Радиоизмерения. Метрология и радиоизмерения
 Скачать 3.68 Mb.
|
|
+ + + + + + + + + + – 3 4 + + + + + + + + + 5 6 1 2 1 3 2 4 Раздел 2. Измерительная техника 152 Под действием электрических сил притяжения подвижная пластина 2 втя- гивается в пространство между неподвижными пластинами 1, изменяя при этом активную площадь электродов, а следовательно, и ёмкость системы. Движение пластины 2 продолжается до тех пор, пока вращающий момент не станет равным противодействующему моменту, создаваемому спиральной пружиной 4. Повышения чувствительности измерительных механизмов добива- ются увеличением числа подвижных и неподвижных пластин, закреплени- ем подвижной части на растяжках и применением светового указателя. Успокоители могут быть как магнитоиндукционные, так и воздушные. По- верхностный измерительный механизм используется главным образом для создания вольтметров на низкие напряжения. Примером такого прибора является электростатический вольтметр типа С-50 с пределами измерений от 30 В до 3 кВ. Между неподвижными пластинами 4 и 6 перемещается подвижная пластина 5, подвешенная на металлической ленточке. Пластина 5 электри- чески соединена с пластиной 4 и изолирована от пластины 6. При подведе- нии к пластинам напряжения одноимённо заряженные пластины отталки- ваются, а разноимённо заряженные притягиваются. Перемещаясь, пластина 5 через тягу 3 поворачивает ось 2, на которой жёстко укреплён указатель. Противодействующий момент создаётся весом пластины 5, а успокоение осуществляется с помощью магнитоиндукционного успокоителя 1. Линейные измерительные механизмы применяются в киловольтмет- рах. Примером служит киловольтметр С-196 с тремя пределами измерения: 7,5–15–30 кВ. Энергия электрического поля системы заряженных электродов 2 э 1 2 W СU , (3.28) где C – емкость данной системы; U – напряжение, приложенное к электродам. Вращающий момент 2 вр 1 2 э dW dC M U d d , (3.29) где dC / dα – изменение ёмкости в зависимости от положения подвижного электрода. Уравнение шкалы прибора имеет вид 2 1 2 dC U K d (3.30) Глава 3. Электромеханические измерительные преобразователи. Принципы построения 153 Следовательно, угол поворота подвижной части электростатического механизма пропорционален квадрату постоянного напряжения или квадра- ту действующего (среднеквадратического) значения переменного напря- жения на его зажимах. Выбором формы подвижных и неподвижных электродов и их взаим- ным расположением добиваются такой зависимости dC / dα, при которой шкала близка к равномерной на 75–85 % её длины. Электростатические измерительные механизмы, как следует из их принципа действия, могут применяться только как вольтметры для непо- средственного измерения напряжения постоянного и переменного токов. Одним из важнейших свойств электростатических вольтметров явля- ется ничтожно малое собственное потребление энергии при установив- шихся показаниях прибора. Поэтому, несмотря на малые значения вра- щающих моментов, они иногда применяются для измерения сравнительно низких напряжений в цепях с источниками малой мощности. Основное же назначение электростатических вольтметров – это измерение высоких на- пряжений (до десятков и сотен киловольт). На показания электростатических вольтметров не влияют температу- ра окружающей среды, частота и форма кривой напряжения, а также внешние магнитные поля. Поэтому они могут применяться для измерения напряжения в широком диапазоне частот (от 20 Гц до 30 МГц). Из внешних факторов наибольшее влияние оказывают электрические поля, которые наводят дополнительные заряды на пластинах прибора, из- меняя его показания. Уменьшение дополнительной погрешности от внеш- него электрического поля достигается применением экранов. По точности электростатические вольтметры соответствуют чаще всего классам 1; 1,5 и 2,5. К достоинствам приборов электростатической системы относятся: их универсальность (т. е. способность измерять постоянные и пе- ременные напряжения); широкий частотный диапазон; малое потребление энергии; высокая надежность; независимость показаний от внешних магнитных полей. К недостаткам относятся: нелинейность шкалы (из-за нелинейности около 5 % шкалы в её начале вообще не используется); низкая чувствительность; сравнительно невысокая точность; зависимость показаний от внешних электрических полей. Раздел 2. Измерительная техника 154 3.6. Логометрические преобразователи К логометрам относятся электроизмерительные приборы с электри- ческим противодействующим моментом. Показания таких приборов про- порциональны отношению электрических величин (обычно – отношению электрических токов). Используются логометры следующих систем: маг- нитоэлектрические с подвижными рамками, магнитоэлектрические с под- вижными магнитами, электромагнитные, электродинамические, ферроди- намические, индукционные. В