26. .Принцип работы, устройство и характеристики магнитоэлектрического измерительного механизма (им). Устройство и принцип действия вольтметр

26. .Принцип работы, устройство и характеристики магнитоэлектрического измерительного механизма (им).

Основой магнитоэлектрических приборов являются ИМ, в которых вращающий момент создается в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля провода с током, конструктивно выполняемого в виде катушки (рамки) . В практических конструкциях ИМ неподвижной частью, как правило, является магнит, а подвижной — катушка (хотя есть приборы с подвижным магнитом и неподвижной катушкой). На рис. 3.2 схематично показан наиболее распространенный вариант конструкции ИМ—с внешним подковообразным магнитом.

Как видно из рис. 3.2, магнитная система ИМ образуется постоянным магнитом 1, полюсными наконечниками 2 с цилиндрической расточкой и неподвижным сердечником 3 цилиндрической формы из магнитомягкого материала. В воздушном зазоре между полюсными наконечниками и сердечником благодаря такой конструкции создается практически равномерное радиальное магнитное поле, в котором свободно поворачивается катушка 4. Она образуется тонким медным проводом, намотанным на бумажный или алюминиевый каркас прямоугольной формы. К катушке приклеивают алюминиевые буксы, в которых закрепляются полуоси (или растяжки) подвижной

Рис. 3.2 Магнитоэлектрический

измерительный механизм.

части ИМ. Противодействующий момент создается спиральными пружинами 5 (или растяжками), через которые в обмотку катушки подается измеряемый ток. Для создания My используется короткозамкнутый виток, размещаемый на катушке. Эксцентрический винт 6 образует корректор (для начальной установки стрелки на нуль), а грузики — противовесы 7 служат для балансирования подвижной части ИМ.

При протекании по катушке измеряемого тока IХ энергия поля W, обусловленная взаимодействием сцепляющегося с катушкой потока Ф постоянного магнита и тока IХ, будет равна W=IХФ, т. е. в соответствии с выражением вращающегося момента

Значение Ф может быть определено как (Ф> = Bswa, где В — магнитная индукция в воздушном зазоре; s — площадь катушки, а w— число витков обмотки катушки.

Тогда из при В = const (за счет равномерности магнитного поля) следует

MB = BswIx. (1)

установившемся режиме, как мы уже знаем, МВ=МП. С учетом формул (1) и это условие теперь конкретизируется:

(2)

где по определению величина (3)

является чувствительностью прибора при измерении тока.

Формулы (2) и (3) позволяют сделать важные выводы в отношении свойств ИМ. магнитоэлектрических приборов. Поскольку мы условились при анализе схемы рис. 3.1, что для рассматриваемого класса электромеханических приборов Y=X, распространим эти выводы на магнитоэлектрические приборы в целом.

27. Область применения магнитоэлектрических приборов (для измерения токов и напряжения).

Магнитоэлектрические приборы по принципу работы ИМ являются амперметрами. При изменении направления 1Х изменяется и направление отклонения подвижной части ИМ. Из-за инерционности подвижной части отклонение стрелки прибора при включении его в цепь переменного тока будет равно нулю. Поэтому область применения магнитоэлектрических приборов без преобразователей рода тока ограничивается измерением постоянного тока и напряжения.

Хотя магнитоэлектрические приборы в принципе являются амперметрами, с помощью простой измерительной цепи они легко трансформируются в вольтметры.

Магнитоэлектрические амперметры применяются при прямых измерениях постоянного тока путем включения ИМ непосредственно в цепь с измеряемым током 1Х. Измерительная схема, соответствующая этому случаю, представлена на рис. 3.3, а, где Rн — сопротивление нагрузочного резистора, а Rа — внутреннее сопротивление амперметра, равное сумме сопротивлений обмотки катушки и токоподводящих пружин.

Как видно из рис. 3.3, а, включение амперметра изменяет электрический режим цепи, что в свою очередь приводит к появлению методической погрешности измерения 1Х_. Очевидно, эта

погрешность тем меньше, чем меньше, потребление амперметром мощности от источника Ux_ (на что уже обращалось внимание в § 2.2 и 3.1). Для оценки методической погрешности воспользуемся формулой (1.4) и очевидными соотношениями:

Место для формулы.

где под 1Х_ нужно понимать действительное значение тока (до включения амперметра), а значение /и — результат измерения. Таким образом, относительная методическая погрешность измерения тока оказывается равной

(3.14)

Из (3.14) следует, что значением можно пренебречь только тогда, когда Ra<<Rn В то же время" является систематической погрешностью с известными значением и знаком, т. е. может быть исключена из результатов измерений с помощью поправки.

