по дисциплине: «Информационно-измерительная техника»
1. Задания для контрольной работы
Задание 1
Описать конструкцию, принцип действия и область применения в электроэнергетике следующих преобразователей термоэлектрических.
Задание 2
Привести структурную или принципиальную схему преобразователя действующего значения произвольной формы напряжение в пропорциональное постоянное. Автоматический выбор диапазона в вольтметрах.
Задание 3
Привести структурную схему и пояснить принцип измерения цифровым методом автоматический мост постоянного тока.
электроэнергетика преобразователь вольтметр
2. Решение
Задание 1
Условно термоэлектрические преобразователи подразделяются на термопреобразователи общепромышленного назначения и специальные. Термоэлектрический преобразователь — это термопара с изолированными электродами, помещенными в защитную арматуру. Рассмотрим вначале первую группу. Существует большое разнообразие конструктивных исполнений преобразователей. На рис. 1 представлена схема устройства одной из разновидностей преобразователя общепромышленного назначения.
Рис. 1 Конструкция термопреобразователя напряжения промышленного назначения: 1 — электроды; 2 — рабочий пай; 3 — трубка; 4 — защитная арматура; 5 — керамический наконечник; 6 — заливка; 7 — головка; 8 — сборка; 9 — зажимы; 10 — удлиняющие провода; 11 — герметизированный ввод
Электроды 1 термопреобразователей ТХК и ТХА общепромышленного назначения обычно выполняются из проволоки диаметром, обеспечивающим пренебрежимо малое сопротивление термопары и достаточную механическую прочность. При этом можно не учитывать изменение сопротивления электродов при изменении температуры, что важно при использовании некоторых типов милливольтметров в качестве вторичных приборов. Рабочий спай 2 обычно выполняется сваркой.Для изоляции термоэлектродов используют кварцевые (до 1000 °С) или фарфоровые (до 1400 °С) трубки или бусы. При более высоких температурах применяются оксиды металлов: алюминия, магния, бериллия и т.п. На рис. 1 в качестве изолятора изображена трубка 3, представляющая стержень с двумя продольными отверстиями, в которые пропущены электроды. Рабочий спай может быть защищен керамическим наконечником 5. Материалом защитной арматуры 4 обычно является нержавеющая сталь (до 900 °С), при высоких температурах используются специальные сплавы. Арматура заканчивается головкой 7, в которой расположена сборка 8 с зажимами 9, к которым подведены электроды термопары и через герметизированный ввод 11 — термоэлектродные удлиняющие провода 10. Внутренняя полость защитной арматуры может быть герметизирована заливкой б верхней части. На наружной поверхности арматуры могут располагаться элементы 12 (например, штуцера) для крепления защитной арматуры к объекту. Защитная арматура может не иметь штуцера, либо штуцер может быть подвижным (при невысоких давлениях контролируемой среды).
Назначение и классификация защитных сооружений
... наращивание в угрожаемый период; ведение учёта существующего и создаваемого фонда защитных сооружений и организацию его использования в мирное и военное время. Назначение и классификация защитных сооружений Для защиты населения в экстремальных условиях используются ...
Длина монтажной части L различных модификаций составляет (0,08…2,5) м, диаметр рабочей части (5…25) мм. Конструкция, в которой рабочий спай изолирован от защитной арматуры, представлена на рис. 1. Существуют конструкции, в которых рабочий спай приварен к чехлу или прижат к нему. Это снижает инерционность преобразователя, но резко уменьшает помехозащищенность измерительного канала, особенно при заземлении какой-либо точки входного элемента потенциометра. Это вызвано тем, что рабочий спай через свою арматуру и защитный чехол оказывается заземленным, причем в другой точке, чем заземление измерительного прибора. В этом случае образуется паразитный контур и при различии потенциалов точек заземления на входе вторичного прибора появляется паразитный сигнал, не устраняемый входным фильтром. В силу этого целесообразно применять преобразователи с изолированным рабочим спаем.
Специальные термопреобразователи изготовляются на основе кабельных термопреобразователей типов КТХАС, КТХАСП, КТХКС. Они предназначены для измерения температуры от -50 до 1000 °С ив основном используются в реакторной термометрии. Кабельные термопреобразователи имеют наружный диаметр от 1 до 6 мм, длину от 10 до 50 м с числом жил 2 или 4 (одна жила или одна пара жил из хромеля, другая из копеля или алюмеля).
Схематично устройство кабельного термопреобразователя с изолированным рабочим спаем представлено на рис. 2, а. Возможна конструкция термопреобразователей, у которых рабочий спай не изолирован от оболочки.
Рис. 2 Конструкция термоэлектрического преобразователя специального применения: а, 6 — одно- и многозонный преобразователи; 1 — рабочий спай; 2 — термоэлектроды; 3 — оболочка; 4 — втулка; 5 — герметик; 6 — выводы
В кабельных преобразователях изоляция термоэлектродов осуществляется спрессованным порошком оксида магния. Существенным ее недостатком является гигроскопичность, причем с повышением влажности она набухает (может разорвать оболочку) и теряет изоляционные качества. Поэтому герметизация концов термопреобразователя с последующей проверкой ее качества обязательна. Материал оболочки — нержавеющая сталь. При малых диаметрах термопреобразователя электроды оказываются очень тонкими (до 0,2 мм) и с большим погонным сопротивлением. Для повышения прочности и уменьшения сопротивления измерительной цепи во втулке 4 они наращиваются более толстыми проводниками того же материала, которые и являются выводами. Существуют преобразователи с утоненным или плоским рабочим участком.
