Ревин В.Т. Преобразование и преобразователи измерительной информации. Учеб. пособие. В 5-ти частях. Часть 4 - файл n1.doc

приобрести
Ревин В.Т. Преобразование и преобразователи измерительной информации. Учеб. пособие. В 5-ти частях. Часть 4
скачать (1163 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1163kb.07.07.2012 03:04скачать

n1.doc

  1   2   3
Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

"Белорусский государственный университет

информатики и радиоэлектроники"

Кафедра метрологии и стандартизации

В.Т.Ревин

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ
Учебное пособие

для студентов специальности 54 01 01

«Метрология, стандартизация и сертификация»

всех форм обучения
В 5-ти частях

Часть 4

Минск 2004
УДК 621.317.7 + 006.91 (075.8)

ББК 30.10 я 73

Р 32


Рецензент:

начальник научно-исследовательской части

Военной академии Республики Беларусь, канд. техн. наук,

доц. С.Н.Нефедов


Р 32

Ревин В.Т.

Преобразование и преобразователи измерительной информации:

Учеб. пособие для студ. спец. 54 01 01 «Метрология, стандартизация и

сертификация» всех форм обуч. В 5 ч. Ч. 4 / В.Т. Ревин. - Мн.: БГУИР,

2004. – 91 с.: ил.

ISBN 985-444-655-7 (ч. 4).

В четвертой части учебного пособия рассматриваются измерительные преобра-

зователи, позволяющие преобразовывать электрические сигналы в неэлектрические

величины с целью обеспечения возможности индикации результатов преобразования

и измерений. Приводятся основные параметры таких преобразователей.
УДК 621.317.7 + 006.91 (075.8)

ББК 30.10 я 73

Части 1, 2 и 3 изданы в БГУИР в 2002, 2003 и 2004 гг. соответственно.

ISBN 985-444-655-7 (ч. 4)

ISBN 985-444-372-8

© Ревин В.Т., 2004

© БГУИР, 2004

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ………………………………………………………………………..

1 Электромеханические измерительные преобразователи …………………

1.1 Общие сведения об электромеханических преобразователях ………..

1.2 Классификация электромеханических преобразователей ……………

1.3 Принцип работы электромеханических преобразователей …..………

1.4 Общие узлы и детали электромеханических преобразователей ……..

2 Магнитоэлектрические измерительные преобразователи...….…................

2.1 Принцип действия, устройство и основы теории магнитоэлектриче-

ских измерительных преобразователей ………………………………………

2.2 Магнитоэлектрические приборы постоянного тока …………………..

2.3 Магнитоэлектрические преобразователи с преобразователями рода

тока ……………………………………………………………………………...

3 Электродинамические измерительные преобразователи ………………….

3.1 Принцип действия, устройство и основы теории электродинамиче-

ских измерительных преобразователей ………………………………………

3.2 Электродинамические амперметры, вольтметры, ваттметры и фазо-

метры ………………………………….………………………………….……..

4 Электромагнитные измерительные преобразователи ……………………..

4.1 Принцип действия, устройство и основы теории электромагнитных

измерительных механизмов …………………………………………………...

4.2 Электромагнитные амперметры и вольтметры …………..……………

5 Электростатические измерительные преобразователи ...….………………

5.1 Принцип действия, устройство и основы теории электростатических

измерительных преобразователей …………….………………………………

5.2 Электростатические вольтметры и электрометры ……………………

6 Расширение пределов преобразования. Масштабные измерительные

преобразователи ………………………………………………………………..

6.1 Расширение пределов измерений с помощью делителей напряжения,

шунтов и добавочных резисторов …………………………………………….

6.2 Расширение пределов преобразования с помощью измерительных

трансформаторов ……………………………………………………………….

7 Электрооптические устройства индикации …………….…..........................

8 Регистрация измерительной информации ……………………...…………..

8.1 Графическая запись ……………………………………………..............

8.2 Самопишущие электромеханические преобразователи ...…………….

8.3 Электронная регистрация ……………………………………………….

Контрольные вопросы ………………………………………………………

Литература ………………………………………………………………….…..

ВВЕДЕНИЕ
Рассмотрев в трех предыдущих частях вопросы преобразования различных

физических (как неэлектрических, так и электрических) величин в электрические сигналы, мы вплотную подошли к вопросам индикации и регистрации полученной в процессе преобразования измерительной информации. Прежде всего давайте вспомним определение измерительного преобразователя – это "средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем" [1]. Из этого определения следует, что электрический сигнал на выходе преобразователя непригоден для того, чтобы быть непосредственно представленным наблюдателю.

Однако во всех измерительных приборах, комплексах и системах предпола-гается получение измерительной информации в той или иной форме. Практически во всех средствах измерений получение измерительной информации происходит посредством зрения, т.е. только одного из пяти чувств человека (зрение, слух, осязание, обоняние и вкус). Это связано с тем, что зрение позволяет легко и правильно обрабатывать сравнительно большое количество информации. Поэтому сигнал на выходе измерительного прибора или системы должен быть преобразован в оптический сигнал. Это осуществляется с помощью выходного преобразователя, осуществляющего преобразование электрических сигналов в визуальные, или, другими словами, электрических сигналов в неэлектрические величины. Такие выходные преобразователи называют устройствами индикации или дисплеями.

Правда, иногда для обнаружения сигналов, сопровождающих преобразования или измерения, используется слух, как это бывает в отношении сигналов предупреждения, тревоги и т.д. Раньше на слух иногда воспринимали результат действия нуль-индикатора. Иногда балансировку мостовой измерительной цепи производят с помощью наушников.

Соображения, касающиеся удобства визуального наблюдения, таковы.Фор-ма и размер символов, используемых в устройстве индикации, должны гарантировать удобочитаемость результата измерения; фон должен быть возможно более контрастным, причем предпочтительно иметь черные буквы на белом фоне или наоборот. Тип шкалы должен соответствовать функциям, возложенным на устройство индикации. Например, если необходимо сравнивать значения двух величин, то следует воспользоваться двумя расположенными рядом измерительными приборами с вертикальными шкалами. Для считывания значений измеряемых величин предпочтительнее измерительные приборы с горизонтальными шкалами. Для регистрации быстро изменяющихся величин применяют стрелочные приборы с круговой шкалой. Направление, в котором происходит изменение положения указателя с ростом значения преобразуемой величины, должно быть следующим: при горизонтальной шкале - слева направо; при вертикальной шкале - снизу вверх; при круговой шкале - по часовой стрелке.

Различают два типа устройств индикации: аналоговые, или непрерывные,

устройства и цифровые, или дискретные.

Аналоговое устройство индикации может показать любое значение между

заданными нижним и верхним пределами; диапазон индицируемых значений не-прерывен. Такого типа устройство индикации называют аналоговым, поскольку указатель в нем движется в соответствии с изменением входной величины. У цифрового устройства индикации диапазон возможных значений дискретен, т.е. оно может воспроизводить только конечное число значений между заданными нижним и верхним пределами.

У большинства аналоговых приборов отсчет производится примерно одним и тем же способом, обычно по результату вращательного или поступательного движения указателя по отношению к фиксированной опорной сетке или шкале (рисунок В.1). Отклонение указателя по отношению к его исходному положению служит мерой измеряемой величины. Примерами такого рода являются отклонение электронного луча, определяемое по сетке на экране электроннолучевой трубки, или движение указателя горизонта в искусственном горизонте на самолете.



а

Б
а - приборы с фиксированной шкалой и вращательным или поступательным

движением указателя; б - сложное аналоговое устройство отображения

(искусственный горизонт)

Рисунок В.1 - Традиционные аналоговые устройства индикации
Цифровые устройства индикации в большинстве случаев вырабатывают по-следовательность символов (цифр, арифметических знаков, букв и т.д.). На ри-сунке В.2 приведены примеры таких устройств: цифровой индикатор, который показывает только цифры (рисунок В.2,а), и алфавитно-цифровой индикатор (рисунок В.2,б), способный воспроизводить также другие символы. Оба индикатора, показанные на рисунке В.2, используются в электрооптических устройствах отображения измерительной информации.

Кроме аналоговых и цифровых устройств индикации существуют также

гибридные устройства. Они, по существу, являются цифровыми устройствами, у которых способ представления младшего десятичного разряда носит непрерывный характер. Например, в счетчике пройденного расстояния на спидометре автомобиля (рисунок В.3) в первых четырех разрядах значение изменяется скачком, а в последнем (младшем) разряде – плавно.




