Основные характеристики аналоговых измерительных приборов

Аналоговый измерительный прибор характеризуется тем, что информационный параметр входного сигнала преобразуется в информационный параметр выходного сигнала. При этом измеренное значение, в зависимости от измеряемой величины, может принимать любые значения в пределах заданных границ. Для обеспечения возможности дать заключение относительно неизвестной входной величины (измерительной) исходя из выходного сигнала измерительного прибора, необходимо знать градуировочную характеристику измерительного прибора, т.е. особенности преобразованного сигнала при воздействии влияющих величин.

Каждый измерительный прибор состоит из трех функциональных блоков: первичного преобразователя, согласующего устройства (блока сравнения) и устройства вывода измерительной информации. Каждый функциональный блок может рассматриваться как соединение одинаковых или различных по своим функциональным характеристикам элементов и узлов. При этом не всегда возможно однозначно разделить отдельные функциональные блоки.

В настоящее время имеется свыше 10000 различных аналоговых электроизмерительных приборов, поэтому существуют соответствующие классификации данных приборов. Выделим основные признаки, по которым классифицируются электроизмерительные приборы:

а) измеряемая величина;

б) принцип измерения;

в) виды измерительного сигнала, преимущество использования в измерительных приборах;

г) метод измерений;

д) характер изменения измерительного сигнала (линейный, нелинейный);

ж) режим передачи сигнала (статический, динамический).

Электрические аналоговые приборы характеризуются высоким временным разрешением, простотой реализации математических операций, большим усилением сигнала и использованием в ряде случаев бесконтактных измерительных преобразователей. К этому можно добавить многоканальность измерения отсчетов, практически неограниченную возможность дистанционной передачи данных, простую реализацию.

К недостаткам можно отнести подверженность влиянию внешних помех (температуры, магнитного поля, вибраций и т.п.)

4.2 Аналоговые электромеханические измерительные приборы

Электромеханические приборы применяют для измерения электрических величин в цепях постоянного и переменного тока низкой частоты (до 1000 Гц). Широко используются в качестве входных устройств приборов для измерения магнитных величин, параметров радиосигнала, характеристик электрических цепей. Электромеханические преобразователи, как правило, состоят из простейшей схемы преобразователя измерительного механизма.

Основой всех электромеханических приборов является измерительный механизм, имеющий подвижную и неподвижную части, а так же отсчетное устройство. В измерительном механизме электрическая энергия преобразуется в механическую. По принципу действия электромеханические измерительные приборы делятся на магнитоэлектрические, электромагнитные, ферродинамические, электродинамические, электростатические, индукционные.

Магнитоэлектрические. Основанные на взаимодействии проводника
(рамки с током) с полем постоянного магнита. Условное обозначение данных приборов: или буквенное М.

Разновидностью магнитоэлектрического прибора является прибор магнитоэлектрической системы с подвижным магнитом.

Вращающий момент создается в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля рамки. Принцип действия заключается в следующем: подвижная рамка измерительного механизма, представленного на рисунке 4.1, находится в равномерном радиальном магнитном поле. При протекании по обмотке рамки тока возникают силы F, стремящиеся повернуть рамку так, чтобы её плоскость стала перпендикулярной к направлению О₁–О₂. При равенстве вращающего и противодействующего моментов подвижная часть останавливается. Противодействующий момент создается упругими элементами. При перемене тока в обмотке меняется на обратное направление отклонения подвижной части из этого следует, что при включении прибора следует соблюдать полярность.

Рисунок 4.1 – Схема магнитоэлектрического измерительного механизма

Характеристики магнитоэлектрических приборов:

- чувствительность не зависит от угла поворота и постоянна по всей шкале, шкала равномерная;

- относится к числу наиболее точных приборов (класс точности до 0,1);

- шкала имеет равномерный характер;

- из-за сильного собственного магнитного поля влияние внешних полей не существенно;

- внешние электрические поля на работу практически не влияют;

- температурные погрешности могут быть скомпенсированы с помощью специальных схем;

- высокая чувствительность при малой потребляемой мощности.

