Электромеханические измерительные приборы

Электромеханические измерительные приборы. Электронные измерительные приборы. Электромеханические измерительные приборы. Простейший измерительный электромеханический прибор прямого преобразования (вольтметр, амперметр) состоит из трех основных преобразователей: измерительной цепи (ИЦ), измерительного механизма (ИМ) и отсчетного Устройства (ОУ) (рисунок 2.1). Рисунок 2.1 – Структурная схема электромеханического измерительного прибора прямого преобразования. Измерительная цепь обеспечивает преобразование электрической измеряемой величины в промежуточную электрическую величину (ток или напряжение), функционально связанную с измеряемой величиной и непосредственно воздействующую на измерительный механизм. Измерительный механизм является электромеханическим преобразователем, осуществляющим преобразование электрической величины в наглядное аналоговое показание . Отсчетное устройство состоит из указателя, жестко связанного с подвижной частью ИМ, и неподвижной шкалы. Указатели бывают стрелочные (механические) и световые. Шкала – это совокупность отметок в виде штрихов, расположенных вдоль линии, по которым определяют числовое значение измеряемой величины. В общем случае на подвижную часть ИМ при ее движении воздействуют моменты: вращающий , противодействующий и успокоения . Магнитоэлектрические приборы. Конструктивно измерительный механизм выполняют либо с подвижным магнитом, либо с подвижной катушкой. На рисунке 2.2 показана конструкция прибора с подвижной катушкой. Рисунок 2.2. – Схема устройства магнитоэлектрического прибора: 1 – постоянный магнит;2 – полюсные наконечники; 3 – неподвижный сердечник,4 – прямоугольная катушка;5 , 6–полуоси; 7,8 – спиральные пружины;9 – стрелка;10 – передвижные грузики. Постоянный магнит 7, магнитопровод с полюсными наконечниками2 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 катушка4 , намотанная медным или алюминиевым проводом на алюминиевом каркасе (применяют и бескаркасные рамки). Катушка (рамка)4 может поворачиваться в зазоре на полуосях 5 и 6. Спиральные пружины 7 и8создают противодействующий момент и используются для подачи измеряемого тока от выходных зажимов прибора в рамку (механические и электрические соединения на рисунке 2.2 не показаны). Рамка жестко соединена со стрелкой9 . Для балансировки подвижной части имеются передвижные грузики10 . Угол отклонения стрелки через конструктивные параметры измерительного механизма: где – индукция в зазоре; – площадь рамки; – число витков рамки, где – удельный противодействующий момент, зависящий от геометрических размеров и материала пружины (растяжек), – ток в рамке. Согласно формуле 2.1, магнитоэлектрические приборы имеют равномерные шкалы, так как угол отклонения прямо пропорционален току в катушке. В магнитоэлектрических приборах успокоение подвижной части приборов создается взаимодействием магнитных полей от вихревых токов в каркасе катушки и поля постоянного магнита. Достоинства : высокий класс точности – 0,05 и ниже, номерная шкала, высокая и стабильная чувствительность, малое собственное потребление мощности, большой диапазон измерений, на показания МЭП не влияют внешние магнитные и электрические поля. Недостатки : без преобразователей магнитоэлектрические преобразователи используют только в цепях постоянного тока, имеют малую нагрузочную способность, сложны и дороги, на их показания влияют колебания температуры. Применение: магнитоэлектрические ИМ используют в амперметрах, вольтметрах, омметрах и гальванометрах (обычных, баллистических и вибрационных). Амперметры . Магнитоэлектрический измерительный механизм, включенный в электрическую цепь последовательно с нагрузкой, позволяет измерять токи порядка 20. 50 мА. Для расширения пределов измерения используют шунты (манганиновый резистор), сопротивление которых мало зависит от температуры. Сопротивление шунта меньше сопротивления прибора и выбирается из соотношения. где – коэффициент шунтирования по току, . Вольтметры. Магнитоэлектрический измерительный механизм, включенный параллельно нагрузке. Для расширения пределов измерения по напряжению последовательно с ИМ включают добавочный резистор , сопротивление которого больше сопротивления : где – коэффициент шунтирования по напряжению, . Омметры . Магнитоэлектрические логометры широко применяются в приборах для измерения сопротивления – омметрах и мегомметрах, в выпрямительных частотомерах и устройствах для измерения неэлектрических величин (температуры, давления, уровня жидкости и др.). Логометры. Приборы электромеханической группы, измеряющие