настоящем учебнике рассматриваются магнитоэлектрические ло- гометры с подвижными рамками (рис. 3.8). Рис. 3.8. Схема логометра магнитоэлектрической системы с подвижными рамками Рамки 1 и 2 жёстко скреплены друг с другом и со стрелкой, которая перемещается вдоль проградуированной шкалы. По обмотке первой рамки протекает ток I 1 , по обмотке второй рамки – ток I 2 . К внешним цепям об- мотки рамок подключаются с помощью безмоментных токоподводов (на схеме токоподводы не показаны). Создаваемое постоянным магнитом маг- нитное поле в воздушном зазоре прибора неравномерно из-за эллиптиче- ского ферромагнитного сердечника: в центральной части системы индук- ция магнитного поля больше, а на периферии – меньше. При взаимодействии тока I 1 , протекающего по обмотке первой рам- ки, и магнитного поля возникает пара сил F 1 –F 1 . Пара сил F 1 –F 1 создаёт S N 0 α I 1 – F 2 I 2 – F 1 I 1 + F 2 I 2 + 2 1 4 3 Глава 3. Электромеханические измерительные преобразователи. Принципы построения 155 вращающий момент M 1 , который стремится повернуть рамки и указатель против часовой стрелки: M 1 = I 1 · f 1 (α), (3.31) где I 1 – ток в обмотке первой рамки; α – угол поворота подвижной части прибора. При взаимодействии тока I 2 , протекающего по второй обмотке, и магнитного поля возникает пара сил F 2 –F 2 , создающих вращающий мо- мент М 2 . Вращающий момент М 2 стремится повернуть рамки и указатель по часовой стрелке: M 2 = I 2 · f 2 (α), (3.32) где I 2 – ток в обмотке второй рамки. Отметим, что из-за неравномерности магнитного поля вращающие моменты M 1 и М 2 возрастают при перемещении рамок с обмотками к цен- тру и, наоборот, уменьшаются при перемещении рамок с обмотками к пе- риферии. При равенстве вращающих моментов М 1 и М 2 движение рамок и стрелки (указателя) прекращается. В этом случае: I 1 · f 1 (α) = I 2 · f 2 (α), (3.33) 3 1 2 2 1 f f f I I (3.34) Решая уравнение (3.34) относительно угла поворота α, получаем 1 2 I F I (3.35) Полученное выражение (3.35) называется уравнением шкалы лого- метров магнитоэлектрической системы с подвижными рамками. Уравнение шкалы свидетельствует, что показания магнитоэлектри- ческих логометров пропорциональны отношению токов, протекающих по обмоткам рамок прибора. 3.7. Расширение пределов измерения тока и напряжения Простейшими вольтметрами и амперметрами (а точнее, милливольт- метрами и микроамперметрами) могут служить рассмотренные приборы, снабжённые входными зажимами для подключения к объектам измерения. Такое применение приборов позволяет измерять напряжения в диапа- зоне до нескольких десятков милливольт и токов – до нескольких миллиам- Раздел 2. Измерительная техника 156 пер. Исключение составляют специальным образом выполненные приборы электромагнитной системы, позволяющие непосредственно измерять силу тока в несколько сотен ампер, и вольтметры электростатической системы. Для расширения пределов измерения напряжения применяют доба- вочные резисторы, делители напряжения, а на переменном токе – измери- тельные трансформаторы напряжения. Для расширения пределов измерения силы тока применяют шунты, а на переменном токе – измерительные трансформаторы тока. Схема электромеханического вольтметра любой системы (кроме элек- тростатической) на несколько пределов измерения приведена на рис. 3.9. Вольтметр состоит из электромеханического прибора и добавочных резисторов с коммутирующим устройством. Сопротивления добавочных резисторов вольтметров на схеме рис. 3.9, а вычисляют по формуле R дi = U прi / (I и – r и ), (3.36) а вольтметров по схеме рис. 3.9, б – по формулам R д1 = U пр1 / (I и – r и ); R д2 = U пр2 / I и – (r и + R д1 ), (3.37) где U прi – i-й верхний предел измерения вольтметра; R дi – сопротивление добавочного резистора соответствующего преде- ла измерения; I и – ток предельного (полного) отклонения указателя измерительного прибора; r и – сопротивление рамки (катушки) измерительного прибора. На постоянном токе делители напряжения выполняют из активных резисторов (рис. 3.10, а), а на переменном токе – из активных резисторов или конденсаторов (рис. 3.10, б). Последние применяются с вольтметрами переменного тока. а б Рис. 3.9. Расширение пределов измерения напряжения U пр2 U пр1 S R д1 R д2 U пр2 U пр1 S R д1 PS R д2 PS Глава 3. Электромеханические измерительные преобразователи. Принципы построения 157 а б Рис. 3.10. Схема делителей напряжения: а – активного; б – емкостного Напряжение на выходе активного делителя напряжения (рис. 3.10, а) при выполнении условия R вх >> R 2 2 2 п 1 2 x x R U U U k R R , (3.38) где k п – коэффициент передачи напряжения делителя. При относительно невысоком входном сопротивлении вольтметра (R вх всего в несколько раз больше R 2 ) коэффициент передачи напряжения зависит от R вх