Izmeritelnye_preobrazovateli_Mironov

Нормальные элементы должны соответствовать требованиям государственного стандарта ГОСТ 1954–84 [114].

Из-за эксплутационных недостатков нормальные элементы в последнее время частично заменяются источниками стабильных ЭДС на основе параметрических и электронных стабилизаторов.

Другим важным элементом компенсатора, обеспечивающим его малую погрешность, является образцовое сопротивление высокого класса R0.

Работа компенсаторов постоянного тока протекает в следующей последовательности.

1-й этап. На первом этапе проводится установка рабочего тока Ip. Для этого переключатель К устанавливается в положение 1. В этом случае к нульиндикатору НИ прикладывается разность ∆U0 между ЭДС нормального элемента Е0 и падением напряжения U0 на сопротивленииR0.

гдеIp – рабочий ток;

R0 – образцовое сопротивление.

где Е0 – ЭДС нормального элемента;

U0 – падение напряжения на образцовом сопротивлении.

При ∆U0 ≠ 0 показания НИ отличны от нуля. Изменяя переменное сопротивление R (и тем самым изменяя рабочий ток Ip), добиваются нулевых показаний нуль-индикатора НИ. При этом ∆U = 0 и E0= U0. Тогда, учитывая соотношение (18.1), можно записать

2-й этап. На втором этапе проводится измерение искомого напряжения Ux. Для этого переключатель К переводится в положение 2. В этом случае к нуль-индикатору НИ прикладывается разность ∆U между измеряемым напряжением Ux и падением напряжения на реохорде Up.

301

где Rp – сопротивление реохорда; х – координата движка реохорда.

Если ∆U ≠ 0, то показания НИ отличны от нуля. Перемещая движок реохорда, добиваются нулевых показаний нуль-индикатора НИ. При этом ∆U = 0 и

Ux = Up.

Учитывая соотношения (18.4) и (18.3), можно записать

U X = I p Rp x = E0 Rp x . (18.6) R

0

Полученное выражение (18.6) является «уравнением шкалы» компенсаторов постоянного тока с ручным управлением. Входящие в (18.6) величины Е0, R0, Rp, x известны с высокой точностью, что позволяет со столь же высокой точностью измерять искомые напряжения и ЭДС. Классы точности компенсаторов обычно имеют значения: 0,5; 0,1; 0,05; 0,02 и выше. Другим достоинством компенсаторов является их большое внутреннее сопротивление в момент компенсации (и соответственно в момент считывания показаний).

Кнедостаткам компенсаторов относятся их громоздкость, которая растет

сростом класса точности, и малое быстродействие.

Компенсаторы постоянного тока с ручным управлением описаны также в литературных источниках [1; 2; 8].

18.3. Автоматические компенсаторы постоянного тока

Электрические цепи на схеме показаны сплошными линиями, а механические связи – пунктирами. Автоматические компенсаторы имеют много общего с компенсаторами ручного управления (см. п. 18.1). В автоматических компенсаторах также используются нормальные элементы (или заменяющие их электронные стабилизаторы), реохорды, источники питания и другие общие элементы схемы. Работа автоматических компенсаторов протекает в следующей последовательности.

Схема автоматического компенсатора приведена на рис. 18.2.

302

1-й этап. Установка рабочего тока

Для установки рабочего тока Ip через реохорд и рабочего тока I'р в цепи сопротивлений R3–R4 необходимо перевести ключ К в положение 1. При этом включается электромеханическая муфта М. Через муфту М двигатель Дв соединяется с движком переменного резистора Rп. Одновременно образуется электрическая цепь: ключ К – нормальный элемент Е0 – образцовое сопротивление R4 – точка «b» схемы. Напряжение∆U0, снимаемое сэтой цепи, подается через входусилителя.

где U4 – падение напряжения на образцовом сопротивлении; Е0 – ЭДС нормального элемента;

R4 – образцовое сопротивление.

При ∆U0 = 0 усилитель У усиливает это напряжение. С выхода усилителя напряжение подается на двигатель Дв, который начинает работать и через муфту М перемещает движок резистора RП. Перемещение движка приводит к изменению значения сопротивления RП и, в соответствии с (18.9), – к изменению значения тока I'р. Ток I'р изменяется до тех пор, пока не выполняются условия:

303

U4 = Е0 и ∆U0 = 0. При этом двигатель останавливается, и работа по установке рабочего тока прекращается.

2-й этап. Измерение

Для проведения измерения ключ К переводится в положение 2. При этом муфта М отключает двигатель Дв от движка переменного резистора RП. Одновременно образуется электрическая цепь: ключ К – измеряемое напряжение Ux – точка схемы «а» – точка схемы «b». Напряжение ∆U, снимаемое с этой цепи, подается на вход усилителя.

