Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



РАЗДЕЛ ВТОРОЙ ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ И СИЛЫ ТОКА

2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Измерение напряжения и силы тока - наиболее распространенный вид измерений. В различных областях науки и техники эти измерения осуществляются в широком диапазоне частот - от постоянного тока и ин-франизких частот (сотые доли герца) до сверхвысоких частот (1 ГГц и более) и в болыпом диапазоне измеряемых значений напряжения и тока - соответственно от на-новольт до сотен киловольт и от 10"до десятков и сотен ампер (при большом многообразии форм измеряемого напряжения и тока).

Измерение постоянных напряжения и силы тока заключается в нахождении их значений и полярности. Целью измерения переменных напряжения и силы тока является нахождение какого-либо их параметра.

Выбор метода и средств измерений напряжения и силы тока обусловливается требуемой точностью измерений, амплитудным и частотным диапазонами измеряемого сигнала, мощностью, потребляемой прибором от измерительной цепи, и т. д.

В зависимости от способа получения результата методы измерений делятся на прямые, при которых значение напряжения (тока) измеряется непосредственно, и косвенные, результат которых находится по результатам прямых измерений величин, связанных с измеряемой величиной той или иной функциональной зависимостью.

Для измерения напряжения (тока) применяются следующие основные методы измерений:

непосредственной оценки, при котором числовое значение измеряемой величины определяется по отсчетному устройству, отградуированному в единицах этой величины;

сравнения, при котором значение измеряемой величины определяется на основе сравнения воздействия измеряемой величины иа какую-либо систему с воздействием на эту же систему образцовой меры. В приборах для измерения напряжения и силы тока применяются три разновидности метода сравнения: нулевой, дифференциальный и замещения.

В соответствии с этим приборы для измерения напряжения и силы тока можно разделить на два класса:

непосредственной оценки, у которых числовое значение измеряемой величины определяется по отсчетному устройству;

сравнения, состоящие из цепи сравнения

и измерителя разности значений измеряемой величины и меры. Для фиксирования отсутствия разности значений измеряемой величины и меры применяются устройства сравнения (УС).

Оба класса приборов по системе отсчета показаний можно разделить на приборы с аналоговым отсчетом (аналоговые) и приборы с дискретным отсчетом (цифровые).

К приборам с аналоговым отсчетом следует отнести стрелочные приборы, приборы со световым указателем, приборы с ручньш! или автоматическим уравновешиванием (имеющие реохорд) и самопишущие. К приборам с дискретным отсчетом следует отнести цифровые приборы и приборы с ручньш! или автоматическим уравновешиванием, имеющие набор (магазин) переключаемых элементов. Результат измерений, проведенных такими приборами, выражен в виде дискретного (цифрового) кода.

Все электроизмерительные приборы по способу преобразования электромагнитной энергии, связанной с измеряемой величиной, в величину, позволяющую провести отсчет значений измеряемой величины, можно разделить на электромеханические, электротепловые, электронные и электронно-лучевые.

В электромеханических приборах для перемещения подвижной части прибора используются различные электромагнитные процессы. В зависимости от физического явления, используемого для преобразования подводимой электромагнитной энергии в механическую энергию перемещения подвижной части, приборы подразделяются на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, индукционные, электростатические.

В электротепловых приборах для перемещения подвижной части прибора используется тепловое действие электрического тока.

Электронные приборы представляют собой сочетание электронного преобразователя и измерителя (аналогового или цифрового).

Электронно-лучевые приборы используют подводимую энергию электромагнитного поля для перемещения электронного луча в электронной трубке. Это перемещение пропорционально значению измеряемой величины.

В общем виде структурная схема аналогового электроизмерительного прибора непосредственной оценки состоит из входного устройства, измерительного преобразователя, измерительного механизма и отсчетного устройства (рис. 2.1). Входное устройство



2.1. Общие сведения

x(t)

Входное устройство

Измерительный преобразователь

y(t)

Измерительный механизм

Отсчетное устройство

Рис. 2.1. Структурная схема аналогового измерительного прибора непосредственной оценки

и измерительный преобразователь преобразуют измеряемую величину x(t) в некоторую промежуточную величину y{t), находящуюся в определенной функциональной зависимости от измеряемой величины и непосредственно воздействующую на измерительный механизм.

По принципу действия и конструктивным особенностям измерительные преобразователи, применяемые в измерительной цепи, можно разделить на выпрямительные, термоэлектрические; электронные.

Измерительный механизм преобразует подводимую электрическую энергию, определяющую величину y(t), в механическую энергию перемещения подвижной части механизма. При этом между перемещением подвижной части механизма и измеряемой величиной должна существовать однозначная зависимость.

Для измерения напряжения и силы постоянного и переменного токов применяются все перечисленные виды приборов.

Электромеханические приборы самостоятельное применение находят преимущественно в цепях постоянного юка и в цепях переменного тока промышленной частоты и представляют собой сочетание измерительного механизма и отсчетного устройства. У большинства конструкций электроизмерительных приборов непосредственной оценки энергия измеряемой величины преобразуется в энергию перемещения подвижной части измерительного механизма. По положению подвижной части прибора судят о значении измеряемой величины. Измеряемая величина в измерительном механизме преобразуется в силу, создающую вращательный момент Мвр, под действием которого подвижная часть измерительного механизма поворачивается на угол а. Линейное перемещение подвижной части встречается довольно редко. Значение вращательного момента зависит от значения измеряемой величины:

Мвр=/(Х).

