Электромеханических приборов

ГЛАВА ТЕХНИКА

 

ОБОБЩЕННОЕ УРАВНЕНИЕ ШКАЛЫ

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

АНАЛОГОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ

ПРИБОРЫ

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

МОСТЫ И КОМПЕНСАТОРЫ

ИЗМЕРИТЕЛИ ПАРАМЕТРОВ МАГНИТНЫХ

ПОЛЕЙ

ЦИФРОВАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

 

Рассматриваются принципы работы, метрологические характеристики, области применения, достоинства, недостатки и погрешности аналоговых и цифровых измерительных приборов.

Цель главы – изучить физические принципы работы, функциональные схемы, способы обработки сигналов, метрологические характеристики, области применения, достоинства, недостатки, погрешности аналоговых электромеханических, электронных, автоматических и цифровых измерительных приборов; особенности эксплуатации приборов непосредственной оценки и сравнения их метрологических надежностей.

 

 

ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ГЛАВЫ НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ

 

· Области применения, достоинства и недостатки магнитоэлектрических приборов.

· Области применения, достоинства и недостатки выпрямительных приборов.

· Области применения, достоинства и недостатки аналоговых электронных вольтметров.

· Особенности электромагнитных амперметров и вольтметров, их частотные погрешности.

· Области применения электродинамических ваттметров и логометров.

· Уникальные достоинства электростатических вольтметров.

· Принципы работы и схемы включения индукционных и электронных счетчиков электрической энергии.

· Измерительные возможности классных электронных осциллографов.

· Области применения измерительных мостов постоянного и переменного тока и автоматических мостов.

· Принципы работы и достоинства измерений напряжений и э.д.с. компенсаторами постоянного и переменного тока.

· Методы и приборы для измерения параметров магнитных полей.

· Структурные схемы цифровых приборов прямого преобразования и сравнения (частотомеры, цифровые вольтметры и мультиметры).

· Разновидности информационно-измерительных систем и области их применения.

АНАЛОГОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Приборы представляют собой соединение выпрямительного преобразователя на полупроводниковых диодах и высокочувствительного магнитоэлектрического измерительного механизма (см. п.1).

В выпрямительных приборах используются одно- и двухполупериодные схемы выпрямления. При использовании схемы однополупериодного выпрямления (рис. 3.5) через измерительный механизм проходит только одна полуволна переменного тока, а обратная пропускается через диод Д₂ и резистор R, включенные параллельно основному диоду Д₁ и прибору. Цепь диода Д₂ и резистора R=R_пр используют в амперметрах для выравнивания обоих полуволн тока в общей цепи, а также для защиты диода Д₁ от пробоя при обратной полуволне напряжения.

Т.к. постоянная времени прибора значительно больше периода пульсирующего тока, протекающего через измерительный механизм, то измеряется среднее значение тока за полуволну

или при синусоидальном токе

Отсюда

Подставим значение тока в обобщенное уравнение шкалы (формула 3.2), получим

,

где - коэффициент формы переменного тока, I – действующее значение переменного тока.

Из уравнения шкалы следует, что показания выпрямительных приборов зависят от формы измеряемого напряжения или тока, однако, т.к. шкалы приборов градуируются в действующих значениях, то их показания правильны только для синусоидальных напряжений или токов.

В выпрямительных вольтметрах обычно применяют двухполупериодные схемы, увеличивающие чувствительность прибора в два раза.

Основные достоинства выпрямительных приборов – высокая чувствительность, малое потребление мощности от измеряемой цепи, возможность работы на повышенных частотах. Применяются как щитовые, так и переносные приборы. Примером переносного выпрямительного прибора может служить прибор типа Ц 4311, имеющий на постоянном токе класс точности 0.5, на переменном токе – 1.0. Прибор снабжен контактным защитным устройством. Частотный диапазон от 45 до 8000 Гц. Зависимость показаний приборов от частоты связана со значительной проходной емкостью полупроводниковых диодов, уменьшающей выпрямительный эффект с ростом частоты, т.е. с ростом частоты измеряемого тока или напряжения показания должны уменьшаться. Для расширения частотного диапазона применяют корректирующие частотно-зависимые цепочки индуктивного или емкостного характера, которые вызывают рост показаний на частотах выше указанного диапазона.

 

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Принцип действия электродинамических приборов основан на взаимодействии полей двух катушек с токами, одна из которых неподвижна.