а б

а - с семью сегментами и б - матричный элемент (дисплей),

содержащий 5x7 точек




Рисунок В.2 - Сегментные устройства индикации


Рисунок В.3 - Гибридное устройство индикации
Аналоговое устройство индикации не только показывает значение откло-нения, но и обеспечивает наглядное отображение тенденции изменения отклонения во времени. Производная отклонения определяет скорость и направление изменения входной величины Y(t). Цифровое же устройство индикации, напротив, не годится для отображения тенденции изменения измеряемой величины. Таким образом, аналоговое устройство является не только индикатором значения величины, но также и устройством, воспроизводящим направление изменения.

Однако применение аналогового устройства индикации означает неизбеж-

ное внесение погрешностей считывания информации. При использовании цифрового устройства индикации такие погрешности не возникают. Подразумевается, что даже в том случае, когда отклонение указателя вдоль шкалы аналогового измерителя является абсолютно правильным, точный отсчет все же произвести нельзя.

Регистрируя показания аналогового преобразователя, наблюдатель приписывает отклонению стрелки определенное значение на его шкале.

Затем он действует, по существу, как аналого-цифровой преобразователь.

К сожалению, воспроизводимость результатов у такого одушевленного аналого-цифрового преобразователя довольно плохая.

Характеристики погрешности измерительных преобразователей позволяют

количественно оценить инструментальную погрешность преобразовании [1].

Погрешность преобразователей может быть представлена в форме абсолютной, относительной или приведенной погрешностей. При этом абсолютная (.П) погрешность, выражаемая в единицах преобразуемой величины, определяется как
∆П = ХП – Q,
а относительная (?П) погрешность определяется как отношение абсолютной погрешности к истинному значению преобразованной величины:


Приведенная погрешность определяется как отношение .п к некоторому нор-мирующему значению ХN и выражается в процентах:

где .П – абсолютная погрешность преобразователя; ХN – предел преобра-

зования.

Приведенная погрешность введена, в первую очередь, для характеристики

показателей точности преобразователей, диапазон преобразуемых величин которых включает в себя и нулевое значение. Если преобразуемая величина приближается к нулю, то ?п любого преобразователя независимо от его точности стремится к бесконечности. Кроме того, ?п позволяет в отличие от .п и ?п выявить потенциальные возможности преобразователей в плане минимизации инструментальной составляющей погрешности результата измерения.

Нормирующее значение ХN - это условно принятое значение, которое может быть равным верхнему пределу преобразования, диапазону преобразования, длине шкалы и др.

Обобщенной характеристикой погрешности преобразователей является

класс точности, определяемый пределами допускаемых основной и дополни-тельной погрешности преобразователей. При выражении этих пределов значениями ?П и ?П классы точности преобразователей обозначаются числами, которые равны этим пределам (в процентах) и соответствуют ряду
К = [1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 4,0; 5,0; 6,0] 10n, n = 1, 0 -1, -2 …
На рисунке В.4 приведены в качестве примера характеристики погрешно-

стей измерительных преобразователей при их нормировании приведенной ?П =

= 1 % (кривая 1) и относительной ?П = 2 % (прямая 2) погрешностями.

Погрешности считывания, возникающие при использовании аналогового

устройства индикации, являются постоянными, т.е. они имеют постоянное зна-

чение во всем интервале значений, на который рассчитан преобразователь. По этому значение абсолютной погрешности .П не зависит от угла отклонения подвижной части преобразователя и имеет постоянное значение в любой точке шкалы. Погрешность считывания принято нормировать в виде приведенной погрешности ?П и выражать в процентах относительно полной шкалы (предела преобразования).

Погрешность отображения, возникающая из-за изменения чувствительности измерительного преобразователя, будет постоянной в пределах всей линейной шкалы устройства индикации. Поэтому данная погрешность нормируется как относительная погрешность ?П и указывается в процентах по отношению к индицируемому значению.

Рассмотренные примеры нормирования погрешностей являются слишком гру-быми. В третьем случае (кривая 3 ) предполагается, что погрешность ото-бражения составляет 0,5 % относительно индицируемого значения, а погреш-

ность считывания - 0,5 % от предела измерения. Рекомендуемый интервал от-

счета преобразованных значений от 30 до 100 % полной шкалы.





Рисунок В.4 - Относительная погрешность показаний прибора Y для трех различных вариантов определения погрешности, указываемой в технических характеристиках для аналогового устройства индикации с линейной шкалой.

Кроме того, при считывании измеренного значения по аналоговому устройству индикации вносятся погрешности (погрешности вследствие параллакса, погрешности интерполяции и - в случае, когда перед измерением нужно устанавливать нуль прибора, - погрешности смещения). Поэтому погрешности преобразования измерительной информации, получаемые при использовании аналогового устройства индикации, достаточно высоки (приблизительно лишь 0,1 … 1 % от конечного значения шкалы). Для минимизации этих погрешностей необходимо согласование прибора с наблюдателем. Интерполяцию легче осуществить, когда шкала линейна, ее размеры велики, она нанесена четко и разбита на 10 или 3 крупные части. Зеркальная шкала значительно уменьшает погрешности вследствие параллакса.

Поскольку цифровое устройство индикации представляет наблюдателю

измерительную информацию в виде числа или набора чисел, погрешности считывания информации не происходит. (Правда, наблюдатель может все же допустить ошибку другого рода, а именно сбиться при считывании или спутать цифры). Поэтому цифровые устройства индикации бывают специально рассчитаны на то, чтобы показать постоянные значения с высокой точностью. Единственная погрешность, вносимая при использовании цифровых устройств индикации, - это погрешность квантования, обусловленная конечной разрешающей способностью устройства индикации. В большинстве цифровых устройств индикации младшие разряды просто отбрасываются, вследствие чего возникает погрешность округления. Значение этой погрешности обратно пропорционально значению индицируемого числа (без учета десятичной запятой).

1 ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
1.1 Общие сведения об электромеханических преобразователях

Электромеханические преобразователи составляют одну из самых много-

численных групп аналоговых измерительных преобразователей (ИП) и широко применяются для преобразования постоянных и переменных токов, напряжений и других электрических и неэлектрических величин, а также используются в качестве составных частей более сложных электронных измерительных приборов. Основными достоинствами этих преобразователей являются их относительная простота и невысокая стоимость, достаточно высокие надежность и точность.

Электромеханические преобразователи в общем случае состоят [2, 3] из

двух основных функциональных частей (рисунок 1.1): измерительной цепи

(ИЦ) и измерительного механизма (преоб разователя), размещенных в общем

корпусе.

Измерительная цепь может представлять собой последовательное соеди-нение различных измерительных преобразователей [1]: первичных, масштаб-ных, передающих, преобразователей рода электрических величин (например, у выпрямительных и термоэлектрических приборов) - или может вырождаться в отдельный измерительный преобразователь у простейших однопредельных приборов. Основное назначение ИЦ заключается в преобразовании входного измерительного сигнала X в промежуточную электрическую величину Х, непосредственно воздействующую на преобразователь. Вид и значение величины Xt должны быть такими, чтобы обеспечивались нормальные условия работы преобразователя. Кроме того, ИЦ может осуществлять расширение пределов измерений и компенсировать некоторые составляющие погрешности измерения.








Рисунок 1.1 – Структурная схема электромеханического измерительного преобразователя
Преобразователь представляет собой устройство, преобразующее электромагнитную энергию измерительного электрического сигнала X1 в механическую энергию перемещения (чаще всего углового) подвижной части преобразователя, в результате чего указатель отсчетного или регистрирующего устройства поворачивается в соответствии со значением измеряемой величины на угол ?. Значение измеряемой величины определяется по углу ? отклонения указателя на шкале отсчетного устройства, предварительно проградуированной в единицах измеряемой величины.

1.2 Классификация электромеханических преобразователей

Дополнительно к общей классификации измерительных преобразователей,

приведенной в [1], электромеханические преобразователи можно классифицировать по ряду характерных для них признаков.

Все электромеханические преобразователи в зависимости от принципа

действия, т.е. от способа преобразования электромагнитной энергии измери-тельного сигнала в механическую энергию перемещения подвижной части преобразователя, можно дифференцировать на следующие основные группы:

- магнитоэлектрические преобразователи;

- электродинамические преобразователи;

- электромагнитные преобразователи;

- электростатические преобразователи;

- индукционные преобразователи.

Наряду с дифференциацией электромеханических преобразователей по

принципу действия их можно классифицировать и по другим признакам. В зависимости от способа создания противодействующего момента различаются:

- преобразователи с механическим противодействующим моментом;

- преобразователи с электрическим противодействующим моментом (ло-

гометры).

По виду используемого отсчетного устройства электромеханические пре-

образователи подразделяются следующим образом:

- преобразователи с механическими указателями - стрелочные;

- преобразователи со световыми указателями.

В зависимости от пределов допускаемой приведенной погрешности элек-

тромеханические преобразователи делятся на классы точности.В частности для электромеханических амперметров, вольтметров и ваттметров установлены

следующие классы точности: 0,05; 0,1; 0,2;:0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 5,0.