Если вращательному моменту не создавать противодействия, то при любом его значении подвижная часть прибора повернется до упора. Чтобы угловое перемещение подвижной части зависело от вращательного момента, в приборе создается противодействующий момент Мпр, направленный навстречу вращательному моменту. В боль-

шинстве приборов противодействующий момент создается при помощи упругих элементов, например спиральной пружины. Противодействующий момент Мпр, создаваемый пружиной, пропорционален углу поворота подвижной части прибора: Мпр=.иа, где W - удельный противодействующий момент, зависящий от свойств пружины.

Под действием вращательного момента подвижная часть прибора поворачивается на угол а, при котором наступает равенство вращательного и противодействующего моментов Мвр = Мпр. Подставив значения моментов, получим равенство / (х) = wa., из которого выведем уравнение шкалы прибора a=f{x)Jw = F{x). Если вращательный момент создается током i, воздействующим на измерительный механизм, то Мр = ki, где к - коэффициент пропорциональности,

i - мгновенное значение тока. В этом случае угол поворота подвижной части измерителя

QL = {k/w)i. (2.1)

Эту зависимость назьшают уравнением шкалы прибора, а коэффициент пропорциональности S = a/i - чувствительностью. Физический смысл чувствительности можно определить как отношение изменения углового или линейного перемещения указателя отсчетного устройства измерителя к вызвавшему его изменению измеряемой величины. Размерность чувствительности определяется характером измеряемой величины.

Электроизмерительные приборы непосредственной оценки классифицируются по принципу действия (по системам). Название системы соответствует характеру явления, используемого для преобразования электрической величины, подводимой к прибору, в перемещение его подвижной части. В соответствии с этим различают приборы следующих систем:

магнитоэлектрической; подвижная часть приборов этой системы отклоняется в результате взаимодействия поля постоянного магнита и контура с протекающим по нему током.

Магнитоэлектрические приборы применяются как самостоятельно, так и в сочетании с различными преобразователями переменного тока в постоянный, при измерении переменного тока и напряжения. В качестве преобразователей могут использоваться тер-



мопары (приборы термоэлектрической системы), детекторы (выпрямительная система) и электронные преобразователи (электронные приборы);

электромагнитной; в приборах этой системы подвижная часть отклоняется в результате взаимодействия магнитного поля катушки с протекающим по ней током и ферромагнитного сердечника;

электродинамической; принцип действия в приборах этой системы основан на взаимодействии неподвижной и подвижной катущек с протекающими по ним токами. Разновидностью этой системы является ферродинамическая система;

индукционной; приборы этой системы содержат катушки, питаемые переменным током и создающие переменные магнитные поля. Эти поля наводят токи в подвижной части прибора, которые взаимодействуют с магнитными потоками, в результате чего подвижная часть перемешается;

электростатической; подвижная часть приборов этой системы перемещается в результате взаимодействия электрически заряженных проводников;

тепловой; в этих приборах подвижная часть отклоняется в результате удлинения проводника, нагреваемого протекающим по нему током;

вибрационной; принцип действия этой системы основан на явлении механического резонанса.

Термоэлектрические приборы представляют собой сочетание термопреобразователя с магнитоэлектрическим измерительным механизмом. Принцип действия термоэлектрического измеригельного преобразователя основан на двух физических явлениях: выделении тепла при прохождении по проводнику электрического тока и появлении ЭДС постоянного тока при нагревании места соединения двух различных металлов.

По принципу действия термоприборы являются измерителями тока, протекающего по нагревателю термопреобразователя. При протекании по нагревателю измеряемого тока ij. выделяется тепло, под действием которого нагревается сплав термопары, а на ее холодных концах возникает термо-ЭДС. Тер-мо-ЭДС £т пропорциональна количеству тепла Q, выделяемому нагревателем, т. е. E = kiQ. Количество тепла, в свою очередь, пропорпионально квадрату измеряемого то-

Величина тока в цепи измерительного механизма

h, = E-r/r = (kik2ii)/r,

где г - полное сопротивление цепи измерительного механизма.

Угол отклонения подвижной части прибора

а = Si!„ = Sjkjkillr = feij,

где Si - чувствительность магнитоэлектрического механизма к току; к - постоянный коэффициент, зависящий от свойств термопары и параметров измерительного механизма.

Таким образом, угол отклонения подвижной части прибора пропорционален квадрату силы тока, протекающего через нагреватель. Термоприборы пригодны для измерения в цепях как постоянного, так и переменного токов. Шкала приборов градуируется в среднеквадратических значениях тока или напряжения и имеет квадратиче-ский характер.

Электронные приборы для измерения тока и напряжения представляют собой сочетание электронного преобразователя, выполненного на электронных лампах, полупроводниковых элементах, интегральных микросхемах, и магнитоэлектрического или цифрового измерителя (отсчетного устройства).

Свойства электронных амперметров и вольтметров определяются входной схемой, полным входным сопротивлением, схемой преобразователя, характером шкалы, чувствительностью, зависимостью показаний от формы и частоты измеряемого сигнала, пределом измерения, погрешностью.

По способу отсчета электронные приборы разделяют на цифровые и аналоговые. Цифровые вольтметры (амперметры) в отличие от аналоговых содержат аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и устройство цифрового отсчета. Цифровые измерительные приборы многопредельны, универсальны, предназначены для измерения напряжения постоянного и переменного токов, частоты, фазы, сопротивления, отношения напряжений и других электрических и неэлектрических величин. Цифровые приборы позволяют обеспечить автоматический выбор предела и полярности измеряемых величин, автоматическую коррекцию погрешности, высокую точность измерений в широком диапазоне измеряемых величин, выдачу результатов измерения в цифровом виде, документальную регистрацию с помощью дифропечатающего устройства, ввод измерительной информации в ЭВМ и информационно-измерительные системы по каналу общего пользования.



0 1 2 3 4 [5] 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0137