Корганова, лекции

электромагнитные и ферродинамические измерительные механизмы.

Регистрирующие электромеханические приборы предназначены для регистраций медленно изменяющихся величин

(до 1 Гц).

Всостав регистрирующего органа входят следующие основные элементы: материал-носитель, регистрирующий орган для нанесения знаков регистрации, устройство для перемещения носителя. Положение регистрирующего органа на плоскости определяется количественным значением измеряемой величины.

Регистрация - представление измерительной информации в форме видимых или скрытых изображений, размещенных на некоторых материальных носителях (бумаге, магнитной или фотопленке и т. п.). При регистрации используются геометрические, физические и цифровые символы; отрезки линий; интенсивность намагничивания и цветочной окраски, степень почернения фотопленки; цифры, буквы, знаки и их комбинации.

Если носителем является бумага с сеткой, то приборы называются самопишущими.

Врегистрирующих приборах широко применяется метод регистрации нанесением слоя вещества на носитель: запись на диаграммной бумаге чернилами и пастой или печатанье.

К числу основных достоинств этих методов относятся долговечность документов, непосредственная видимость результата записи, удобный и дешевый носитель.

Основными элементами пишущего устройства является перо, капилляр чернильница. Причем чернильница может быть как подвижной, так и неподвижной. Недостатком такой записи являются; возможность отказа работы пишущего устройства из-за засорения пера, необходимость периодически заправлять устройство чернилами и т. д. Для устранения этих недостатков чернила подаются под давлением, разрабатываются специальные сорта чернил и т. п.

Используются красящие пасты и копировальная бумага. Применяется цифропечать. В таких приборах регистрирующим устройством является печатающая каретка. Кроме указателя на каретке закреплено металлическое колесо с выступами, на которых нанесены выпуклые знаки (точки или точки и цифры).

Печатание может осуществляться одной краской или быть многоцветным. Недостаток – потеря непрерывности.

Бумажные диаграммы обычно имеют форму ленты или диска

иснабжены градуировочной сеткой, которую выполняют в прямоугольной или полярной системе координат.

61

На смену рулонной упаковке приходит упаковка в пачки, где лента уложена в виде “гармошки”.

Существуют методы регистрации путем снятия слоя вещества носителя. В этом случае регистрирующий орган выполняется в виде стальной иглы, резца, стержня, нагретого током. В качестве носителя используется бумага, покрытая слоем сажи, воска или лака.

Методы регистрации изменением состояния вещества носителя представляют собой большую группу различных вариантов. Их разновидности:

-Термический метод осуществляется путем теплового воздействия электрически нагретого элемента (теплового пера) на поверхностный слой теплочувствительной бумаги. При расплавлении поверхностного слоя на нем остается след от движения теплового пера в виде четкой темной линии. Используется запись на металлизированной бумаге.

	E		1-записывающий электрод
			2-барабан
			3-металлизированная бумага
2	4	1	4-слой металла
	3

Проводником тока служит металлизированная бумага. Под действием тока металл подъэлектродом 1 плавится, и частично выгорает, в результате чего на поверхности носителя появляется темный след движения 1.

Фотографическая запись применяется в осциллографах. Регистрация осуществляется двумя способами x f (t) и

x1 f x2

б)	x	a)
		2
		N	S
			x 1	N	x2
		x	1
				S

В первом случае носитель сторону с постоянной скоростью, синхронными или пружинными скорости.

перемещается только в одну т.е. пропорционально времени двигателями с регулятором

62

В устройствах, регистрирующих x1 f x2 перемещение диаграммной бумаги пропорционально x2 , а регистрирующего органа - x1 . При неподвижной диаграмме регистрирующий орган может перемещаться по двум взаимноперпендикулярным осям пропорционально x1 и x2 .

АИУ уравновешивающего преобразования

Рассмотрим вначале приборы уравновешивающего преобразования, в которых процесс уравновешивания осуществляется вручную и измеряемая величина сравнивается с образцовой мерой. Такие приборы называются также приборами сравнения.

