ЛЕКЦИЯ 13. СРЕДСТВА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

1. МЕРЫ

Меры разделяют на эталоны, образцовые и рабочие. Образцовые меры предназначены для поверки и градуировки рабочих средств измерений. По точности воспроизведения физической величины их разделяют на три разряда, причем, наименьшая погрешность воспроизведения у меры первого разряда.

Рабочие меры служат для измерений. По количеству воспроизводимых мер их делят на однозначные, многозначные и наборы мер.

К однозначным мерам относят измерительные катушки сопротивления, катушки индуктивности и взаимной индуктивности, измерительные конденсаторы постоянной емкости, нормальные элементы и стабилизированные источники напряжения. Рассмотрим их более подробно.

Измерительные катушки сопротивления выполняют на номинальные значения 10^±nОм, где п – целое (от 10^-5 до 10¹⁰) Ом. Класс точности может изменяться в пределах от 0,005 до 0,1. Обмотка катушки выполняется из манганина, имеющего малый температурный коэффициент и высокую стабильность свойств.

Катушка имеет два токовых вывода для включения в цепь и два потенциальных – для измерения сопротивления. При работе в цепи переменного тока необходимо учитывать собственную ёмкость С и индуктивность L (см. рис. 13.1). Степень реактивности катушки характеризуют постоянной времени

,

где R – сопротивление провода катушки постоянному току.

Измерительные катушки индуктивности и взаимной индуктивности выполняют из проволоки, намотанной на каркас, на номинальные значения от 10^-6 до 1 Гн. Класс точности может иметь значения от 0,05 до 0,5. Верхний предел частоты, на которой можно применять измерительные катушки индуктивности, равен 100 кГц. Эквивалентная схема катушки индуктивности аналогична схеме на рис. 13.1.

Катушки взаимной индуктивности имеют две обмотки, размещенные на общем каркасе.

Измерительные конденсаторы выполняют с воздушной и слюдяной изоляцией. В цепях высокого напряжения применяют газонаполненные конденсаторы. Емкость измерительных конденсаторов не превышает 10⁴ пФ. Класс точности ограничен диапазоном от 0,005 до 1.

Нормальные элементы – специальные химические источники электрической энергии, Э.Д.С. которых известна с большей точностью. Например известно, что Э.Д.С. нормального источника при температуре 20⁰ С равна (1,0185 1,0187) В. Поэтому класс точности нормальных элементов очень высок и лежит в пределах от 0,0002 до 0,02.

Стабилизированные источники напряжения часто применяются в качестве меры напряжения.

К многозначным мерам относят измерительные генераторы, калибраторы напряжения, тока, фазового сдвига, измерительные конденсаторы переменной емкости, вариометры, магазины сопротивлений, емкости и индуктивности. Рассмотрим их более подробно.

Измерительные генераторы – это источники переменного тока и напряжения, форма которых заранее известна, а частота, амплитуда и другие параметры могут регулироваться и отсчитываться с заданной точностью. Выпускаются генераторы синусоидальных сигналов, генераторы шума, импульсных сигналов и сигналов специальной формы. Диапазон частот генераторов может находиться в пределах от 0,01 до 10¹⁰ Гц. Погрешность установки частоты (0,1 ÷ 3)%.

Калибраторы – это стабилизированные источники напряжения или тока, позволяющие получать на выходе ряд калиброванных (точно известных) значений сигналов. Погрешность установки достигает значений 5∙10^-3%.

Магазины сопротивлений, емкостей и индуктивностей позволяют устанавливать необходимое значение величины с помощью переключателей.

Магазины сопротивлений воспроизводят величины от 10^-2 до 10¹⁰ Ом. Класс точности от 0,01 до 0,2.

Магазины индуктивностей имеют диапазон старшей декады от 0,001 до 10000 мГн. Число декад от 1 до 5. Класс точности от 0,02 до 1.

Магазины емкостей имеют диапазон от 10^-3 до 10⁹ пФ. Класс точности

от 0,005 до 1.

2. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Разработано большое количество преобразователей,отличающихся функциональным назначением, классом обрабатываемых сигналов, принципом построения и работы (см. рис. 11.1). Чаще других применяются масштабные и электромеханические преобразователи.

2.1. Масштабные преобразователи.

Масштабным называют измерительный преобразователь, предназна-

ченный для изменения величины в заданное число раз. К ним относят шунты, делители напряжения, измерительные усилители, измерительные трансформаторы.

Шунты применяются для уменьшения силы тока в заданное число раз. Такая задача возникает, когда диапазон показаний амперметра меньше диапазона изменения измеряемого тока.

Шунт – это резистор, включаемый параллельно амперметру (рис. 13.2). Если

,

то ток I₂ в п раз меньше тока I₁. Здесь R_А – сопротивление амперметра; – коэффициент шунтирования.

Шунты могут состоять из нескольких резисторов, или иметь несколько отводов. Это позволяет изменять коэффициент шунтирования. Размещаются шунты в корпусе прибора или снаружи. Применяются, в основном, в цепях постоянного тока в магнитоэлектрических приборах. Классы точности от 0,02 до 0,5.

Делители напряжения применяются для уменьшения напряжения в заданное число раз. В зависимости от рода тока, элементы делителя выполняют в виде чисто активного сопротивления, емкостного или индуктивного сопротивления. Серийно выпускаемые делители имеют нормированные коэффициенты деления и классы точности от 0,0005 до 0,01.

Для увеличения верхнего предела вольтметра с внутренним сопротивлением R_V, последовательно с ним включают добавочный резистор R_д, причем

,

где – измеряемое напряжение; – падение напряжения на вольтметре.

Класс точности добавочных резисторов изменяется от 0,01 до 1. Мате-

риал – манганин. Номинальный ток от 0,5 до 30 мА.

Измерительные усилители предназначены для расширения пределов измерения в сторону малых сигналов. По диапазону частот измерительные усилители разделяют на усилители:

– постоянного тока,

– низкочастотные (20 Гц 200 кГц),

– высокочастотные – до 250 МГц,

– селективные (узкополосные).

Электронные измерительные усилители позволяют измерять сигналы

от 0,1 мВ и 0,3 мкА с погрешностью от 0,1 до 1%. При меньших значениях сигналов применяют фотогальванические усилители. Серийные измерительные усилители имеют унифицированный номинальный выходной сигнал 10 В или 5 мА.

Измерительные трансформаторы переменного тока и напряжения используют для преобразования больших переменных токов и напряжений в относительно малые, допустимые для измерений приборами с малыми пределами измерения (например, 5 А, 100 В). Кроме того, применением трансформаторов повышается безопасность операторов, так как приборы включаются в заземленную цепь низкого напряжения (рис. 13.3). Измерительные трансформаторы разделяют на трансформаторы напряжения и трансформаторы тока.

Трансформаторы напряжения используют для включения вольтметров, частотомеров, параллельных цепей ваттметров, счетчиков, фазометров и др. приборов. Схема включения амперметра, вольтметра и ваттметра в однофазную цепь через измерительные трансформаторы приведена на рис. 13.3. Для правильного включения трансформаторов и измерительных приборов зажимы трансформаторов обозначают, как показано на рис. 13.3.

В трансформаторах тока . Поэтому ток первичной обмотки . Первичная обмотка может состоять из одного витка, в виде шины,

проходящей через окно сердечника.

В трансформаторах напряжения . Поэтому . Трансформаторы напряжения, как правило, понижающие.

Чтобы определить измеряемые величины, необходимо показания приборов умножить на коэффициенты трансформации и . Измерительные приборы, работающие в комплекте с измерительными трансформаторами, градуируют непосредственно в единицах первичных величин.

