Электромеханические приборы с преобразователями

Высокая чувствительность и точность, малое собственное потребление энергии 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.Они представляют собой сочетание выпрямительного преобразователя и магнитоэлектрического ИП. 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. 6, а) ток через измеритель (микроамперметр), включенный последовательно с диодом VD1, протекает

Рис. 6

 

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 т, — мгновенное значение вращающего момента. Используя выражение (4), определим:

Приравнивая М_вр к М_пр получим выражение для уравнения преобразования прибора

(12)

Шкалу прибора градуируют обычно в действующих значениях синусоидального тока I_д, тогда выражение (12) принимает вид:

где К_ф — коэффициент формы для синусоиды, К_ф = I/ I_ср = 1,11.

В цепи двухполупериодного выпрямления (рис. 6, б) ток через измеритель (микроамперметр) протекает в одном и том же направлении оба полупериода:

Для этого случая уравнение преобразования прибора будет

Достоинства: высокая чувствительность, малое собственное потребление мощности, широкий частотный диапазон -возможность работы без частотной компенсации на частотах до 2000 Гц, с частотной компенсацией — до 20 кГц.

Недостатки: зависимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения, необходимость введения частотной и температурной компенсации, невысокая точность (1,0; 1,5; 2,5; 4,0) из-за нелинейности вольт-амперных характеристик диодов.

Применение: выпрямительные приборы широко используются в качестве комбинированных приборов для измерения постоянных и переменных токов, напряжения и сопротивления -ампервольтомметры (авометры). Диапазон измерений по току г 0,2 мА...6 А, по напряжению — 0,2 мВ...6ОО В.

3. Измерительные мосты и компенсаторы

Измерение токов и напряжения приборами непосредственной оценки производится в лучшем случае с погрешностью 0,05 %• Более точное измерение этих величин возможно с помощью приборов сравнения — компенсаторов. В зависимости от вида измеряемого напряжения различают компенсаторы постоянного и переменного тока.

Компенсаторы постоянного тока.Компенсаторы постоянного тока (КПТ) используются для прямого измерения ЭДС и напряжений и косвенного измерения сопротивления, тока и мощности. Упрощенная принципиальная схема компенсатора с ручным управлением приведена на рис. 7.

На этой схеме можно выделить три контура: контур I нормального элемента, в который входят нормальный элемент E_N, образцовое сопротивление R_N нуль-индикатор НИ; контур II — рабочий, который содержит вспомогательный источник питания компенсатора Е_к (до 2 В), реостат для установки рабочего тока R_рег магазин сопротивлений R_к и сопротивление R_N; контур III— измерительный, состоит из источника измеряемого напряжения U_x ,нуль индикатора, и магазина сопротивлений R_K

У всех компенсаторов декады сопротивлений и переключатель П

Находятся внутри корпуса прибора

Источник питания компенсатора Е_к

Нормальный элемент Е, нуль-инди

катор НИ могут быть встроенными

Рис. 7

или подключаться к соответствующим зажимам. Измерение U_x осуществляется в два этапа. Сначала устанавливают ток I_р в рабочей цепи, величина которого строго определена и неизменна для каждого типа компенсатора. Для этого переключатель П ставится в положение 1 и с помощью реостата R_pег устанавливают такое значение тока I_р в цепи контура II, при котором падение напряжения, создаваемое им на сопротивлении R_N, будет равно по величине ЭДС нормального элемента R_N. При этом нуль-индикатор покажет отсутствие тока в цепи контура I. Для этого случая можно записать

I_PR_N = E_N. (13)

Затем приступают к измерению напряжения U_x. Для этого переключатель П устанавливают в положение 2 и регулировкой сопротивления R_K добиваются компенсации напряжения U_x падением напряжения на участке r сопротивления R_K от тока /_р. При этом нуль-индикатор покажет отсутствие тока в цепи контура III. С учетом выражения (13) можно записать

U_x = E_Nr/R_N, (14)

где r— значение участка сопротивления R_K при компенсации Напряжения U_x.

