36 Массочувствительные сенсоры.

3 7. Устройство и принцип работы осциллографа.Предназначены для визуального наблюдения и регистрации электрич. сигналов. Они обладают высокой чувствительностью, большим входным сопротивлением, возможностью измерения временных параметров сигналов. Основу осциллографов составляет электронно-лучевая трубка(см. рис.), представляющая собой отвакуумированный стекл-ый баллон,в к-ом расположены катод К, модулятор М, фокусирующий анод А₁, ускоряющий анод А₂, и 2 пары взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин ОП_х и ОП_у. Внутр-яя поверхность экрана Э покрыта люминофором, светящимся под действием электронной бомбардировки. Совокупность электродов К, М, А₁ и А₂ представляет собой электронную пушку, к-ая излучает и формирует электронный луч. Эти электроды выполнены в виде цилиндров, расположенных по оси трубки. Сфокусированный электронный луч, проходя между парами пластин, под действием напряжений, приложенных к этим пластинам (к ОП_х-напряжение развертки, а к ОП_у-измеряемое напряжение), отклоняется по осям координат.Принцип действия осциллографа состоит в том, что исслед-ый сигнал подается на вход К канала вертикального отклонения через усилитель вертикального отклонения, выходное напряжение к-го управляет отклонением электронного луча по оси У. Для получения требуемого размера изображения сигнал может усиливаться. При подаче переменного напряжения на вход У электронный луч вычерчивает на экране осциллографа вертикальную линию. Для получения изображения исслед-го сигнала, развернутого во времени, необходимо развертывать луч по оси Хс равномерной скоростью. Это осущ-ся подачей на отклоняющие пластины ОП_х. линейно изменяющегося пилообразного напряжения от генератора развертки.

Э та кривая напряжения развертки имеет время прямого t_npи обратного t_обр хода. Для того чтобы во время обратного хода электронный луч не вычерчивал линии на экране осциллографа, его гасят на этот момент путем подачи отрицательного импульса на модулятор. Исслед-ие сигналов в широком диапазоне частот обеспечивается изменением частоты пилообразного напряжения и синхронизацией с измеряемым. Это позволяет проводить наблюдения исследуемых сигналов в нужном масштабе времени. В осциллографах применяются также запоминающие устройства, позволяющие длительное время сохранять изображение сигнала, и многолучевые трубки для наблюдения 2 и более сигналов.

3 9 Аналоговые электронные омметры.Электронные омметры - приборы с непосредственным отсчетом, предназначенные для измерения сопротивления. Приборы имеют широкий диапазон измерений (10^-4 - 10^-7 Ом) и просты в эксплуатации. Погрешность их относительно высока: 10-15% при измерении высоких сопротивлений (более 10⁹ Ом).В основе работы электронных омметров лежит преобразование из­меряемого сопротивления в функционально связанное с ним напряжение постоянного тока, подаваемое на магнитоэлектрический измерительный механизм. В зависимости от диапазона измерений приборы называются омметрами, миллиомметрами и тераомметрами.Схема электронного омметра. От источника стабильного напряжения (ИСН) подается напряжение U_oна измеряемое сопротивление R_x, на котором появляется напряжение U_x, функционально связанное с измеряемым сопротивлением. Это напряжение усиливается усилителем постоянного тока (УПТ) и измеряется измерительным механизмом (ИМ), отградуированным в единицах сопротивления. Стандартное сопротивление R_oслужит для регулирования величины тока через измеряемое сопротивление.Схема электронного омметра:

ИСН – источник стабильного напряжения U₀;R_x – измеряемое сопротивление;R₀ – образцовый резистор;U_x – напряжение, функционально связанное с R_x;УПТ – усилитель постоянного тока;ИМ – измерительный механизм прибора.

Для повышения точности весь диапазон измерений разбивают на поддиапазоны, каждому из которых соответствует свое значение R_o.

