3.1.3. Масштабные преобразователи

Различают два вида масштабных преобразователей:

1. Пассивные масштабные преобразователи, работающие за счёт энергии объекта исследований.

К этой группе относятся шунты, резистивные, ёмкостные и индуктивные делители тока и напряжения, измерительные трансформаторы.

Пассивные масштабные преобразователи строятся на пассивных элементах: резисторах, конденсаторах, катушках индуктивности.

Характерным для них является то, что мощность выходного сигнала всегда меньше мощности входного.

2. Активные масштабные преобразователи. Позволяют не только изменить размер величины, но и увеличить мощность выходного сигнала

К ним относятся измерительные усилители, повышающие уровни и работающие за счёт дополнительного источника энергии

Пассивные масштабные преобразователи

Шунты. Чтобы в измерительный механизм прибора поступал ток I_им, меньший в n раз измеряемого тока I, необходимо использование шунта - сопротивления, подключаемого параллельно цепи измерительного механизма.

I_им

U

I

R

Значение сопротивления шунта R определяется из соотношения

R = R_им/(n-1),

где R_им - сопротивление измерительного механизма,

n = I/I_им - коэффициент шунтирования.

Шунты изготавливают из манганина.

На небольшие токи (до 30 А) шунты помещаются в корпусе прибора (внутренние шунты).

На большие токи (до 7500 А) применяются наружные шунты.

По точности шунты разделяются на следующие классы: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5.

Добавочные резисторы. Служат для расширения пределов измерения измерительных механизмов по напряжению и включаются последовательно с ними.

U_д

U_им

R

U

Если напряжение постоянного тока, необходимое для полного отклонения подвижной части измерительного механизма, равно U_им, а измеряемое напряжение U = nU_им, то добавочное сопротивление

R = R_им(n-1).

Добавочные резисторы изготавливаются из манганина.

Применяются для преобразования напряжений до 30 кВ постоянного и переменного токов частотой от 10 Гц до 20 кГц и имеют следующие классы точности: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0.

Измерительные трансформаторы тока.

Преобразуют переменный ток от 0,8 А до 40000 А в ток с предельными значениями 1; 2; 2,5; 5 А.

Поэтому в трансформаторах тока первичный ток I₁ обычно больше вторичного I₂.

Z_нагр

U

A

B

E

F

I₁

W₁

W₂

L

N

C

D

I₂

U₂

Первичная обмотка трансформатора тока содержит малое число витков, и её выводы АВ включают в разрыв проводника с измеряемым током.

Число витков вторичной обмотки больше, чем первичной. К её выводам CD последовательно подключают амперметры, ваттметры и др. приборы.

Вторичные цепи измерительного трансформатора напряжения рассчитаны на напряжение 100 В, а лабораторных 100/√3 В при первичном номинальном напряжении до 750/√3 В.

Выводы EF первичной обмотки высшего напряжения включают в исследуемую цепь параллельно. Во вторичную цепь LN с меньшим числом витков (W₁>W₂) параллельно подключают вольтметры, ваттметры и т.д.

По показаниям приборов, включённых во вторичные обмотки, можно определить значения измеряемых величин. Для этого их показания нужно умножить на действительные коэффициенты трансформации k_I = I₁/I₂, k_U = U₁/U₂.

Но действительные коэффициенты трансформации не известны, т.к. они зависят от режима работы трансформатора.

Поэтому вместо действительных коэффициентов трансформации используют номинальные коэффициенты трансформации:

k_Uном = U_1ном/U_2ном = W₁/W₂;

k_Iном = I_1ном/I_2ном = W₂/W₁.

Относительные погрешности δI и δU из-за неравенства действительных и номинальных коэффициентов трансформации определяются следующими выражениями:

δI = (k_Iном - k_I)/ k_I ·100 %,

δU = (k_Uном - k_U)/ k_U ·100 %.

По точности трансформаторы тока подразделяются на следующие классы:

0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 3; 5; 10.

В зависимости от области применения измерительные трансформаторы тока изготавливаются стационарными и переносными.

Стационарные трансформаторы напряжения имеют классы точности 0,2; 0,5; 1; 3, а лабораторные - 0,05; 0,1; 0,2.

Измерительные трансформаторы позволяют наряду с изменением размера величины осуществлять гальваническое разделение цепей.

Активные масштабные преобразователи.

Измерительные усилители используются для усиления сигналов постоянного и переменного токов.

Связь между входным и выходным сигналами в усилителе непрерывная и однозначная.

Усилители выполняются с нормированной погрешностью коэффициента передачи и позволяют измерять сигналы от 0,1 мВ и 0,3 мкА с погрешностью 0,1 ... 1%.

