Тема 5: Електровимірювальні прилади прямого

перетворення.

2.5.1 Аналогові вимірювальні прилади.

Основну групу аналогових вимірювальних приладів прямого перетворення складають електромеханічні прилади принцип дії яких полягає у перетворенні електромагнітної або електричної енергії у механічну енергію переміщення рухомої частини приладу. Узагальнена структурна схема таких приладів складається з послідовно з’єднанних вимірювального кола, вимірювального механізму та відлікового пристрою. Призначення вимірювального кола – перетворення вимірювальної величини (напруги,струму) у де-яку проміжну електричну величину (напруга, сила струму), функціонально зв’язану з вимірювальною величиною і беспосередньо діючу на вимірювальний механизм.

Вимірювальній механізм , що складається з рухомої і нерухомої частин призначено для перетворення електромагнітної або електричної енергії вихідної величини вимірювального кола у механічну енергію, необхідну для переміщення рухомої частини вимірювального механізму. Під дією вимірювальної величини у вимірювальному механізмі виникає обертаючий момент, що є функцією вимірювальної величини Х

і який намагається повернути рухому частину вимірювального механізму. Для того, щоб кут повороту рухомої частини вимірювального механізму був однозначно зв’язаний із значенням ВВ X у вимірювальному приладі при повороті рухомої частини створюється протидіючий момент, направлений на зустріч обертаючому момнту і залежіть від кута повороту вимірювального механізму :

Усталене відхилення рухомої частини вимірювального механізму визначається рівністю . Очевидно, що при цьому. В більшості електровимірювальних приладів протидіючий момент створюється механічним способом за допомогою пружинних елементів (спіральних пружин у вимірювальних механізмах з рухомою частиною на кернових опорах або пружних розтяжок, на яких кріпиться рухома частина вимірювального механізму).

Однак в так званих логометричних приладах протидіючий момент створюється електричним способом: тут у вимірювальному механізмі є дві рамки, при протіканні через них елементарного струму виникають два зустрічних обертаючих момента : обертаючий та протидіючий. Відхилення рухомої частини логометра пропорційне відношенню електричних струмів, що протікають через відповідні рамки, а кут відхилення вимірювального механізму буде ;

Відчитовий пристрій служить для одержання відчиту значень вимірювальної величини і складається із шкали і показника (стрілочного або світлового променя відбитого рухомим дзеркальцем відчитовоно пристроя). Школа відчитового пристрою являється собою сукупність відміток , що відповідають ряду послідовніх значень вимірювальних величин.

Залежно від особливостей перетворення вимірювального параметра у переміщення рухомої частини вимірювального механізму аналогові вимірювальні прилади поділяються на магнітоелектричні, електромагнітні, електродинамічні, феродинамічні, індукційні, електростатичні, випрямні та електроні прилади.

1. Магнітоелектричні прилади.

Робота цих приладів грунтується на взаємодії у вимірювальному механізмі поля сталого магніту із струму, що протікає по рамці вимірювального механізму.

На базі магнітоелектричних вимірювальних механізмів випускаються вимірювальні прилади постійного струму.

2. Електромагнітні прилади.

Принцип дії грунтується на взаємодії магнітного поля нерухомої котушки із струмом і рухомого феромагнітного осердя, закріпленого на вісі вимірювального механізму. Усталене відхилення покажчика прилада залежить від квадрата вимірювального струму і таким чином не залежить від полярності вимірювального струму, тобто такі прилади можна використовувати у колах як постійного так і перемінного струмів.

3. Електромагнітні і феродинамічні прилади.

Робота грунтується на взаємодії магнітних потоків двох котушок: рухомої і нерухомої. У феродинамічних приладах нерухома котушка для збільшення обертаючого моменту вимірювального механізму і зменшення впливу зовнішніх магнітних полів розташована на магнітопроводі з листового магнітом’якого матеріалу. Ці прилади придатні для вимірювання як постійного так і перемінного струму.

4. Електростатичні прилади.

Вимірювальний механізм цих приладів працює на принципі взаємодії електрично заряджених тіл, конструктивно він являє собою розділені діелектриком рухомий і нерухомий електроди, які утворюють конденсатор. Якщо до електродів прикласти вимірювач напруги, то різниця пртенціалів між ними викличе обертаючий момент, відхиляючий рухомий електрод і зв’язаний з ним покажчик приладу на кут ,усталене значення якого є функція , деU – значення напруги постійного струму або діюче значення напруги перемінного струму. На базі таких вимірювальних механізмів створюються високовольтні вольтметри, верхня границя в яких 300 кіловольт.

5. Випрямні прилади.

Будуються шляхом поєднання перетворювачів (одно- чи двополуперіодних схем випрямлячів перетворювачів) вимірювального параметра у постійний струм або напругу і магнітоелектричного вимірювального механізму.

6. Індукційні прилади.

Дія цих приладів грунтується на взаємодії перемінних магнітних потоків з вихровими струмами, наведеними у рухомому елементі вимірювального механізму, здебільшого феромагнітного диску. В результаті кількість обертів диска пропорційна вимірювальній енергії і розглянутий прилад є лічильником енергії. Відчит показвнь лічильника робиться лічильним механізмом, який приводить ся у рух за допомогою черв’ячної передачі, зв’язаної з віссю диска.

7. Електронні прилади.

Аналогові електронні прилади прямого перетворення поєднують в собі електронні перетворювачі вимірювальної величини у постійну напругу або струм і магнітоелектричний прилад. При цьому електронна схема не тільки перетворює але і підсилює вимірювальний сигнал. Найбільше поширення мають електронні вольтметри.

