Программируемые устройства. Микропроцессоры



Программируемые цифровые и логические устройства представ­ляют собой универсальные технические средства для создания элек­тронных устройств различного назначения.

Они основаны на применении арифметико-логического устрой­ства (АЛУ), выполняющего арифметические и логические опера­ции над входными величинами А и В в двоичном коде в зависимос­ти от сигналов на управляющих входах М, S0, Si, S2, S3, и на переносе

а                               б                                    в

Рис. 10.123


 

Р0 из внешних цепей (рис. 10.124,а). Результат операции определя­ется совокупностью сигналов на выходахFи переноса Р4 из старше­го разряда. При М = 0 выполняются арифметические (сложение А и В, сложение А и В с добавлением Р0_в младший разряд и т.д.), а при М = 1 — логические (F =A, F = В и т.д.) операции. Комбина­ция сигналов S0... определяет, какая именно операция выполня­ется.

Несмотря на разнообразие операций, выполняемых АЛУ, им при­сущи недостатки: отсутствуют операции умножения, деления и т.д. Эта ограниченность преодолена в микропроцессорах.

Микропроцессор (МП) — это информационное устройство, кото­рое по программе, задаваемой управляющими сигналами, обраба­тывает информацию, т. е. реализует операции: арифметические, ло­гические, ввода, вывода и т.д.

РОН

Ро АЛУ    
А,      
а2      
—— А3 а4    
--- Вг в2   f2
  в3 в4   F3
М   f4
Sa      
Si      
S2      
Sz      

Упрощенная структурная схема одного из МП (рис. 10.124, б) со­стоит из АЛУ и совокупности п параллельных регистров по га раз­рядов общего назначения (РОН) дня хранения двоичных чисел, ис­
пользуемых в процессе вычислений. В состав МП входят также два параллельных буферных регистра (БР), предназначенных для крат­ковременного хранения чисел АиВво время выполнения операции АЛУ, и устройство управления (УУ), которое задает режимы рабо­ты всех элементов МП.

При работе МП числа А и В, над которыми выполняется опера­ция, передаются по магистрали последовательно из РОН на буфер­ные регистры БРА и БРД Затем по команде АЛУ производит ука­занную операцию, а результат ее по внутренней магистрали переда­ется в РОН. Обычно для этой цели выделяется специальный регистр РОН, называемый аккумулятором, в котором ранее записанное чис­ло стирается. Например, сложение трех чисел выполняется таким образом: сначала складываются два первых числа и результат запи­сывается в РОН. Затем в АЛУ поступают результат этого сложения и третье число, вычисляется окончательный результат и записыва­ется в РОН.

Последовательность выполнения операций практически не огра­ничивает функциональные возможности МП. Однако эффектив­ность применения МП значительно возрастает, если его снабдить дополнительными устройствами для хранения информации и обмена ею с внешними устройствами.

МикроЭВМ — это устройства на основе МП, а также запоминаю­щих устройств (ЗУ), устройств управления и средств связи с пери­ферийными устройствами (интерфейс). Управляющая микроЭВМ должна иметь средства сопряжения с объектом управления: датчи­ки, АЦП, ЦАП. Совокупность микроЭВМ и средств сопряжения образует микропроцессорную систему.

Структурная схема микроЭВМ (рис. 10.125) содержит устрой­ства ввода (УВв) и вывода (УВыв), порты ввода и вывода, централь­ный МП с АЛУ, устройством управления и регистрами общего на­значения, а также постоянные (ПЗУ) и оперативные (ОЗУ) запо­минающие устройства.

В качестве УВв служат магнитные головки, телетайпы, АЦП: в качестве УВыв — дисплеи, печатающие устройства, ЦАП и т. п. Пор­ты ввода и вывода предназначены для кратковременного хранения информации в процессе ввода, вывода и переключения каналов.

Входная информация делится на данные, над которыми выпол­няются операции, и программу, т. е. последовательность команд, опи­сывающих выполняемые операции. Данные и программа задаются совокупностью слов разной длины в виде двоичных чисел с числом разрядов, кратным 8(1 байт).

Данные УВв поступают в порт ввода. Сигналы управления вы­бирают необходимый порт, обеспечивают запись данных, временное хранение в порте, а затем их передачу в магистраль данных, состоя­щих из совокупности т проводящих линий, обеспечивающих пере­дачу га-разрядного слова. При магистральной организации связей


«а =!>

Адреса

Шк

МА /

5L

не:

Порт ввода

за

ЗУ

Порт вывода

ГТС

УВв

МП

УВыв

ОЗУ

ПЗУ

Л- о —М


 



ft

< Я

МД

Данные


 



МУ

WZZZZ2ZZZZ

хчччЧЧЧ\УЧЧЧЧЧЧ\ЧЧЧУЧЧЧУЧЧЧЧЧЧ


Команды в МП представляются в виде многоразрядных двоич­ных слов, например команда «Послать в РОН содержимое ячейки памяти с номером 15488» выглядит так:

РОИ 1010 ООН 110Q 1000 0000, 1  2     3

где первый байт — это код операции, содержимое второго и третьего байтов — код номера ячейки памяти (15 488 в двоичном коде).

Записи программ проще на языке Ассемблер, который допускает запись команд с клавиатуры или перфоленты в форме, отражающей их смысловое содержание. Например, команда ADD — сложение, MOV — передача данных и т. п. Перевод языка Ассемблер на язык двоичных кодов производится специальной программой, которая размещается, например, в ПЗУ микроЭВМ.

Аналогично можно применять для программирования на микро­ЭВМ языки высокого уровня: ФОРТРАН, ПЛ и др. При этом, одна­ко, упрощение программирования сопровождается увеличением времени трансляции и необходимого объема памяти машины. Для управляющих микроЭВМ, встроенных в различные устройства и работающих в реальном масштабе времени, такое программирова­ние, как правило, неприемлемо.


ГЛАВА И

ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

11.1. Общие сведения об электровакуумных электронных

приборах

Различают электронные и газоразрядные электровакуумные приборы.

Электронными называют приборы, в которых ток представляет собой движение электронов практически в вакууме (Ю-5—10~4 Па), причем их движение происходит без столкновений с молекулами газа (при указанных разрежениях 108—109 молекул в 1 см3).

Газоразрядными называют приборы с электрическим разрядом в газе или парах металлов. Эти приборы и основные процессы в них будут рассмотрены в дальнейшем.

К электронным приборам относятся: электронные лампы — дио­ды, триоды, пентоды и пр.; электронно-лучевые приборы — кинес­копы, телевизионные, осциллографические и запоминающие труб­ки и пр.; электронные сверхвысокочастотные приборы — клистро­ны, магнетроны и др.

Для создания внутри прибора между электродами (в вакууме) потока электронов необходима электронная эмиссия. Так принято называть выход свободных электронов в вакуум или в газ из твер­дых или жидких материалов. Работа выхода, например, для плати­ны 5,32 эВ, вольфрама 4,60 эВ, ртути 4,52 эВ, меди 4,26 эВ, тория 3,35 эВ, цезия 1,81 эВ.

В зависимости от того, как получает материал эту энергию, разли­чают следующие виды электронной эмиссии: термоэлектронную, вто­ричную электронную, фотоэлектронную и автоэлектронную. В элек­тронных лампах, электронно-лучевых приборах и большинстве дру­гих электровакуумных приборов используется явлениетермоэлект­ронной эмиссии — испускание электронов телом при нагревании.

11.2. Электровакуумные электронные лампы и индикаторы

Диод по своему устройству — простейшая из электронных ламп. Его основные части (рис. 11.1): стеклянный (или металлический) баллон, откачанный до высокого вакуума, и два электрода — анод и катод, помещенные внутри баллона. Катод (К) прямого накала у электронных ламп представляют собой металлическую нить (про­волоку), форма которой зависит от конструкции данного прибора. Она закрепляется держателями или натягивается одной или несколь­кими пружинами. Никелевый или молибденовый анод (А) имеет цилиндрическую или коробчатую форму и охватывает катод.

Катод прямого канала обычно нагревается постоянным током от источника низкого напряжения (2 — 30 В). Использование для этой цели переменного тока промышленной частоты 50 Гц может выз­вать изменение температуры катода, а следовательно, и тока в диоде с удвоенной частотой (см. рис. 2.29, а), что в некоторых случаях не­допустимо. От этого недостатка свободны подогревные катоды, в которых нить подогревателя отделена от катода изолирующим на- гревостойким материалом.

Чтобы направить эмиттированные катодом электроны к аноду, необходимо создать между катодом и анодом электрическое поле, направленное от анода к катоду. В простейшем случае для этой цели может служить аккумуляторная батарея напряжением 20 — 100 В. Отрицательный полюс батареи должен быть соединен с катодом, положительный полюс — с анодом. Под действием сил электричес­кого поля эмиттируемые катодом электроны движутся к аноду, об­разуя ток в вакуумном промежутке.

На рис. 11.2 показаны вольт-амперные характеристики диода — зависимость анодного тока 1А от напряженияUAмежду анодом и ка­тодом при разных токах накала /иак.

Основными параметрами электровакуумных диодов, так же как и полупроводниковых диодов (см. 10.3), служат допустимые пря­мое напряжение С/пр и прямой ток /пр, обратное напряжение £/0г>р и обратный ток /обр.

Основным назначением электровакуумных диодов является вып­рямление переменного тока. В зависимости от назначения электро­вакуумные диоды делятся на две группы: кенотроны — электрова­куумные диоды большой мощности, предназначены для работы в



выпрямителях источников питания; детекторные диоды — элект­ровакуумные приборы малой мощности, предназначены для рабо­ты в выпрямителях переменного тока высокой частоты, в том числе при детектировании радиосигналов.

Трехэлектродная лампа — триод — отличается от диода тем, что между катодом и анодом находится промежуточный электрод — уп­равляющая сетка С. Название объясняется тем, что в первых элект­ровакуумных триодах и в настоящее время в триодах большой мощ­ности этот электрод выполняется в виде металлической сетки. В современных лампах сетка выполняется в виде проволочной спира­ли. Посредством малого изменения напряжения между управляю­щей сеткой и катодом можно получить значительное изменение по­тока электронов между катодом и анодом, т. е. анодного тока. Уси­лительное действие управляющей сетки объясняется тем, что она расположена значительно ближе к катоду, чем анод, и частично эк­ранирует катод от действия электрического поля анода.

Электровакуумный триод может быть включен по схеме с общим катодом, с общим анодом и с общей сеткой аналогично трем схемам полупроводникового транзистора. Однако наибольшее практичес­кое распространение имеет схема включения электровакуумного триода с общим катодом (рис. 11.3), подобная схеме включения тран­зистора с ОЭ (см. рис. 10.62).

К основным достоинствам электровакуумного триода, так же как и других электровакуумных приборов, относится большая стабиль­ность их параметров к внешним воздействиям (в первую очередь тем­пературе), чем у функционально аналогичных полупроводниковых приборов.

Для уменьшения связи между цепями управления и нагрузки через емкость между анодом и управляющей сеткой и ослабления действия других нежелательных явлений применяются тетроды и пентоды.

Тетрод — это четырехэлектродная электронная лампа, которая отличается от электровакуумного триода наличием экранирующей сетки, конструктивно расположенной между анодом и управляющей



О    100 200 300 иА, В

Рис. 11.5

1/

/I

/ U / I

Рис. 11.6


 



сеткой (рис. 11.4). Напряжение между экранирующей сеткой и ка­тодом иэ поддерживается неизменным и равным 15 — 100% номи­нального значения анодного напряженияUA.

В отличие от тетрода пентод имеет третью сетку, расположенную между экранирующей сеткой и анодом. Обычно эта сетка соединя­ется непосредственно с катодом (рис. 11.5).

Включение тетрода и пентода в цепь усилителя аналогично вклю­чению электровакуумного триода.

