Характеристики измерительных приборов

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Основные понятия

Метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Измерение – процесс, заключающийся в определении значения физической величины с помощью специальных технических средств.

Погрешность измерений - отклонение результата измерения от истинного значения физической величины.

Точность измерений - отражает близость результатов измерения к истинному значению измеряемой величины.

Измерительные приборы - средства измерения, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме удобной для восприятия наблюдателя.

Поверка средств измерений - определение метрологическим органом погрешности средств измерений и установление его пригодности к применению.

Средства измерения представлены в виде структурной схемы:

Мера  - средства измерений предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера с определенной точностью. Существуют однозначные и многозначные меры, а также наборы и магазины мер.

Измерительные преобразователи- предназначены для выработки сигнала измерительной информации в форме удобной для передачи дальнейшего преобразования, обработки или хранения, но не поддающиеся восприятию наблюдателя.(пульты управления)

Измерительные преобразователи могут быть энергетическими (не требуют постороннего источника энергии) и параметрическими (требуют постороннего источник энергии) Различают преобразователи непрерывной величины в дискретную, первичные, передающие, масштабные, выходные, обратные, сравнения с одной или несколькими величинами. К измерительным преобразователям относятся делители напряжения и тока, добавочные резисторы, шунты, измерительные трансформаторы, выпрямители, усилители.

Измерительные установки- совокупность функционально объединенных средств измерений предназначенных для выработки, сигналов в удобной форме для наблюдателя

Измерительные информационные системы(ИИС) - совокупность средств измерения и вспомогательных устройств, соединяющихся между собой каналами связей, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации в форме удобной для автоматической обработки и передачи.

ИИС бывают измерительные, диагностические и автоматического контроля. Виды измерений:

Прямые измерения- измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных.

Косвенные измерения- измерения, при которых искомое значение физической величины находят на основании математической зависимости между искомой величиной и величинами аргументами, полученными при прямых измерениях

Совместные и совокупныеизмерения близки по способу нахождения искомых значений величин (в обоих случаях они находятся решением уравнений) и коэффициентов, в которых отдельные члены получены в результате прямых измерений. Отличие состоит в том, что при совокупных измерениях одновременно измеряется несколько одноименных величин, а при совместных- разноименных.

Обычные измерения- измерения, выполняемые с однократным наблюдением.

Статистические измерения- измерения с многократным наблюдением.

Статические измерения- измерения, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени в процессе измерения.

Динамические измерения- измерения, при которых измеряемая величина изменяется в процессе измерения.

Метод непосредственной оценкизаключается в непосредственном определении значения физической величины по отчетному устройству измерительного устройства заранее проградуированного в значениях измеряемой величины.

Основные методы измерения:

Метод сравнения с меройзаключается в определении искомой определяемой физической величины сравнением с величиной воспроизводимой мерой.

Дифференциальный метод  основан на измерении разности между искомой величиной и истинным значением. Он применяется при измерении параметров цепи.

Нулевой метод  - частный случай дифференциального метода, при котором результирующий эффект воздействия измеряемой физической величины и известной величины, воспроизводимой мерой на прибор сравнения, доводят до нуля.

Метод замещений- метод, при котором измеряемая величина замещается известной величиной, воспроизводимой мерой равной по значению замещенной.

Метод противопоставлений- метод, при котором измеряемая величина и известная величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнений, с помощью показаний которого устанавливают соотношения между ними.

Методика измерений- детально намеченный порядок процесса измерений, регламентирующие методы, средства, алгоритмы выполнения измерений, которые в определенных условиях обеспечивают измерения с заданной точностью.

Алгоритм измерений- точное предписание о выполнении в определенном порядке совокупности операций, обеспечивающих измерения значений физической величины.

Приборам у которых пределы допускаемых основных погрешностей задаются относительной основной или приведенной погрешностей, присваивают согласно ГОСТ классы точности, выбираемые из следующего ряда : 1*10^п;    
где

Погрешность прибора, в зависимости от значения входной величины, можно представить в виде аддитивной ( ) и мультипликативной погрешности ( ):

Аддитивная погрешность(погрешность нуля) - погрешность, не зависящая от чувствительности прибора и постоянная для всех значений входной величины в пределах диапазона измерений.

а)                                                  б)

Мультипликативная погрешность(погрешность чувствительности) - погрешность, которая изменяется пропорционально текущему значению входной величины  - относительной погрешности чувствительное.

Относительные погрешности прибора:

В зависимости от времени поведения измеряемой величины в процессе измерения определяются статические и динамические погрешности.

Статические погрешности- это погрешности, возникающие при измерении постоянной во времени величины.

Динамическая погрешность- это разность между погрешностью прибора вдинамическом режиме и его статической погрешностью соответствующей значению величины в данный момент времени. Она зависит как от свойств прибора, так и от характера изменения измеряемой величины во времени (если время установления показаний прибора больше времени интервала измеряемой величины, то возникает динамическая погрешность). Подключение измерительных приборов к участку цепи не должно нарушать энергетического баланса в измеряемой цепи.

Быстродействие- это время затраченное на одно измерение. Для аналоговых приборов быстродействие определяется временем установления показаний. Для цифровых приборов оно определяется отношением количества измерений  за промежуток времени  в отношении к этому промежутку:

Надежность  - способность прибора сохранять эксплуатационные параметры в установленных пределах в течении заданного времени. Основные критерии надежности:

1. Вероятность безотказной работы в течении заданного времени.