отношение двух электрических величин, обычно двух токов , что позволяет сделать их показания независимыми в известных пределах от напряжения источника питания. В логометрах вращающий и противодействующий моменты создаются электрическим путем и направлены навстречу друг другу. Электромагнитные измерительные приборы . В электромагнитных измерительных приборах (ЭМИП) для перемещения подвижной части используется энергия магнитного поля системы, состоящей из катушки с измеряемым током и одного или нескольких сердечников, выполненных из ферромагнитных материалов. Получили распространение три конструкции ЭМИП: с плоской катушкой; с круглой катушкой; с замкнутым магнитопроводом. В ЭМИП с плоской катушкой (рисунок 2.3) сердечник 5 из пермаллоя под действием сил поля втягивается в узкий воздушный зазор катушки 3 с обмоткой из медного провода. Ось 1 сердечника 5 со стрелкой 4 , спиральной пружиной 2 и подвижной частью успокоителя 6 крепится на опорах или растяжках. Успокоители в ЭМИП могут быть воздушные, жидкостные или магнитоиндукционные. Уравнение преобразования для ЭМИП. где – удельный противодействующий момент пружины, – ток в катушке, – индуктивность катушки. Рисунок 2.3 – Схема устройства электромагнитного прибора: 1 – ось; 2 – спиральная пружина; 3 – катушка; 4 – стрелка; 5 – сердечник; 6 – успокоитель. Из выражения (2.4) видно, что шкала электромагнитного прибора квадратичная. Конструктивно добиваются равномерности шкалы, начиная с 1/5 части верхнего предела измерения. Достоинства: простота конструкции и высокая надежность, хорошая перегрузочная способность, возможность работы в цепях постоянного и переменного токов, классы точности 1,0; 1,5; 2,5; частотный диапазон 45 Гц. 10 кГц; диапазон измерения по току 0,005. 300 А (при прямом включении) и до 20000 А с измерительным трансформатором тока (ИТТ); диапазон измерения по напряжению 1,5. 60 В (при прямом включении) и до 6000 В с измерительным трансформатором напряжения (ИТН). Недостатки: большое собственное потребление энергии, невысокая чувствительность, неравномерная шкала, влияние внешних магнитных и температурных полей, частоты питающего напряжения на показания ЭМИП. Применение: электромагнитные приборы используют в качестве амперметров, вольтметров, фазометров, частотомеров, генриметров и фарадметров. Электродинамические измерительные приборы. В электродинамических измерительных приборах (ЭДИП) для перемещения подвижной части используется энергия системы, состоящей из подвижной и неподвижной рамки с токами. Неподвижная часть может иметь одну, чаще две катушки, соединенные между собой параллельно или последовательно, намотанные медным проводом, внутри которых располагается подвижная катушка, обычно бескаркасная. Для ее включения в цепь измеряемого тока используются пружинки или растяжки. Успокоение подвижной части — воздушное или магнитоиндукционное (рисунок 2.4). Рисунок 2.4 – Схема устройства электродинамического прибора. Внутри неподвижной катушки 1 вращается укрепленная на оси подвижная катушка 2. Ток к ней подводится по спиральным токоподводящим пружинам, служащим одновременно для создания противодействующего момента. Уравнение преобразования для ЭДИП. где – взаимная индуктивность катушек зависящая от положения подвижной катушки относительно неподвижной. Достоинства: используется цепях постоянного и переменного токов, классы точности 0,05; 0,1; 0,2. Диапазон измерений на постоянном токе 0,015…10 А, на переменном токе 0,005…200 А, до 600 А с ИТТ; измерения постоянного напряжения 1,5…600 В, 7,5…6000 В с , переменного тока до 30 000 В с измерительным трансформатором напряжения; частотный диапазон до 40 кГц. Недостатки: большое собственное потребление энергии, неравномерная шкала, невысокая чувствительность, имеют малую перегрузочную способность, недопустимы тряски и вибрации, имеют сложную конструкцию и высокую стоимость, на показания этих приборов влияют внешние магнитные поля, температура и частоты питающего напряжения. Применение: электромагнитные приборы используют в качестве амперметров, вольтметров, ваттметров, фазометров, частотомеров. Электростатические измерительные приборы. В электростатических измерительных приборах (ЭСИП) для перемещения подвижной части используется принцип взаимодействия двух или несколько электрически заряженных проводников, т.