1. Структура аналоговых средств измерения

1.1. Назначение, области применения. Принципы построения, характеристики и основные элементы аиу

Аналоговыми измерительными устройствами (АИУ) называют средства электрических измерений, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации, являющихся непрерывными функциями измеряемых физических величин, в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Аналоговые электроизмерительные приборы по своему назначению делятся на: показывающие; показывающие и регистрирующие; показывающие и регулирующие; показывающие, регистрирующие и регулирующие. Среди аналоговых приборов всех назначений значительное место занимают автоматические приборы, в которых некоторые операции процесса измерения (например, уравновешение) автоматизированы.

Регулирование различных параметров (температуры, давления и т.д. и т.п.) осуществляется при помощи встроенных или выполненных в виде отдельных приставок регулирующих устройств. Наличие регистрации показаний и регулирующих устройств придает измерительным приборам новые качества: появляется возможность изучения процесса изменения измеряемой величины и автоматического управления им; регистрирующие приборы экономят время наблюдателя при длительных измерениях, а при необходимости производить большое число измерений избавляют от необходимости иметь большой штат наблюдателей; они незаменимы в условиях затрудняющих или полностью исключающих присутствие человека.

Для записи величин, изменяющихся во времени, широко применяют электромеханические регистрирующие приборы – самопишущие электроизмерительные приборы и светолучевые осциллографы. В самопишущих приборах предусмотрена регистрация показаний в виде диаграммы. Функциональную зависимость, подлежащую регистрации, представляют обычно в виде графика, характеризующего изменения параметра во времени , либо зависимость значений одного параметра от другого, не являющегося временем .

В состав регистрирующего прибора входят следующие элементы и узлы: материал – носитель, на котором производится регистрация; механизм, воздействующий на регистрирующий орган и устройство для перемещения носителя. Положение регистрирующего органа на плоскости определяется количественным значением измеряемой величины.

1.2. Классификация и структурные схемы аиу

Обычно пользуются параллельной классификацией по ряду признаков: элементной базе, форме отсчета, методу преобразования, назначению и др. на рис.1.1. представлена классификационная схема АИУ по указанным четырем признакам.

Классификация АЭП

По элементной

базе

По форме

отсчета

По методу

преобразования

По

назначению

Электромеханические

Электронные

Показывающие

Регистрирующие

Прямого

преобразования

Компенсационного

преобразования

Смешанного

преобразования

Амперметры

Вольтметры

Омметры

Рис. 1.1. Классификация АИУ

По составу и устройству отдельных элементов АИУ можно разделить на «электромеханические» и «электронные». Электромеханическими будем называть такие АИУ, в устройствах преобразования, которых нет электронных, транзисторных и ионных узлов, а электронными – такие, в устройствах преобразования которых эти элементы есть.

Показывающими - называют приборы, допускающие только считывание показаний, а регистрирующими - приборы, в которых предусмотрена регистрация показаний.

По методу преобразования различают АИУ прямого, компенсационного и смешанного преобразования.

Наиболее общим признаком классификации регистрирующих аналоговых приборов является тип структурной связи прибора, который в значительной степени определяет его свойства и назначение.

По типу структурной схемы, регистрирующие аналоговые приборы делятся на: приборы прямого действия с разомкнутой структурной схемой и приборы уравновешивания с замкнутой структурной схемой, в которых выходная величина используется для уравновешения входной величины. Процесс уравновешения осуществляется непрерывно (следящее уравновешение).

На рисунке 1.2 приведены основные структурные схемы аналоговых электро-регистрирующих приборов: где ИЦ – измерительная цепь, ИМ – измерительный механизм, РУ – регистрирующее устройство (регистрирующий орган, носитель, механизм для перемещения носителя), ОП – обратный преобразователь, У – усилитель не компенсации, Д – двигатель (реверсивный), Р – редуктор, МП – механическая передача. Измерительная цепь приборов прямого действия (Рис. 1.2, а) и прямая цепь приборов уравновешения (Рис. 1.2, б, в) имеют в общем случае п измерительных преобразователей (модуляторы, усилители и др.). В качестве измерительных механизмов ИМ используются электромеханические преобразователи различных принципов действия.

в)

Рис.1.2. Основные структурные схемы регистрирующих приборов:

а) разомкнутая (приборы прямого действия); б) замкнутая со статической характеристикой (компенсационные приборы); в) замкнутая с астатической характеристикой.

Выходной величиной замкнутой части структурной схемы прибора со статической характеристикой (рис. 1.2, в) является напряжение или ток, которые измеряются и регистрируются самопишущим измерительным прибором прямого действия СП. Выходная величина прибора с астатической характеристикой – угол поворота вала двигателя ад или редуктора ар в звено регистрации РУ приборов с записью, на которой укреплены показывающее устройство (стрелка) и регистрирующий орган (перо). Вращение выходного вала редуктора преобразуется в линейное перемещение каретки специальной механической передачей МП. Измеряемая величина X в приборах следящего уравновешивания сравнивается с компенсирующей X_К, которая вырабатывается обратным преобразователем ОП.

