14. Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, электрические параметры которого изменяются под действием входной величины.

Конденсатор состоит из двух электродов, к которым подсоединены выводные концы. Пространство между электродами заполнено диэлектриком. При изменении взаимного положения электродов или при изменении диэлектрической проницаемости среды, заполняющей межэлектродное пространство, изменяется емкость конденсатора.

В качестве емкостного преобразователя широко используется плоский конденсатор.

У преобразователя с прямоугольными электродами и имеется некоторый диапазон перемещения пластин , в котором емкость линейно зависит от . Линейная зависимость искажается вследствие краевого эффекта. В области линейной зависимости чувствительность такого преобразователя постоянна и увеличивается с уменьшением расстояния между электродами.

15. Пьезоэлектрические преобразователи

Прямой пьезоэлектрический эффект. В кристаллических диэлектриках различно заряженные ионы располагаются в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Поскольку разноименно заряженные ионы чередуются и расположены так, что их заряды взаимно компенсируются, в целом кристалл электрически нейтрален.

При действии на кристалл силы Fx в направлении X кристаллическая решетка деформируется, расстояния между положительными и отрицательными ионами изменяются и кристалл электризуется в этом направлении. На его гранях, перпендикулярных оси X, появляется заряд

пропорциональный силе Fx. Коэффициент d11, зависящий от вещества и его состояния, называется пьезоэлектрическим модулем. Действие пьезоэлектрического преобразователя основано на прямом пьезоэффекте. Обычно он представляет собой пластинку, изготовленную из пьезоэлектрического материала, на которой имеются два изолированных друг от друга электрода.

В зависимости от вещества, формы преобразователя и ориентации кристаллических осей входной величиной могут быть как силы, производящие деформацию сжатия – растяжения, так и силы, производящие деформацию сдвига. Последний вид деформации может использоваться в преобразователях, имеющих в качестве входной величины момент силы.Выходной величиной преобразователя является напряжение на электродах.

16. Индуктивный преобразователь представляет собой катушку индуктивности (дроссель), полное сопротивление которой изменяется при взаимном относительном перемещении элементов магнитопровода. Имеются две группы преобразователей: с изменяющейся индуктивностью и с изменяющимся активным сопротивлением.Преобразователь состоит из П-образного магнитопровода , на котором размещена электрическая катушка , и подвижного якоря. При перемещении якоря изменяется длина воздушного зазора и, следовательно, магнитное сопротивление, что вызывает изменение индуктивности дросселя.

Другая широко используемая модификация - (плунжерный преобразователь)Преобразователь представляет собой электрическую катушку , из которой может выдвигаться ферромагнитный сердечник (плунжер). При среднем положении плунжера индуктивность максимальна. В зазор магнитной цепи вводится пластинка 2с высокой электропроводностью, в которой наводятся вихревые токи, приводящие к увеличению потерь активной мощности катушки . Это эквивалентно увеличению ее активного сопротивления.

17. Трансформаторный преобразователь представляет собой трансформатор, у которого под влиянием входного сигнала изменяется взаимная индуктивность, что приводит к изменению вторичного, выходного напряжения.Различают два вида трансформаторных преобразователей: с изменяющимся магнитным сопротивлением и с постоянным магнитным сопротивлением и подвижной обмоткой.

Преобразователи первого вида конструктивно аналогичны индуктивным преобразователям и отличаются тем, что вместо одной имеют две обмотки.

К преобразователям с постоянным магнитным сопротивлением и подвижной обмоткой относятся ферродинамические трансформаторные преобразователи и вращающиеся трансформаторы.

Схема ферродинамического преобразователя угла поворота: Он состоит из П-образного магнитопровода с полюсными наконечниками . На магнитопроводе помещена обмотка возбуждения N1. Вторичная подвижная обмотка N2 помещена между полюсными наконечниками. Внутри обмотки N2 для уменьшения магнитного сопротивления вставляется цилиндрический ферромагнитный сердечник Воздушный зазор между сердечником и полюсными наконечниками одинаков, также одинакова в воздушном зазоре и магнитная индукция.

Обмотка N1, включается в цепь переменного напряжения, имеющего частоту , и создает магнитный поток. Часть его проходит через обмотку и наводит в ней ЭДС Е2. При повороте обмотки наведенная ЭДС изменяется.

