Учреждение образования «гродненский государственный университет имени янки купалы» С. В. Васильев, В. И. Недолугов

ГЛАВА 2.^ АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ 2.1. Общие сведения Измерительный прибор (ИП) – наиболее распространенный вид средств измерений. Все ИП можно поделить на две большие груп­пы: аналоговые и цифровые. ^ Аналоговые измерительные приборы (АИП) – это такие прибо­ры, показания которых – являются непрерывной функцией измене­ния входной измеряемой величины (могущей принимать беско­нечное множество значений в определенном диапазоне). Группу АИП можно представить двумя подгруппами: приборы для стати­ческих измерений (вольтметры, амперметры, омметры и др.) и приборы для динамических измерений. Приборы для динамических измерений, в свою очередь, делят­ся на показывающие АИП (например, электронно-лучевые осцил­лографы, анализаторы спектра) и регистрирующие приборы (на­пример, самопишущие приборы, светолучевые осциллографы). В данной главе рассмотрим АИП, предназначенные для стати­ческих измерений: электромеханические и электронные ИП. Электромеханические ИП основаны на преобразовании элект­рической энергии входного сигнала в механическую энергию уг­лового (реже – линейного) перемещения подвижной части отсчетного устройства. Кроме самостоятельного применения, элект­ромеханические ИП используются также в качестве выходных ус­тройств большинства электронных АИП. Электронные ИП – это такие АИП, в которых энергия для ме­ханического перемещения указателя отсчетного устройства посту­пает не от источника измеряемого сигнала (как в электромехани­ческих приборах), а от вспомогательного источника энергии, на­пример, от электрической сети, питающей прибор. ^ 2.2. Электромеханические измерительные приборы Большинство используемых сегодня в технологических процес­сах стационарных измерительных приборов – это классические аналоговые электромеханические приборы. Их метрологические и эксплуатационные характери­стики вполне достаточны для решения основных задач техни­ческих измерений. Широко рас­пространены электромеханиче­ские вольтметры, амперметры, омметры, фазометры, ваттмет­ры, счетчики активной и реак­тивной энергии. В электромеха­нических измерительных прибо­рах реализованы различные фи­зические принципы, позволяю­щие преобразовать значение из­меряемой величины в пропорци­ональное отклонение (видимое перемещение) указателя (напри­мер, стрелки прибора). Упро­щенная классификация элект­ромеханических измерительных приборов приведена на рис. 11. Из всего разнообразия конструкций (систем) и схем электро­механических приборов рассмотрим некоторые наиболее распрос­траненные. Эти устройства лежат в основе измерителей самых раз­личных электрических и неэлектрических величин. Рис. 11. Классификация электромеханических измерительных приборов ^ 2.2.1. Приборы магнитоэлектрической системы Одной из самых простых (и исторически, пожалуй, самых ран­них) систем, используемых при построении электромеханических приборов является магнитоэлектрическая (МЭ). ^ Конструкция и принцип действия. На рис. 18 упрощенно пока­зана конструкция механизма такой системы, которая содержит пре­образователь электрической величины (входного измеряемого тока) в механическую (угол отклонения) и отсчетное устройство (ука­затель и шкалу). Постоянный магнит 1, магнитопровод 2 и цилиндрический сер­дечник 3 из магнитомягкого материала создают равномерное ра­диальное магнитное поле в воздушном зазоре, в котором располо­жена и может поворачиваться рамка 4 с измеряемым током. Рамка (несколько десятков витков медного провода) жестко связана с осью 5, на которой закреплена стрелка 7. Эти элементы образуют подвижную часть механизма. Как известно, на проводник с током, находящийся в магнит­ном поле, действует сила. При протекании измеряемого тока ^ I в рамке, находящейся в магнитном поле зазора, возникает вращаю­щий момент М, равный произведению индукции В магнитного поля в зазоре, активной (т.