Электровакуумные индикаторы содержат последовательно рас­положенные один за другим катод, управляющую сетку и несколько анодов (рис. 11.6, а). Аноды размещаются в одной плоскости и вы­полняются в виде совокупности знакосинтезирующих элементов, покрытых люминофором и имеющих отдельные выводы. При поло­жительном относительно катода потенциале управляющей сетки электроны попадают на те элементы анода, к которым приложено положительное относительно катода напряжение (рис. 11.6, б), вы­зывая свечение люминофора.

11.3. Общие сведения об электровакуумных газоразрядных приборах

Разреженный газ, наполняющий предварительно откачанный до вакуума баллон прибора, при ионизации значительно уменьшает электрическое сопротивление промежутка между электродами в баллоне, что и используется в газоразрядных приборах.

Давление газа (или паров ртути) в баллоне прибора должно быть мало — в большинстве приборов порядка 10"1 —103 Па. Это необхо­димо для того, чтобы средний свободный (т. е. без столкновений) про­бег электронов в таком разреженном газе был достаточно большим. При таком пробеге даже при невысоких напряженностях электри­ческого поля электроны приобретают энергию, необходимую для не­
упругого взаимодействия с атомами или молекулами газа или пара. При таком взаимодействии в отличие от упругого происходят воз­буждение и ионизация атомов газа или паров, т.е. создаются допол­нительные свободные электроны и положительные ионы.

Скорость движения электронов во много раз больше скорости движения относительно тяжелых положительных ионов; поэтому и в газоразрядных приборах основными носителями тока остаются сво­бодные электроны Доля тока, образуемого движением положитель­ных ионов, составляет обычно менее одной десятой общего тока че­рез разрядный промежуток. Полезная роль положительных ионов заключается в том, что их заряды нейтрализуют объемный отрица­тельный заряд электронов. В разрядном промежутке образуется плазма — среда, для которой характерна высокая концентрация оди­накового числа зарядов обоих знаков (примерно 109—1012 пар заря­дов в 1 см3). Проводимость газовой плазмы близка к проводимо­сти металлов, благодаря чему в газоразрядном приборе ток может достигать больших значений при малом напряжении между элект­родами.

Вследствие ионного характера проводимости процессы в прибо­ре инерционные, что существенно отличает газоразрядные приборы от электронных. После снятия анодного напряжения часть ионов и электронов в баллоне в течение времени деионизации рекомбини- рует, т.е. соединяется в нейтральные атомы газа у стенок баллона. Задержка деионизации делает газоразрядные приборы непригодны­ми для работы в цепях токов высокой частоты.

Электрический разряд в газах может быть несамостоятельным и самостоятельным. Для возникновения и поддержки несамостоя­тельного разряда необходим вспомогательный источник энергии, создающий носители зарядов в газовой среде, — так называемый ионизатор. Например, несамостоятельный разряд возникает в ре­зультате термоэлектронной эмиссии нагреваемого катода. Для воз­никновения и поддержания самостоятельного разряда требуется только электрическое поле в газоразрядном промежутке.

В газоразрядных приборах может быть разряд двух видов: дуго­вой и тлеющий.

11.4. Приборы дугового разряда

Мощность цепи нагрузки газоразрядного прибора дугового раз­ряда при равных габаритах в несколько раз больше, чем электрон­ного. По этой причине практически управляемые приборы дугового разряда могут служить для непосредственного управления различ­ного рода исполнительными механизмами.

Несамостоятельный дуговой разряд имеет место в газотроне и ти­ратроне, самостоятельный дуговой разряд — в игнитроне и ртутном
вентиле. Последние применяются в выпрямительных устройствах боль­шой мощности.

По устройству тиратрон — это три­од, баллон которого заполнен сильно разреженным инертным газом или па­рами ртути. Условное обозначение ти­ратрона и его вольт-амперные харак­теристики показаны на рис. 11.7. В ос­новном своем варианте тиратрон — прибор с подогревным катодом и не­самостоятельным дуговым разрядом. Этот разряд возникает при определен­ном значении анодного напряжения — напряжении зажигания U3.Напряжение зажигания тиратрона мож­но регулировать изменением напряжения между управляющей сет­кой и катодом.

Отрицательный потенциал управляющей сетки относительно ка­тода повышает напряжение зажигания, а положительный понижа­ет. Пока тиратрон не зажегся, анодный ток /А относительно мал. При зажигании тиратрона начинается ионизация газа. Как только в при­боре устанавливается дуговой разряд, напряжение управляющей сет­ки перестает влиять на значение анодного тока. Положительные ионы газа обволакивает управляющую сетку и компенсируют ее от­рицательный заряд.

Рис. 11.7

Вольт-амперные характеристики тиратрона (рис. 11.7) подобны вольт-амперным характеристикам тиристора (см. рис. 10.26, а). Это определяет и общность их применения в качестве управляемых бес­контактных ключей.


 



Тлеющий разряд используется в га­зоразрядных приборах малой мощно­сти. Несамостоятельный тлеющий раз­ряд имеет место в газоразрядном ста­билитроне, самостоятельный тлею­щий разряд — в декатроне. Декатрон представляет собой многоэлектрод­ный переключающий прибор для ком­мутации малых токов.

11.5. Приборы тлеющего разряда

7

г

мА 40-

30-

20-

10-

50

100

Рис. 11.8

Газоразрядный стабилитрон — это двухэлектродный прибор, в котором возникает несамостоятельный тлею­щий разряд в среде инертного газа при


термоэлектронной эмиссии катода. На рис. 11.8 показаны условное изображение газоразрядного стабилитрона и его типовая вольт-ам­перная характеристика. Газоразрядный стабилитрон применяется для стабилизации напряжения в электрических цепях подобно по­лупроводниковому стабилитрону (см. рис. 10.13, б).

11.6. Электровакуумные фотоэлектронные приборы

В электровакуумных фотоэлектронных приборах используется явление фотоэлектронной эмиссии, которое заключается в том, что при облучении тела потоком энергии излучения (поток света) оно может испускать во внешнюю среду электроны. В электровакуум­ных фотоэлектронных приборах (фотоэлементах и фотоэлектрон­ных умножителях) для этой цели служит фотокатод.

Фотоэлементом называется прибор, электрические свойства ко­торого изменяются под действием падающего на фотокатод излуче­ния. Электроды фотоэлемента — анод и катод — помещены в стек­лянный баллон. В зависимости от степени разрежения газа в балло­не различают электронные (давление Ю-5— Ю-4 Па) и газоразряд­ные (давление 10"[12] —10~3 Па) электровакуумные фотоэлементы. Фо­токатодом служит слой щелочноземельного металла, нанесенного на подложку из серебра. Последняя осаждена непосредственно на внутренней стороне стекла баллона и соединена с соответствующим выводом. Покрытая серебром большая часть баллона образует с внешней стороны характерную зеркальную поверхность. В после­дней оставлено оконце для светового потока, направленного внутрь баллона на активную поверхность фотокатода. Анод выполняется часто в виде проволочного кольца, помещенного перед катодом (рис. 11.9). Чтобы получать ток в фотоэлементе, нужно воздейство­вать на освобождаемые светом электроны электрическим полем, т. е. необходим источник постоянного анодного напряжения.


 



      Ф2
[ Ф2: > Фг  
       
г      

20 10

20 40 60С/Аа


/,мА 100 г

75 50 25

Z

 

I, мА 30 г

Вывод катода

Оконце Катод

Анод

Вывод анода

UA=const

Z1


Вольт-амперная характеристикаI( UA) электронного фотоэлемен­та (рис. 11.10, а) напоминает вольт-амперную характеристику элек­тровакуумного диода (см. рис. 11.2). Сначала, при малых значениях анодного напряжения, ток I растет вместе с увеличением анодного напряжения. При некоторой освещенности фотокатода все элект­роны эмиссии достигают анода (ток насыщения), при дальнейшем повышении анодного напряжения ток фотоэлемента практически не изменяется. Ток насыщения зависит лишь от фотоэлектронной эмис­сии, а следовательно, только от освещенности фотокатода. Это — ценное качество электронного фотоэлемента. Зависимость тока на­сыщения от светового потока Ф — световая характеристика элект­ронного фотоэлемента — линейна (рис. 11.10, б), что является след­ствием закона Столетова.

Чувствительность фотоэлемента определяется отношением из­менения его тока насыщения к изменению светового потока:S = = dljdФ, она относительно мала (20 — 80 мкА/лм). Чувствительность можно увеличить, если после откачки в баллон ввести сильно раз­реженный инертный газ. При работе такого газоразрядного фото­элемента электроны эмиссии ионизируют газ и поток электронов от катода к аноду усиливается. Газовое наполнение увеличивает чув­ствительность фотоэлемента примерно в 5 раз.

К недостаткам газоразрядных фотоэлементов следует отнести не­линейность световой характеристики и некоторую инерционность при работе, в то время как электронный фотоэлемент практически безынерционен.

Даже при газовом наполнении ток фотоэлементов в большинстве случаев недостаточен для приведения в действие исполнительных механизмов, поэтому фотоэлементы часто применяются с ламповы­ми или полупроводниковыми (рис. 11.11) усилителями. Пока фото­элемент не освещен, транзистор находится в закрытом состоянии под действием ЭДС ЕБ в цепи базы. При освещении фотоэлемента база соединяется с положительным полюсом ЭДС Ек, поэтому на­пряжение между базой и эмиттером становится положительным, транзистор открывается и ток коллектора возрастает до значения, достаточного для срабатывания исполнительного механизма ИМ.



Фотоэлектронным умножителем называется прибор, в котором ток фотоэлектронной эмиссии усиливается посредством вторичной электронной эмиссии. Поток электронов, освобождаемых под дей­ствием света фотокатодом К, электрическим, как на рис. 11.12 (или магнитным), полем направляется последовательно на ряд динодов — вспомогательных электродов. После каждого динода поток элект­ронов увеличивается, так как добавляются вторичные электроны динода, освобождаемые ударами электронного потока. Таким обра­зом, вследствие многократной вторичной эмиссии поток электро­нов у анода А оказывается во много раз больше потока фотоэлект­ронной эмиссии катода. Благодаря такому внутреннему усилению чувствительность фотоэлектронных умножителей чрезвычайно вы­сока и достигает 1 — 10 А/лм. Однако не следует думать, что фото­электронные умножители рассчитаны на большие анодные токи — эти токи не превышают 10 — 15 мА. Их главная область примене­ния — измерение силы света при очень малых освещенностях.


ГЛАВА 12 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

12.1. Общие сведения

Объектами электрических измерений являются все электричес­кие и магнитные величины: ток, напряжение, магнитный поток и т. д.

Электроизмерительные устройства широко применяются и для измерения неэлектрических величин (температуры, давления и т. д.), которые для этой цели преобразуются в пропорциональные им элек­трические величины. Такие методы измерений известны под общим названием электрических измерений неэлектрических величин. При­менение электрических методов измерений дает возможность отно­сительно просто передавать показания приборов на дальние рассто­яния (телеизмерение), управлять машинами и аппаратами (автома­тическое регулирование), выполнять автоматически математичес­кие операции над измеряемыми величинами, записывать (например, на ленту) ход контролируемых процессов и т.д.

По типу отсчетного устройства различают аналоговые и цифро­вые приборы. В аналоговых приборах измеряемая или пропорцио­нальная ей величина непосредственно воздействует на положение подвижной части, на которой расположено отсчетное устройство. В цифровых приборах подвижная часть отсутствует, а измеряемая или пропорциональная ей величина преобразуется в числовой эквива­лент, регистрируемый цифровым индикатором. Микропроцессоры позволяют существенно повысить производительность и точность измерительных приборов, придавая им дополнительные функции обработки результатов измерений.

Для исследования сложных объектов применяются автоматичес­кие измерительные системы, представляющие собой совокупность датчиков, измерительных и регистрирующих приборов, устройств их сопряжения (интерфейс) и управления.