По роду основной измеряемой величины электромеханические ИП клас-

Сифицируются на амперметры, вольтметры, ваттметры, омметры, фазометры,

частотомеры, гальванометры и др.

И, наконец, по своим размерам электромеханические преобразователи мо-

гут быть миниатюрными, малых, средних и больших габаритов.

1.3 Принцип работы электромеханических преобразователей

Принцип работы и основные технические характеристики электромехани-

ческих ИП во многом зависят от вида преобразователя, обеспечивающего пре-

образование энергии электрического измерительного сигнала в механическую

энергию перемещения подвижной части ИП.

Общим для всех электромеханических ИП является то, что они состоят из

неподвижной и подвижной частей и ряда общих деталей и узлов. Подвижная

часть в большинстве преобразователей может совершать угловое перемещение

вокруг неподвижной оси. Механический момент, возникающий в результате

воздействия на преобразователь измерительного сигнала и обусловливающий

поворот его подвижной части в соответствии со значением измеряемой величи-

ны, называется вращающим моментом MВР. Этот момент должен однозначно

зависеть от преобразуемой величины X и в общем случае от угла ? поворота

подвижной части ИП:
MВР = f(X, ?). (1.1)
Наиболее общее выражение для вращающего момента любого электроме-

Ханического преобразователя может быть получено из уравнений Лагранжа

второго рода, являющихся общими уравнениями динамики механических сис-

тем с одной степенью свободы относительно оси вращения. Подвижная часть

ИП представляет собой именно такую механическую систему. Вращающий мо-

мент МВР, действующий на нее, определяется скоростью изменения электро-

магнитной энергии, запасенной в ИП, по углу поворота
(1.2)
где We - электромагнитная энергия измерительного сигнала X, запасенная

в ИП.

Однако при воздействии на подвижную часть преобразователя только од-

ного вращающего момента она отклонилась бы до упора при любом значении

преобразуемой величины. Для обеспечения зависимости угла поворота ? под-

вижной части от измеряемой величины в преобразователе создается противо-

действующий момент МПР, пропорциональный углу ? и направленный проти-

воположно МВР.

Противодействующий момент может создаваться механическим или элек-

трическим путем. Для создания механического противодействующего момента

используются упругие элементы: плоские спиральные пружины, тонкие лен-

точки или нити (растяжки и подвесы). При этом один конец упругого элемента

закреплен на неподвижной, а другой - на подвижной частях ИП и поворот под-

вижной части будет вызывать закручивание упругого элемента, а значит, и воз-

никновение МПР, пропорционального ?:
МПР = kУД ?, (1.3)
где kУД - удельный противодействующий момент, зависящий от свойств

упругого элемента.

В некоторых измерительных механизмах, называемых логометрическими,

противодействующий момент создается электрическим путем. При этом и вра-

щающий, и противодействующий моменты создаются аналогично, оба зависят

от угла поворота подвижной части ? и направлены противоположно.

В результате воздействия на подвижную часть преобразователя одновре-

менно МВР и МПР установившееся ее положение будет определяться равенством
MВР = - МПР, (1.4)
из которого с учетом выражений (1.1, 1.3) можно вывести зависимость угла по-

ворота подвижной части ? от измеряемой величины и в общем случае от пара-

метров ИП

? = F(X, ?, K), (1.5)

где К - параметры ИП.

Выражение (1.5) является функцией преобразования (в литературе исполь-

зуется также другой термин . уравнение шкалы). Вид этого выражения зависит

от принципа действия и конструкции преобразователей и, в свою очередь, оп-

ределяет основные свойства и характеристики ИП.

Однако выражение (1.4) или (1.5) описывает работу ИП только в статиче-

ском режиме, т.е. при установившемся угле поворота подвижной части. В ди-

намическом режиме в уравнение, описывающее ее движение, должны наряду с

MВР и МПР входить также другие действующие на подвижную часть моменты,

основными из которых являются момент успокоения МУ и момент трения МТР.

Моментом успокоения МУ называют момент сил, подавляющих собствен-

ные колебания подвижной части, т.е. успокаивающих ее. Указанные силы

должны действовать только тогда, когда подвижная часть находится в движе-

нии, и прекращать свое воздействие при ее остановке. Таким образом, момент

успокоения должен быть пропорционален угловой скорости dt/d?

движения подвижной части, а его направление должно быть противоположным скорости
(1.6)
где Р - коэффициент успокоения.

Момент трения МТР представляет собой момент сил трения в керновых

опорах. MТР должен быть также направлен противоположно движению и выра-

жается с помощью следующей эмпирической формулы:
МТР = kТР m1,5, (1.7)
где kТP - коэффициент пропорциональности; m - масса подвижной части

измерительного преобразователя.

Сумма всех моментов, действующих на подвижную часть ИП, равна мо-

менту количества движения подвижной части, который равен

где J - момент инерции относительно оси вращения; угловое ускорение движения подвижной части.

Таким образом, уравнение, описывающее движение подвижной части ИП,

можно записать
(1.8)
Подставляя в (1.8) выражения (1.1, 1.3, 1.6, 1.7), получим наиболее общее

дифференциальное уравнение, описывающее движение подвижной части ИП:

(1.9)

Для установившегося положения подвижной части ИП момент количества

движения, момент успокоения и момент трения равны нулю и уравнение (1.9) с

учетом (1.1, 1.3) преобразуется к виду (1.4). Следовательно, выражение (1.5)

для функции преобразования ИП является частным решением дифференциаль-

ного уравнения движения подвижной части ИП (1.9).

Полное решение ?П уравнения (1.9) будет состоять из суммы данного ча-

стного решения ? и общего решения ?0 уравнения (1.9) без правой части:
?П = ? + ?0. (1.10)
Моментом трения для большинства реальных преобразователей (за исклю-

чением случаев, когда подвижная часть крепится в керновых опорах, для кото-

рых МTP необходимо принимать во внимание) можно пренебречь. Тогда общее

решение ?0 уравнения (1.9) без правой части можно находить в виде
(1.11)
где С1, С2 - постоянные интегрирования; 1 . , 2 . - корни характеристиче-

ского уравнения, составленного для (1.9) без правой части при условии МТР = 0.

Значения 1 . и 2 . определяются выражением
(1.12)
или выражением
(1.13)
при условии, что
(1.14)
(1.15)

где ? - степень успокоения подвижной части; ?0 - частота собственных ко-

лебаний подвижной части.

Различным степеням успокоения подвижной части ИП, как следует из

(1.11, 1.13), соответствуют различные режимы ее движения (рисунок 1.2). Так,

при ? < 1 корни X1,2 мнимые и характер движения подвижной части колеба-

тельный (кривая 1 на рисунке 1.2); при ? > 1 корни вещественные, характер

движения подвижной части апериодический (кривая 2 на рисунке 1.2); при ? =

= 1 корни вещественные (равные), характер движения подвижной части - апе-

риодический, наиболее ускоренный и называемый режимом критического ус-

поколения (кривая 3 на рисунке 1.2).



Рисунок 1.2 – Различные степени успокоения подвижной части преобразователей

На рисунке 1.2 tУ - время установления показаний, т.е. время, необходимое для поворота подвижной части преобразователя в установившееся положение, соответствующее углу ? (1.5). Наименьшее значение tУ будет в режиме критического успокоения tКР.

Из выражений (1.11, 1.13) и рисунка 1.2 видно, что от режима работы ИП

зависит такая важная характеристика измерительных преобразователей, как

время установления показаний. Анализ указанных выражений позволяет путем изменения параметров ИП оптимизировать режим их работы и добиться минимального времени установления показаний.

1.4 Общие узлы и детали электромеханических преобразователей

Существующие электромеханические преобразователи отличаются друг от

друга как принципом действия, так и конструктивным исполнением, обуслов-

ливающими наличие большого разнообразия конкретных видов и типов преобразователей. Однако для всех их ряд узлов и деталей является общим и различается только конструктивно. Сюда относятся: корпус, устройство для создания противодействующего момента, приспособление для установки подвижной части, отсчетное устройство и успокоитель (демпфер).

Корпус прибора предназначен для установки и крепления в нем элементов

измерительных цепей и узлов преобразователей, а также для защиты их от воздействий внешней среды. Корпус изготовляют из стали, сплавов цветных металлов, пластмассы или из сочетания указанных материалов. Размеры и форма корпуса определяются видом, назначением и условиями эксплуатации преобразователя и весьма разнообразны. Часть корпуса прибора, закрывающая шкалу, изготовляется, как правило, из стекла.

Различные виды устройств для создания механического противодейст-

вующего момента и приспособления для установки подвижной части преобразователей показаны на рисунке 1.3.