Коэффициенты трансформации реальных трансформаторов и зависят от значения токов и напряжений, частоты, характера нагрузки. Это приводит к погрешности измерений токов – и напряжений – . У измерительных трансформаторов имеется еще угловая погрешность, обусловленная неточностью передачи фазы вторичной величине. Это оказывает влияние на показания приборов, отклонение подвижной части которых зависит от фазы измеряемой величины.

2.2. Электромеханические преобразователи

Электромеханические преобразователи преобразуют электрическую энергию входного сигнала в механическую энергию перемещения указателя.

Они состоят из подвижной и неподвижной частей и называются измерительными механизмами.

Поворот подвижной части измерительного механизма осуществляется под действием момента, зависящего от измеряемой величины х и от угла поворота подвижной части механизма – . Этот момент называется вращающим и обозначается индексом М.

.

При повороте подвижной части на угол изменяются механическая энергия и энергия электромагнитного поля измерительного механизма – , причем . Так как при угловом перемещении , то

. (13.1)

Чтобы угол поворота α зависел только от измеряемой величины, на подвижную часть должен воздействовать противодействующий момент , также зависящий от угла поворота α, т. е.

.

При некотором угле поворота наступает равенство моментов, т.е. , или .

По способу создания противодействующего момента различают механизмы с механическим и с электрическим противодействующим моментом. В измерительных механизмах первой группы противодействующий момент создается спиральными пружинами, причём:

, (13.2)

где W_уд – удельный противодействующий момент пружины.

Кроме создания противодействующего момента упругие элементы используют в качестве токопровода к подвижной части измерительного механизма.

В измерительных механизмах второй группы (логоритмических) противодействующий момент создается так же, как и вращающий, но зависит от угла поворота.

Оценим свойства измерительных механизмов по их структурной схеме. Измерительный механизм имеет схему прямого преобразования с двумя звеньями (рис. 13.4). В звене П₁ происходит преобразование сигналов по формуле (12.1). Преобразовательная функция звена П₁ определяется типом механизма. Это значит, что может быть не менее шести различных функций звена П₁.

Звено П₂ одинаково для всех механизмов. В нем вращающий момент преобразуется в угол отклонения подвижной части механизма – α. Передаточная функция П₂ определяется дифференциальным уравнением, описывающим движение подвижной части механизма:

, (13.3)

где – коэффициент инерции подвижной части, – момент сил инерции, – момент успокоения, Р – коэффициент успокоения.

Если противодействующий момент создается упругими элементами, то выражение (13.3) принимает вид

. (13.4)

С учетом (13.3) и (13.4) коэффициент передачи звена П₂ имеет вид:

.

После преобразований получают АЧХ звена П₂:

, (13.5)

где – частота изменения вращающего момента, – частота собственных колебаний подвижной части механизма, – степень успокоения подвижной части.

График зависимости (13.5) при приведен рис.13.5.

Как видно из графика, коэффициент передачи (АЧХ) второго звена зависит от частоты изменения вращающего момента. Для магнитоэлектрических измерительных механизмов частота вращающего момента равна частоте входной электрической величины. Для остальных измерительных механизмов вращающий момент имеет постоянную и переменную составляющие, частота переменной в два раза выше частоты входной величины.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

13.1. Проведите деление мер на классы.

13.2. Назовите известные вам одиночные меры. Приведите диапазон их номинальных значений и классов точности.

13.3. Перечислите известные вам групповые меры. Приведите их основные параметры.

13.4. В каких случаях необходимо применение масштабных преобразователей?

13.5. Чему должно быть равно сопротивление шунта, подключенного к миллиамперметру с током полного отклонения 750 мА и R₀ = 0,5 Ом, если необходимо получить амперметр с верхним пределом измерения 30 А?

13.6. Сопротивление магнитоэлектрического амперметра без шунта R₀ = 1 Ом. Прибор имеет 100 делений. Цена деления 0.001 А / дел. Определите предел измерения прибора при подключении шунта с сопротивлением R_ш = 52,6·10-3 Ом.

