Тема 5. Аналоговые измерительные приборы

Дата: 2025-05-01; Просмотры: 2

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

5.1 Электромеханические измерительные приборы

5.1.1 Основные положения

Аналоговыми измерительными приборами называются при­боры, показания которых являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. Аналоговые электромеханические приборы строятся по структурной схеме, представленной на (рис.5.1). Они состоят из измерительной цепи, измерительного механизма и отсчетного устрой­ства.

Рисунок 5.1 – Структурная схема аналогового

электромеханического прибора

Измерительная цепь (ИЦ) содержит резисторы и другие элементы, необ­ходимые для требуемого преобразования измеряемой величины.

Измерительный механизм (ИМ) состоит из подвижной и неподвижной ча­стей. В зависимости от принципа преобразования электромагнитной энергии в энергию движения подвижной части механизма различают магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические и индукционные приборы.

Отсчетное устройство (ОУ) состоит из указателя (стрелочного или свето­вого), связанного с подвижной частью прибора, и неподвижной шкалы, представляющей собой совокупность отметок, нанесенных на лицевой стороне (циферблате) прибора. Расстояние между двумя соседними отметками называется длиной деления или просто делением шкалы.

Цена деления, называемая также постоянной прибора, соответствует изменению измеряемой величины, вызывающему перемещение указа­теля на одно деление.

Уравнение (5.1) называется уравнением преобразования механизма прибора, оно связывает показания прибора со значением измеряемой величину, и характеризует свойства измерительного прибора в целом.

α = М_вр/W = φ(х,λ)/W, (5.1)

где α – угол поворота подвижной части; W – электрокинетическая сила; λ - величина, зависящая от параметров измерительного механизма.

5.1.2 Магнитоэлектрические приборы

В приборах магнитоэлектрической системы используется взаимодействие поля постоянного магнита с катушкой (рамкой), по которой протекает ток. Конструктивно измерительный механизм может быть выполнен либо с подвижным магнитом, либо с подвижной катушкой. На (рис.5.2) показана конструкция прибора с подвижной катушкой.

Рисунок 5.2 – Измерительный механизм МЭ прибора

Постоянный магнит 1, магнитопровод с полюсны­ми наконечниками 2 и неподвижный сердечник 3 составляют магнитную систему механизма. В зазоре между полюсными наконечниками и сердеч­ником создается сильное равномер­ное радиальное магнитное поле, в ко­тором находится подвижная прямо­угольная катушка (рамка) 4, намо­танная медным или алюминиевым проводом на алюминиевом каркасе.

Уравнение преобразования можно получить, если подставить в фор­мулу (5.1) выражение для вращающего момента М_вр, действующего на подвижную часть магнитоэлектрического механизма

α = (BwS/W)I = S_I ∙ I, (5.2)

где B – магнитная индукция в воздушном зазоре; w – число витков рамки; S – ее площадь; I – ток, протекающий по рамке.

Коэффициент пропорциональности S_I = BwS/W называется чувствительностью магнитоэлектрического механизма к току.

Из группы аналоговых приборов магнитоэлектрические приборы от­носятся к числу наиболее чувствительных и точных. Изменения темпера­туры окружающей среды и внешние магнитные поля мало влияют на их работу. Для измерений в цепях переменного тока требуется предварительное преобразование переменного тока в постоянный.

Амперметры

Магнитоэлектрический механизм позволяет измерять малые постоян­ные токи, не превышающие 20-50 мА. Для того чтобы измерять большие токи, используют измерительные цепи, включающие в себя шунты, представляющие собой манганиновые резисторы, сопротивление которых во много раз меньше сопротивления рамки R_А магнито­электрического измерительного механизма. Поэтому при включении шунта параллельно прибору (рис.5.3) основная часть измеряемого тока I проходит через шунт, а ток I_А не превышает допустимого значения.

Рисунок 5.3 – Схема включения амперметра с шунтом

Отношение I/I_А = n, показывающее, во сколько раз измеряемый ток превышает допустимое значение, называется коэффициентом шунтирования. Со­противление шунта определяется как

Амперметры для измерения сравнительно небольших токов (до не­скольких десятков ампер) имеют внутренние шунты, вмонтированные в корпус прибора. Измерение больших токов (до нескольких тысяч ампер) осуществляют при помощи наружных шунтов, которые имеют определенные номинальные падения напряжения (45, 60, 75, 100 и 300 мВ) и классы точности (0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5).

Вольтметры

Схема вольтметра магнитоэлектрической системы приведена (рис.5.4).