В качестве изолятора может быть использован оксид алюминия, обладающий хорошими изоляционными свойствами до 1200 °С, радиационно стойкий, подобно оксиду магния, он также гигроскопичен (хотя не набухает при увлажнении).
Его недостаток — твердость зерен, что не обеспечивает плотной упаковки и соответственно высокой изоляции. Для измерения температур до 2000 °С может быть использован оксид бериллия, недостаток которого — токсичность.
Полупроводниковые датчики температуры
... результатов измерения. Основными видами систематических погрешностей являются: погрешности, обусловленные нелинейностью функции преобразования, что характерно для полупроводниковых датчиков температуры [3 ... полупроводниковые датчики температуры с чувствительными элементами, созданными на основе окислов переходных металлов с неполностью заполненной 3d электронной оболочкой. Достоинством таких датчиков ...
Специфические (наряду с общими) требования предъявляются к материалам оболочек термопреобразователей для реакторных измерений: минимальное сечение поглощения нейтронов, минимальная наведенная активность, высокая радиационная стойкость, высокая коррозионная стойкость и технологичность. В качестве материала применяются стали с большим содержанием никеля. При изготовлении термопреобразователей важно следить за качеством изоляции электродов между собой и от оболочки. Наличие трещин или газовых полостей в изоляции приведет к понижению сопротивления под действием излучения и появлению ионизационных токов. Поэтому обязательной является процедура проверки герметичности оболочки и измерение сопротивления изоляции. По существующим нормам сопротивление должно быть не менее 1000 МОм.
Для измерения температуры в нескольких точках могут использоваться кабельные многозонные термопреобразователи (рис. 2, б).
Такой преобразователь (ТЭП) имеет три или пять рабочих спаев при расстоянии между ними 1 или 1,5 м при общей длине 25 м и внешнем диаметре оболочки 3 или 6 мм. Число выводов ТЭП соответственно равно 4 или 6. Из рис. 2, б видно, что для измерения температуры в точке t1 прибор нужно подключить к выводам 1 и 4, а для измерения в точке t3 — к выводам 3 и 4. Все материалы н элементы многозонного ТЭП аналогичны однозонному (рис. 2, а).
Достоинства такого ТЭП очевидны — возможность измерения температуры в нескольких точках в труднодоступных местах благодаря большой протяженности и малому диаметру при малом количестве металла, вводимого в контролируемую зону.
Удлиняющие термоэлектродные провода обычно изготавливаются в виде пары изолированных проводов сечением (0,2…4) мм2 в общей оболочке. Материал изоляции проводов и оболочки определяется условиями прокладки.
Для целей помехозащищенности выпускаются провода, экранированные металлической оплеткой.
Учитывая, что каждый провод удлиняющих проводов должен подключаться к определенному электроду термопреобразователя, изоляция проводов или цветные нити в оплетках имеют определенную расцветку.
Итак, можно уже представить из чего должен состоять измерительный комплект для измерения температуры термоэлектрическим методом (рис. 3, а): термоэлектрический преобразователь (ТЭП), компенсационное устройство (УК) для автоматического введения поправки на изменение температуры свободных концов преобразователя, удлиняющих термоэлектродных проводов TЭ1 и ТЭ2 между ТЭП и УК (чтобы свободные концы оказались на зажимах УК) и измерительного прибора (ИП).
Между УК и ИП соединительная линия выполняется одинаковыми монтажными (медными) проводами (МП).
Обычно введение поправки на изменение температуры свободных концов осуществляется схемой самого прибора ИП. В этом случае отдельный блок УК не применяется, и ТЭП подключается непосредственно к ИП удлиняющими термоэлектродными проводами (рис. 3, б).
Целиком измерительный комплект называется термоэлектрическим термометром. При применении длинных термопреобразователей (кабельных), их концы могут непосредственно соединяться с зажимами УК или ИП без использования удлиняющих термоэлектродных проводов.
Принцип действия основан на эффекте Зеебека. При соединении двух разнородных проводников или полупроводников концами (рисунок 11.9 а) и различной температуре концов (Т0 Т1) в цепи возникает термоэлектродвижущая сила ЕТ (термоЭДС).
Исследование датчиков и регуляторов температуры
... 11, чертежей 5. Ключевые слова: датчик, температура, регулятор, напряжение, ток, защита. Данный дипломный проект, при исследовании датчиков и регуляторов температуры, рассматриваются следующие задачи: выбора оборудования ... работы 8.2 Производство опыта 8.3 Опыт первый 8.4 Опыт второй 9. Средства защиты электроустановок 10. Охрана труда 11. Применение датчиков в быту 11.1 Применение термопары ...
ТермоЭДС является функцией разности температур спаев
ЕТ= ЕАВ(Т1) — ЕВА (Т2), (11.34)
и состоит из трех составляющих:
1) объемной, возникающей из-за разности потенциалов на концах электродов. На горячем конце энергия носителей зарядов больше и они диффундируют к холодному. На одном конце заряды одного знака, на другом другого;
2) контактной, обусловленной зависимостью контактной разности потенциалов от температуры. При разных температурах спаев контактная разность потенциалов одного спая не компенсирует контактную разность другого;
3) фононной, которая обусловлена увлечением электронов (дырок) фононами (квантами тепловой энергии).
