Регистрирующие приборы

Для записи величин, изменяющихся во времени, широко применяют электромеханические регистрирующие приборы - самопишущие электроизмерительные приборы и светолучевые осциллографы.

Регистрирующие приборы имеют следующую струк

BW

ИЦ - измерительная цепь,

ИМ - измерительный механизм,

РУ - регистрирующее устройство,

ОУ - отсчетное устройство.

Назначение ИЦ в том, чтобы преобразовать входную величину в, непосредственно воздействующую на ИМ.

РУ – включает в себя регистрирующий орган, носитель, механизм для перемещения носителя.

Регистрирующие приборы построены по разомкнутой схеме регулирования. В них ИМ непосредственно перемещает регистрирующий орган, используя для этого энергию входного сигнала, поэтому они потребляют значительную мощность, и имеют низкую чувствительность. Получили распространение регистрирующие вольтметры, амперметры, ваттметры, фазометры, частотомеры, в них используются магнитоэлектрические, электромагнитные и ферродинамические измерительные механизмы.

Регистрирующие электромеханические приборы предназначены для регистраций медленно изменяющихся величин (до 1 Гц).

В состав регистрирующего органа входят следующие основные элементы: материал-носитель, регистрирующий орган для нанесения знаков регистрации, устройство для перемещения носителя. Положение регистрирующего органа на плоскости определяется количественным значением измеряемой величины.

Регистрация - представление измерительной информации в форме видимых или скрытых изображений, размещенных на некоторых материальных носителях (бумаге, магнитной или фотопленке и т. п.). При регистрации используются геометрические, физические и цифровые символы; отрезки линий; интенсивность намагничивания и цветочной окраски, степень почернения фотопленки; цифры, буквы, знаки и их комбинации.

Если носителем является бумага с сеткой, то приборы называются самопишущими.

В регистрирующих приборах широко применяется метод регистрации нанесением слоя вещества на носитель: запись на диаграммной бумаге чернилами и пастой или печатанье.

К числу основных достоинств этих методов относятся долговечность документов, непосредственная видимость результата записи, удобный и дешевый носитель.

Основными элементами пишущего устройства является перо, капилляр чернильница. Причем чернильница может быть как подвижной, так и неподвижной. Недостатком такой записи являются; возможность отказа работы пишущего устройства из-за засорения пера, необходимость периодически заправлять устройство чернилами и т. д. Для устранения этих недостатков чернила подаются под давлением, разрабатываются специальные сорта чернил и т. п.

Используются красящие пасты и копировальная бумага. Применяется цифропечать. В таких приборах регистрирующим устройством является печатающая каретка. Кроме указателя на каретке закреплено металлическое колесо с выступами, на которых нанесены выпуклые знаки (точки или точки и цифры).

Печатание может осуществляться одной краской или быть многоцветным. Недостаток – потеря непрерывности.

Бумажные диаграммы обычно имеют форму ленты или диска и снабжены градуировочной сеткой, которую выполняют в прямоугольной или полярной системе координат.

На смену рулонной упаковке приходит упаковка в пачки, где лента уложена в виде “гармошки”.

Существуют методы регистрации путем снятия слоя вещества носителя. В этом случае регистрирующий орган выполняется в виде стальной иглы, резца, стержня, нагретого током. В качестве носителя используется бумага, покрытая слоем сажи, воска или лака.

Методы регистрации изменением состояния вещества носителя представляют собой большую группу различных вариантов. Их разновидности:

-Термический метод осуществляется путем теплового воздействия электрически нагретого элемента (теплового пера) на поверхностный слой теплочувствительной бумаги. При расплавлении поверхностного слоя на нем остается след от движения теплового пера в виде четкой темной линии. Используется запись на металлизированной бумаге.

1-записывающий электрод

2-барабан

3-металлизированная бумага

4-слой металла

Проводником тока служит металлизированная бумага. Под действием тока металл подъэлектродом 1 плавится, и частично выгорает, в результате чего на поверхности носителя появляется темный след движения 1.

Фотографическая запись применяется в осциллографах.

Регистрация осуществляется двумя способами и

В первом случае носитель перемещается только в одну сторону с постоянной скоростью, т.е. пропорционально времени синхронными или пружинными двигателями с регулятором скорости.

В устройствах, регистрирующих перемещение диаграммной бумаги пропорционально , а регистрирующего органа - . При неподвижной диаграмме регистрирующий орган может перемещаться по двум взаимноперпендикулярным осям пропорционально и .