Рисунок 5.4 – Схема включения вольтметра

Добавочный резистор R_доб, включенный последовательно с рамкой измерительного механизма, ограничивает ток полного отклонения I, протекающего через нее, до допустимых значений. При этом падение напряжения на рамке U_V зависит от сопротивления рам­ки R_V и обычно не должно превышать десятков милливольт. Осталь­ная часть измеряемого напряжения U должна падать на добавочном сопротивлении. Если необходимо получить верхний предел измерения напряжения, в m раз превышающий значение U_V, то необходимо вклю­чить добавочный резистор, сопротивление которого легко вычисляется по формуле

R_доб = R_V (m – 1).

Добавочные резисторы изготавливают из термостабильных мате­риалов, например, из манганиновой проволоки. Они могут быть внут­ренними, встроенными в корпус прибора (при напряжениях до 600 В), и наружными (при напряжениях 600-1500 В).

Логометры

Приборы, в которых противодействующий момент со­здается не при помощи упругого элемента, а теми же электромагнит­ными силами, что и вращающий, называются логометрами. У логометров положение подвижной части определяется отношением двух токов. Логометры магнитоэлектрической системы (рис.5.5) имеют подвиж­ную часть из двух жестко скрепленных между собой катушек 1 и 2 (рамок).

Рисунок 5.5 – Устройство логометра

Последние могут свободно вращаться в неравномерном поле постоян­ного магнита. Для создания неравномерного магнитного поля полюсным наконечникам, как и сердечнику, находящемуся между ними, при­дается особая форма. Отклонение указателя прибора равно

α = F(I₁/I₂). (5.3)

Логометры применяются для измерения сопротивления и других электрических величин. Основным достоинством логометрических при­боров является независимость их показаний от напряжения питания.

5.1.3 Электродинамические приборы

Принцип действия электродинамических приборов основан на взаимодействии магнитных полей двух катушек, по которым про­текает ток (рис.5.6).

Рисунок 5.6 – Электродинамический измерительный прибор

Внутри неподвижной катушки 1 может вращаться подвижная катушка 2. Поворот осуществляется вращающим моментом, вызванным взаимодействием магнитных полей катушек 1 и 2. Уравнение преобразования прибора для постоянных токов имеет вид

α = (1/W)(dM/dα)I₁I₂, (5.4)

где М – взаимная индуктивность катушки; I₁I₂ – токи в катушках.

Если по катушкам протекают переменные токи, то это выражение примет вид

α = (1/W)(dM/dα)I₁I₂cos(φ₁ – φ₂). (5.5)

Из этого уравнения следует, что перемещения подвижной части механизма при работе на пе­ременном токе зависят как от токов в его катушках, так и от разно­сти фаз между этими токами. Это дает возможность использовать при­боры электродинамической системы не только в качестве амперметров и вольтметров, но и в качестве ваттметров.

В амперметрах катушки соединены последовательно (рис.5.7.а) или параллельно (рис.5.7.б). Последовательное соединение используется в приборах, предназначенных для измерения малых токов (до 0,5 А). При больших токах (до 10 А) катушки вклю­чаются параллельно.

Рисунок 4.7 – Схема соединений катушек амперметра

а) неподвижная, б)подвижная

В последовательной схеме амперметра I₁ = I₂ = I, φ₁ – φ₂ = 0, поэто­му уравнение преобразования (4.5) сводится к виду

α = (1/W)(dM/dα)I², (4.6)

т.е. при условии dМ/dα = const угол поворота стрелки α квадратично за­висит от тока, протекающего в катушках.

В этом случае шкала неравномерна. Поэтому расположение и форму катушек выбирают так, чтобы производная dM/dα зависела от угла между подвижной и неподвиж­ной катушками.

В параллельной схеме I₁ = kI; I₂ = kI, а разность фаз также устанав­ливается равной нулю подбором индуктивностей в цепях катушек.

Вольтметры выполняются по схеме (рис.5.8). Катушки включаются последовательно, ток через них ограничивается добавочным резистором R_доб.

Уравнение преобразования вольтметра имеет вид

α = (1/W)(dM/dα)(U²/R²), (5.7)

где R - общее сопротивление цепи прибора.

Как и в случае амперметров, изменением dM/dα добиваются почти равномерного характера рабочего участка электродинамических вольт­метров.

Рисунок 5.8 – Схема включения катушек вольтметра

Обычно электродинамические вольтметры выполняются многопредельными при помощи нескольких добавочных рези­сторов.

Схема соединения катушек ваттметра и его включения в цепь для измерения мощности, потребляемой на­грузкой Z_н , приведена на (рис.5.9).

Рисунок 5.9 – Схема включения ваттметра

Ток I₁ в неподвижной катушке равен току нагрузки, а ток I₂ в подвижной катушке пропорционален приложенному напряжению:

I₂ = U/(R_доб + r),

где R_доб - сопротив­ление добавочного резистора; r — сопротивление подвижной катушки.

