Структура электромеханического измерительного прибора

Электромеханические измерительные приборы имеют следующую структуру:

Некая физическая величина воздействует на измеряемую цепь. Последовательно формирует электрический сигнал (ток, напряжение), пропорциональный измеряемой величине. Этот сигнал воздействует на измерительный преобразователь, формируя механический момент или силу. Которые воздействуют на отсчетное устройство, что позволяет считывать результат измерения в единицах измеряемой величины.

Чем проще реализованы измерительная цепь и преобразователь, тем надежнее, дешевле прибор.

Таким образом, подобные устройства целесообразно применять в измерениях, не требующих высокой точности. В общем случае электромеханические измерительные преобразователи используют преобразование части рабочего тока в пропорциональный магнитный поток, далее в угол отклонения.

Основная проблема электромеханических преобразователей – их нелинейность по диапазону. Часто формально характеристику преобразования представляют так называемой S-кривой, причем особенность: начальный участок S- кривой пологий. Нелинейность объясняется механикой, чаще всего- растяжки, пружины и т.д.

В зависимости от типов преобразователей, различают системы измерительных приборов:

1) магнитоэлектрическая система:

2) электродинамическая система:

3) ферродинамическая система:

4) электромагнитная система:

5) электростатическая система:

6) вибрационная система:

7) термоэлектрическая система:

Структура электронного измерительного прибора

Рис. Электронный измерительный прибор.

Электронные измерительные приборы включают обязательно три блока:

1. Первый измерительный преобразователь

2. Функциональный преобразователь

3. Электронный усилитель

В зависимости от формы представления результата приборы делятся на электронные и цифровые (с цифровым отсчетом).

Первые электрические, используют в качестве отсчетного устройства (стрелки шкалы), поэтому включают измерительный механизм.

Вторые - преобразуют уровень выхода сигнала усилителя, цифровой код (в АЦП) и на элементах индикации отображают измеренную величину в форме цифр.

Приборы с цифровым отсчетом не содержат механических частей. Поэтому имеют значительно меньшую погрешность при измерении, но более сложные. На практике могут использоваться и другие приборы, например, с телевизионным преобразователем, которые включают большее число блоков, их относят к измерительным системам.

В области электрических измерений к числу преобразуемых параметров относят - что измеряем:

1.Напряжение и силу постоянного тока.

2. Средневыпрямленное значение переменного напряжения и тока.

3. Среднеквадратическое (действующее) значение напряжения и тока.

4. Пиковые значение напряжения и тока.

5. Активная мощность.

6. Реактивная мощность.

7. Частота переменного тока (период).

8. Разность фаз.

9. Активное сопротивление.

10. Значение индуктивности и емкости.

11. Модуль и объект комплексного сопротивления.

12. cos ф

13. Распределение энергетических соотношений по частоте (спектр).

14. Число оборотов вала.

15. Комплексный показатель качества электричества.

Помимо основных, измеряют и неэлектрические характеристики: температуру среды, влажность, давление и т.д. Посредством измерительных преобразований - это множество преобразуется к:

1. Постоянному напряжению.

2. Амплитуде значения переменного напряжения.

3. Постоянному току.

4. Частоте (периоду).

5. Интервалу времени - как частный случай периода.

Задача измерительных преобразований - сформировать электрический сигнал, один или несколько параметров которого пропорциональны измеряемой величине Х. Любой измерительный прибор обязан работать на вышесказанных условиях.

Частный случай измерительного преобразования - нормализация. Получение однородного выходного сигнала, пропорционально по своему значению, входному. Например, простейший измерительный преобразователь - резистивный делитель напряжения. При измерениях высоких напряжений используют делители, когда одна и та же величина U(t) преобразуется в U(t), т.е. U(t)→U(t); Способ простой: при включении в цепь делителя необходимо помнить, что делитель шунтирует нагрузку основной цепи и выбирать величину сопротивления с учетом характеристик цепи. Более приемлемым в энергетике вариантом является использование трансформаторов для этих же цепей:

	Рис. Использование трансформатора тока и напряжения в цепях

Число витков первичной обмотки небольшое, зато вторичная обмотка может иметь значительное число витков. Падение напряжения на первичной обмотке трансформируется в напряжение во вторичной обмотке, которое может быть значительно большим. ИТТ (измерительный трансформатор тока) и ИТН (измерительный трансформатор напряжения) - преобразователи (нормализаторы). Промышленность чаще всего выпускает ИТТ, причем как в переносном варианте, так и в стационарном. Переносной вариант – измерительные клещи. ИТН чаще стационарные.