е. находя­щейся в магнитном поле) пло­щади рамки S, числу витков w и току I в рамке: М = BS wI Рис. 12. Конструкция магнитоэлектрического механизма: ^ 1 – постоянный магнит; 2 – магнитопровод; 3 – цилиндрический сердечник из магнитомягкого материала; 4 – рамка с измеряемым током; 5 – ось; 6 – спиральная пружина; 7 – стрелка; 8 – шкала Отсчетное устройство – стрелка 7 и шкала 8 – преобра­зует угол отклонения (поворо­та) рамки α в показания (отсчет). Спиральная пружина 6 служит для создания противодействую­щего момента Мпр: Мпр = α Ω , где α – угол поворота подвиж­ной части; Ω – удельный про­тиводействующий момент. Вращающий момент застав­ляет рамку поворачиваться. Противодействующий момент направ­лен навстречу вращающему. В процессе поворота рамки противо­действующий момент Мпр пропорционально растет. Это происхо­дит до тех пор, пока моменты не станут равными. При М= Мпр B S wI= α Ω . Следовательно, угол поворота α имеет вид α = (BS wI) / Ω .. Таким образом, поскольку значения параметров В, S, w, Ω, практически постоянны, можно говорить о линейной зависимос­ти угла поворота α (и, следовательно, показаний) МЭ приборов от значения измеряемой величины (в данном случае тока I). ^ Амперметры и вольтметры. Для измерения малых токов (до 100 мА) используются непосредственно магнитоэлектрические измерительные механизмы. Если требуется измерять токи, превосхо­дящие ток полного отклонения механизма, то применяются шун­ты (точные резисторы с малым сопротивлением: десятые – ты­сячные доли ома) – рис. 13, а. При этом через измерительный механизм (ИМ) течет ток Iм, представляющий собой только часть измеряемого тока I. Зная соотношение между сопротивлениями рамки ИМ и шунта Rш, можно переградуировать шкалу прибора или пересчитать показания в результат измерения. Рис. 13. Амперметр (а) и вольтметр (б) магнитоэлектрической системы Схема магнитоэлектрического вольтметра приведена на рис. 13, б. Последовательно с ИМ включается резистор RV с доста­точно большим сопротивлением. Добавочные резисторы RД1 и RД2 обеспечивают несколько диапазонов измерения напряжения UV (UV3 > UV2 > UV1). Ток I через ИМ на любом диапазоне не должен превосходить номинального значения Iном для механизма. Рассмотрим пример организации многопредельного вольтмет­ра. Предположим, имеется МЭ механизм с сопротивлением RИM = 10 Ом и номинальным током Iном = 0,001 А. Тогда для организа­ции на базе такого механизма вольтметра с диапазоном измерения напряжения U1 = 1 В необходимо включить последовательно с механизмом ре­зистор RV с таким сопротивлением, которое обеспечит при изме­ряемом U1 = 1 В ток через механизм Iном =1,0 мА. Найдем значение этого сопротивления: RV = (U1/Iном) – RИМ = (1:0,001) – 10 = 990 Ом. Если мы теперь имеем МЭ вольтметр с диапазоном измерения U1 = 1 В и с внутренним сопротивлением Rвн = RИM + RV = 1 кОм, то для расширения предела измерения до U2 = 10 В необходимо включить последовательно добавочный резистор сопротивлением RД1 = 9 кОм. Для расширения предела измерения до U3 = 100 В (т.е. организации еще одного диапазона) необходимо подключить последовательно с имеющимся резистором RД1 еще один добавоч­ный резистор RД2= 90 кОм. Таким образом, получаем схему много­предельного вольтметра постоянного тока (см. рис. 13, б). ^ Особенности магнитоэлектрических приборов. Приборы МЭ си­стемы, по сравнению с другими электромеханическими прибора­ми, имеют ряд преимуществ. Это более высокие точность и чув­ствительность; равномерная (линейная) шкала; сравнительно ма­лое собственное потребление энергии от источника сигнала; прак­тическое отсутствие влияния внешних магнитных полей (так как собственное поле в зазоре значительно). Есть и недостатки. Это возможность работы ИМ только на постоянном токе; сравнительная сложность реальной конструкции; заметная чувствительность к пе­регрузкам, механическим воздействиям, ударам, вибрации; изме­нение упругих свойств пружины со временем, а также зависимость показаний от изменения температуры окружающей среды. Современные реальные конструкции, конечно, сложнее рас­смотренной. Обозначение МЭ системы на шкалах приборов: ^ 2.2.2. Приборы выпрямительной системы Из выражения для вращающего момента М