- •А.И. Тихонов информационно-измерительная техника и электроника
- •Оглавление
- •Глава 1. Электроника – основа построения устройств информационно-измерительной техники 8
- •Глава 2. Информационно - измерительная техника 177
- •Введение
- •Определение
- •1.1.1. Энергетические зоны и физические основы собственной электропроводности полупроводников
- •1.1.2. Электропроводность собственного полупроводника
- •1.1.3. Электропроводность примесных полупроводников
- •1.2. Полупроводниковые диоды и их типы
- •1.2.1. Диоды Шоттки на основе контакта «металл-полупроводник»
- •1.2.2. Выпрямительные диоды
- •1.2.3. Импульсные диоды
- •1.2.4. Варикапы
- •1.2.5. Стабилитроны
- •1.2.6. Высокочастотные диоды и диоды Шоттки
- •1.2.7. Туннельные и обращенные диоды
- •1.3. Оптоэлектронные приборы
- •1.3.1. Фоторезисторы
- •1.3.2. Фотодиоды
- •1.3.3. Светоизлучающие диоды
- •1.3.4. Оптроны
- •1.4. Полупроводниковые приборы без р-n перехода
- •1.4.1. Терморезисторы
- •1.4.2 Варисторы
- •1.4.3. Тензорезисторы
- •1.4.4. Магниторезисторы
- •1.4.5. Холлотроны (датчики Холла)
- •1.5. Биполярные транзисторы
- •1.6. Полевые транзисторы
- •1.7. Тиристоры и их применение в устройствах информационно-измерительной техники и электроснабжения
- •2. Усилители переменного и постоянного тока
- •2.1. Классификация и основные параметры электронных усилителей
- •2.1.1. Классификация эу
- •2.1.2. Параметры эу
- •2.2. Усилительный каскад (ук) на биполярных транзисторах
- •2.2.1. Три схемы включения бпт на ук
- •2.2.2. Принцип работы усилителя на бпт
- •2.2.3. Рабочий режим и элементы схемы
- •2.2.4. Основные статические и динамические параметры
- •2.3. Усилительные каскады на полевых транзисторах
- •2.3.1. Три схемы включения и расчетные параметры
- •2.3.2. Сравнительные данные ук на пт и бпт
- •2.3.3. Применение полевых транзисторов в качестве управляемых ключей и сопротивлений
- •2.4. Усилители с обратными связями
- •2.4.1. Виды обратных связей
- •2.4.2. Усилители напряжения, тока и мощности
- •1. Усилители класса а
- •2. Кпд усилителя класса в
- •3. Практические критерии отличия усилителей
- •2.4.3. Схема оос по напряжению
- •2.4.4. Эмиттерный повторитель
- •2.5. Усилители постоянного тока
- •2.5.1. Требования к усилителям постоянного тока и основные понятия
- •2.5.2. Дифференциальные усилители
- •2.5.3 Операционные усилители
- •2.5.4. Практическое применение операционных усилителей в аналоговых устройствах иит Неинвертирующий усилитель
- •Инвертирующий оу
- •3. Дискретные (импульсные) устройства
- •3.1. Основные параметры импульсных сигналов
- •3.2. Электронные ключи и формирователи импульсов
- •3.3. Компараторы и триггеры на оу и бпт
- •3.4. Импульсные генераторы на оу
- •3.5. Логические элементы
- •4. Элементы интегральной электроники-основа построения современных устройств иит
- •4.1. Комбинационные логические схемы
- •4.2. Счётчики и регистры
- •4.3. Запоминающие устройства
- •4.4. Преобразователи кодов
- •4.5. Элементы индикации
- •Тестовые задания по электронике для самопроверки
- •Глава 2. Информационно - измерительная техника
- •1. Средства измерений
- •1.1. Измерения. Основные понятия метрологии. Классификация средств измерений
- •Основные понятия и определения
- •Измерение. Измеряемые величины
- •Физическая величина. Единица физической величины
- •Системы единиц физических величин
- •Меры и наборы мер
- •Измерительные приборы
- •1.2. Виды и методы измерений
- •1.2.1. Классификация видов измерений
- •Виды измерений
- •1.2.2. Обзор методов измерений
- •1.2.3. Методы измерений и их классификация
- •Методы измерений
- •1.3. Основные погрешности измерений
- •Абсолютные и относительные погрешности
- •Погрешности инструментальные и методические, отсчитывания и установки
- •Понятие точности
- •2. Измерительные преобразователи
- •2.1. Измерительная цепь и ее элементы
- •2.2. Простейшие измерительные преобразователи тока и напряжения
- •2.2.1. Шунты
- •2.2.2. Добавочные сопротивления
- •2.2.3. Дополнительные измерительные преобразователи
- •2.3. Измерительные трансформаторы напряжения и тока
- •3. Аналоговые электромеханические приборы Общие сведения
- •Отсчетное устройство аналоговых эип.