Классификация усилителей возможна по ряду признаков:

- по полосе пропускания частот,

- по роду усиливаемого электрического сигнала,

- по типу применяемых усилительных элементов,

- по числу каскадов усиления и т.д.

Усилители переменного тока.

По ширине полосы и абсолютным значениям частот усиливаемых сигналов электронные усилители переменного тока делятся на:

- усилители низкой частоты (УНЧ), предназначенные для усиления сигналов с частотой от десятков Гц до 15-20 кГц;

- усилители высокой частоты (УВЧ), предназначенные для усиления сигналов во всём диапазоне частот, используемых электроникой;

- широкополосные усилители, позволяющие усиливать сигналы в широкой полосе частот (например, от десятков Гц до нескольких МГц).

Импульсные усилители представляют собой широкополосные усилители, полосу пропускания которых выбирают так, чтобы искажение формы усиливаемого импульса было наименьшим.

Форма импульса определяет его спектр.

Чем круче фронт импульса, тем шире его спектр в области верхних частот; чем длительнее пологие участки импульса, тем больше низкочастотных составляющих в спектре.

В структуре усилителя могут быть цепи, осуществляющие передачу части энергии с его выхода во входную цепь или передачу энергии с выхода последующих каскадов во входные цепи предыдущих и называемые цепями обратной связи.

Количественно обратная связь оценивается коэффициентом передачи цепи обратной связи β, показывающим, какая часть выходного сигнала поступает на вход схемы.

В зависимости от соотношения фаз напряжения, поступающего по цепи обратной связи U_β, и входного напряжения U_вх, различают положительную и отрицательную обратные связи.

В усилителях используется отрицательная обратная связь (ООС), позволяющая повысить точность измерительных усилителей.

Усилители постоянного тока (УПТ).

Это усилители, способные усиливать медленно меняющиеся во времени сигналы.

Низшая рабочая частота таких усилителей f_низ = 0, высшая f_выс определяется назначением усилителя.

Усилители постоянного тока применяются для усиления как медленно меняющихся сигналов, так и слабых сигналов переменного тока (например, для усиления сигналов с датчиков (термопар, фотодатчиков, тензодатчиков и др.), в осциллографах и т.д.).

Для соединения каскадов используется непосредственная связь. Отсутствие в межкаскадных связях реактивных элементов позволяет передавать постоянную и переменную составляющие сигнала.

Из-за этого УПТ свойственно такое явление, как дрейф нуля.

Под дрейфом нуля понимают самопроизвольное изменение выходного напряжения при постоянном или нулевом сигнале на входе.

Дрейф нуля обычно оценивают изменением за единицу времени входного напряжения U_вх.др., которое вызывает эквивалентное изменение выходного напряжения:

U_вх.др. = U_вых.др./K_U,

где K_U - коэффициент усиления по напряжению.

Причины дрейфа нуля: изменение питающих напряжений, температуры, постепенное изменение параметров активных и пассивных элементов схем.

Основные меры уменьшения дрейфа:

- предварительный прогрев усилителя;

- стабилизация напряжения источников питания;

- использование компенсационных схем, элементов с нелинейной зависимостью параметров от температуры;

- преобразование постоянного тока в переменный и усиление переменного тока с последующим преобразованием в постоянный (МДМ).

Усилители с преобразованием напряжения (МДМ) используют, когда допустимый дрейф нуля составляет единицы микровольт:

М

У

ДМ

U_вх

U_вых

В модуляторе М медленно меняющееся входное напряжение преобразуется в амплитудно модулированное переменное, которое усиливается усилителем У переменного напряжения. Усиленное переменное напряжение поступает на демодулятор ДМ.

Дрейф нуля такого усилителя значительно меньше, чем у обычных УПТ.

В настоящее время промышленностью широко выпускаются операционные усилители (ОУ) в интегральном исполнении.

Операционными усилителями называют усилители постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом, отличающиеся высоким коэффициентом усиления, большим входным и малым выходным сопротивлениями.

Условное обозначение ОУ:

+E_п

U_вх1

U_вых

U_вх2

-E_п

В зависимости от полярности сигналов на выходе один из входов называется инвертирующим, другой - неинвертирующим.

Для ОУ типичны следующие значения параметров:

- коэффициент усиления k = 10⁵-10⁶;

- дрейф нуля ε = 2-3 мкВ/ºC;

- входной ток I_вх.ср. = 5-10 нА.

Принципиальная схема ОУ содержит, как правило, 1, 2 или 3 каскада усиления напряжения, причём входной каскад всегда выполнен по дифференциальной схеме.

Для повышения точности измерительных усилителей широко применяется отрицательная обратная связь.