40 Цифровые приборы.- Измерители электрических величин с цифровой индикацией при которых используется цифровой метод измерения. Преимущества: высокая точность, быстродействие, возможность получать результат измерения в виде числа. В основу принципа работы цифровых приборов положен компенсационный метод при котором измеряемое напряжение или электрическая величина преобразованная в напряжение сравнивается с известной, т.е. с компенсирующей. Момент равенства этих направлений определяется сравнивающей схемой, а отсчётное устройство регистрирует значение компенсирующего напряжения для этого момента времени в цивровую форму. Т.о. основным узлом цифрового прибора является устройство для преобразования измеряемого напряжения в соответствующие цифровые отсчёты, аналого-цифровой преобразователь.

Устройство состоит из: Компаратора -К, генератора пилообразного напряжения ГПН, кварцевого генератора КГ, вентельного ключа КВ, измерительного счётчика СИ.

По средствам компаратора (устройство для сравнения напряжений) сравниваются аналоговые измеряемые напряжения Ux с пилообразным наростающим Uc, создаваемым генератором пилообр. напряжения, как только Uc достигает значения Ux импульс от кварцевого генератора через вентельный ключ начинает поступать на вход счётчика импульса. В момент достижения пилообр. напряжения значения измеряемого напряжения вентельный ключ прекращает доступ импульса к счётчику. Импульсы прошедшие на счётчик в течении того времени пока вентильный ключ был открыт подсчитывается, а их число индицируется. Число импульсов Wi за время Δt соответствует значению измеряемого напряжения: N_i = k*Ux,k-коэф. преобразования.

В цифровых приборах применяются также аналого-цифровые преобразователи, основаны на методе компенсации. Измеряемое аналоговое напряжение сравнивается с высокостабильным компенсационным напряжением разделённым на ступени в соответствии с выбранным кодом (двоично-четвертичный). Управ. схема путём электронного переключателя сопротив. делителем напряжений обеспечивает равенство измеряемого и компенсирующего напряжения, которое фиксируется компоратором. На этом измерение заканчивается, а значения выбранного кода соответствующего набору подключ. сопротив-ий считывается и индуцируется.

41. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ эЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ. Применяют для измере­ния пост. и перемен. токов и напряжений, мощности, угла фазового сдвига. Электродинамические приборы являются наиболее точными для измерения переменного тока. В измерительных механизмах ЭДП ис­пользуется электродинамическое взаимодействие двух катушек с током, а вращающий момент возникает в результате взаимодействия магнит­ных полей неподвижных и подвижных катушек. Измерительный механизм (рис. 1) имеет две последователь­но соединенные неподвижные катушки 1, разделенные воздушным зазором, и подвижную катушку 2. Ток к подвижной катушке подво­дится через пружинки, создающие противодействующий момент. Катушки возбуждения 1 питаются, как правило, независимо от измерительной цепи, а катушка 2 включается в измерительную цепь. Вращающий момент в таком механизме определяется токами в ка­тушках: М =(dМ_1,2 / dα)*I1I2 , где М_1,2- взаимная индукция неподвижной и подвижной катушек.

Если противодействующий момент создается упругими элемента­ми (М_пр = W_yα= М), то угол отклонения подвижной части в случае постоянного тока составит α = (1/Wy)*(dМ_1,2/ dα)*I1I2 ,

а при переменном токе α = (1/Wy)*(dМ_1,2 / dα)*I1I2cosφ , где φ - угол сдвига по фазе между током в катушке 2 и магнитным пото­ком от катушек 1.

Рис. 1. Электродинамический измерительный механизм.

Т.к. собственное магнитное поле измерительного механиз­ма невелико, на работу электродинамических приборов оказывают вли­яние внешние магнитные поля, поэтому необходимо хорошее магнит­ное экранирование механизма. Электродинамические приборы обладают меньшей чувствительностью, чем магнитоэлектрические, и большим потреблением мощности.