- •3.1. Приборы магнитоэлектрической системы
- •3.2. Приборы электромагнитной систем
- •3.3. Приборы электродинамической системы
- •3.4. Приборы индукционной системы Общие сведения
- •3.5. Приборы детекторной системы Амперметры и вольтметры выпрямительной системы.
- •3.6. Приборы термоэлектрической системы
- •3.7. Приборы электростатической системы
- •4. Электронные аналоговые и цифровые измерительные приборы
- •Аналоговые электронные вольтметры Общие сведения
- •Основные узлы аналоговых электронных вольтметров переменного тока
- •Преобразователи амплитудного значения
- •Преобразователи средневыпрямленного значения.
- •4.1. Классификация электронных измерительных приборов
- •4.2. Стрелочные измерительные приборы
- •4.3. Цифровые электронные приборы
- •4.3.1. Цифровые вольтметры
- •Цв прямого преобразования
- •Цифровой вольтметр постоянного тока с времяимпульсным преобразованием
- •Цифровой вольтметр времяимпульсного преобразования с двойным интегрированием
- •4.3.2. Цифровые амперметры и омметры Цифровые амперметры
- •Цифровые омметры
- •4.3.3. Цифровые ваттметры и счетчики электрической энергии
- •Принцип перемножения с помощью шим-аим
- •Импульсный интегратор (ии)
- •4.3.4. Частотомеры-периодомеры Методы измерения частоты
- •Методы измерения периода
- •5. Электронно-лучевые осциллографы
- •Применение электронного осциллографа для измерений
- •6. Измерительные приборы промышленной электроники
- •7. Информационно-измерительные системы
- •Тестовые задания по информационно-измерительной технике
- •Заключение
- •Библиографический список к первой главе
- •Библиографический список ко второй главе
- •Анатолий Иванович Тихонов, канд. Техн. Наук, доцент информационно-измерительная техника и электроника
3.4. Приборы индукционной системы Общие сведения
Индукционные приборы состоят из индукционного измерительного механизма с отсчетным устройством и измерительной схемой.
Принцип действия индукционных измерительных механизмов основан на взаимодействии магнитных потоков электромагнитов и вихревых токов, индуктированных магнитными потоками в подвижной части, выполненной в виде алюминиевого диска.
В настоящее время из индукционных приборов находят применение счетчики электрической энергии в цепях переменного тока.
Счетчики электрической энергии. Устройство и схема включения индукционного счетчика показаны на рис. 31.
Рис. 31 Устройство и схема включения индукционного счетчика
1 – трехстержневой магнитопровод с обмоткой напряжения; 2 – счетный механизм; 3 – алюминиевый диск, укрепленный на оси; 4 – постоянный магнит для создания тормозного момента; 5 – П-образный магнитопровод с токовой обмоткой
Анализ работы индукционного счетчика показывает, что вращающий момент пропорционален мощности переменного тока, т. е.
,
где k – постоянный коэффициент.
На подвижную часть счетчика (алюминиевый диск) действует тормозной момент, пропорциональный частоте вращения диска. Этот момент создается в результате действия тока, наводимого во вращающемся между полюсами постоянного магнита диске, и определяется выражением
где k1 – постоянный коэффициент; – частота вращения диска.