е. здесь в отличие от механизмов других систем перемещение подвижной части осуществляется за счет непосредственного приложенного напряжения. Эти приборы измеряют только напряжение. Конструктивно электростатические ИП можно представить в виде плоского конденсатора с подвижными неподвижными электродами. На рисунке 2.5 приведена схема устройства электростатического прибора. Подвижная алюминиевая пластина 1 , закрепленная вмести со стрелкой на оси 3 , может перемещаться, взаимодействуя с двумя электрически соединенными неподвижными пластинами 2 . Рисунок 2.5 – Схема устройства электростатического прибора: 1 – подвижная пластина; 2 – неподвижные пластины; 3 – ось. Уравнение преобразования для ЭСИП. где – емкость, образуемая между электродами электростатического прибора, – входное напряжение, которое попадается на подвижную и неподвижную пластины. Из выражения (2.6) видно, что шкала прибора квадратичная. Достоинства: не потребляют энергии в цепях постоянного тока и очень незначительное потребление в цепях переменного тока, классы точности: 0,05; 0,1; 1,0; 1,5; 2,5; частотный диапазон 20 Гц. 10 мГц; диапазон измерений постоянного напряжения от 10 В до 7500 кВ, переменного напряжения от 30 В до 7500 кВ, независимость показаний от изменения температуры, частоты и формы кривой измеряемого напряжения, а также внешних магнитных полей. Недостатки: низкая чувствительность, неравномерная шкала, сказывается влияние внешних электрических и электростатических полей. Применение: электростатические измерительные приборы используют в цепях постоянного и переменного токов в качестве вольтметров. Для расширения пределов измерения по напряжению используются резисторные и емкостные делители напряжения. Индукционные измерительные приборы. В индукционных измерительных приборах (ИИП) особым положением катушек получают вращающееся электромагнитное поле, которое, пронизывая алюминиевый цилиндр, индуцирует в нем вихревые токи, что вызывает возникновение вращающего момента. С помощью спиральных бестоковых пружин создается противодействующий момент и обеспечивается пропорциональность измеряемой величины отклонению подвижной системы. Зависимость показаний ИИП от колебаний частоты тока возбуждения и температуры окружающей среды ограничивает применение этих приборов. Индукционный измерительный механизм используется в самопишущих приборах, для построения указателя вращающегося поля, синхроскопа, частотомера и в счетчиках электрической энергии. Упрощенная схема однофазного индукционного счетчика электрической энергии показана на рисунке 2.6. Рисунок 2.6 – Схема однофазного индукционного счетчика: 1 – катушка напряжения; 2 – счетный механизм; 3 – алюминиевый диск; 4 – постоянный магнит; 5 – П-образный сердечник. Механизм прибора состоит из двух неподвижных магнитопроводов: трехстержневого сердечника с катушкой напряжения 1 и П-образного сердечника 5 с двумя последовательно соединенными токовыми катушками, счетного механизма2 , алюминиевого диска3 , жестко укрепленного на оси, и постоянного магнита4 , служащего для создания тормозного момента. Счетчик характеризуется величиной – номинальная постоянная счетчика (количество энергии, учитываемой счетчиком за один оборот диска), которая вычисляем по формуле. где А – передаточное число счетного механизма в виде числа оборотов, соответствующих единице энергии. Количество электричества, реально прошедшее за один оборот диска, зависит от тока и характера нагрузки, внешних условий (например, от температуры и частоты), характеризуется действительной постоянной счетчика , которая, как правило, не равна номинальной. Она определяется путем измерения действительно израсходованной энергии за некоторое число оборотов диска при помощи ваттметра и секундомера. В этом случае: где – мощность, измеренная ваттметром; – время. Тогда. Относительная погрешность счетчика, т.е. его класс точности, %, Передаточное число счетчика А указывается на щитке счетчика. Значения и зависят только от конструкции данного счетчика и являются величинами постоянными. Важным параметром счетчика является порог чувствительности, под которым понимается минимальная нагрузка, выражаемая обычно в процентах от номинальной, при которой подвижная часть начинает безостановочно вращаться. Наряду с этим счетчик не должен иметь самоход при разомкнутой токовой цепи и изменении напряжения в пределах 220 В ± 10%. Счетчики активной энергии выпускаются классов точности 0,5; 1,0; 2,0; 2,5. Порог чувствительности счетчика не должен превышать 0,4 % для счетчиков класса точности 0,5 и 0,5 % для счетчиков класса точности 1,0; 2,0; 2,5. Применение: индукционные счетчики используют для измерения электрической энергии в однофазных и трехфазных цепях. Электронные измерительные приборы. Все электронные приборы можно подразделить на две большие группы: аналоговые электронные приборы