Недостатки приборов этой системы:

- сложная и дорогая конструкция;

- невысокая перегрузочная способность;

- использование приборов данной системы лишь для цепей постоянного тока.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы с механическим противодействующим моментом используют в качестве амперметров, вольтметров, гальванометров, некоторых типов омметров.

Электромагнитная система основана на взаимодействии ферромагнитного сердечника с неподвижной катушкой (по которой протекает ток).

Обозначается или буквенное Э.

Наибольшее распространение получили три конструкции измерительных механизмов: с плоской катушкой; с круглой катушкой; с замкнутым магнитопроводом.

Рисунок 4.2 - Электромагнитный измерительный механизм с плоской

катушкой

Принцип действия механизма, изображенного на рисунке 4.2. На катушку 1 наматывается медный провод. В катушке имеется зазор, в который может входить эксцентрично укрепленный на оси сердечник 2. Материал обладает высокой магнитной проницаемостью. При наличии тока в катушке сердечник стремится расположиться в месте с наибольшей концентрацией поля, то есть втягивается в зазор катушки. Как следствие закручивается пружинка 3 и создается противодействующий момент. Недостатком механизмов с плоской и круглой катушкой является сильное влияние на показания внешних магнитных полей. Для защиты применяют экранирование.

На рисунке 4.3 изображен механизм с замкнутым магнитопроводом. Принцип его действия. Катушка 1 помещается на магнитопровод 2 с полюсными наконечниками 3. При наличии тока в обмотке катушки подвижный сердечник 4 стремится повернуться по часовой стрелке вокруг оси 0, втягиваясь в рабочее пространство между полюсными накладками.

Рисунок 4.3 - Электромагнитный измерительный механизм с замкнутым магнитопроводом

Преимущества таких механизмов: повышенная чувствительность; уменьшения погрешности от влияния внешних магнитных полей.

Преимущества электромагнитных приборов:

- простота конструкции как следствие дешевизна и надежность;

- выдерживают большие перегрузки;

- возможна работа в цепях постоянного и переменного токов (до частоты 10000 Гц).

Недостатки электромагнитных приборов:

- малая точность;

- относительно малая чувствительность.

Электростатическая система. Использует силы электростатического взаимодействия между подвижными и неподвижными электродами.

Обозначается: или буквенное С.

В приборах электростатической системы отклонение подвижной части связано с изменением ёмкости, которое происходит вследствие изменения:

а) активной площади пластин;

б) изменения расстояния между пластинами.

На рисунке 4.4 изображён прибор, работа которого основана на изменении активной площади пластин.

Рисунок 4.4 - Электростатический измерительный механизм с
изменением активной площади электродов

Данный механизм состоит из подвижных и неподвижных частей. Неподвижная часть – несколько камер 2 (чем больше камер, тем больше чувствительность). Камера 2– две металлические пластины с воздушным зазором. В зазор входит алюминиевая пластина 1 подвижной части. Если к подвижной и неподвижной пластинам подвести измеряемое напряжение, то они зарядятся противоположными по знаку зарядами. Под действием сил притяжения подвижные пластины стремятся внутрь камер. Поворот подвижных пластин, жёстко укреплённых на оси, вызовет закручивание упругих элементов, которые создают противодействующий момент. При равенстве моментов подвижная часть остановится и на шкале появится измеряемое напряжение. Применяются в вольтметрах высокого напряжения (до 300000 В).

Приборы, работающие по принципу изменения расстояния между электродами, состоят из двух неподвижных пластин 1, между которыми на двух металлических ленточках подвижная пластина 3.

Подвижный электрод электрически соединён с одной и изолирован от другой пластины. При наличии напряжения пластина 3 притягивается к одной и отталкивается от другой пластины 1 (рисунок 4.5). Перемещение пластины 3 посредством тяги 7 и мостика 4 передаётся на ось 6 и стрелку 5. Противодействующий момент создаётся весом пластины 3. Применяется в вольтметрах с пределом измерения исчисляющихся в киловольтах.