Если в термоэлектродах есть градиент температур, то будет направленное движение фононов от горячего слоя к холодному. Фононы сталкиваются с основными носителями заряда и увлекают их за собой. При низких температурах фононная составляющая может быть в десятки и сотни раз больше первых двух.
Свойства термопары :
1. При включении в цепь термопары третьего проводника С (рисунок 11.9 в), концы которого находятся при одинаковых температурах Т2, ЭДС в цепи не изменяется.
Отсюда следует, что термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него дополнительные проводники и если дополнительные соединения будут при одинаковой температуре, то дополнительных термоЭДС не возникнет
ЕТ = ЕАВ (Т1) + ЕВС (Т2) + ЕСВ (Т2) + ЕВА (Т0) = ЕАВ (Т1) — ЕВА (Т0) (11.35)
Таким образом, прибор для измерения термоЭДС может быть включен как в разрыв, так и между концами термопары.
2. ЭДС термопары является функцией температур ее спаев и не зависит от температуры других точек термопары.
3. При температуре спаев Т1 и Т0 термоЭДС равна алгебраической сумме двух ЭДС, одна из которых возникает при температуре спаев Т1 и Т’0, другая — при температурах Т’ 0 и Т0 (рисунок 10.10)
Е (Т1,Т0) = Е (Т1, Т’0) + Е (Т’0,Т0).
(11.36)
Термоэлектрический ИП обычно называется термопарой, и он используется для измерения (преобразования) температуры.
Зависимость термоЭДС термопары от разности температур Т1 — Т0 в общем случае описывается выражением
ЕT = 1(Т1 — Т0) + 2(Т1 — Т0)2 + … + n(Т1 — Т0)n, (11.37)
где 1, 2, …, n — постоянные, зависящие от материалов термоэлектродов.
Каждая термопара характеризуется собственным рядом температурно-независимых коэффициентов i. Для большинства материалов требуется примерно восемь коэффициентов, чтобы получить погрешность описания зависимости ЕT = F(Т1 — Т0), равную 1%. Коэффициент 1 получил название коэффициента Зеебека.
В узком диапазоне зависимость ЕT от температуры можно описать приближенным выражением только с одним коэффециентом 1.
Материалы, применяемые для термопар, должны иметь: однозначную зависимость термоЭДС от температуры; высокую стабильность термоэлектрических свойств, механическую прочность, химическую устойчивость.
В качестве материалов для термопар используются металлы (платина, медь, родий, рений, иридий и др.) и сплавы (хромель, алюмель, копель, медноникеливые сплавы, платинородий, вольфрамрений и др.).
Стабилизаторы напряжения
... всех видов преобразований: например невозможно использование описанного ниже повышающего преобразователя. Диапазон частот Диапазон частот, используемый при работе импульсных преобразователей и стабилизаторов напряжения ограничивается с нижней стороны предельной частотой порога слышимости ...
Основными характеристиками термоэлектрических ИП являются:
1) градуировочная характеристика; 2) чувствительность; 3) погрешность; 4) показатель тепловой инерции (постоянная времени).
Градуировочная характеристика устанавливает зависимость между значением термоЭДС и температурой рабочего спая термопары. Обычно градуировочная характеристика определяется при температуре свободных концов термопары равной 0 0С и представляется табличном виде. По значениям термоЭДС, взятым из таблиц, могут быть определены соответствующие им температуры.
Чувствительность термопар ST зависит от температуры и при температуре Т0 = 0 0С может быть найдена как
ST = ET/T = 1Т + 2Т2 + … +nТn. (11.38)
Чувствительность для различных термопар составляет значение от единиц до десятков микровольт на градус. имеет
Основными причинами погрешности термопар являются: отклонение характеристики термопары от стандартной; нестабильность характеристики термопары во времени; потери тепла за счет лучеиспускания и теплопроводности защитной арматуры; отклонение температуры свободных концов от градуировочного значения; тепловая инерция.
Отклонение характеристики термопары от стандартной обусловлено различными причинами: различием в составе сплава термоэлектродов, механическими напряжениями и др. Для промышленных термопар в соответствии с ГОСТ допускаются отклонения реальных термоЭДС от градуировочных значений от сотых до десятых долей милливольта.
Нестабильность характеристик термопар во времени обусловлена рекристаллизационными и диффузионными процессами. Эта погрешность не превышает значения тысячных долей процента в час.
Задание 2
Определение и классификация. Электронным вольтметром называется прибор, показания которого вызываются током электронных приборов, т. е. энергией источника питания вольтметра. Измеряемое напряжение управляет током электронных приборов, благодаря чему входное сопротивление электронных вольтметров достигает весьма больших значений и они допускают значительные перегрузки.
Электронные вольтметры делятся на аналоговые и дискретные. В аналоговых вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в пропорциональное значение постоянного тока, измеряемое магнитоэлектрическим микроамперметром, шкала которого градуируется в единицах напряжения (вольты, милливольты, микровольты).
