книги из ГПНТБ / Хайдуков, О. П. Электрооборудование судов учебник

Если обозначить:' /тв — амплитудное значение тока вибратора;

Rв — сопротивление вибратора; Яя -—добавочное сопротивление; Яш— сопротивление шунта;

13т— амплитудное значение напряжения между точками а и б; 1т— амплитудное значение тока в наследуемой схеме, то вы­ бор шунтов и добавочных сопротивлений для различных схем осу­

ществляется согласно формулам: .

При осциллографировании больших переменных токов (десят­ ки ампер и более) шунты используются совместно с трансформа­ торами тока (рис. 3, д).

Электромеханические осциллографы нашли широкое применение для наблюдения и регистрации различных динамических процессов в электрических установках, измерений перемещения, давления, вибрации, механических напряжений, температуры и других па­ раметров, которые могут быть преобразованы в электрические то­ ки и напряжения. На судах они могут быть использованы при налад­ ке и испытаниях судовых электрических установок, главного дви­ гателя, обслуживающих его систем и механизмов и других уст­ ройств, а также при научных исследованиях.

Э л е к т р о н н ы е о с ц и л л о г р а ф ы позволяют производить визуальное наблюдение на люминесцирующем экране и фотогра­ фирование кривых быстропротекающих процессов. С помощью электронных осциллографов можно измерять частоту колебаний и снимать различного рода динамические характеристики.

Рис. 3. Схемы вклю­ чения вибратора

20

Основной частью электронного осциллографа является элек­ троннолучевая трубка (рис. 4), которая представляет собой элек­ тровакуумный прибор е цоколем 1 и стеклянной колбой 2, имею­ щей форму конуса, переходящего в цилиндр. В колбе размещены: электронный прожектор, или «электронная пушка» (нить накала 3, катод 4, управляющий электрод, или сетка, 5, аноды 6 и 7), от­ клоняющая система (две пары отклоняющих пластин 8 и 9) и эк1 ран 10.

Раскаленный нитью накала катод 4 испускает электроны. С помощью управляющего электрода 5, имеющего отрицательный потенциал по отношению к катоду, поток электронов фокусирует­ ся в узкий луч. Посредством двух анодов 6 и 7, имеющих значи­ тельный положительный потенциал по отношению к катоду, созда­ ется сильное электрическое поле, воздействующее на электронный луч точно так же, как оптические приборы на луч света. При от­ сутствии напряжения на отклоняющих пластинах 8 и 9 электрон­ ный луч проходит через всю трубку и попадает на экран 10, покры­ тый слоем люминофора. В центре экрана появится светящаяся не­ подвижная точка. При подаче некоторого постоянного напряжения к паре пластин 8 электронный луч переместится на экране вверх или вниз в зависимости от того, к какой из пластин будет при­

При подаче на вертикальные пластины исследуемого перемен­ ного напряжения электронный луч вычерчивает на экране прямую

21

устройств осциллографа; блок развертки, в который входит генера­ тор пилообразных импульсов; блок вертикального и блок го­ ризонтального усиления напряжений; блок синхронизации исследуе­ мого и пилообразного напряжения (рис. 6).

Современные электронные осциллографы позволяют проводить исследования в маломощных и высокочастотных цепях и поэтому являются незаменимыми приборами при настройке и регулирова­ нии радиотехнических схем, схем радиолокационных установок и автоматических устройств. Электронные осциллографы широко при­ меняются для точного измерения частоты, настройки генераторов электрических колебаний, исследования свойств ферромагнитных материалов. Очень удобны в работе двухлучевые осциллографы, позволяющие наблюдать одновременно два процесса.

Основным недостатком электронного осциллографа является не­ возможность исследования непериодических процессов, например кривых включения и' выключения различного рода устройств. Дру­ гим недостатком является затруднение записи кривых.

§ 5. Цифровые электроизмерительные приборы

Цифровыми электроизмерительными приборами называются приборы непосредственной оценки, в которых измеряемая величина преобразуется в дискретную форму, а результаты измерения пред­ ставляются в цифровой форме.

22

сирующего напряжения ИКН образцовые напряжения и ю начиная со старших разрядов. При приближении UKк U снизу (UK< U ) уп­ равляющее устройство дает команду оставить включенной послед­ нюю ступень С1К. Если UK станет больше, чем U, сравнивающее устройство дает команду отключить последнюю ступень UK. Про­ цесс поразрядного уравновешивания заканчивается после сравне­ ния измеряемого напряжения с полным набором образцовых на­ пряжений.