С учетом этого и (5.5) уравнение шкалы для ваттметра

α = (1/W(R_доб + r))(dM/dα)Р (5.8)

где Р - активная мощность нагрузки.

Погрешности электродинамических приборов возникают из-за темпе­ратурных влияний и наличия внешних магнитных полей. При повыше­нии частоты до нескольких сот герц существенными становятся также частотные погрешности.

5.1.5 Электростатические приборы

Принцип действия электростатических приборов основан на взаимодействии электрически заряженных проводников. Подвижная алюминиевая пластина, закрепленная вместе со стрелкой на оси, может переме­щаться, взаимодействуя с двумя электрически соединенными непо­движными пластинами . Входные зажимы, к которым подводится измеряемое напряжение, соединены с подвижной и непо­движными пластинами. Под действием электростатических сил подвиж­ная пластина втягивается в пространство между неподвижными пла­стинами.

Уравнение преобразования электростатического прибора для постоянного тока

α = (1/2W)(dС/dα)U², (5.9)

где С - емкость между пластинами, зависящая от их взаимного распо­ложения; U- измеряемое напряжение. Из (5.9) следует, что показание прибора не зависит от полярности приложенного напряжения.

В случае переменного тока уравнение остается прежним, но только переменная U является действующим значением переменного напряжения.

Достоинства: ши­рокий частотный диапазон, малое потребление энергии, независи­мость показаний от внешних магнитных полей.

Недостатки: низкая чувствительность и невысокую точность.

5.1.6 Электромагнитные приборы

Электромагнитный изме­рительный механизм представлен на (рис.5.10), где 1 - катушка; 2 - сердечник, укрепленный на оси прибора; 3 - спиральная пружина, создающая противодействующий момент; 4 - воздушный успокоитель.

Рисунок 5.10 – Конструкция электромагнитного прибора

Под действием магнитного поля сер­дечник втягивается внутрь катушки. Подвижная часть механизма по­ворачивается до тех пор, пока вращающий момент не уравновесится противодействующим моментом, создаваемым пружиной.

Уравнение преобразования прибора имеет вид

α = (1/2W)(dL/dα)I², (5.10)

где L - индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника, а следовательно, и от угла поворота подвижной части.

Из (5.10) следует, что угол поворота подвижной части механизма пропорционален квадрату действующего значения тока, т.е. не за­висит от направления тока. Поэтому электромагнитные приборы оди­наково пригодны для измерений в цепях постоянного и переменного тока.

Достоинства: низкая стоимость, надежность, пригодность для измерения в цепях постоянного и переменного тока.

Недостатки: большое потребление энергии, малая точность и чувствительность, сильное влияние внешних маг­нитных полей.

Заключение: у большинства электромеханических приборов входное сопротивле­ние невелико (килоомы), поэтому они пригодны для измерения напря­жения только в низкоомных цепях. В цепях с высокоомными нагрузками (мегаомы) эти приборы (за исключением электростатических) исполь­зовать нельзя, так как при их включении шунтируется нагрузка и тем самым изменяется электрический режим цепи. Кроме того, малый диапазон частот, большие входные емкости и индуктивности, зависимость входного со­противления от частоты.

5.2 Аналоговые электронные приборы

Электронным вольтметром называется измерительный прибор, по­казания которого вызываются током от источника питания, а измеряе­мое напряжение управляет величиной этого тока. Электронные вольт­метры имеют в своем составе усилители.

В зависимости от конструкции электронные вольтметры делятся на: универсальные, постоянного и переменного тока, и импульсные. Вольтметры переменного тока обычно строятся по двум структурным схемам (рис.5.11).

Вольтметр, схема которого приведена на (рис.5.11,.а), включает делитель напряжения ДН, преобразователь пере­менного напряжения в постоянное ПН, усилитель постоянного тока УПТ и магнитоэлектрический измерительный механизм ИМ (микроамперметр на ток полного отклонения 50-500мкА).

Рисунок 5.11 – Структурные схемы электронных вольтметров

Вольтметры данной схе­мы имеют широкий частотный диапазон (до 700-1000 МГц), но срав­нительно низкую чувствительность (наименьшее значение верхнего предела измерения 1В), что обусловлено нелинейностью вольт-амперных ха­рактеристик выпрямительных элементов.

Вольтметры с предварительным усилением входного переменного напряжения (рис.5.11,б) имеют более узкий частотный диапазон (око­ло 500 кГц), но благодаря предварительному усилению их чувствительность значительно выше – наименьший верхний предел равен 1мВ.

Электронные вольтметры в отличие от электромеханических имеют
большое входное сопротивление. Они обеспечивают измерение напряжений в высокоомных цепях без нарушения их электрических режимов.
Измерения могут проводиться в широком диапазоне частот от постоянного тока до единиц гигагерц.