В дискретных вольтметрах измеряемое напряжение подвергается ряду преобразований, в результате которых аналоговая измеряемая величина преобразуется в дискретный сигнал, значение которого отображается на индикаторном устройстве в виде светящихся цифр. Аналоговые и дискретные вольтметры часто называют стрелочными и цифровыми соответственно.
По роду тока электронные вольтметры делятся на вольтметры постоянного напряжения, переменного напряжения, Универсальные и импульсные. Кроме того, имеются вольтметры с частотно-избирательными свойствами — селективные.
При разработке электронных вольтметров учитываются следующие основные технические требования: высокая чувствительность; широкие пределы измеряемого напряжения; широкий диапазон рабочих частот; большое входное сопротивление и малая входная емкость; малая погрешность; известная зависимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения. Перечисленные требования нельзя удовлетворить в одном приборе, поэтому выпускаются вольтметры с разными структурными схемами.
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ
... амперметра-вольтметра Данный метод основан на измерении тока, протекающего через измеряемое сопротивление и падения напряжения на нем. Применяют две схемы измерения: измерение больших сопротивлений (а) и измерение малых сопротивлений (б). По результатам измерения тока и напряжения ...
Вольтметры переменного напряжения. Электронный вольтметр переменного напряжения состоит из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического индикатора. Часто на входе вольтметра устанавливается калиброванный делитель напряжения. С помощью которого увеличивается верхний предел измеряемого напряжения. В зависимости от вида преобразования показание вольтметра может быть пропорционально амплитудному (пиковому), средневыпрямленному или среднеквадратическому значению измеряемого напряжения.
Рис. 1 Структурная схема аналогового электронного вольтметра с амплитудным преобразователем
Однако следует иметь в виду, что шкалу любого электронного вольтметра градуируют в среднеквадратических (действующих) значениях напряжения синусоидальной формы. Исключение составляют импульсные вольтметры, шкалу которых градуируют в амплитудных значениях.
Вольтметр амплитудного (пикового) значения (рис.1) состоит из амплитудного преобразователя АПр, усилителя постоянного тока УПТ и магнитоэлектрического индикатора, градуированного в вольтах. На входе вольтметра иногда предусматривается делитель напряжения ДН.
Амплитудный преобразователь выполняют по схеме с открытым или закрытым входом.
Амплитудный преобразователь с открытым входом (рис.2, а) представляет собой последовательное соединение вакуумного диода Д с параллельно соединенными резистором Л? и конденсатором С. Если к зажимам 1—2 приложено напряжение u = Um sinwt от источника с внутренним сопротивлением ri, то конденсатор через диод заряжается до некоторого значения Uc, которое приложено к электродам диода так, что он большую часть периода закрыт, т. е. работает в режиме отсечки (рис. 2, б).
В течение каждого периода диод открывается на некоторый промежуток времени ‘t1 — ‘t2 тогда и>Uc и конденсатор подзаряжается импульсом тока iД до напряжения Uc
* постоянная времени заряда
tз = (Ri +RД ) С,
где RД — сопротивление открытого диода. Затем диод закрывается и конденсатор разряжается через резистор R в течение интервала t2 — ‘t1 постоянная времени разряда tp = RC.
Постоянные времени должны отвечать следующим условиям:
- tз <
- 1/fв и tp >
- I/fн
где fв и fн — границы частотного диапазона вольтметра.
Очевидно, что tз << tp и R >>Ri +RД.
В широкодиапазонных вольтметрах неравенство: tз < 1/fв выполнить не удается, и потому на высоких частотах процесс установления длится в течение нескольких периодов измеряемого напряжения.
Рис. 2 Амплитудный преобразователь с открытым входом
Результатом амплитудного преобразования является среднее значение слабопульсирующего напряжения Uc, которое в отличие от Um называют пиковым значением Uпик.
Uпик = Umcos q
Где q — угол отсечки диода.
Напряжение Uпик поступает на вход усилителя постоянного тока, входное сопротивление которого большое, а выходное — малое.
УПТ служит для согласования выходного сопротивления преобразователя с сопротивлением индикатора и для повышения чувствительности вольтметра.
Амплитудный преобразователь с закрытым входов (рис. 3) представляет собой последовательное соединение конденсатора постоянной емкости С с параллельно соединенными диодом Д и резистором R.
Прямые и косвенные измерения
... амперметр имеет предел измерения 2,5 А, а падение напряжения на его зажимах при токе полного отклонения Uном = 75мВ. Определите сопротивления шунтов и пределы измерения прибора при следующих ... Р (t). с вероятностью Р (t) = 0,9 Обработка результатов косвенных измерений Используя результаты обработки прямых измерений первой и второй физической величины, а также приведенные математические зависимости, ...
Процесс преобразования переменного напряжения в постоянное Uпик аналогичен рассмотренному выше, с тем отличием, что на зажимах 3—4 имеются значительные пульсации напряжения, для сглаживания которых предусмотрен фильтр.
Рис. 3 Принципиальная схема амплитудного преобразователя с закрытым входом
Процессы преобразования пульсирующего напряжения преобразователем с открытым и закрытым входом различны и зависят от полярности подключения к входным зажимам /—2 постоянной составляющей пульсирующего напряжения.