2. Интенсивность отказов.

3. Время безотказной работы. Оценка надежности производится в процессе разработки прибора.

Характеристики измерительных приборов

 Основными характеристиками являются:

1. Уравнения преобразования (градуировочная характеристика).

2. Чувствительность.

3. Порог чувствительности.

4. Диапазон измерений.

5. Область рабочих частот.

6. Статический и динамические погрешности.

7. Собственная мощность потребляемая прибором.

8. Быстродействие.

9. Надежность.

Градуировочная характеристика отражает функциональную зависимость между выходным сигналом  и входным .

Чувствительность характеризует способность прибора реагировать на изменения входного сигнала, отражает зависимость по выражению:

Порог чувствительности  отражает изменения входного сигнала, вызывающего наименьшие изменения выходного сигнала, которые могут быть обнаружены наблюдателем с помощью данного прибора без дополнительных устройств.

Диапазон измерений- это область значений измеряемого сигнала для которой нормированы допускаемые погрешности.

Область рабочих частот- полоса частот, в пределах которой погрешность прибора, вызванная изменением частоты, не превышает допускаемого предела.

По способу выражения различают абсолютную, относительную, приведенную, основную и дополнительную погрешности самого прибора.

Абсолютная погрешность прибора( ) отражает разность между показаниями прибора и истинным значением измеряемой физической величиной. Эта погрешность взятая с обратным знаком называется поправкой ( ).

Относительная погрешность( ) отражает отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины и выражается в процентах.

Относительная погрешность обычно существенно изменяется вдоль шкалы прибора. С уменьшением значения измеряемой величины- увеличивается.

Приведенная погрешность( )- отношение абсолютной погрешности прибора к нормированному значению и выражается в процентах.

Дополнительная погрешностьприбора - погрешность вызываемая действием отдельных влияющих величин вследствие отклонения их от нормальных.

Класс точности- обобщенная характеристика определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей. Он характеризует свойства приборов в отношении точности измерений, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих приборов.

2 АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

2.1 Общие сведения

В аналоговых электромеханических измерительных приборах непосредственной оценки электромагнитная энергия, подведенная к прибору непосредственно из измеряемой цепи, преобразуется в механическую энергию углового перемещения подвижной части относительно неподвижной.

Электромеханические измерительные приборы (ЭИП) применяет для измерения тока, напряжения, мощности, частоты, фазовых сдвигов, сопротивлений и других электрических величин на по­стоянном и переменном токе преимущественно промышленной ча­стоты 50 Гц. Эти приборы относят к приборам прямого преобразо­вания. Они состоят из электрического преобразователя (измери­тельной цепи), электромеханического преобразователя (измеритель­ного механизма), отсчетного устройства (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 – Схема электромеханического аналогового измерительного прибора

Измерительная цепь прибора обеспечивает преобразование элект­рической измеряемой величины X в некоторую промежуточную электрическую величину Y (ток или напряжение), функционально связанную с измеряемой величиной X. Величина Y непосредственно воздействует на измерительный механизм ИМ.

В зависимости от характера преобразо­вания измерительная цепь может представлять собой совокуп­ность преобразовательных элементов (резисторов, конденсаторов, выпрямителей, термопар и др.).

Различные измерительные цепи позволяют использовать один и тот же измерительный механизм при измерениях разнородных величин, напряжения, тока, сопротивления, меняющихся в широ­ких пределах.

Измерительный механизм, являясь основной частью конструк­ции прибора, преобразует электромагнитную энергию в механическую энергию, необходимую для угла отклонения α его подвиж­ной части относительно неподвижной, т. е. .

Подвижная часть измерительного механизма ИМ представляет собой механическую систему с одной степенью свободы относительно оси вращения.

Дифференциальное уравнение моментов, описывающее работу ИМ, имеет вид:

                                                (2.1)

т. е. момент количества движения равен сумме моментов, действую­щих на подвижную часть.

В (2.1) J - момент инерции подвижной части ИМ; α - угол отклонения подвижной части;  - угловое ускорение.

На подвижную часть измерительного механизма при ее движении воздействуют:

вращающий момент М, определяемый для всех ЭИП скоростью изменения энергии электромагнитного поля , сосредоточенной в механизме, по углу отклонения α подвижной части. Вращающий момент является некоторой функцией измеряемой величины X, а следовательно, Y (тока, напряжения, произведения токов) и α:

                         (2.2)

где п = 1, 2;

противодействующий момент , создаваемый механическим путем с помощью спиральных пружин, растяжек, подводящих проводов и пропорциональный углу отклонения а подвижной части

                                     (2.3)

где W — удельный противодействующий момент на единицу угла закручивания пружины (зависит от материала пружины и ее гео­метрических размеров);

момент успокоения , т. е. момент сил сопротивления движе­нию, всегда направленный навстречу движению и пропорциональ­ный угловой скорости отклонения:

                              (2.4)

где Р - коэффициент успокоения (демпфирования).

После подстановки (2.2) - (2.4) в (2.1) получают дифференци­альное уравнение отклонения подвижной части механизма:

                      (2.5)

или

                               (2.6)

Установившееся отклонение подвижной части механизма определяется равенством вращающего и противодействующего моментов, т. е. , что бывает, когда два первых члена левой части, дифференциального уравнения (2.6) равны нулю. Подстановкой в равенство  аналитических выражений моментов получают уравнение шкалы прибора, показывающее зависимость угла отклонения α подвижной части от значения измеряемой величины и параметров измерительного механизма.