18. Индукционным преобразователем называется преобразователь, принцип действия которого основан на законе электромагнитной индукции. Преобразователь имеет катушку. При воздействии входной величины на преобразователь изменяется потокосцепление катушки с внешним по отношению к катушке магнитным полем. При этом в катушке наводится ЭДС: e=-dψ/dt

Потокосцепление ψ=NФ=NBS где N – число витков катушки; Ф – проходящий через нее поток; S – площадь, через которую проходит этот поток; В – индукция магнитного поля.

ЭДС в катушке может наводиться при изменении во времени любой из перечисленных величин N,В,S.

При движении катушки с изменением x изменяется площадь катушки, находящейся в магнитном поле, . Это приводит к изменению потокосцепления , и в катушке наводится ЭДС

Индукционные преобразователи служат для преобразования линейной или угловой скорости перемещения катушки относительно магнитного поля в ЭДС. Они являются генераторными преобразователями и преобразуют механическую энергию в электрическую.

19. Работа магнитоупругого преобразователя основана на магнитоупругом эффекте. ферромагнитные вещества имеют области самопроизвольного намагничивания (домены). В ненамагниченном состоянии вещества домены ориентированы хаотично и магнитные моменты отдельных доменов компенсируют друг друга. При помещении ферромагнитного тела в магнитное поле домены ориентируются в его направления. В слабом поле ориентация частичная; в сильном поле при магнитном насыщении материала ориентируются все домены. Ориентация доменов вызывает увеличение магнитной индукции, характерное для ферромагнитных материалов.Если на намагниченный образец ферромагнитного тела воздействовать внешней механической силой, то тело деформируется, домены изменят свою ориентацию и индукция в материале изменяется. Явление имеет упругий характер. Если силу снять, то индукция примет прежнее значение. Изменение индукции или магнитной проницаемости в ферромагнитных телах при действии на них силы называется магнитоупругим эффектом.

Рассмотренное явление используется для преобразования механической силы в электрическую величину. МП представляет собой ферромагнитный сердечник с намотанной на нем катушкой. При действии силы F в материале сердечника возникает механическое напряжение , изменяется , следовательно, и магнитное сопротивление сердечника RM, а также индуктивность катушки L. МП могут иметь две обмотки . Такие преобразователи являются трансформаторными. При действии силы вследствие изменения магнитной проницаемости изменяется взаимная индуктивность М между обмотками и ЭДС вторичной обмотки Е.

20. Терморезистором называется измерительный преобразователь, активное сопротивление которого изменяется при изменении температуры. В качестве терморезистора может использоваться металлический или полупроводниковый резистор.

Датчики температуры с терморезисторами называются термометрами сопротивления.

Имеются два вида терморезисторов: металлические и полупроводниковые.

сопротивление металлов увеличивается с увеличением температуры. Для изготовления обычно применяются медь или платина.

Чувствительный элемент полупроводникового терморезистора – термистора – изготавливается из окислов различных металлов: меди, кобальта, магния, марганца и др. Размолотые в мелкий порошок компоненты прессуются и спекаются в виде столбика, шарика или шайбы. В надлежащих местах напыляются электроды и подпаиваются выводы из медной проволоки. Для предохранения от атмосферных воздействий чувствительный элемент термистора покрывают защитной краской, помещают в герметизирующий металлический корпус или запаивают в стекло.

С увеличением температуры сопротивление термисторов уменьшается.

21. Основным узлом электромеханического прибора является электромеханический измерительный механизм, для преобразования электромагнитной энергии измеряемого входного сигнала в механическую энергию перемещения. перемещением подвижной части является угол поворота стрелки. Кроме измерительного механизма электромеханический прибор имеет масштабные преобразователи и вспомогательные элементы

Уравнение преобразования измерительного механизма M =dWe/dα

где We – энергия электромагнитного поля, сосредоточенная в механизме. М – механический момент, вращающий подвижную часть механизма. α – угол поворота подвижной части механизма

Для того чтобы угол α зависел от измеряемой величины, в измерительный механизм вводится пружина, создающая противодействующий момент Мα = W·α , где W – удельный противодействующий момент. α – угол

Противодействующий момент Мα направлен против вращающего момента М. Показания электромеханического прибора устанавливаются при условии равновесия.