Образцовые напряжения, оставшиеся включенными управляю­ щим устройством к моменту достижения равновесия, дают вели­ чину измеряемого напряжения. Результат измерения от источника компенсирующего напряжения в виде дискретных величин посту­ пает на отсчетное устройство — цифровой индикатор И.

В реальной схеме ступеньки образцового напряжения включа­ ются по закону двоично-десятичного кода. При десятичном кодиро­ вании любая десятичная цифра образуется десятью двоичными элементами, каждый из которых имеет два устойчивых состояния (включен или выключен), т. е. принимает значения 0'и 1, а при дво­

единичном состоянии дает 2, второй — 4, третий — 2, а четвертый — 1 (код 2—4—2—1), может быть получена любая десятичная циф­ ра от 0 до 9. Это значит, что в каждом разряде вместо десяти ступенек образцовых напряжений могут подключаться только че­ тыре ступеньки. В этом случае результат измерения, поступающий в цифровой индикатор, должен быть предварительно преобразован из двоично-десятичного кода в десятичный с помощью дешифра­

тора Д.

Рассмотренный на примере цифрового вольтметра метод пре­ образования измеряемой величины в дискретную форму получил на­ звание кодоимпульсного. Существуют и другие методы преобразо­ вания, определяющие принципы действия прибора.

23

из десяти цифр. Благодаря наличию в баллоне лампы неона цифры имеют красное свечение. В оптическом устройстве маленькая ос­ вещенная цифра проектируется через оптическую систему на лам­ повое стекло. Высота цифр на экране 25 мм.

Взависимости от элементов, используемых в измерительной цепи, цифровые электроизмерительные приборы бывают электро­ механическими и электронными. В измерительной цепи электроме­ ханических приборов используются контактные переключающие элементы (электромагнитные реле, шаговые искатели), в электрон­ ных приборах — только бесконтактные переключающие элементы (электровакуумные, полупроводниковые и магнитные).

Внастоящее время наибольшее распространение получили цифровые приборы для измерения напряжения, тока, сопротивле­ ния, частоты, фазы, а также отношения этих величин. Эти же при­ боры могут быть использованы для измерения неэлектрических ве­

личин, которые предварительно преобразованы в электрические. Цифровые приборы имеют следующие преимущества перед дру­

гими измерительными приборами: удобство считывания показаний;

диапазон измеряемых величин (от 10 мВ до 1000 В у вольтметров, от 10-2 до Ю10 Гц у частотомеров, от 0 до 360° у фазомеров); нали­ чие выхода для печати; возможность введения результатов изме­ рения в вычислительную машину; возможность передачи резуль­ татов измерения на расстояние без потери точности. Поэтому, не­ смотря на значительно большую сложность и стоимость по сравне­ нию с обычными измерительными приборами, цифровые приборы широко применяются в таких областях техники, как автоматизация процессов измерения, измерение в цифровой форме изменяющихся во времени электрических и неэлектрических величин, измерение большого числа параметров в системах обегающего контроля, системах автоматического регулирования и управления.

*24

В связи с комплексной автоматизацией современного морского флота цифровые электроизмерительные приборы должны найти са­ мое широкое применение на судах и береговых установках.

§ 6. Электрические измерения неэлектрических величин

Различные производственные процессы, в том числе и эксплуатация современного судна, связаны с многочисленными измерениями различных физических величин, как электрических, так и неэлектрических, причем количество последних является пре­ обладающим.

Для измерения неэлектрических величин широкое применение получили электрические методы измерения благодаря достоинствам преобразователей, осуществляющих преобразование неэлектриче­ ских величин в электрические, и электроизмерительной аппаратуры. Преобразователи обладают большой точностью, быстродействием, достаточной простотой и надежностью, а электроизмерительная ап­ паратура— дополнительно широким диапазоном измеряемых вели­ чин. Кроме того, электрические величины — аналоги неэлектриче­ ских величин могут легко передаваться на значительные от объекта измерений расстояния одновременно в несколько пунктов. Элек­ трические величины могут хорошо наблюдаться с помощью стре­ лочных и цифровых приборов, а также записаны с помощью само­ пишущих приборов или осциллографов. И, наконец, электричес­ кие величины могут быть легко введены в аналоговые и цифровые вычислительные машины и использованы для контроля, регулиро­ вания или управления объектами.

Приборы для электрических измерений неэлектрических вели­ чин, блок-схема которых представлена на рис. 9, состоят из пре­ образователя 1, измерительной цепи 2 и электроизмерительного прибора 3.

Преобразователь 1 осуществляет преобразование входной не­ электрической величины х в электрическую величину у\. В измери­ тельной цепи 2 электрическая величина у\ преобразуется в другую электрическую величину у2, удобную для измерений в электроиз­ мерительном приборе 3. Шкала прибора 3 градуируется в единицах измерения измеряемой неэлектрической величины.

