Применение вычислительной техники при измерениях - Страница 4
03.10.2009 19:24
Индекс материала
Применение вычислительной техники при измерениях
Страница 2
Страница 3
Страница 4
Все страницы

1 Электромеханические приборы

Аналоговые электромеханические измерительные приборы имеют широкое распространение.

Она включает в себя измерительную цепь, измерительный механизм и отсчетное устройство. Измерительная цепь служит для преобразования входного сигнала в промежуточную величину, непосредственно воздействующую. на измерительный механизм. Использование в качестве измерительной цепи преобразователей рода величин (выпрямительного, термоэлектрического и др.) определяет название прибора.
Измерительный механизм преобразует входной электрически сигнал в механическую энергию перемещения подвижной части. Перемещение, как правило, представляет собой поворот подвижной части относительно неподвижной оси на угол альфа.
Отсчетное устройство состоит из указателя, жестко связанного с подвижной частью измерительного механизма, и неподвижной шкалы. Подвижная часть преобразует угловое перемещение механизма в перемещение указателя, при этом величина ? отсчитывается в единицах деления шкалы.
Вращающий момент Мвр, действующий на подвижную систему, определяется производной от энергии поля по углу отклонения подвижной части

В зависимости от характера явления, используемого для создания вращающего момента, различают следующие системы электромеханических измерительных механизмов и приборов:
" магнитоэлектрическую;
" электромагнитную;
" электродинамическую;
" ферродинамическую;
" электростатичсекую;
" индукционную;
В любом электромеханическом преобразователе действует также уравновешивающий противодействующий момент М?, зависящий от "?" и направленный в сторону, обратную Мвр.
В зависимости от способа создания противодействующего момента электромеханические преобразователи (приборы) подразделяют на две группы:
" с механическим противодействующим моментом;
" с электрическим противодействующим моментом (логометры);
В приборах первой группы механический противодействующий момент создается с помощью спиральных пружинок и тонких нитей - растяжек и подвесов. При повороте подвижной части эти упругие элементы закручиваются и создают противодействующий момент

В приборах второй группы противодействующий момент создается Также, как и вращающий момент.
При установившемся отклонении подвижной части вращающий и противодействующий моменты оказываются равны между собой:

В табл. 1 приведены уравнения шкал для различных измерительных механизмов. Кроме указанных моментов на подвижную часть измерительного механизма действуют моменты, обусловленные трением в опорах, трением подвижной части о воздух и вихревыми токами, возникающими от взаимодействия металлических масс и магнитных полей.
Для уменьшения времени успокоения подвижной части в измерительный механизм вводят успокоитель, создающий момент успокоения
Этот момент направлен в сторону, противоположную направлению движения подвижной части, и равен нулю в момент равновесия. Момент успокоения пропорционален коэффициенту успокоения и угловой скорости движения подвижной части.
Кроме перечисленных электротехнических приборов применяются также тепловые, вибрационные и др..
Рассмотрим особенности и принципы действия Электротехнических, измерительных механизмов.
Магнитоэлектрический измерительный механизм (таблица 1)состоит из постоянного магнита 1 с полюсами N-S, неподвижного цилиндрического сердечника 2 с рамкой, двух спиральных противодействующих пружинок и стрелки 3, жестко укрепленной на подвижной оси.
Вращающий момент создается в результате взаимодействия магнитного потока постоянного магнита и тока, проходящего по катушке; происходит отклонение подвижной части из мерительного механизма относительно неподвижной. Различают механизмы с подвижной рамкой и подвижным магнитом. Наиболее распространены механизмы с подвижной рамкой. По конструкции магнитной системы измерительные механизмы подразделяют на механизмы с внешним и внутренним магнитом. Измеряемый ток проходит в обмотку через две спиральные пружины, которые одновременно создают также противодействующий момент.
Из уравнения шкалы магнитоэлектрического механизма (таблица 1) видно, что шкала равномерная
К достоинствам магнитоэлектрических измерительных механизмов относятся высокая чувствительность, незначительное влияние на режим работы внешних магнитных полей.
К недостаткам магнитоэлектрических механизмов относятся сложная и дорогая конструкция, возможность использования лишь в цепях постоянного тока.
Магнитоэлектрические измерительные механизмы с механическим противодействующим моментом применятся в амперметрах и гальванометрах постоянного тока, а также в некоторых типах омметрах.
В магнитоэлектрических логометрах противодействующий момент создается не механическим путем. а электрическим. С этой целью подвижную часть выполняют в виде двух жестко скрепленных между собой рамок, по обмоткам которых проходят токи I1 и I2. Для создания противодействующего момента пружинки не используются, а ток к обмоткам проводится с помощью безмоментных проводников. На рамки действуют моменты, направленные в противоположные стороны. Один из моментов можно считать вращающим, а другой противодействующим.
При этом зависимость угла поворота является функцией отношения токов:

