Файл: Шумилин Н.П. Специальные измерения в проводной связи учебник.pdf

Г Л А В А ОБРАЗЦОВЫЕ ПРИБОРЫ, 2 ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ТЕХНИ КЕ СВЯЗИ

2.1. Назначение, характеристики, погрешности

Основное назначение технических образцовых приборов — обеспечить необходимую точность измере­ ний. Для этой цели образцовые приборы большей частью применяются в качестве образцовой меры при измерени­ ях по методу сравнения или замещения. Кроме того, они служат для предварительной проверки других при­ боров или элементов схем, когда требуется установить погрешности последних.

Основные характеристики, по которым выбирается и оценивается образцовый прибор в измерительной техни­ ке связи, это: номинальные пределы регулировки образ­ цовой величины, основная погрешность прибора и допол­ нительная погрешность от частоты. Нередко приходится также учитывать стабильность параметров .прибора во времени, допустимую мощность рассеяния, иногда — дополнительную погрешность от температуры и др.

Образцовые приборы, как и всякие средства и резуль­ таты измерений, всегда имеют некоторую погрешность.

Как известно, по отношению к измеряемой величине погрешности разделяются на абсолютные (АЛ), равные разности между измеренным значением величины Л и ее действительным значением (Д Л = Л ЖЗМ—ЛдейотвД и отно­ сительные (Ъ). Последние представляют собой отноше­ ние абсолютной погрешности к действительному значе­ нию измеряемой величины и выражаются большей частью в процентах (б% = 100 ДЛ/ЛдейсТв).

Качество средства измерения характеризуется, в первую очередь, его основной погрешностью, т. е. .пре­ дельной погрешностью, которую может иметь данное средство измерения при работе в нормальных условиях,

22

соответствующих условиям его градуировки (температу­ ра, обычно 20°С; нормальное атмосферное давление; оп­ ределенная частота тока и форма его кривой; отсутст­ вие внешних помех и т. д .).

Для электромеханических приборов основная (приве­ денная) погрешность определяет их класс точности. Класс точности электроизмерительного прибора (К) ра­ вен выраженной в процентах предельной относительной погрешности (в нормальных условиях) при показании прибора, принятом за норму. У приборов с односторон­ ней шкалой за норму принимается отсчет при отклоне­ нии стрелки на всю шкалу, называемом номинальным 04[іомДК=100Д/4предМпом- Для приборов с нулем в се­ редине шкалы за норму принимается сумма отсчетов (по модулю) от крайнего левого положения до крайнего пра­ вого; для приборов с существенно неравномерной шкалой за норму принимается длина шкалы и ДЛПред берется в единицах длины. По ГОСТ 13600—68 электроизмеритель­ ные приборы изготавливаются девяти классов точности

(0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0). Погрешность результата измерения Апш находится из расчета, что Д^пред может иметь место на любом участке шкалы. Для образцовых приборов емкости, индуктивности, сопротив­ ления, затухания основная погрешность определяется также классами их точности в соответствии с ГОСТ.

Дополнительные погрешности, возникающие благода­ ря отличию условий измерений от нормальных, также нормируются для определенных пределов изменения тем­ пературы, частоты, режима питания, значений измеряе­ мой величины и др. Они указываются в процентах, долях класса точности, либо в единицах измеряемой величины.

Впрактике измерений приходится часто встречаться

спонятиями о погрешностях систематической и случай­

ной. Систематическая погрешность (обычно одного зна­ ка) — это некоторая составляющая погрешности изме­ рений, либо остающаяся постоянной при повторных из­ мерениях одной и той же величины, либо изменяющаяся при них по известному закону. Она возникает вследствие постоянно действующей, определенной причины (потери энергии в приборе, ошибки при установке нулевых по­ казаний прибора, его инструментального несовершенст­ ва, особенностей восприятия измеряющего лица, недоуче­ та физических явлений, сопровождающих процесс изме­ рений и т. д.). В принципе, систематическая погрешность может быть обнаружена, устранена или учтена.

83

связей. Эквивалентная схема некоторой емкости пред­ ставлена на рис. 2.1, где С — емкость конденсатора для весьма низкой частоты; ѵ/? — сопротивление потерь в ме­ талле пластин и выводных концах; G — проводимость

С учетом влияния собственной (паразитной) индук­ тивности эффективная емкость конденсатора Са может быть найдена для любой частоты из выражения

С

Сэ = (2 . 1)

1 — со2 CL

В большинстве случаев емкость образцовых приборов может быть принята пренебрежимо мало зависящей от частоты, поскольку область частот, в которых они исполь­ зуются, обычно значительно ниже собственной частоты прибора.

Основным показателем качества образцового прибора емкости является величина тангенса угла потерь tg6, об­ ратная добротности Qc-'

Угол потерь б, представляющий собой разность между 90° и углом сдвига ср вектора тока, протекающего через конденсатор, относительно вектора напряжения, подан­ ного на его зажимы (рис. 2.2), оказывается наиболее удобной характеристикой качества конденсатора не толь­ ко потому, что он определяет потери мощности в нем, но

ипотому, что увеличению угла потерь обычно сопутст­ вует ухудшение и других параметров конденсатора, как зависимость емкости от частоты, температуры, времени

ит. д. В хороших слюдяных конденсаторах tg6 имеет

25

величину порядка 0,0005. В специальных же конденсато­ рах переменной емкости величина tgö может быть сни­ жена до 2- ІО-6.