Основой прибора сравнения (уравновешивающего преобразования) является измерительная схема сравнения (ИСС), под которой понимается совокупность элементов, объединенных в определенную схему и предназначенных для осуществления процесса сравнения. Все ИСС сводятся к двум – компенсационным и мостовым. Компенсационные ИСС предназначены для сравнения напряжений, мостовые – для сравнения сопротивлений.

Приборы, в которых используются компенсационные ИСС, называются компенсаторами, а приборы, в которых применяются мостовые ИСС называются мостами.

Компенсаторы постоянного тока

Рассмотрим схему: здесь в ИСС встречно включены U i и U k

I вх U i U k

Ri rr rk

U	i	U	k	I	вх 0, если

x		r	Г
		Г
				I
R				p	A
i
	I		rK
				R
	вх			p
			U
U					U
			K
					пит
i
x

Т.е. U	i	скомпенсировано U	k	. Но U	k	I	p	r	. Следует	U i I p rk
								k

63

Точность определения U i зависит от точности определения I p и rk . Если поддерживать I p const , то rk (т.е. R p ) можно отградуировать в единицах U i .

I вх 0 означает, что входное сопротивление прибора (с зажимом “ xx ”) равно , т.е. при полной компенсации от источника U i ток не отбирается, и не вносятся искажения в режим работы U i .

Чтобы	обеспечить I p const используются нормальный
элемент НЭ,	и схема приводится к виду:

EN	1	к	2
			х	х
		Г
			U
rN			K
			rK	д
I				R
				p
p
				r

U

пит

EN - НЭ; rN - образцовое сопротивление.

Сначала ключ “к” ставится в положение “1”. В цепь,

образованную	элементами EN , Г, rN		встречно включается два
напряжения EN	и I p rN . Реостатом r изменяют ток до тех пор, пока “
Г“ покажет 0. Это будет, если
		EN	I p rN
т.е. при
I p	EN	const, т.е. при вполне определенной, постоянной
	rN

величине тока.

Затем “ к “ ставят в положение “ 2 “ и, неменяя I p , добиваются нуля гальванометра перемещением движка “ д “ по R p . Тогда

r

Ex EN rk (1)

N

Выражение (1) показывает, что высокая точность обеспечивается, если

64

1) EN , rN и rk - известны с большой степенью точности. Поэтому EN – нэ, rN - образцовое сопротивление, а rk Rp – магазин сопротивления.

2)должен быть точно установлен факт равенства двух напряжений. Поэтому к индикатору нуля ИН предъявляют требования высокой чувствительности, и именно поэтому в роли ИН выступает гальванометр.

Компенсаторы постоянного тока выпускаются нескольких классов точности от 0,005 до 0,2.

Различают компенсаторы малого и большого сопротивления.

Компенсатор постоянного тока	большого сопротивления
(большого R p ) имеет сопротивление	R p =10 кОм, I p =0,1мА,

предназначен для изменения напряжений порядка 1 в - больших напряжений.

Компенсаторы постоянного тока малого сопротивления имеют I p =10мА с R p =100Ом – предназначены для измерения малых

напряжений.

Пределы измерения 2 .

R p выполняется в виде проволочных реохордов. Но с

течением времени реохорды изнашиваются, поэтому в компенсаторах высоких классов точности реохорды не применяются, а используются различные переключательные схемы.

д	ж	p3
	r1	r1	r1
	p1	p2
в	г
	r1	r1	r	1
Например,	шунтирующая декада		p1 , p2 , p3 - рычаги		p1 и	p2
механически скреплены.		Напряжение	с r1 подается		на	9

последовательно соединенных резисторов с сопротивлениями такой же величины. Тогда на каждом резисторе второй декады падение напряжения U 2 =0,1 U1 .U k равно суммарному падению напряжения

на участке “ вгдж“.