12.2. Меры, измерительные приборы и методы измерения

Измерение любой физической величины заключается в ее срав­нении посредством физического эксперимента с принятым за еди­ницу значением соответствующей физической величины, называе­мой мерой. Такое сравнение возможно с помощью либо прибора срав­нения, либо прибора непосредственного отсчета, называемого так­же показывающим прибором. В последнем случае измеряемая ве­личина определяется по шкале прибора, для градуировки кото­рой необходима мера.

В зависимости от того, как получаются результаты измерения, раз­личают измерения прямые, косвенные и совокупные.

Если результат измерения непосредственно дает искомое значе­ние исследуемой величины, то такое измерение принадлежит к чис­лу прямых, например измерение тока амперметром.

Если измеряемую величину приходится определять на основа­нии прямых измерений других физических величин, с которыми из­меряемая величина связана определенной зависимостью, то изме­рение относится к косвенным, как, например, измерение сопротив­ления элемента электрической цепи при измерении напряжения вольтметром и тока амперметром. Следует иметь в виду, что при кос­венном измерении возможно существенное снижение точности по сравнению с точностью при прямом измерении из-за сложения по­грешностей прямых измерений величин, входящих в расчетные урав­нения.

В ряде случаев конечный результат измерения выводится из ре­зультатов нескольких групп прямых или косвенных измерений от­дельных величин, от которых зависит исследуемая величина. Такое измерение называют совокупным. Например, к совокупным измере­ниям относится определение температурного коэффициента элект­рического сопротивления материала на основании измерения сопро­тивления материала при различных температурах.

В зависимости от способа применения приборов и мер принято различать следующие основные методы измерения: непосредствен­ный, нулевой и дифференциальный.

При пользовании методом непосредственного измерения (или не­посредственного отсчета) измеряемая величина определяется путем непосредственного отсчета показания измерительного прибора или непосредственного сравнения с мерой данной физической величи­ны (измерение тока амперметром, измерение длины метром). В этом случае точность измерения определяется точностью показывающе­го прибора.

При измерении нулевым методом значение образцовой (извест­ной) величины (или эффект ее действия) регулируется до равен­ства со значением измеряемой величины (или эффектом ее дей­ствия), которое фиксируется измерительным прибором. Прибор должен быть высокой чувствительности, он именуется нулевым при- бором или нуль-индикатором. Точность измерения нулевым мето­дом очень высока и в основном зависит от точности образцовых мер и чувствительности нулевых приборов. Важнейшие среди нулевых методов электрических измерений — мостовые и компенсационные.

Еще большая точность может быть достигнута при дифференци­альных методах измерения. В этих случаях измеряемая величина уравновешивается известной величиной не до полного равновесия, а путем прямого отсчета измеряется разность измеряемой и извест­ной величин. Дифференциальные методы применяются для срав­нения двух величин, значения которых мало различаются.

12.3. Погрешности измерения и классы точности

Точность измерения характеризуется его возможными погреш­ностями. Эти погрешности при каждом конкретном измерении не должны превышать некоторого определенного значения. В зависи­мости от способа числового выражения различают погрешности аб­солютные и относительные, а применительно к показывающим при­борам — еще и приведенные.

Абсолютная погрешность АА — это разность между измеренным Лиз и действительным А значениями измеряемой величины:

АА = Лиз - А.

Например, амперметр показывает АИЗ = 9 А, а действительное значение тока А = 8,9 А, следовательно, АА = 0,1 А.

Чтобы определить действительное значение величины, нужно к измеренному значению прибавить поправку — абсолютную по­грешность, взятую с обратным знаком.

Точность измерения оценивается обычно не абсолютной, а отно­сительной погрешностью — выраженным в процентах отношением абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины:

Чо = (АЛ/Л)-100%,

а так как разница между Л и Лиз обычно относительно мала, то практически в большинстве случаев можно считать, что ^о = = (ДЛ/ЛИЗ) • 100 %. Для приведенного примера измерения тока от­носительная погрешность ^о = = (0,1/9)-100% = 1,11%.

Однако оценивать по относи­тельной погрешности точность по­казывающих приборов со стрелоч­ным указателем неудобно. Дело в том, что абсолютная погрешность АА у них имеет обычно один и тот же порядок вдоль всей шкалы. При постоянной абсолютной погрешно­сти А А с уменьшением измеряемой

величины Аиз быстро растет относительная погрешность (рис. 12.1). Поэтому рекомендуется выбирать пределы измерения показываю­щего прибора так, чтобы отсчитывать показания в пределах второй половины шкалы, ближе к ее концу.

Таблица 12.1

Условные обозначения на шкалах электроизмерительных приборов

Прибор трехфазного тока для неравномерной нагрузки фаз

Прибор трехфазного тока с двухэлементным измерительным механизмом

Защита от внешних магнитных полей, например 2 мТл | 2 |

I--- 1

Защита от внешних электрических полей, например 10 кВ/м i 10 i

I__ I

1,5

Класс точности при нормировании погрешности в процентах диапазона измерения, например 1,5

То же, при нормировании погрешности в процентах длины шка- i ,5 лы, например 1,5

Горизонтальное положение шкалы                                 | |

_60° N

Вертикальное положение шкалы                                       [

Наклонное положение шкалы под определенным углом к го­ризонту, например 60°


 



Направление ориентировки прибора в магнитном поле Земли

Измерительная цепь изолирована от корпуса и испытана на­пряжением, например 2 кВ

Прибор испытанию прочности изоляции не подлежит

t

S

•к

■к

V

Осторожно! Прочность изоляции измерительной цепи по от­ношению к корпусу не соответствует нормам (знак выполня­ется красным цветом).


Для оценки точности самих показывающих измерительных при­боров служит их приведенная погрешность. Так называется выражен­ное в процентах отношение абсолютной погрешности показания АЛ к Дюм — номинальному значению, соответствующему наибольшему показанию прибора:

Ър = (АЛ/Д,ОМ)-100%.                          (12.1)

Если в рассмотренном примере предел измерения амперметра Аюм = Ю А, то приведенная погрешность чпр = (0,1/10) • 100 % = 1 %.

Погрешности прибора обусловливаются недостатками самого прибора и внешними влияниями. Приведенная погрешность, зави­сящая лишь от самого прибора, называется основной погрешностью. Нормальные рабочие условия — это температура окружающей сре­ды 20 °С (или та, которая обозначена на шкале прибора), нормаль­ное рабочее положение прибора (указанное условным знаком на его шкале), отсутствие вблизи прибора ферромагнитных масс и внешних магнитных нолей (кроме земного) и прочие нормальные условия (номинальные: напряжение, частота тока, синусоидальная форма кривой тока и т. д.).

Допускаемая основная погрешность электроизмерительного при­бора определяет его класс точности. Обозначением класса точности служит допускаемая основная погрешность приборов, принадлежа­щих к этому классу: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4. Принадлежность прибора к определенному классу указывает, что основная погреш­ность прибора на всех делениях шкалы не превышает значения, оп­ределяемого классом точности этого прибора (например, у прибора класса 1 допускаемая основная погрешность 1 %). Отклонение вне­шних условий от нормальных вызывает дополнительные погрешно­сти.

В зависимости от чувствительности к внешним магнитным или электрическим полям электроизмерительные приборы делятся на две категории: I — приборы менее чувствительные и II — приборы более чувствительные.

Для правильного применения электроизмерительного прибора важны его технические особенности. Эти особенности указываются на шкале прибора условными обозначениями, приведенными в табл. 12.1.

12.4. Потребление энергии электроизмерительными

приборами

Включение измерительного прибора в исследуемую электричес­кую цепь в некоторой степени изменяет ее режим работы. Это изме­нение вызывается тем, что работающий прибор потребляет опреде­ленную энергию. Поэтому при исследовании объектов малой мощ-

Рис. 12.3

иости могут существенно исказиться результаты. Желательно, что­бы собственное потребление энергии измерительным прибором было возможно меньше.

Простейшим примером влияния собственного потребления энер­гии измерительными приборами на результаты измерения служит косвенное измерение сопротивления резистора (при постоянном токе) с помощью вольтметра и амперметра с вычислением по зако­ну Ома. Для такого измерения возможны две схемы включения при­боров.

В схеме на рис. 12.2 амперметр изменяет ток / в резисторе с со­противлениемR, а вольтметр — напряжениеUf= U + RAI, гдеRA— сопротивление амперметра;U — напряжение на резисторе. Следо­вательно, на основании закона Ома определяется сумма сопротив­лений резистора и амперметра:

U'/I = R' = R + ДА.

Действительное значение сопротивления резистора R = R'( 1 - Ra/R').

Очевидно, что ошибка измерения будет тем меньше, чем меньше сопротивление амперметра.

При измерении по схеме на рис. 12.3 вольтметр присоединен не­посредственно к выводам резистора и показывает напряжение на ре­зисторе, а амперметр измеряет сумму токов в резисторе и в цепи воль­тметра: Г = / + Iv. Таким образом, в этом случае на основании пока­заний приборов определяется проводимость

а = г/и=G+ Gy = 1/R+ l/i?v,

где i?v— сопротивление вольтметра.

Чтобы определить проводимость объекта измерения — резисто­ра, нужно из найденной проводимости вычесть проводимость вольт­метра:

G = G - Gy = G'(l - GY/G'),

т.е.

Рис. 12.2

R = R'( 1 - R'/Ry).

Чем больше сопротивление вольтметра тем меньше поправка к результатам измерения.

При переменном токе учет поправок осложняется тем, что сопро­тивления цепей переменного тока — комплексные величины.

Чем меньше мощности контролируемых цепей, тем существен­нее влияние собственного потребления энергии измерительными приборами на результаты измерений.

12.5. Механические узлы показывающих приборов

В показывающих измерительных приборах прямого отсчета под­вижная часть под действием измеряемой величины перемещается по отношению к неподвижной. По конструкции отсчетного устрой­ства различают показывающие приборы со стрелочным и световым указателями. Общей особенностью этих приборов является установ­ка подвижной части на растяжках, на осях или на подвесе.

Установка на растяжках применяется в большинстве показыва­ющих приборов. Растяжки — это упругие ленты из бериллиевой и оловянно-цинковой бронзы. Подвижная часть подвешивается на двух растяжках (рис. 12.4), а концы последних крепятся к двум плос­ким пружинам. Растяжки могут служить для подвода тока в под­вижную часть прибора.

При установке подвижной части на оси последняя имеет обычно горизонтальное расположение (рис. 12.5) для уменьшения трения в опорах.

Пружина

Рис. 12.4

Пружина

Установка на подвесе — металлической или кварцевой нити — применяется в приборах особо высокой чувствительности, напри­мер в зеркальных гальванометрах (рис. 12.6). Луч света 1 от специ-

ального источника 2 выполняет роль светового указателя.

Закручивание растяжек и нити подвеса в показывающих прибо­рах обеспечивает противодейству­ющий момент. В приборах с уста­новкой подвижной части на осях для создания этого момента слу­жат спиральные пружины (1 на рис. 12.5), изготовляемые из фос­форной бронзы.

Вследствие температурных влияний, остаточных деформаций, а чаще механических толчков при перегрузках стрелка неработаю­щего прибора может находиться не на нулевом делении. Корректор


Ш.иЖЗ


 



2

■Катушка

Пружина

Рис. 12.6

— Нить

7/

Рис. 12.5

1Зеркало

=1

if"////


 



необходим для возвращения стрелки на нуль шкалы. В случае при­менения пружины 1 (рис. 12.5) к корректору прикрепляется один ее конец. Второй конец пружины прикрепляется к оси 2 подвижной части. Стрелку 5 можно смещать посредством поводка 3, поворачи­вая винт 4, укрепленный на корпусе прибора. Для уравновешива­ния подвижной части прибора на ней укрепляют грузила — проти­вовесы 6. Показания уравновешенного прибора почти не зависят от его положения.