АИУ уравновешивающего преобразования

Рассмотрим вначале приборы уравновешивающего преобразования, в которых процесс уравновешивания осуществляется вручную и измеряемая величина сравнивается с образцовой мерой. Такие приборы называются также приборами сравнения.

Основой прибора сравнения (уравновешивающего преобразования) является измерительная схема сравнения (ИСС), под которой понимается совокупность элементов, объединенных в определенную схему и предназначенных для осуществления процесса сравнения. Все ИСС сводятся к двум – компенсационным и мостовым. Компенсационные ИСС предназначены для сравнения напряжений, мостовые – для сравнения сопротивлений.

Приборы, в которых используются компенсационные ИСС, называются компенсаторами, а приборы, в которых применяются мостовые ИСС называются мостами.

Компенсаторы постоянного тока

Рассмотрим схему: здесь в ИСС встречно включены и

если

Т.е. скомпенсировано. Но. Следует

Точность определения зависит от точности определенияи. Если поддерживать, то(т.е.) можно отградуировать в единицах.

означает, что входное сопротивление прибора (с зажимом “”) равно, т.е. при полной компенсации от источникаток не отбирается, и не вносятся искажения в режим работы.

Чтобы обеспечить используются нормальный элемент НЭ, и схема приводится к виду:

- НЭ;- образцовое сопротивление.

Сначала ключ “к” ставится в положение “1”. В цепь, образованную элементами , Г,встречно включается два напряженияи. Реостатомизменяют ток до тех пор, пока “ Г“ покажет 0. Это будет, если

т.е. при

т.е. при вполне определенной, постоянной величине тока.

Затем “ к “ ставят в положение “ 2 “ и, неменяя , добиваются нуля гальванометра перемещением движка “ д “ по . Тогда

(1)

Выражение (1) показывает, что высокая точность обеспечивается, если

1)и - известны с большой степенью точности. Поэтому –нэ, - образцовое сопротивление, а – магазин сопротивления.

2)должен быть точно установлен факт равенства двух напряжений. Поэтому к индикатору нуля ИН предъявляют требования высокой чувствительности, и именно поэтому в роли ИН выступает гальванометр.

Компенсаторы постоянного тока выпускаются нескольких классов точности от 0,005 до 0,2.

Различают компенсаторы малого и большого сопротивления.

Компенсатор постоянного тока большого сопротивления (большого ) имеет сопротивление =10 кОм, =0,1мА, предназначен для изменения напряжений порядка 1 в - больших напряжений.

Компенсаторы постоянного тока малого сопротивления имеют =10мА с =100Ом – предназначены для измерения малых напряжений.

Пределы измерения 2.

выполняется в виде проволочных реохордов. Но с течением времени реохорды изнашиваются, поэтому в компенсаторах высоких классов точности реохорды не применяются, а используются различные переключательные схемы.

Например, шунтирующая декада - рычаги и механически скреплены. Напряжение с подается на 9 последовательно соединенных резисторов с сопротивлениями такой же величины. Тогда на каждом резисторе второй декады падение напряжения =0,1 .равно суммарному падению напряжения на участке “ вгдж“.

Независимо от положения рычагов и сопротивление цепи рабочего тока остается неизменным. Шунтирующих декад может быть несколько.

Двойная декада

Две одинаковые декады включены последовательно. Здесь напряжение снимается с участка “ вг“ тогда, как сопротивление рабочему току не меняется.

В компенсаторы постоянного тока малого сопротивления применять трущиеся контакты в главной цепи нельзя, т.к. это может привести к значительному изменению сопротивления рабочей цепи, а оно невелико.

Здесь используются схемы с изменяющейся величиной рабочего тока. Например, схема В.С. Уманцева. создается на постоянных по величине резисторах, по которым

протекают токи зависит от этих токов, т.е. от положения движков на контактах. Еслии- номера контактов, на которых находятся движки

и, то

иотличаются друг от друга в 10 раз.

Определяются они резисторами и, т.к.и>>Если “ Г“ показывает 0, тоотсчитывается по положению щеток, причем каждая щетка дает свой десятичный знак.

Требуемый рабочий ток устанавливается аналогично предыдущему (не изображен, реостат также).

Компенсаторы постоянного тока могут быть использованы для измерения токов и сопротивлений по следующим схемам.

