Электромеханические приборы с преобразователями

Высокая чувствительность, большая точность, малое собственное потребление мощности и другие положительные свойства магнитоэлектрических приборов выгодно отличают их от других электромеханических приборов. Задача использования их для измерений в цепях переменного тока решена путем преобразования переменного тока в постоянный с помощью преобразователей. В соответствии с используемым преобразователем, приборы называют выпрямительными, термоэлектрическими, электронными.

Выпрямительные приборы - это сочетание выпрямительного преобразователя и магнитоэлектрического ИП с отсчетным устройством. В качестве преобразователей (выпрямителей) используются полупроводниковые выпрямители (диоды) на основе кремния или германия. В зависимости от числа применяемых диодов и схемы их включения осуществляется одно- и двухполупериодное выпрямление (преобразование) переменного тока. В цепи однополупериодного выпрямления (Рис.2.11.а) ток через измеритель (микроамперметр), включенный последовательно с диодом VD1 протекает только в положительный полупериод напряжения U(t). В отрицательный полупериод ток протекает через диод VD2. Подвижная часть магнитоэлектрического микроамперметра из-за своей инерционности реагирует на среднее значение момента:

где m_t – мгновенное значение вращающего момента

Используя выражение (2.6) получим:

Приравнивая M_ВР к M_ПР получим выражение для уравнения шкалы прибора:

Шкалу прибора градуируют обычно в действующих значениях синусоидального тока I_д, тогда выражение (2.30) принимает вид:

Где К_ф = I/I_CP = 1,11 – коэффициент формы для синусоиды.

Рис.2.15. Схемы однополупериодного (а) и двухполупериодного (б) выпрямления.

В цепи двухполупериодного выпрямления с четырьмя диодами (рис.2.11.б) ток Iи, протекает через микроамперметрв одном и том же направлении оба полупериода:

и для этого случая уравнение шкалы прибора будет:

Диапазоны измерений: по току - от 0,2 мА до 6 А, по напряжению - от 0,2 мВ до 600 В. Классы точности – 1,0;1,5; 2,5; 4.

Основные достоинства - высокая чувствительность, малое потребление мощности от объекта измерения, широкий частотный диапазон - возможность работы без частотной компенсации на частотах до 2000 Гц, с частотной компенсацией - до 20 кГц.

Недостаток: зависимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения, необходимость введения частотной и температурной компенсации, невысокая точность из-за нелинейности вольтамперных характеристик диодов.

Применение: широко используются в качестве комбинированных приборов для измерения постоянных и переменных токов, напряжения и сопротивления – ампервольтомметры (авометры).

Термоэлектрические приборы - это сочетание магнитоэлектрического механизма с отсчетным устройством и термоэлектрического преобразователя. Термоэлектрический преобразователь состоит из одной или нескольких термопар и нагревателя по которому протекает измеряемый ток. Нагреватель обычно изготавливается из материала с большим удельным сопротивлением (нихром, константан, вольфрам) с допустимой температурой 600-800 градусов по Цельсию. Для термопары подбирают материалы, дающие в паре высокую термо- э.д.с., обладающие устойчивыми термоэлектрическими характеристиками (хромель - копель, медь - копель и др.).

Различают контактные термоэлектрические преобразователи, у которых горячий спай термопары 2 приварен к нагревателю 1 (рис. 2.12.а), и бесконтактные термоэлектрические преобразователи (рис.2.12.б), у которых нагреватель 1 и горячий спай разделены изолятором (каплей стекла), что уменьшает чувствительность и увеличивает инерционность преобразователя. Преимуществом бесконтактных преобразователей является изоляция цепи термопары от нагревателя и возможность создания термобатарей (рис.2.13.в)

Под действием тепла, выделяемого нагревателем и при разности температур горячего и холодного спаев термопары возникает термо- э.д.с., пропорциональная величине тока, протекающего по нагревателю, и измеряемая магнитоэлектрическим ИМ.

Рис. 2.13. Контактные (а), бесконтактные (б) термопреобразователи и термобатарея (в).

Применение - в качестве амперметров, вольтметров, ваттметров.

Достоинства: малое влияние частоты ( и формы кривой) переменного тока и как следствие - высокий частотный диапазон (от 10 Гц до 100 МГц), просты в устройстве, достаточно высокий класс точности: 0,5; 1,0 и ниже, диапазоны измерения по току от 100 мА до 10 А; по напряжению от 0,75 В до 50 В. Используя усилители (поставленные перед измерительным механизмом) можно повысить чувствительность - по напряжению до 75 мВ, по току до 100 мкА, возможность измерения мощности в цепях с частотой до 2 МГц.

Недостатки: малая перегрузочная способность, зависимость показаний от температуры окружающей среды, низкое входное сопротивление (200 – 300 Ом/В), малая чувствительность, большое собственное потребление мощности, ограниченный срок работы, неравномерная шкала.

Вопросы для самопроверки к главе 2:

1. Выведите уравнение шкалы прибора магнитоэлектрической системы.