Рисунок 1.3 – Устройства для создания противодействующего момента и приспособления для установки подвижной части преобразователей
При установке подвижной части на оси 1 между опорами (рисунок 1.3,а,б) противодействующий момент создается с помощью спиральных пружин 4. Ось или полуоси 1 при этом заканчиваются кернами, изготовляемыми из стали и за- точенными на конус с закруглением на конце. Керн опирается на подпятник 6, изготовляемый из агата, корунда или рубина (иногда из стали или бронзы) и запрессованный в регулировочный винт 7. Пружины 4 изготовляются из оловян- но-цинковой и других бронз и обеспечивают практически постоянное значение KУД в выражении (1.3).

При креплении подвижной части 8 на растяжках 10 (рисунок 1.3,в) послед-

ние при повороте подвижной части закручиваются и создают противодейст-

вующий момент. Пружины 11 обеспечивают необходимое натяжение

растяжек. У преобразователя с таким способом крепления подвижной части повышается чувствительность и устраняется механическое трение в опорах,

что способствует повышению точности измерения.

Крепление подвижной части 8 на подвесе 12 (рисунок 1.3,г) применяется в

высокочувствительных приборах - гальванометрах. Растяжки и подвесы пред-

ставляют собой тонкие ленточки или нити, изготовляемые из различных бронзовых и платиновых сплавов. Зеркальце 9, закрепленное на подвижной части 8 (см. рисунок 1.3,в,г), используется в отсчетном устройстве со световым указателем.

Для установки указателя отсчетного устройства 5 (см. рисунок 1.3,а) перед

началом измерения на нулевое значение шкалы служит корректор, состоящий из поводка 2 и винта 3 с эксцентрически расположенным на нем стержнем, который входит в вилку поводка. Вращая винт 3, выведенный на переднюю панель преобразователя, добиваются установки указателя 5 на нулевую отметку шкалы.

Для защиты устройств крепления подвижной части от повреждений при

транспортировке в чувствительных приборах применяются арретиры. Арретир представляет собой устройство, осуществляющее подъем и полужесткое фиксирование подвижной части преобразователя на время транспортировки.

Отсчетные устройства служат для определения числового значения преоб-

разуемой величины и состоят из шкалы и указателя. В зависимости от вида указателя различают отсчетные устройства со стрелочными (см. рисунок 1.3,а) и световыми (рисунок 1.5) указателями.

На шкалу отсчетного устройства наносятся отметки в виде штрихов и то-

чек (оцифрованные и неоцифрованные), соответствующие значениям измеряемой величины, а также ряд условных обозначений, характеризующих важнейшие свойства преобразователя.

Промежуток между двумя соседними отметками шкалы называется деле-

нием шкалы, а разность значений измеряемой величины, соответствующих

двум соседним отметкам шкалы, называется ценой деления. Цена деления со-

гласовывается с абсолютной погрешностью прибора и превышает ее в 2 - 4

раза. Шкала считается равномерной, если расстояния между двумя любыми

смежными ее отметками равны между собой. В противном случае шкала является неравномерной.

В технических приборах с классом точности ниже 0,5 используются обыч-

ные незеркальные шкалы и клиновидные стрелки (рисунок 1.4,а). В приборах

класса точности 0,5 и выше используются ножевидные или игловидные стрелки (рисунок 1.4,б,в), а также зеркальные шкалы.

В приборах с малым значением вращающего момента используют отсчет-

ные устройства со световыми указателями (см. рисунок 1.5). При этом луч от

осветителя 1 через оптическую систему 2 и диафрагму 3 попадает на зеркало 5 подвижной части 4 и, отражаясь от него, далее попадает на шкалу 6. На шкале получается изображение светового пятна, посредине которого резко видна тень нити, укрепленной в отверстии диафрагмы. При повороте подвижной части световая "стрелка" перемещается по шкале. В приборах с высокой чувствительностью используется световой указатель с длиной луча порядка 1,5 … 2 м, получаемой за счет многократного отражения луча или за счет использования отдельной выносной шкалы.




а б в




Рисунок 1.4 – Указатели электромеханических преобразователей
Рисунок 1.5 – Отсчетное устройство со световым указателем

Основные преимущества светового отсчета заключаются в том, что при его использовании создаются предпосылки для повышения чувствительности (угол отклонения отраженного от зеркальца луча вдвое больше угла поворота под- вижной часта; длина луча может быть сделана достаточно большой) и за счет уменьшения массы и момента инерции подвижной части возможно расширение пределов преобразования в сторону малых значений, а также улучшаются усло- вия успокоения прибора.

покоители, обеспечивающие требуемую степень успокоения.

В электромеханических преобразователях наиболее широко применяются воздушные и магнитоиндукционные успокоители, устройство которых схема- тически показано на рисунке 1.6.







Крыльчатый воздушный успокоитель (рисунок 1.6,а) состоит из закрытой камеры 1 и легкого алюминиевого крыла 2, которое жестко связано с осью 3 подвижной части ИП и может свободно перемещаться внутри камеры. Между крылом и стенками камеры имеется зазор порядка 0,3 … 0,5 мм. Ввиду малости этого зазора при движении подвижной части в камере создается разность дав- лений по обе стороны крыла, которая противодействует свободному перемеще- нию подвижной части и вызывает ее успокоение.
а б

Рисунок 1.6 – Различные типы успокоителей

Магнитоиндуктивные успокоители (рисунок 1.6,б) состоят из постоянного тормозного магнита 1 и неферромагнитного металлического сектора 2, непод- вижно закрепленного на оси 3 подвижной части ИП и находящегося в магнит- ном поле магнита. При движении подвижной части в секторе 2 возникают вих- ревые токи, магнитное поле которых взаимодействует с полем магнита 1 и в ре- зультате этого создается момент успокоения.

Конструктивно магнитоиндукционные успокоители проще воздушных и легко поддаются регулировке. Однако поле тормозного магнита может оказы- вать влияние на показания приборов. В таком случае предпочтение отдают воз- душным успокоителям.

В некоторых преобразователях (например в осциллографических гальва- нометрах и др.) для успокоения подвижной части преобразователя используют- ся жидкостные успокоители [2].
2 МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Магнитоэлектрические преобразователи выделяются среди других групп

электромеханических преобразователей широтой и разнообразием применения, высокими метрологическими характеристиками, а также многотипностью [3].

Отечественной промышленностью серийно выпускаются магнитоэлектриче-

ские преобразователи вплоть до класса точности 0,05 и с минимальным током

полного отклонения до 0,1 мкА.

Наиболее широко магнитоэлектрические преобразователи используются

при создании амперметров и вольтметров постоянного тока, омметров, гальванометров постоянного тока, баллистических гальванометров для измерений малых количеств электричества, а также приборов для измерений в цепях переменного тока (осциллографические гальванометры, вибрационные гальванометры, выпрямительные, термоэлектрические и электронные приборы на базе магнитоэлектрических преобразователей).

2.1 Принцип действия, устройство и основы теории магнитоэлектри-

ческих измерительных преобразователей

Принцип действия магнитоэлектрических преобразователей основан на

взаимодействии магнитных полей постоянного магнита и проводника с током, конструктивно выполненного в виде катушки (рамки).

Практически все магнитоэлектрические преобразователи можно разделить

на две основные разновидности:

- преобразователи с подвижной катушкой и неподвижным магнитом;

- преобразователи с неподвижной катушкой и подвижным магнитом.

Конструктивно преобразователи обеих разновидностей могут быть выпол-

нены:

- с внешним (по отношению к рамке) магнитом;

- с внутрирамочным (внутренним) магнитом.

Кроме того, они мoгут различаться креплением подвижной части, способом

создания противодействующего момента, способом успокоения подвижной

части и др.

В настоящее время более широкое применение получили магнито-

электрические преобразователи с неподвижным магнитом и подвижной катушкой (рисунок 2.1).

Катушка 5 с числом витков w и площадью витка s находится в магнитном

зазоре с равномерным радиальным магнитным полем. Поле в зазоре создается с помощью магнитной системы, состоящей из постоянного магнита 7, полюсных наконечников с цилиндрической расточкой 6 и цилиндрического сердечника 4 из магнитомягкого материала. Благодаря введению в магнитную систему сердечника 4, поле в зазоре, где движется рамка, получается однородным. Для изготовления магнита 7 используют материалы с большой коэрцитивной силой, чаще всего железоникельалюминиево-кобальтовые сплавы. Магнитопроводы и полюсные наконечники выполняют из магнитомягких материалов, чаще всего из низкоуглеродистых электротехнических сталей. Подвижная часть крепится на полуосях и керновых опорах (в высокочувствительных приборах - на растяжках и подвесах). Противодействующий момент может создаваться механическим (с помощью спиральных пружин 3) или электрическим путем. Катушка 5 наматывается на легком алюминиевом каркасе и жестко крепится на полуосях. При движении катушки в магнитном зазоре в каркасе возникают вихревые токи, создающие момент успокоения (подраздел 1.4). Если получаемый таким образом момент успокоения недостаточно велик, то на каркас катушки дополнительно наматывается необходимое количество короткозамкнутых витков, увеличивающих момент успокоения до нужного значения.