Погрешность результата измерения будет определяться в основном погрешностью изготовления и подгонкой сопротивлений R_N и R_K, так как среднее значение ЭДС нормального элемента E_N При температуре 20 °С известно с точностью до пятого знака. Точность установки самого момента уравновешивания определяется Чувствительностью применяемого нулевого индикатора. Следовательно, погрешность измерения напряжения компенсатором постоянного тока определяется следующими факторами:

• погрешность установки и поддержание неизменным рабочего тока

• погрешность изготовления и подгонка образцового компенсационного и регулируемого сопротивлений (R_N, R_K и R_рег);

• чувствительность нуль-индикатора.

Существует девять классов точности компенсаторов постоянного тока: 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2.

Различают высокоомные компенсаторы (10...40 кОм с предеом измерения до 1,9 В) и низкоомные (10... 1000 Ом с пределом измерений до 100 мВ). С высокоомными компенсаторами в качестве нуль-индикатора используют гальванометры магнитоэлектрической системы с относительно большим критическим сопротивлением. Для низкоомных компенсаторов применяются гальванометры с небольшим критическим сопротивлением.

Компенсаторы используют также для точных косвенных измерений токов и сопротивлений. Для измерения тока I_Х в исследуемую цепь включается образцовый резистор, сопротивлением R₀ которого известно с большой точностью, и компенсатором измеряется падение напряжения U_x на этом сопротивлении. Ток вычисляется по формуле I_x = U_x/ R₀. Для измерения сопротивления резистора R_x последовательно с ним в исследуемую цепь включается образцовый резистор R_o. Измерив падение напряжения U_o на сопротивлении R₀, расчетным путем находят значение тока в исследуемой цепи: I= U_o/ R₀. Затем, измерив падение напряжения U_x на сопротивлении R_x, получают расчетное значение искомого резистора: R_x = R₀U_x/U₀

Компенсаторы переменного тока.Компенсационный метод измерения напряжения может быть применен и на переменном токе. В таких компенсаторах для полного уравновешивания двух напряжений необходимо выполнить четыре условия: равенство напряжений по модулю; противоположность их фаз; равенство частот; одинаковая форма кривой U_x и U_K.

Осуществление двух первых условий обеспечивается конструкцией компенсаторов. Третье условие выполняется при питании объекта измерения и компенсатора от одного источника. Четвертое условие выполнить практически невозможно, так как U_K всегда синусоидально, a U_x может быть любой формы, поэтому полной компенсации достичь не удается, а только уравновешивается первая гармоника. В качестве индикатора равновесия на промышленной частоте применяется вибрационный (резонансный) гальванометр; на более высоких частотах — электронные нуль-индикаторы; на звуковых — телефоны, усилители с выпрямительными приборами на выходе.

По способу компенсации неизвестного напряжения компенсаторы переменного тока подразделяются на два вида:

• полярно-координатные — с отсчетом измеряемого напряжения в полярных координатах (регулируется модуль U_K и отдельно его фаза);

Рис. 8. Упрощенная принципиальная схема прямоугольно-координатного компенсатора

• прямоугольно-координатные — с отсчетом измеряемого напряжения в виде геометрической суммы двух взаимно перпендикулярно составляющих.

Прямоугольно-координатный компенсатор (рис. 8) содержит два одинаковых реохорда ab и cd, средние точки которых соединены электрически; воздушный трансформатор Т со взаимной индуктивностью обмоток М; регулировочные реостаты R_peг и R_f для установки рабочих токов реохордов ab и cd; амперметр А электродинамической системы класса 0,05 или 0,1; высокочувствительный нуль-индикатор НИ, например осциллографического типа.

По амперметру А реостатом R_per устанавливают рабочий ток I_Х реохорда ab. Под действием тока I₁, протекающего по первичной обмотке трансформатора, на вторичной обмотке наводится ЭДС, равная Е₂ =jwMI_l. Ток I₂ в цепи реохорда cd определяется как:

где R_cd — сопротивление реохорда cd; L₂ — индуктивность вторичной обмотки трансформатора.

Ввиду незначительности реактивного сопротивления вторичной обмотки трансформатора wL₂= (R_cd + Rf) фаза тока I₂ практически совпадает с фазой ЭДС Е₂. . Следовательно, ток I₂ равен:

(15)

Множитель j в выражении (15) означает, что ток I₂ опережает ток I₁, на 90°. Равенство по модулю токов |I₁| и |I₂| устанавливается резистором Rf.:

Реохорды ab и cd равны по сопротивлению и длине, токи реохордов равны по величине и сдвинуты на 90°, а так как средние точки реохордов соединены электрически, то разность потенциалов между ними равна нулю. Таким образом, образуется прямоугольно-координатная система напряжений U_y и U_x, с одинаковыми масштабами по осям.