со стрелочным отсчетом и приборы дискретного типа с цифровым отсчетом. В зависимости от характера измерений и вида измеряемых величин все электронные измерительные приборы также подразделяются на группы: В – приборы для измерения напряжений: В1 – калибраторы; В2 – вольтметры постоянного тока; ВЗ – вольтметры переменного тока; В4 – вольтметры импульсного тока; В6 – вольтметры селективные; В7 – вольтметры универсальные. Г – измерительные усилители и генераторы: ГЗ – генераторы гармонических колебаний низкочастотные; Г4 – генераторы гармонических колебаний высокочастотные; Г5 – генераторы импульсные; Гб – генераторы функциональные. Е – приборы для измерения распределенных параметров электрических цепей. Группа С – приборы для наблюдения за формойсигналов и ее исследования. Группа Ч – частотомеры. Ф – измерители фазового сдвига и т.д. Электронные приборы по сравнению с электромеханическими обладают значительным быстродействием, широкими частотным диапазоном (20 Гц. 1000 МГц) и диапазоном измеряемых величин, высокой чувствительностью, хорошей перегрузочной способностью. Аналоговые электронные измерительные приборы. Такие приборы состоят из электронной части, предназначенной для преобразования, выпрямления, усиления электрической величины, и измерительного механизма магнитоэлектрической системы, а в осциллографах электронно-лучевой трубки. Аналоговые электронные приборы используются в качестве вольтметров, частотомеров, осциллографов, измерителей сопротивления, емкости, индуктивности, параметров транзисторов, интегральных схем и др. Электронные вольтметры (ЭВ) составляют наиболее обширную группу электронных приборов. Основное их назначение – измерение напряжения в цепях постоянного, переменного тока в широком диапазоне частот. Электронные вольтметры можно классифицировать по следующим признакам: · по способу измерения – приборы непосредственной оценки и приборы сравнения; · назначению – приборы постоянного, переменного, импульсного напряжений, универсальные (постоянного и переменного напряжений) и селективные (с частотно-избирательными свойствами), · характеру измеряемого напряжения – амплитудные (пиковые), действующего и среднего значений; · частотному диапазону – низкочастотные и высокочастотные. Электронные вольтметры постоянного тока. Структурная схема ЭВ постоянного тока представлена на рисунок 2.7. Рисунок 2.7 – Структурная схема электронного вольтметра постоянного тока. Измеряемое напряжение постоянного тока поступает на входное устройство (ВУ), представляющее собой многопредельный высокоомный резисторный делитель напряжения. Сигнал с ВУ поступает на вход усилителя постоянного тока (УПТ), который помимо функций усиления сигнала по напряжению и мощности согласует высокое выходное сопротивление ВУ с малым сопротивлением рамки измерительного механизма (ИМ) магнитоэлектрической системы. Уравнение преобразования такого вольтметра: где , , – коэффициенты преобразования ВУ, УПТ и электронного вольтметра соответственно; – чувствительность ИМ по напряжению; Входное сопротивление электронных вольтметров составляет десятки мегаом, что практически исключает их влияние на объект измерения. При измерении малых напряжений начинает сказываться дрейф нуля УПТ, поэтому в электронных микровольтметрах исключают УПТ, постоянный ток преобразовывают с помощью модулятора переменный и используют усилительпеременного напряжения. Технические характеристики измеряемых напряжений для вольтметров — 10 мВ до 1000 В и 10 -8 . 10 -13 для микровольтметров. Классы точности – 1,5; 2,5. Шкала – линейная. Электронные вольтметры переменного тока. Упрощенные структурные схемы вольтметров переменного тока приведены на рисунке 2.8. Рисунок 2.8 Упрощенные структурные схемы: а – электронного вольтметра; б – электронного милливольтметра. Структурная схема, приведенная на рисунке 2.8 а, используется в вольтметрах для измерения напряжений значительного уровня. Измеряемое напряжение после прохождения частотно-компенсированного делителя (ВУ) преобразуется детектором (Д) в напряжение постоянного тока, которое усиливается УПТ и поступает на ИМ магнитоэлектрической системы. Частотные характеристики таких вольтметров определяются только входным устройством и детектором и составляют от 10 Гц до 1 ГГц. Диапазон измеряемых напряжений начинается с 0,1 В и выше. Вторая структурная схема (рисунок 2.8 б ) применяется в милливольтметрах, поскольку обладает большей чувствительностью за счет использования дополнительного усилителя. Измеряемое напряжение после прохождения входного устройства (ВУ) поступает на вход усилителя переменного