В зависимости от способа преобразования электромагнитной энергии, в механическое угловое перемещение подвижной части измерительного механизма приборы делят на магнитоэлектрические, электродинамические, ферродинамические, электромагнитные, элек­тростатические и др.

Отсчетное устройство аналоговых электромеханических прибо­ров чаще всего состоит из указателя, жестко связанного с подвиж­ной частью измерительного механизма, и неподвижной шкалы. Шкала представляет собой совокупность отметок, которые распо­ложены вдоль какой-либо линии и изображают ряд последователь­ных чисел, соответствующих значениям измеряемой величины. От­метки имеют вид штрихов, черточек, точек и т. п. Указатели бы­вают стрелочные (механические) и световые.

По начертанию шкалы бывают прямолинейные (гори­зонтальные или вертикальные), дуговые (при дуге до 180° включи­тельно) и круговые (при дуге более 180°).

По характеру расположения отметок раз­личают шкалы равномерные и неравномерные, односторонние отно­сительно нуля, двусторонние и безнулевые. Шкалы градуируются либо в единицах измеряемой величины (именованная шкала), либо в делениях (неименованная шкала).

Числовое значение измеряемой величины равно произведению числа делений прочитанных по шкале, на цену (постоянную) при­бора.

Цена деления - значение измеряемой величины, соответствую­щее одному делению шкалы.

Поскольку электромеханические измерительные приборы яв­ляются приборами прямого преобразования, чувствительность при­бора  в целом определяется чувствительностью цепи  и чувст­вительностью измерительного механизма :

                                                         (2.7)

Классы точности аналоговых, электромеханических измеритель­ных приборов следующие: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; .1 0; 1,5; 2,5; 4,0.

Узлы и детали измерительных приборов. Для большинства электромеханических измерительных приборов (ЭИП), несмотря на разнообразие измерительных механизмов, можно выделить общие узлы и детали - устройства для установки подвижной части измерительного механизма, создания противодействующего момента, уравновешивания; успокоители; арретир; корректор и др.

Так как любой измерительный механизм электромеханического прибора состоит из подвижной и неподвижной частей, то для обес­печения свободного перемещения подвижной части последнюю уста­навливают на опорах (рисунок 2.2, а), растяжках (рисунок 2.2, б), подвесе (рис. 2.2, в).

Рисунок 2.2 – Установка подвижной части измерительного механизма

При установке подвижной части измерительного механизма на опорах последние пред­ставляют собой легкую алюминиевую трубку, в которую запрессовывают керны (остальные отрезки). Концы кернов затачивают и шлифуют на конус с закруглением. Опираются керны на агатовые или корундовые подпятники. При установке подвижной части измерительного механизма на кернах между керном и подпятником возникает трение, что вносит погрешность в показания прибора. В приборах высокого класса точности (лабораторных) для умень­шения трения шкала устанавливается горизонтально, а ось вер­тикально. При этом нагрузка сосредоточена в основном на нижней опоре.

Установка подвижной части измеритель­ного механизма на растяжках наиболее распрост­ранена в приборах. Растяжки представляют собой две тонкие ленты из бронзового сплава, на ко­торых подвешивается подвиж­ная часть измерительного ме­ханизма. Их наличие обеспе­чивает отсутствие трения в опорах, облегчает подвижную систему, повышает вибро­устойчивость. Растяжки ис­пользуются также для подве­дения тока к обмотке рамки и создания противодействую­щего момента.

Установку под­вижной части изме­рительного меха­низма на подвес используют в особо чувствительных приборах. Подвижную часть, измерительного механизма подвешивают на тонкой металлической (иногда кварцевой) нити. Ток в рамку подвижной части подводят через нить подвеса и специальный безмоментный токоподвод из золота или серебра.

При транспортировке подвижную часть измерительного меха­низма закрепляют неподвижно с помощью арретира.

Противодействующий момент в измерительном механизме с установкой подвижной части на опорах (рисунок 2.3) создается одной или двумя плоскими спиральными пружинами 5, 6,выполненными из оловянно-цинковой бронзы. Пружины используются также и в качестве токоподводов к обмотке рамки подвижной части. Одним концом пружина крепится к оси или полуоси, а другим - к поводку 4 корректора. Корректор служит для установки на нуль стрелки невключенного прибора; состоит из винта 9 с эксцентрично расположенным пальцем 8, вилки 7 с поводком. Винт 9 корректора выводится на переднюю, панель корпуса прибора, вращаясь, он движет вилку 7, что вызывает закручивание пружины и соответственно перемещение стрелки 5. Ось 2 заканчивается кернами, опирающимися на подпятники 1.

Рисунок 2.3 - Общие детали подвижной части измерительного механизма на опорах

Для уравновешивания подвижной части служат грузики противовесы 10. Измерительный механизм считается уравновешенным, когда центр тяжести подвижной части совпадает с осью вращения. Хорошо уравновешенный измеритель­ный механизм показывает при различных положениях одно и то же значение измеряемой величины.