Попеременно перемещая движки реохордов, добиваются нулевого показания нуль-индикатора, что соответствует полной компенсации активной и реактивной составляющих измеряемого напряжения.

Значение активной составляющей компенсирующего напряжения 1/_Кп определяется по положению движка на шкале реохорда ab, а величина реактивной составляющей U_Kp — по шкале реохорда cd. Тогда измеряемое напряжение U_x и начальная фаза j_х находятся как:

Знак начальной фазы j_х определяется в зависимости от квадранта, в котором находится вектор компенсирующего напряжения U_K в прямоугольной системе координат. Так как значение тока I₂ зависит от частоты, то для его коррекции используется резистор R_f.

Компенсаторы переменного тока уступают по точности компенсаторам постоянного тока.

Автоматические компенсаторы постоянного тока.Процесс уравновешивания в таких компенсаторах производится автоматически, они применяются для измерения электрических и неэлектрических величин, которые могут быть предварительно преобразованы в напряжение или ЭДС постоянного тока.

Существуют компенсаторы с полным и неполным уравновешиванием. Промышленностью выпускаются автоматические компенсаторы, различающиеся габаритными размерами, видами записи, погрешностью, различным временем прохождения указателем всей шкалы.

Применение автоматических компенсаторов постоянного тока существенно сокращает время измерений, но снижает их точность.

Мостовые схемы.Широкое применение мостовых схем объясняется высокой точностью измерений, большой чувствительностью и возможностью измерения различных параметров электрических цепей (R, L, С), величин функционально с ними связанных (частота, фазовый угол) и ряда неэлектрических величин (температура, давление, перемещения, усилия и т.д.).

Наиболее точные измерения сопротивлений R постоянному току выполняются с помощью мостов постоянного тока. Эти мосты подразделяются на две группы: одинарные (четырехплечие) И двойные (шестиплечие).

Одинарный мост, (мост Уотсона), применяют для измерения сопротивлений от 1Ом до 100МОм. Для измерения малых величин сопротивлений (менее 1Ом применяют двойной мост (мост Томпсона).

 

Рис. 9 Мост Уотсона.

Одинарный мост (рис.9) состоит из четырех плеч: ab, be, cd и da.

Три известных регулируемых сопротивления R₂, R₃, R₄ вместе с измеряемым сопротивлением R₁ = R_x образуют замкнутый четырехполюсник abed.

В измерительную диагональ моста bd включен указатель равновесия Г, в качестве которого используется магнитоэлектрический гальванометр. В диагональ питания моста ас включается источник постоянного тока — аккумуляторная батарея или сухой элемент. Подбором значений сопротивлений R₂, R₃, R₄ добиваются отсутствия тока через гальванометр (потенциалы точек b и d равны) и, следовательно, I_x R_x = I₃R₃; I₂R₂ = I₄ R₄

Поскольку в момент равновесия моста ток через гальванометр не протекает I_г = 0, то I_Х =I₃ и I₂ = I₄. Тогда правомерно записать R_x/R₃ = R₂/R4, или R_XR₄ = R₂R₃, откуда сопротивление:

R_x = R₂ R₃/R₄ (16)

Сопротивления R₂ и R₄ — известные фиксированные сопротивления в диапазоне 1...1000 Ом. При этом отношение R₂/ R₄ составляет от 10^-3 до 10³. Регулировкой сопротивления R₃ уравновешивают мост. Погрешности измерения с помощью мостов постоянного тока зависят от диапазона измеряемых сопротивлений, наименьшие получаются в диапазоне 100 Ом 100кОм. Нижний предел измеряемых сопротивлений ограничен тем, что при малых по величине сопротивлений сказывается

Рис.10 Мост Томпсона

 

влияние сопротивления монтажных проводов и переходных контактов. Эти погрешности исключаются в двойном мосте, представленном на рис. 10, в котором использованы резисторы R₃ и R4, чтобы исключить влияние сопротивления соединительного проводника r. Мост называется двойным, так как он содержит два комплекта плеч отношения.