Если при измерениях значение /*__ становится больше верхнего предела измерения амперметра, параллельно ИМ подключается масштабный преобразователь — измерительный шунт, который позволяет расширить пределы измерения. Измерительная схема принимает вид, показанный на рис. 3.3, б. Для этой схемы

(3.15)

Если обозначить через n = 1Х Нл требуемый коэффициент расширения пределов измерения амперметра (шунтовой коэффициент), то из соотношений (3.15) следует

(3.16)

т. е. при известном значении Ra и заданном п легко выбирается требуемый шунт. Шунты конструктивно оформляются как переносные и стационарные. Переносные шунты на токи до 30 А, как правило, встраиваются в амперметры и могут быть одно- и многопредельными.

Магнитоэлектрические вольтметры

Магнитоэлектрические вольтметры образуются из амперметров с помощью добавочных резисторов, включаемых последовательно с ИМ. Суммарное сопротивление R0 определяет входной импеданс вольтметра. Вольтметр подключается к тем точкам цепи (схемы), между которыми необходимо измерить напряжение. Схема соответствует рис. 3.5, а.

Рис. 3.5. Схемы включения вольтметра при измерении напряжения: а — прямое включение; б — с помощью добавочного сопротивления.

где, по определению (2.6), величин

Через вольтметр протекает ток /v = UX=/RV. Под действием этого тока стрелка прибора отклоняется, согласно , на угол

является чувствительностью вольтметра. Сопоставление формул (3.17) и (3.18) с базовыми формулами и показывает, что все отмеченные выше свойства и достоинства магнитоэлектрических амперметров полностью относятся к вольтметрам.

Из рис. 3.5, а видно также, что за счет шунтирующего действия входного импеданса вольтметра измеренное значение напряжения всегда меньше Ux_. По аналогии с формулой (3.14) можно получить выражение для относительной методической погрешности измерения напряжения

(3.19)

Как видно из (3.19), значением 8а можно пренебречь только при Rv >> rh и Rv >> r0 . Таким образом, входной импеданс вольтметра должен быть значительно больше сопротивления того участка цепи (схемы), к которому он подключается. Хотя " как иявляется систематической погрешностью, исключение ее затруднено, поскольку необходимо точно знать не только значение RН но и R0.

Для расширения пределов измерения магнитоэлектрических вольтметров применяются масштабные преобразователи — добавочные сопротивления, включаемые последовательно с Rv (рис. ~3.5, б). Можно показать по аналогии с формулами (3.15) и (3.16), что при известном Rv и заданном коэффициенте расширения пределов m = Ux/Uv требуемое добавочное сопротивление может быть выбрано с помощью соотношения

(3.20)

studfiles.net

Цифровые вольтметры

В цифровых вольтметрах переменного напряжения используется аналоговое преобразование измеряемого переменного напряжения в постоянное. В импульсных цифровых вольтметрах находят применение специальные АЦП – амплитудно-временные преобразователи. В вольтметрах с уравновешивающим преобразованием используются соответствующие АЦП.

Цифровые вольтметры прямого преобразования более просты по устройству, но имеют меньшую точность. По используемому способу аналого-цифрового преобразования они бывают: с временным, временным с интегрированием и частотным преобразованием. Интегрирующие цифровые вольтметры, измеряющие среднее значение напряжения за время измерения, обладают повышенной помехозащищенностью. Входное устройство (рис. 2) содержит делители напряжения и предназначено для расширения пределов измерения. Оно обеспечивает достаточно высокое входное сопротивление вольтметра. Устройство определения полярности измеряемого напряжения основано на определении последовательности срабатывания двух устройств сравнения. На первое подается пилообразное напряжение, принимающее значения от –U до +U, и измеряемое напряжение. Устройство срабатывает (выдает импульс) в момент равенства напряжений. Другое устройство сравнения срабатывает в момент равенства пилообразного напряжения нулю. Сигнал полярности подается в цифровое отсчетное устройство. Устройство автоматического выбора пределов измерения сравнивает измеряемое напряжение с набором напряжений и управляет делителем.

Цифровые вольтметры с уравновешивающим преобразованием строятся в основном по двум типам структурных схем: с использованием программирующего устройства и цифрового счетчика. В них измеряемое напряжение уравновешивается дискретно-изменяющимся компенсирующим образцовым напряжением. На рис. 3,а,б показаны эти структурные схемы.

