Измерение переменных токов и напряжений является одним из наиболее распространенных видов измерений в радиоэлектронике, технике связи, в системах автоматики и устройствах обработки информации. Это объясняется широким использованием периодических сигналов для передачи информации и сравнительной простотой их измерения.

Среди средств измерения переменного тока и напряжения особое внимание уделяется средствам измерений среднеквадратического значения (СЗ) тока .и напряжения. Это обусловлено тем, что единственной истинной мерой мощности электрического сигнала, т. е. его способности выделять теплоту, является его СЗ, независимо от того, является ли сигнал постоянным, синусоидальным, переменным с постоянным смещением, случайным или представляет собой последовательность импульсов. Среднеквадратическое значение - фундаментальная физическая характеристика процесса.

Необходимость прямого измерения СЗ приобретает особую важность в связи с широким распространением сигналов несинусоидальной формы (прямоугольных, треугольных, шумоподобных и т. д.). При определении количества и качества электроэнергии в энергосистемах, измерениях мощности, проверке систем связи, контроле уровня шума в звуковом диапазоне частот и измерениях в цифровых системах полезную информацию о сигнале может дать только его СЗ.

Измерение СЗ токов и напряжений широко применяют при р&з~. работке систем управления с обратной связью (например, схемы; автоматического регулирования коэффициента усиления), при проверке, настройке, регулировке и ремонте радиоэлектронной .аппаратуры, при разработке и производстве аппаратуры записи и воспроизведения звука, в кинотехнике, в радиовещании, при обслу--живании проводной связи и различных научных исследованиях.

На основе измерительных преобразователей СЗ напряжений (ПСЗН) строят, например, ваттметры поглощаемой мощности; корреляционные измерительные устройства, фазочувствительные вольтметры. Их применяют для установки и контроля уровня сигналов в анализаторах спектра, генераторах стандартных сигналов, многозначных мерах переменных напряжений, измерителях добротности (куметрах) и в других приборах.

Таков далеко не полный перечень областей применения средств измерений СЗН.

Вопросу измерения СЗН посвящена обширная литература. Однако в ней не нашли должного отражения следуюш,ие вопросы: 1) сравнительный анализ свойств и характеристик различных способов и средств измерений СЗН; 2) применение микроЭВМ в средствах измерений СЗН; 3) динамические характеристики средств измерений СЗН.

Предлагаемая вниманию читателей книга представляет собой попытку восполнить отмеченные пробелы. В ней предложена классификация измерительных ПСЗН, основанная на последовательности или алгоритме вычисления СЗ входного сигнала. Показано, что свойства ПСЗН зависят от того, какие функциональные блоки и в какой последовательности входят в его схему.

На основе приведенной классификации получены обобщенные схемы преойразователей, реализующих различные способы измерения СЗН. Проанализированы их погрешности, рассмотрены свойства, характеристики и целесообразные области применения.

Дана классификация структурных методов повышения точности средств измерения. Приведены подробная характеристика каждого метода, его свойства и области практической реализации.

Рассмотрено понятие «динамические характеристики» применительно к приборам и преобразователям СЗН, описаны способы повышения быстродействия как одноканальных, так и многоканальных измерительных устройств СЗН и пути расширения их частотного диапазона. Проанализировано влияние формы кривой на погрешность измерения.

Подробно рассмотрено новое перспективное направление-применение микроэвм в средствах измерения СЗН. Показаны возможности улучшения метрологических характеристик средств измерений. Приведены примеры практической реализации вольтметров с микроэвм.

Излагаемый материал в значительной мере представляет собой обобщение накопленного опыта разработки средств измерений СЗН и результатов их исследований, проводившихся на кафедре информационно-измерительной техники Московского энергетического института и в Институте проблем управления. При отборе материалов для книги авторы стремились ознакомить читателя с новыми оригинальными техническими решениями.

Главы 1 и 2 написаны И. Н. Желбаковым, гл. 2 и 3 - В. С. Поповым.

Авторы считают своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность доктору техн. наук, проф. Л. И. Волгину за ценные замечания, сделанные им при рецензировании книги.

Пожелания и замечания следует направлять по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10, Энергоатомиздат.

Авторы

ГЛАВА 1

СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКОГО ЗНАЧЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ

1.1. Общие положения

Среднеквадратическим значением Li напряжения u{t) за интервал времени Г называется

и = (imJ ut)dt, - (1.1)

причем u{t) может быть как случайным, так и детерминированным сигналом -• в общем случае одиночным импульсом, постоянным или периодическим напряжением. В настоящей работе рассматривают измерения лишь периодических сигналов.

Для того чтобы определить среднеквадратическое значение напряжения (СЗН) в соответствии с (1.1), требуется провести интегрирование квадрата исследуемого напряжения на интервале времени от момента ti до момента ti-\-T. Так делают при измерении среднеквадратического значения (СЗ) инфранизкочастотных периодических сигналов, когда время интегрирования равно или кратно периоду измеряемого сигнала.

При измерении периодических неинфранизкочастотных сигналов вместо интеграла обычно определяют текущее среднее значение сигналов с помощью фильтра низких частот. Здесь Предполагается, что фильтр достаточно хорошо подавляет все гармонические составляющие измеряемого напряжения, а СЗ этого напряжения изменяется настолько медленно, что не вызывает динами-- ческой погрешности, связанной с инерционностью фильтра. В данном случае среднеквадратическое значение напряжения

u = YWW,

t+ т

где u{t){llT) 1" u(t)dt - текущее среднее значение квадрата \

входного сигнала.

При измерении СЗН используют преобразователи как с линейной, так и с квадратичной функцией преобразования [1], у которых выходной сигнал пропорционален квадрату СЗ измеряемого