Для создания необходимого успокоен и я измерительные механизмы снабжают успокоителями, развивающими момент направленный на­встречу движению (время успокоения не более 4 с). В измерительных механиз­мах наиболее часто приме­няются магнитоиндукционные и воздушные успокои­тели и реже жидкостные (когда требуется очень большое успокоение).

Магнитоиндукционный успокоитель (рис. 2.4, а) состоит из постоянного магнита 1 алюминиевого диска 2, жестко связанного с подвижной частью механизма и свободно перемещающегося в поле постоянного магнита. Успокоение создается за счет взаимодейст­вия токов, индуктированных в диске при его перемещении в маг­нитном поле постоянного магнита с потоком этого же магнита.

Рисунок 2.4 – Типы успокоителей

Воздушный успокоитель (рис. 2.4, б) представляет собой камеру 1, в которой перемещается легкое алюминиевое крыло (или поршенек) 2, жестко связанное с подвижной частью измерительного механизма. При перемещении воздуха из одной части камеры в другую через зазор (между камерой и крылом) тормозится движение крыла и колебания подвижной части быстро затухают.

Воздушные успокоители слабее магнитоиндукционных.

2.2 Магнитоэлектрические измерительные приборы

Измерительные механизмы. Работа магнитоэлектрических измерительных механизмов основана на принципе взаимодействия катушки с током и магнитного потока постоянного магнита. Один из взаимодействующих элементов — подвижный (катушка (рамка) с током или постоянный магнит).

Наиболее распространены измерительные механизмы с подвиж­ной рамкой.

По конструкции магнитной системы различают механизмы с внеш­ним (рис. 2.5) и внутрирамочным магнитом. Первый состоит из внешнего магнита 1 из магнитотвердого мате­риала, магнитопровода 3 и цилиндрического сердечника 6 из магнитомягкого материала. В воздушном зазоре между полюсными наконечни­ками магнита и подвиж­ным цилиндрическим сердечником создается практически равномер­ное радиальное магнит­ное поле. В воздушном зазоре помещается рам­ка 5 из тонкого изоли­рованного медного про­вода, намотанного на легкий бумажный или алюминиевый каркас прямоугольной фор­мы. К рамке с двух сторон приклеивают алюминиевые буксы, в которых закрепляют полуоси или растяжки. Рамка может пово­рачиваться вместе с осью и стрелкой 2 вокруг цилиндрического сер­дечника. Измеряемый ток I пропускают в обмотку рамки через две спиральные пружины 7, создающие также противодействующий момент. Для уравновешивания подвижной части служат, противо­весы-грузики 4. Алюминиевая стрелка и шкала образуют отсчетное устройство.

Рисунок 2.5 – Устройство магнитоэлектрического измерительного механизма

При протекании по обмотке рамки постоянного тока I на ак­тивные стороны обмотки рамки действует пара сил, создающая вращающий момент:

                             (2.8)

где  - энергия магнитного поля системы, состоящей из постоян­ного магнита и рамки с током I;  - поток постоянного магнита, сцепленный с обмоткой рамки, по которой протекает ток; В - маг­нитная индукция в воздушном зазоре; l - активная длина рамки; а - ширина рамки;  - число витков обмотки рамки.

Произведение al равно активной площади S рамки. Соответственно

                         (2.9)

где  — потокосцепление обмотки рамки при повороте ее на угол
α = 1 рад.

Вращающий момент измерительного механизма стадиальным равномерным магнитным полем в воздушном зазоре не зависит от угла отклонения, а подвижной части. Под действием М подвижная участь поворачивается вокруг оси, тем самым закручивая спиральные пружины. Создающийся при этом противодействующий момент

                           (2.10)

где W - удельный противодействующий момент.

При отклонении рамки на некоторый угол, а вращающий и противодействующий моменты уравняются по значению, дальнейшее отклонение рамки прекратится. Из условия равенства моментов следует, что  или , откуда угол отклонения под­вижной части механизма

                     (2.11)

где  - чувствительность измерительного механизма по току.

Из (2.11) следует, что отклонение подвижной части измеритель­ного механизма линейно растет с увеличением тока I, т. е. шкала равномерная.

Повышение чувствительности измерительного механизма может быть достигнуто за счет увеличения индукции B в зазоре, числа витков ω рамки или уменьшения удельного противодействующего момента W пружин. Увеличение индукции В за счет применения новых специальных сплавов (альнико, альни, магнико и др.) при изготовлении постоянных магнитов, обеспечивающих индукцию в зазоре 0,2 - 0,3 Т, практически целесообразно.

При изменении направления тока I изменяется направление от­клонения подвижной части измерительного механизма; при включе­нии последнего в цепь переменного тока из-за инерционности его подвижной части среднее значение вращающего момента за период будет равно нулю.

В магнитоэлектрических измерительных механизмах успокоение подвижной части индукционное и электромагнитное. При отклоне­нии подвижной части в поле постоянного магнита в алюминиевом каркасе рамки, а также, в витках обмотки рамки, замкнутой на некоторое внешнее сопротивление, индуктируются токи, создающие совместно с полем постоянного магнита тормозной момент, быстро успокаивающий подвижную часть.

К достоинствам магнитоэлектрических измерительных механизмов относят: высокую чувствительность (ИМ обладает сильным собственным магнитным полем поэтому даже при малых токах создается достаточный вращающий момент); большую точность (из-за высокой стабильности элементов ИМ, незначительного влияния внешних магнитных полей); незначительное влияние на режим из­меряемой цепи, так как мощность потребления ИМ мала; хорошее успокоение; равномерность шкалы.