Рассмотрим работу вольтметра, построенного по схеме с цифровым счетчиком (рис. 3,б). Тактовые импульсы поступают на цифровой счетчик через управляющее устройство, определяющее порядок заполнения ячеек. Счетчик изменяет состояние элементов преобразователя кода и компенсирующее напряжение. Измеряемое напряжение, поступающее на устройство сравнения, сравнивается с компенсирующим напряжением. В зависимости от знака этой разности на выходе устройства сравнения управляющее устройство либо продолжает пропускать тактовые импульсы на счетчик, либо нет. Новый цикл измерений начинается с момента сбрасывания на нуль показаний счетчика. В этот же момент в исходное состояние приводится компенсирующее напряжение и на счетчик начинают поступать счетные импульсы.

Лекция 6 измерение постоянных напряжений Электронные вольтметры постоянного напряжения

На рисунке 1 представлена структурная схема электронного вольтметра постоянного напряжения, имеющего чувствительность единицы микровольт.

Усилитель постоянного тока (УПТ), входящий в состав вольтметра, должен иметь стабильный коэффициент усиления и малый дрейф выходного напряжения. Это достигается применением усилителей, выполненных по мостовым схемам. Дестабилизирующие факторы действуют на обе половины моста одинаково и не вызывают дополнительного разбаланса моста. Отрицательная обратная связь делает работу усилителя стабильной, а его характеристику линейной в широких пределах.

При высокой чувствительности вольтметров для устранения дрейфа используются УПТ с конвертированием постоянного напряжения в переменное, амплитуда которого пропорциональна постоянному напряжению. Они построены по принципу уравновешивающего преобразования и работают в режиме неполного уравновешивания.

Входное устройство А1 обычно содержит интегрирующий фильтр для уменьшения влияния переменной составляющей, присутствующей во входном сигнале. УПТ (рис. 1) выполнен по схеме с конвертированием. Измеряемое постоянное напряжение преобразуется в переменное напряжение прямоугольной формы. Для этой цели на входе УПТ часто применяется последовательно-параллельный ключ на полевых транзисторах. Управляющее напряжение имеет обычно частототу 400 Гц и вырабатывается мультивибратором (G), собранным на интегральной схеме и формируется с помощью дифференциальных усилителей.

Переменное напряжение усиливается усилителем А2 и выпрямляется синхронным детектором U2. Через эмиттерный повторитель постоянное напряжение подается на магнитоэлектрический микроамперметр Р1. Усилитель охватывается глубокой отрицательной обратной связью. Для переключения пределов измерения предусмотрен делитель в цепи обратной связи, который собирается на прецизионных постоянных резисторах, т.е. путем изменения коэффициента усиления усилителя. Синхронный детектор U2 работающий по принципу удвоения напряжения, синхронизирован по фазе с сигналом на входе усилителя А2. В схеме синхронного детектора также применяются полевые транзисторы.

Основная погрешность микровольтметра составляет 1,5...6,0%. Источниками погрешности являются:

погрешность образцовой аппаратуры, по которой производится градуировка;
погрешность градуировки;
случайная погрешность стрелочного прибора;
нестабильность канала преобразования;
неравномерность шкалы;
возникновение паразитных термо-ЭДС, обусловленных изменением температуры в пределах нормальной области;
наличие собственных шумов (сказываются на нижних пределах измерения).

По указанной структурной схеме реализованы серийно выпускаемые микровольтметры В2-11, В2-15, В2-25.

В некоторых случаях требуются вольтметры постоянного напряжения с очень большим входным сопротивлением (1010–1016 Ом). Тогда применяют электрометрические лампы, сеточные токи которых не превышают 10-15 А, а сопротивление утечки входной сетки не менее 1016 Ом. Усиление постоянного напряжения осуществляется с использованием конвертирования. Примером такого прибора может служить серийный электрометр ВК2–16. В качестве преобразователя постоянного напряжения в переменное используется динамический конденсатор.

В электронных вольтметрах меньшей чувствительности в УПТ вместо конвертирования применяются высокостабильные устройства с отрицательной обратной связью и операционные усилители.

studfiles.net

Какое внутреннее сопротивление должен иметь вольтметр. Устройство, назначение и принцип работы вольтметров

В творчестве радиолюбителя электрические измерения играют очень важную роль, особенно при испытании и налаживании сконструированного усилителя, приемника или любого другого технического устройства. И это естественно, так как только путем электрических измере-1 ний можно проверить режимы работы транзистора, обнаружить; неисправную радиодеталь, оборванный или закороченный участок цепи, испытать источник питания и многое другое. Без измерительных приборов трудно, а часто и невозможно, добиться от усилителя или приемника ожидаемых результатов. Без них не столь убедительными были бы и опыты предыдущих практикумов.