Подвижная часть прибора вместе с пружиной образует облада­ющую массой и упругостью механическую систему, в которой, сле­довательно, возможны механические колебания. Поэтому при из­менении измеряемой величины новое положение равновесия у под­вижной части прибора получается не сразу, а в большинстве случа­ев после нескольких колебаний около нового положения равнове­сия. Для того чтобы подвижная часть возможно скорее устанавли­валась в этом положении, у приборов есть успокоители. Последние нужны для поглощения кинетической энергии подвижной части. Для большинства стрелочных приборов время успокоения долж­но быть не более 4 с, причем временем успокоения считается вре­мя от момента включения прибора до момента, когда стрелка при­бора отклоняется от положения равновесия не более чем на 1 % шкалы.

Применяются магнитоиндукционные и воздушные успокоители.

Рис. 12.7

Магнитоиндукциоиное успокоение основано на взаимодействии вихревых токов, индуктируемых в подвижной части при ее движе­нии в магнитном поле постоянных магнитов, с этим полем. Алюми­ниевый сектор 1 (рис. 12.7, а), укрепленный на оси подвижной час­ти, движется в поле нескольких постоянных магнитов 2, которые укреплены на опорной пластине 3. При движении сектора в нем воз­никают вихревые токи. Их взаимодействие с магнитным полем по­стоянных магнитов создает силу, которая (согласно принципу Лен­ца) тормозит подвижную часть.

В воздушных успокоителях для торможения используется раз­ность давлений воздуха в закрытой камере по обе стороны легкого алюминиевого крыла, возникающая при его движении (рис. 12.7, б). Крыло укреплено на оси подвижной части прибора. Воздушные ус­покоители значительно слабее магнитоиндукционных; их приходит­ся применять в тех случаях, когда наличие постоянного магнита внут­ри прибора может быть причиной дополнительных погрешностей в его показаниях.

В некоторых новых приборах установлены очень компактные жидкостные успокоители: в невысыхающей жидкости перемещает­ся крыло, укрепленное на подвижной части прибора.

12.6. Системы показывающих приборов

Любой прибор непосредственного отсчета состоит из двух основ­ных частей: измерительного механизма и измерительной цепи (из­мерительной схемы).

Назначение измерительного механизма — преобразование под­водимой к нему электрической энергии в механическую энергию перемещения подвижной части и связанного с ней указателя. Из-


мерительная цепь преобразует измеряемую электрическую вели­чину (напряжение, мощность, ток и т.д.) в пропорциональную ей величину, непосредственно воздействующую на измерительный механизм. Например, в вольтметре измерительная цепь состоит из катушки измерительного механизма и добавочного резистора. При постоянстве сопротивления измерительной цепи ток в измеритель­ном механизме вольтметра пропорционален измеряемому напря­жению.

Один и тот же измерительный механизм в соединении с различ­ными измерительными цепями может служить для измерения раз­личных величин.

В зависимости от принципа действия измерительного механиз­ма различают несколько систем показывающих приборов, условные изображения которых даны в табл. 12.2.

Магнитоэлектрическая система. В измерительных механизмах магнитоэлектрической системы вращающий момент создается вза­имодействием измеряемого постоянного тока в катушке механизма с полем постоянного магнита. Существуют два основных типа при­боров магнитоэлектрической системы: приборы с подвижной катуш­кой (подвижной рамкой) и приборы с подвижным магнитом, при­чем первые применяются значительно чаще, чем вторые.

В магнитоэлектрическом механизме с подвижной катушкой (рис. 12.8) последняя установлена на опорах и может поворачиваться в воздушном зазоре магнитной цепи постоянного магнита 1.

Магнитную цепь измерительного механизма образуют магнито­провод 2, полюсные наконечники 3 и цилиндрический сердечник 4, которые изготовляются из магнитно-мягкого материала.

Угол между направлениями вектора магнитной индукции Б в воз­душном зазоре и тока /в активной части проводников длиной Iпод-


 

Таблица 12.2

Условное обозначение принципа действия (системы) прибора

 

Условное обозначение

Наименование системы и преобразователя Обычный измерительный механизм Логометрический измерительный механизм
Магнитоэлектрический прибор с под­вижной рамкой 0 0
Магнитоэлектрический прибор с подвижным магнитом   *
Электромагнитный прибор К УК
Электромагнитный поляризованный прибор Й
Электродинамический прибор + ##
Ферродинамический прибор © #
Индукционный прибор в ©
Электростатический прибор 1 т
Тепловой прибор (с нагреваемой проволокой) Y

 

вижной катушки равен 90°. Следовательно, на каждый из проводни­ков действует электромагнитная сила

F = BII,

а на подвижную часть механизма — вращающий момент

Мвр = 2Fwd/2 = wlBId = wSBI = квр1                   (12.2)

гдеd — диаметр каркаса катушки с числом витковwи площадью поперечного сеченияS = Id; квр = wSd— коэффициент пропорцио­нальности.

Так как противодействующий момент, создаваемый спиральны­ми пружинами, прямо пропорционален углу закручивания, т. е. Мпр = = &пра, то угол поворота катушки при равенстве моментов Мвр = Мпр прямо пропорционален измеряемому току:

/ = кирос/ квр = Спра,

где Спр — постоянная прибора («цена деления»).

Постоянный магнит создает сильное магнитное поле в воздуш­ном зазоре магнитной цепи прибора (0,2 — 0,3 Тл), и даже при ма­лых значениях измеряемых токов можно получить достаточный вра­щающий момент. Поэтому магнитоэлектрические приборы весьма чувствительны, внешние магнитные поля мало влияют на их пока­зания, и их собственное потребление энергии относительно мало. В частности, гальванометры в большинстве случаев изготовляются магнитоэлектрической системы. Высокая чувствительность прибо­ра позволяет уменьшить плотность тока в токоведущих частях. По­этому магнитоэлектрический прибор достаточно вынослив к пере­грузкам. Этому способствует также линейная зависимость его вра­щающего момента от тока, а не квадратичная, характерная для боль­шинства других систем приборов.

Для расширения пределов измерения приборы магнитоэлектри­ческой системы, а также приборы других систем снабжают набором резисторов для делителей измеряемых величин. Резистор, включа­емый последовательно с катушкой измерительного механизма, на­зывается добавочным резистором; резистор, который включается параллельно с катушкой измерительного механизма или с ветвью, содержащей катушку и добавочный резистор, называется шунтом.

При изменении направления тока изменяется и направление вра­щающего момента. При переменном токе на подвижную часть при­бора действуют быстро чередующиеся вращающие моменты проти­воположного направления. Их результирующее действие не изме­нит положения подвижной части прибора. Для измерения перемен­ного тока магнитоэлектрический измерительный механизм ИМ должен быть соединен с тем или иным преобразователем. Преоб­разователем может быть, например, двухполупериодный выпрями­тель (рис. 12.9).

Ток в магнитоэлектрическом измерительном механизме с таки­ми преобразователями периодически пульсирует, и так как у под­вижной части прибора значительная инерция, то ее отклонение про­порционально среднему за период значению вращающего момента:

Т                                 т

Мвр=j;f wSBidt = wSB ~ Jidt = wSBIcp. о о


Следовательно, прибор измеряет среднее значение тока в цепи. Для измерений в цепях переменного тока на идеале прибора ука­
зываются действующие значения. При синусоидальном токе дей­ствующее значение больше среднего в 1,11 раза [см. (2.16а) и

(2.18а)].

Для измерения токов высокой частоты применяются термопре­образователи (рис. 12.10). Термопреобразователь обычно состоит из одной или нескольких термопар 1 и нагревателя 2, через который проходит измеряемый переменный ток. Можно считать ЭДС тер­мопары пропорциональной разности температур между ее горячим и холодным концами, т. е. мощности нагревателя, которая пропор­циональна квадрату действующего значения /переменного тока [см. (2.50)]. Поэтому и вращающий момент, действующий на подвиж­ную часть измерительного механизма, пропорционален /2, а следо­вательно, шкала прибора квадратичная.

Электромагнитная система. В измерительных механизмах элек­тромагнитной системы вращающий момент обусловлен действием магнитного поля измеряемого тока в неподвижной катушке прибо­ра на подвижный ферромагнитный якорь. Механические силы в подобном устройстве стремятся переместить якорь так, чтобы энер­гия магнитного поля устройства стала возможно большей.

В механизме с плоской катушкой (рис. 12.11) якорь 1 втягивается в катушку 2 с измеряемым током. Для усиления магнитного поля и регулирования вращающего момента служит неподвижный сердеч­ник 3. Противодействующий момент создается спиральной пружи­ной. Для защиты от внешних магнитных полей измерительный ме­ханизм со всех сторон закрыт ферромагнитным экраном 4 (на рис. 12.11 верхняя крышка экрана снята).

В общем случае вращающий момент, действующий на подвиж­ную часть, равен производной энергии магнитного поляWM= = L(a)i2/2по координате перемещения а [см. (7.16)]:


 



ъ

и

Л


. _ dWMг2dL(oi) вр~da ~2d{a) '

гдеL(а) иi— индуктивность и ток катушки.

Если ток катушки синусоидальный (г =Imsinwt),то равновесие подвижной части наступит при равенстве среднего за период вра­щающего момента и противодействующего момента пружины:

- ==-<12-4)

где I — действующее значение тока. Следовательно, действующее значение измеряемого тока

где (7(a) — цена деления.

Аналогичную зависимость имеет электромагнитный механизм при измерении постоянного тока г — I.

Неравномерность шкалы — недостаток приборов электромагнит­ной системы.

Магнитное поле прибора возбуждается самим измеряемым то­ком и относительно слабое, так как большая часть пути магнитного потока проходит в воздухе. По этой причине у измерительного ме­ханизма электромагнитной системы малая чувствительность. Из-за слабости собственного магнитного поля прибор приходится защи­щать от внешних магнитных влияний. Для этого применяются фер­ромагнитные экраны (рис. 12.11) или же измерительные механиз­мы изготовляются астатическими.

Общий принцип астатического устройства измерительной сис­темы заключается в следующем. Число катушек в механизме удваи­вается, причем обе катушки в равной мере участвуют в образовании вращающего момента, но их собственные магнитные поля имеют противоположные направления. Всякое внешнее однородное маг­нитное поле, усиливая магнитное поле одной катушки, на столько же ослабляет магнитное поле второй катушки. В результате внеш­нее магнитное поле не изменяет общий вращающий момент изме­рительного механизма.

Класс точности электромагнитных приборов обычно не выше 1,5, главным образом из-за влияния гистерезиса (остаточного намагни­чивания), что особенно сказывается при измерениях постоянного тока, и потерь энергии на перемагничивание при измерениях пере­менного тока (частотой не выше 1500 Гц).

(12.3)

Электромагнитный измерительный механизм обладает рядом цен­ных свойств. Неподвижную катушку с током легко выполнить с дос­
таточным запасом сечения проводов на случай перегрузок. Приборы этой системы допускают большие перегрузки, дешевы и просты по устройству. Электромагнитными приборами измеряют преимуще­ственно переменные напряжения и токи (невысоких частот). В про­мышленных установках переменного тока низкой частоты большин­ство амперметров и вольтметров — приборы электромагнитной сис­темы.

Электродинамическая система. В электродинамических изме­рительных механизмах для создания вращающего момента исполь­зуется взаимодействие двух катушек с токами.

Измерительный механизм этой системы состоит в основном из неподвижной 1 и подвижной 2 катушек (рис. 12.12). Противодей­ствующий момент создают специальные пружины 3У которые вмес­те с тем служат для подвода тока в подвижную катушку. Последняя под действием электромагнитных сил стремится занять такое поло­жение, при котором направление ее магнитного поля совпадает с направлением поля неподвижной катушки (максимальная энергия суммарного магнитного поля).

