Преобразователи и измерительные системы постоянного тока и напряжения

Для измерения постоянных токов применяются измерительные приборы постоянного тока. На рисунке 4.1 представлена схема амперметра.

Рисунок 4.1 – Принципиальная (а) и структурная (б) схемы электромеханического амперметра магнитоэлектрической системы

Измерение постоянного тока производится приборами на основе измерительного механизма магнитоэлектрической системы (ИМ МЭС) (см. рисунок 4.2).

а) б)

1 – подвижная рамка из тонкого медного провода, намотанного на каркасе (либо без каркаса); 2 - магнитопровод; 3 – полюсные наконечники постоянного магнита; 4 – внутрирамочный цилиндр из стали; 5 – пружины; 6 – индикаторная стрелка; 7 – шкала

Рисунок 4.2 – ИМ МЭС: а – магнитная система; б – конструкция

ИМ МЭС является измерителем тока. Ток, подводимый к рамке через пружины и проходящий по проводам рамки, имеющей сопротивление R_р, взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита. В результате рамка начинает поворачиваться под действием вращающего момента

M _вр = Bs v I,

где B – индукция в зазоре; s – площадь рамки; v - число витков рамки; I – измеряемый ток.

Под действием этого момента рамка начинает поворачиваться, испытывая противодействие со стороны пружин. Они создают противодействующий момент

M _пр = W a

где W – удельный момент пружины; a - угол поворота стрелки относительно шкалы прибора.

Когда эти моменты сравняются, стрелка покажет результат измерения a по шкале в заданных единицах измерения

a = Bs v / W × I = SI,

где S = a / I – чувствительность механизма, имеющая размерность делений на единицу тока.

Обратная величина от чувствительности есть цена деления (постоянная) прибора С= 1 /S, имеющая размерность – единица тока на деление.

а) б)

а) 1 – стрелка; 2 – шкала; 3,9 – полуось; 4,11 – спиральные пружины; 5 – букса; 6 – кольцо из магнитомягкого материала; 7 – рамка; 8 – постоянный магнит; 10 – противовесы; 12,13 – корректоры б) 1 – букса; 2 – стрелка; 3 – шкала; 4,8 – растяжка; 5 – кольцо из магнитомягкого материала; 6 – рамка; 7 – постоянный магнит; 9 – противовесы;

10 – корректор; 11 – винт корректора
Рисунок 4.3 – ИМ МЭС на кернах (а) и на растяжках (б)

Современный ИМ МЭС (см. рисунок 4.3) выполняется весьма компактным и с большой чувствительностью. Например механизм на номинальный ток I_пн = 10 мкА имеет сопротивление рамки Rр = 2200 Ом за счёт сопротивления про-вода диаметром 0,02 мм с числом витков 750. При номинальном токе на входном сопротивлении механизма создаётся номинальное падение напряжения U_пн =0,022 В.

Шунт есть первичный элементарный преобразователь ПП (часто его называют масштабным преобразователем). Он осуществляет деление изме-ряемого тока I: I_п –малый ток, протекающий через ИМ, и I_ш большой ток, протекающий через шунт. Ток I_п прямо пропорционален току I I_п = IR_ш/ (R_ш+R_п) =R_экв.

Преобразованный ток, протекая по рамке ИМ, вызывает отклонение стрелки на угол a = S_т I_п = K_пр I.

Это отклонение сравнивается оператором с отметками a _ш, на шкале отсчётного устройства амперметра, которые предварительно были нанесены с использованием прецизионной многозначной меры постоянного тока. Шкала с отметками a _ш= к I_м выполняет роль многозначной меры.

На токи свыше 20-30 А применяются внешние калиброванные шунты (см. рисунок 4.4). Они выбираются по номинальному току I_н и классу точности шунта g_ш = (0,1; 0,2; 0,5 и 1,0 %). На шунте указывается нормированное (калиброванное) падение напряжения U_шн = (45;50; 60; 75; 100 и 150 мВ). В качестве ИМ выбирается милливольтметр с соответствующим пределом измерения по напряжению.

Рисунок 4.4 – Внешний вид наружных шунтов

Напряжение с шунта можно усилить нормирующим усилителем и использовать в качестве входного сигнала в ИИС.

Для расширения пределов измерения ИМ МЭС применяются элементарные масштабные преобразователи – добавочные резисторы ДС (сопротивления). Они изготавливаются из манганиновой изолированной проволоки, намотанной на изолированный каркас. ДС включается последовательно с ИМ, образуя измерительную цепь ИЦ. К ИЦ подводится измеряемое напряжение U (см. рисунок 4.5,а).

В практической деятельности для измерения напряжения применяются различные схемы делителей напряжения ДН. На рисунке 4.6,а показан простой делитель напряжения. Коэффициент передачи такого делителя K_U = R₂ / (R₁ + R₂).

а) б)

Рисунок 4.5 – Измерительная цепь с добавочным резистором (а) и рычажный магазин добавочных резисторов (б)

а) б) в) г)

Рисунок 4.6- Принцип построения делителей напряжения

На рисунке 4.6,б,в приведены схемы широко известных последова-тельных, а на рисунке 4.6, г лестничных делителей с переключением выходного или входного зажимов.

На рисунке 4.7 приведены основные схемы включения ИМ МЭС для измерения тока с одиночным (однопредельным) шунтом (а), с двухпредельным шунтом (двухпредельный амперметр (б)) и напряжения с добавочным сопротивлением (в).

а) б) в)
Рисунок 4.7 – Измерительные схемы: а – включение шунта; б – двух- предельный амперметр; в – вольтметра с добавочным сопротивлением

Для измерения постоянных токов применяются преобразователи (датчики), принцип действия которых основан на эффекте Холла. Датчик Холла (см. рисунок 4.8,а) – полупроводниковая пластина (InAs – арсенид индия), имеющая две пары диаметрально противоположных выводов. Если к одной паре выводов подвести стабилизированный ток управления I, a пластину поместить в магнитное поле с индукцией B, то на противоположных выводах появится напряжение Холла V, пропорциональное kIB, где k-коэффициент пропорциональности. Выходное напряжение обычно не превышает 15 мВ. Устройство для измерения постоянных токов в проводнике содержит охватывающий этот проводник ферромагнитное кольцо с двумя разрезами, в которые помещены элементы Холла (см. рисунок 4.8,б). Выходные напряжения элементов суммируются

а) б)
Рисунок 4.8 – Датчик Холла (а) и устройство для измерения

постоянного тока (б)

В связи с развитием микроэлектроники стало возможным использовать в ИИС усилители постоянного тока – операционные усилители ОУ в интегральном исполнении. Подобные схемы усилителей образуют большой класс преобразователей. Схема преобразователя постоянное напряжение – ток приведена на рисунке 4.9.

Рисунок 4.9 – Преобразователь постоянного напряжения – ток

ОУ имеет два входа: прямой (без значка) и инверсный (со значком ° на входе). Если напряжения на обоих входах ОУ равны и имеют разный знак относительно общего провода (земля), то выходной ток I₂ = U₁ / R₁ и не зависит от сопротивления R_2н. Поэтому вместо этого сопротивления включают миллиамперметр с любым внутренним сопротивлением или с этого сопротивления снимают напряжение. Изменяя сопротивление R₁, которое образует последовательную обратную связь по току (ПОС), можно изменять пределы измерения данного средства измерения.