При равновесии моста сопротивление R_x определяется выражением:

(17)

На практике значения R₁ R₂, R^n R4 выбирают такими, чтобы выполнялось соотношение:

(18)

При этих условиях вторым членом в выражении (17) можно пренебречь. Чтобы проверить выполнение условия (18), мост уравновешивается, а затем проводник r убирается, что не должно влиять на равновесие моста. Следовательно, двойной мост компенсирует малое сопротивление r.

В качестве нуль-индикаторов в мостах постоянного тока применяют высокочувствительные гальванометры или электронные устройства.

Двойной мост обеспечивает погрешность менее 0,05 % для сопротивлений в диапазоне 10~⁶... 1 Ом.

Мосты переменного тока.Измерение сопротивления, индуктивности и емкости выполняется одинарными мостами на переменном токе (рис. 11).

 

 

Рис.11

 

Четыре плеча ab, be, cd и da моста переменного тока образуются четырьмя комплексными сопротивлениями Z₁=Z_X, Z₂, Z₃ и Z₄. В одну диагональ моста включается источник питания переменного тока, в другую — нуль-индикатор НИ.

При равновесии моста ток в измерительной диагонали равен нулю и, следовательно, можно записать:

Z_XZ₄ = Z₂Z₃, (19)

Подставив комплексное сопротивление Z в выражение 19 получим:

Откуда:

где R_i и Х_i, — активные и реактивные составляющие сопротивления Z.

Записав выражение (19) в показательной форме, получим:

(20)

где z, — модуль i-го сопротивления;j_i,- — фазовый угол i-го сопротивления, j_i= arctgX_i/ R_i.

Равенство (20) равносильно двум равенствам:

(21)

Из выражения (21) следует, что для уравновешивания моста с комплексными сопротивлениями необходима регулировка активной и реактивной составляющих.

Равенство фаз выражения (21) указывает, какими по характеру должны быть сопротивления плеч моста, чтобы обеспечить равновесие мостовой схемы.

Например, если сопротивления плеч Z₁ = R₁, Z₄ = R₄, т. е. носят чисто активный характер, то j₁ = j₄ = 0

Тогда из выражения (21) следует

а это означает, что если сопротивление Z₂ индуктивного характера, т.е. Z₂ = R₂ +jX₂, то сопротивление Z₃ должно носить емкостный характер, т. е. Z₃ = R₃ –jX₃ (Рис. 12, а). Аналогично получаем

Рис. 12. Схемы мостов с реактивными сопротивлениями: в противоположных (а) и смежных (б, в) плечах

 

схемы сравнения между собой реактивных сопротивлений, содержащих индуктивности (рис. 12, б) и емкости (рис. 12, в).

Правильный выбор регулируемых элементов моста и питание моста напряжением повышенной частоты (1000 Гц и более) обеспечивает быстрое равновесие моста или его хорошую сходимость

Сходимость мостов — это возможность достижения состояния равновесия определенным числом переходов от регулировки одного параметра к регулировке другого. Хорошая сходимость означает малое число операций и, следовательно, сокращение времени измерения.

Все мосты переменного тока можно подразделить на две группы-

• частотно-независимые, уравновешенные при одной частоте сохраняющие равновесие при изменении частоты источника питания;

• частотно-зависимые, характеризуемые тем, что в условии равновесия помимо С, L, R имеется частота, входящая в выражение реактивных составляющих сопротивления.

Погрешность мостов переменного тока складывается из следующих составляющих: погрешности выполнения отдельных элементов мостовой схемы; погрешности подгонки элементов; погрешности от неполного учета активной и реактивной составляющих сопротивлений плеч моста; погрешности отсчетного устройства.

Чем выше частота питания схемы моста, тем в большей степени проявляются эти погрешности. Для их уменьшения мост переменного тока питают от сети переменного тока через разделительный трансформатор, заземляют для уменьшения влияния паразитных емкостей и токов утечек, уменьшают влияние сопротивления соединительных проводов.

Существуют четыре класса точности мостов переменного тока: 0,05; 0,02; 0,1; 0,2. Нуль-индикатором на низкой частоте в них служит вибрационный гальванометр. При частоте 1000 Гц и выше питание осуществляется от звуковых генераторов, в качестве индикатора равновесия используются электронные нулевые индикаторы.

Универсальные мосты обеспечивают измерение значений величин в широких пределах.