К недостаткам измерительных механизмов относят: сложность, изготовления, плохую перегрузочную способность, обусловленную легким перегревом пружин и изменением их свойств; температурные влияния на точность измерения.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы используют:

в многопредельных, широкодиапазонных магнитоэлектрических амперметрах, вольтметрах для непосредственных измерений в цепях постоянного тока;

в гальванометрах - высокочувствительных измерительных при­борах с неградуированной шкалой как для непосредственных изме­рений малых электрических токов  А, напряжений менее  В, зарядов, так и для обнаружения тока или напряжения в разнообразных мостовых и компенсационных цепях;

в светолучевых осциллографах (в вибраторах) при наблюдении и записи мгновенных значений тока, напряжения, мощности, ча­стота которых может быть от единиц герц до 10 - 15 кГц, а также различных неэлектрических величин, преобразованных в электри­ческие;

аналоговых омметрах, электронных вольтметрах, термоэлектри­ческих амперметрах, вольтметрах, электронных частотомерах, фазо­метрах;

в комбинированных аналоговых вольтметрах в которых магнито­электрические измерительные механизмы совместно с выпрямитель­ными преобразователями используются при измерениях переменного тока, напряжения;

в логометрах (двухрамочных механизмах), используемых в оммет­рах, частотомерах и т. д.

Амперметры. Основой амперметров и вольтметров является из­мерительный механизм. В микро- и миллиамперметрах, предназна­ченных для измерения токов (не превосходящих 50 мА), измеритель­ная цепь состоит из рамки и пружин, через которые подводится ток к рамке (сопротивление цепи измерительного механизма ).

Значение тока полного отклонения ограничено влиянием его теплового действия на упругие свойства спиральных противодейст­вующих пружинок.

Если измеряемый ток I превосходит по значению ток полного отклонения  подвижной части, то параллельно цепи измеритель­ного механизма ИМ подключается шунт (резистор), через который пропускается ток  (рис. 2.6).

Значение сопротивления шунта определяется из условия

                (2.12)

Если шунт рассматривать как делитель тока с коэффициентом деления , то его сопротивление

                                                (2.13)

Значение сопротивления шунта обычно  Ом. Для исключения влияния на результат измерения сопротивления соединительных проводов и контактов, соизмеримых с сопротивле­нием шунта, последние выполняются четырехзажимными: два за­жима (токовых) используются для включения шунта в цепь изме­няемого тока и два других зажима (потенциальных) - для подключения к измерительному механизму.

Шунты обычно изготовляют из манганина, обладающего нич­тожно малым температурным коэффициентом. Большое распрост­ранение получили многопредельные ступенчатые шунты, включае­мые по кольцевой схеме (рис. 2.7).

В двухпредельном амперметре, если принять , сопроти­вление шунта для пределов  и  соответственно равны:

где ;  - коэффициенты шунтирования.

При совместном решении этих уравнений можно определить со­противления шунтов:

Рисунок 2.6 – Схема микро-                       Рисунок 2.7 – Схема двух-

амперметра с шунтом                                 предельного амперметра

Расчет для многопредельного ступенчатого шунта аналогичен. Шунты бывают внутренние, вмонтированные в корпус прибора, и наружные. Наружные шунты подразделяют на индивидуальные и взаимозаменяемые (калиброванные). Индивидуальные шунты при­меняют к конкретным измерительным механизмам. Взаимозаменяемые шунты изготовляют на номинальные токи и падения напряжения: 60, 75, но допускают значения 100, 150, 300 мВ; применяютшунты к измерительным механизмам, рассчитанным на такие же падения напряжения. Внутренние шунты изготовляют на токи примерно до 50 А, наружные - на токи до 10 000 А. Наружные шунты обычно присоединяются к механизму двумя калиброванными проводниками с общим сопротивлением 0,035 Ом. Классы точности шунтов - 0,02; 0,05;.0,1; 0,2; 0,5 - показывают допустимое откло­нение сопротивления шунта от номинального значения, выраженное в процентах. Применение шунтов позволяет расширить пределы измерения амперметров, но приводит к увеличению мощности потребления, снижению точности, измерения и чувствительности. Для понижения; температурной погрешности, вызванной изменением сопротивления обмотки рамки и пружин подвижной, части измерительного механизма при протекании тока, последовательно с рамкой включается добавочное сопротивле­ние из манганина.

Вольтметры. Магнитоэлектрический измерительный механизм с включенным последовательно добавочным резистором может быть использован как вольтметр для измерения напря­жения. Вольтметр подключается параллельно к объекту измере­ния. В измерительной цепи вольтметра происходит преобразова­ние измеряемого напряжения в ток, необходимый для отклонения подвижной части измерительного механизма.

Предел измерения  вольтметра, зависит от тока полного от­клонения  подвижной части и внутреннего сопротивления  вольтметра (суммы сопротивлений обмотки рамки , пружин  и резистора ):

                          (2.14)

Ток полного отклонения  рамки магнитоэлектрических вольт­метров составляет примерно 50 мА.

Для изменения предела измерения  напряжения U последо­вательно с вольтметром включается добавочный резистор, значение которого при заданном значении 1у определяется из выражений

                 (2.15)

где  - коэффициент расширения предела измерения вольтметра или множитель шкалы.