Электрокинетическая энергия двух катушек с токами

 

,

где L₁ и L₂ – индуктивности подвижной и неподвижной катушек, I₁ и I₂ – токи в этих катушках, - взаимная индуктивность катушек.

От угла поворота зависит только взаимная индуктивность М, тогда, с учетом формулы (3.2), получим уравнение шкалы в виде

, (3.7)

т.е. механизм электродинамической системы в принципе является перемножающим электромеханическим устройством.

Если по катушкам протекают переменные токи, например, синусоидальной формы

 

и ,

то уравнение шкалы запишется в виде

 

, (3.8)

где j = j₁ - j₂ – угол сдвига фаз между токами в катушках.

Т.о. угол отклонения у этих механизмов при переменных токах i₁и i₂ зависит от произведения токов и их разности фаз. Это дает возможность использовать приборы электродинамической системы не только в качестве амперметров и вольтметров, но и качестве ваттметров, а с применением двух подвижных рамок, скрепленных между собой под некоторым углом (логометры) – в качестве фазометров.

Амперметры. В амперметрах катушки могут быть соединены последовательно (рис. 3.8) или параллельно. Параллельное соединение применяется у амперметров относительно больших токов (до 10 А).

Последовательное соединение применяют в миллиамперметрах и амперметрах до 0.5 А. Такие токи не способны повредить тонкие токоподводящие пружинки.

В последовательной схеме амперметра I₁=I₂=I, φ₁-φ₂=0, уравнение шкалы для переменных токов (3.8) сводится к виду

,

 

т.е. при условии, что угол поворота стрелки квадратично зависит от тока протекающего в катушках. Следовательно, будет измеряться действующее значение тока. Однако шкала нелинейна, и для ее линеаризации подбирают формы и расположение катушек таким образом, чтобы не оставалось постоянным, а существенно зависело от угла между подвижной и неподвижной катушками.

В параллельной схеме амперметров I₁=k₁I и I₂=k₂I, а разность фаз также обеспечивается равной нулю установкой дополнительных индуктивностей в цепях основных катушек. Электродинамические амперметры обладают частотными погрешностями, т.к. суммарное полное сопротивление зависит от частоты тока. Однако в настоящее время это самые точные приборы для измерения переменных токов промышленной частоты в диапазоне от 10 мА до 10 А.

Вольтметры. Для увеличения внутреннего сопротивления обе катушки у вольтметров включается только последовательно с применением добавочного резистора R_ДОБ (рис. 3.9), уменьшающего ток через прибор. При последовательном включении катушек I₁=I₂=I, при общем сопротивлении цепи прибора Z_п=Z₁+Z₂+R_ДОБ, с учетом формулы (3.7), уравнение шкалы вольтметра примет вид

.

Как и в случае амперметров, изменением добиваются почти равномерного характера шкалы у вольтметров.

Обычно вольтметры выполняются многопредельными с помощью добавочных резисторов. Применяются для непосредственного измерения напряжений до 600 В.

При измерении высоких напряжений применяют измерительные трансформаторы напряжений (§ 3.2).

Электродинамические вольтметры обладают частотными погрешностями, которые могут быть вычислены по формуле

 

,

где δ_f – относительная частотная погрешность на частоте f, τ=L_V/R_V – постоянная прибора, L_V – суммарная индуктивность катушек, R_V – общее сопротивление вольтметра с учетом R_ДОБ.

Возможна коррекция частоты и компенсация частотной погрешности (δ_f=0) на частоте , где С_ДОБ – емкость, подключаемая параллельно добавочному резистору.

Ваттметры. При построении ваттметров используют тот факт, что угол отклонения электродинамического механизма пропорционален произведению токов в катушках (см. формулу 3.7).

Из рис. 3.10 видно, что схема включения катушек ваттметра при изменении мощности, потребляемой нагрузкой Z_Н, обеспечивает перемножение токов и I₁=I_Н. Подвижная катушка включается параллельно как вольтметр, а неподвижная последовательно как амперметр. С учетом этого уравнение шкалы для ваттметра

 

,

где Z_V – полное сопротивление вольтовой обмотки, cos φ – угол сдвига фаз между током и напряжением в нагрузке.

