Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения

Подождите немного. Документ загружается.

2. Электроизмерительные приборы

Электроизмерительными приборами (ЭП) называют сред-

ства электрических измерений, предназначенные для выра-

ботки сигналов измерительной информации, являющихся не-

прерывными функциями измеряемых физических величин, в

форме, доступной для непосредственного восприятия на-

блюдателем [5].

2.1. Обобщенная структурная схема

Электроизмерительные приборы различаются областью

применения, техническими характеристиками, принципом

действия, используемой элементной базой, однако, не-

смотря на все эти различия, в структурах приборов могут

быть выделены сходные по функциональному признаку узлы,

что позволяет при изучении их общих свойств пользовать-

ся обобщенной схемой представленной на рис. 2.1.

x Устройство v Отсчетное x

преобразования устройство

Образцовые Вспомогательное

средства устройство

Рис. 2.1. Обобщенная структурная схема

Электроизмерительного прибора

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

Устройство преобразования состоит из одного или

нескольких измерительных преобразователей, предназна-

ченных для преобразования измеряемой величины x в такой

сигнал y, параметры которого соответствуют входным ха-

рактеристикам отсчетного устройства. В устройства пре-

образования могут входить масштабные, функциональные и

другие виды измерительных преобразователей.

Отсчетное устройство предназначено для преобразо-

вания сигнала измерительной информации y в форму, дос-

тупную для считывания значений измеряемой величины. Ши-

роко применяются различные типы механических,

оптических, электромеханических, электронных и других

отсчетных устройств. Составными частями отсчетного уст-

ройства являются шкала и указатель. Шкала представляет

собой совокупность отметок и проставленных у некоторых

из них чисел отсчета или других символов, соответствую-

щих ряду последовательных значений величины. Указатель

– это часть отсчетного устройства, положение которого

относительно отметок шкалы определяет показание прибо-

ра.

Образцовые средства используют для калибровки из-

мерительных приборов в процессе эксплуатации. К таким

средствам относятся, например, нормальный элемент в ав-

томатических потенциометрах, генераторы меток в элек-

тронных осциллографах, опорные источники в приборах с

автоматической коррекцией погрешности.

Вспомогательные устройства не принимают непо-

средственного участия в преобразовании сигнала, но

обеспечивают необходимые условия работы других узлов. К

вспомогательным устройствам относятся источники пита-

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

ния, осветительные и другие подобные устройства.

Устройства преобразования и отсчета являются необ-

ходимой принадлежностью структуры измерительного прибо-

ра, в то время как наличие образцовых средств и вспомо-

гательного устройства не является обязательным.

Устройство преобразования может быть выполнено по

схеме прямого, уравновешивающего (компенсационного) и

смешанного преобразования [5].

Классификация ЭП осуществляется по следующим основ-

ным признакам: элементной базе, форме отсчета, методу

преобразования, назначению (рис. 2.2).

Электромеханическими называются такие аналоговые

ЭП, в устройствах преобразования которых нет электрон-

ных, транзисторных или ионных узлов, а электронными -

такие, в устройствах преобразования которых такие эле-

менты есть.

Показывающими называются приборы, допускающие толь-

ко считывание показаний, а регистрирующими - такие, в

которых предусмотрена регистрация показаний.

По назначению различают ЭП для измерения тока ,

частоты, фазы, приборы для измерения параметров элек-

трических цепей и др. Большинство приборов имеют назва-

ния в соответствии с единицами измеряемой величины (в

том числе кратных и дробных единиц): приборы для изме-

рения напряжения - вольтметры, милливольтметры, микро-

вольтметры; приборы для измерения силы тока - ампермет-

ры, миллиамперметры и т.п.

Приборы, предназначенные для измерения нескольких

величин называют комбинированными, а приборы, работаю-

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

щие как на постоянном, так и на переменном токе - уни-

версальные.