Характеристики проборов электростатических систем:

- применяется в цепях постоянного и переменного тока;

- рабочие частоты 20 Гц - 30 МГц в маломощных цепях;

- класс точности 1,0; 1,5; 2,5. Однако может быть 0,1 и 0,05;

- не влияет температура воздуха, внешние магнитные поля;

- малое собственное потребление тока;

- показание прибора зависит от внешнего электрического поля (в данном случае применяют электростатическое экранирование).

Рисунок 4.5 - Электростатический измерительный механизм с
изменением расстояния между электродами

Электродинамическая система, основанная на использовании сил взаимодействия между подвижной и неподвижной катушкой с током. Обозначается или буквенное Д.

Прибор такой системы изображен на рисунке 4.6. Принцип действия. Неподвижная катушка 1 состоит из двух частей с воздушным зазором (медь на изоляционном каркасе). Подвижная катушка 2 бескаркасная и состоит из меди или алюминия. Для включения подвижной катушки в цепь используются пружины и растяжки. Так как собственное магнитное поле невелико, то необходима защита от внешних магнитных полей. При наличии тока в обмотках возникают силы, стремящиеся повернуть подвижную часть так, чтобы магнитные потоки подвижных и неподвижных катушек совпадали. В электродинамических механизмах вращающий момент создается магнитными потоками, действующими в воздухе. Это исключает возможность возникновения погрешностей из-за вихревых токов, гистерезиса.

Характеристики приборов электродинамических механизмов:

- приборы одни из самых точных длл измерения переменного тока и напряжения (класс точности 0,1; 0,2 и 0,5);

- работают в цепях постоянных и переменных токов до частоты 2000-3000 Гц;

- большая потребляемая мощность;

- плохо переносят механические воздействия (удары, тряску).

Применение такие системы нашли в вольтметрах, амперметрах, ваттметрах.

Рисунок 4.6 –Электродинамический измерительный механизм

Индукционная система основывается на взаимодействии переменных магнитных полей, создаваемых неподвижными катушками, с токами индукционными этими полями в подвижной части механизма. Обозначается: .

В настоящее время практически используются счетчики электрической энергии индукционной системы (рисунок 4.7). Измерительный механизм этой системы имеет два независимых магнитопровода, разнесенных в пространстве.

Обмотка 4 одного из магнитопроводов – обмотка напряжения (число витков большое, большая индуктивность). Обмотка 1 другого магнитопровода является токовой, имеет небольшое число витков сравнительно большого диаметра. Токи в цепях магнитопроводов возбуждают переменные потоки одинаковой частоты, которые, пересекая алюминиевый диск 2, индуцируют в нем ЭДС. В диске появляются вихревые токи, совпадающие по фазе с соответствующей ЭДС, т. к. индуктивность диска на промышленной частоте мала. В соответствии с законом Био-Савара взаимодействие пар: магнитный поток цепи напряжения - вихревой ток, вызванный действием цепи тока, и магнитный поток цепи тока - вихревой ток, вызванный действием цепи напряжения, приводят к появлению сил и вращающих моментов, направления действия которых совпадают; средний за период вращающий момент пропорционален активной мощности измерительной цепи.

В отличие от аналоговых показывающих приборов класс точности счетчика определяется значением не приведенной, а относительной погрешности. Наиболее распространены классы точности 1,0 и 2,5.

Рисунок 4.7 - Схема индукционного счетчика энергии

Ферродинамическая система, основанная на взаимодействии рамки с током и с полем электромагнита. Обозначается:

Ферродинамические приборы отличаются от электродинамических измерительных механизмов тем, что у них неподвижные катушки располагаются на сердечнике из ферромагнитного материала (рисунок 4.8). Это приводит к значительному увеличению вращающего момента и уменьшению влияния внешних магнитных полей. Но наличие в измерительных механизмах нелинейного элемента (магнитопровода) снижает точность.