Если на вход амплитудного преобразователя с открытым входом включено пульсирующее напряжение так, что «+» постоянной составляющей приложен к аноду диода, то выходное напряжение
Uпик»Umax=U0+Um+,
где Uo— постоянная составляющая, а Um+ — амплитуда положительного полупериода переменной составляющей (рис.4, а).
Рис. 4 Диаграммы напряжении в амплитудных преобразователях: а—с открытым входом; б — с закрытым входом
Если к аноду диода приложен «—» постоянной составляющей, то диод закрыт все время и преобразования нет. Если к аноду амплитудного преобразователя с закрытым входом приложено пульсирующее напряжение, то конденсатор С заряжен постоянной составляющей U0 преобразователь реагирует только на переменную составляющую. если к аноду диода приложен «+», то выходное напряжение U пик» Um+, a если «—», то Uпик» Um- (рис. 4, б).
Это полезное свойство вольтметров с закрытым входом измерять отдельно значения напряжения положительного или отрицательного полупериодов широко используется для определения симметричности амплитудной модуляции, наличия ограничения сигналов и т.д. Амплитудные (пиковые вольтметры характеризуются невысокой чувствительностью (порог чувствительности »0.1В) и широкой полосой частот (до 1 ГГц).
Вольтметр средневыпрямленного значения (рис.6) состоит из входного делителя напряжения ДЯ, широкополосного транзисторного усилителя ШУ, выпрямительного преобразователя Пр и магнитоэлектрического индикатора.
Рис. 5 Структурная схема универсального вольтметра
Входное сопротивление делителя напряжения высокое, и если усилитель имеет низкое входное сопротивление, то между ними ставится узел согласования — преобразователь сопротивлений (с высоким входным и низким выходным сопротивлениями).
Выходное напряжение усилителя поступает на выпрямительный преобразователь, и через микроамперметр протекает постоянная составляющая выпрямленного тока, пропорциональная средневыпрямленному значению измеряемого напряжения.
Рис. 6 Структурная схема вольтметра высокой чувствительности
Шкалу индикатора градуируют в среднеквадратических значениях синусоидального напряжения.
Вольтметры, построенные по такой структурной схеме, характеризуются высокой чувствительностью (микро- и милливольты) и сравнительно узкой полосой частот измеряемых напряжений (1; 5; 10МГц).
Обе эти характеристики определяются усилителем переменного напряжения.
Вольтметр среднеквадратического (действующего) значения строится по структурной схеме рис.6. Применяются преобразователи с квадратичной характеристикой, обеспечивающей измерение среднеквадратического значения напряжения любой формы. К таким преобразователям относятся, в первую очередь, термоэлектрические и оптронные. На базе термоэлектрических преобразователей см. рис-. 3-15, г) создан преобразователь среднеквадратического значения [б], работающий на двух идентичных элементах ТПр1 и ТПр2 (рис. 7) и дифференциальном усилителе ДУ (микросхеме).
Измерение параметров и характеристик электрических цепей
... приведенным схемам, используют для измерения сопротивлений и на переменном токе. 3. Мостовые схемы измерителей параметров элементов Для измерения параметров элементов цепей методом сравнения применяют мосты. Сравнение измеряемой величины (сопротивления, индуктивности, емкости) с ...
Нагреватель первого термопреобразователя подключен к выходу широкополосного усилителя, т.е. в цепь измеряемого напряжения Ux, а нагреватель второго — к выходу дифференциального усилителя ДУ, т. е. в цепь отрицательной обратной связи. ТермоЭДС первого преобразователя Ет1 =aт U2x второго — Ет2 =aтU 2вых, где Ux и (Uвых —среднеквадратические значения измеряемого и выходного напряжений соответственно.
Рис. 7 Схема термоэлектрического преобразователя среднеквадратического значения напряжения
Термопары включены встречно. Применяют дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления. Выходное напряжение среднеквадратического преобразователя связано линейной зависимостью со среднеквадратическим значением измеряемого напряжения.
Основная погрешность преобразования обусловлена не идентичностью параметров термопреобразователей, увеличивающейся с их старением, и составляет 2,5—6 %.
Вольтметры постоянного напряжения. Рассмотренный выше (рис.5) универсальный вольтметр позволяет измерять постоянное напряжение от десятых долей вольта и выше. Для измерения меньших значений (от 0,5 мкВ) применяют высокочувствительные электронные вольтметры с преобразованием постоянного напряжения в переменное, которое после значительного усиления вновь преобразуется в постоянное и измеряется магнитоэлектрическим микроамперметром.
Цифровые электронные вольтметры. Принцип работы вольтметров дискретного действия состоит в преобразовании измеряемого постоянного или медленно меняющегося напряжения в электрический код, который отображается на табло в цифровой форме. В соответствии с этим обобщенная структурная схема цифрового вольтметра состоит из входного устройства ВхУ, аналого-цифрового преобразователя АЦП и цифрового индикатора Ц И.
Рис. 8 Обобщенная структурная схема цифрового вольтметра
Цифровые вольтметры с время-импульсным преобразованием. Принцип работы заключается в преобразовании измеряемого напряжения Ux в пропорциональный интервал времени ДГ, измеряемый числом N заполняющих его импульсов со стабильной частотой следования.