следует, что при­боры МЭ системы непосредственно могут быть использованы толь­ко для работы с постоянными напряжениями и токами, а для рабо­ты в цепях переменного тока им требуются преобразователи пере­менного тока в постоянный – выпрямители (детекторы). Могут при­меняться разные типы детекторов: амплитудного значения, средне­го выпрямленного значения, среднего квадратического (действую­щего) значения. Наиболее распространены в простых аналоговых электромеханических приборах детекторы среднего выпрямленного значения как самые простые и дешевые. На рис. 14, а показан вариант схемы вольтметра переменного напряжения с двухполупериодным выпрямителем, а на рис. 14, б – временные диаграммы входного напряжения u(t) и выпрямленного тока iв(t) через магнитоэлектрический ИМ. Выпрямитель образован мостом из четырех полупроводни­­ковых диодов VD1, VD2, VD3, VD4, включенных таким образом, что выпрямленный ток iв(t) через ИМ всегда течет в одну сто­рону, независимо от полярности входного напряжения. Если на каком-то интервале времени на верхнем входном зажиме (см. рис. 14, а) положительный потенциал, то открываются диоды VD1 и VD3, а диоды VD2 и VD4 закрыты, и ток через ИМ течет справа налево. Если положительный потенциал на нижнем вход­ном зажиме, то открываются диоды VD2 и VD4 (при этом диоды VD1 и VD3 закрыты), и ток через ИМ также течет справа налево. И хотя вращающий момент является меняющейся функцией выпрямленного тока, но вследствие значительной механической инерционности подвижной части ИМ показания прибора при частотах выше 10 Гц равны среднему значению текущего в рам­ке тока iв(t), т.е. равны среднему выпрямленному значению Iсв. а б в Рис. 14. Схемы (а, в) вольтметра среднего выпрямленного значения, вре­менные диаграммы (б) Добавочный резистор RД, во-первых, устанавливает связь между входным напряжением и номинальным током МЭ механизма и, во-вторых, обеспечивает достаточно высокое входное сопротив­ление вольтметра. Таким образом, показания вольтметра про­порциональны среднему выпрямленному значению входного на­пряжения u(t). Помимо рассмотренной схемы, применяются и бо­лее дешевые решения двухполупериодного выпрямления, на­пример такие, как на рис. 14, в (сопротивления резисторов R1 и R2 равны). В некоторых простых приборах применяется и однополупериодное выпрямление (рис.15, а). При этом значение сопротивления резистора R выбирают равным сопротивлению рамки ИМ. Рис. 15. Схема вольтметра с однополупериодным выпрямителем (а), вре­менные диаграммы (б) Правда, в этом случае чувствительность прибора заметно ниже, поскольку среднее выпрямленное значение тока в этой схеме вдвое меньше, чем при двухполупериодном выпрямлении (рис.15,б). Схемы, показанные на рис. 14 и 15, лежат в основе боль­шинства аналоговых многофункциональных измерительных при­боров – тестеров. Расширение диапазонов измерения вольтметров реализуется подключением (переключением) различных добавоч­ных резисторов. Важно не забывать, что такие вольтметры и амперметры реаги­руют именно на среднее выпрямленное значение переменного сиг­нала, а не на действующее (которое чаще всего требуется). Градуи­руются же они обычно в действующих значениях для частного (хоть и распространенного) случая синусоидального сигнала. Поэтому при работе с заметно несинусоидальными сигналами возможны боль­шие погрешности измерения. Например, при форме сигнала, близ­кой к прямоугольной, погрешность может достигать 10 %. Обозначение приборов выпрямительной системы на шкалах: ^ 2.2.3. Приборы термоэлектрической системы Термоэлектрические (ТЭ) измерительные приборы основаны на преобразовании электрической энергии в тепловую и затем вновь в электрическую. Приборы этой системы состоят из термоэлектри­ческого преобразователя (ТП) и магнитоэлектрического измери­тельного механизма. Термоэлектрический преобразователь представ­ляет собой объединение нагревателя (тонкая проволока из нихро­ма или константана) и термопары (рис.16, а). ТермоЭДС термо­пары ет зависит от температуры ее рабочего спая, т.