Обязательным элементом измерительной цепи является преобразователь переменного напряжения в постоянное. Постоянное напряжение на выходе этих преобразователей пропорционально одному из значений измеряемого переменного напряжения: амплитудному, средневыпрямленному, среднеквадратическому. Однако независимо от вида преобразователя шкалу вольтметров переменного тока градуируют в среднеквадратических значениях напряжения синусоидальной формы, что следует учитывать при определении значения измеряемой величины.

Преобразователи напряжения ПН делятся на преобразователи амплитудного, средневыпрямленного (среднего по модулю) и действующего значения. В вольтметрах с предварительным выпрямлением (рис.5.11,а) применяются преобразователи амплитуд­ного значения (ПАЗ), а в вольтметрах по схеме (рис.5.11,б) - преобразователи среднего (ПСЗ) или действующего значения (ПДЗ).

Рассмотрим ПАЗ с открытым входом, которые обычно состоит из диода, конденсатора и сопротивления нагрузки (рис.5.12.а).

Рисунок 5.12 – Схема ПАЗ переменного напряжения

При положительной полуволне входного напряжения (диод открыт) конденсатор заряжается до напряжения, близкого к амплитудному. В отрицательный полупе­риод (диод закрыт) конденсатор разряжается через сопротив­ление нагрузки. Учитывая, что постоянная разряда значительно больше постоянной заряда τ_р > τ₃, то напряжение при его разряде будет уменьшаться незначительно, как показано на (рис.5.12,б). В результате на конденсаторе установится постоянное на­пряжение U_c = U_в, почти равное амплитуде входного напряже­ния

Шкалу вольтметра с ПАЗ градуируют в действующих значениях синусоидального напряжения с учётом коэффициента амплитуды K_а =1,41. При измерении несинусоидальных напряжений возникает погрешность, обусловленная отличием коэффициента амплитуды исследуемого напряжения от заданного.

ПСЗ широко применяются в схемах электронных вольтметров вследствие метрологических характеристик и высокой чувствительности. На (рис.5.13) приведена схема ПСЗ с мостовым выпрямителем в цепи ООС. За счёт высокого коэффициента усиления К_у операционного усилителя, ток в диагонали с ИМ поддерживается пропорционально входному переменному напряжению. Влияние нелинейности вольтамперной характеристики диодов мостовой цепи уменьшается пропорционально коэффициенту усиления усилителя.

Рисунок 5.13 – Схема ПСЗ переменного напряжения

Шкалы вольтметров с ПСЗ также градуируются в действующих значениях синусоидального напряжения, но с учётом коэффициента формы (для синусоидального напряжения K_ф = 1,11).

Одним из основных недостатков ПАЗ и ПСЗ является зависимость показаний от формы кривой входного сигнала. Этого недостатка лишены преобразователи действующего значения ПДЗ переменного напряжения.

В электротепловых ПДЗ применяют термопреобразователи, представляющие собой сочетание нагревательного элемента с термопарой. Выходная величина ПДЗ нелинейно связана с действующим значением подаваемого на них напряжения. ПДЗ включает входной усилитель А₁, два термопреобразователя ТП₁ и ТП₂ и выходной усилитель А₂ (рис.5.14).

Рисунок 5.14 – Схема ПДЗ переменного напряжения

На вход усилителя А₂ поступает разность выходных ЭДС обоих преобразователей ТП₁ и ТП₂. При этом осуществляется сравнение по действующему значению преобразуемого переменного и выходного постоянного напряжений. В установившемся режиме входное u(t) и выходное постоянное U_вых напряжения равны с высокой точностью.

Электронные вольтметры с ПДЗ имеют основную погрешность 0,5-2,5%, широкий частотный диапазон (200кГц-10МГц) и высокую чувствительность (наименьший верхний предел измере­ния - 1 мВ).

Рассматриваемые вольтметры имеют обычно широкий частотный диапазон измерений (10 Гц...1000 МГц), но не обладают высокой чув­ствительностью, т.е. с их помощью нельзя измерять малые напряжения (меньше нескольких долей вольта), так как преобразователь не обеспе­чивает выпрямление малых сигналов.

Более чувствительными являются вольтметры, выполненные по схеме, представленной на (рис.5.7).

Рисунок 5.7 - Схема аналогового электронного вольтметра переменного тока

Вольтметры этого типа использу­ют для измерения малых напряжений переменного тока от единиц ми­кровольт до единиц вольт. Это возможно благодаря предварительному усилению переменного тока. Однако создание усилителей, работающих в широком диапазоне частот и имеющих большой коэффициент усиле­ния, - трудная техническая задача, поэтому такие вольтметры имеют относительно низкий частотный диапазон (1...10 МГц).