Основные источники погрешности:

-нестабильность

-порог чувствительности НИ.

Истинное

Компенсаторы переменного тока

Компенсаторы переменного тока так же, как и компенсаторы постоянного тока производят измерение напряжения путем его сравнения с известным, но уравновешивать нужно не только модуль напряжения, но и его форму. Уравновешивание основано на том принципе, что ток на участке цепи отсутствует, если к нему приложены равные по величине и противоположные по фазе напряжения.

На переменном токе отсутствует эталонный источник, аналогичный нормальному элементу, поэтому компенсаторы переменного тока менее точны, чем компенсаторы постоянного тока: рабочий ток в них приходится устанавливать по амперметру.

Компенсаторы переменного тока бывают двух типов:

1. Компенсаторы, снабженные фазорегулятором и измеряющие напряжение в полярной системе координат – полярно - координатные компенсаторы.

2. Компенсаторы, имеющие две рабочие цепи, напряжения которых сдвинуты на 90⁰. Они измеряют составляющие вектора напряжения и называются прямоугольно – координатными компенсаторами переменного тока.

Тв. – воздушный трансформатор.

аб, вг – реохорды.

устанавливается по амперметру определенной величины. Токсоздает падение напряжения, на проволоке аб, которое совпадает по фазе с, т.к. сопротивление контура 1 преимущественно активное. Т.к. , томожет быть отградуирован в единицах

Во вторичной обмотке Тв наводится эдс

.

- длина магнитной силовой линии.

Т.е. между исдвиг по фазе 90⁰. Эта эдс создает в контуре 2 ток

(1)

М – взаимная индуктивность между первичной и вторичной обмотками Тв.

- сопротивление контура 2, носит активный характер.

Ток совпадает по фазе с . создает на “ вг“ падение напряжения , которое совпадает по фазе с . Следовательно, (1) показывает, что если , то автоматически, и амперметр в контур 2 не ставится. Для регулировки при измененииставится сопротивление . Реохорд “ вг“ в единицах напряжения может быть отградуирован. Таким образом сдвиг по фазе между и составляет 90⁰. Центры реохордов, точки и электрически соединены между собой. и создают электрическую прямоугольную систему координат. Главная цепь конденсатора содержит , ИР.

Производят перемещение движков идо тех пор, пока ИР покажет 0, тем самым получают на “ аб“ и “ вг“ составляющие вектора напряжения, равного по модулю измеряемому, а по фазе сдвинутого на 180⁰– составляющие вектора компенсирующего напряжения - и

; .

Погрешность компенсатора в значительной степени определяется относительной погрешностью установки рабочего тока по амперметру и в лучшем случае составляет 0,1%.

идолжны быть одинаковой частоты. Если– чистая синусоида, асодержит еще и высшие гармоники, то уравновешивается только 1^аягармоника, т.е. в общем случае полной компенсации получить нельзя.

ИР – резонансный гальванометр.

Полярно-координатный компенсатор

При измерении в полярной системе координат модульопределяют по положению движковина шкале калиброванной проволоки “ аб“ и магазине “ бв“. устанавливают по амперметру,

а фаза регулируется фазорегулятором Ф. Регулируя модуль движками и ,

и, изменяя фазу поворотом ротора Ф.,

добиваются отсутствия отклонения ИР. Тогда , а , определяется по положению движков и , а – по положению ротора фазорегулятора.

Мосты постоянного тока

Вмостах применяется мостовая ИСС, под которой понимается четырехполюсник, к двум входным зажимам которого (аб) присоединяется источник питания, к двум выходным вг – индикатор равновесия – гальванометр “ Г“. аб входная диагональ, вг - нагрузочная. - плечи моста.

На основании теоремы о эквивалентном генераторе

(1)

Мост в равновесии, если , т.е, если

отсюда равновесие моста

(2) – произведение сопротивлений противоположных плеч моста равны между собой.

Выражение (2) показывает, как с помощью моста измерять сопротивления: если в плечо поставить неизвестное сопротивление , а в остальные плечи магазины сопротивлений, и уравновесить мост, то на основе (2) получим:

(3)

- плечи отношений. Обычно

n– целое число от –5 до +5.

- плечо уравновешивания.

(3) показывает, что неизвестное сопротивление определяется путем его сравнения с известными. Точность работы моста обеспечивается, если:

1. известны с большой степенью точности. Поетому в качествевыбраны магазины сопротивлений.