В приборах со статической характеристикой, компенсация входной величины неполная, в приборах с астатической характеристикой входная величина теоретически компенсируется полностью.

Приборы следящего уравновешения относятся к числу автоматических.

По назначению различают АИУ для измерения тока, напряжения, частоты, фазы, параметров электрических цепей, для анализа характеристик сигналов, схем и др. Большинство приборов имеют названия в соответствии с единицами измеряемой величины (в том числе кратных и дробных единиц), например приборы для измерения напряжения – вольтметры, микро вольтметры, милливольтметры, киловольтметры и т.п.

1.3. Общие элементы ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ АИУ. Конструкции, назначения

Обратные преобразователи. Одним из основных элементов измерительных схем приборов уравновешивания является обратный преобразователь (ОП). Он осуществляет преобразование выходной величины замкнутой части структурной схемы прибора в компенсирующую величину X_K, однородную с измеряемой Х (или с ее аналогом). На рисунке 1.3. приведена схема усилителя с обратной связью.

Рис.1.3. Структурная схема корректирующего измерительного усилителя.

В приборах с астатической характеристикой величины входная Х и выходная Y однородны, поэтому функции ОП сводятся в основном к изменению масштаба выходной величины Y, что осуществляется с помощью одного или нескольких резисторов, включенных по определенной схеме. ОП этого типа отличаются высокой точностью и стабильностью.

В приборах с астатической характеристикой выходной величины Y является угловое перемещение  (в некоторых случаях линейное перемещение l), что предполагает наличие элементов, преобразующих эти величины в изменение электрического параметра (напряжение, ток, сопротивление, емкость и др.). Наиболее широко применяются измерительные схемы потенциометрического и мостового типов с переменными резисторами (, l  r). Для построения бесконтактных измерительных схем переменного и постоянного тока используются также конденсаторы переменной емкости (, l  C); катушки индуктивности с подвижным сердечником (, l  L). Разработаны и применяются преобразователи взаимной индуктивности (, l  M) – трансформаторные (индукционные).

Контактные переменные резисторы. Реохорд представляет собой элемент сопротивления, по которому перемещаются движок, определяющий своим положением значение вводимого сопротивления. Наиболее распространены проволочные реохорды, представляющие собой определенной формы каркас, на котором намотана обмотка. В качестве каркаса применяют алюминиевые и медные провода диаметром от 1 до 3 мм; обмотку реохорда выполняют проводом диаметром 0,01 – 0,2 мм из манганина, константана или сплавов благородных металлов.

В зависимости от конструкции каркаса реохорды можно разделить на кольцевые, стержневые и многооборотные (обмотка размещена на каркасе, свернутом по винтовой линии). Токосъемный движок, скользящий по поверхности контактной дорожки на обмотке реохорда, через соответствующую передачу связан с валом двигателя.

Н а рисунке 1.4 приведена электрическая схема включения стержневого реохорда. Скользящий контакт реохорда перемещается между двумя проводящими шинами, одна из которых является рабочей 1, другая служит для съема тока 2.

Рис.1.4. Электрическая схема реохорда (а) и его характеристика (б).

Ступенчатость характеристики выходного напряжения обусловлена тем, что токосъемный контакт движка не соприкасается с поверхностью витка обмотки по всей длине, а контактирует только с определенной частью отдельных витков. Ступенчатость характеристики уменьшает точность измерения, поэтому при конструктивном расчете реохордов руководствуются тем, чтобы высота ступеньки выходного напряжения была меньше зоны нечувствительности следящей системы измерительного прибора. В связи с тем, что проволочным реохордам присущи существенные недостатки (ступенчатость характеристики, ограниченная скорость перемещения движков, небольшой срок службы и малая надежность в условиях эксплуатации), ведутся исследования по созданию новых типов реохордов. К числу наиболее перспективных относятся пленочные реохорды, элементом сопротивления которых является тончайшая металлическая пленка, нанесенная специальным технологическим способом на изоляционное основание.

Усилители. Для обеспечения требуемой мощности на выходе прибора в его схему вводятся усилительные устройства. Усилители приборов прямого действия, производящих усиление абсолютных значений измеряемых величин, должны обеспечивать высокую стабильность коэффициента усиления и линейность в заданном диапазоне измеряемых величин.

В приборах уравновешивания стабильность коэффициента усиления не играет столь существенной роли, (усилители работают в узкой зоне вблизи равновесия), в то время как его значение является весьма важным параметром, так как от него зависят метрологические характеристики прибора в целом.

В приборах применяются электронные и электромеханические (гальванометрические) усилители.

В схемах измерительных приборов используются преимущественно усилители постоянного тока из-за значительного дрейфа нуля, вносящего погрешность в измерения, не применяются. Усиление сигналов постоянного тока выполняется путем их предварительного преобразования в переменное напряжение (модуляция) с последующим усилением переменного тока, дрейф которого пренебрежимо мал. Для модуляции сигналов постоянного тока применяются быстродействующие переключающие устройства – модуляторы (контактные и бесконтактные). Одна из конструкций контактного модулятора (вибропреобразователя), приведенная на рисунке 1.5.