Приравнивая вращающий и тормозной моменты, получим
Число оборотов диска N за время ∆t измерения энергии определяется интегралом по времени от частоты вращения диска т. е.
где – постоянная счетчика; W – энергия, прошедшая через счетчик за интервал времени At.
Единице электрической энергии (обычно 1 кВт-ч), регистрируемой счетным механизмом, соответствует определенное число оборотов подвижной части счетчика. Это соотношение, называемое передаточным числом А, указывается на счетчике.
Величину, обратную передаточному числу, т. е. отношение зарегистрированной энергии к числу оборотов диска, называют номинальной постоянной Сном. Значения А и Сном зависят только от конструкции счетного механизма и для данного счетчика остаются неизменными.
Под действительной постоянной счётчика С понимают количество энергии, действительно прошедшей через счетчик за один оборот подвижной части.
3.5. Приборы детекторной системы Амперметры и вольтметры выпрямительной системы.
Они представляют сочетание измерительного механизма магнитоэлектрической системы с выпрямителем на полупроводниковых диодах. В выпрямителях применяются диоды из германия или кремния.
Сопротивление полупроводникового диода зависит от полярности приложенного напряжения. При напряжении одной полярности сопротивление диода мало, а при напряжении противоположной полярности сопротивление диода резко возрастает. Сопротивление диода в первом случае называют прямым Rпр, а во втором – обратным Rобр. Если к диоду приложить переменное напряжение, то он будет пропускать ток практически только в одном направлении, т. е. в течение одной половины периода.
Величиной, количественно характеризующей выпрямительные свойства диодов, является коэффициент выпрямления kв, под которым понимают отношение прямого тока Iпр к обратному lобр или, что то же самое, отношение обратногo сопротивления к прямому, т. е. kв = lпр/lобр= Rобр/Rпр. Значение kв зависит также от частоты протекающего тока и температуры окружающего воздуха.
Рис. 32. Схема и временные диаграммы токов выпрямительного амперметра с однополупериодным выпрямителем
Схемы соединений диодов с измерительными механизмами можно разделить на две основные группы: однополупериодные и двухполупериодные. В амперметре с однополупериодной схемой выпрямления (рис. 32) через измерительный механизм, включенный последовательно с диодом VD1, проходят полуволны переменного тока Io одной полярности, а полуволны другой полярности проходят через диодVD2 и резистор R. Диод VD2 защищает диод VDl от пробоя и создает цепь для тока через нагрузку при обратной полуволне. Значение сопротивления R выбирается равным сопротивлению измерительного механизма. Благодаря этому сопротивление прибора будет одинаковым для любого направления тока.
Наиболее распространенными являются приборы с двухполупериодными схемами выпрямления, изображенными на рис. 33.
Диоды включены во вторичную цепь трансформатора (рис. 33,а) так, что ток через измерительный механизм в течение любого полупериода всегда проходит в одном направлении. Трансформатор позволяет электрически изолировать цепь измерительного механизма (цепь выпрямленного тока) от цепи измеряемого переменного тока или напряжения.
|
а) б) в) г)
Рис. 33. Двухполупериодные схемы включения измерительного механизма с выпрямителем
В схеме рис. 33,б четыре диода образуют плечи мостовой симметричной цепи, в диагональ которой включен измерительный механизм. Ток все время протекает через измерительный прибор в одном направлении, а среднее значение выпрямленного тока в мостовой схеме по сравнению с однополупериодной схемой увеличивается вдвое.
В мостовых схемах (рис. 33,в и г) два диода заменены резисторами, сопротивление которых равно прямому сопротивлению диодов. Так как в этих схемах используются только два диода, то у приборов с такими схемами уменьшается погрешность от изменения температуры окружающей среды. Однако в приборах со схемами по рис. 33,в и г необходимо использовать более чувствительный измерительный механизм, так как в него ответвляется лишь часть (30–40 %) выпрямленного тока (рис. 33,в) или часть переменного тока вообще не выпрямляется (рис. 33,г).