Принцип действия электромагнитных измерительных механизмов основан на взаимодействии магнитного поля, созданного неподвижной катушкой, по обмотке которой протекает измеряемый ток I, с подвижным сердечником, эксцентрично насаженный на ось вращения. Противодействующий момент создается спиральными пружинами. Измеряемый ток при прохождении по катушке 1 (таблица 1) создает магнитное поле, которое воздействую на подвижный сердечник 2, стремится расположить его так, чтобы энергия магнитного поля была наибольшей. При этом закручивается пружина, перемещая стрелку 3, и возникает противодействующий момент М?. Электромагнитные приборы могут применятся для измерения в цепях постоянного и переменного токов. Форму сердечника подбирают так, что шкала становится практически равномерной, начиная с 15-20% ее конечного значения.
Электромагнитные измерительные механизмы используются в амперметрах, вольтметрах, фазометрах и частотомерах. Главным достоинством электромагнитных приборов являются простота их конструкции, способность выдерживать большие перегрузки, возможность применения для измерений в цепях постоянного и переменного тока. Недостатки приборов - малая точность и невысокая чувствительность.
Принцип действия измерительных механизмов электродинамической системы основан на взаимодействии магнитных полей неподвижной 1 и подвижной 2 катушек с токами I1 и I2. Неподвижная катушка обычно состоит из двух одинаковых частей, разделенных воздушным зазором. Благодаря этому обеспечивается требуемая конфигурация магнитного поля и удобство расположения оси 3. Подвижная катушка, укрепленная на оси или растяжках, может поворачиваться внутри неподвижной. Неподвижная и подвижная катушки механизма имеют круглую и прямоугольную форму. Они изготавливаются из медного или алюминиевого провода и обычно бывают бескаркасными. При одновременном изменении направления токов I1 и I2 знак угла отклонения не меняется. Поэтому приборы в этой системе могут применятся для измерений и постоянного, и переменного токов.
Основными достоинствами электродинамических механизмов являются высокая точность и стабильность показаний во времени.
К недостаткам относятся малая чувствительность, влияние внешних магнитных полей на показания прибора, большая мощность потребления, ограниченный частотный диапазон.
Электродинамические механизмы используются в амперметрах. вольтметрах, ваттметрах высоких классов точности 0,1; 0,2; 0,5 для измерений на постоянном и переменном токах, а также в фазометрах.
В ферродинамическом измерительном механизме неподвижная катушка 1 (таблица 1) имеет магнитопровод из магнитомягкого материала, что приводит к существенному возрастании. магнитного потока и, следовательно, вращающего момента катушки 2. В результате уменьшается собственное потребление мощности и влияние внешних магнитных полей.
Точность ферродинамических приборов ниже, а частотный диапазон ?же по сравнению с диапазоном электродинамических приборов. Ферродинамические приборы используются в качестве щитовых и переносных приборов переменного тока, а также самопишущих приборов.
Работа электростатических измерительных механизмов основана на взаимодействии двух систем заряженных электродов 1 и 2 (таблица 1), одна из которых подвижная. Перемещение подвижной части 2 осуществляется под действием непосредственно приложенного напряжения, что приводит к изменению емкости системы. В этих измерительных механизмах изменение емкости происходит либо вследствие изменения активной площади пластин (таблица 1), или при изменении расстояния между пластинами. Первые используются в щитовых и переносных вольтметрах на напряжения от десятков до сотен вольт, вторые в щитовых киловольтметрах
Угол поворота подвижной части измерительного механизма пропорционален квадрату значения напряжения и множителю , поэтому выбором формы подвижных и неподвижных пластин модно добиться практически равномерной шкалы на участке от 15 до 100% верхнего предела измерения.
Электростатические приборы практически инвариантны к изменению температуры, частоты, формы кривой приложенного напряжения и внешнего магнитного поля. Собственное потребление мощности приборов при переменном токе мало, а на постоянном токе - практически рано нулю.
Электростатические вольтметры используются для измерения напряжения в широком частотном диапазоне (от 20 Гц до 30 мГц) в маломощных цепях, а также в цепях высокого напряжения до сотен киловольт. Класс точности приборов соответствует 1,0; 1,5; 2,5; однако они могут быть выполнены и более точными - класса 0,1 и 0,05.