где UX – измеряемое напряжение;

UAB – разность потенциалов между точками схемы «а» и «в».

Если ∆U ≠0, то это напряжение усиливается и подается на двигатель, который начинает работать и перемещать движок реохорда Rp, стрелку (указатель) 2 и перо самописца 3. Перемещение движка реохорда Rp приводит к изменению значения напряжения UAB. Напряжение UAB изменяется до тех пор, пока не станет равно измеряемому напряжению Ux. При этом в соответствии с (18.10) ∆U = 0, двигатель останавливается. Результат измерения считывается со шкалы (в зависимости от положения указателя 2) и с дисковой диаграммы по кривой, нанесенной пером самописца. Шкалы могут быть круговыми (как на рис. 18.2) и прямолинейными. Диаграммы могут быть дисковыми (как на рис. 18.2) и ленточными. Компенсаторы градуируются в вольтах (или в милливольтах). Иногда компенсаторы (особенно часто автоматические) используются в комплекте с термопарами для измерения температуры. В этом случае приборы градуируются в градусах Цельсия. Погрешность таких приборов составляет, как правило, 0,5 %. Погрешность записи результатов измерений – около 1 %.

Дополнительные сведения по автоматическим компенсаторам постоянного тока можно почерпнуть в литературных источниках [1; 2; 8].

304

18.4. Полярно-координатные компенсаторы переменного тока

Для уравновешивания двух электрических величин на переменном токе необходимо выполнение следующих условий: равенство величин по модулю; противоположность их фаз; равенство частот; идентичность формы измеряемой и компенсирующей величин.

Возможность осуществления перечисленных условий обеспечивается конструкцией компенсаторов (потенциометров) и порядком их использования.

Полярно-координатные компенсаторы содержат фазорегулятор и делитель напряжения (реохорд), с помощью которых регулируется компенсирующее напряжение по фазе и по модулю (рис. 18.3).

Рис. 18.3. Схема полярно-координатного компенсатора переменного тока:

Рабочий ток Ip устанавливается с помощью переменного резистора R (изменением его сопротивления) по амперметру (или миллиамперметру). Класс точности используемых амперметров электродинамической системы не выше 0,1 или 0,2. Использование амперметров для установки Ip снижает точность компенсаторов переменного тока (по сравнению с компенсаторами постоянного тока) и объясняется отсутствием меры ЭДС переменного тока, аналогичной нормальному элементу. В качестве нуль-индикатора обычно используется вибрационный галь-

305

0

ванометр. При измерении компенсация искомого напряжения U проводится по модулю и по фазе. Перемещением движка реохорда Rp и регулятора фазовращателя ФВ добиваются нулевых показаний нуль-индикатора НИ. При этом фазы измеряемого и компенсирующего напряжений противоположны, а модули равны:

где Uk – модуль компенсирующего напряжения;

φ – угол между компенсирующим напряжением и опорным (за опорное обычно принимается напряжение питания UП);

R′р – сопротивлениеиспользованнойчастиреохорда(от0 додвижка).

При заданном рабочем токе Ip реохорд Rp может быть проградуирован в вольтах (или милливольтах), что дает возможность непосредственного отсчета модуля действующего (или амплитудного) значения измеряемого напряжения. Отсчет угла φ осуществляется по шкале, которой снабжен фазовращатель ФВ.

Существенным недостатком этого типа компенсаторов является большая погрешность измерения фазы искомого напряжения (до 10). Причина – в трудности изготовления фазовращателей высокой точности. По этой причине поляр- но-координатные компенсаторы переменного тока не нашли широкого применения.

Дополнительные сведения по рассмотренным компенсаторам приведены в литературе [1; 2; 8].

18.5. Прямоугольно-координатные компенсаторы переменного тока

Принцип действия рассматриваемых компенсаторов переменного тока основан на раздельной компенсации активной и реактивной составляющих измеряемого напряжения соответствующими составляющими компенсирующего напряжения (рис. 18.4).

