2. 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 наконечниками 2 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 катушка 4, 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 и 8 создают 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 стрелкой 9. Для балансировки подвижной части имеются передвижные грузики 10.

Угол отклонения стрелки через конструктивные параметры измерительного механизма:

, (2.1)

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

, (2.2)

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 :

, (2.3)

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

, (2.4)

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

, (2.5)

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

, (2.6)

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 механизма 2, алюминиевого диска 3, жестко укрепленного на оси, и постоянного магнита 4, 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, %,

. (2.7)

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 формой сигналов 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 усилитель переменного 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. В схеме 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 %.