Преобразователи, в которых неэлектрические величины преоб­ разуются в такие электрические параметры, как сопротивление, ин­ дуктивность, взаимная индуктивность и емкость, называются па­ раметрическими или пассивными. Приборы с параметрическими преобразователями требуют для своей работы вспомогательных источников питания. Преобразо­ ватели, в которых измеряемая не­ электрическая величина преобра­ зуется в электрическую энергию,

25

Рис. 10. Разновидности индуктивных преобразователей:

называются генераторными или активными. Для приборов с гене­ раторными преобразователями вспомогательные источники пита­ ния необязательны.

Измеряемые неэлектрические величины многообразны, однако устройство приборов может быть сведено к измерению небольшого числа величин, а именно:

механических величин (перемещения, скорости, ускорения, си­ лы, момента, давления, деформации);

тепловых величин (температуры); расходов количества веществ; концентрации веществ и др.

Измерения линейных и угловых перемещений и ряда других ве­ личин, которые могут быть механически преобразованы в линей­ ные и угловые перемещения, являются наиболее распространенны­ ми. В судовых условиях приборы для измерения перемещений при­ меняются для наблюдения за положением различных заслонок, кла­ панов, для определения уровня жидкости, для дистанционной передачи показаний. В схемах приборов для измерения перемеще­ ний используются реостатные, индуктивные и емкостные преобразо­ ватели перемещений.

Р е о с т а т н ы е п р е о б р а з о в а т е л и являются ступенчаты­ ми (дискретными), так как непрерывному изменению измеряемой неэлектрической величины соответствует ступенчатое изменение сопротивления. Недостатком таких преобразователей являются на­

которые разновидности индуктивных преобразователей. У индук­ тивных преобразователей вследствие изменения величины воздуш­ ного зазора (рис. 10, а) или изменения величины площади воздуш­ ного зазора (рис. 10, б) под действием некоторой механической ве­ личины (линейное перемещение, механическая сила, давление) происходит изменение магнитного сопротивления магнитопровода, а значит и индуктивности катушки, надетой на сердечник и вклю­ ченной в цепь переменного тока. Изменение индуктивности ка­ тушки приводит к изменению ее индуктивного сопротивления, а со­ ответственно и тока в цепи, в которую включена катушка. Таким

26

образом, ток в цепи катушки в первом случае зависит от величи­ ны воздушного зазора, а во втором — от его площади. Преобразо­ ватель с разомкнутой магнитной цепью (рис. 10, в) представляет собой катушку, внутри которой помещен ферромагнитный сердеч­ ник. Перемещение сердечника влияет на индуктивность катушки. Первые два типа преобразователей применяются для измерения малых линейных перемещений, а последний — для измерения зна­ чительных линейных перемещений. Для измерения угловых пере­ мещений может применяться преобразователь (рис. 10, г), име­ ющий магнитопровод, в воздушном зазоре которого помещен элек­ тропроводный диск из меди или алюминия. Индуктированные в диске токи создают активные потери, влияющие на величину тока в катушке, причем эти потери зависят от положения диска.

Сравнительная простота, высокая точность, малое потребление энергии, возможность построения бесконтактных схем приборов

предопределили наибольшее распространение индуктивных преоб­ разователей.

Е м к о с т н ы е п р е о б р а з о в а т е л и являются конденсатора­ ми, емкость которых в частном случае зависит от расстояния меж­ ду обкладками, площади поверхности обкладок и диэлектрической проницаемости среды между обкладками. Если какая-либо механи­ ческая величина воздействует на эти параметры, то емкость кон­ денсатора будет функцией этой величины. Емкостные преобразова­ тели по соображениям техники безопасности пока не нашли боль­ шого применения на судах.

Т е н з о м е т р и ч е с к и е п р е о б р а з о в а т е л и деформаций — тензодатчики (рис. 11) служат для измерения деформации и меха­ нических напряжений. Они представляют собой тонкую (диаметром 0,02—0,05 мм) зигзагообразную проволоку из материала с высо­ ким удельным сопротивлением, которая с помощью прокладки приклеивается к исследуемой конструкции, например к обшивке, балкам, шпангоутам или другим деталям судна (рис. 11, а). При растяжении или сжатии детали (рис. 11, б) проволока восприни­ мает эти деформации и ее длина, сечение, а также удельное сопро­ тивление изменяются. В результате изменяется электрическое со­ противление проволоки, как некоторая функция деформаций де­ тали и напряжения в ней.