Фазоповоротные схем ы.

В ряду функциональных преобразований особое место занимают некоторые устройства: Фазоповоротные схемы времяимпульсные измерительные преобразователи, преобразователи частоты изменения амплитуды. Фазоповоротная схема строится, как правило, на основе активных элементов. На сегодня основной активный элемент - операционный усилитель. Операционный усилитель охвачен отрицательной обратной связью (ОС), уменьшающей коэффициент передачи каскада. В целом коэффициент передачи зависит от величины R_ОС,R1,R2.

		Рис. Фазоповоротная схема (схема 1)

Сдвиг по фазе входного гармонического сигнала осуществляется за счет «затягивания» его на входе емкостью С. Постоянная цепи CR₂ определяет величину сдвига. Если входной сигнал подавать симметрично на оба входа усилителя, получается дифференцирующая схема и выходной сигнал - разностное напряжение относительно земли. Применяется не часто. Как правило, оба входа объединяются, и входной сигнал подключается относительно земли.

	Рис. Сдвиг по фазе входного гармонического сигнала

Возможно изменение схемы. Сх.1 не используется на НЧ. Сх.2 используется на ВЧ.

Времяимпульсные измерительные преобразователи предназначены для замены синусоиды на последовательность импульсов. Если у входного синусоидального сигнала существует амплитудное значение, частота, сдвиг по фазе, то у времяимпульсного преобразователя информационный параметр - это длительность импульса.

В качестве простой схемы преобразователя используют операционный усилитель: выбрав большой коэффициент передачи усилитель ограничивает выходной сигнал и он имеет форму, близкую к прямоугольнику.

Для улучшения характеристики на вход усилителя включают ограничитель.

Измерительные преобразования изменений частоты в изменении амплитуды. Контроль измерения частотных характеристик сигнала возможно через измерение пропорциональной величины амплитуды напряжения.f. В основе схем частотно-зависимые элементы. Рабочий элемент схемы - операционный усилитель.

Очень хорошо развиты преобразователи форм напряжения, т.е. U→U, U→U,U→U.Основным преобразователем для этих цепей является детектор переменного напряжения. В технике используют термин: измерительная головка. Имеет форму щупа и преобразует переменную величину напряжения в максимальную, средневыпрямленную или действующую величину. Выбор типов зависит от соотношения Rи частоты измерительного напряжения. Интересно преобразование частоты измерительного сигнала в величину напряжения

Рис. Типовая схема ограничителя

Рис. Схема с ограничением

На входе ОУ включен двойной Т-мост (мост Вина). Основная частотная характеристика двойного Т-моста: коэффициент передачи такой схемы по частоте K(w):

		Рис. Зависимость коэффициента передачи от частоты

он изменяется с изменением частоты, в результате сигнал, определяемый напряжением, изменяется пропорционально.

Рис. Зависимость напряжения от частоты

В качестве входных частотозависимых цепей можно с успехом применять резонансные характеристики контуров, RLC фильтров, которые дадут изменение коэффициента передачи, но большую нелинейность. В схемах автоматики часто необходимо зафиксировать факт изменения частоты (релейный сигнал). Поэтому в них и применяют линейные RLC фильтры.

Измерительные и функциональные преобразователи входят как обязательные элементы в состав любого измерительного прибора. Непосредственно измерительный механизм, оставаясь постоянным, не может реагировать на сигналы в широком диапазоне, поэтому измерительные и функциональные преобразователи в зависимости от переключателей диапазона измерений формируют на входе сигналы той оптимальной величины, что необходима для измерительного механизма, т.е. играет роль своеобразных делителей. Поскольку основными измеряемыми величинами являются напряжение и уровень тока, функциональные преобразователи не зависимо от рода входной величины на выходе формируют величину напряжения (реже тока). Недостаток: на практике следует работать на одной половине диапазона(он не широкий). На близких частотах измерение автоматическое. Преобразователи физических величин позволяют сократить номенклатуру средств измерения, уменьшить стоимость, но внести это может определенную погрешность.

Дата добавления: 2014-01-07