2. Как создается противодействующий момент у приборов различных систем?

3. Имеет ли класс точности гальванометр магнитоэлектрической системы?

4. Назовите режимы движения подвижной части гальванометра?

5. Что такое логометр?

6. Расскажите принцип работы компенсатора постоянного тока.

7. Какие существуют виды компенсаторов переменного тока и в чем их отличие?

8. Сформулируйте отличительные признаки мостов постоянного и переменного тока.

9. Есть ли класс точности у гальванометров?

Глава 3. Измерения неэлектрических величин

3. 1. Структурные схемы приборов для измерения неэлектрических величин

Приборы для измерения неэлектрических величин можно разделить на приборы прямого и компенсационного преобразования.

В приборах, использующих метод прямого преобразования, результат измерения получается после ряда последовательных преобразований измеряемой величины в отклонение подвижной части измерителя. На рис. 3.1 представлена структурная схема такого преобразования.

Рис. 3.1. Структурная схема прибора прямого преобразования

В измерительном преобразователе Пр происходит преобразование измеряемой неэлектрической величины X в любую физическую величину, например, геометрическую, электрическую Э.

Эта величина в общем случае может быть преобразована в измерительной цепи ИЦ еще несколько раз. Затем величина Э_i = f(Э) усиливается в случае необходимости усилителем УС и поступает в измеритель Г, преобразующий ее в отклонение a подвижной системы. В случае применения такой схемы на погрешность измерения величины Х будут сказываться погрешности всех последовательно включенных элементов. С целью уменьшения этих погрешностей можно использовать метод сравнения, структурная схема которого представлена на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Структурная схема прибора уравновешивающего преобразования

Здесь имеются две самостоятельных, как правило, одинаковых, цепи преобразования, в одну из которых включен рабочий преобразователь Пр_X , а во вторую - нерабочий преобразователь Пр_N . После первого преобразования неэлектрических величин Х и N в электрические Э₁ и Э₁¢ включается преобразователь недокомпенсации ПН, который образует функцию разности выходных параметров Э₁ и Э₁¢ преобразователей П₁ и П₁¢. После звена ПН преобразование полученной величины Э₂ = (Э₁-Э₁¢) происходит тем же путем, что и в предыдущем случае прямого преобразования. Примером такого метода служит мостовая схема, которая может работать в равновесном (нулевом) или неравновесном режиме. В случае работы мостовой схемы в равновесном режиме из погрешности измерений исключается погрешность измерителя, так как в этом случае, важна не точность, а его чувствительность. В случае неравновесного режима исключаются лишь дополнительные погрешности, обусловленные влиянием внешних факторов на элементы моста. Погрешности же всех звеньев, в том числе измерителя, входят целиком.

Уменьшения погрешностей можно достичь, применяя компенсационный метод преобразования с применением отрицательной обратной связи. Структурная схема такого прибора, изображенная на рис. 3.3, представляет собой схему с компенсацией электрической величины на выходе преобразователя.

Рис.3.3. Структурная схема прибора с отрицательной обратной связью

Здесь некоторое напряжение U_x измерительной цепи, модулированное по величине измеряемым параметром X, компенсируется соответствующим напряжением U_k, получаемым от компенсационной цепи КЦ. Компенсационная цепь приводится в действие выходным напряжением усилителя УС с таким расчетом, чтобы разность DU была достаточно мала. Мерой измеряемой неэлектрической величины является величина У_вых., воздействующая на компенсационную цепь КЦ. Измеритель Г в данном случае является механическим устройством, например, реохордом, включенным в цепь моста или компенсатора. В этом случае общая погрешность измерения складывается только из погрешности измерительного преобразователя Пр и измерительной и компенсационной цепей. Исключение погрешностей этих узлов может быть достигнуто в компенсационных приборах с компенсацией измеряемой неэлектрической величины (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Структурная схема прибора с частичной компенсацией погрешностей

Здесь обратный преобразователь (ОП) преобразует выходную электрическую величину У в неэлектрическую Х_k однородную с измеряемой величиной X. Разность между величинами Х и Х_k (DX), преобразованная в электрическую величину Э и усиленная усилителем УС, воздействует на регулирующее устройство РУ, которое связано с источником питания ИП. В результате этого на измеритель Г и обратный преобразователь подается такая электрическая величина У, которая, будучи преобразована в неэлектрическую величину Х_к компенсирует измеряемую величину X. Таким образом, вся цепь прямого преобразования оказывается охваченной обратным преобразованием и при DX X погрешность всех преобразующих звеньев практически исключается. Общая погрешность измерения складывается только из погрешностей измерителя Г и обратного преобразователя. Следовательно, по сравнению с предыдущим случаем, здесь вместо погрешности прямого преобразователя появляется погрешность обратного преобразователя. Реальный выигрыш в точности при переходе от схемы на рис. 3.3 к схеме на рис. 3.4 может быть получен лишь в том случае, когда погрешность обратного преобразователя будет меньше погрешности прямого преобразователя.