65

	Независимо от положения рычагов							p1 и	p2 сопротивление
цепи рабочего тока остается неизменным. Шунтирующих декад
может быть несколько.
					Двойная декада
	в		г
	Две одинаковые декады включены последовательно. Здесь
напряжение снимается с участка “ вг“ тогда, как сопротивление
рабочему току не меняется.
	В компенсаторы постоянного тока малого сопротивления
применять трущиеся контакты в главной цепи нельзя, т.к. это может
привести к значительному изменению сопротивления рабочей цепи,
а оно невелико.
	Здесь используются схемы с изменяющейся величиной
рабочего тока. Например, схема В.С.							Уманцева. U k			создается на
постоянных по величине резисторах r , по которым
протекают			токи	I1 , I 2 ,...I n . U k		зависит	от	E		Г
этих		токов,		т.е.	от
								x
положения			движков		на	r		r	r	r
контактах.			Если	n1 и	n2 -
номера		контактов,			на		д
которых находятся движки							1		д
	и д2 , то						I		2
д1									I
						U	1
		U k I1rn1 I 2 rn2 .				пит	r1		2
									r2
	и I 2	отличаются друг от
I1
друга в 10 раз.

			n
Определяются они резисторами r1 и r2 , т.к. r1			и r2 >> ri . Если
			1
“ Г“ показывает	0, то EХ	отсчитывается по положению щеток,
причем каждая щетка дает свой десятичный знак.
Требуемый	рабочий	ток I1 I 2 ... I n	устанавливается

аналогично предыдущему ( EN не изображен, реостат также).

Компенсаторы постоянного тока могут быть использованы для измерения токов и сопротивлений по следующим схемам.

66

R	обр	I	R x	R	обр
			x
	k		Ux	U	обр
"xx"

k"xx"

I

U

обр

R

U

x

R

x

Rобр

x

U

обр

обр

Основные источники погрешности: -нестабильность I p

-порог чувствительности НИ.

I			U i U k	;	U		U		I		r r r
	порог					k		i		порог
			ri rr rk								i r k

Истинное U k U i

	U		U	k		I	порог	r	r	r
		k
		U k					U i	i	r	k

Компенсаторы переменного тока

Компенсаторы переменного тока так же, как и компенсаторы постоянного тока производят измерение напряжения путем его сравнения с известным, но уравновешивать нужно не только модуль напряжения, но и его форму. Уравновешивание основано на том принципе, что ток на участке цепи отсутствует, если к нему приложены равные по величине и противоположные по фазе напряжения.

На переменном токе отсутствует эталонный источник, аналогичный нормальному элементу, поэтому компенсаторы переменного тока менее точны, чем компенсаторы постоянного тока: рабочий ток в них приходится устанавливать по амперметру.

Компенсаторы переменного тока бывают двух типов:

1)Компенсаторы, снабженные фазорегулятором и измеряющие напряжение в полярной системе координат – полярно - координатные компенсаторы.

2)Компенсаторы, имеющие две рабочие цепи, напряжения которых сдвинуты на 900. Они измеряют составляющие вектора

67

напряжения и называются прямоугольно – координатными

компенсаторами переменного тока.

I

1

A

а

1

б

U ~

1

д1

O

Тв

UKX

2

I

2

в

2

U i

UKY

O'

r

ИР

f

г

д2

Тв. – воздушный трансформатор.

аб, вг – реохорды.

I1 устанавливается по амперметру определенной величины.

Ток I1 создает падение напряжения,

на проволоке аб U аб ,

которое

совпадает

по

фазе

с

I1 , т.к.

сопротивление

контура

1

преимущественно активное. Т.к.

I1 const ,

то

rаб

может

быть

отградуирован в единицах U аб .

Во вторичной обмотке Тв наводится эдс e 2

e

d

d 0 HS

S

1 di1

S

1 dI1m sin t

2

2 dt

2

dt

2

2

l dt

2

0

l

dt

2 0 S

1 I1m cos t MI1m cos t .

l

2

0

S 1

M

l

l - длина магнитной силовой линии.

Т.е. между e2 и I1

сдвиг по фазе 900. Эта эдс создает в контуре

2 ток I 2

I 2

l2

I1m cos t (1)

r2

r2

М – взаимная индуктивность между первичной и вторичной

обмотками Тв.

r2 - сопротивление контура 2, носит активный характер.

Ток

I 2 совпадает по фазе с

l2 .

