1-3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Измерительным преобразователем называется средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателя. В электрорадиоизмерительной технике применяются следующие виды преобразователей: электромеханические, термоэлектрические, выпрямительные, аналого-цифровые и масштабные.

В электромеханическом преобразователе электромагнитная энергия поступающей на вход величины х преобразуется в механическую, вызывающую перемещение подвижной части преобразователя относительно неподвижной. Используется преимущественно угловое перемещение, при котором подвижная часть поворачивается вокруг некоторой оси на угол а, пропорциональный входной электрической величине: где а — параметр преобразователя.

Термоэлектрические преобразователи предназначены для преобразования электрического тока (чаще переменного) в постоянное напряжение.

Выпрямительные преобразователи преобразуют переменный ток в пульсирующий, постоянная составляющая которого является выходной величиной преобразователя. В зависимости от схемного решения выпрямительные преобразователи подразделяются на преобразователи средневыпрямленного (среднего) и амплитудного (пикового) значения. Выходная величина, т. е. постоянная составляющая выпрямленного тока преобразователя, является функцией средневыпрямленного или амплитудного значения входной величины, т. е. переменного тока или напряжения.

Рис. 1-3. Структурная схема аналого-цифрового преобразователя

Аналого-цифровые преобразователи предназначены для преобразования непрерывной электрической величины в дискретный сигнал. В самом общем виде аналого-цифровой преобразователь состоит из трех узлов (рис. 1-3): дискретазирующего где задается шаг дискретности квантующего где значения непрерывной величины последовательно фиксируются в интервалах дискретности; кодирующего в котором квантованные значения преобразуются в электрический код, удобный для дальнейшего использования (преобразование в цифровую информацию, ввод в электронную вычислительную машину и т. д.). Главными достоинствами аналого-цифровых преобразователей являются высокая помехоустойчивость, быстродействие и малая погрешность преобразования.

Масштабные преобразователи предназначены для изменения значения электрической величины в заданное число раз. К ним относятся делители напряжения, аттенюаторы (от франц. ослаблять), измерительные

трансформаторы и измерительные усилители. Масштабные преобразователи могут быть отдельными средствами измерений или входить составной частью в другие средства измерений.

Рис. 1-4. Делители напряжения: а — с фиксированным коэффициентом деления; б- со ступенчатым делением; в — компенсированный; г - индуктивный; д - емкостный

Делители напряжения предназначены для уменьшения напряжения. Простейший делитель состоит из двух, соединенных последовательно резисторов (рис. 1-4, о); входное напряжение подают на оба резистора, выходное снимают с одного из них. Для такого делителя справедливо следующее выражение:

где коэффициент деления.

Как правило, делитель нагружен на некоторый резистор С учетом его сопротивления выражение для коэффициента деления приобретает следующий вид:

Более сложный секционированный делитель (рис. 1-4, б) позволяет изменять выходное напряжение ступенями, однако его входное сопротивление изменяется при переключении секций.

Рассмотренные резистивные делители напряжения можно применять на постоянном и переменном токе до частот

не выше На более высоких частотах начинают проявляться паразитные емкости и индуктивности резисторов и монтажных проводов и коэффициент деления не остается постоянным при изменении частоты.

Еще более неблагоприятным условием работы делителя является наличие в нагрузке емкости (рис. 1-4, в). В этом случае для независимости коэффициента деления от частоты необходимо сохранять значения постоянных времени звеньев делителя равными друг другу при любых переключениях: Для этого в первое звено включают конденсатор с емкостью а для изменения коэффициента деления параллельно нагрузке включают RC-звенья, у которых сопротивление меньше а емкость больше в одинаковое число раз. Такой делитель называется компенсированным. Рассмотрим его работу.

Когда переключатель находится в положении звено замкнуто, деления нет: Предположим, что нужно уменьшить в 10 раз. Для этого сопротивление нагрузки относительно сопротивления должно быть уменьшено в 9 раз, т. е. параллельно резистору нужно подключить резистор с таким сопротивлением, чтобы Одновременно, чтобы сохранить неизменной постоянную времени нужно подключить конденсатор емкость которого в сумме с была бы в 9 раз больше Легко найти эти значения: Переключив в положение 2, получим коэффициент деления 0,1. Для деления напряжения в 100 раз нужно параллельно звену подключить звено в котором Такие компенсированные делители работают на частотах до

На переменном токе применяются индуктивные и емкостные (рис. делители напряжения. Коэффициент деления индуктивного делителя не зависит от частоты при значениях ее до нескольких мегагерц; на более высоких частотах начинают оказывать влияние междувитковая емкость и поверхностный эффект проводов обмотки. Емкостный делитель можно применять на более высоких частотах — вплоть до нескольких сотен мегагерц. Его коэффициент деления Легко сделать делитель с плавно изменяющимся коэффициентом деления; для этого нужно использовать конденсатор С, переменной емкости. Недостатком этих делителей является зависимость их входного и выходного сопротивлений от частоты.

Аттенюаторы представляют собой четырехполюсники, предназначенные для плавного, ступенчатого или фиксированного ослабления сигнала (напряжение, сила тока, мощность). В отличие от делителя напряжения входное сопротивление аттенюатора в процессе регулировки не меняется, если сопротивление нагрузки постоянно. Аттенюаторы характеризуются диапазоном рабочих частот, пределами ослабления, рассеиваемой мощностью, входным и выходным сопротивлениями и погрешностью установки ослабления; аттенюаторы, работающие на СВЧ - коэффициентом стоячей волны.

Схема и конструкция аттенюатора определяются диапазоном рабочих частот. На частотах до 100 МГц аттенюаторы выполняются в виде резистивных четырехполюсников; от 200 МГц до 80 ГГц используются свойства предельных волноводов и явления поглощения электромагнитной энергии некоторыми материалами при прямом прохождении и при повороте плоскости поляризации. Шкала аттенюатора градуируется в децибелах. Ослабление напряжения и мощности определяется по следующим формулам соответственно:

Если заданы ослабление А и напряжение на выходе то необходимое входное напряжение находят по формуле Аналогично для мощности:

Измерительные трансформаторы предназначены для уменьшения в известное число раз переменного тока или напряжения; в соответствии с этим они подразделяются на трансформаторы тока и трансформаторы напряжения. Трансформаторы состоят из замкнутого сердечника, изготовленного из электротехнической стали или пермаллоя, и двух обмоток. Первичная обмотка включается в линию, ток или напряжение в которой подлежат измерению, а вторичная обмотка соединяется с измерительным прибором.

Измерительные усилители применяются для усиления сигналов переменного и постоянного токов. По диапазону частот измерительные усилители разделяются на низкочастотные [20 (5) Гц высокочастотные и селективные (избирательные), усиливающие сигналы в узкой полосе частот. Все усилители выполняются с нормированной погрешностью коэффициента передачи, что достигается применением глубокой

отрицательной обратной связи. Многие усилители снабжены калибратором напряжения и измерителем выходного напряжения, что позволяет устанавливать и контролировать коэффициент усиления. Последний у разных типов усилителей составляет от 20 до Имеется класс электрометрических усилителей, предназначенных для усиления весьма малых токов ; входное сопротивление таких усилителей достигает Ом.