E h3
31 R2
2
3(1 ) R 4
2
Прогиб центра плоской мембраны
16 E h 2
P
Цилиндрические оболочки
h
A
При L > R Деформация на поверхности в точке А
P
P
L
2R
A
0.5 R
1 2 P
Eh
149

150. Проволочные тензорезисторы

коэффициент тензочувствительности.
Логарифмическая производная
R
R l S
S
R
1
l
l l
S
2
l
l
S
R L S
,
R
L
S
. 1 2 m
l l
1 2
K
коэффициент тензочувствительности
R
R R .
l
l
l
Для металлов коэффициент К находится в пределах от 1,5 до 4.
В пределах упругих деформаций
-3
l 2,5∙10,
150

151. Конструкция тензодатчиков

подложка
выводы
тензорешётка
база
F
n
L
L
L
F
Коэффициент тензочувствительности равен 2 0,2;
максимальная относительная деформация не более 0,003 (0,3%).
номинальный рабочий ток– 30 ма;
151

152. Полупроводниковые тензорезисторы

dR
K R 1 2
dl
l
Коэффициент тензочувствительности
Ктч = –100…+200
Сопротивление тензодатчиков R = 100 Ом…50 кОм,
Деформационная характеристика
d
dl
l
1 2 m. m
Вольтамперная характеристика
= l/l
1
U
p
n
0
R
2
l∙10-3
-4
0
+4
| 1|=| 2|, 1>0, 2<0,
0=0
I
I пред
152

153. Измерительные схемы тензопреобразователей

Схема 1: влияние температуры компенсируется на соединительных
проводах – по трёхпроводной схеме либо с помощью эталонного
термокомпенсирующего датчика.
При балансе моста все
сопротивления плеч равны
Rs << Rdo
E
(Rdo+Rs)=R0,
Напряжение разбаланса моста при
измерении деформации
B
R3
Rs
R4
C
Um
D
R2
Rd
Rs
Um
E Rd
E R
1
d
4 Rdo Rs 4 Rdo 1 Rs
Rdo
A
Схема 1*
Два рабочих датчика включены в
противоположные плечи моста
Um
.
E Rd 1 Rd 1
.
4
R0
E
B
R3
C
Um
D
R2
Rd1
A
Rd2
153

154. Тепловые преобразователи

Тепловой поток
Окружающая
среда
Объект
TО
r
1
Датчик
r1
Td
r2
TС
c, m
r1, r2 -Тепловые сопротивления , теплопроводность
температурa датчика, Td TO (TO TC )
r1
r
TO T 1
r2
r2
для снижения погрешности необходимо, чтобы r1/ r2 0, а так же
Т = TO -Td = 0.
необходимо улучшить тепловую связь датчика с объектом
и изолировать датчик от окружающей среды.
154

155. Методы измерения температуры

Соотношения температурных шкал
F
0
32
96
212
R
0,01
80
273,16
373,16
0
0K
0C
100
155

156. ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ КОНТАКТНЫХ ТЕРМОМЕТРОВ Термометры сопротивления

Основные параметры терморезисторов: (ТР)
•номинальное значение сопротивления Ro при температуре 0оС,
R
1 R
•Температурный коэффициент сопротивления
R
T
R T
о
•допустимые отклонения сопротивлений Ro при температуре 0 С в
процентах от номинала
•,
•значение отношений сопротивлений в диапазоне температур 0 100, о С
,
W100
R100
R0
•допустимые отклонения значений W100
156

157. Термометры сопротивления

Платиновый термометр. ρ = const,
3
R t RO 1 AT BT2 A 3, 9 10 1 0
C
B 5,9 10 7 1
0
C2
0 600 O C
в диапазоне
2
3
RT =R0 [1+AT+BT +CT (T-100)] в диапазоне температур -200 00С
-2
10 C
C = -4,36∙
0
-3
-3 -1
R0 при Т = 0 С α = 3,9·10 К
0
, = 0,105 Ом·мм2/м, при 20 С
0
Полный диапазон -200 до +1300. С
157

158. Термометры сопротивления

Медные термометры(Cu) диапазон температур от -50 до +180ºС,
Rt=R0(1+αT), или Rt =Ro[1+α(Т-Тo],
0
где Ro сопротивление при Тo = 0 C.
α = 4,26·10 3 град 1
ρ = 0,017 Ом·мм2/м
Функция преобразования медного терморезистора.
R
Ro
0
t
158

159. Термисторы

ln R AO
Передаточная функция термисторов
Простая модель ,
ln R A
A1 A2 A3
T T2 T 3
B
T
где А – константа, В – характеристическая температура материала
R R O eB(1 / T 1 / T
O
Температура термистора
Чувствительность датчика
)
1 ln R / R O
T
T
B
O
1
1 dR
B
R
2
R dT
T
159