8. Електронно-променеві осцилографи.

Електронно-променеві осцилографи – це електронні прилади для аналізу характеристик електричних сигналів, що змінюються у часі. Основною складовою частиною осцилографа є електронно-променева трубка з одним чикількома керованими променями, кожний з яких являє собою сфокусований пучок швидкорухомих електронів. На шляху до покритого люмінофором екрану трубки пучок проходить між двома парами відхиляючих пластин вертикаьного та горизонтального відхилення. Під дією напруги, прикладеної до відповідної пари пластин, промінь і засвічувана ним світлова точка на люмінофорі екрана переміщується у вертикальному і горизонтальному напрямках.

Досліджуваний сигнал подається на пластини вертикального відхилення (вісь У). Розгорнуте у часі зображення досліджуваного сигналу буде одержано, якщо до горизонтальної пари пластин прикласти лінійно-змінювану у часі напругу. Для цього в схемі осцилографа є генератор розгортки, що виробляє пілкоподібну напругу. Частота генератора напруги розгортки може регулюватися, бо тільки при рівності або кратності частоти напруги розгортки частоті досліджуваного процесу зображення періодичного процесу на екрані осцилографа буде нерухоме.

Для дослідження однократних неперіодичних та імпульсних процесів в схемі осцилографа є так звана “чекаюча розгортка”, при якій на відхиляючі пластини електронно-променевої трубки напруга подається тільки при надходженні досліджуваного сигналу.

В момент закінчення розгортки промінь запирається і світлова точка зникає з екрана до надходження нового пускового імпульсу “чекаючої розгортки”

Багатопроменеві осцилографи (частіше двопроменеві) мають можливість спостеругати одноразово одночасно кілька процесів, при цього один з каналів – променів можна використовувати для побудови масщтабу часу, подавши на нього напругу еталонної частоти.

9. Регіструючі прилади прямого

перетворення.

До регіструючих приладів прямого перетворення відносяться:

• самопишучі прилади (самописці));

• світлопроменневі шлейфові осцилографи.

1. Самописці.

Створюються на базі електромеханічних показуючих приладів шляхом додаткового оснащення їх реєструючим пристроєм. Реєструючий пристрій складається з реєструючого елемента (частіше за все – це перо спеціальної конструкції з чорнилом чи пастою) та носія зображень (паперових стрічки або круга). Реєструючий елемент переміщується за рахунок енергії вимірювального сигналу, а переміщення носія зображень здійснюється пружинним або електричним двигуном.

2. Світлопроменневі шлейфові осцилографи.

Призначені для візуального спостереження електричних сигналівта їх реєстрації на фоточутливому матеріалі (фотоплівці чи фотопапері). Працюють шлейфові осцилографи таким чином:

• контрольований сигнал у вигляді електричного струму проходить по обмотці гальванометра (шлейфа або вібратора), на рухомій частині якого закріплено дзеркальце, що відбиває падаючи на нього світловий промінь. Кут відхилення променя пропорційний струму шлейфа. Оптична система осцилографа розділяє відбитий промінь на два променя, один промінь проецірується на рухому фотоплівку або фотопапір (реєстрація у вигляді осцилограми), другий спрямовується на обертовий багатогранний дзеркальний барабан, здійснюючий на матовому склі розгортку досліджуваного процесу в часі (візуальне спостереження).

Змінюючи швидкіть обертання барабану можна “зупинити” на екрані досліджуваний періодичний процес.

2.5.2 Цифровi елекронно-вимiрювальнi прилади.

Узагальнена структурна схема цифрового електровимiрювального приладу має такий вигляд:

Тут АП - аналоговий перетворювач для масштабування та перетворення одних електричних величин в iншi з визначеною iнтенсивностю, розподiленням у часi і тому подібне (наприклад, перетворення напруги або сили перемінного струму у напругу постійного струму); перетворення різних електричних величин у часовий інтервал і т.д.

АЦП - аналогово-цифровий перетворювач, що перетворює неперервний вихідний сигнал АП у вiдповiдну цифрову кодовану форму.

ОП – обчислювальний пристрій, обробляючий інформацію, що міститься у віхідних сигналах АЦП.

ПI - пристрiй iндикацiї, який мiстить у собi дешифратор для перетворення кодів вихідний кодів сигналів обчислювального пристроя у десятичий цифровий код, схема керування iндикатором та власне iндикатор.

ПК - пристрiй керування, що задає алгоритм вимiрювання та керує роботою АП, АЦП, ОП, ПI. Номенклатура цифрових елекронно-вимiрювальних приладiв практично не вiдрiзняється вiд номенклатури аналогових приладiв.Основнi переваги цифрових вимірювальних приладів такі:

а) об`єктивнiсть i зручнiсть відліку i реєстрацiї результатiв вимiрювань;

б) можливiсть прямого застосування в системах автоматичного конторлю та технічної диагностики;

в) можливість використання більш високих, ніж у аналогових приладів точності і швидкодії. Так цифрові вимірювально прилади мають принципово більші можливості підвищення точності ніж аналогові, бо точність відліку в аналогових приладах обмежена позмірами їх шкал. Для досягнення похибки відліку 0,001% в показуючому приладі необхідна шкала довжиною 10 метрів, а для цифрового прилада ширина його табло буде обмежена шириною індикатора на 5 двійковиї розрядів, для чого достатньо 100-120мм.

До недоліків цифрових вимірювальних приладів можна віднестм недостатню наочність інформації в де-яких застосуваннях (критичні режими).