Классификация АЭП

По Электромеханические

элементной

базе Электронные

По Показывающие

форме

отсчета Регистрирующие

Прямого преобразования

По (действия)

методу

преобразо- Компенсационного преобразования

вания

Смешанного преобразования

Вольтметры

По

назначе- Амперметры

нию

Омметры

Рис. 2.2.Классификация АЭП

В приборах прямого преобразования (действия) вход-

ной сигнал x преобразуется одним или несколькими преоб-

разователями П

, П

, … в одном направлении от входа

к выходу (рис. 2.3,а).

В приборах уравновешивающего преобразования (рис.

2.3,б) входная величина x компенсируется величиной x',

представляющей собой выходную величину y, преобразован-

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

ную цепью обратного преобразования (последняя состоит

из преобразователей (β

, β

,...,β

), т.е. вся цепь пря-

мого преобразования охвачена отрицательной обратной

связью. Кроме того, схемы приборов уравновешивающего

преобразования могут включать в себя узлы, охваченные

местной обратной связью β

(рис. 2.3,в), однако опреде-

ляющим является наличие общей с выхода на вход отрица-

тельной обратной связи β

—

б)

—

в)

—

г)

—

д)

—

Рис.2.3. Разновидности устройств преобразования: (а – прямого преобразования; б, в –

компенсационного преобразования; г, д – смешанного преобразования)

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

Если в структуру прибора введена отрицательная об-

ратная связь, охватывающая не все звенья цепи прямого

преобразования, то такие приборы построены по схеме

смешанного преобразования (рис. 2.3, г,д). Наличие це-

пей местной отрицательной обратной связи позволяет

представить структуру измерительного прибора смешанного

преобразования, состоящей из преобразователей прямого и

компенсационного действия.

2.2. Общие сведения об электромеханических

измерительных приборах

Электромеханические приборы применяются для измере-

ния тока, напряжения, мощности, сопротивления и других

электрических величин в цепях постоянного и переменного

тока низкой частоты. Широко используют их в качестве

выходных устройств приборов для измерения магнитных ве-

личин, параметров радиотехнических сигналов, характери-

стик электрических цепей.

Электромеханические приборы, как правило, состоят

из простейшей схемы преобразования измеряемой величины

и измерительного механизма.

Электромеханические приборы классифицируют по

принципу действия, степени точности и т. д. Основой

их является измерительный механизм (ИМ), имеющий не-

подвижную и подвижную части, а также отсчетное устрой-

ство. В ИМ электромагнитная энергия преобразуется в

энергию механического перемещения подвижной части.

По принципу действия электромеханические измери-

тельные механизмы и приборы делят на следующие системы:

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

1) магнитоэлектрическую, основанную на взаимодейст-

вии рамки, обтекаемой током, с полем постоянного магни-

та;

2) ферродинамическую, основанную на взаимодействии

рамки, обтекаемой током, с полем электромагнита;

3) электродинамическую, использующую силы взаимо-

действия между подвижной и неподвижной катушками, обте-

каемыми током;

4) электромагнитную, основанную на взаимодействии

ферромагнитного сердечника с неподвижной катушкой, об-

текаемой током;

5) электростатическую, использующую силы электриче-

ского взаимодействия между подвижными и неподвижными

электродами;

6) индукционную, основанную на взаимодействии пере-

менных магнитных полей, создаваемых неподвижными катуш-

ками, с токами, индуцированными этими полями в подвиж-

ной части механизма.

Существуют также измерительные механизмы магнитоин-

дукционной, вибрационной и тепловой систем, однако они

используются редко и интереса не представляют.

Наряду с делением электромеханических приборов по

принципу действия их классифицируют и по другим призна-

кам. Например, для измерений в цепях переменного тока

широко используют приборы, состоящие из магнитоэлектри-

ческого измерительного механизма и схемы преобразования

переменного тока в постоянный. В зависимости от принци-

па действия преобразователя такие приборы называют вы-

прямительными, термоэлектрическими или электронными.

По степени точности электроизмерительные приборы

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

делят на классы (см. п. 1), номер класса совпадает с

его основной относительной или приведенной погрешностью

в %:

δ= ⋅

100% , (2.1.)