Рисунок 4.8 – Ферродинамический измерительный механизм

В таких приборах сердечники набираются из пластин, которые выполняются из электротехнических сталей. Пластины изолируются друг от друга. Для уменьшения погрешностей от вихревых токов подвижные катушки выполняются бескаркасными. Для успокоения применяют магнитоиндукционные успокоители. Вращающий момент ферродинамических измерительных механизмов возникает в результате взаимодействия подвижной катушки с током и потока, создаваемого неподвижными катушками. Ферродинамические приборы используются как стационарные, малоточные приборы. Класс точности 1,5 и 2,5 при частоте от 10 Гц до1.5 кГц переменного тока. Не очень чувствительны к тряске, вибрации, ударам. Применяется в самопишущих приборах.

Существуют также измерительные механизмы магнитоиндукционной, вибрационной и тепловой систем. Однако они используются редко.

Разновидностью рассмотренных выше систем являются приборы называемые логометрами. Логометры – измерительные механизмы, показывающие отношение двух электрических величин (чаще всего токов).

Наряду с действующими приборами в цепях переменного тока широко используются приборы, состоящие из магнитоэлектрического измерительного механизма и схемы преобразования переменного тока в постоянный, к ним относятся термоэлектрические и выпрямительные приборы.

Термоэлектрические приборы. Основной узел этих приборов – термопреобразователь, который преобразует действующее значение измеренного тока в постоянное напряжение. Он состоит из нагревательного элемента 1 и термопары 2 (рисунок 4.9).

Рисунок 4.9 - Схема термоэлектрического преобразователя

ЭДС термопары пропорциональна разности температур ее горячего спая и холодных концов. Если температура горячего спая термопары и нагревателя, холодных концов и окружающей среды соответственно равны, то значение термо-ЭДС термопары пропорционально квадрату действующего значения тока. Существуют контактные и бесконтактные преобразователи. В контактных преобразователях горячий спай приваривается к нагревателю (имеет с ним электрический контакт). В бесконтактных преобразователях термопара и нагревательный элемент соединены стеклянной 3 или керамической каплей (нет электрического контакта). Бесконтактные преобразователи выполняют в виде батарей.

Достоинством таких преобразователей является независимость показаний от частоты и формы кривой измеряемой величины. К недостаткам же можно отнести низкую перегрузочную способность и некоторую зависимость ЭДС преобразователя от напряжения протекания тока по элементу. Шкала у прибора неравномерная. Класс точности не выше 1,5.

Выпрямительные приборы. Среди приборов такого типа распространены амперметры и вольтметры, которые представляют собой соединение выпрямительного преобразователя и магнитоэлектрического измерительного механизма (рисунок 4.10).

В качестве преобразователей используются одно- и двухполупериодные схемы выпрямителей. Последние могут быть с четырьмя или двумя диодами и двумя резисторами. Такие измерительные механизмы реагируют на среднее значение вращающего момента. В схеме двухполупериодного выпрямителя ток по нагрузке протекает в течение всего периода, поэтому чувствительность такого преобразователя в два раза выше.

Класс точности таких преобразователей 1,0 и ниже. Из-за использования выпрямительного измерительного механизма эти приборы обладают наивысшей чувствительностью и наименьшим потреблением энергии среди электромеханической группы. Недостатком таких приборов является зависимость показаний от частоты сигнала (собственная ёмкость диодов, индуктивность рамки) и температуры (работа диодов зависит от температуры).

а) б)

а) однополупериодная схема выпрямления; б) двухполупериодлная схема выпрямления

Рисунок 4.10 – Схемы включения измерительного механизма и диодов

5 Электрические измерительные преобразователи: шунты,
добавочные сопротивления, делители напряжения, измерительные
усилители

В измерительной технике для расширения диапазона измерения приборов широкое распространение получили масштабные преобразователи: пассивные, работающие за счет энергии объекта исследования, и активные, работающие за счет дополнительного источника питания. К пассивным преобразователям относятся шунты, добавочные резисторы, измерительные трансформаторы,

делители напряжения. К активным – электронные измерительные усилители.