Проволочный тензометрический преобразователь включается в одно из плеч моста (рис. 11, в). При отсутствии деформаций мост

о) ' - 6) в)

27

Рис. 12. Торсиометр с магнитоупругим преобразователем

уравновешен, а при наличии деформаций изменение сопротивления Rт вызовет появление тока в диагонали моста, что может быть вос­ принято гальванометром или вибратором осциллографа, осуще­ ствляющего запись исследуемого процесса. Для уменьшения су­ щественной для тензодатчиков температурной погрешности в со­ седнее плечо моста должен быть включен такой же датчик, поме­ щенный в те же температурные условия.

Проволочные тензодатчики на бумажной основе применяются для измерения относительных деформаций от 0,005 до 2%.

О величине вращающегося момента, передаваемого от главного двигателя судовой силовой установки к гребному валу, можно су­ дить по крутильным деформациям гребного вала или по напряже­ ниям в его материале.

Напряжения в материале вала могут быть измерены с помощью проволочных тензодатчиков, наклеенных на вал. Приборы с таки­ ми датчиками установлены на ряде судов. Однако тензодатчики подвержены старению, приборы на их основе имеют трущиеся кон­ такты, погрешность измерений относительно велика и составляет от 2 до 10%.

Индуктивные преобразователи — торсиометры—-имеют мень­ шую погрешность измерений (0,5—1%). Суть их работы заключа­ ется в том, что при скручивании вала под действием крутящего момента происходит перемещение магнитопровода индуктивного преобразователя относительно якоря и изменяются индуктивные сопротивления обмоток преобразователя. Существенным недостат­ ком этих приборов является наличие трущихся контактов (токо­ съемные гдальца-щетки).

Магнитоупругие преобразователи — бесконтактные торсиомет­ ры являются более перспективными для судовых условий. Действие их основано на изменении магнитной проницаемости стали при де­ формациях. Принципиально магнитоупругий преобразователь мо­ жет быть представлен в виде двух П-образных ферромагнитных сердечников с одной общей первичной обмоткой 1, к которой под­ водится питание от сети переменного тока, и двумя раздельными вторичными обмотками 2 и 3, включенными последовательно, но встречно (рис. 12, а). П-образные сердечники ориентируются в соответствии с направлением действующих напряжений на растя­ жение и сжатие, возникающих во вращающемся валу под действи-

28

ем крутящего момента (рис12, в) и закрепляются неподвижно над валом (рис. 12, б). Магнитная проницаемость стали, из кото­ рой изготовлен вал, по направлению сжатия увеличивается, а по направлению растяжения — уменьшается. Поэтому'магнитные по­ токи, созданные первичной обмоткой в П-образных сердечниках, а соответственно и э. д. с., индуктированные во вторичных обмотках,, будут различными по . величине. Электроизмерительный прибор, включенный в цепь вторичных обмоток, отметит это различие.

Выпускаемые промышленностью магнитоупругие датчики кон­ структивно отличаются от описанного и имеют погрешности при измерениях не более 1,5%.

§ 7. Электрическое измерение температуры

Контроль и измерение температуры в различных судовых устройствах преследуют следующие цели:

получение информации о режиме работы установки; предупреждение обслуживающего персонала о предельных зна­

чениях температуры отдельных элементов установки; автоматическое регулирование температуры в заданных преде­

лах. Поясним это короткими примерами.

Температура выхлопных газов цилиндров двигателей позволяет оценить работу каждого цилиндра в отдельности и режим работы двигателя в целом. Повышение температуры обмоток электродви­ гателя выше допустимой величины может привести к аварии элек­ тродвигателя.

_При повышении температуры в холодильной камере до задан­ ной величины автоматически подается сигнал на включение элек­ тродвигателя компрессора, а при снижении температуры до уста­ новленного значения компрессор автоматически выключается.

Подобных примеров на современном судне можно найти сколько угодно.

Существует много различных методов измерения и контроля температуры, но на судах нашли распространение три из них: при помощи термопары, при помощи термосопротивлений и с использо­ ванием линейного или объемного расширения тел.

Более широкое распространение термопара получила как ин­ струмент измерения температуры. В этом случае прибор (милли­ вольтметр), измеряющий величину э. д. с. термопары, градуирует­ ся в градусах Цельсия.

Величина термо э. д. с., как известно, зависит от разности тем­ ператур спаев двух проводников из различных материалов и от самих материалов, но не зависит от способа образования спаев (сварка, пайка и т. д.). Не зависит она и от длины и характера третьего проводника при условии, что места соединения термопары с ним будут иметь одинаковую температуру. Таким третьим про­ водником является измерительный прибор.

Тот спай, который помещается в контролируемую точку, назы­ вается рабочим, а другой — свободным. Температура свободного

29