Чтобы учесть влияние входного сопротивления вольтметра, в фор- мулу (3.38) нужно вместо R 2 подставить эквивалентное сопротивление, по- лученное параллельным соединением R 2 и R вх Коэффициент передачи ёмкостного делителя напряжения (рис. 3.10, б) при условии, что входная ёмкость вольтметра С вх << С 2 и активная состав- ляющая входного сопротивления R вх >> [1 / С 2 ], определяется выражением k п = С 1 / (С 1 + С 2 ), (3.39) и расчёт ёмкостей делителя производится аналогично расчету сопротивле- ний резисторов активного делителя напряжения. Если же общая ёмкость делителя напряжения не может быть относи- тельно большой и ёмкость делителя С 2 оказывается соизмеримой со вход- ной ёмкостью вольтметра С вх , то расчёт делителя напряжения ведется с учётом ёмкости С вх или сама ёмкость С вх считается ёмкостью делителя С 2 Для расширения пределов измерения приборов по току применяются шунты, представляющие собой резистор, параллельно которому подклю- чается рамка (или катушка) прибора (рис. 3.11, а). U х R 2 R 1 U 2 R вх C 2 C 1 U 2 U х Раздел 2. Измерительная техника 158 а б в Рис. 3.11. Схемы расширения пределов Сопротивление шунта определяется по формуле и и и ш ш 1 I r r R I n , (3.40) где R ш – сопротивление шунта; r и – сопротивление рамки (катушки) измерителя; I и – ток полного отклонения измерителя; I ш – ток шунта; n = I пр / I и – коэффициент расширения пределов измерения; I пр – рассчитываемый предел измерения амперметра. Рассчитанное сопротивление шунта должно быть обеспечено между потенциальными зажимами шунта. В измеряемую цепь амперметр вклю- чают токовыми зажимами T. Подключение измерителя к токовым зажимам приводит к резкому возрастанию погрешностей измерения и может вывес- ти измеритель из строя, так как из-за возможного плохого контакта прово- да цепи с шунтом через обмотку измерителя может пойти ток, многократ- но превышающий ток полного отклонения измерителя. Наряду с однопредельными амперметрами, выполняемыми по схеме рис. 3.11, а, широко применяют многопредельные амперметры по схеме рис. 3.11, б, в. Шунты амперметра по схеме рис. 3.11, б рассчитывают по формуле (3.40). Подключение пределов измерения таких амперметров можно делать SF 1 R 1 S R 2 R 3 PA R ш I ш T T I пр I и I и PA R ш3 1 PA R ш1 R ш2 2 3 Глава 3. Электромеханические измерительные преобразователи. Принципы построения 159 или безобрывным переключателем, или обычным после обесточивания из- меряемой цепи, иначе возможны многократная перегрузка измерителя и перегорание его рамки (катушки) или токопроводящих пружин. Многопредельный универсальный шунт (рис. 3.11, в) позволяет пе- реключать пределы измерения без разрыва контролируемой цепи. Сопротивления его резисторов рассчитывают по формуле n i = I прi / I и = (R шi + r и + R дi ) / R шi = R / R шi , (3.41) где I прi – i-й предел измерения; R шi – суммарное сопротивление резисторов, подключенных непосред- ственно между входными зажимами амперметра на i-м пределе измерения; R дi – суммарное сопротивление резисторов, подключенных последова- тельно с рамкой (катушкой) измерителя на i-м пределе измерения; R – общее сопротивление контура «измеритель – резисторы». Для схемы на рис. 3.11, в: R ш1 = R 1 + R 2 + R 3 и R д1 = 0 – на первом пределе измерения; R ш2 = R 2 + R 3 и R д2 = R 1 – на втором; R ш3 = R 3 и R д3 = R 2 + R 1 – на третьем. 3.8. Метрологические характеристики электромеханических преобразователей Метрологические характеристики магнитоэлектрических, электро- магнитных, электродинамических, ферродинамических, электростатических и индукционных измерительных преобразователей представлены в табл. 3.1. Таблица 3.1 Метрологические характеристики электромеханических преобразователей Наименование системы, функциональная схема Уравнение шкалы, применение Частотный диапазон, класс точности, потребление мощности Электромагнитная 2 1 2 dL I W d , где 2 2 0 1 T I t dt T ; L – индук- тивность катушки. Щитовые и лабораторные пе- реносные низкочастотные ам- перметры, вольтметры F = 0…5 кГц Класс точности 0,5…2,5 P соб ≈ 1…6 Вт Раздел 2. Измерительная техника 160 Продолжение табл. 3.1 Наименование системы, функциональная схема Уравнение шкалы, применение Частотный диапазон, класс точности, потребление мощности Магнитоэлектрическая 0 I W , где ψ 0 = B·S·ω; B – индукция в зазоре; S – площадь рамки; ω – число витков рамки; W – удельный противодействую- щий момент, создаваемый пружиной. Переносные, лабораторные, многопредельные амперметры, вольтметры постоянного тока Постоянный ток Класс точности 0,05…0,5 P соб ≈ 10 –5 …10 –4 Вт Электродинамическая 1 2 1 cos dM I I W d , где – угол между токами; М – коэффициент взаимной индуктивности. Лабораторные приборы низ- кочастотные высокого класса точности F = 0…5 кГц Класс точности 0,1…0,2 P соб = 1 Вт |