Вращающий момент электродинамического измерительного ме­ханизма определяется так же, как электромагнитного механизма [см. (12.3)]:


_ dM(o) " Лd{a) '

dWM

da

М„

(12.6)


 



где в выражении энергии магнитного поля по (2.80) от угла поворо­та а подвижной катушки зависит только составляющая il^a)^;

и г2 — переменные (синусоидальные) токи подвижной и неподвиж­ной катушек.

Так как в приборе две катушки, то можно существенно расши­рить область применения этого механизма. В зависимости от назна­чения прибора изменяется и характер его шкалы.

Рис. 12.12

В вольтметре обе катушки с больши­ми числами витков обычно соединяются последовательно между собой (рис. 12.13, а) и последовательно с добавочным рези­стором, сопротивление которогоRlv

u/R

Таким образом, в электродинамичес­ком вольтметре

г1 — г2

где и — измеряемое напряжение;Rv= = RK+ Дд — общее сопротивление из­мерительной цепи вольтметра, равное сумме сопротивлений двух катушекRK и добавочного резистора Дд.

Рис. 12.13


 

Подставив выражения токов в (12.6) и выполнив преобразова­ния, аналогичные (12.4) и (12.5), получим

U= л/37=CJa)Va,

где Сц(а) — цена деления;U— действующее значение напряжения.

kik2kпр

В электродинамических амперметрах на токи до 0,5 А подвиж­ная и неподвижная катушки также соединяются последовательно. При большем значении измеряемого тока / подвижная и неподвиж­ная катушки соединяются параллельно (рис. 12.13, б). В этом слу­чае токи ц = kxi, i2= k2iСледовательно,

-Va = Cj (a)Va,

\dM(a)/ da

где C/(a) — цена деления; I— действующее значение тока.

Электродинамические вольтметры и амперметры имеют нерав­номерную шкалу.

В ваттметре (рис. 12.13, в) ток в неподвижной катушке равен току в контролируемой установке (в сопротивлении нагрузки Дн), т.е. г2 = г. К цепи подвижной катушки приложено напряжение этой ус­тановки, т.е. ц = и/RY,гдеRv— общее сопротивление цепи напря­жения (параллельной цепи) ваттметра.

Подставив эти выражения в (12.6) и выполнив преобразования, подобные (12.4) и (12.5), получим

P = UI=                   а = Ср(а)а,

dM(a)/da F

где СР(а) — цена деления. Если цена деления изменяется мало от значения угла поворота подвижной катушки, то шкала электроди­намического ваттметра близка к равномерной.

Электродинамические приборы пригодны для измерений в це­пях как постоянного, так и переменного тока, причем в обоих случа­ях шкала у приборов одна и та же.

В электродинамическом приборе измеряемые токи возбуждают относительно слабое магнитное поле в воздухе. Поэтому для полу­чения достаточного вращающего момента нужны катушки измери­тельного механизма с большими числами витков и собственное по­требление энергии прибором относительно велико. Из-за слабого магнитного поля прибор чувствителен к внешним магнитным вли­яниям; для защиты от этих влияний приборы имеют экраны. Так как условия охлаждения плохие (теплоотдача через слой воздуха), то электродинамические механизмы не допускают сколько-нибудь зна­чительной перегрузки (в особенности амперметры). Наконец, при­боры этой системы дорогие. Однако благодаря отсутствию в магнит­ном поле ферромагнитных сердечников — элементов с нелинейны­ми свойствами — точность электродинамического прибора может быть высокой — класса 0,2 и даже ОД.

Индукционная система. Индукционная измерительная система основана на использовании вращающегося магнитного поля. Если синусоидальные токи в двух катушках, определенным образом ори­ентированных в пространстве, не совпадают по фазе, то в части про­странства результирующее магнитное поле этих двух катушек будет вращающимся вокруг некоторой оси. Если на этой оси находится тело из материала с малым удельным сопротивлением, то в нем воз­никнут вихревые токи.

Взаимодействие вихревых токов с вращающимся магнитным по­лем создает вращающий момент, под действием которого тело при­дет в движение.

В индукционном измерительном механизме вращающий момент создается воздействием результирующего магнитного поля двух электромагнитов переменного тока на подвижную часть — алюми­ниевый диск, в котором это поле индуктирует вихревые токи. Элек­тромагниты возбуждаются измеряемыми переменными токами. По­этому значение вращающего момента зависит от значений токов в обоих электромагнитах и угла сдвига фаз между ними. Это ценное свойство индукционного измерительного механизма положено в основу построения приборов для измерения мощности и энергии в цепях переменного тока.

Другие системы. В измерительных механизмах приборов элект­ростатической системы вращающий момент создается электроста­тическими силами взаимодействия заряженных электродов.

Среди приборов этой системы наиболее распространен вольтметр. Под действием измеряемого напряжения заряжаются системы подвижных 1 и неподвижных 2 пластин прибора (рис. 12.14). Воз­никающие при этом электростатические силы притяжения создают вращающий момент. Противодействующий момент создается пру­жиной.

Изменение полярности напряжения не влияет на направления действия вращающего момента; следовательно, электростатический


вольтметр пригоден для измерения и 0 1 постоянного, и переменного напряже­ний. В ряде случаев весьма существен­ным преимуществом прибора следует считать то, что он практически не по­требляет энергии. Однако при неболь­ших напряжениях вращающий мо­мент весьма мал, приходится увеличи­вать число пластин и вместо установ­ки на кернах подвешивать подвижную часть на нити.

Электростатические вольтметры применяются преимущественно в ла­бораториях для измерений в цепях малой мощности и при непосредствен­ных измерениях высоких напряже­ний.

В приборах тепловой системы от­клонение подвижной части получает­ся вследствие удлинения металлической нити, нагреваемой изме­ряемым током. К достоинствам этих приборов относится независи­мость показаний от частоты и формы кривой переменного тока. Теп­ловые приборы неустойчивы к перегрузкам, неточны вследствие чув­ствительности к температурным влияниям, и их потребление энер­гии относительно велико. По всем этим причинам тепловые прибо­ры применяются редко — лишь для измерения токов высокой час­тоты.

Прочие системы приборов применяются для измерения немно­гих величин (например, вибрационный принцип для измерения ча­стоты).

12.7. Логометры

Отклонение подвижной части у большинства электроизмери­тельных механизмов зависит от значений токов в их катушках. Но в тех случаях, когда механизм должен служить для измерения ве­личины, не являющейся прямой функцией тока (сопротивления, индуктивности, емкости, сдвига фаз, частоты и т.д.), необходимо сделать результирующий вращающий момент зависящим от изме­ряемой величины и не зависящим от напряжения источника пита­ния.

6Z>

Рис. 12.14

Для таких измерений применяют механизм, отклонение подвиж­ной части которого определяется только отношением токов в двух его катушках и не зависит от их значений. Приборы, построенные по этому общему принципу, называются логометрами (по-гречес­
ки «логос» — отношение). Возможно построение логометрическо- го механизма любой электроизмерительной системы с характер­ной особенностью — отсутствием механического противодейству­ющего момента, создаваемого закручиванием пружин или растя­жек.

В качестве примера рассмотрим работу магнитоэлектрического логометра с эллипсовидным сечением сердечника. Подвижная часть такого логометра состоит из двух катушек 1 и 2 (рис. 12.15, а), ук­репленных на общей оси и жестко скрепленных между собой под некоторым углом. Токи в эти катушки подводятся через три мягкие серебряные спирали, не создающие при закручивании механичес­кого момента (одна из спиралей — общая для цепей токов обеих ка­тушек). Если подвижная часть прибора достаточно хорошо уравно­вешена, то при отсутствии токов она находится в состоянии без­различного равновесия — стрелка указателя может быть на любом делении шкалы прибора.

(12.7)

Если в цепях обеих катушек есть постоянные токи 1г и /2, то на подвижную часть действуют в противоположных направлениях два вращающих момента, создаваемых взаимодействием поля посто­янного магнита с индукциями Вг и В2 и токов в катушках [см.

(12.2)]:

Мвр1 = WiSB^; Мвр2 = w2SB2I2,

гдеw1иw2— числа витков катушек;S — их одинаковая площадь поперечного сечения.

а

Предположим, что Мвр1> Мвр2. Под действием большего враща­ющего момента подвижная часть поворачивается. При этом первая катушка, на которую действует больший вращающий момент, пере­мещается в область слабого магнитного поля (с меньшим значени­ем индукции Вх из-за большего воздушного зазора). Одновременно


 

6

вторая катушка, на которую действует меньший вращающий момент, перемещается в область более сильного магнитного поля (воздуш­ным зазор в магнитопроводе меньше). Таким образом, по мере пово­рота подвижной части больший вращающий момент убывает, а мень­ший возрастает. Следовательно, при некотором определенном по­ложении подвижной части должно установиться равновесие момен­тов: Мвр1 = Мвр2.

На схеме (рис. 12.15, б) показано включение логометра для изме­рения сопротивлений. Здесь Е — ЭДС источника;R1— постоянное сопротивление цепи первой катушки;R2— постоянная часть сопро­тивления цепи второй катушки;R — сопротивление измеряемого объекта, находящегося вне прибора. При токах в катушках

=             I2 = E/(Rl + IQ

и равенстве вращающих моментов из (12.7) имеем w1B1/R1= w2B2/(Rx+ Rx)9

откуда

Rx= R^/w^/B,) - R2.

ОтношениеB2/Bxзависит от конструкции магнитной цепи при­бора и угла а — положения подвижной части. Следовательно, каж­дому значению измеряемого сопротивленияRxсоответствует опре­деленное положение подвижной части логометра, которое не зави­сит от ЭДС Е.

В действительности на подвижную часть в состоянии равнове­сия действует некоторый механический момент из-за неполной урав­новешенности подвижной части при закручивании токопроводящих спиралек. Вследствие наличия этого момента показания логометра зависят от ЭДС источника тем больше, чем меньше ЭДС.

Независимость положения подвижной части логометра от зна­чения ЭДС используется в мегаомметрах, предназначенных для измерения больших сопротивлений (до 1014 Ом) при высоком на­пряжении (до 2500 В), например сопротивления изоляции. В каче­стве источника в мегаомметрах применяются небольшие магнито­электрические генераторы постоянного тока с ручным приводом.

В частотомерах катушки логометра заключаются в цепь сину­соидального тока через выпрямители и элементы, сопротивления которых зависят от частоты.

В ряде случаев нежелательно безразличное положение подвиж­ной части логометра, так как это может привести к ложному отсчету показания прибора при выключенном источнике питания. Чтобы предупредить подобный ложный отсчет, конструкцией логометра предусматривается отклонение стрелки за пределы шкалы, напри­мер действием небольшого механического момента, создаваемого неполной уравновешенностью подвижной части.

12.8. Счетчики электрической энергии

Для измерения электрической энергии (активной и реактивной) в цепях переменного тока используются счетчики индукционной си­стемы, которым в последнее время все большую конкуренцию со­ставляют электронные счетчики.

Индукционный счетчик. Схема устройства однофазного индук­ционного счетчика, включенного в цепь для измерения активной энергии приемника с сопротивлением нагрузкиZwпоказана на рис.

12.16.

Подвижная часть счетчика представляет собой свободно враща­ющийся алюминиевый диск, на который одновременно воздейству­ют в противоположных направлениях вращающий момент, пропор­циональный активной мощности приемника


 



(12.8а)

вр

Мвр —fcBpР,


 



и тормозной момент. При равенстве вращающего и тормозного мо­ментов диск вращается с постоянной скоростью.