Радиолюбители обычно пользуются комбинированными приборами — авометрами, позволяющими измерять токи, напряжения и сопротивления. Виды измерений разные, а индикатор, то есть стрелочный прибор, по шкале которого оценивают ту или иную электрическую величину, один. Это, как правило, измеритель постоянного тока магнитоэлектрической системы. По сравнению с приборами других систем он имеет более высокую чувствительность, равномерную шкалу, способен выдерживать значительные перегрузки.

Условное обозначение измерителя постоянного тока такой системы начинается с буквы М, что означает магнитоэлектрический. Например, М24, М49, М592. Это чаще всего микроамперметры (на шкале знак м A), рассчитанные на измерение постоянных токов до 50...500 мкА (0,05...0,5 мА).

Прибор магнитоэлектрической системы, независимо от его типа, является измерителем только постоянного (или пульсирующего) тока, то есть может быть только микроамперметром, миллиамперметром или амперметром постоянного тока. Чтобы таким прибором измерять переменные токи и напряжения, нужно их предварительно преобразовать в пропорциональные постоянные или пульсирующие токи.

Внешний вид магнитоэлектрического микроамперметра типа М24 м схематическое устройство его измерительного механизма показаны на рис. 31. Измерительный механизм прибора состоит из рамки — катушки, намотанной изолированным проводом на легком прямоугольном каркасе. Рамка, удерживаясь на полуосях-кернах, может поворачиваться в зазоре между полюсами сильного постоянного магнита и цилиндрическим сердечником. В этом зазоре создается равномерное магнитное поле, что является непременным условием для получения равномерной шкалы приборов. На рамке закреплена легкая стрелка. Выводами обмотки рамки служат тонкие спиральные пружины, удерживающие ее в исходном положении, при котором стрелка устанавливается против нулевой отметки шкалы.

Когда в обмотке рамки появляется постоянный ток, вокруг нее возникает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита. При этом рамка, преодолевая противодействие спиральных пружин, стремится повернуться на полуосях так, чтобы.полюсы ее магнитного поля оказались против полюсов постоянного магнита противоположной им полярности. Чем больше ток, текущий через рамку, тем сильнее ее магнитное поле, тем больше усилие, поворачивающее ее, а вместе с ней и стрелку вокруг оси. Как.только ток в рамке и ее магнитное поле исчезают, рамка со стрелкой тут же возвращаются в исходное, нулевое, положение.

Таким образом, прибор магнитоэлектрической системы является не чем иным, как преобразователем постоянного тока в механическое усилие, поворачивающее рамку. О силе этого тока судят по углу, на который под его воздействием смогла повернуться рамка.

Для твоего комбинированного измерительного прибора потребуется микроамперметр на ток 100...200 мкА, желательно с большой шкалой, например такой, как М24. Чем меньше ток, на который он рассчитан, и больше шкала, тем точнее будет конструируемый на его базе комбинированный измерительный прибор.

Прежде всего внимательно рассмотри шкалу прибора и изучи надписи и условные обозначения на ней. На шкале справа внизу увидишь изображение подковообразного магнита с зачерненным прямоугольником между его полюсами (рис. 32, а). Это символическое обозначение прибора магнитоэлектрической системы с подвижной катушкой-рамкой. Рядом нанесена прямая горизонтальная черточка, говорящая о том, что прибор предназначен для измерения постоянного тока. Число внутри пятиконечной звезды (рис. 32, б) указывает максимально допустимое напряжение (в киловольтах), которое может быть приложено между корпусом и магнитоэлектрическим механизмом прибора. Еще одна группа цифр, например 1, 5, характеризует класс точности прибора. Класс точности — это численный показатель возможной погрешности прибора на всех отметках шкалы, выраженный в процентах от конечного (наибольшего) значения шкалы. Например, микроамперметр на 100 мкА класса точности 2 может дать ошибку от 2 мкА (2 % от 100 мкА). Для твоей цели подойдет прибор 2 или 2,5 классов точности.

На шкале прибора может быть также знак в виде двух взаимно перпендикулярных линий (рис. 32, в) или П-образной скобы. Первый из них указывает, что рабочее положение шкалы прибора должно быть вертикальное, второй — горизонтальное. Если этих знаков нет, значит, прибор может работать при любом положении шкалы. Несоблюдение условий, обозначенных на шкале указанными символами, может привести к увеличению погрешности показаний или даже порче прибора.

Основных электрических параметров, по которым можно судить о возможном применении прибора для тех или иных целей, два: т

elecmaster.ru

Каталог товаров