160. Конструктивное выполнение термисторов

ММТ-1, КМТ-!, СТ3-1
ММТ-4, КМТ-4,
ММТ-12, КМТ-12
СТ1-2, СТ2-1СТБ-4
КМ-14, СТ3-14
Т-8, Т-9
160

161. схемы измерения температуры терморезисторами

Im
R1
Um
R5
R
R2
Uвых
У1
Rt
R3
R4
R1
Изм.
схема
R2
Е
R3
Изм. прибор
Rл
Rл
Rт
161

162. Автоматические регистрирующие схемы

шкала
Д
реохорд
Y
Е
ОВ
Rt
Rt
R1
б
а
Е
R2
*
R2
R4
R3
162

163. Термоэлектрическая пирометрия

термочувствительность термопар
Тип
термопары
диапазон мкв\гр
темпера
ад
тур
тип термопары
диапазон
температу
р
мкв\гра
д
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
163

164. Измерительные схемы термопар

Rt
Ип
Rл
Rпр
Rпод
Rл
ТП
У
Реохорд со шкалой
ЭД
ов
ТП
164

165. Оптическая пирометрия

Распределение энергии в спектре излучения (формула Планка),
1
C 2 C1 2 h Ñ2 3, 74 10 16 Âò ì 2
1 ,
Ф С exp
2
T C hC 1, 438
.
10
ì ãðàä
2
K
5
1
h – постоянная Планка; С – скорость света
Полное излучение во всём диапазоне длин волн
R
0
Ф
0
Ô
- поток монохроматического излучения в единицу времени
с единицы площади поверхности тела с длинами волн от λ до dλ,
Закон Стефана-Больцмана
G 5,67 10 4
R O GT4
Âò / ì 2 Ê 4
165

166.

Энергетическая фотометрия или радиометрия
•Поток излучения Ф - испускаемая, принимаемая мощность (Ф = dQ/dt), в ваттах
•Энергия излучения Q – испускаемая, принимаемая – в джоулях
•Сила излучения I – поток излучения, в данном направлении в единичном телесном
угле (I = dФ /d ) измеряется в Вт/ср ;
•Энергетическая яркость L – сила излучения с элемента поверхности dА в данном
направлении, относимая к площади ортогональной проекции dА на плоскость
перпендикулярную направлению (L = dI/dAn) Вт/ср м;2
•Энергетическая облучаемость Е – поток излучения, падающий на элемент
2
поверхности, отнесённый к площади элемента (е = dФ/dA), измеряется в Вт/м.
166

167. Основные методы измерения температур

Пирометр полного излучения (радиационный пирометр).
T
Объектив
Диафрагма
Термопара
Окуляр
Пирометр с исчезающей нитью, или монохроматический пирометр
С2
5
Ф С1 ехр
Т
Нить накала лампы
1
Òè Òÿ 1 ò
ln T ,
ÿ C
2
а)
в)
Фон излучения тела
с)
167

168. Автоматический оптический пирометр

1
2
3
T
Uвых
Измер.
схема
1 - диафрагма
2 – опт фильтр
3 – шторка
168

169. Пирометр спектрального отношения

Бихроматический пирометр, или пирометр спектрального отношения,
A 1 2
C2 1 1
r
exp .
A 2 1
T 2 1
5
Отношение r зависит только от температуры Т объекта
1
t
Фд1
У1
r
0
ВУ
2
Фд2
У2
Светофильтр
169

170. фотодетектор ФДПК-1Т

Типовая спектральная характеристика фотодетектора ФДПК 1Т
170

171. Методы измерения расхода

Средняя скорость потока в сечении S равна
V
C
vdS
S
v
Классификация методов по виду первичного преобразователя расхода
1.Преобразователи с непрерывно движущимся телом
2. Преобразователи, основанные на физических явлениях
3. Преобразователи, основанные на гидродинамических законах
4. Ротаметры с упругим противодействием
171

172. Расходомеры постоянного перепада давления.

FАРХ
Поплавок
Fg
gU K F
SV 2
2
O gU
FS
Fg =Fs + Fарх
V
где U – объём поплавка, 0 - плотность поплавка, - плотность жидкости ,
V - скорость жидкости,
S -площадь сечения поплавка перпендикулярная вектору скорости,
g - ускорение силы тяжести, - КF – коэффициент лобового сопротивления.
Поплавок находится в положении Z по вертикали
при скорости жидкости
V
2gU 0
1 .
KFS
расход
2gU O
Q az
1 Kz
CX
172

173. Расходомеры переменного перепада давления.

Расходомеры переменного перепада давления
Q K
Р1
2 p
.
Р2
Q
Р
Р1
р
Р2
X
V
Р1
Диф. манометр
Р2
Р Х
173

174. Электромагнитные расходомеры токопроводящей жидкости.