С ростом частоты суммарные потери в конденсаторе н, стало быть, величина tgö оказываются обычно в до­ вольно широком диапазоне частот примерно постоян­ ными.

Весьма часто эквивалентная схема конденсатора (ин­ дуктивностью пренебрегаем) представляется в виде схе­ мы рис. 2.3а, б. Для схемы 2.3а tg6 = noCi, а для схемы

С/2

эквивалентная емкость С2 оказывается существенно за­ висящей от частоты (см. задачу №

Конструктивно образцовые приборы емкости обычно представляют собой так называемые магазины емкостей, в которых имеется несколько декад, собранных из сту­ пенчато переключаемых постоянных емкостей, и конден­

26

ных условиях: температуре 20±5°С, влажности 65±15% и давлении 750±30 мм рт. ст.). К этой погрешности всег­ да добавляется указываемая в паспорте прибора погреш­ ность, выраженная в единицах последней декады (см. задачу № 27).

Дополнительная погрешность от частоты может быть найдена по ф-ле (2.1).

При пользовании образцовыми приборами емкости, как правило, следует заземлять экраны с целью умень­ шения влияния паразитных связей между выходными зажимами и землей. При необходимости рабочая емкость конденсатора с учетом частичных емкостей между вы­ ходными зажимами и землей может быть найдена, исхо­ дя из рис. 2.4, по формуле

Путем применения специальных намоток: бифилярных, плоских, плетеных (с целью уменьшения паразитной индуктивности) и секционирования обмоток (для умень­ шения паразитной емкости) в проволочных резисторах достигается величина т порядка ІО-8 с. При этом в мага*

27

зинах сопротивлений получается т порядка 10-в с, что дает возможность получить класс точности для магазина из проволочных резисторов 0,1; 0,2 только для частот до 100—200 кГц. Для больших частот находят применение непроволочные резисторы, в которых на керамический сердечник наносится некоторый проводящий слой.

В диапазоне частот до 20 МГц такие резисторы имеют постоянную времени порядка 10-10 и могут считаться пренебрежимо мало зависящими от частоты. Их недоста­ ток — малая стабильность во времени, а также наличие собственных шумов при постоянном токе. Допустимая мощность рассеяния для магазина сопротивлений, как правило, не превышает одного ватта на любой резистор в любой декаде. Напряжение, подаваемое на магазин сопротивлений, должно выбираться с учетом этого об­ стоятельства. В частности, включение магазинов сопро­ тивлений, предназначенных для техники связи, в сеть промышленного тока легко может привести к их порче. Проволочные резисторы изготавливают обычно из манга­ нина, имеющего температурный коэффициент поряд­ ка ІО-5.

Основная погрешность магазина сопротивлений опре­

процентах для каждого установленного резистора. При установке малых сопротивлений абсолютная погреш­ ность, как правило, превышает значение, подсчитанное по классу точности, на величину, определяемую полови­ ной единицы отсчета по последней декаде. Конструктив­ но магазины сопротивлений применяются теперь, глав­ ным образом, рычажные. Находят некоторое применение и магазины проводимостей, в которых градуировка про­ изводится в сименсах и их долях.

2.4. Образцовые приборы индуктивности

Эквивалентная схема катушки индуктивности аналогична представленной на рис. 2.5. Так как неизбеж­ ным спутником катушки всегда оказывается некоторое неустранимое активное сопротивление R, а уменьшение R ведет к увеличению паразитной емкости С, то образ­ цовые приборы индуктивности по качеству, как правило, хуже, чем емкости или резисторы. Поэтому в технике связи они применяются сравнительно редко.

28

При выполнении условия (ісоСТ?)2^ 1 и СД2<С І значе­ ния эффективной (действующей) индуктивности и эф­ фективного сопротивления можно считать равными

R

( 2. 6)

где /о — собственная резонансная частота катушки. Для получения действующей добротности катушки можно взять значение отношения соЬд/Яэ, но, поскольку в величине Д э не учтено повышение активного сопротивле­ ния с частотой, то точнее Q3 определится из выражения

(2.7)

где R 'э — сопротивление катушки с учетом поверхност­ ного эффекта, находимое большей частью эксперимен­ тально.

Если требуется представить схему рис. 2.5 в виде па­ раллельного соединения индуктивности, сопротивления потерь и собственной емкости катушки, то следует вос­ пользоваться указаниями § 2.2 к рис. 2.3.

По основной погрешности образцовые приборы индук­ тивности делятся на классы точности 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0.

2.5. Магазины затуханий

Магазины затуханий М 3 — специфически связистские образцовые приборы. Они представляют собой четырехполюсники, состоящие из резисторов с пренебре­ жимо малыми реактивными составляющими и позволяю­ щие поэтому вносить в измерительные цепи регулируе­ мое по величине затухание при достаточно малом фазо­ вом сдвиге.

Магазины затуханий выполняются как в виде отдель­ ных приборов, так и в качестве составной части различ­ ных измерительных устройств (указателей уровня, изме­ рительных пультов, характериографов и др.).

Если магазин затухания используется как калибро­ ванный прибор затухания, то необходимо, чтобы его на­ грузочное сопротивление равнялось его характеристиче­

скому сопротивлению. В этом случае ДВых=Е/вхе~амаг , если магазин проградуирован в неперах, и UBых=

= ДвхЮ°’05амаг , если £?маг выражено в децибелах. Кон­

29