13.7. Для электромагнитного вольтметра, имеющего ток полного отклонения 3 мА и внутреннее сопротивление 30 кОм, определите верхний предел измерения и сопротивление добавочного резистора, необходимого для расширения верхнего предела измерения до 600 В.

13.8. Какое нужно иметь сопротивление добавочного резистора к электродинамическому вольтметру с верхним пределом измерения 100 В и внутренним сопротивлением 4 кОм, чтобы расширить его верхний предел в три раза?

13.9. Приведите схему включения ваттметра через измерительные трансформаторы тока и напряжения.

13.10. Сформулируйте назначение электромеханических преобразователей.

13.11. При каких условиях угол поворота подвижной части измерительного механизма определяется только измеряемой величиной?

13.12. Как разделяются измерительные механизмы по способу создания противодействующего момента?

ЛЕКЦИЯ 14. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Электромеханические приборы – достаточно сложные устройства. Они состоят из большого числа деталей и функциональных узлов. Общими функциональными узлами являются:

- электроизмерительная цепь,

- измерительный механизм,

- отсчетное устройство.

Измерительная цепь служит для преобразования измеряемой величины А в электрическую, непосредственно воздействующую на измерительный механизм. Измерительный механизм преобразует электрическую величину в угол поворота подвижной части. Отсчетное устройство служит для визуального отсчитывания значений измеряемой величины.Оно состоит из шкалы и указателя. Шкала представляет пластину с отметками в значениях измеряемой величины. Указатель – это стрелка или световой луч, жестко связанные с подвижной частью измерительного механизма.

Все электромеханические приборы имеют корпус,крепление подвижной части механизма, успокоитель, корректор, арретир.

Корпус прибора предназначен для защиты измерительного механизма от ряда внешних воздействий.

Крепление подвижной части – это опоры, растяжки или подвес.

Успокоитель исключает колебания указателя относительно положения равновесия. Применяют магнитоиндукционные, жидкостные и воздушные успокоители.

Корректор обеспечивает установку указателя на нулевую отметку шкалы. Представляет собой винт, укрепленный в корпусе прибора.

Арретир – это устройство, затормаживающее подвижную часть прибора.

На каждый прибор наносят условные обозначения: единицу измеряемой величины, класс точности, род тока, условное обозначение типа измерительного механизма, рабочее положение прибора, если это имеет значение.

2. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Магнитоэлектрические приборы применяют для измерения постоянных токов и напряжений (амперметры и вольтметры), сопротивлений (омметры), количества электричества (баллистические гальванометры, кулонметры), малых токов и напряжений (гальванометры), а также для регистрации электрических величин.

Вращающий момент в измерительном механизме возникает в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля рамки с током (рис. 14.1). На рисунке N, S - полюса магнита, 1 – неподвижный сердечник, 2 – спиральная пружина, 3 – подвижная рамка с закрепленным на ней указателем. Рамка представляет собой дюралюминиевый каркас, на который наматывается намагничивающая катушка из медного провода. Ток к подвижной рамке (катушке) подводится через две спиральные пружины. При протекании тока I через витки катушки, возникает вращающий момент по (13.1). Известно, что

W_эм = ψ∙I,

где∙ - потокосцепление, В – магнитная индукция в воздушном зазоре измерительного механизма, S_р - площадь подвижной рамки.

Подставляя приведенные значения для W_эм и ψ в (13.1), получим:

(14.1)

Если ток, протекающий через рамку, синусоидальный – , то и вращающий момент становится синусоидальным:

При этом в соответствии с (13.5), работа измерительного механизма

зависит от значения q. У магнитоэлектрических механизмов частота собственных колебаний подвижной части 6,28 с^-1. Поэтому при частоте тока 10 Гц подвижная часть механизма колеблется с частотой входного тока. С увеличением частоты увеличивается момент сил инерции. Амплитуда отклонений подвижной части уменьшается, а затем становится равной нулю. Значит, такие приборы можно применять только в цепях постоянного тока.