2 Электронные приборы

Электронные приборы отличаются высоким быстродействием, широким частотным диапазоном, высокой чувствительностью. Применение интегральных микросхем приводит к дальнейшему увеличению стабильности и надежности электронных приборов, к уменьшению их размеров, массы и потребления энергии.
Многие вольтметры, осциллографы, частотомеры и фазометры, а также устройства для измерения параметров и характеристик электрических и электронных схем строятся на основе электронных приборов.

Вольтметры, амперметры, омметры

Электронные измерительные приборы широко используются для измерения напряжения, силы тока, сопротивления, мощности, индуктивности, емкости, частоты и т.д. Они сочетают в себе электронные преобразователи из меряемой величины в постоянное напряжение (силу тока) и магнитоэлектрический прибор или электронно-лучевую трубку и отличаются высокой чувствительностью (цена деления до 0,1 мВ), широким частотным диапазоном (от постоянного тока до переменного частотой единицы мегагерц) и малым потреблением мощности от источника измеряемого напряжения (выходное сопротивление вольтметров, например, достигает до 1016 Ом)

На выход усилителя через делитель R1-R2 подводится измеряемое напряжение Uх, а выходное напряжение Uвых после электронного усилителя измеряется магнитоэлектрическим прибором PV.
Основная приведенная погрешность таких вольтметров составляет 0,5…1,0%
Вольтметры переменного тока представляют собой преобразователь переменного напряжения в постоянное и электронный вольтметр постоянного тока. В зависимости от того, для измерения какого значения переменного напряжения предназначен прибор, различают вольтметры:
" среднего квадратичного
" среднего выпрямленного
" амплитудного
значений.
Погрешность вольтметра лежит в диапазоне 0,5…15%. Значение силы тока определяют по значению падения напряжения UX на резисторе RN электронным вольтметров ЭВ, т.е. в виде отдельных приборов амперметры не выпускаются.

Как и электронные амперметры, омметры в виде отдельных приборов не выпускают; их функции выполняют электронные вольтметры, строящиеся по схеме, приведенной на рис.5

Преобразователи таких омметров представляют собой операционный усилитель, охваченный отрицательной обратной связью образцовым RN и измеряемым RX резисторами.

Таким образом измеряемое электронным вольтметром ЭВ напряжение Uвых пропорционально сопротивлении. измеряемого резистора RX. Эта схема широко применяется для измерения сопротивлений в диапазоне 10 1000 МОм.