Q4
e BVD B
.
D
Ф
N
D
e
S
~
U~
WB
B
U
Wk
UQ
Uk
174

175. Ультразвуковые расходомеры

Излучатели
L
V
Приёмники
Время распространения УЗВ на
расстоянии L
по направлению
потока
t P1
в направлении против потока
t
P2
tP
t P1
t P 2 t P1
L
.
c V cos
L
L
V
. 1 cos
c V cos c c
tP2
L
L
V
1 cos
c V cos c c
2V cos
L
175

176. Тепловые преобразователи расхода газа

Корпус
Поток
1 UI
V
Ê 2
K 1 TÍ ÒÑ
Нагреваемый
терморезистор
где К1, К2 – приборные константы, U, I – напряжение и ток питания
датчиков, ТН - температура рабочего датчика нагревателя,
ТС - температура потока ( компенсационного датчика )
R(VT)
V
R(T)
. Схема расположения рабочего и компенсирующего датчиков
176
1
2

177. Объёмные счётчики

Измерительная камера
Лопасти
Ротационный счётчик газа
177

178. Измерение расхода тепловой энергии

где Q – массовый расход теплоносителя,
Q C (i1 i2 ) С – теплоёмкость,
i1 i2 – ‘энтальпия теплоносителя на входе и выход
i
R1 R 2 T
,
R3 R4p
где R1 – R4 – постоянные коэффициенты.
Т – температура; р – давление
Расход тепловой энергии W за промежуток времени t2 - t1
Энтальпия — это количество энергии, которая доступна для
преобразования в теплоту при определенной температуре и давлении.
t2
W Q C (T1 T2 )dt.
t1
Расходомер
W
Термопары
Х
Потребитель
178

179. Измерение уровня раздела сред.

Гидростатические уровнемеры.
Поплавковые преобразователи.
Сила, действующая на поплавок
1
1 X
1 X
Fa gV 1 g 2 1
S
X
dX
g
V
1
S
X
dX
.
2
2 0
2
2 0
При 1 << 2, 1 0,
Fa = g∙ 2∙S∙X.
h
Положение поплавка соответствует положению уровня
Буйковые (плунжерные) уровнемеры,
F P ghS
Упругий элемент
где Р – вес плунжера,
S – площадь его поперечного сечения,
gSh – выталкивающая сила Архимеда,
плотность среды,
g ускорение силы тяжести.
h
Перемещения плунжера минимальны
179

180. Вторичные преобразователи гидростатических уровнемеров

Поплавковые преобразователи.
Реостатные
Оптические
сд
Электромагнитные
фд
U
U~
R
h
h
Кодовая линейка
h
U~
h
U1
R
h
U~
U2
180

181. Вторичные преобразователи гидростатических уровнемеров

Буйковые (плунжерные) уровнемеры
Упругий элемент
Тензодатчик
с
h
Емкостной датчик
h
181

182. Измерение уровня раздела сред.

Измерение уровня раздела сред
.
Гидростатические уровнемеры.
Преобразователь перепада гидростатического давления.
Датчик располагается у дна резервуара ,
где давление равно
р = р0 + gh
po
Массовые уровнемеры
h
h
G
S g
h
.
G – сила веса, действующая на опору,
S - площадь зеркала поверхности,
g ускорение силы тяжести,
Мембрана
плотность среды.
182

183. Электрофизические уровнемеры

Уровнемеры на основе электропроводности
Контакт
Корпус электропроводный
R
R
h
Корпус
неэлектропроводный
h
R
R=f(h)
R
h
h
183

184. Емкостные преобразователи уровня

с
Емкостные преобразователи уровня
D2
Внутренний электрод
Наружный электрод
L0
L
R2
D1
C C1 C 0 L L0 L 0
С1
R1
Электрод
D1
D2
n R1
R2
С0
C
с
С
Диэлектрик
h
2
Диэлектрик
2 h
n
Корпус
R1
R2
Электрод
184

185. Ультразвуковые уровнемеры

Измерение с помощью акустических волн
Уф1
Тр
Г
У1
Изм. врем. инт.
Uг
Уф2
Апр
Uотр
H
h
Uтр
t
t
t
185

186. Измерение ускорения, вибрации и удара

Схема измерения относительной вибрации в
назначенной инерциальной системе отсчёта
основание измерительной
системы
Упругий элемент
инерционная масса
L
L0
НСО m
0
датчик
x
объект измерения
186

187. Вторичные преобразователи акселерометров

Пьезоэлектрические акселерометры
Поджимная
пружина
q=d F
Корпус
m
Инертная масса
Пъезодатчики
Пьезоэлектрические акселерометры консольного типа.
М
187

188. Электродинамический датчик виброскорости

Корпус
Uвых
Упругий подвес
N
S
Катушка m
Магнит
Магнитопровод
U = BSN(dX/dt)
B – индукция, S – площадь катушки, N – число витков катушки,
Х – вибросмещение.
m – масса катушки
188