2. Точно установлен факт равновесия моста. Поэтому к индикатору равновесия предъявляется требование высокой чувствительности. В качестве индикатора равновесия используется магнитоэлектрический гальванометр.

Для моста характерна высокая чувствительность

При наличии гальванометра, чувствительность

чувствительность гальванометра.

Еще пользуются выражением

Рассмотрим режим вблизи точки равновесия, который характеризуется выполнением двух условий:

1. предварительно мост был уравновешан

и

2. плечо получило приращение

Тогда в соотвестии с (1)

т.е. вблизи точки равновесия пропорциональнои выражения для чувствительности примут вид:

Представляют интерес оптимальные параметры, при которых чувствительность наибольшая.

Для ЭМ гальванометра

мощность, потребляемая гальванометром.

Это выражение можно исследовать на экстремум для каждого коекретного случая. В частности, если мост равноплечий, т.е. , то максимум чувствительности будет иметь место при

Приборы, построенные по схеме рисунка 1, называются одинарными мостами, они выпускаются двух типов в соответствии с тем, как осуществляется процесс уравновешивания; либо изменением отношения при неизменном– линейные мосты, либо изменениемпри постоянном отношениимагазинные мосты.

линейный мост

магазинный мост

Для измерения малых сопротивлений(<10 Ом) сопротивления соединительных проводов будут вносить значительную погрешность. Для этих целей используются двойные мосты (мост Томсона).

Здесь– сопротивление соединительного провода.

Если мост в равновесии, то

Отсюда можно получить

Если механически связать рукоятки сопротивлений и , а также и с тем, чтобы изменение , необходимое для уравновешивания моста (первое слагаемое), сопровождалось равным изменением сопротивления (соответственно ) и чтобы всегда соблюдалось равенство , то дополнительное слагаемое обратитя в ноль. И это исключит погрешность от сопротивления “ “. Предел измерения до 10^-6Ом.

Часто мосты выполняются так, что не требуется производить операции уравновешивания. Измеряемая величина отчитывается по показанию гальванометра. Например, при многократных измерениях степени отклонения измеряемого сопротивления от заданной величины. Тогда заранее мост уравновешивается на заданную величину, а затем по показаниям гальванометра судят о степени отклонения. Шкале “ Г“ градуируется в % от номинального значения. И мосты называются процентными.

Класс точности 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0; 5,0.

Мосты переменного тока

комплексные сопротивления.

Если ИР показывает 0, то потенциал точки “ в“ равен потенциалу точки “ г“, а это значит, что

(1) и (2)

Разделим (1) друг на друга с учетом (2)

(3), т.е. для равновесия мостов переменного тока произведения комплексных сопротивлений противоположных плеч моста должны быть равны. (3) можно записать так

(4)

(5)

Т.е. для равновесия мостов переменного тока должно выполняться два условия: произведения модулей противоположных плеч должны быть равны, и суммы аргументов противоположный плеч должны быть равны.

Если (3) представить следующим образом

то

(6)

Выражения (4), (5) и (6) показывают, что не при любых сопротивлениях можно уравновесить мост. И возникает вопрос о сходимости мостов переменного тока. Под сходимостью мостов переменного тока понимают их способность достигать положения равновесия.

Выражения (4), (5), (6) показывают также, что в общем случае равновесие моста может быть достигнуто лишь на одной частоте.

Однако, если выполнить условие, например, то (6) примет вид

т.е. равновесие моста может быть достигнуто при любой частоте.

В зависимости от того, зависят или не зависят условия равновесия моста от частоты, мосты переменного тока делятся на частотозависимые и частотонезависиые.

В частотозависимых мостах при искажении формы кривой напряжения U, равновесие может быть достигнуто только для основной волны.

Чувствительность мостов переменного тока оценивается по отношению к напряжению, если роль ИР выполняет электронный вольтметр.

В режиме вблизи точки равновесия, т.е. когда

1. 

2. будем иметь

Чувствительность моста

Исследование проведенного выражения на экстремум чувствительности, показало, что maxимеет место, когда мост симметричен, т.е.ии фазовый угол плеч, расположенных по обе стороны от индикатора равновесия, равен, т.е. плечи составлены из индуктивности и емкости. Но из-за наличия потерь точно выполнить это условие невозможно.

Мосты переменного тока применяются для измерения R,L,C,Mи частоты.