В многопредельных вольтметрах (рис. 2.8) используют ступен­чатое включение резисторов и для соответствующих пределов изме­рения напряжений  при заданном токе рамки  сопротивле­ния добавочных резисторов рассчитываются по формулам:

 либо         (2.16)

 либо  (2.17)

где  - коэффициенты расширения пре­делов.

Рисунок 2.8 – Схема трехпредельного вольтметра

Добавочные резисторы в основном изготовляют из манганино­вого провода, намотанного на круглые или плоские каркасы из изоляционного материала. Они могут быть как внутренними (до 600 В), так и наружными (до 1500 В). Наружные добавочные рези­сторы, в свою очередь могут быть индивидуальными и взаимозаме­няемыми на номинальные токи 0,5; 1; 3; 7,5; 15 и 30 мА.

Магнитоэлектрические вольтметры имеют равномерную шкалу, высокую точность, большую чувствительность, но малое внутреннее сопротивление. Диапазон измеряемых ими напряжений лежит в пределах от микровольт до 1,5 кВ

2.3 Комбинированные аналоговые измерительные приборы

Комбинированный аналоговый измерительный прибор - ампервольтомметр (авометр) является универсальным многопредельным прибором, с помощью которого возможны приближенные измере­ния токов, напряжений в цепях постоянного и переменного тока частотой от 20 Гц до 20 кГц, и выше, сопротивлений постоянному току и емкости. В универсальном измерительном приборе исполь­зуют магнитоэлектрический измерительный механизм (микроамперметр), например с током полного отклонения подвижной части 50 мкА и падением напряжения 75 мВ, который может при помощи переключающего устройства соединяться с различными измери­тельными цепями.

При измерении постоянного тока параллельно микроампер­метру включаются многоступенчатые шунты, а при измерении постоянного напряжения последовательно с микроамперметром - добавочные резисторы. Таким образом, в режиме измерения постоянного тока и напряжения авометр работает как многопредель­ный магнитоэлектрический амперметр и вольтметр (см. 2.2 ).

При измерении переменных токов и напряжений звуковых ча­стот используют многопредельные выпрямительные амперметры и вольтметры, представляющие собой сочетание шунтов или доба­вочных резисторов, полупроводниковых одно- или двухполупериодных выпрямителей и магнитоэлектрического микроамперметра. Показания выпрямительных приборов соответствуют средневыпрямленному значению измеряемого напряжения или тока, т. е. магнитоэлектрический измеритель усредняет значение предварительно выпрямленного тока.

На рис 2.9, а,б представлены схема однополупериодного выпрямления и временные диаграммы изменения выпрямленного тока. В цепи однополупериодного выпрямления ток  через микро­амперметр, включенный последовательно с диодом , протекает только в положительный полупериод напряжения . В отри­цательный полупериод, для которого сопротивление диода  очень велико, ток протекает через диод Д₂, защищая тем самым диод  от пробоя. Сопротивление , включенное в цепь встреч­ного диода и равное сопротивлению микроамперметра  делает входное сопротивление цепи в обоих направлениях одинаковым. Подвижная часть магнитоэлектрического микроамперметра из-за своей инерционности при частотах от 20 Гц и выше не успевает следовать за мгновенными значениями вращающего момента, поэтому реагирует на среднее значение момента:

  (2.18)

где  - мгновенное значение момента;  - среднее зна­чение тока , протекающего через микроамперметр.

Из равенства  следует, что

                              (2.19)

где  - чувствительность прибора к току.

В случае однополупериодного выпрямления (рис. 2.9, б)

                   (2.20)

Рисунок 2.9 – Схема однополупериодного выпрямителя (а) и временные диаграммы изменения выпрямленного тока (б)

Шкалу прибора, измеряющего переменный ток или напряже­ние, обычно градуируют в среднеквадратичных (действующих) значениях синусоидального сигнала, поэтому среднее значение тока , протекающего через прибор, можно выразить через сред­неквадратичное значение I измеряемого тока и коэффициент фор­мы  для синусоиды:

                            (2.21)

где

При токе полного отклонения микроамперметра  предельное среднеквадратичное значение измеряемого переменного тока

                                               (2.22)

В цепи двухполупериодного выпрямления с четырьмя диодами (рис. 2.10, а) ток , протекающий через микроамперметр, увели­чивается вдвое по сравнению с током, протекающим через микро­амперметр в цепи однополупериодного выпрямления. В течение положительного полупериода ток проходит через диод  - микро­амперметр - диод ; в течение отрицательного полупериода - через диоды ,  и микроамперметр. Таким образом, через микро­амперметр ток  проходит в одном и том же направлении оба полупериода:

                                      (2.23)

Предельное среднеквадратичное значение измеряемого синусо­идального тока .

В цепи однополупериодного выпрямления почти все приложен­ное напряжение  падает на диод  поэтому при малых на­пряжениях работа, диода осуществляется на линейном участке его вольтамперной характеристики и шкала прибора делается более линейной. В цепи же двух­полупериодного выпрям­ления приложенное на­пряжение распределяет­ся между двумя диодами и прибором, что приво­дит к расширению нелинейного участка шкалы. Входное сопротивление цепи двухполупериодно­го выпрямления одинаково для обеих полуволн измеряемого на­пряжения, но вследствие нелинейного характера сопротивлений диодов сопротивление цепи зависит от значения измеряемого то­ка, поэтому для определенности принято сопротивление указы­вать при номинальных значениях напряжения и тока.