е. от темпера­туры нагревателя, которая, в свою очередь определяется действующим значением протекающего по нему тока i(t). а б в Рис.16. Схемы термоэлектрических приборов: а − ТЭ преобразователя; б − ТЭ амперметра; в − ТЭ волтметра. Протекающий по нагревателю ТП ток i (t) (переменный или постоянный) нагревает рабочий спай термопары до температуры, пропорциональной квадрату действующего значения этого тока. Свободные концы термопары подключаются к магнитоэлектри­ческому ИМ (рис. 16, б). Ток Iм, текущий через ИМ: Iм = ет /RΣ , где ет – термоЭДС термопары; RΣ – суммарное сопротивление термопары и ИМ. Показание прибора α определяется по следующей формуле: α = k I 2 , где k – коэффициент пропорциональности, определяемый осо­бенностями конструкции ТП; I – действующее значение измеря­емого тока i(t). На рис. 16, б приведена схема ТЭ амперметра, а на рис. 16, в – схема ТЭ вольтметра. Для измерения малых токов и напряжений (поскольку значе­ния термоЭДС термопары незначительны – единицы – десятки милливольт) в схему прибора вводится усилитель постоянного тока, повышающий выходной сигнал термопары. Расширение диапазонов измерения ТЭ амперметров в сторону увеличения значений осуществляется с помощью измерительных трансформаторов тока. В случае расширения пределов ТЭ вольтметров применяют добавочные резисторы с различными сопротивлениями. К достоинствам ТЭ приборов можно отнести следующие: работа как с постоянными, так и с переменными токами и напряжениями; реакция на истинное среднее квадратическое (действующее) значение независимо от формы сигнала; широкий диапазон частот измеряемых сигналов (до десятков мегагерц); сравнительно высокая точность приборов (типичные классы точности 1,0... 1,5). К недостаткам ТЭ приборов относятся: невысокое быстродействие в силу значительной тепловой инерционности ТП; заметное собственное потребление приборов от источника ис­следуемого сигнала; неравномерность (квадратичность) шкалы приборов; зависимость точности от изменения температуры свободных концов термопары; малая перегрузочная способность. Обозначение термоэлектрических приборов на шкалах: 2.2.4. Приборы электромагнитной системы В щитовых измерительных приборах, предназначенных для ра­боты в электрических цепях переменного тока промышленной ча­стоты, широко применяется электромагнитная (ЭМ) система, ко­торая имеет ряд преимуществ перед магнитоэлектрической.

Похожие:

	Республики Беларусь Учреждение образования «Гродненский государственный... С. Е. Витун, заведующий кафедрой финансов и кредита уо «Гродненский государственный университет имени Янки Купалы», кандидат экономических...		Республики Беларусь Учреждение образования «Белорусский государственный... Учреждение образования «Белорусский государственный педагогический университет имени Максима Танка»
	Учреждение образования «Гродненский государственный медицинский университет» Кафедра биохимии Рекомендовано Центральным научно-методическим советом уо “Гргму” (протокол № от 10. 06. 20010 г.)		Министерство образования и науки РФ федеральное государственное бюджетное... «Московский государственный университет технологий и управления имени К. Г. Разумовского»
	Конкурс «Лучший инновационный проект студентов и аспирантов» проводится... «Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова» в рамках всероссийского фестиваля науки, организуемого Министерством...		Учреждение образования «гомельский государственный медицинский университет»... Т. М. Шаршакова, Н. П. Петрова, В. М. Дорофеев. ― Гомель: Учреждение образования «Гомельский государственный медицинский университет»,...
	Учреждение образования «гомельский государственный медицинский университет»... Т. М. Шаршакова, Н. П. Петрова, В. М. Дорофеев. ― Гомель: Учреждение образования «Гомельский государственный медицинский университет»,...		Учреждение образования «гомельский государственный технический университет... Список использованных источников
	Государственное образвательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева”		Кафедра акушерства и гинекологии Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «тамбовский государственный университет имени г....