Шунты служат для расширения пределов измерения аналоговых амперметров. Чтобы в измерительный механизм поступал ток Iим, меньший в n раз измеренного тока I, параллельно цепи ИМ подключают шунт, сопротивление которого определяется по формуле

Rш = Rим (n - 1),

где Rим – сопротивление измерительного механизма,

n = I/Iим - коэффициент шунтирования (рисунок 5.1).

Добавочные резисторы служат для расширения пределов измерения аналоговых вольтметров и включаются последовательно с измерительным механизмом (рисунок 5.2).

Рисунок 5.1 - Схема включения шунта

Рисунок 5.2 - Схема включения добавочного резистора

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

Rд = Rим / (n - 1),

где Rим – сопротивление измерительного механизма.

Делители напряжения выполняют резистивными (рисунок 5.3), емкостными (рисунок 5.4) и индуктивными.

Рисунок 5.3 – Схема включения резистивного делителя напряжения

Рисунок 5.4 – Схема включения емкостного делителя напряжения

Резистивные делители обычно делают многопредельными с коэффициентами 10:1, 100:1, 10000:1 с полным сопротивлением делителя от 100 до
10 кОм и максимальным входным напряжением 100 В.

Измерительные усилители. Использование усилителей в средствах измерений позволяет на несколько порядков повысить их чувствительность, снизить температурные и частотные погрешности, а также достичь ничтожного потребления энергии от цепи, в которой производятся измерения. Это потребление может быть на несколько порядков ниже, чем потребление компенсационных цепей с магнитоэлектрическими гальванометрами (например, 10^-10 – 10^-12 А вместо 10 ^-8 А у наиболее распространенных гальванометров). Благодаря этому электронные указатели равновесия сейчас практически вытеснили в серийном производстве ранее приме­нявшиеся в качестве указателей равновесия гальванометры. И, наконец, использование частотно-избирательных усилителей в указателях равновесия переменного тока легко решает задачу отстройки такого указателя от влияния напряжений всех других частот, кроме одной заранее заданной.

Наибольшее практическое применение находят полупроводниковые и интегральные измерительные усилители, причем первые.

По назначению электронные усилители можно разделить на три группы:

- масштабные усилители, или собственно измерительные усилители, предназначенные для увеличения с определенной точностью значения (масштаба) входной величины. Основным требованием, предъявляемым к таким усилителям, является требование линейности уравнения преобразования и стабильности коэффициента преобразования в пределах установленных погрешностей;

- усилители указателей равновесия (нулевые усилители), служащие для обнаружения весьма малых напряжений или токов в соответствующих участках измерительных цепей. Они должны иметь достаточно большой коэффициент усиления (входная и выходная величины однородные), т. е. малый порог чувствительности, обладать большой стабильностью нуля, а часто и определенной частотной избирательностью. В соответствии с последним требованием различают частотно-избирательные и полосовые усилители. Нулевые усилители бывают также фазочувствительными и фазонечувствительными. В первых, в отличие от фазонечувствительных усилителей, выходная величина является функцией не только значения входной величины, но и угла сдвига этой величины относительно некоторой другой. Особых же требований в отношении стабильности коэффициента преобразования к нулевым усилителям, как правило, не предъявляют;

- операционные усилители, основной задачей которых является математическая операция (интегрирование, дифференцирование) с входной величиной. В результате выходная величина оказывается пропорциональной, например, интегралу входной величины в некотором частотном диапазоне. К таким усилителям, помимо основного общего требования постоянства параметров, предъявляют особые требования - в соответствии с назначением усилителя.

Измерительные усилители могут быть как усилителями постоянного тока, так и переменного. Однако усилители постоянного тока обладают рядом недостатков, основным из которых является непостоянство уровня выходного напряжения. Это проявляется как в виде беспорядочных кратковременных качаний и бросков, причиной которых является чаще всего непостоянство напряжения источников питания, так и в виде медленного монотонного дрейфа нуля.