Вольтметр (рис. 3-30, а) работает циклами, длительность которых Т устанавливается с помощью управляющего устройства УУ и обычно равна или кратна периоду питающей сети. Для единичного измерения Ux предусмотрен ручной запуск.
Погрешность измерения возникает вследствие нелинейности изменения линейнопадающего напряжения, нестабильности порога срабатывания сравнивающих устройств и возможности потери счетного импульса, т. е. погрешности дискретности.
Рис. 3-30 Цифровой вольтметр с время-импульсным преобразованием
Основная погрешность составляет обычно 0,1 %. Помехоустойчивость вольтметров с время-импульсным преобразованием низкая, так как любая помеха вызывает изменение момента срабатывания сравнивающего устройства. Главным достоинством этих вольтметров является их сравнительная простота.
Цифровой вольтметр с частотным преобразованием. Принцип действия заключается в преобразовании измеряемого напряжения в пропорциональную ему частоту следования импульсов, измеряемую цифровым частотомером.
Электрооптические методы измерения высоких напряжений и больших токов
... Измерение электрической мощности. Спектор С.А. Измерение больших постоянных токов. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. Шваб А. Измерения на высоком напряжении. Оглавление Электрооптические методы измерений высоких напряжений ... метода прямого преобразования, является фототок или выходное напряжение. где R н — сопротивление нагрузки фотоприемника; S Ф — чувствительность ...
Цифровой вольтметр с двойным интегрированием. Принцип его работы подобен принципу времямпульсного преобразования, с тем отличием, что здесь образуются два временных интервала в течение цикла измерения, длительность которого устанавливается кратной периоду помехи. Таким образом определяется среднее значение измеряемого напряжения, а помеха подавляется. Эти вольтметры являются более точными и помехоустойчивыми по сравнению с рассмотренными выше, однако время измерения у них больше.
Вольтметр следящего уравновешивания работает не циклами, а непрерывно реагируя на изменение измеряемого напряжения: сумма образцовых напряжений принимает большее или меньшее значение в зависимости от значения измеряемого напряжения. Когда достигается равенство код преобразуется в показание, а состояние прибора остается неизменным до тех пор, пока не изменится значение Ux.
Ux=еUобр.
Преимущество вольтметров следящего уравновешивания заключается в уменьшении статической и динамической погрешности и в повышении быстродействие.
Задание 3
Никакую книгу по электрическим измерениям нельзя было бы назвать полной без раздела о мостовых схемах. Эти гениальные схемы используют индикатор баланса для сравнения двух напряжений, точно так же как и лабораторные весы сравнивают две массы и указывают на то, что они равны. В отличие от «потенциометрических» схем, используемых для простого измерения неизвестного напряжения, мостовые схемы могут использоваться для измерения всех видов электрических величин, в том числе и сопротивлений.Стандартная мостовая схема, часто называемая мостом Уитстона (Wheatstone bridge), изображена на рисунке 1.
Рис. 1
Когда напряжение между точкой 1 и минусом батареи равно напряжению между точкой 2 и отрицательным выводом батареи, то индикатор баланса будет показывать ноль, и про такой мост говорят что он «сбалансирован». Состояние баланса моста полностью зависит от отношений Ra/Rb и R1/R2, и оно не зависит от напряжения питания. Для измерения сопротивлений с помощью моста Уитстона на место резисторов Ra или Rb устанавливается неизвестное сопротивление, в то время как остальные три резистора являются прецизионными и их номинал известен. Каждый из этих трёх резисторов может быть заменён сопротивлением другой величины или их номиналы могут быть скорректированы, что бы мост сбалансировался, и когда это произойдёт то величина сопротивления неизвестного резистора может быть определена из соотношения величин известных сопротивлений. Для этого необходимо, что бы измерительная система имела набор переменных резисторов с точно известными значениями, которые могут служить эталонными стандартами. Например, если мост настроен на измерение сопротивления Rx (рисунок 2), то мы должны знать точное значение остальных трёх сопротивлений при сбалансированном мосте, что бы определить величину сопротивления Rx:
Рис. 2
Каждое из четырёх сопротивлений в мостовой схеме называют плечом. Резистор, последовательно соединённый с неизвестным сопротивлением, Rx обычно называют реостатом моста (это будет сопротивление Ra на рисунке 2), а другие два сопротивления называют плечами отношений моста.
Точные и стабильные образцовые сопротивления к счастью, не сложно изготовить. В действительности они были одними из первых электрических «Стандартных» устройств, изготовленных в научных целях. На рисунке 3 приведена фотография старинного блока стандартных сопротивлений:
Рис. 3 Магазин образцовых сопротивлений
Стандарт сопротивлений, изображённый на рисунке 3, является переменным с дискретным шагом изменения сопротивления: величина сопротивления между клеммами может изменяться в зависимости от количества и положения медных вставок, вставленных в разъёмы.
Мосты Уитстона считаются превосходным средством измерения сопротивления среди схем различных омметров. Но в отличие от всех этих схем, являющихся нелинейными (и имеющих нелинейные шкалы), и связанные с этим погрешности измерений, мостовая схема является линейной (математика описания её работы основана на простых отношениях и пропорциях) и довольно точной.