Уравнение шкалы ваттметра имеет линейный характер, причем показания будут пропорциональны активной мощности. Классы точности многопредельных лабораторных ваттметров достаточно высоки (0.2, 0.1). Диапазон измеряемых мощностей от несколько ватт до нескольких киловатт. Измерения могут выполняться как на постоянном токе, так и на токах промышленной частоты.

Погрешности электродинамических ваттметров возникают из-за температурных влияний и наличия внешних магнитных полей. При повышении частоты до нескольких сот герц существенными становятся также частотные погрешности, обусловленные ростом индуктивного сопротивления катушек, приводящим к уменьшению вращающего момента.

Для увеличения чувствительности и уменьшения влияния внешних магнитных полей неподвижная катушка может иметь магнитомягкий сердечник, между полюсами которого размещается подвижная катушка. Также приборы получили название ферродинамических.

Электродинамические логометры. В логометри-ческих измерительных механизмах подвижная часть вы-полняется в виде двух жестко скрепленных между собой катушек, помещенных внутри неподвижной катушки с током I. По обмоткам подвижных катушек протекает токи I₁ и I₂, которые подводятся с помощью металлических лент, практически не имеющих противодействующего момента (рис. 3.11).

Вращающие моменты, создаваемые воздействием неподвижной катушки с током I с магнитными полями подвижных катушек с токами I₁ и I₂, направлены встречно. Т.о. момент первой катушки – вращающий, момент второй – противодействующий. Уравнение шкалы принимает вид

 

,

если обеспечить равенство I₁ = I₂ по модулю, то шкалу прибора можно градуировать в φ или в cosφ. Такие приборы применяются для измерения cosφ - фазометры и для измерения частот – частотомеры. У последних используется зависимость угла отклонения от отношения сопротивления в цепях подвижных рамок, т.е. . Если, например, I₂ не зивисит от частоты, то при добавлении конденсатора в цепь подвижной обмотки за счет резонанса происходит изменение Z₁. Следовательно шкала прибора может быть градуирована в единицах частоты, т.к. .

Электродинамические частотомеры выпускаются для измерения частоты в узком диапазоне (45-55, 450-550 Гц), классов точности 1, 1.5. Фазометры – в виде переносных приборов с диапазоном измерений угла φ от 0⁰ до 90⁰ и cosφ от 0 до 1 для индуктивной и емкостной нагрузки, классы точности 0.2, 0.5.

 

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

ЭЛЕКТРОННЫЕ ОММЕТРЫ

В основе работы электронных омметров лежит преобразование измеряемого сопротивления R_x в функционально связанное с ним напряжение постоянного тока, которое подается на магнитоэлектрический измерительный механизм (см. § 3.3, п.1). При этом шкала измерительного механизма градуируется в единицах сопротивления.

Наибольшее распространение получили схемы омметров (рис. 3.17) с источником стабильного напряжения U₀ 1, с усилителем постоянного тока 2 и измерительным механизмом 3.

Усилитель постоянного напряжения имеет большое входное сопротивление, поэтому, пренебрегая его шунтирующим действием, имеем

,

где α – угол отклонения измерительного прибора 3, k – коэффициент преобразования усилителя и измерительного прибора, U_x – напряжение, связанное функционально с измеряемым сопротивлением R_x, R₀ – известное (образцовое) сопротивление.

Из уравнения шкалы видно, что в широком диапазоне измеряемых сопротивлений, шкала таких омметров неравномерна. Для повышения точности измерения диапазон разбивают на поддиапазоны, каждому из которых соответствует свое значение R₀. Вместо усилителя постоянного тока могут применяться операционные усилители.

Рассмотренная схема применяется в универсальных вольтметрах типа В7-17, В7-22А и другие. Диапазоны измерения сопротивлений от 10 Ом до 1000 МОм, основная погрешность не превышает ±2.5 %.

В электронных тераомметрах измеряющих сопротивление до 10¹² Ом, для уменьшения погрешностей применяют другое включение R_x и R₀, т.е. R_x и R₀ меняются местами, чтобы не применять большие сопротивления R₀. Шкала такого тераомметра тоже неравномерна, поскольку уравнение шкалы принимает вид: , где S_U – чувствительность прибора по напряжению магнитоэлектрической системы 3.

 

ЭЛЕКТРОННЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Электронные осциллографы применяются для наблюдения, регистрации и измерения изменяющихся процессов во времени. Наиболее распространены универсальные осцил-лографы предназначенные для наблюдения и измерения периодических и непериодических сигналов непрерывного и импульсного характера в широком (до 100 МГц) диапазоне частот.