I 2

создает на “

вг“

падение

напряжения U вг , которое совпадает по фазе с I 2 . Следовательно, (1)

показывает,

что

если

I1 const ,

то

I 2 const

автоматически,

и

амперметр

в

контур

2

не

ставится.

Для

регулировки

I 2

при

68

изменении

ставится сопротивление

rf . Реохорд “

в

вг“

в

единицах

напряжения

может

быть

U

i

отградуирован. Таким образом сдвиг по фазе между

и

90

0

.

Центры д1

Ukx

U аб

U вг составляет

реохордов,

точки O и О

электрически

а

б

д

соединены между собой.

U аб и

U вг

создают

2

электрическую

прямоугольную

систему

Uky

координат.

Главная

цепь

конденсатора

U

содержит U i , ИР.

г

k

Производят перемещение движков д1 и д2

до тех пор, пока ИР

покажет 0, тем самым получают на “ аб“ и “ вг“ составляющие вектора напряжения, равного по модулю измеряемому, а по фазе сдвинутого на 1800 – составляющие вектора компенсирующего

напряжения U k - U kx	и U ky
							; tg	U ky	.
		U x		U kx2		U ky2
							U kx
Погрешность	компенсатора						в значительной степени

определяется относительной погрешностью установки рабочего тока по амперметру и в лучшем случае составляет 0,1%.

U k и U i должны быть одинаковой частоты. Если U k – чистая синусоида, а U i содержит еще и высшие гармоники, то

уравновешивается только 1ая гармоника, т.е. в общем случае полной компенсации получить нельзя.

ИР – резонансный гальванометр.

Полярно-координатный компенсатор

При измерении в полярной системе координат модуль U i определяют по положению движков д1 и д2 на шкале калиброванной

проволоки “ аб“ и магазине “ бв“. I p	устанавливают по амперметру,
а фаза регулируется фазорегулятором		Ф.
Регулируя модуль U k движками д1 и	д2 ,	ИР	U
и, изменяя фазу поворотом ротора Ф.,			i
		д1		д
				2
добиваются отсутствия отклонения ИР.
Тогда U i U k , а x k , U k определяется		а	б	в
по положению движков д1 и д2 , а k	– по	A
положению ротора фазорегулятора.				Ф

~

I

p

69

Мосты постоянного тока

В мостах применяется мостовая ИСС, под

r1

r2

которой понимается четырехполюсник, к

в

двум

входным

зажимам

которого

(аб)

IГ

присоединяется

источник

питания,

к

а

двум

выходным

вг

–

индикатор

r3

Г

r

б

4

равновесия –

гальванометр “ Г“.

аб

г

входная

диагональ,

вг

-

нагрузочная.

r1 , r2 , r3 , r4

- плечи моста.

На основании теоремы о эквивалентном

U

генераторе

I Г U

r1r4 r2 r3

(1)

r1r2 r3 r4 r3 r4 r1 r2

rГ r1 r2 r3 r4

Мост в равновесии, если I Г 0 , т.е, если

r1r4 r2 r3 0

отсюда равновесие моста

			(2)	–	произведение	сопротивлений
	r1r4 r2 r3
противоположных плеч моста равны между собой.
	Выражение (2) показывает, как с помощью моста измерять
сопротивления: если			в	плечо	r1 поставить	неизвестное

сопротивление rx , а в остальные плечи магазины сопротивлений, и уравновесить мост, то на основе (2) получим:

			r		r2	r		(3)
			x		r4	3
	r3							R3	10n
		- плечи отношений. Обычно
	r4							r4

n – целое число от –5 до +5. r2 - плечо уравновешивания.

(3)показывает, что неизвестное сопротивление rx

определяется путем его сравнения с известными. Точность работы моста обеспечивается, если:

1) r1 , r2 , r3 , r4 известны с большой степенью точности. Поетому в качестве r2 , r3 , r4 выбраны магазины сопротивлений.

2)Точно установлен факт равновесия моста. Поэтому к индикатору равновесия предъявляется требование высокой чувствительности. В качестве индикатора равновесия используется магнитоэлектрический гальванометр.

Для моста характерна высокая чувствительность

70