напряжения (УН), далее на вход детектора (Д) и через усилитель постоянного тока (УПТ) на измерительный механизм (ИМ). Частотный диапазон таких приборов определяется частотными характеристиками усилителя переменного тока (трудно изготовить широкополосный усилитель переменного тока) и ограничивается до 1 МГц. Диапазон измеряемых напряжений составляет от единиц милливольт до нескольких сотен вольт. Элементная база, используемая при создании вольтметров переменного тока, определяется существующим уровнем техники (от полупроводниковых образцов до микроинтегрального исполнения), а функциональное назначение блоков схемы при этом не меняется. Важным элементом, существенно влияющим на метрологические характеристики вольтметров, являются детекторы, выполняющие функцию преобразователей переменного напряжения в постоянное напряжение. Напряжение на выходе детектора может быть пропорционально амплитудному, средневыпрямленному и среднему квадратическому значению измеряемого напряжения. Тип детектора определяет эксплуатационные свойства вольтметра. Так, вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми высокочастотными; вольтметры с детекторами среднего квадратического (действующего) значения измеряют напряжение любой формы; вольтметры среднего (средневыпрямленного) значения пригодны для измерения только гармонического сигнала. Шкалу электронных вольтметров обычно градуируют в действующих значениях синусоидального сигнала. Электронный вольтметр среднего значения. Простейший вольтметр для измерения относительно высоких напряжений может быть выполнен по структурной схеме, представленной на рисунке 2.8 а . Выпрямитель состоит из полупроводниковых диодов, работающих на линейном участке вольт-амперной характеристики. Широкий диапазон измерений ЭВ обеспечивается с помощью входного делителя. Достоинства : диапазон измеряемых напряжений – по частоте от 10 Гц до 10 МГц, по напряжению от 1 мВ до 300 В. Недостатки: показания ЭВ среднего значения зависят от формы кривой измеряемого напряжения. Амплитудный электронный вольтметр (диодно-конденсаторный). Показания такого ЭВ пропорциональны амплитудному значению измеряемого напряжения. Такие вольтметры позволяют измерять амплитуду импульсов с минимальной длительностью до десятых долей микросекунды и скважностью 2. 500. Верхняя граница частотного диапазона измерения определяется частотными свойствами диода, значениями монтажных емкостей и индуктивностью подводящих проводов, нижняя граница – постоянной времени разряда конденсатора (чем больше ее значение, тем ниже граничная частота). Диодные (как и транзисторные) амплитудные детекторы при малых напряжениях вносят в измеряемый сигнал значительные нелинейные искажения, поэтому в последнее время применяют амплитудные детекторы на интегральных микросхемах – операционных усилителях. Достоинства: диапазон измерений по частоте от 20 Гц до 1000 МГц, по напряжению от 100 мВ до 1000 В; классы точности – 4,0; 10,0; входное сопротивление – 100 кОм. 5 МОм. Недостатки: зависимость показаний ЭВ от формы сигнала. Электронный вольтметр действующего значения. Всхеме такого вольтметра выпрямитель состоит из полупроводниковых диодов, использующих квадратичный участок вольт-амперной характеристики. Для Увеличения протяженности этого участка используются преобразователи на диодных цепочках. Основное достоинство этих преобразователей заключается в независимости показаний на выходе от формы кривой измеряемого напряжения. Для расширения пределов измерения ЭВ на переменном токе используются емкостные делители напряжения. Достоинства: высокая чувствительность (за счет усилительных свойств); малое потребление энергии; диапазон измерений по частоте от 20 Гц до 50 МГц, по напряжению от 1 мВ до 1000 В; классы точности – 2,5; 4,0; 10,0; 15,0. Недостатки: высокая стоимость; ограниченная точность; необходимость переградуировки при замене элементной базы. Электронный омметр. Он представляет собой электронный вольтметр постоянного тока, имеющий измерительную схему, преобразующую измеряемое сопротивление в пропорциональное ему постоянное напряжение. Шкалу такого вольтметра градуируют в единицах измеряемого сопротивления и применяют его в качестве омметра. Расширение пределов измерения осуществляется с помощью образцовых резисторов. Технические характеристики: большое входное сопротивление; диапазон измерения от 10 Ом до 1000 МОм; погрешность измерения – 2. 4%; возможно измерение очень больших сопротивлений (тераомметры) с погрешностью до 10 %. Последнее изменение этой страницы: 2017-02-05; Нарушение авторского права страницы.