По способу преобразования электромагнитной энергии электромеханические измерительные механизмы делятся на пять основных групп:

1. Магнитоэлектрические измерительные механизмы (МЭИМ).

2. Электромагнитные измерительные механизмы (ЭМИМ).

3.Электродинамические измерительные механизмы (ЭДИМ).

4.Индукционные измерительные механизмы (ИИМ).

5.Электростатические измерительные механизмы (ЭСИМ).

22. Магнитоэлектрические измерительные приборы

магнитоэлектрические измеряемые механизмы(МЭИМ);

масштабные преобразователи (дополнительное сопротивление, шунты, делители напряжения);

вспомогательные элементы и устройства.

Принцип действия МЭИМ. В основу работы МЭИМ положен принцип Лоренца. На проводник с электрическим током, расположенный в магнитном поле, действует сила Лоренца.

Работа МЭИМ. Постоянный магнит создает магнитный поток, который замыкается через магнитопровод , полюсные наконечники и рабочий зазор. Если в катушку подается ток I, то при взаимодействии его с магнитным полем, индукцией Bδ, в рабочем зазоре возникает момент Лоренца. Этот вращающий момент уравновешивается противодействующим моментом пружины. В момент успокоения угол отклонения подвижной части механизма α указывает какой ток протекает через измеряемый механизм. Уравнение связи МЭИМ:

α = (B_δ∙S∙N)/W∙I

где Bδ - магнитная индукция в рабочем зазоре;

S и N - соответственно площадь поперечного сечения и число витков измерительной катушки

W - удельный противодействующий момент пружины.

МЭИМ является электромеханическим интегратором своего входного тока и эффективно отфильтровывает низкочастотную переменную составляющую, включая промышленную частоту 50 Гц. Постоянная составляющая тока равна среднему значению тока

Достоинства МЭИМ. К наиболее существенным достоинствам МЭИМ относятся:

а) высокая точность;

б) высокая чувствительность;

в) равномерность шкалы( функция преобразования МЭИМ является пропорциональной зависимостью).

Недостатки МЭИМ. Несмотря на существенные достоинства, МЭИМ имеет ряд недостатков:

а) невозможность измерения переменного тока;

б) малая перегрузочная способность;

в) относительная сложность конструкции механизма.

Области использования МЭИМ. МЭИМ широко используются в таких приборах как амперметры и вольтметры постоянного тока, омметры и гальванометры (предназначены для измерения количества электричества), а так же в ряде приборов с преобразованием рода тока:

-приборы с выпрямлением переменного тока с помощью диодов (выпрямительные приборы);

-термоэлектрические приборы, в которых для преобразования переменного тока используются термопары;

-электронные вольтметры, в которых переменный ток преобразуется полупроводниковыми схемами в постоянный ток.

Точность МЭИМ. Классы точности приборов с использованием МЭИМ: (0.05); 0.1; 0.2; 0.5;1.0.

23. Выпрямительные приборы. Выпрямительные приборы состоят из полу-проводникового диода и магнитоэлектрического измерительного механизма. Диод выпрямляет измеряемый переменный ток, а магнитоэлектрический механизм служит индикатором, стрелка которого отклоняется под действием выпрямленного тока. Наиболее употребительны точечные кремниевые диоды, которые имеют малую собственную емкость (несколько пикофарад) и могут работать в диапазоне от низких (0—50 Гц) до высоких (104 — 105 Гц) частот. Способность диода выпрямлять ток характеризуется коэффициентом выпрямления kB, представляющим собой отношение сопротивлений диода в обратном и прямом направлениях:kВ=Rобр /Rпр Коэффициент выпрямления зависит от приложенного напряжения,частоты и температуры. Он невелик при малых значениях напряжения, но резко возрастает при повышении напряжения. В рабочей области напряжений, частот и температур коэффициент выпрямления диодов равен 102 — 106.

В выпрямительных приборах используются однополупериодные и двухполупериодные выпрямительные цепи.