В зависимости от качества воспроизведения прямоугольных импульсов, от точности измерения времени, частоты и амплитуды все универсальные осциллографы делятся на три класса точности с пределом допускаемых погрешностей ±3%, ±5%, ±10%. Эти осциллографы снабжаются стабильными калибро-вочными генераторами прямоугольных импульсов. Например, в осциллографе типа С1-68 (кл. III) имеется калибровочный генератор с амплитудой импульсов 0.1 В и с частотой следования этих импульсов 2 кГц.

Принцип работы электронных осциллографов заключается в следующем (рис. 3.18). На горизонтально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки 1 подается через усилитель 4 напряжение горизонтальной развертки, вырабатываемое генератором горизонтальной развертки 2. Это напряжение имеет линейно возрастающую форму для обеспечения равномерного хода луча слева направо. Наблюдаемый сигнал подается на вторую пару пластин (горизонтально расположенную) через усилитель вертикального отклонения 5. Т.о. осуществляется развертка по времени изучаемого сигнала. Для получения устойчивого изображения сигнала необходима его синхронизация с развертывающим (пилообразным) напряжением. Синхронизация осуществляется через блок синхронизации 3, обеспечивающий одновременный запуск генератора развертки 2 с приходом начала сигнала. При равенстве периодов развертки и исследуемого сигнала (Т_р=Т_с) изображение на экране будет неподвижно. Оно будет неподвижно и в общем случае: Т_р=nТ_с, где n – целое число, т.е. при кратности периодов (частот) развертки и сигнала. Режим синхронизации может быть внутренним или внешним. Генератор развертки может работать в двух режимах: непрерывном и ждущем.

При непрерывной развертке каждый последующий цикл пилообразного напряжения непрерывно следует за предыдущим. Для изучения импульсной последовательности большой скважности и непериодических импульсов используется ждущая развертка, при которой напряжение развертки подается на горизонтально отклоняющие пластины только тогда, когда исследуемый импульс поступает на вход вертикально отклоняющих пластин.

В некоторых случаях вместо линейной развертки используют круговую или спиральную.

 

 

МОСТЫ И КОМПЕНСАТОРЫ

 

АВТОМАТИЧЕСКИЕ МОСТЫ

Автоматизация производственных операций потребовала создания автоматических устройств широкого применения для измерения сопротивлений, емкостей, индуктивностей и, связанных с ними, неэлектрических физических величин, например, температуры, давления, расхода вещества и т.д.

Для целей преобразования параметров L, R, C в напряжение или ток удобно применять мостовые электрические схемы. Т.о. изменение различных неэлектрических величин с помощью моста преобразуется в приращение напряжения на измерительных диагоналях мостовой схемы.

Рассмотрим принцип автоматического уравновешивания мостовой схемы на примере широко применяемых мостов типа КСМ4, в качестве резистивных преобразователей, у которых применяются стандартные медные или платиновые датчики температуры (рис. 3.20).

Схема представляет собой обыч-ный одинарный мост переменного тока (см. п.2), уравновешивание которого достигается перемещением ползунка реохорда при помощи реверсивного двигателя РД, ротор которого вращается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие моста, т.е. напряжение на выходе усилителя У не уменьшится до порога чувствительности двигателя.

Одновременно с перемещением ползунка, происходит движение указателя и пера регистрирующего устройства. Питание моста обычно производится переменным током, поскольку электронный усилитель У переменного тока не обладает дрейфом нуля в отличии от усилителя постоянного тока.

Шкала такого автоматического моста градуируется в единицах температуры и справедлива для стандартного резистивного датчика температуры, изготовленного из меди или платины.

Приведенная погрешность таких мостов равна 0.2 – 0.5 %, быстродействие 1-2 с.

 

МИЛЛИВЕБЕРМЕТРЫ

В этих приборах применяется магнитоэлектрическая система без противодействующего момента, являющаяся интегрирующим устройством, т.е. реагирующим на количество электричества. К такому прибору подключается измерительная катушка, которая выполняет роль преобразователя магнитной величины в ЭДС электромагнитной индукции (рис. 3.24).

По закону электромагнитной индукции, если измеряемый магнитный поток Ф сцеплен с катушкой, то в последней возникает ЭДС, определяемая формулой

, (3.9)

где w_к - число витков измерительной катушки, помещенной в измеряемый поток.