Рисунок 2.1 – Конструкция магнитоэлектрического преобразователя
На оси подвижной части ИП жестко крепится стрелка 2, которая вместе со

шкалой 1 образует отсчетное устройство, позволяющее определять числовые

значения измеряемых величин по углу поворота ? подвижной части преобразователя.

Для определения вращающего момента воспользуемся общим выражением

(1.2). Энергия электромагнитного поля WE, обусловленная взаимодействием

потока вектора индукции Ф постоянного магнита и тока I, протекающего по катушке, определяется выражением
WЕ = IФ. (2.1)
Изменение магнитного потока dФ при повороте рамки на угол d? равно
dФ = Вswd?, (2.2)
где В - магнитная индукция в зазоре.

Вращающий момент в соответствии с (1.2) определится выражением
(2.3)
Приравняв вращающий (2.3) и противодействующий (1.3) моменты, можно

записать уравнение преобразования (уравнение шкалы) магнитоэлектрического преобразователя:
( 2.4 ) , ( 2.5 ),
где Si - чувствительность ИМ по току.

Выражения (2.4, 2.5) позволяют сделать следующие выводы о свойствах

(достоинствах и недостатках) магнитоэлектрических преобразователей:

- угол отклонения стрелки прямо пропорционален току, протекающему по

катушке. Следовательно, магнитоэлектрический преобразователь можно непосредственно использовать для преобразования тока, а его функция преобразования будет линейной;

- при изменении направления протекания тока на обратное будет изме-

няться и направление отклонения подвижной части, т.е. магнитоэлектрические преобразователи могут использоваться для преобразования только в цепях постоянного или медленно изменяющегося тока;

- чувствительность магнитоэлектрических преобразователей постоянна и

может быть повышена за счет увеличения магнитной индукции в зазоре, пло-

щади и числа витков катушки или уменьшения удельного противодействующего момента упругих элементов;

- собственное потребление мощности магнитоэлектрическими преобразо-

вателем вследствие их высокой чувствительности мало.

Конструктивно магнитоэлектрические преобразователи достаточно слож-

ны и поэтому несколько дороже преобразователей других групп. Они мало устойчивы к электрическим перегрузкам из-за того, что создающие противодействующий момент пружины (3 на рисунке 2.1) или растяжки одновременно используются в качестве токоподводящих элементов катушки и при перегрузках первыми выходят из строя: перегорают или теряют упругие свойства.

Наиболее существенное влияние на магнитоэлектрические преобразовате-

ли из внешних факторов оказывает температура окружающей среды. В зависимости от температуры изменяются магнитная индукция в зазоре, удельный противодействующий момент, а также электрическое сопротивление катушки. Однако влияние температурного изменения магнитной индукции и противодействующего момента компенсируют друг друга, влияние же изменения сопротивления уменьшается за счет применения схем термокомпенсации [3].

На основе магнитоэлектрических ИП с механическим противодействую-

щим моментом создано большое количество разнообразных амперметров,

вольтметров, гальванометров и омметров. В ряде случаев используются магнитоэлектрические логометрические преобразователи (рисунок 2.2).

Для того чтобы обеспечить возможность создания электрическим путем

как вращающего, так и противодействующего моментов, подвижная часть преобразователя состоит из двух неподвижно закрепленных на полуосях катушек 1 и 2 и стрелки 4 с противовесами 5. Упругие элементы для создания механического противодействующего момента здесь отсутствуют. Токи к катушкам 1 и 2 подводятся с помощью безмоментных (неупругих) проводников, выполненных чаще всего из бронзы.




Рисунок 2.2 – Магнитоэлектрический логометрический преобразователь
При протекании по катушкам 1 и 2 токов, например I1 и I2, их магнитные

поля, взаимодействуя с полем в зазоре, где находятся катушки, создают моменты М1 и М2. Направление токов I1 и I2 выбираются такими, чтобы указанные моменты были направлены противоположно друг другу. Тогда один из моментов можно рассматривать как вращающий, а второй - как противодействующий.

Эти моменты (по крайней мере один из двух) должны зависеть от угла ? (см.

рисунок 2.1) поворота подвижной части. Наиболее просто зависимости М1 и

М2 от ? можно добиться созданием в зазоре неравномерного поля, у которого

В является функцией угла ?. Технически осуществить его можно, сделав сам

зазор неравномерным, например, путем использования эллипсоидального сердечника 3, как это показано на рисунке 2.2. В остальном конструкция логометрического преобразователя аналогична конструкции магнитоэлектрического преобразователя, приведенной на рисунке 2.1.

Моменты, действующие на подвижную часть логометрического преобра-

зователя, можно выразить по аналогии о формулой (2.3) следующими соотно-

шениями:
М1 = В(?)s1w1I1;

M2 = B(?)s2w2I2,
где S1, w1 и S2, w2 - параметры первой и второй катушек соответственно; ?

- угол между катушками.

Подвижная часть будет в состоянии равновесия при условии М1 = М2, т.е.
B(?) s1 w1 I1 = B(?-?) s2 w2 I2 , (2.6)
Или
(2.7)
Разрешив (2.7) относительно ?, можно в общем случае записать выраже-

ние
(2.8)
из которого видно, что отклонение подвижной части однозначно определяется отношением токов в катушках.

При отсутствии токов в катушках подвижная часть логометрического пре-

образователя может находиться в произвольном положении, так как механизм

не содержит упругих элементов (спиральных пружин), однозначно определяющих начальное положение подвижной части преобразователя.

2.2 Магнитоэлектрические приборы постоянного тока

Самыми разнообразными по номенклатуре и наиболее широко используе-

мыми приборами, создаваемыми на основе магнитоэлектрических преобразователей, являются амперметры, вольтметры, гальванометры и омметры для измерений в цепях постоянного тока.

Амперметры. Как уже отмечалось ранее, магнитоэлектрические измери-

тельные механизмы могут непосредственно использоваться для измерений силы электрического тока. Для этого они включаются в электрическую цепь по следовательно с участком, ток через который необходимо измерить (рису-

нок 2.3,а). Внутреннее сопротивление RА такого амперметра равно сумме внутреннего сопротивления измерительного механизма Ri и термокомпенсирущего резистора RТК (рисунок 2.3,б), если последний используется в амперметре. Сопротивление Ri представляет собой последовательно соединенные сопротивление катушки преобразователя RК и сопротивление токоподводящих элементов RТ, т.е. Ri = RК + RT. Таким образом, внутреннее сопротивление амперметра равно либо RA = Ri - для амперметра, не содержащего термокомпенсирующих преобразователей, либо RA = Ri + RTK - для амперметра, содержащего термокомпенсирующий резистор RTK.

Так как RA в обоих случаях является конечной величиной, режим электри-

ческой цепи после включения в нее амперметра изменится, т.е. измеренное значение тока IИЗМ, протекающего через нагрузку RH при включении в цепь амперметра, будет отличаться от действительного значения тока I, протекающего через RH до начала измерений. Однако данная погрешность является систематической и может быть вычислена и исключена из результата измерений.



а б

Рисунок 2.3 – Амперметр на базе магнитоэлектрического преобразователя
Вычислить с помощью амперметра погрешность измерения тока, обуслов-

ленную конечным сопротивлением прибора, можно по формуле
(2.9)
Знак "минус" в формуле (2.9) показывает, что измеренное значение тока

IИЗМ всегда будет меньше действительного значения тока I.

Значение погрешности ?I не зависит от класса точности используемого ам-

перметра, а полностью определяется отношением RH/RA.

Для уменьшения ?I необходимо снижать внутреннее сопротивление ам-

перметра RA с тем, чтобы выполнялось условие RA << RH.

Температура влияет на магнитную индукцию в рабочем зазоре, удельный

противодействующий момент и внутреннее электрическое сопротивление преобразователя. Так, при повышении температуры индукция В уменьшается со скоростью 0,02 %/K, a удельный противодействующий момент КУД - со скоростью 0,02 - 0,04 %/К. Так как температурные изменения В и КУД примерно одинаковы, а их влияния на показания прибора, как следует из (2.4), противоположны, то в результате действия обоих факторов одновременно показания прибора практически не изменятся.