При однополупериодном выпрямлении через рамку измерительного механизма, включенную последовательно с диодом VD1, ток проходит только в течение своего положительного полупериода. Во время отрицательного полупериода он проходит по параллельной цепочке через резистор R и диод VD2. Параллельная цепочка обеспечивает защиту диода VD1 от перенапряжения во время отрицательного полупериода.

При двухполупериодном выпрямлении ток проходит через рамку измерительного механизма в течение обоих полупериодов. Двухполулериодная схема обеспечивает в 2 раза большее значение тока в рамке, что повышает чувствительность выпрямительного прибора. Однако напряжение в этом случае делится между двумя диодами, что препятствует измерению малых напряжений из-за падения коэффициента выпрямления диодов. Кроме того, большое количество диодов приводит к необходимости их тщательного подбора и росту температурных погрешностей.

Когда форма кривой тока отличается от синусоидальной, то использование для измерений выпрямительного прибора, проградуированного в действующих значениях синусоидального тока, приведет к систематической погрешности.

Выпрямительные приборы используются в качестве амперметров и вольтметров.

К достоинствам выпрямительных приборов относятся высокая чувствительность, компактность, большой частотный диапазон;

к недостаткам — малая точность , зависимость показаний от формы кривой тока, существенное влияние температуры.

Выпрямительные приборы применяются для измерений тока, напряжения, сопротивления и других параметров в цепях промышленной и повышенной (до десятков и сотен килогерц) частот. Они часто выполняются в виде многопредельных комбинированных приборов, удобных в лабораторной практике.

24. Термоэлектрические приборы состоят из термоэлектрического преобразователя, преобразующего измеряемый переменный ток высокой частоты в постоянное напряжение, и магнитоэлектрического измерительного механизма, проградуированного в значениях измеряемого тока

Термопреобразователь включает в себя нагреватель, по которому проходит, выделяя тепло, измеряемый ток I, и термопару, находящуюся в тепловом контакте с нагревателем, Постоянное напряжение, вырабатываемое термопарой, воздействует на магнитоэлектрический микроамперметр. Различают контактные и бесконтактные термопреобразователи. В первом термопара имеет электрический контакт с нагревателем, а во втором имеется только тепловой контакт нагревателя и термопары через изолирующий материал хорошей теплопроводности. Контактные термопреобразователи менее инерционны, чем бесконтактные, но они допускают большую утечку токов высокой частоты и применяются на частотах не выше 5 — 10 МГц.

Бесконтактные термопреобразователи не имеют этого недостатка. отсутствие гальванической связи дает возможность повысить чувствительность термопреобразователя благодаря применению батарей из нескольких последовательно включенных термопар

Преобразователи для измерения малых токов , заключают в вакуумированный корпус: вакуум уменьшает отвод тепла от нагревателя.

Погрешности термоэлектрических приборов связаны с влиянием температуры внешней среды на сопротивление нагревателя и на характеристики микроамперметра. Погрешности также зависят от частоты измеряемого тока из-за наличия поверхностных эффектов и паразитных параметров цепей преобразователя.

Достоинством термоэлектрических приборов является малая зависимость их показаний от формы кривой и частоты. К недостаткам относятся невысокие чувствительность и точность (класс точности 1,0-4,0), очень малая перегрузочная способность, квадратичный характер шкалы, значительное потребление энергии.

Термоэлектрические приборы используются в качестве амперметров и вольтметров для измерения тока и напряжения на высоких частотах (до сотен мегагерц). Применять их на низких частотах нецелесообразно, так как в этой области они могут быть заменены надежными приборами других систем.

Расширение пределов измерения термоэлектрических приборов может осуществляться при помощи высокочастотных трансформаторов тока (для амперметров) и безреактивных добавочных резисторов (для вольтметров).

25. Принцип действия электродинамических приборов основан на взаимодействии магнитных полей двух катушек, по которым протекает ток. Устройство электродинамического измерительного механизма: Внутри неподвижной катушки может вращаться подвижная катушка. Ток к подвижной катушке подается через пружинки, которые при повороте этой катушки создают противодействующий момент.