Выражение 3.9 можно преобразовать к виду

.

В приборе осуществляется режим баллистического гальванометра, т.е. интегрирование:

 

или . (3.10)

 

Из этого выражения следует, что изменение потока за время Δt₂-Δt₁ определяется интегралом ЭДС в указанном временном интервале.

Для измерения постоянного магнитного потока при помощи режима баллистического гальванометра, собирается простая цепь, состоящая из измерительной катушки с числом витков w_к и сопротивлением R_к. Измерительная катушка, помещенная в магнитный поток, быстро выносится из области измеряемого магнитного поля. Возникающий при этом импульс ЭДС уравновешивается падением напряжения в цепи: e=iR+L(di/dt), где i – мгновенное значение тока, R = R_к + R_и – активное сопротивление цепи, L – ее индуктивность.

Учитывая операции, указанные в формулах 3.9 и 3.10, а также то,что ток i в момент времени t₁ и t₂ равен нулю и, допуская что R≈0, а L = const, получим

 

w_кФ = ВS_BW_B∆α,

где Ф = ΔФ – изменение измеряемого потока за время от t₁ до t₂, В, s_B, w_B – соответственно индукция постоянного магнита, площадь и число витков рамки измерительного прибора.

Величина С_В = W_BS_BB – постоянная веберметра.

 

Окончательно можно записать:

.

Из этого выражения видно, что изменение угла поворота внутренней рамки веберметра (абсолютное приращение числа делений) пропорционально изменению потока в измерительной катушке.

Применяют веберметры не только магнитоэлектрические, но и фотогальванические и электронные.

Верхние пределы измерений магнитоэлектрических веберметров от 0.5 до 10 мВб, электронных аналоговых – от 0,025 до 2,5 мВб, цифровых – от 0,1 до 0,01 мВб. Основная приведенная погрешность цифрового веберметра ± 0,5 %, а для остальных видов – ± (1,0; 1,5; 2,5; 4) %.

 

ЦИФРОВОЙ МУЛЬТИМЕТР

В основе принципа построения цифровых мультиметров, т.е. приборов, измеряющих различные физические величины (постоянные и переменные напряжения и токи, сопротивления, частоты, емкости конденсаторов и др.), лежит способ предварительного преобразования измеряемой величины в напряжение постоянного тока с дальнейшим использованием схемы цифрового вольтметра постоянного тока. Также, как и в АЦП, в цифровых мультиметрах используют время-импульсное или частотно-импульсное преобразование либо принцип поразрядного уравновешивания. Рассмотрим упрощенную структурную схему цифрового мультиметра с вольтметром постоянного напряжения, работающим на принципе время-импульсного преобразования (рис. 3.28).

 

 

Прибор имеет четыре функции:

- измерение постоянных напряжений (переключатель ПР в положении 1);

- измерение переменных напряжений (переключатель в положении 2), при этом применяется специальная схема выпрямления напряжений (10);

- измерение сопротивлений постоянному току, при этом сопротивление в блоке (11) преобразуется в напряжение постоянного тока;

- измерение емкости (переключатель в положении 4), при этом в блоке (12) емкость должна преобразовываться в постоянное напряжение.

Т.о. при измерении постоянных, переменных напряжений, сопротивлений постоянному току и емкостей конденсаторов на вход формирующего устройства (1) подается напряжение постоянного тока, которое пропорционально измеряемой величине. Остальная часть схемы, состоящая из компаратора (2), электронного ключа (3), счетчика импульсов (4), генератора линейно возрастающего напряжения (7), генератора кратковременных стабильных импульсов (8) и блока управления (9), есть схема АЦП (см. п.1), преобразующая напряжение в количество импульсов. Элемент схемы 5 преобразует количество импульсов в десятичный код, значение которого подается на цифровое отсчетное устройство (6).

Достоинства мультиметров: многофункциональность, быстродействие, высокая точность, высокая помехозащищенность, удобство отсчета, т.к. результат измерения высвечивается в десятичной системе счисления, причем одновременно высвечиваются и единицы измерения, т.е. практически исключаются субъективные ошибки и промахи.

 

ГЛАВА ТЕХНИКА

 

ОБОБЩЕННОЕ УРАВНЕНИЕ ШКАЛЫ

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