Для уменьшения температурной погрешности за счет изменения внутрен-

него сопротивления преобразователя используются измерительные термоком-

пенсирующие преобразователи. Простейшим из них является делительная цепь, (см. рисунок 2.3,б), образованная путем последовательного включения внутреннего термозависимого сопротивления Ri(t) и термокомпенсирующего

резистора RTK из материала с малым температурным коэффициентом

сопротивления (например манганина). Результирующий температурный

коэффициент сопротивления полученной цепи ? может быть рассчитан по

формуле
(2.10)
где ?М - температурный коэффициент сопротивления (ТКС) преобразова-

теля, определяемый глазным образом ТКС медной обмотки преобразователя.

Из (2.19) видно, что для уменьшения ?? необходимо использовать RTK с

большими значениями сопротивления, однако это ведет к значительному

уменьшению чувствительности амперметра. Более совершенными являются последовательно-параллельные термокомпенсирующие цепи, а также цепи с терморезисторами, мостовые цепи, цепи с термомагнитными шунтами и др.

Вольтметры. Магнитоэлектрические вольтметры образуются путем

включения измерительного преобразователя последовательно с добавочным резистором RД (рисунок 2.4,a). Полученный таким образом прибор подключается параллельно участку цепи, падение напряжения на котором необходимо измерить (рисунок 2.4,б).





а б

Рисунок 2.4 – Вольтметр на основе магнитоэлектрического преобразователя
Рисунок 2.4 – Вольтметр на основе магнитоэлектрического преобразователя

При измерении напряжения с помощью такого прибора возникает погреш-

ность измерения, обусловленная тем, что сопротивление прибора имеет конечное значение RV = Ri + RД и при его подключении к электрической цепи режим последней изменится. В результате этого измеренное значение напряжения UИЗМ на нагрузке RH после подключения к ней вольтметра будет отличаться от действительного напряжения U на RH до подключения вольтметра. Погрешность результата измерения ?U, возникающая при этом, является систематической и может быть вычислена но формуле
(2.11)
где R0 - внутреннее сопротивление источника питания Е.

Из формулы (2.11) видно, что для идеального источника ЭДС, у которого

R0 = 0, погрешность ?U = 0, т.е. результат измерения не зависит от внутреннего сопротивления вольтметра. Однако на практике такие источники ЭДС отсутствуют. Знак "минус" в формуле (2.11) показывает, что измеренное значение напряжения UИЗМ всегда будет меньше действительного значения U на сопротивлении нагрузки RH. Для уменьшения ?U необходимо использовать при измерениях вольтметры с высоким входным сопротивлением, чтобы выполнялось условие RV >> RH.

Для компенсации температурной погрешности используются те же измери-

тельные цепи, что и у амперметров.

Гальванометры. Гальванометрами называют высокочувствительные элек-

троизмерительные приборы, имеющие неградуированную шкалу и применяе-

мые в качестве нуль-индикаторов, а также после предварительной градуировки для измерения малых значений токов, напряжений, количеств электричества и других физических величин [13, 14].

Наиболее широкое распространение в практике получили магнитоэлектри-

ческие гальванометры. Конструктивно они делятся на два вида:

- переносные со встроенной шкалой, в которых могут использоваться как

стрелочные, так и световые отсчетные устройства;

- зеркальные со световым отсчетом и с отдельной шкалой, устанавливае-

мой на значительном расстоянии от гальванометра.

В переносных гальванометрах подвижная часть крепится на растяжках, в

стационарных - на подвесе.

Гальванометры могут также использоваться для определения равенства

двух токов. В этом случае их подвижная часть содержит не одну, а две обмот-

ки, по которым измеряемые токи протекают в противоположных направлениях.

Вращающий момент, а значит, и угол поворота подвижной части, определяются разностью токов, что позволяет сравнивать их значения с помощью такого дифференциального гальванометра.

Кроме того, гальванометры могут различаться постоянной времени под-

вижной части. Гальванометры с большой постоянной времени и используемые для измерения коротких импульсов тока (малых количеств электричества) называют б а л л и с т и ч е с к и м и. Большое значение постоянной времени у них достигается за счет увеличения момента инерции подвижной части.

Устройство магнитоэлектрического гальванометра принципиально мало

чем отличается от устройства магнитоэлектрического преобразователя, рас-

смотренного в подразделе 2.1. Отличия заключаются в том, что с целью повышения чувствительности прибора его подвижная часть крепится на растяжках или подвесе и используется отсчетное устройство со световым указателем (см. рисунок 1.5) и большой длиной луча. В отличие от обычных магнитоэлектрических преобразователей многие гальванометры имеют магнитный шунт, позволяющий механически изменять значение магнитной индукции в рабочем зазоре, а тем самым и чувствительность или постоянную прибора. Гальванометры также снабжаются корректором, служащим для изменения положения указателя относительно нулевой отметки, находящейся, как правило, в центре шкалы.

Большинство из них имеет арретир (см. подраздел 1.4). Движение подвижной части гальванометра описывается уравнением (1.9), решение которого (см. подраздел 1.2) определяется параметрами подвижной части. Характер решения, записываемого выражениями (1.5, 1.10, 1.11), однозначно зависит от степени успокоения подвижной части гальванометра. Исходя из анализа режимов движения подвижной части гальванометра (cм. рисунок 1.2) определяются ее оптимальные параметры. Кроме того, при повороте катушки гальванометра, подключенной к внешнему сопротивлению RВН, в ней возникает электрический ток, магнитное поле которого тормозит движение катушки. Из уравнения (1.9) при учете влияния указанного тока можно определить так называемое внешнее критическое сопротивление RВН.КР гальванометра. Под RВН.КР понимают наибольшее возможное значение сопротивления внешней цепи гальванометра, при котором его подвижная часть движется апериодически, но наиболее ускоренно. Значение RВН.КР указывается в паспорте прибора.

Основной характеристикой всех гальванометров является их чувствитель-

ность. Лучшие современные зеркальные гальванометры имеют чувствитель-

ность до 10-12 дел/А. Чувствительность переносных гальванометров со встроенной шкалой может достигать значений 10-9 дел/А. Для баллистических гальванометров наиболее важной характеристикой является баллистическая постоянная Сq, равная количеству электричества, соответствующего перемещению подвижной части на одно деление шкалы. Обратная баллистической постоянной Cq величина называется баллистической чувствительностью Sq гальванометра. Эти величины, кроме параметров самого гальванометра, зависят также от сопротивления внешней цепи, подключенной к прибору. Для баллистических гальванометров, кроме Сq (Sq), всегда указывается период колебаний подвижной части Т0, значение которого при точных измерениях должно в десятки раз превышать длительность измеряемых импульсов.

Омметры. На основе магнитоэлектрических преобразователей могут быть

созданы приборы для непосредственного измерения такого важного параметра электрических цепей, как электрическое сопротивление. Такие приборы получили название омметров. Простейший омметр представляет собой преобразователь, ток через который создается источником постоянного во времени напряжения и зависит от значения измеряемого сопротивления RX. Указанное сопротивление может быть включено последовательно или параллельно измерительному преобразователю (рисунок 2.5.a,б соответственно). Шкала прибора может быть при этом проградуирована в единицах сопротивления. Действительно, выразив с учетом (1.19) показание отсчетного устройства преобразователя через ток, протекающий по его катушке, получим для последовательной схемы

(2.12)
и для параллельной схемы
(2.13)
где Ri - внутреннее сопротивление преобразователя, на базе которого соз-

дан омметр; R - добавочный резистор, включенный в схему омметра постоянно.






а б

Рисунок 2.5 – Омметры на базе магнитоэлектрического преобразователя
Из (2.12, 2.13) следует, что при U = const показание прибора однозначно

определяется значением RX, так как остальные величины, входящие в правые

части выражений, в процессе измерения не меняются. Шкалы приборов, как

видно из указанных выражений, неравномерны. Для омметра с последовательным включением RX и преобразователя (рисунок 2.5,a) нулевому значению измеряемого сопротивления соответствует максимальное отклонение подвижной части преобразователя, т.е. нулевая отметка шкалы прибора находится, как правило, справа. У омметров с параллельным включением RX и преобразователя (рисунок 2.5,б) максимальному отклонению подвижной части соответствует RX = ., и шкалы таких приборов, как правило, градуируются от нуля до . слева направо. Как показывает анализ выражений (2.12, 2.13), омметры с последовательным включением RX и преобразователя обеспечивают более высокую точность измерения больших сопротивлений, а с параллельным соединением - малых сопротивлений.