В электродинамических амперметрах для токов до 0,5 А неподвиж­ные и подвижные катушки соединяют последовательно. В этом случае токи в катушках равны (I1 = I₂= I3) и cosφ = 1. Угол отклонения указателя прибора:

α = (1/Wy)*(dМ_1,2/ dα)*I²

Шкала прибора квадратичная, но в пределах 25-100% длины ее можно считать линейной. В амперметрах для измерения токов свыше 0,5 А подвижную и не­подвижную катушки включают параллельно (I1 = c₁I;I₂=c₂I; cosφ = 1; где I1 и I₂ -токи в подвижной и неподвижной катушках; I - измеряемый ток). Угол отклонения указателя прибора: α = (c₁c₂ / Wy)*(dМ_1,2 / dα)*I²

Электродинамические амперметры изготавливают, как правило, на два диапазона. Изменение пределов измерений осуществляется после­довательным и параллельным переключением катушек.

В электродинамических вольтметрах измерительный механизм с последовательно соединенными катушками включается последо­вательно с добавочным резистором. Угол отклонения указателя вольт­метра:

α = (c₃ / Wy)*(dМ_1,2 / dα)*U²

где c₃ = 1/Z² (Z – полное сопротивление цепи вольтметра, т.е. сумма сопротивлений катушек и добавочного резистора).

Основная область применения электродинамических амперметров и вольтметров - измерение переменного тока в диапазоне частот 45-1000 Гц.

42. Устройство и принцип работы магнитоэлектрических механизмов. Состоят из измерит. механизма с отсчётным устройством и измерит. цепи. Они применяются для измерения пост. токов и напряжений (амперметры, вольтметры), сопротивлений,кол-во электрич, а также для измерения малых токов и напряжений (гальванометры). Кроме того, магнитоэлектрические приборы исп-ют для регистр-ии электрических величин (самопишущие приборы).Вращающий момент в измерительном механизме магнитоэлектрического прибора возникает в рез-те взаимодействия магнитного поля (МП) постоянного магнита и МП катушки с током. Применяется магнитоэлектрические приборы с подвижной катушкой и подвижным магнитом.

А)Измерительный механизм с подвижной катушкой.

П рибор сост-т из пост. магнита 1, магнитопровода 2, полюсных наконечников 3, неподв. сердечника 4, двух спиральных пружин 5, подв. катушки 6, магнитного шунта 7 и указателя 8. Ток к подвижной катушке поводится через 2 спиральные пружины. При протекании тока I через катушку возникает вращающий момент:

г де B – индукция МП, s – площадь катушки, w – число витков катушки.

Если обозначить противодействующий момент как M_пр = - W_yα (W_y– уд. противодействующий момент), тогда с поворота указателели стрелки будут определяться:

г де S – чувствительность измерительного механизма к току.

Магнитный шунт исп-ся для регулировки индукции в воздушн. зазоре путём перемещения шунта.

Б) Магнитоэлектрич. измерит. механизм с подвижным магнитом.

П одв. магнит 1 укреплён на оси 2. Ток, протек. по катушкам 3, создаёт МП, и подвижный магнит стремится установиться вдоль этого поля. Противодействующий момент созд-ся пружиной 4.Магнитоэлектрич. измерит. мех-мы обладают св-вами: 1) отлич-ся простотой конструкции и высокой чувствит-тью, в т.ч. пост. чувствит-тью по всей шкале (равномерная шкала).

2) без дополнит. элементов могут исп-ся лишь для измерения пост. I и U, следовательно, направление отклонения указателя изменяется вместе с направлением тока. Поэтому нулевая отметка может располагаться в середине шкалы.

3) влияние внешних МП из-за сильного собств. МП мало.

4) ничтожно мало энергопотребление.

В магнитоэлектрических амперметрах измерительный механизм включается в цепь измеряемого тока либо непосредственно (для малых значений токов до 30 мА), либо при помощи шунта (для больших значений токов).