Мостовая цепь с четырьмя диодами требует идентичности послед­них и специальной температурной компенсации, так как прямое и обратное сопротивления диода зависят от температуры окру­жающей среды. Практическое применение находят мостовые цепи двухполупериодного выпрямления с двумя диодами и двумя рези­сторами (рис. 2.10, б).

Ток, протекающий через микроамперметр,

                 (2.24)

где ,  - соответственно сопротивления резисторов и микроамперметра.

Данная цепь более чувствительна к малым напряжениям, чем цепь с четырьмя диодами, и менее зависит от температуры, по­скольку два диода заменены резисторами. Частотный диапазон измерительных выпрямителей определяется в основном собствен­ной емкостью диода. Нижняя граница частотного диапазона состав­ляет 10 - 20 Гц, верхняя достигает с медно-закисными диодами не выше 100 кГц, с плоскостными германиевыми и кремниевыми - 100 кГц и с точечными - сотни мегагерц.

а                                                   б

Рисунок 2.10 – Схемы двухполупериодного выпрямления

 

К достоинствам выпрямительных приборов относят: высокую чувствительность по току и напряжению; малую собственную мощ­ность потребления; малые габариты; широкий частотный диапазон; к недостаткам - зависимость прямого и обратного сопротивления диода от температуры, нелинейность шкалы (сжата в начале при малых напряжениях до 0,4 В); невысокую точность (классы точности 1,5; 2,5 и_4); зависимость показаний ох формы кривой, исследуемого сигнала. Если измеряемое напряжение или ток отличны от синусоиды, то к показаниям прибора необходимо, внести, поправки.

Расширение пределов измерения и возможность использования на различных пределах измерения переменного тока общей шкалы обеспечиваются с помощью универсального шунта (рис. 2.11). Расчет шунта в многопредельных амперметрах, работающих в области звуковых частот, выполняется теми же способами, что и в мно­гопредельных магнитоэлектрических амперметрах, только вместо сопротивления измерительного механизма необходимо учитывать и входное сопротивление измерительного выпрямителя, пре­дельные значения измеряемого тока и падения напряжения на выпрямителе с учетом влияния элементов температурной и частотной компенсации. Для умень­шения температурной погреш­ности, вызванной изменением прямого и обратного сопротив­лений диодов (обладающих отрицательным температурным коэффициентом), параллельно универсальному шунту включают дополнительный шунт, состав­ленный из двух резисторов: один - из медной проволоки с поло­жительным температурным коэффициентом, а второй - из ман­ганиновой проволоки с высокостабильным сопротивлением. При повышении температуры сопротивление шунта увеличивается; это приводит к возрастанию выпрямленного тока, компенсирующего в некотором интервале температур понижение коэффициента вы­прямления . Для снижения частотной погрешности резисторы дополнительного шунта изготовляются в виде катушек. С увеличением частоты возрастает межэлектродная емкостная проводимость, уменьшается выпрямляющее действие диода, и пока­зания прибора падают. При этом индуктивное сопротивление дополнительного шунта возрастает, что увеличивает долю тока, протекающего через измерительный выпрямитель, показания при­бора возрастают и тем самым компенсируют влияние увеличения межэлектродной емкостной проводимости.

Рисунок 2.11 – Схема двухпредельного выпрямительного миллиамперметра с универсальным шунтом

В авометрах в режиме измерения синусоидальных токов диапазон измерения токов лежит в пределах от 0,2 мА до нескольких десятков ампер шкала в большей части линейна. Падение напряжения в амперметрах колеблется от 0,5 до 1 В.

Для измерения переменного напряжения используют многопредельные выпрямительные вольтметры. Расширение пределов изме­рения осуществляется переключаемыми добавочными резисторами, включенными в цепь переменного тока перед измерительным выпрямителем. Значение входного сопротивления вольтметра в основном определяется значением  (так как ); оно составляет 1,5-2 кОм/В и зависит от предела измерения напряжения.

Для измерения малых напряжений предпочтительны вольтметры с однополупериудным выпрямлением, для измерения больших напряжений – вольтметры с двухполупериодным выпрямлением. Для уменьшения частотной погрешности, безындукционные добавочные резисторы и параллельно им включают кон­денсатор. В вольтметрах с однополупериодным выпрямлением при градуировке шкалы в среднеквадратичных значениях измеряемого напряжения U учитывается коэффициент 2,22, т. е. , а в вольтметрах с двухполупериодным выпрямлением - коэф­фициент 1,11 т.е.  При измерении несинусоидаль­ных напряжений к показаниям вольтметров вносятся поправки. Схемы измерения сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов, используемые в авометрах, будут рассмотрены в гл. 9.

 

2.4 Электродинамические измерительные приборы

Рисунок 2.12 – Устройство электродинамического измерительного механизма

Измерительные механизмы. Эти механизмы (рис. 2.12) работают на принципе взаимодействия магнитных потоков двух катушек, по которым протекают токи. Измерительные механизмы состоят из пары неподвижных кат ушек 1 (круглой или прямоугольной формы), соединенных последо­вательно. Внутри этих катушек на оси находится бескаркасная подвижная катушка (рамка) 2. Для подвода тока в подвиж­ною катушку и создания про­тиводействующего момента применяют спиральные пружинки.

