ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

(3.15)

Выражение (3.15) показывает, что при включении электродинамического измерительного механизма в цепь переменного тока вращающий момент, а следовательно, и угол отклонения определяются произведением действующих значений токов в обмотках на косинус угла между ними.

Для создания вращающего момента в электродинамических измерительных механизмах не используются ферромагнитные и вообще металлические элементы. Момент создается магнитными потоками, действующими в воздухе. Это исключает возможность возникновения различного рода погрешностей, связанных с появлением вихревых токов, гистерезисом и т. п. Поэтому электродинамические приборы могут быть выполнены одними из самых точных среди приборов, применяемых в настоящее время на переменном токе. Электродинамические приборы изготовляются главным образом в виде переносных приборов высокой точности — классов 0,1; 0,2 и 0,5. В качестве щитовых электродинамические приборы почти не применяются. Недостатком электродинамических приборов является большое потребление мощности. Следует отметить, что чем меньше потребление мощности электродинамическим прибором, тем слабее собственные магнитные поля и сильнее влияние внешних магнитных полей. Такие приборы требуют хорошей защиты от внешних магнитных полей, отличаются достаточно сложной конструкцией и сравнительно высокой стоимостью изготовления. Электродинамические приборы плохо переносят механические воздействия — удары, тряску и вибрацию.

Электродинамические приборы могут быть использованы для измерений в цепях постоянного и переменного тока до частот 2000 - 3000 Гц, а в области расширенного значения частот - до 10 000 - 20 000 Гц.

В настоящее время применяются электродинамические амперметры, вольтметры, ваттметры, а при исполнении измерительных механизмов в виде логометров — фазометры, частотомеры и фарадметры.

Устройство электродинамического логометра показано на рис. 3.7. Его подвижная часть состоит из двух жестко скрепленных между собой под углом γ подвижных катушек Б1 и Б2, находящихся в поле неподвижных катушек А. Катушки Б 1 и Б2 посредством безмоментных токопродводов включаются в цепь по схеме, зависящей от назначения прибора. Из рассмотрения направления действия сил (рис. 3.7)

13

следует, что момент М1 создается составляющей F1 cosα , a момент М2 — составляющей F2 cos( γ - α ).

На основании этого, а также из формулы (3.15) средние значения моментов M1 и M2 за период:

где I — ток в последовательно и согласно включенных катушках A: I1, и I2— токи в катушках Б1 и Б2.

Для установившегося равновесия Мг = М2. Если катушки выполнены так, что

го

(3.16)

(3.17)

Рис. 3,7, Электродинамический логометр

В самопишущих приборах (§ 4.2), а также в приборах, предназначенных для работы в условиях вибраций, тряски и ударов, находят применение ферродинамические измерительные механизмы, отличающиеся от рассмотренных электродинамических измерительных механизмов тем, что у них неподвижные катушки расположены на сердечнике из ферромагнитного материала. Это приводит к значительному увеличению вращающего момента и уменьшению влияния внешних магнитных полей. Однако наличие в измерительном механизме нелинейного элемента (маг-

14

нитопровода) снижает точность приборов. В ферродинамических измерительных механизмах (рис. 3.8) сердечники набираются из пластин, которые выполняются из электротехнических сталей или из пермаллоев. Для уменьшения погрешностей от вихревых токов пластины изолируются друг от друга. Из тех же соображений

ИНДУКЦИОННАЯ СИСТЕМА

Приборы индукционной системы получили широкое распространение для измерения электрической энергии. Принципиальная схема прибора приведена на рис. 3.6.1. Электрический счетчик содержит магнитопровод - 1 сложной конфигурации, на котором размещены две катушки; напряжения - 2 и тока - 3. Между полюсами электромагнита помещен алюминиевый диск - 4 с осью вращения - 5. Принцип действия индукционной системы основан на взаимодействии магнитных потоков, создаваемых катушками тока и напряжения с вихревыми токами, наводимыми магнитным полем в алюминиевом диске.

Вращающий момент, действующий на диск, определяется выражением:

где ФU - часть магнитного потока, созданного обмоткой напряжения и проходящего через диск; ФI - магнитный поток, созданный обмоткой тока; ψ - угол сдвига

между ФU и ФI. Магнитный поток ФU пропорционален напряжению

Магнитный поток ФI пропорционален току:

Для того чтобы счетчик реагировал на активную энергию, необходимо выполнить условие:

В этом случае

т.е. вращающий момент пропорционален активной мощности нагрузки. Противодействующий момент создается тормозным магнитом - 6 и пропорционален скорости вращения диска:

В установившемся режиме и диск вращается с постоянной скоростью. Приравнивая два последних уравнения и решив полученное уравнение относительно угла поворота диска

15

Таким образом, угол поворота диска счетчика пропорционален активной энергии. Следовательно, число оборотов диска n тоже пропорционально активной энергии.