Рис.1.5. Принципиальная схема устройства контактного модулятора (вибропреобразователя)

Схема состоит из: магнитопровода 1, катушки возбуждения 2, питаемой переменным током, и якоря 3, один конец которого закреплен неподвижно, а на другом (свободном) закреплен постоянный магнит 4. Переменное поле катушки возбуждения (обычно частоты 50 Гц) создает в зазоре магнитопровода магнитный поток Ф. В зависимости от направления потока Ф, взаимодействие агнитных полей (постоянного и переменного) вызывает колебания якоря, вследствие чего он замыкается поочередно на контакты 5 (6 – регулировочные винты).

Идеальная форма напряжения на выходе вибропреобразователя U_ВЫХ (двухтактная схема включения) показана на рисунке 1.6 (t – время перелета контактов, t₁, t₂ – время замыкания контактов).

Рис. 1.6. Форма напряжения на выходе вибропреобразователя

Вибропреобразователи широко применяются во входных устройствах усилителей постоянного тока, используемых в измерительных приборах. Основанием для этого служит малый дрейф нуля и возможность обеспечения широкого диапазона входных сопротивлений усилителя.

Так как входное устройство усилителя определяет его свойства в целом (помехоустойчивость, внутренние шумы), в нем принимаются специальные меры по защите от влияния внешних магнитных электрических полей (трансформатор помещается в двойной пермаллоевый экран, обмотки имеют двойной электростатический экран). Настройка конденсатора С в резонанс с основной частотой модуляции также повышает помехоустойчивость усилителя.

Для работы с датчиками э.д.с., имеющими большое внутреннее сопротивление, во входных устройствах усилителей постоянного тока в качестве модуляторов используются так называемые динамические конденсаторы. Схема бесконтактного модулятора показана на рисунке 1.7.

Рис.1.7. Принципиальная схема бесконтактного модулятора (динамического конденсатора).

Динамический конденсатор С₁ имеет одну подвижную пластину, периодическое перемещение которой под воздействием электромагнита изменяет емкость конденсатора, в результате чего на его пластинах при подаче на вход сигнала постоянного тока появляется переменное напряжение. Входное сопротивление усилителя с динамическим конденсатором достигает значения 10¹⁶ Ом. Коэффициент передачи динамического конденсатора (отношение действующего значения первой гармоники модулированного сигнала к напряжению входного сигнала постоянного тока) колеблется в пределах 0,1 – 0,2 (вибропреобразователи имеют коэффициент передачи порядка 0,6 – 0,9).

Гальванометрические усилители. Для усиления слабых постоянных и медленно меняющихся токов и напряжений широко используются гальванометрические усилители. Основными элементами этих устройств являются магнитоэлектрический гальванометр и преобразователь угла поворота рамки в электрический параметр (ток, напряжение, коэффициент взаимной индуктивности и т.д.). Из числа существующих преобразователей широко применяются фотоэлектрические и трансформаторные преобразователи. Принципиальная схема фотогальванометрического усилителя типа Ф117 изображена на рисунке 1.8.

Рис.1.8. Принципиальная схема фотогальванометрического усилителя

Г – гальванометр; ОЛ – осветительная лампа; ФР₁ и ФР₂ – фоторезисторы;

Е₁ и Е₂ – источники питания; r_н – сопротивление нагрузки.

При отсутствии тока в рамке гальванометра, она установлена таким образом, что освещенность фоторезисторов ФР₁ и ФР₂ световым лучом, отраженным от зеркала гальванометра, одинакова и ток через нагрузочное сопротивление не проходит. Появление тока в рамке вызывает ее отклонение, в результате чего освещенность одного фоторезистора увеличивается, другого – уменьшается, что приводит к изменению значения их сопротивления. Баланс схемы нарушается и в резисторе r_н появляется выходной ток I_ВЫХ.

Достоинством фотогальванометрических усилителей является отсутствие обратной реакции преобразователя на рамку гальванометра в сочетании с высокой эффективностью преобразования. Перспективным направлением является применение в гальванометрических усилителях трансформаторных (индукционных) преобразователей. На рисунке 1.9. приведена принципиальная схема гальванометрического усилителя с трансформаторным преобразователем.

Рис. 1.9. Принципиальная схема гальванометрического усилителя с трансформаторным преобразователем

Действие преобразователей основано на индуктировании э.д.с. в рамке гальванометра 7, помещенной в переменное магнитное поле неподвижных катушек 2, размещенных на полюсных наконечниках постоянного магнита 3. При повороте рамки на некоторый угол относительно нейтрального положения в ней наводится ЭДС. Индуктивность L и емкость С служат для разделения цепей по переменному и постоянному току соответственно.

Индукционные преобразователи просты в изготовлении, не требуют специальной наладки, имеют длительный срок службы и обеспечивают получение на выходе сигнала переменного тока, что удобно для дальнейшего усиления и использования (например, в схемах с двигателями переменного тока).