Поворот осуществляется вращающим моментом, вызванным взаимодействием магнитных полей катушек

Следовательно, уравнение преобразования прибора

α=(1/W)( ∂M/∂α)I1I2

Из уравнения преобразования α= (1/W)( ∂M/∂α)I1I2cos(φ1 - φ2), следует, что перемещения подвижной части механизма при работе на переменном токе зависят как от токов в его катушках, так и от разности фаз между этими токами. Это дает возможность использовать приборы электродинамической системы не только в качестве амперметров и вольтметров, но и в качестве ваттметров.

В амперметрах катушки соединены последовательно или параллельно, Последовательное соединение используется в приборах, предназначенных для измерения малых токов (до 0,5 А), не способных повредить тонкие пружинки, по которым ток подводится к подвижной катушке. При больших токах (до 10 А) катушки включаются параллельно, причем соотношение сопротивлений цепей катушек выбирается таким образом, чтобы ток через подвижную катушку не превышал допустимого значения. При измерении электродинамическими амперметрами токов, превышающих 10 А, используются измерительные трансформаторы тока.

в Вольтметрах Катушки включаются последовательно, ток через них ограничивается добавочным резистором Rдоб. Уравнение преобразования вольтметра имеет вид α= (1/W)( ∂M/∂α)(U^2⁄R^2 ), где R — общее сопротивление цепи прибора.

Обычно электродинамические вольтметры выполняются многопредельными. Это достигается при помощи нескольких добавочных резисторов. При измерении повышенных напряжений (свыше 600 В) применяются измерительные трансформаторы напряжения.

Электродинамические ваттметры выполняют в виде многопредельных лабораторных переносных приборов достаточно высоких, классов точности (0,2; 0,1). Диапазон измеряемых мощностей таких приборов - от долей ватта до нескольких киловатт. Измерения могут выполняться как на постоянном токе, так и на токах промышленных частот (50 Гц, 400 Гц).

Погрешности электродинамических приборов возникают из-за температурных влияний и наличия внешних магнитных полей. При повышении частоты до нескольких сот герц существенными становятся также частотные погрешности. Они обусловлены ростом индуктивного сопротивления катушек, приводящим к уменьшению вращающего момента.

Ферродинамические приборы по существу являются разновидностью электродинамических приборов, от которых они отличаются не по принципу действия, а конструктивно. Для увеличения чувствительности катушка ферродинамических приборов имеет магнитно-мягкий сердечник — магнитопровод, между полюсами которого размещается подвижная катушка. Наличие сердечника значительно увеличивает магнитное поле неподвижной катушки, а следовательно, вращающий момент и чувствительность. Однако одновременно из-за нелинейности магнитных характеристик сердечника снижается точность прибора и увеличиваются его частотные погрешности. Ферродинамические приборы широко используются в качестве щитовых ваттметров, а также амперметров и вольтметров для измерения в цепях промышленной частоты.

26. Электродинамические ваттметры выполняют в виде многопредельных лабораторных переносных приборов достаточно высоких, классов точности (0,2; 0,1). Диапазон измеряемых мощностей таких приборов - от долей ватта до нескольких киловатт. Измерения могут выполняться как на постоянном токе, так и на токах промышленных частот (50 Гц, 400 Гц).

Погрешности электродинамических приборов возникают из-за температурных влияний и наличия внешних магнитных полей. При повышении частоты до нескольких сот герц существенными становятся также частотные погрешности. Они обусловлены ростом индуктивного сопротивления катушек, приводящим к уменьшению вращающего момента.

Ферродинамические приборы по существу являются разновидностью электродинамических приборов, от которых они отличаются не по принципу действия, а конструктивно. Для увеличения чувствительности катушка ферродинамических приборов имеет магнитно-мягкий сердечник — магнитопровод, между полюсами которого размещается подвижная катушка. Наличие сердечника значительно увеличивает магнитное поле неподвижной катушки, а следовательно, вращающий момент и чувствительность. Однако одновременно из-за нелинейности магнитных характеристик сердечника снижается точность прибора и увеличиваются его частотные погрешности. Ферродинамические приборы широко используются в качестве щитовых ваттметров, а также амперметров и вольтметров для измерения в цепях промышленной частоты.

27. Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током в неподвижной катушке, с подвижным ферромагнитным сердечником. Под действием магнитного поля сердечник втягивается внутрь катушки. Подвижная часть механизма поворачивается до тех пор, пока вращающий момент не уравновесится противодействующим моментом, создаваемым пружиной. выпускаются электромагнитные амперметры с номинальным током от долей ампера до 200 А. распространены амперметры на 5 А. связано с тем, что используются трансформаторы тока

Для расширения пределов измерения вольтметров используются добавочные сопротивления, поэтому приборы можно выполнять многопредельными. выпускаются электромагнитные вольтметры с номинальным напряжением от долей вольта до сотен вольт.

К достоинствам приборов электромагнитной системы относятся: простота конструкции, низкая стоимость, надежность, способность выдерживать большие перегрузки, пригодность для измерения в цепях как постоянного, так и переменного тока.

Недостатками являются: большое собственное потребление энергии, малая точность, малая чувствительность, сильное влияние внешних магнитных полей.

Приборы электромагнитной системы применяются в основном в качестве щитовых амперметров и вольтметров переменного тока промышленной частоты. Класс точности этих приборов 1,5 и 2,5. В некоторых особых случаях они используются для работы на повышенных частотах: амперметры до 8000 Гц, вольтметры до 400 Гц. Используются они и в лабораторной практике как переносные приборы классов точности 0,5 и 1,0.

28. Индукционные приборы состоят из индукционного измерительного механизма с отсчетным устройством и измерительной схемой.Принцип действия основан на взаимодействии магнитных потоков электромагнитов и вихревых токов, индуктированных магнитными потоками в подвижной части, выполненной в виде алюминиевого диска.

В настоящее время из индукционных приборов находят применение счетчики электрической энергии в цепях Переменного тока. Отсчет энергии производится по показаниям счетчика оборотов, градуированного в единицах энергии. Единице электрической энергии (обычно 1 кВт·ч), регистрируемой счетным механизмом, соответствует определенное число оборотов подвижной части счетчика. Счетчики активной энергии выпускают классов точности 0,5; 1,0; 2; 2,5; счетчики реактивной энергии - 1,5; 2 и 3.

Вращение диска при отсутствии тока в нагрузке и при наличии напряжения в параллельной цепи счетчика называют самоходом.самохода не должно быть при любом напряжении

Погрешность счетчика зависит от режима его работы

Под действием внешних факторов у счетчика появляются дополнительные погрешности вследствие искажения формы кривой тока и напряжения, колебаний напряжения и частоты, резкого перепада мощности, потребляемой нагрузкой, и некоторыми другими факторами.

Кроме однофазных индукционных счетчиков, промышленность выпускает также трехфазные счетчики активной и реактивной энергии. Трехфазные счетчики представляют собой как бы три или два счетчика, объединенные одной осью вращения. Двухэлементные счетчики применяют при измерении энергии в трехпроводных трехфазных цепях, а трехэлементные счетчики - в четырехпроводных цепях.

29. Трехфазные счетчики электрической энергии имеют две или три вращающих группы магнитов, каждая из которых включает электромагнит параллельной цепи с обмоткой напряжения и электромагнит последовательной цепи с обмоткой тока. Наиболее распространен в качестве электромагнита параллельной цепи трехстержневой электромагнит с противополюсом.

Рассмотренный электромагнит работает следующим образом. Рабочий магнитный поток Фр, возбуждаемый обмоткой напряжения электромагнит, пронизывает диск, замыкаясь через противополюс. Магнитный поток рассеяния ФL , также создаваемый параллельной обмоткой, замыкается через стержни магнитопровода и шунты . Поток ФL используется только для того, чтобы получить сдвиг по фазе между потоком Фр и тем потоком ФI, который создается электромагнитом последовательной цепи с помощью токовой обмотки. Электромагнит последовательной цепи имеет П – образный магнитопровод с одной токовой обмоткой.

Особенностями конструкции трехфазного счетчика является наличие двух алюминиевых дисков, жестко связанных с осью вращения, а также наличие двух тормозных постоянных магнитов.

Для учета электроэнергии в трехпроводных сетях используются двухэлементные счетчики. Класс точности для счетчиков активной энергии: 0,5 ;1,0; 2,0 ; 2,5.