Имея стандартные сопротивления достаточной точности и нуль-детектор с необходимой чувствительностью, достижимая точность измерения сопротивления может быть не хуже +-0,05% при использовании моста Уитстона. Это метод измерения сопротивления предпочитают использовать в калибровочных лабораториях из-за его высокой точности.
Существует много вариаций основной схемы моста Уитстона. Большинство мостов постоянного тока используются для измерения сопротивления, в то время как мосты переменного тока могут быть использованы для измерения различных электрических величин, таких как индуктивность, ёмкость и частота.
Интересным вариантом моста Уитстона является двойной мост Кельвина, используемый для измерения очень малых сопротивлений (обычно менее 1/10 Ома), его схема изображена на рисунке 4:
Рис. 4 Двойной мост Кельвина
Ra и Rx являются низкоомными сопротивлениями. Проводники, соединяющие их с источником напряжения, обеспечивающим сильный ток. Принцип работы этого измерительного моста причудливой конфигурации, пожалуй, лучше всего понять, если начать Низкоомные резисторы на рисунке изображены толстой линией, так же как и объяснение принципа его работы со стандартного моста Уитстона, настроенного для измерения низкого сопротивления, этот мост развивался шаг за шагом до его нынешнего состояния в попытке преодолеть некоторые проблемы, возникшие в мосте Уитстона стандартной конфигурации.
Если бы мы использовали стандартный мост Уитстона для измерения небольших сопротивлений, то его схема бы выглядела примерно так (рисунок 5):
Рис. 5
Когда нуль-детектор указывает нулевое напряжение, мы знаем, что мост сбалансирован и что соотношение Ra/Rx и RM/RN математически равны друг другу. Зная значения Ra, RM, and RN поэтому мы имеем все необходимые данные, чтобы найти величину Rx. Почти.
Имеется проблема в том, что соединения и соединительные провода между Ra и Rx обладают неким сопротивлением, и эти паразитные сопротивления могут быть существенными по сравнению с низким сопротивлением Ra и Rx. Эти паразитные сопротивления понизят реальное напряжение, учитывая большой ток, протекающий через них, и таким образом будут влиять на показания детектора нуля и на баланс моста (Рисунок 6):
Рис. 6
Паразитное напряжение Eпров. ухудшает точность измерения Rx.
Так как мы не хотим измерять сопротивление этих паразитных проводников и сопротивление соединений, а нас интересует только измерение сопротивления Rx, то надо найти такой способ включения нуль-детектора, что бы на его показания не влияли падения напряжений, протекающего через эти сопротивления. Если мы присоединим нуль-детектор и плечи отношений RM/RN напрямую к выводам Ra и Rx, то это приведёт нас к такой реализации измерительного моста (Рисунок 7): по схеме вывод Ra и верхний по схеме вывод Rx теперь шунтирует оба падения напряжения и по Рис. 7.
Теперь только два паразитных падения напряжения Eпров. являются частями цепи нуль-детектора.
Теперь два крайних падения напряжения Eпров. не оказывают воздействия на нуль-детектор и не влияют на точность измерений сопротивления Rx. Но два оставшихся падения напряжений Eпров. являются проблемой, так как проводник, соединяющий нижний нему будет течь существенный ток, который создаст на этом проводнике своё падение напряжения.
Зная, что левая часть нуль-детектора должна быть подключена к двум крайним выводам сопротивлений Ra и Rx, что бы не вносить ошибки, связанные с паразитными падениями напряжения Eпров. в цепи нуль-детектора, и что любой прямой провод, соединяющий выводы этих сопротивлений Ra и Rx будет сам нести значительный ток и создавать ещё большее паразитное падение напряжения, то единственным способом преодолеть эту проблему является создание соединения, имеющее существенное сопротивление, между нижнем по схеме выводом Ra и верхнем по схеме выводом Rx (Рисунок 8):
Рис. 8
Справится с паразитными падениями напряжений между выводами сопротивлений Ra Rx можно путём изменения сопротивления двух новых резисторов таким образом, что бы отношение их величин было бы таким же, как и отношение величин сопротивлений в плече отношений, находящихся по схеме с правой стороны от нуль-детектора. Вот почему эти резисторы были помечены Rm и Rn в оригинальной схеме двойного моста Кельвина: для обозначения их соразмерности с сопротивлениями RM и RN (Рисунок 9):
Рис. 9 Двойной мост Кельвина
Ra и Rx являются низкоомными сопротивлениями.
При отношении Rm/Rn равном отношению RM/RN, резистор в плече реостата Ra регулируется до тех пор, пока нуль-индикатор не покажет, что мост сбалансирован, и тогда можно будет сказать, что отношение Ra/Rx равно отношению RM/RN, или просто найти Rx из следующего уравнения:
Полное уравнение баланса двойного моста Кельвина выглядит следующим образом (Rпров. — это сопротивление толстых соединительных проводов между низкоомным образцовым сопротивлением Ra и испытуемым сопротивлением Rx):
До тех пор пока соотношение между RM и RN равно отношению между Rm и Rn, уравнение баланса будет не сложнее чем у обычного моста Уитстона, при Rx/Ra равном RN/RM, так как последнее выражение в уравнении будет равно нулю, так что будет отсутствовать влияние всех сопротивлений, кроме Rx, Ra, RM, и RN.