<

О

L

Для создания тормозного момента в индукционном счетчике ис­пользуется магнитоиндукционный принцип. Поле постоянного маг­нита (рис. 12.16) индуктирует во вращающемся диске ЭДС, пропор­циональную потоку постоянного магнита Ф и средней окружной ско­рости у вращения части диска, находящейся между полюсами:

Е = А^Фу = А^Ф^-гсга/бО = к2Фп,

где п — частота вращения диска (мин-1); г — средний радиус части диска, находящейся между полюсами. Угловая скорость вращения диска ио = у/г.


Под действием этой ЭДС в диске возникает ток, значение кото­рого пропорционально удельной проводимости у материала диска:

/= мн

Взаимодействие поля постоянного магнита с током в диске со­здает тормозной момент, пропорциональный току и потоку:

Мгор = кА1Ф,

или после подстановки выражений для тока и ЭДС

Мтор = кьпФ2п = кторп.           (12.86)

Этот момент при установившейся частоте вращения подвижной части равен вращающему моменту. Следовательно, из (12.8а) и (12.86) мощность

Р = кторп/ квр.

Интеграл от мощности по времени равен электрической энергии, полученной контролируемой цепью за промежуток времени ^ — к'-

W= [Pdt= ^fndt =N= CC4N, i i k»p

где N— суммарное число оборотов подвижной части за время ^ - h, Ссч — постоянная счетчика.

Число оборотов подвижной части N регистрирует счетный меха­низм, соединенный с осью счетчика червячной передачей. Переда­точное число между осью и счетным механизмом выбирается так, чтобы счетный механизм показывал непосредственно киловатт-часы, а не числа оборотов подвижной части.

Чтобы получить в общей форме выражение вращающего момен­та приборов индукционной системы, предположим, что подвиж­ную часть — диск — пронизывают два переменных магнитных по­тока:

= Ф8ш(иг + <ф) и Ф2 = фб1пиг

(рис. 12.17). Они индуктируют в соответствующих контурах диска ЭДС, каждая из которых отстает по фазе от индуктирующего ее по­тока на четверть периода:

ег = —d$i/dt =-u;<I>lmcos(u)t + -ф);

е2 = —dФ2/dt = — (jdF2mcos(jd£.

Эти ЭДС вызывают в диске вихревые токи гх и г2. Исследуя общий характер процесса, можно пренебречь при про­мышленной частоте 50 Гц индуктивным сопротивлением конту­
ров вихревых токов в диске и счи­тать их совпадающими по фазе с ЭДС:

h = ei/Ддх = -(ш/Дд1со8(ш«+'ф);

h = е2д2 = -(ш/Д^ФгтСОзш*,

г^ Fi F2 jy

Рис. 12.17

где Дд1, ДЛ2 — активные сопротивле­ния контуров. Силы, воздействую­щие на подвижную часть, пропорци­ональны соответствующим потокам и токам, т. е.

Fx= кгФ^2; F2= 1ф2гь

где кх и к2 — постоянные коэффици­енты, которые учитывают геометри­ческие параметры механизма.

вр

rp ^lm, 2 т

Эти силы при одинаковом направлении магнитных потоков и оди­наковом направлении токов в контурах (рис. 12.17) направлены встречно, поэтому среднее значение вращающего момента можно оп­ределить через интеграл за период Тот произведения разности сил (F2- Fx)на плечо г0 их приложения (см. рис. 12.16):

Г

М,

к к —/ sin((jd£ + ty)coswtdt + —I (smut)cos(wt +

Д2 n                             д1 n

Учитывая, что

т

J' (sin uot) cos uotdt = J* dt =0;

о

T

/

1С                                                               1

cos2uotdt= —;J sin2(jotdt = —,

после простых преобразований находим


 



(jor0 kx

ко

MRn=

ЙД1 ^д2

ФФsini|>,


 



где сопротивления Дд1 и Дд1 обратно пропорциональны удельной проводимости ч материала диска (алюминия).

Обозначив постоянный множитель в выражении вращающего мо­мента fcBp, получим

Мвр = fcBpuj ^ Ф1 тФsin г|).                (12.9)

Вращающий момент пропорционален угловой частоте ио, следо­вательно, индукционный прибор пригоден для измерения в цепи переменного тока одной определенной частоты. Вращающий момент пропорционален также удельной проводимости 4 материала диска. Последний изготовляется из алюминия — материала со значитель­ным температурным коэффициентом сопротивления — около 0,004 °С-1 (см. табл. 1.1), т.е. изменение температуры диска на 10 °С вызывает изменение вращающего момента на 4 %. Однако в счетчи­ках вращающий и тормозной моменты в одинаковой степени зави­сят от электрического сопротивления диска и температурные влия­ния на показаниях счетчика сказываются мало.

Вращающий момент индукционного прибора [см. (12.9)] должен быть в счетчике пропорционален активной мощности Р = UI cos ср. Для этого необходимо, чтобы один из двух магнитных потоков, напри­мер Ф, был пропорционален напряжениюU,а второй Ф — току I.

Электромагнит цепи напряжения счетчика устроен так, что боль­шая часть пути магнитного потока Ф2 проходит по ферромагнитно­му участку магнитопровода (рис. 12.16). Поэтому можно считать [см. (8.46)], чтоU = 4,44/иуФ = Фсопз1.

Электромагнит цепи тока счетчика имеет U-образную форму — его магнитный поток примерно половину пути проходит в воздухе. Так как магнитное сопротивление ферромагнитного участка магни­топровода незначительно по сравнению с магнитным сопротивле­нием воздушного промежутка, то им можно пренебречь и выразить мгновенное значение потока этого электромагнита следующим об­разом [см. (7.7)]:

Фх = iwr/Rw                                (12.10)

гдеRM— магнитное сопротивление воздушного промежутка. Вели­чины в правой части (12.10), кроме тока г, постоянные и поток Фпропорционален току I.

Вращающий момент счетчика должен быть пропорционален и cosср. Так как в выражении вращающего момента (12.9) содержится лишь одна функция сдвига фаз sini[;, то необходимо получить sinij; = costp, или г); = тс/2 — tp.

Можно приближенно считать, что поток Фх совпадает по фазе с токомi(рис 12.18). Следовательно, угол сдвига фаз между напряже­нием и и потоком Ф2 должен быть равен тс/2, для того чтобы получить

= -к/2 - ф. Рассмотренная ранее векторная диаграмма (см. рис. 8.8) катушки с магнитопроводом (см. рис. 8.7, а) показывает, что сдвиг фаз между напряжением, приложенным к катушке, и потоком в маг­нитопроводе будет равен -к/2, если подобрать соответствующее зна­
чение индуктивности рассеяния при неиз­менных прочих параметрах. В индукцион­ном счетчике предусмотрена такая воз­можность. Потокосцепление рассеяния с обмоткой напряженияwvсодержит со­ставляющую и)уФ:], где Ф3 — поток, замы­кающийся помимо диска. Значение этой составляющей потокосцепления рассея­ния можно изменять, регулируя ширину воздушного зазора на пути потока Ф3, на­пример, с помощью подвижной ферромаг­нитной пластины П (см. рис. 12.16).

Момент сил трения в индукционном счетчике значителен и необходима его компенсация. Во всех конструкциях ин­дукционных счетчиков для создания вспомогательного момента индукцион­ным путем используется один и тот же об­щий принцип — нарушение симметрии в магнитной цепи потока Ф2 (пропорционального напряжениюU).На сердечнике электромагнита укрепляется короткозамкнутый виток медной проволокиwK, охва­тывающий часть поверхности поперечного сечения сердечника вбли­зи диска. Магнитное поле тока витка, накладываясь на основное поле, создает под витком небольшой магнитный поток, сцепленный с дис­ком; совместно с основным потоком этот поток создает вспомога­тельный момент, компенсирующий момент трения.

Для учета энергии в трехфазных системах служат счетчики трех­фазного тока, в которых два или три движущихся элемента индук­ционных счетчиков воздействуют на общую ось счетчика и через нее — на счетный механизм. Схемы этих счетчиков соответствуют

схемам измерения мощности методами двух (см. рис. 3.13, а) или трех (см. рис. 3.14) ваттметров или некоторым специ­альным способам измерений.

Рис. 12.18

Регистрирующее устройство

 

 

Процессор

 

 

 

АЦП

г  

IxAj^y-l ТТ

^VVN

  t

ТН

         

Электронный счетчик. Упрощенная структурная схема однофазного электрон­ного счетчика, включенного через транс­форматоры тока ТТ и напряжения ТН (см. 9.17) в цепь для измерения активной энер­гии приемника с сопротивлением нагруз­киZwпоказана на рис. 12.19. Принцип дей­ствия счетчика заключается в непрерыв­ном преобразовании текущих значений тока и напряжения с помощью АЦП (см. 10.27) через малые интервалы времени, за- Рис. 12.19    даваемые процессором, в числовые экви­
валенты, последующем вычислении процессором активной мощнос­ти по (2.55) и энергии по (12.18в) и регистрации результатов вычисле­ний с помощью электровакуумных (см. 11.2) или других индикаторов.

Электронный счетчик не содержит подвижных частей, а програм­мирование процессора позволяет эффективно использовать его в ав­томатизированных системах комплексного учета электроэнергии для анализа суточных графиков нагрузки, многотарифного расчета за электроэнергию и т. п.

Электронный счетчик применим и для измерений энергии в це­пях постоянного тока при наличии датчиков постоянного тока и на­пряжения и соответствующем программировании процессора.

12.9. Мостовой метод измерения

Мостовые методы применяются для измерения параметров ре­зисторов, катушек индуктивности и конденсаторов. Для измерения параметров катушек индуктивности и конденсаторов необходимы мосты переменного тока. Для измерения сопротивлений резисторов чаще применяются мосты постоянного тока.

На рис 12.20 изображен четырехплечий мост постоянного тока. В одну диагональ моста включен источник постоянной ЭДС Е, а в другую диагональ с помощью ключейSxиS2может включаться галь­ванометрG.

В одно плечо моста к точкамbudприсоединяется резистор с не­известным сопротивлениемRx.В трех остальных плечах моста на­ходятся резисторы, сопротивления которых известны и могут регу­лироваться.

При равновесии моста потенциалы точек бис одинаковы (Фь = Фс). т.е.

R\h —Rxh — R$h-


 



d

RX^RXR,/R2.(12.11)

Схемы четырехплечих мостов переменного тока весьма разнооб­разны. Рассмотрим простейшие из них.

а

Разделив почленно первое ра­венство на второе, найдем значение измеряемого сопротивления:

На рис. 12.21, а и б приведены одна из разновидностей схемы че- тырехплечего моста переменного тока и его потенциальная диаграм­ма на комплексной плоскости


Рис. 12.21

б

а


(см. 2.24) при разомкнутой цепи гальванометра. Так как треуголь­ники напряжений правой и левой ветвей моста прямоугольные, то концы векторов, изображающих потенциалы точек бис, находятся на полуокружности с диаметром, равным ЭДС Ё= Е (начальная фаза ЭДС выбрана нулевой). Изменяя параметры регулируемых элемен­тов моста, можно совместить потенциалы точек бис. Равновесие моста (ф6 = фс) фиксируется с помощью гальванометра. Назначе­ние ключейSxиS2то же, что и у моста постоянного тока.

(12.12)

(12.13)

При равновесии моста из равенства треугольников напряжений следует

Rih = -jXck, jXLI = R2I2.

Разделив почленно одно уравнение на другое и учитывая, что XL=ujLи Хс = 1 /и С, получим

L/ R\ = R2C.

Выражение (12.13) показывает, что использование моста пере­менного тока позволяет измерять параметры индуктивного или ем­костного элемента, если параметры других элементов моста извест­ны и можно пренебречь потерями в катушке и конденсаторе.