Приборы с автоматическим уравновешиванием

Приборы, в которых некоторые операции процесса измерения (например, уравновешивание) автоматизированы, называются автоматическими.

Процесс уравновешивания может осуществляться непрерывно (следящее уравновешивание). Приборы следящего уравновешивания разделяются на приборы со статической характеристикой (без интегрирующих звеньев) и с астатической характеристикой (с интегрирующим звеном).

αРП

а) структура прибора статического типа.

x_k

б) структура прибора астатического типа.

Выходной величиной замкнутой части схемы (а) является напряжение или ток, который измеряют и регистрируются регистрирующим прибором прямого преобразования.

Выходной величиной замкнутой части схемы (б) является угол поворота двигателя , или редуктора . В звено РУ обычно входит линейно перемещающаяся каретка, на которой укреплены стрелка и регистрирующий орган. Вращение выходного вала редуктора преобразуется в линейное перемещение каретки специальной механической передачей МП. “ОП“ предназначен для того, чтобы создать компенсирующую величину ““, однородную с ““, для сравнения с последней.

Автоматические приборы следящего уравновешивания со статической характеристикой

В зависимости от рода измеряемой величины аналоговые измерительные приборы со статической характеристикой делятся на:

1. компенсационные приборы для измерения малых токов и напряжений (компенсационные милливольтметры и миллиамперметры);

2. автоматические мосты;

3. компенсаторы моментов.

Основные соотношения для таких приборов можно получить, рассматривая автокомпенсаторы напряжения (компенсационные милливольтметры).

Они представляют собой усилители, охваченные глубокой отрицательной связью, с выходными приборами. Строится по следующим блок-схемам.

E_x,r_x U_ВХ

U_k r_ВХ

r_k

r_д

с выходом по напряжению

E_x,r_x U_ВХ

r_k r_ВХ

U_k I_ВЫХ

r_д

с выходом по току

На выходе может стоять регистрирующий прибор.

Для схемы (1) в измерительной схеме сравнения и направлены встречно и

(1)

где коэффициент преобразования ИСС, обычно и

коэффициент усиления усилителя.

(2)

(3)

коэффициент преобразования цепи ОП.

Решая совместно (1) и (3), получаем

(4)

Имея в виду, что выходной величиной является угол поворота выходного прибора , получим

(5)

чувствительность выходного прибора,

чувствительность компенсаторного прибора.

При рассмотрении метрологических свойств компенсаторных приборов удобно пользоваться коэффициентом статизма.

Введем в уравнение шкалы

Рассмотрим влияние различных факторов на статическую погрешность прибора.

Будем искать погрешность в виде

Дифференцируя (4), получим

(3)

Выражение (5) показывает, что нестабильность коэффициентов преобразования звеньев канала прямого преобразования, влияет на погрешность компенсационных приборов в “ “ раз меньше, чем у приборов прямого преобразования. А нестабильность коэффициента преобразования звеньев канала обратного преобразования определяет погрешность всего прибора в целом. в зависимости от требуемой точности выбирают равным 0,020,002, а по возможности стараются стабилизировать. Например, в данной схеме

т.е. погрешность будет иметь минимальное значение, когда

т. е. когда температурные коэффициенты сопротивления резисторов иравны.

Пределом уменьшения является потеря устойчивости системы, т. к. при этом увеличивается

Относительная погрешность от дрейфа нуля и порогов чувствительности звеньев, как следует из выражения (5), не зависти от глубины отрицательной обратной связи, а определяется только коэффициентом передач звеньев, находящихся в прямой цепи перед звеном - источником помех. Т.е. компенсационные приборы в отношении помех в виде дрейфа нуля и пороговой чувствительности звеньев не имеют преимуществ по сравнению с приборами прямого преобразования.

Результирующая погрешность прибора при наличии самописца на выходе

- погрешность от дрейфа нуля,

- погрешность от порога чувствительности,

- погрешность выходного самописца.

Автоматические мосты статического типа

Автоматические мосты бывают уравновешанные и неуравновешанные.

Представлена схема неуравновешанного моста, работающего в комплекте с термометром сопротивления . выходной измерительный прибор ИП – логометр.

компенсируется(некомпенсацией пренебрегаем)

отсюда

температурный коэффициент сопротивления материала термометра сопротивления.

измеряемая температура.

напряжение питания моста.

Таким образом , что требует либо стабилизации напряжения питания, либо применения логометра в качестве выходного измерителя.