где А – действительное значение, Δ - абсолютная по-

грешность измерений.

Название измерительного прибора определяется его

назначением (измеряемой величиной). Различают ампермет-

ры, вольтметры, ваттметры, омметры, фазометры. Широко

используются комбинированные приборы-ампервольтметры,

вольтомметры и др.

Электроизмерительные приборы делят также на показы-

вающие и самопишущие, щитовые и переносные.

По размерам корпуса они могут быть миниатюрными,

малого, среднего и большого габаритов.

В зависимости от условий эксплуатации, степени за-

щищенности от механических воздействий, влияния внешних

полей измерительные приборы разделяют на ряд групп и

категорий.

Рассмотрим моменты, действующие на подвижную часть

ИМ. В большинстве ИМ подвижная часть совершает угловое

перемещение, т.е. поворачивается на некоторый угол.

Момент, возникающий под действием токов и напряже-

ний, функционально связанных с измеряемой величиной,

называют вращающим. Если на подвижную часть ИМ действу-

ет только вращающий момент, она повернется до механиче-

ского упора независимо от значения момента. Поэтому в

конструкцию необходимо ввести противодействующий мо-

мент, направленный навстречу вращающему и зависящий от

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

угла поворота.

Противодействующий момент может создаваться механи-

ческим или электрическим способом. Чаще всего для соз-

дания его используют спиральные пружинки. При закручи-

вании их возникает момент

пр

= Wα, (2.2.)

где W - коэффициент, зависящий от свойств пружинки

(ее формы, размеров, материала) и называемый удельным

противодействующим моментом; α - угол поворота подвиж-

ной части ИМ.

При подаче на измерительный механизм постоянного

тока и напряжения равновесие подвижной части наступает

при равенстве вращающего и противодействующего момен-

тов. Если же на измерительный механизм действуют сила

тока или напряжение, меняющиеся во времени, отклонение

подвижной части определяется не только мгновенными зна-

чениями этих величин, но и скоростью их изменения.

При воздействии на ИМ периодических токов или на-

пряжений вращающий момент также будет периодической

функцией времени

вр

= F(t) = F(t+T), (2.3.)

где T - период изменения вращающего момента.

Как известно, периодическую функцию можно разложить

в ряд Фурье, т. е. представить в виде суммы постоянной

составляющей и гармонических функций с частотами f

nf, где f = T

-1

- основная частота, n = 1,2,3,... .

Характер движения подвижной части зависит от соот-

ношения между частотами f

и частотой собственных меха-

нических колебаний подвижной части:

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

, (2.4.)

где J - момент инерции подвижной части относительно

оси вращения.

При f>>f

отклонение подвижной части определяется

постоянной составляющей вращающего момента. Так, напри-

мер, при воздействии сигнала с основной частотой f =

чувствительность ИМ к первой гармонике приблизитель-

но в 25 раз меньше чувствительности к постоянной со-

ставляющей; ко второй - в 100 раз меньше и т. д. Соот-

ношение f>>f

характерно для измерительных механизмов

показывающих приборов - амперметров, вольтметров, ватт-

метров и др. Частота собственных колебаний подвижной

части у этих приборов невелика - менее 10 ГЦ. Поэтому

уже на частоте f = 50 Гц измерительный механизм реаги-

рует на постоянную составляющую вращающего момента

вр=

вр

∫

. (2.5.)

Равновесие подвижной части наступает при равенстве

момента, определяемого выражением (2.5.), противодейст-

вующему, т. е. при

вр

= μ

пр

. (2.6.)

Из соотношения (2.6.) можно найти зависимость угла

поворота подвижной части от значений измеряемой величи-

ны и параметров ИМ. Эту зависимость называют уравнением

шкалы.

При f

>>f

чувствительность измерительного механизма

к переменным составляющим практически равна чувстви-

тельности к постоянной составляющей и отклонение под-

вижной части определяется мгновенными значениями вра-

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.