306

Рис. 18.4. Схема прямоугольно-координатного компенсатора переменного тока:

Прямоугольно-координатные компенсаторы имеют две рабочих цепи. Первая рабочая цепь состоит из реохорда Rp1, первичной обмотки воздушного трансформатора Тр, переменного сопротивления R1 и амперметра. К этой цепи прикладывается питание (с напряжением UП). Вторая рабочая цепь состоит из реохорда Rp2, вторичной обмотки воздушного трансформатора ТР и переменного сопротивления Rf. Рабочие цепи связаны между собой индуктивно (взаимная индуктивность между обмотками трансформатора M). Ток I1 устанавливается по амперметру с помощью переменного сопротивления R1. Значение тока I2 зависит от взаимной индуктивности M и значений сопротивлений Rp2 и Rf. Сопротивление резистора Rf служит для поддержания требуемого значения I2 при изменении частоты. Токи I1 и I2 сдвинуты по фазе относительно друг друга на 900. Падения напряжений от этих токов на сопротивлениях реохордов Rp1 и Rp2 также сдвинуты по фазе на 900. Середины реохордов соединены между собой перемычкой. В силу этого потенциалы средних точек реохордов могут быть приняты за ноль. Меняя путем перемещения движков реохордов величину падений напряжений U1 и U2 между движками и начальной точкой «0», можно

307

•

получить компенсацию измеряемого напряжения U в любом из четырех квадрантов координатной плоскости.

О компенсации измеряемого напряжения судят по показаниям нульиндикатора НИ (в момент компенсации НИ показывает ноль). В этом случае из-

•

меряемое комплексное напряжение U уравновешивается геометрической суммой напряжений U1 и U2:

При синфазности рабочего тока первого контура I1 и напряжения питания UП угол φ представляет собой фазовый сдвиг измеряемого напряжения относительно напряжения питания (как и в полярно-координатных компенсаторах).

Компенсаторы переменного тока значительно уступают по точности компенсаторам постоянного тока. Это связано с тем, что рабочий ток приходится устанавливать по электродинамическим амперметрам, классы точности которых, в лучшем случае, – 0,1 или 0,2. Поэтому, обладая большим входным сопротивлением (как и аналогичные приборы постоянного тока), прямоугольно-координатные компенсаторы переменного тока имеют относительные погрешности на уровне

0,2–0,5 %.

Дополнительные сведения по рассмотренным компенсаторам переменного тока приведены в литературных источниках [1; 2; 8].

308

19.АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

19.1.Общие положения

Аналоговые электронные приборы представляют собой средства измерений, в которых преобразование измеряемой величины осуществляется с помощью аналоговых электронных устройств (рис. 19.1). Аналоговые электронные приборы применяются при измерении практически всех электрических величин: напряжения, тока, мощности, частоты и т. д.

Применение электронных устройств значительно расширяет возможности средств измерений: повышается чувствительность приборов; расширяется диапазон измерений; уменьшается мощность, потребляемая от измерительных цепей, и т. п.

В настоящее время получили распространение такие приборы, как электронные вольтметры и амперметры постоянного и переменного тока, омметры, измерители индуктивностей и емкостей, частотомеры, анализаторы спектров и др. Вместе с тем следует отметить, что аналоговые электронные приборы частично вытесняются соответствующими цифровыми приборами.

X ВЦ X' УП X'' И

Рис. 19.1. Структурная схема аналоговых электронных приборов: ВЦ – входная цепь; УП – усилитель–преобразователь; И – измеритель

В состав входной цепи (ВЦ) входят делители, фильтры, защитные устройства от перегрузки, переключатели пределов измерения и т. п. На вход ВЦ подается измеряемая электрическая величина Х, а с выхода снимается электрическая величина Х'.

Усилитель-преобразователь (УП) представляет собой блок, обеспечивающий усиление и преобразование электрической величины X'. Усилитель- но-преобразовательный блок строится на основе различных электронных устройств: полупроводниковых диодов, транзисторов, электронных ламп, микросхем и т. д. В общем случае УП и усиливает, и преобразует подавае-

309

мые на его вход электрические величины, но в частном случае это может быть только усилитель или только преобразователь. С выхода УП снимается электрическая величина X''.

Электрическая величина X'' подается на измеритель (И). В качестве измерителя обычно используются электромеханические приборы магнитоэлектрической системы. Могут также применяться электромеханические приборы электростатической системы и газоразрядные устройства.

Примеры обозначений аналоговых электронных приборов приведены в приложении (см. прил. 4).

Описание рассматриваемых приборов приведено в литературных источ-

никах [1; 2; 36].

19.2. Вольтметры средних значений

Упрощенная схема вольтметра средних значений выпрямительной системы приведена на рис. 19.2.

Рис. 19.2. Схема вольтметра средних значений: R – постоянные сопротивления; П – переключатель; 0-1-...-n – неподвижные контакты переключателя;

~U – измеряемоепеременноенапряжение; D1; D2; D3; D4 – полупроводниковые диоды; И– измеритель(электромеханическийприбормагнитоэлектрическойсистемы);

RД –постоянное сопротивление; +(–) – полярность точки «а» при положительных и отрицательных полупериодах измеряемого напряжения; –(+) – полярность точки «в»

при отрицательных и положительных полупериодах измеряемого напряжения

310