При исследовании реальных катушек необходимо знать парамет­ры ее эквивалентной схемы замещения (см. рис. 7.7, а)> состоящей из последовательного соединения резистивного и индуктивного эле­ментов. ПараметрыLxиRxэквивалентной схемы замещения катуш­ки могут быть измерены с помощью моста, схема которого показана на рис. 12.22, а. На рис. 12.22, б приведена потенциальная диаграмма такого моста. При равновесии моста потенциалы точек Ь и с совпа­дают (ф6 = фс), откуда следует, что


d

Фа = 0

+J

Lx— LQRl/R2) Rx— R0Ri/R2.

Для повышения производительности и точности измерений при­меняются мосты с встроенной микропроцессорной системой (рис. 12.23), в которых реализованы автоматическое измерение и регист­рация параметров R, L, С. Нажатием соответствующих клавиш на панели управления задаются вид измеряемого параметра, значение частоты напряжения генератора и форма представления результата. Микропроцессор по команде с панели управления включает генера­тор и считывает программу из постоянного запоминающего устрой­ства (ПЗУ), определяющую последовательность операций. Перемен­ное напряжение разбаланса моста преобразуется в постоянное на­пряжение, а затем с помощью АЦП — в числовой эквивалент. По значению числового эквивалента микропроцессор регулирует цепь моста до состояния равновесия. Один из вариантов регулировки моста заключается в применении управляемых резисторов, как и в

ЦАП (см. рис. 10.122).

+ 1

б

Микропроцессор

  ОЗУ  

ПЗУ

 

Панель управления

 

Дисплей

ту       ту

Ту

  zy

 

  Л
         

 

   

 

   

Шины микропроцессорной системы

ту       Л

 

    ✓у

 

  zy
         

 

     

 

   
Генератор  

Мост

 

Преобразователь -/—

 

  АЦП
                           

Рис. 12.23


 

При достижении равновесия моста микропроцессорная система выполняет необходимые вычисления для получения результата из­мерения, преобразует его и выводит на дисплей в требуемой форме.

12.10. Компенсационный метод измерения

Основное назначение компенсационного метода — это измере­ние малых ЭДС, например термопары, и градуировка электроизме­рительных приборов.

Простейшая принципиальная схема для измерения малых ЭДС показана на рис. 12.24, а. Вспомогательный источник регулируемо­го постоянного тока I (реостатом с сопротивлениемRp)подключен к потенциометру с сопротивлениемRu.Разность потенциалов точек а и Ь последнего уравновешивает измеряемую ЭДС (Ех =Uab),а раз­ность потенциалов точек с иd— ЭДС образцовой меры, т. е. здесь нормального элемента (Еиз =UrJ).

Для компенсации измеряемой Ех и нормальной Еп:л ЭДС нужно перемещать подвижные контакты Ь и с до тех нор, пока гальвано­метрыG2иGxне покажут отсутствие токов. Значение ЭДС Еи:) из­вестно точно, поэтому после компенсации ЭДС Еи :) по отмеченному значению сопротивления Rxрассчитывается точное значение тока в потенциометре I = E^/R^ Значение измеряемой ЭДС определяет­ся из условия Ех =Uab= R2I = (R2/Ri)EU 31в котором значенияRxи R2отсчитываются на шкале потенциометра.

Важное преимущество компенсационного метода — возможность измерять (или использовать для управления) ЭДС объектов малой мощности.

На рис. 12.24, б приведена схема компенсационного метода гра­дуировки амперметра и вольтметра. Установив положения движков потенциометров так, чтобы токи нормальных элементов равнялись нулю, и зная сопротивления потенциометров, получим соответствие между отклонениями стрелок амперметра и вольтметра и значения­ми измеренных токов:


-1 +

Рис. 12.24

Т               Лз

+

б

^нэ


 



Ik — Л = Дкэ/^Ь ^v —R4I2 — Д1.А/Д

Изменяя сопротивления регулируемых резисторов Д5 И i2(j,мож­но проградуировать шкалы амперметра и вольтметра.

12.11. Электронные измерительные приборы.

Электронный вольтметр

<3-

Одним из основных недостатков показывающих вольтметров с электромеханическими измерительными механизмами является от­носительно малое сопротивление цепи вольтметра (5 — 10 кОм), ко­торое принято называть его входным сопротивлением. Объясняет­ся это тем, что для получения достаточно большого вращающего момента, действующего на подвижную часть измерительного меха­низма в таких приборах, необходимо, чтобы токи в катушках (см. рис. 12.11, 12.12 и др.) были достаточно большими. Такими вольт­метрами нельзя пользоваться при измерении напряжения на резис­торе, сопротивление которого соизмеримо с входным сопротивле­нием вольтметра (см. рис. 12.2).


 

У электронных вольтметров большие входные сопротивления (до 10 МОм), что существенно расширяет возможную область их при­менения. Кроме того, электронные вольтметры могут иметь очень высокую чувствительность.

Существует много разновидностей электронных вольтметров. Рассмотрим одну из возможных схем (рис. 12.25), выполненную как мост постоянного тока. В два плеча моста включены одинаковые полевые транзисторы —VTXиVT2с управляющим р-п-переходом и n-каналом (см. рис. 10.19,10.20 и 10.25). ПотенциометрRPXслужит для компенсации различия параметров транзисторов. Равновесие моста определяется по нулевому положению стрелки включенного в диагональ моста показывающего прибора с электромеханическим измерительным механизмом (например, магнитоэлектрическим гальванометром) при короткозамкнутых входных выводах, т.е. Ux= 0. В этом случае, пренебрегая токами в цепях затворов, на ос­новании уравнений по второму закону Кирхгофа, составленных для контуров, которые отмечены на рис. 12.25 штриховой линией, на­пряжения между затворами и истоками обоих транзисторов будут одинаковыми:

^ЗИ1 — ^ЗИ2 = ^зи = ^ 1 ~~

где Ic —Ici = Ic2 — одинаковые токи транзисторов.

С помощью потенциометраRP2можно изменять режим работы транзисторов. Если на вход вольтметра подано измеряемое напря­жение Ux^ 0, то равновесие моста нарушится и появится ток в диа­гонали моста.

Отклонение стрелки прибора пропорционально значению изме­ряемого напряжения. Регулируемый резисторRpслужит для калиб­ровки вольтметра и изменения пределов измерения.


Так как индикатором в электронном вольтметре служит показы­вающий прибор с электромеханическим измерительным механиз­мом, то точность электронного вольтметра не может быть выше точ­ности последнего. В действительности точность электронного вольт­метра из-за неидентичности транзисторов ниже точности индика­тора. Большое входное сопротивление электронного вольтметра получается вследствие малого тока затвора транзистораVTX.Высо­кая чувствительность электронного вольтметра объясняется тем, что небольшое изменение измеряемого напряжения приводит к силь­ной разбалансировке моста и достаточно большому току в диагона­ли моста, где находится показывающий прибор.

Постоянный ток с помощью электронного вольтметра измеряет­ся косвенно путем измерения падения напряжения, вызываемого этим током на резисторе с малым сопротивлением.

12.12. Цифровые измерительные приборы. Цифровой вольтметр

Цифровые измерительные приборы широко применяются для из­мерения частоты, интервалов времени, напряжения, разности фаз и т.д. К их общим достоинствам относятся высокие чувствительность и точность, объективность отсчета показаний, возможность сопря­жения с другими цифровыми устройствами для обработки резуль­татов измерения, а к недостаткам — сложность изготовления и ре­монта, высокая стоимость, а также утомление оператора при дли­тельном наблюдении за цифровым индикатором.

Ограничимся здесь рассмотрением структурной схемы цифрового вольтметра постоянного напряжения (рис. 12.26). На рис. 12.27 при­ведена совмещенная временная диаграмма работы различных бло­ков структурной схемы.

Совместную работу блоков цифрового вольтметра синхронизи­рует блок управления, например мультивибратор (см. рис. 10.104), на выходных выводах которого формируются отрицательные им­пульсы напряжения щ с периодом повторения Т. Импульсы напря­жения щ одновременно включают генератор линейно изменяюще­

го


 



■Ir

Селектор

Счетчик

Компаратор

иш

Блок управления


 



«ЛГ

итип\ г

ГЛИН

иг

..............

Генератор


  -if------------------------------ J %лин/   1"-1 Y 1 i    
ивх ; L^^i  

: L^i

t
        > 1  
  ! №   1 t

i 1 i 1 ................................ IIIIIIIIINIIIIIIIIII........ llllll............... Illlllljllllll....... t

1 1

i 1i 1

Iiiiiiiiiiiiiiiii! liniiiiiiiiiiiiii i

Рис. 12.27


 

гося напряжения (ГЛИН) (см. рис. 10.108) и селектор. На выходе ГЛИН формируется напряжение, нарастающее по линейному зако­ну»итин —St,которое подается на вход блока сравнения, т. е. ком­паратора (см. рис. 10.96). Селектор связывает выход высокочастот­ного импульсного генератора (частота/) со входом счетчика (см. рис. 10.117). В блоке сравнения линейно нарастающее напряжение ГЛИН сравнивается с измеряемым постоянным напряжениемUliX.

Через интервал времениAtот начала запуска ГЛИН в работу на­пряжение на его выходе становится равным измеряемому напряже­нию, т.е.UBX=SA£, гдеSназывается крутизной преобразования. В этот момент времени на выходе блока сравнения формируется по­ложительный импульс напряжения и2, который поступает на вход селектора и прекращает связь между выходом высокочастотного ге­нератора и входом счетчика. Таким образом, в цифровом вольтмет­ре измеряемое напряжение сначала преобразуется в пропорциональ­ный интервал времениAt = Um/S,а затем этот интервал времени преобразуется в пропорциональное интервалу число импульсов

n=Atf=fujs;

которое фиксируется цифровым индикатором.

Так как частота / велика, а крутизна преобразованияSмала, то даже малым значениям входного напряженияUliXсоответствует большое число импульсов п, что обеспечивает высокие чувствитель­ность и точность прибора. Цифровая индикация результатов изме­рения обеспечивает объективность отсчета показаний.

12.13. Регистрирующие приборы и устройства

ф

Ф

Ф ®

Ф

Для регистрации быстро протекающих процессов, а также для из­мерения частоты, динамических характеристик [например, петли ги­стерезиса (см. рис. 8.10)], характеристик полупроводниковых при-

Вертикально

Отклоняющие

Пластины

отклоняющие пластины

Рис. 12.28


 

боров и электронных ламп служит электронно-лучевой осциллог­раф.

Электронно-лучевая трубка (рис. 12.28) — важнейшая часть электронного осциллографа — состоит из электронного прожекто­ра, отклоняющей системы и экрана. Электронный прожектор созда­ет узкий электронный луч. Посредством отклоняющего устройства измеряемая величина управляет движением луча, который играет роль практически безынерционной подвижной части осциллографа. Экран покрыт слоем люминофора, и на нем под действием элект­ронного луча образуется светящееся пятно. При отклонениях луча это пятно движется по экрану и дает изображение кривой исследуе­мого процесса. Электронный прожектор («электронная пушка») состоит из подогревного катода, управляющего электрода С — мо­дулятора — и двух анодов — Аг и А2.

Электрическое поле, необходимое для ускорения электронов, обеспечивается высокими положительными потенциалами двух ано­дов — Ах и А2 — полых цилиндров с одной или более диафрагмами, помещенных на пути электронного луча. Последние служат для за­держания электронов, сильно уклонившихся от оси луча. Напряже­ние между первым анодом Ах и катодом составляет от одной деся­той до одной трети напряжения между вторым анодом А2 и катодом, равного 600-5000 В.

Для отклонения электронного луча в горизонтальном и вертикаль­ном направлениях в трубке есть две пары отклоняющих пластин. Ис­следуемое периодическое напряжение подается на вертикально от­клоняющие пластины, вследствие чего происходит отклонение луча в вертикальном направлении (по оси ординат). Горизонтально откло­няющие пластины необходимы для развертки исследуемого напря­жения во времени (по оси абсцисс). Для этого в большинстве случаев на эти пластины подается периодическое пилообразное напряжение.