Существенным недостатком рассматриваемых омметров, как видно из

(2.12, 2,13), является зависимость их показаний от значения напряжения пита-

ния U. Так как в качестве источника питания в таких омметрах обычно применяют батареи, для которых U . const, то перед измерением контролируется правильность показаний омметров. Это достигается установкой значения сопротивления RХ = 0 путем замыкания ключа К для схемы, приведенной на рисунке 2.5,а, а для схемы на рисунке 2.5,б - значения сопротивления RX = . путем размыкания ключа К. Ecли показания приборов отличаются от установленных значений RX, то изменением чувствительности прибора добиваются установки его показаний в соответствии со значением RX. С этой целью в магнитную систему прибора устанавливается магнитный шунт, представляющий собой ферромагнитную пластинку переменного сечения, которая, перемещаясь, шунтирует рабочий магнитный зазор преобразователя, т.е. изменяет индукцию В в зазоре, а значит в соответствии с (2.5) и чувствительность преобразователя. Таким образом, изменение U компенсируется за счет изменения Si и, как следует из (2.12, 2.13), характер шкалы омметра при этом не изменится.

Однако если на базе магнитоэлектрического преобразователя создан уни-

версальный прибор, например для измерения тока, напряжения и сопротивле-

ния, то использование магнитного шунта при измерении сопротивления не

представляется возможным, так как при измерениях тока и напряжения чувствительность преобразователя должна быть постоянной. В этом случае в простых и дешевых универсальных приборах первоначальную корректировку

показаний прибора (см. рисунок 2.5,a) на нулевую отметку осуществляют из-

менением сопротивления шунта RШ, включенного параллельно преобразователю (на рисунке показан штриховой линией), или изменением значения добавочного резистора RД. Первоначальную корректировку показаний прибора (см. рисунок 2.5,б) на отметку "." осуществляют изменением добавочного сопротивления RД, включенного последовательно с преобразователем (на рисунке показано штриховой линией), или изменением значения добавочного резистора RД.

В обоих случаях корректировка показаний прибора вызывает изменение

характера его шкалы - изменяется Ri либо RД в выражениях (2.12, 2.13). В ре-

зультате снижается точность измерений с помощью прибора.

Для изменения пределов измерений добавочный резистор R может заме-

няться делителем напряжения, со ступенчато изменяющимся коэффициентом

деления.

Класс точности данных омметров с учетом того, что шкала у них неравно-

мерная, определяется максимальным значением приведенной погрешности ?П, вычисляемой как отношение максимальной абсолютной погрешности .l прибора к длине шкалы l или ее части, соответствующей диапазону измерений. Классы точности рассмотренных омметров невысокие и находятся в пределах от 1 до 4 %. Выпускаются они, как правило, в виде переносных приборов, часто универсальных, предназначенных для измерения нескольких величин. Относительная погрешность измерения сопротивления ?RX c помощью таких омметров вычисляется через их класс точности, определяемый значением ??=∆I/L.При вычислениях ?RX удобнее выражать .l и l не в миллиметрах, а в

значениях углового отклонения указателя омметра .? и ?Н, где .? соответст-

вует максимальной абсолютной погрешности .R прибора, а ?Н - длине шкалы

прибора. Обе величины выражаются в углах: используется для этого любая

равномерная шкала, имеющуюся в универсальных приборах (см. Рисунок 2.5).

По этой же шкале определяется и значение угла отклонения указателя, соответствующее измеренному значению RX. Для шкалы рисунка 2.5,а значению RХ будет соответствовать угол ?Н - ?, а для шкалы рисунка 2.5,б – угол ?, так как направления отсчета RX для обеих шкал противоположны и для рисунка 2.5,a оно не совпадает с направлением отсчета угла по равномерной шкале. С учетом сказанного здесь приведенная погрешность ?П запишется в виде
(2.14)
а относительная погрешность измерения сопротивления ?RX с помощью омметра, показанного на рисунке 2.5,а, определится по формуле
(2.15)
Значение ?RX для омметра, выполненного по схеме, приведенной на рисун-

ке 2.5,б, определится формулой
(2.16)
Не требуют первоначальной установки нуля магнитоэлектрические оммет-

ры на базе логометрических преобразователей. Они также могут строиться по

последовательной и параллельной схемам (рисунок 2.6,а,б соответственно). Две различные схемы используются с целью уменьшения погрешности измерения, обусловленной влиянием сопротивлений R1 и R2 катушек 1 и 2 логометрического преобразователя при измерении больших и малых значений RX. В обеих схемах резисторы RД1, RД2 и RД3 - добавочные, постоянные, служащие для ограничения токов, протекающих через катушки 1 и 2 преобразователя, и для задания нужного характера шкалы прибора.








а б
Рисунок 2.6 – Схемы включения логометрических преобразователей при измерении больших сопротивлений
С учетом (2.8) для последовательной схемы можем записать:
(2.17)
Из полученного выражения видно, что показание прибора однозначно оп-

ределяется значением RX и не зависит от напряжения источника питания U, а

также от его полярности. Выражение, определяющее зависимость показаний

прибора от значений RX, можно получить и для параллельной схемы. Первая из схем применяется в омметрах для измерения больших значений сопротивлений, вторая - для измерения малых сопротивлений.

По своему конструктивному исполнению и назначению омметры на базе

логометрических преобразователей весьма разнообразны. Часто они выполняются в виде переносных мегомметров с автономным высоковольтным источником питания и предназначены для измерений сопротивлений изоляции кабелей в полевых и лабораторных условиях. Изготавливаются такие приборы с классами точности порядка 1,0 – 4,0 %.

2.3 Магнитоэлектрические преобразователи с преобразователями рода

тока

Вследствие целого ряда достоинств, присущих магнитоэлектрическим из-

мерительным преобразователям, их стремятся использовать для измерений в

цепях не только постоянного, но и переменного токов. Для этого необходимо

осуществить предварительное преобразование переменного тока в постоянный, который затем может быть измерен магнитоэлектрическими приборами постоянного тока.

Наиболее широкое применение в практике электрических измерений для

этих целей нашли выпрямительные, термоэлектрические и электронные изме-

рительные преобразователи переменного тока в постоянный. Рассмотрим уст-

ройство и принцип действия магнитоэлектрических преобразователей в сочетании с выпрямительными и термоэлектрическими преобразователями.

Термоэлектрические приборы. Соединение одного или нескольких тер-

моэлектрических преобразователей переменного тока в постоянный с магнитоэлектрическим измерительным преобразователем образует термоэлектрический прибор.

Термоэлектрический преобразователь представляет собой сочетание на-

гревателя АВ, по которому протекает измеряемый переменный ток I~, с одной

или несколькими термопарами. Такие преобразователи могут быть контактными и бесконтактными. Контактные нагреватели (рисунок 2.7,а,б) имеют с термопарой как тепловой, так и гальванический контакт. Бесконтактные преобразователи не имеют гальванической связи с термопарой (рисунок 2.7,в,г), а тепловой контакт обеспечивается за счет твердого диэлектрика (часто для этой цели используется капля стекла).

Нагреватель АВ изготавливается из тонкой проволоки, материал которой

обладает малым температурным коэффициентом сопротивления и не окисляется при длительных нагревах. Чаще всего для этих целей используются нихром, платиноиридий и другие материалы. В контактном термопреобразователе (рисунок 2.7,а) к середине нагревателя приваривается "рабочий спай" С термопары. "Термокрест", показанный на рисунке 2.7,б, также представляет собой контактный термопреобразователь, в котором нагреватель образован самими проводниками термопары. Недостатком "термокреста" является зависимость термоЭДС от направления протекания тока, так как при протекании тока в различных направлениях из-за явления Пельтье происходит выделение или поглощение тепла в рабочем спае. Указанный недостаток обусловливает различие градуировок прибора на постоянном и переменном токе.

В бесконтактных преобразователях отсутствие гальванической связи меж-

ду нагревателем и термопарой исключает ответвление измеряемого тока I~ в

цепь преобразователя, что позволяет повысить точность измерения, однако

чувствительность таких преобразователей ниже, чем контактных из-за худших условий теплопередачи от нагревателя к термопаре.








а б
в г

Рисунок 2.7 – Схемы амперметров переменного тока с магнитоэлектрическими и термоэлектрическими преобразователями
Повысить чувствительность бесконтактных преобразователей можно пу-

тем последовательного соединения термопар в так называемые термобатареи

(рисунок 2.7,г). ТермоЭДС на выходе такого преобразователя будет в n раз

больше, чем у преобразователя с одной термопарой (рисунок 2.7,в). К недостаткам бесконтактных термопреобразователей следует отнести также большую по сравнению с контактными преобразователями инерционность.

ТермоЭДС, возникающая на свободных ("холодных") концах M,N термо-

пары (в любом из рассмотренных преобразователей) и воздействующая на магнитоэлектрический преобразователь, пропорциональна разности температур рабочих С и свободных концов термопары. Если учесть, что нагрев рабочих концов термопары обусловлен тепловым действием измеряемого тока I~, то значение термоЭДС ЕТ можно записать в виде
(2.18)
где kT - коэффициент, зависящий от свойств преобразователя.