Общ. ток в данном случае опред-ся через измерительный механизм и шунт: I = I_ИM+ I_Ш.

М агнитоэлектрические измер. механизмы могут использ-ся в качестве омметров с парал-ным или послед. включением объекта измерения:

• П ри послед. подключении отклонение стрелки прибора будет определяться:

• П ри параллельном:

Омметры с последовательным включением применяются для измерения больших измерений, а с параллельным – для малых.

Магнитоэлектрический измерительный механизм может применяться в качестве гальванометра.

Гальванометр – прибор, имеющий высокую чувствительность к току или напряжению, т.е. его применяют для измерения алых I и U.Высокая чувствительность достигается путем снижения противодействующего момента и использованием светового указателя с большой длиной светового луча (вместо стрелки).

Магнитоэлектрические кулонметры. Это приборы для измерения количества электричества в импульсе тока.В приборах используются измерительные механизмы без противодействующего момента.Под действием тока подвижная часть перемещается на угол: Δα = S_QQ

S_Q–чувствит-ть механизма к заряду, Q–кол-во электричества в импульсе тока. Возвращение подв. части в исходное положение производится пропусканием через катушку тока обратного направления или механически.

Г альванометр.Подв. часть выполняется в виде 2 жесткоскрепленных между собой катушек, по обмоткам которых протекает I₁, I₂. Ток к катушкам подводится с помощью металлических лент, почти не создающих противодействующего момента.Моменты, создаваемые катушками, направлены навстречу друг другу. Угол отклонения указателя определяется соотношением токов, протекающих по катушкам: α = f( I₁/I₂)

4 3. Устр-во и принцип работы электромагнитн механизмов. Применяются для измерения переменных и пост. I и U.Вращающий момент в измерительных механизмах электромагнитных приборов возникает в рез-те взаимодействия ферромагнитного редечника подвижной части и магнитного поля катушки, по обмотке которого протекает ток. На оси 1 крепятся стрелка 2 и эксцентрически укреплённый ферромагнитный сердечник 4. Протекающий через катушку 3 измеряемый ток создаёт МП, которое втягивает сердечник внутрь катушки. Противодействующий момент создаётся пружиной 5, а колебания указателя депфируются воздушным успокоителем 6.Вращающий момент, возникающий на постоянном ток, составляет M=dA / dα, где А – электромагнитная энергия ( А = 0,5LI²), следовательно, вращающий момент в механизме будет определяться соотношением:

г де L – индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника.

При перемене направления тока по обмотке катушки на обратное сердечник по-прежнему будет втягиваться катушкой, т.е. направление вращающего момента не изменится. Если противодействующий момент создаётся упругими элементами (М_пр = Wα), то угол поворота подвижной части составит:

З ависимость угла поворота подвижной части от тока нелинейна и поворот одинаков как при постоянном, так и при переменном токе. Линейную зависимость угла отклонения от тока обычно получают путём изготовления сердечника специальной формы, чтобы функция dL / dα обеспечивала максимальную линейность αотI.

Осн. факторам, влияющими на погрешность приборов электромагнитной системы, являются: магнитный гистерезис подвижного сердечника, внешние МП, температура окруж. среды.

В электромагнитных амперах катушка измерительного механизма включается непосредственно в цепь измеряемого тока. Электромагнитный вольтметр состоит из электромагнитного измерительного механизма и включённого последовательно добавочного резистора. Изменение пределов осуществляется путём подключения различных добавочных резисторов. Угол отклонения указателя определяется соотношением:

, где Z – полное сопротивление цепи вольтметра (т.е. сопротивление катушки и резистора).

Измерительный механизм электромагнитной системы прост, надёжен в эксплуатации, не имеет токопровода к подвижной части, устойчив к механическим и электрическим воздействиям. Вследствие достаточно высокого энергопотребления приборы электромагнитной системы используется преимущественно в силовой электротехнике.