Частотомеры и осциллографы

В частотомерах используется принцип заряда и разряда конденсатора в сочетании с выходным аналоговым прибором, который предназначен для измерения среднего значения силы, протекающего через конденсатор при его периодическом перезаряде в соответствии с измеряемой частотой.
Упрощенная схема конденсаторного частотомера приведена на рис.6

Реле KV через ключ SA подключает конденсатор С в течение одного полупериода к источнику G образцового напряжения U0, а в течение другого - через резистор RN к прибору PA. Если постоянные времени t3 = R0C и разряда tраз = RNC значительно меньше полупериода Tx/2, то конденсатор будет успевать зарядиться до напряжения U0 и полностью зарядится.
Конденсаторные частотомеры имеют широкий частотный диапазон измерений (от 10Гц до 1 МГц) при приведенной погрешности 1,5-2%
Для исследований поведения сигналов во времени используются электронные осциллографы, которые дают возможность непосредственно наблюдать и(или) записывать форму периодических и непериодических сигналов. Благодаря тому, что подвижная часть в осциллографах создается электронным лугом, они практически безынерционны и применяются для измерения электрических величин частотой до сотен мегагерц или непериодических процессов длительностью до долей микросекунд. К другим достоинствам осциллографов относятся: большое входное сопротивление и высокая чувствительность. К недостаткам относятся: невысокая точность измерения(основная погрешность достигает ±10%), конструктивная и электрическая сложность, высокая стоимость. Кроме того, осциллограф по сравнению с другими измерительными приборами сложнее в эксплуатации и требует определенной квалификации обслуживающего персонала при работе с ними.
Основным узлом электронного осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), (Рис. 7)

В баллоне трубки, в которой создан вакуум, помещена группа электродов, катод К с нитью накала, модулятор М, фокусирующий А1 и ускоряющий А2 аноды, образующие так называемую "электронную пушку", предназначенную для получения узкого электронного луга. Отклоняющая система ЭЛТ состоит из двух пар пластин, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях ОПх и ОПу. Пластины ОПу используются для отклонения луга по вертикали, пластины ОПх - по горизонтали. Внутренняя поверхность экрана Э покрыта специальным составом (люминофором), обеспечивающим свечение под действием электронной бомбардировки в тех местах, куда попадают электроны. Изменение потенциала модулятора М обеспечивает возможность регулировки плотности электронов в луге и изменении яркости изображения на экране Э. Анодами А1 и А2 электроны разгоняются до необходимой скорости и одновременно осуществляется фокусировка пуска электронов в точку на экране Э.
В современных осциллографах для дополнительного ускорения электронов в ЭЛТ устанавливается третий анод А3, на который подается большое положительное напряжение.
Внутреннюю поверхность ЭЛТ покрывают проводящим слоем металла или графита, служащим электрическим экраном, защищающим трубку от внешних электрических полей, и соединяют с анодом А2. От внешних магнитных полей ЭЛТ защищается с помощью кожуха из магнитомягкого материала.
Выпускаемые промышленностью ЭЛТ осциллографы условно подразделяются на приборы:
общего назначения;
универсальные (импульсные);
скоростные;
стробоскопические;
запоминающие;
специальные.
Универсальные осциллографы, предназначенные для наблюдения формы и измерения параметров электрических сигналов в широком диапазоне частот, имеют наибольшее распространение.
Значение чувствительности S в современных осциллографах определяют по положению ручки "Чувствительность".
Для измерения тока с помощью осциллографа на вход ОПу подается падение напряжения на известном резисторе (шунте), при этом точность измерения напряжения и тока невелика(погрешность составляет 5-10%).
Широкое распространение получило измерение частоты и фазы электрических колебаний с помощью осциллографа, при этом можно исследовать колебания любой формы.
Во многих случаях более точные результаты при измерении частоты и фазы могут быть получены с помощью фигур Лиссажу при сравнении двух колебаний синусоидальной формы. При этом на одну из пар пластин подается синусоидальное напряжение известной частоты, а на другую исследуемое напряжение, и по фигуре Лиссажу определяются частота и сдвиг по фазе неизвестного напряжения.
Электронный осциллограф находит применение и для измерения полных сопротивлений и их активных и реактивных составляющих.