Во многих двойных мостовых схемах Кельвина RM=Rm и RN=Rn. Однако чем меньше значения сопротивлений Rm и Rn, тем более чувствительным должен быть нуль-детектор, потому что там будет меньше последовательное сопротивление. Увеличение чувствительности детектора является полезным, так как оно позволит обнаруживать слабые дисбалансы, и таким образом мост можно будет сбалансировать с большой точностью. Таким образом некоторые высокоточные двойные мосты Кельвина используют сопротивления Rm и Rn со значениями в 100 раз меньше, чем значения сопротивлений RM и RN в другом плече. К сожалению, однако, чем ниже значения сопротивлений Rm и Rn, тем больший ток по ним будет течь, что увеличит влияние любого сопротивления в точке подключения Rm и Rn к Ra и Rx. Как вы можете видеть, высокая точность инструмента требует, чтобы учитывались все ошибки различных факторов, и часто лучшее, что может быть достигнуто является компромиссом минимизации двух или более различных видов ошибок.
ИТОГ:
Мостовые схемы используют чувствительный индикатор нуля для сравнения двух напряжений на их равенство.
Мост Уитстона (Wheatstone bridge) может быть использован для измерения сопротивлений путём сравнения сопротивления неизвестного номинала и образцового сопротивления с известной величиной, так же как с помощью лабораторных весов измеряют неизвестный вес путём сравнения его со стандартными грузами.
Двойной мост Кельвина является вариантом моста Уитстона для измерения очень малых сопротивлений. Его усложнение по сравнению с базовой схемой моста Уитстона является необходимым для избежания ошибок, вносимых паразитными сопротивлениями на пути тока между низкоомным образцовым сопротивлением и сопротивлением, величина которого измеряется.
Автоматические уравновешенные мосты являются техническими приборами высокого класса точности. Они бывают показывающими, показывающими и самопишущими с записью или на дисковой, или на ленточной диаграмме. Приборы с ленточной диаграммой служат для измерения и записи температуры в одной точке (одноточечные) или в нескольких точках (многоточечные).
Приборы с дисковой диаграммой изготавливаются только одноточечными. Шкала автоматических уравновешивающих мостов градуирована в градусах Цельсия с указанием её принадлежности к определенной градуировке термометра сопротивления.
По устройству автоматические уравновешенные мосты отличаются от автоматических потенциометров только измерительной схемой. На рис.3.1 дана принципиальная схема автоматического уравновешенного моста. В измерительную схему входят; R1, R2 и R3 — резисторы, образующие три плеча мостовой схемы, четвертое плечо образовано сопротивлением термометра;
- реохорд;
- шунт реохорда, служащий для подгонки сопротивления до заданного нормированного значения;
- резистор для установки диапазона измерения;
- добавочный резистор для подгонки начального значения шкалы;
- балластный резистор в цепи питания для ограничения тока;
- резисторы для подгонки сопротивления линии до определенного значения.
Т0 — токоотвод; С1 и С2 — конденсаторы создающие необходимый фазовый сдвиг (90) между магнитными потоками обмотки возбуждения и управляющей обмотки и необходимое напряжение на обмотке возбуждения; С3 — конденсатор, включенный параллельно управляющей обмотке реверсивного двигателя, шунтирует её для компенсации индуктивной составляющей тока в этой обмотке; СД — двигатель для перемещения диаграммной ленты или каретки печатающего устройства. Все резисторы изготавливаются из манганиновой проволоки, следовательно, колебания температуры воздуха не влияют на значения сопротивлений этих резисторов.
Термометр сопротивления подключен к мосту по техпроводной схеме.
Измерение и запись температуры производятся следующим образом. Изменение сопротивления терморезистора нарушает равновесие мостовой схемы, и в диагонали АВ моста возникает напряжение рассогласования, которое поступает на входной трансформатор, затем усиливается усилителем до значения, достаточного для приведения в действие реверсивного двигателя РД. Выходной вал двигателя, вращаясь в ту или иную сторону в зависимости от знака сигнала рассогласования, перемещает движок реохорда и перо самописца СП
Рис. 3.1
При достижении равновесия мостовой схемы выходной вал двигателя останавливается, а движок реохорда, указатель и перо самописца занимают положение, соответствующее измеряемому сопротивлению термометра, а следовательно, температуре измеряемого объекта.
Для автоматических уравновешенных мостов установлена допускаемая основная погрешность, выраженная в процентах от нормирующего значения. Она составляет 0,25 или 0,5.
Основные типы автоматических уравновешенных мостов: показывающие КПМ1 и КВМ1; показывающие и самопишущие с ленточной диаграммой КСМ1, КСМ2 и КСМ4; показывающие и самопишущие с дисковой диаграммой КСМ3. эти приборы имеют дополнительные сигнальные и регулирующие устройства и могут быть использованы в системах сигнализации и регулировки температуры.
Используемая литература
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kontrolnaya/informatsionno-izmeritelnaya-tehnika/
1. Основы метрологии и электрические измерения. Учебник для вузов. Под ред. Е.Д. Душина. Издательство «Энергия», 1980 г.
2. Теплотехнические измерения и приборы. В.П. Преображенский. Издательство «Энергия», 1978 г.
3. Электрические измерения. Учебник для вузов. Под ред. А.В. Фремке. Издательство «Энергия», 1980 г.