Чтобы получить вращающий момент  М, используют электромагнитную энергию системы  из двух катушек, по которым протекают постоянные токи  и , т. е.  где  - индуктивности катушек;  - их вза­имная индуктивность. Если по­токи подвижной и неподвижных катушек совпадают, то взаим­ная индуктивность катушек  положительна, если же потоки направлены в разные стороны - то отрицательна. При повороте подвижной катушки на угол α из­меняется взаимная индуктивность , зависящая от формы и взаимного расположения катушек, а индуктивности  и  остаются постоянными. Вращающий момент

        (2.25)

При некоторых определенных соотношениях размеров под­вижной и неподвижных катушек можно получить  в пределах рабочей части шкалы.

Под действием вращающего момента подвижная катушка стремится занять такое положение, при котором направление ее магнитного поля совпадало бы с направлением магнитного поля непод­вижных катушек. При этом она будет поворачиваться до тех пор, шока вращающий и противодействующий моменты не сравняются, т. е. . Следовательно, угол отклонения подвижной части механизма

                                        (2.26)

При включении электродинамического механизма в цепь пере­менного тока мгновенное значение вращающего момента

                                              (2.27)

где ;  - мгновенные значения токов в катушках ( - начальные углы сдвига фаз).

Среднее значение вращающего момента за период, на который реагирует подвижная часть механизма,

                               (2.28)

где  - среднеквадратичные значения токов в катушках;  - угол сдвига фаз между векторами токов  и . Угол отклонения подвижной части механизма

                                (2.29)

показывает, что при несовпадении по фазе токов отклонение под­вижной части, а пропорционально произведению среднеквадратич­ных значений этих токов на косинус угла сдвига фаз между ними.

Электродинамические механизмы содержат две цепи тока, поэтому являются множительным устройством и обладают фазочувствительностью. Данная особенность позволяет применять их не только в амперметрах, вольтметрах, но и в ваттметрах, фазо­метрах и др.

К достоинствам электродинамических механизмов относят высокую точность и возможность использования их как в цепях посто­янного тока, так и в цепях переменного тока, к недостаткам - малую чувствительность; влияние внешних магнитных полей на покaзaния  ИМ (слабое собственное магнитное поле); большую мощ­ность потребления; ограниченный частотный диапазон (до 1,5 кГц).   Электродинамические механизмы используют в амперметрах, вольтметрах, ваттметрах при лабораторных измерениях в цепях постоянного и пёрёменного токов промышленной частоты, фазометрах. Для уменьшения влияния внешних магнитных полей на показания приборов применяют магнитное экранирования измерительного механизма испол­нений имеются два измерительных механизма с общей осью. Соб­ственные магнитные поля измерительного механизма направлены в противоположные стороны. Внешнее равномерное магнитное поле, усиливая поле одного измерительного механизма на какое-то значение, на это же значение ослабляет поле другого, но не изме­няет их суммарного вращающего момента.

Амперметры и вольтметры. Если неподвижные и подвижные катушки соединить последовательно и по ним пропустить один и тот же ток
, то угол отклонения подвижной части механизма

     (2.30)

где k - коэффициент пропорциональности.

Следовательно, отклонение подвижной части прибора пропор­ционально квадрату тока (напряжения). При изменении направле­ния токов в обеих катушках отклонение подвижной части прибора останется прежним. Так как токи  и  совпадают по фазе, то при­бор может иметь одну шкалу для постоянных и переменных токов (например, для амперметров на малые токи до 0,1 А и вольтметров).

При токах выше 0,1 А катушки соединяются параллельно.

Электродинамические амперметры применяют для измерения токов 0,1-10 А. Использование их для измерения токов миллиамперного диапазона в маломощных цепях ограничивается боль­шой мощностью потребления и малой чувствительностью. Изме­нение пределов измерения достигается секционированием непод­вижных катушек, а также комбинацией последовательно-парал­лельного соединения секций неподвижных катушек с подвижной катушкой.

В электродинамических вольтметрах неподвижная и подвижная катушки соединяются последовательно с добавочным резистором и по ним проходит один и тот же ток.

Электродинамические вольтметры выпускаются на несколько пределов (до 300 В.) и используют их в основном для точных изме­рений. Внутреннее сопротивление их мало (примерно 1 кОм на пре­деле 30 В), мощность потребления изменяется в зависимости от пре­дела измерения, максимум до 10 Вт, чувствительность низкая

Пределы измерения амперметров и вольтметров могут быть рас ширены с помощью измерительных трансформаторов токов и напряжений.

 

2.5 Электромагнитные измерительные приборы

 

Измерительные механизмы. В электромагнитных механизмах (рис. 2.13) для создания вращающего момента используют дей­ствие магнитного поля катушки 1 с током на подвижный пермаллоевый лепесток 2, эксцентрично насаженный на оси 4 прибора.

Противодействующий - момент создается спиральной пружиной 3. При прохождении по неподвижной плоской катушке измеряемого тока I возникает магнитное поле, которое, воздействуя на лепе­сток 2, стремится расположить его так, чтобы энергия магнитного поля была наибольшей, т. е. втянуть ле­песток внутрь катушки. Подвижная часть механизма поворачивается до тех пор, пока вращающий момент не станет равным противодействую­щему моменту. Энергия магнитного поля катушки с током  где L - индуктивность катушки. Вра­щающий момент

                    (2.31)

12345678910Следующая ⇒