Структурная схема осциллографа (рис. 12.29) состоит из ряда бло­ков и ключей, с помощью которых можно получить различные ре­жимы работы осциллографа.


 

Электронный осциллограф может работать в следующих основ­ных режимах: в режиме внутренней синхронизации, в режиме внеш­ней синхронизации, в автоматическом режиме и режиме специаль­ной развертки.

Входной блок электронного осциллографа — аттенюатор — пред­ставляет собой калиброванный делитель напряжения, с помощью которого можно уменьшить напряжение входного сигнала иВХ1 а так­же напряжение синхронизирующих импульсов ис и в нужное число раз.

В режиме внутренней синхронизации замкнуты ключиSb S4и на­пряжение входного сигнала через аттенюатор поступает на вход уси­лителя и вход ГЛИН. Напряжение с выхода ГЛИН поступает на го­ризонтально отклоняющие пластины х — х осциллографа, и изобра­жение электронного луча на экране начинает двигаться в горизон­тальном направлении. Для того чтобы входной сигнал, поступаю­щий после усиления на вертикально отклоняющие пластины у —у, был расположен в центре экрана, его необходимо, прежде чем пода­вать на эти пластины, задержать на некоторое времяAtс помощью линии задержки (рис. 12.30, а).

Недостатком режиме внутренней синхронизации является воз­можное искажение исследуемого входного сигнала линией задержки.

В режиме внешней синхронизации замкнуты ключиS2—S4и за­пуск ГЛИН (см. рис. 10.105) осуществляется специальным импуль­сом синхронизации ис и, который предшествует входному сигналу ивх на времяA t(рис. 12.30,б). В этом случае линия задержки не нуж­на и можно получить более точное воспроизведение входного сиг­нала.

В автоматическом режиме замкнуты ключиS2,SAи на выходе ГЛИН получается пилообразное напряжение с частотой /г. Если ча­стота /г совпадает с частотой /периодического напряжения на входе осциллографа или кратна ей, то на экране осциллографа наблюда­ется неподвижное изображение (рис. 12.30, в).


у/. ., V------------------------- ► и

/W 1

^"с.и

/W '

« At*

't

\ 1

« At

t

иТЛИИ___ I

   

 

б

л

%лин

л

%лин

Рис. 12.30


 



В режиме специальной развертки замкнуты ключи S2, $5 и на го­ризонтально отклоняющие пластины осциллографа подается какое- либо специальное периодическое напряжение их. Поэтому с помо­щью осциллографа можно проводить некоторые специальные изме­рения. Например, если на пластины х — х подано синусоидальное на­пряжение их — ?7msin2'iv/a.^, то можно измерить частоту / входного напряжения, если оно также синусоидальное и частота кратна час­тоте В зависимости от кратности отношения частотf/fxна экране осциллографа наблюдаются различные фигуры (рис. 12.31).

Чувствительностью осциллографа называется отношение верти­кального отклонения светового пятна на экране в миллиметрах к значению входного напряжения в вольтах. Чувствительность самой трубки без усилителя относительно низкая, примерно 0,5 — 1 мм/В. Однако применение усиления повышает чувствительность осцил­лографа до 1 — 2 мм/мВ.

Фотографирование кривых с экрана осциллографа возможно с помощью специальных приставок.

/=А/2

Рис. 12.31

Для регистрации медленно изменяющихся во времени величин (с частотой до 10 Гц) применяются самопишущие приборы. Запись текущего значения регистрируемой величины производится на дви­жущейся бумаге в координатах «изме­ряемая величина — время». Значение измеряемой величины определяется положением подвижной части изме­рительного механизма, например маг­нитоэлектрического.

Для регистрации информации в цифровой и буквенной формах применяются алфавитно-цифровые печатающие устройства (АЦП), магнитофоны и дисплеи. Последние применяются также для регис­трации графической информации.

12.14. Измерительные системы

Типовая измерительная система содержит стандартные устрой­ства: датчики измеряемых величин, цифровые измерительные при­боры, регистрирующие приборы, контроллер и системный интерфейс (рис. 12.32).

Датчики и первичные преобразователи подключаются непосред­ственно к исследуемому объекту и служат для получения исходной информации (например, частоты вращения пу мощности Рвала элек­тродвигателя и т.п.) в виде доступных для измерения электричес­ких величин в аналоговой форме.

Цифровые приборы измеряют аналоговые электрические величи­ны, преобразованные в числовые эквиваленты.

Контроллер представляет собой программно-управляемое уст­ройство на основе микропроцессоров.

Регистрирующие устройства (алфавитно-цифровое печатающее устройство, графопостроитель, магнитофон и т. п.) позволяют доку­ментировать информацию о результатах измерения.

Интерфейс содержит совокупность электрических, механических и программных средств, позволяющих соединять между собой раз­личные части измерительной системы.



Работой системы управляет контроллер. По команде контролле­ра интерфейс устанавливает все приборы системы в исходное состо­яние. Следующая команда переводит все приборы в режим дистан­ционного управления. Управление системой заключается в переда­че адресов и команд из контроллера, по которым происходит выбор­ка передающих и принимающих информацию приборов и соответ­ствующих линий связи.

Различают контроллеры без обработки и с обработкой данных. В последнем случае контроллеры помимо функций управления вы­полняют также логические и математические операции, необходи­мые для анализа данных измерения, их обработки по программе и принятия решений, определяющих работу отдельных приборов и системы в целом.

Применение измерительных систем обеспечивает: многофункци­ональность; автоматизацию процессов измерения, калибровки и статистической обработки; дистанционность управления; проведе­ние косвенных и совокупных измерений; запоминание выборок; ав­томатизацию поверочных процедур.

12.15. Преобразователи неэлектрических величин

Преобразователи неэлектрических величин (температуры, дав­ления, координаты пространственного расположения и т. п.) дают возможность применять для их определения приборы и методы из­мерения электрических величин.

Различают параметрические и генераторные преобразователи. В первых измеряемая неэлектрическая величина вызывает изменение одного из электрических параметров элемента электрической цепи, которым является преобразователь, во вторых она преобразуется в ЭДС. К параметрическим преобразователям относятся:

реостатный, основанный на изменении сопротивления участка проводника Л, длину которого определяет положение подвижного контакта, зависящее от координаты х контролируемого объекта;

термочувствительный, основанный на зависимости сопротивле­нияRполупроводниковых резисторов (терморезисторов) от темпе­ратуры Ф;

тензометрический, основанный на зависимости сопротивления участка проводников (из некоторых металлов) и полупроводников от механических напряжений, возникающих, например, при их из­гибах или скручивании;

электромагнитный, объединяющий обширную группу преобра­зователей, в которых параметры электромагнитного поля зависят от параметров контролируемого объекта.

В емкостном преобразователе используется зависимость емкос­ти С конденсатора от взаимного расположения его электродов, свя-
2     j      занного с координатой х контролируемо-

р

—го объекта. Аналогично в индуктивном преобразователе используется зависн­ув мость индуктивности катушки от положе- 0 ) ния сердечника L(x) или взаимной индук­тивности двух катушек от их взаимного расположения М(х).

Рис. 12.33              ® вихретоковом преобразователе (рис.

12.33) используется зависимость интен­сивности вихревых токов гв, возбуждаемых в контролируемом изде­лии 1 синусоидальным током г высокой частоты в катушке 2, от элек­тропроводности. Чем больше интенсивность вихревых токов, т.е. меньше повреждений в изделии и больше его проводимость, тем меньше сопротивление цепи возбуждения. Для повышения чувстви­тельности преобразователя между катушкой возбуждения и конт­ролируемым изделием помещают измерительную катушку. К генераторным преобразователям относятся: пьезоэлектрический, представляющий собой кристалл (кварц, сег- нетовая соль и др.), в котором ЭДС возникает под действием вне­шних механических сил, например давления на поверхность крис­талла;

термоэлектрический, основанный на зависимости ЭДС термопа­ры от разности температур ДФ ее частей (см. рис. 12.10), и т.д.

Электрические параметры параметрических преобразователей из­меряются мостовыми методами и логометрами, ЭДС генераторных преобразователей — вольтметрами и компенсационным методом.


ГЛАВА 13 МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

13.1. Общие сведения

Электрические машины постоянного тока (двигатели и генера­торы) находят широкое применение в различных областях техники. Основное достоинство двигателей постоянного тока заключается в возможности плавного регулирования частоты вращения и получе­ния больших пусковых моментов, что очень важно для тяговых дви­гателей на электрическом транспорте, а также для привода различ­ного технологического оборудования.

Электрические машины постоянного тока малой мощности при­меняются в системах автоматического регулирования как для при­вода исполнительных механизмов, так и в качестве датчиков часто­ты вращения подвижных частей регулируемой системы.

Генераторы постоянного тока входят в состав систем электропи­тания специального оборудования, например в радиотехнических ус­тановках, при зарядке аккумуляторов, для питания электролитичес­ких ванн и т. д.

Общим недостатком электрических машин постоянного тока яв­ляется сложность их конструкции, связанная главным образом со ще- точно-коллекторным аппаратом. Кроме того, в коллекторно-щеточ- ном аппарате, осуществляющем постоянную перекоммутацию цепей электрической машины, возникает искрение. Это снижает надежность машин и ограничивает область их применения. Существенным недо­статком двигателей постоянного тока является необходимость пред­варительного преобразования для них электрической энергии цепи переменного тока в электрическую энергию цепи постоянного тока.

13.2. Устройство машины постоянного тока

Машину постоянного тока в основном можно разделить на не­подвижную и вращающуюся части. Неподвижная часть состоит из станины, на которой укреплены главные полюсы для возбуждения главного магнитного потока и дополнительные — для улучшения коммутации в машине (см. 13.8).


Рис. 13.1

Полюсный наконечник


Обмотка возбуждения


- Сердечник дополнитель­ного полюса


Сердечник главного полюса


Рис. 13.2


 

Главный полюс состоит из сердечника, набранного из листовой стали и укрепленного болтами на станине, и обмотки возбужде­ния. Сердечник на свободном конце снабжается полюсным нако­нечником для создания требуемого распределения магнитного по­тока.

Станина является ярмом машины, т. е. частью, замыкающей маг­нитную цепь главного потока Ф (рис. 13.1). Она изготовляется из литой стали, так как магнитный поток в ней относительно постоя­нен. Дополнительные полюсы устанавливаются на станине меж­ду основными. На сердечниках дополнительных полюсов распо­лагаются обмотки, которые соединяются последовательно с яко­рем (рис. 13.2).

Рис. 13.3

Якорем называют часть машины, в обмотке которой при враще­нии ее относительно главного магнитного поля индуктируется ЭДС. В машине постоянного тока якорь (рис. 13.3) состоит из зубчатого сердечника 1, обмотки 2, уложенной в его пазах, и коллектора 3, на-


Рис. 13.5

саженного на вал якоря. Сердечник якоря набирается из листов элек­тротехнической стали толщиной 0,5 мм, изолированных друг от друга лаком.

Для отвода тока от коллектора служат щетки, установленные в щеткодержателях (рис. 13.4). Щетку 1 к коллектору прижимает пру­жина 2. Ток от щетки отводится специальным гибким кабелем. Щет­кодержатели надеваются на щеточную траверсу (отверстие 3), от которой они электрически изолируются. Траверса крепится соосно с якорем так, что ее можно поворачивать, изменяя положение щеток по отношению к полюсам машины.

У всех электрических машин постоянного тока есть коллектор. Это полый цилиндр, собранный из изолированных друг от друга кли­нообразных медных пластин 1 (рис. 13.5). Пластины коллектора изо­лированы также от вала машины. Проводами 2 они соединяются с витками обмотки, размещенной в пазах якоря. Вращающаяся обмот­ка соединяется с внешней цепью скользящим контактом между щет­ками и коллектором.


Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 335;