При измерении переменного тока мгновенное значение вращающего момента М (t), действующего на подвижную часть магнитоэлектрического измерительного механизма при протекании по его рамке пульсирующего выпрямленного тока:
М (t) = B∙s∙w∙i,
где i – мгновенное значение тока, протекающего через измерительный механизм.
Угол поворота подвижной части при одно- и двухполупериодном выпрямлении соответственно равен
.
При измерениях в цепях переменного тока обычно измеряют действующее значение тока (напряжения). Учитывая, что отношение действующего значения тока к среднему значению называется коэффициентом формы kф=I/Iср, для угла поворота подвижной части при двухполупериодном выпрямлении получим
.
Выпрямительные приборы градуируют в действующих значениях тока (напряжения) при синусоидальном токе (для сиинусоиды kф=1,11). При отличии формы кривой измеряемого тока (напряжения) от синусоиды в показаниях прибора возникает погрешность.
Шкала у выпрямительного прибора вследствие нелинейности вольт-амперной характеристики диодов несколько сжата, но начиная с 10–15 % длины шкалы имеет равномерный характер.
Схемы на рис. 33 в сочетании с шунтами и добавочными резисторами могут применяться для измерения токов и напряжений.
На рис. 34 приведены схемы выпрямительных вольтметров, а на рис. 33 – амперметров. Выбор той или иной схемы определяется назначением прибора, его пределом измерения, влиянием внешних факторов, из которых наиболее существенное значение имеют температура окружающей среды и частота измеряемого тока.
При повышении температуры уменьшаются как сопротивления диода, так и коэффициент выпрямления kв, в результате чего возникает температурная погрешность. Влияние частоты переменного тока проявляется в том, что вследствие шунтирующего действия межэлектродной емкости диода коэффициент выпрямления kв с ростом частоты уменьшается.
В вольтметрах на малые напряжения (рис. 34,а) с небольшим добавочным резистором Rд уменьшение эквивалентного сопротивления выпрямительной схемы при увеличении температуры окружающей среды компенсируется увеличением сопротивления добавочного резистора, частично выполненного из меди. У вольтметров на большие напряжения (рис. 34,б.) с большим добавочным резистором Rд уменьшение коэффициента выпрямления kв больше влияет на изменение показаний при увеличении температуры окружающей среды. Для компенсации температурной погрешности выпрямительную цепь шунтируют сопротивлением с положительным температурным коэффициентом.
Компенсация частотной погрешности в схеме рис. 34,а осуществляется емкостью С, а в схеме рис. 34,б – индуктивностью L.
а) б)
Рис. 34. Схемы вольтметров выпрямительной системы: а) – на малые напряжения; б) – на большие напряжения
При повышении частоты общий ток в схеме рис. 35, а возрастает и компенсирует уменьшение выпрямленного тока в измерительном механизме. В схеме рис. 35, б с возрастанием частоты увеличивается сопротивление шунтирующей цепи и в выпрямленную цепь поступает относительно больший ток, что приводит также к компенсации частотной погрешности.
|
Рис. 35. Схемы амперметров выпрямительной системы:
а – на малые токи; б – на большие токи
В выпрямительных миллиамперметрах на малые пределы измерения (рис. 35,а) почти весь измеряемый ток протекает через выпрямительную цепь, а шунтирующая цепь используется для температурной и частотной компенсации. Амперметр на большой ток представляет собой мили вольтметр, измеряющий падение напряжения на шунте Rш. Компенсация погрешностей от измерения температуры окружающей среды и частоты тока в амперметрах производится по тому же принципу, что и у вольтметров.
Достоинствами выпрямительных приборов является высокая чувствительность (наименьшие пределы измерения переменных токов и напряжений 0,25–0,3 мА и 0,25–0,3 В), малое собственное потребление мощности, широкий частотный диапазон (до 10–20 кГц).
Недостатки приборов: невысокая точность (классы точности 1,0–2,5) и зависимость показаний от формы кривой измеряемой величины.
Отечественной промышленностью выпускаются многопредельные ампервольтметры показывающие и самопишущие, а также выпрямительные фазометры и самопишущие частотомеры, использующие магнитоэлектрический логометр.