Учтем противодействующий момент. При некотором угле поворота подвижной части механизма – α наступает равенство моментов:

М = −М_пр = W_уд∙α

Подставляя в это выражение (14.1), легко получить:

. (14.2)

Из (14.2) следует, что если В – const, то угол α пропорционален току I, а шкала магнитоэлектрического измерительного прибора равномерная.

Для логометрических измерительных механизмов подвижную часть изготавливают в виде двух жестко скрепленных рамок. Чтобы обеспечить линейность шкалы, зазор между неподвижным сердечником и постоянным магнитом выполняют неравномерным, добиваясь , где I₁, I₂ – токи рамок.

Успокоитель подвижной части механизма – магнитоиндукционный. Успокоение достигается за счет взаимодействия токов, наводимых в дюралюминиевом каркасе подвижной рамки с полем постоянного магнита.

Достоинства магнитоэлектрических измерительных механизмов: высокая чувствительность, линейная шкала, малое потребление энергии, отсутствие влияния внешних электрических и магнитных полей.

Недостаток: возможность применения только в цепях постоянного тока.

Магнитоэлектрические амперметры позволяют выполнять измерения как малых токов – от 10^-7 А так и достаточно больших – до 10³ А. При изменении малых токов – до 30 мА, измерительный механизм амперметра включается в разрыв цепи непосредственно. Для измерения больших токов применяют шунты. В многопредельных амперметрах применяют многопредельные шунты. Необходимо учитывать, что применение шунтов сопровождается появлением дополнительных погрешностей. В частности, возникает температурная погрешность.

Магнитоэлектрические вольтметры позволяют выполнять измерения в

диапазоне от 0,5·10^-3 до 3·10³ В. Для расширения диапазона измерений, последовательно с измерительным механизмом включают добавочный резистор, или несколько резисторов. Класс точности добавочных резисторов должен быть не ниже 0,1 0,5.

На основе магнитоэлектрического измерительного механизма выпускают омметры. Широко распространены две схемы включения измерительного механизма и измеряемого сопротивления – последовательная и параллельная (рис. 14.2).

Все омметры имеют неравномерную шкалу, т.к.

,

,

где – чувствительность магнитоэлектрического измерительного механизма.

Последовательное включение измерительного механизма применяют для измерения больших сопротивлений, а параллельное – для измерения малых. Диапазоны измерений омметров имеют пределы от 10 Ом до 1000 МОм. Класс точности 1 1,5.

3. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ И ФЕРРОДИНАМИЧЕСКИЕ

ПРИБОРЫ

Эти приборы применяют для измерения постоянных и переменных токов и напряжений, мощности в цепях постоянного и переменного тока, частоты и угла фазового сдвига.

Работа электродинамического измерительного механизма (рис. 14.3) основана на взаимодействии магнитных полей двух катушек с токами: неподвижной – 1 и подвижной – 2. Подвижная катушка на оси или растяжках может поворачиваться внутри неподвижной. Обе катушки бескаркасные. Для защиты от влияния внешних магнитных полей применяется экранирование из ферромагнитного материала.

При протекании в обмотках катушек токов I₁ и I₂ возникают электромагнитные силы, стремящиеся так повернуть подвижную часть механизма, чтобы магнитные потоки катушек совпадали.Энергия магнитного поля двух катушек определяется выражением:

, (14.3)

где – индуктивности катушек, – взаимная индуктивность катушек.

В (14.3) только взаимная индуктивность М₁₂ зависит от угла поворота подвижной части измерительного механизма. Поэтому на основании (13.1) получаем:

. (14.4)

Если токи I₁ и I₂ переменные, т.е. , , то измерительный механизм реагирует на среднее

значение вращающего момента

, (14.5)

где I₁, I₂ – действующие значения токов, – угол сдвига фаз между токами в катушках.

Если противодействующий момент создается упругими элементами, то М = - М_пр и можно записать:

,

откуда

. (14.6)