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

В электростатических измерительных механизмах перемещение подвижной части происходит под действием энергии электрического поля системы двух или нескольких электрически заряженных проводников.

Распространено два вида механизмов: с изменением активной площади электродов, а в других – за счет изменения расстояния между электродами.

Устройство механизма с изменением активной площади электродов

	3	2	Неподвижная часть (неподвиж-
			ный электрод) состоит из одной
			или нескольких камер 1, которые
			представляют две одинаковые
			пластины, соединенные вмести и
			имеющие воздушный зазор. В
			воздушный зазор входит подвиж-
			ный секторообразный электрод 2,
			укрепленный на оси 4. Электрод
			2 и указатель 3, также укреплен-
	1		ный на оси 4, образуют подвиж-
			ную часть. Силы электрического

поля стремятся повернуть подвижную часть так, чтобы энергия элек-

1

трического поля WЭ = 2 U 2C была наибольшей, т.е. чтобы подвижный электрод втягивался в пространство и поворачивал указатель. Вращающий момент электростатического механизма

М =	dWЭ	=	1	U 2 dC
	dα		2 dα .

При переменном напряжении u =U M sin(ωt) , приложенном к электродам, подвижная часть вследствие инерционности будет реагировать на среднее за период значение вращающего момента, равное

		1 dC 1					T	1		dC
	MCP =						∫u2dt =		U 2
		2 dα T
							0	2 dα ,

где U – действующее значение переменного напряжения. Выражение для угла отклонения можно получить из условия статического равновесия

М= – МПР или

16

1dC

2υ2 dα =Wα ,

откуда

1dC

α= 2W dαU 2 .

Достоинства: почти не влияют температура, частота и форма кривой приложенного напряжения; собственное потребление мощности мало. Недостатки: чувствительность мала; вращающий момент мал

Применение: в маломощных цепях в широком частотном диапазоне; в цепях высокого напряжения.

17

Лекция 3.

Электронные измерительные приборы

Все электронные приборы можно подразделить на две большие группы: аналоговые электронные приборы со стрелочным oтсчетом и приборы дискретного типа с цифровым отсчетом.

Взависимости 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 элек трических цепей. Группа С — приборы для наблюдения за формо сигналов

иее исследования. Группа Ч — частотомеры.

Ф— измерители фазового сдвига и т. д.

Электронные приборы по сравнению с электромеханическим обладают значительным быстродействием, широкими частотны) диапазоном (20 Гц... 1000 МГц) и диапазоном измеряемых вели чин, высокой чувствительностью, хорошей перегрузочной способностью.

^ 1.Аналоговые электронные измерительные приборы.

Такие приборы состоят из электронной части, предназначенной для преобразования, выпрямления, усиления электрической величины, измерительного механизма магнитоэлектрической системы, а 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 рис. 1.

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.

Рис. 1

Уравнение преобразования такого вольтметра:

где KBУ, Купт, Кв — коэффициенты преобразования ВУ, УПТ и электронного вольтметра соответственно; Sим — чувствительность ИМ по напряжению;

Входное сопротивление электронных вольтметров составляет десятки мегаом, что практически исключает их влияние на объект измерения.

2

При измерении малых напряжений начинает сказывается дрейф нуля УПТ, поэтому в электронных микровольтметрах исключают УПТ , постоянный ток преобразовывают с помощью модулятора в переменный и используют усилитель переменного напряжения.

Технические характеристики: диапазон измеряемых напряжений для вольтметров — 10 мВ до 1000 В и 10-8... 1 В для микровольтметров. Классы точности — 1,5; 2,5. Шкала — линейная.

^ Электронные вольтметры переменного тока. Упрощенные струк-. турные схемы вольтметров переменного тока приведены на рис. 2

Структурная схема, приведенная на рис. 2,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 (рис. 2,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

3

в

Рис. 2. Упрощенные структурные схемы: а — электронного вольтметра; б — электронного милливольтметра

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 рис. 2, 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 Кф 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

4

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. В схеме такого ЭВ 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 точно-

сти — 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 —

5