Под воздействием ЕT через магнитоэлектрический преобразователь будет

протекать ток I=, равный
(2.19)
где Ri и RT - соответственно внутреннее сопротивление преобразователя и

термопары.

С учетом выражения (2.4) показание прибора запишется в виде
(2.20)
где - чувствительность термоэлектрического амперметра.
Из формулы (2.17) следует, что термоэлектрические амперметры могут ис-

пользоваться при измерениях в цепях как постоянного, так и переменного то-

ков. Однако практически указанные приборы не применяют для измерения постоянных токов, так как в этом случае более целесообразным является использование магнитоэлектрических амперметров без преобразователей рода тока.

При использовании термоэлектрических амперметров для измерений в це-

пях переменных токов их показания не зависят от формы кривой измеряемого

сигнала. Другим достоинством данных приборов является также широкий частотный диапазон, в котором они могут работать при удовлетворительной точности. Для современных приборов диапазон рабочих частот составляет от постоянного тока до 100 МГц. На более высоких частотах погрешность измерения существенно увеличивается из-за увеличения сопротивления нагревателя вследствие поверхностного эффекта, а также из-за влияния паразитных реактивностей термоэлектрического преобразователя (особенно контактного).

К недостаткам термоэлектрических приборов следует отнести зависимость

их показаний от изменения температуры окружающей среды, большое собст-

венное потребление мощности, низкую перегрузочную способность и неболь-

шой срок службы термопар, при смене которых требуется дополнительная градуировка прибора – корректировка функции преобразования.

Однако, несмотря на данные недостатки, термоэлектрические приборы

широко применяются для измерений в диапазоне высоких частот, где они яв-

ляются практически единственно пригодными приборами.

В реальных термоэлектрических амперметрах последовательно с магнито-

электрическим преобразователем включается подгоночный резистор для регулировки чувствительности прибора при смене термопреобразователей. Выполняется резистор из манганина и одновременно служит как термокомпенсирующий элемент для снижения температурной погрешности.

Расширение пределов измерений термоэлектрических амперметров до 1 А

осуществляется путем переключения отдельных термопреобразователей с различной чувствительностью. Для измерения токов, больших 1 А, расширение пределов проводится с помощью измерительных трансформаторов тока (см. подраздел 6.2).

Термоэлектрические вольтметры выполняются на базе амперметров путем

включения последовательно с ними добавочного резистора RД (рисунок 2.8),

имеющего большое сопротивление.

Под воздействием измеряемого напряжения U~ в цепи нагревателя АВ и

добавочного резистора RД будет протекать ток I~, равный
(2.21)
где RH - сопротивление нагревателя.







Рисунок 2.8 – Схема вольтметра переменного тока с магнитоэлектрическим и термоэлектрическим преобразователями

Используя формулы (2.15 – 2.17), с учетом (2.18) можно получить уравне-

ние преобразования для термоэлектрического вольтметра, связывающее пока-

зание прибора ? c измеряемым напряжением U~:
(2.22)
где - чувствительность термоэлектрического

вольтметра.

Характер шкалы и свойства термоэлектрических вольтметров аналогичны

рассмотренным ранее амперметрам (за исключением внутреннего сопротивления). Частотный диапазон у вольтметров несколько уже из-за влияния на высоких частотах паразитных реактивностей RД. Расширение пределов измерения :вольтметров осуществляется с помощью добавочных резисторов.

Для повышения чувствительности термоэлектрических приборов в их из-

мерительную цепь могут вводиться усилители постоянного тока, например

фотогальванометрические [2, 13].

Выпрямительные приборы. Выпрямительными называют электроизмери-

тельные приборы, в которых магнитоэлектрический преобразователь используется в сочетании с преобразователем переменного электрического тока в постоянный, представляющим собой полупроводниковый выпрямитель. В зависимости от схемы самого выпрямителя и его соединения с преобразователем различают приборы с однополупериодным (рисунок 2.9,а) и двухполупериодным выпрямлением (рисунок 2.9,б,в).

В схемах с однополупериодным выпрямлением в течение одного полупе-

риода переменного тока открыт диод V1 и ток протекает через преобразова-

тель, а во время второго полупериода ток проходит через открытый диод V2 и резистор R2, предназначенные для выравнивания входных сопротивлений прибора в оба полупериода и защиты диода V1 от пробоя при обратном для него полупериоде (для вольтметров).




а б в

Рисунок 2.9 – Схемы включения измерительных преобразователей в выпрямительные приборы
В схемах с двухполупериодным выпрямлением ток через преобразователь протекает во время обоих полупериодов в одном и том же направлении (рисунок 2.9,б), в результате чего чувствительность прибора возрастает вдвое. На практике двухполупериодные мостовые выпрямительные схемы выполняют лишь на двух диодах, например, V1, V2 (рисунок 2.9,в) или V1, V3, а два других заменяют резисторами. Это уменьшает температурную погрешность, вызванную нестабильностью характеристик диодов, однако в таком случае преобразователь должен иметь более высокую чувствительность, поскольку через него проходит лишь часть тока.

При измерении с помощью выпрямительного амперметра переменного то-

ка i = Im sin ?t на подвижную часть преобразователя будет действовать вра-

щающий момент, определяемый мгновенными значениями пульсирующего тока iп = Im |sin ?t|, протекающего через катушку преобразователя:
МСР(t) = Bswiп.
Однако, вследствие инерции подвижной части отклонение ее будет про-

порционально среднему за период значению вращающего момента МВР, и в результате показание прибора с однополупериодном выпрямлением можно записать в виде
(2.23)
где

Bsw - чувствительность выпрямительного амперметра; Т, IСР -

период и средневыпрямленное значение измеряемого тока I~.

Для выпрямительных амперметров с двухполупериодным выпрямлением

показание запишется следующим образом:
(2.24)
Из выражений (2.23, 2.24) следует, что показания выпрямительных ампер-

метров пропорциональны средневыпрямленному значению IСР измеряемого тока. Однако при измерениях в цепях переменного тока чаще определяют среднеквадратическое значение тока I, которое связано со средневыпрямленным значением ICР через коэффициент формы КФ:
(2.25)
Показание амперметра с двухполупериодным выпрямлением в средне-

квадратических значениях выразится формулой
(2.26)
Таким образом, выпрямительные амперметры могут быть проградуирова-

ны в среднеквадратических значениях, однако градуировка будет справедлива только для заданной формы кривой, т.е. показания амперметров в общем случае зависят от формы кривой измеряемого сигнала. Чаще всего градуировка проводится для синусоидальных сигналов, для которых КФ = 1,1.

Основными источниками погрешностей выпрямительных амперметров яв-

ляются: зависимость коэффициента выпрямления диодов от температуры, не-

линейность их характеристик, влияние паразитных реактивностей диодов, а

также влияние формы кривой измеряемого тока. Для снижения погрешностей

обычно используются различные компенсирующие измерительные цепи. Однако практически погрешность измерения тока не удается сделать меньше ±1,5 %.

Диапазон рабочих частот для выпрямительных амперметров неширок и для

приборов без специальной частотной коррекции ограничивается частотами

500…2000 Гц (главным образом из-за шунтирующего действия емкости дио-

дов), а для приборов с частотной коррекцией расширяется до нескольких десятков килогерц. При этом погрешность возрастает до ±5 %.

Основными достоинствами выпрямительных амперметров являются их

высокая чувствительность и малое собственное потребление мощности от объекта измерения.

Расширение пределов измерения амперметров осуществляется с по-

мощью шунтов или измерительных трансформаторов тока при измерениях

больших токов (см. подраздел 6.2).

Выпрямительные вольтметры образуются на базе амперметров путем

включения последовательно с ними добавочного резистора RД с большим со-

противлением (рисунок 2.10).




Рисунок 2.10 – Выпрямительный вольтметр на базе магнитоэлектрического преобразователя

Под воздействием измеряемого напряжения U~ в цепи, состоящей из выпрямительного амперметра и добавочного сопротивления RД, будет протекать ток
(2.27)
где RA - сопротивление выпрямительного амперметра.

Используя формулы (2.26, 2.27), можно получить уравнение преобразова-

ния для выпрямительного вольтметра, связывающее показание прибора . с из-

меряемым напряжением U~.
(2.28)
где - чувствительность выпрямительного вольтметра.

Свойства выпрямительных вольтметров принципиально не отличаются от

свойств аналогичных амперметров (за исключением внутреннего сопротивле-

ния).

Расширение пределов измерения вольтметров проводится с помощью до-

бавочных резисторов и измерительных трансформаторов напряжения (п. 6.2).

Практически выпрямительные приборы чаще всего выполняются в виде

комбинированных многопредельных приборов для измерения токов, напряжений и сопротивлений. Такие приборы получили название ампервольтомметров (сокращенно авометров) или тестеров.
  1   2   3


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации