3.12. Приборы для регистрации величин, изменяющихся йо времени
Для регистрации электрических величин и различных параметров тех нологических процессов, изменяющихся во времени, используются само пишущие приборы; автоматические мосты и компенсаторы; электромеха нические осциллографы; цифропечат'ающие устройства.
Самопишущие приборы бывают с непрерывной и точечной записью. Первые предназначаются для записи одного параметра, а вторые — для регистрации в пределах десяти. В этих приборах запись производится в прямоугольных, криволинейных или полярных координатах. Скорость движения бумажной ленты меняется ступенчато в широких пределах. Так, у амперметров и вольтметров типа Н340 она изменяется от 20 х
X1Q-3 до 5,4 м/ч.
Всамопишущих приборах непосредственной оценки применяются магнитоэлектрические или ферродинамические системы, имеющие боль шой вращающий момент, погрешность приборов порядка ± 1 ,5 %.
Автоматические мосты и компенсаторы строятся по замкнутой схеме
иосновная их погрешность может не превышать ± 0 ,2 5 %. Электромеханические осциллографы предназначаются для регистра
ции и наблюдения переходных процессов в различных динамических системах. Измерительным элементом осциллографа является осциллографический гальванометр. Он имеет постоянный магнит, в воздушном зазо ре которого натянута петля из тонкой проволоки. На петлю наклеивается небольшое зеркало (рис. 31, а). При прохождении тока по проволочке на петлю действует вращающий момент, поворачивающий ее на некоторый угол. Вместе с петлей поворачивается зеркало, наклеенное на нее. От электрической лампы Л на зеркало через систему линз и призм Я направ ляется световой луч (рис. 31, б). Отраженный от зеркала, световой луч через другую оптическую систему ЛЦ попадает на движущуюся фото пленку и, отраженный вращающимся зеркальным барабаном, поступает на матовое стекло. Поскольку угол поворота зеркала пропорционален току в петле гальванометра, соответственно току будет перемещение све тового луча на фотопленке, благодаря движению которой осциллограмма развертывается во времени. Зеркальный барабан развертывает изображе ние процесса на матовом стекле.
К недостаткам электронных вольтметров можно отнести: сравнительно высокую погрешность измерения, составляющую 2..‘.6 необходимость питающей сети или батарей; недостаточную стабильность показаний" в течение времени.
Применение в схемах полупроводниковых элементов позволяет со здать малогабаритные вольтметры, питаемые от встроенных батарей. Наи большее распространение получили универсальные вольтметры. Они из меряют как постоянное, так и переменное напряжения. Переменное напряжение сначала выпрямляется, а затем подается на вход усилителя постоянного тока.
Для выпрямления может применяться диод или триод. Диодное вы прямление используется в вольтметрах эффективного, амплитудного и среднего значения. Такие вольтметры могут быть с открытым и закрытым входом. Входная схема вольтметра с открытым входом показана на рис. 33, а.
•Предположим, что ко входу прибора подключается источник изме ряемого напряжения с амплитудой Е и внутренним сопротивлением Ra. В положительный полупериод конденсатор С заряжается до напряжения
Uc = ER/(Rn+ R),
Если R„ <£ R, то £/с да Е.
В отрицательные полупериоды диод закрыт и конденсатор разряжа
ется через резистор R. Постоянная времени т = |
RC берется значительно |
|
большей периода измеряемого напряжения, т. |
е. |
__ |
т = Я С » Г 4 = !//„,
где /н — низшая частота измеряемого диапазона.
Благодаря этому конденсатор разряжается незначительно, в резуль тате среднее напряжение на конденсаторе поддерживается близким к
следовании, эксплуатации |
и наладке |
|
||||
применяются |
электронные |
осцилло |
|
|||
графы. Упрощенная функциональная |
|
|||||
схема |
осциллографа |
показана на |
|
|||
рис. 36. Основой электронного осцил |
|
|||||
лографа является электронно-лучевая • |
|
|||||
трубка (ЭЛТ). ЭЛТ для |
электронных |
|
||||
осциллографов обычно |
изготовляется |
|
||||
из стекла и представляет собой со |
|
|||||
пряжение усеченного конуса и ци |
|
|||||
линдра. Основание |
конуса покрыва |
|
||||
ется люминофором и |
является экра |
|
||||
ном, на котором получаем |
изображе |
|
||||
ние. В цилиндрической части ЭЛТ рас |
|
|||||
положен ряд |
электродов, к которым |
|
||||
относятся подогревной катод К, управ |
|
|||||
ляющий электрод-модулятор М, ано |
Рис. 36 |
|||||
ды А1 |
и А2. Эти электроды состав |
|
||||
ляют электронную пушку. Воздух из колбы ЭЛТ эвакуирован до дав-
__Л А
ления 10 ...10~ Па. При нагревании катода с его поверхности происхо дит эмиссия электронов, часть которых проходит через отверстие модуля тора, представляющего собой цилиндр, в основании которого находит ся круглое отверстие.
Пучок электронов, прошедший через модулятор, фохусируется и ускоряется .анодом А1, на который подается потенциал 300...400 В, и ано дом А2, находящимся под потенциалом нескольких киловольт. Электро ны, попадающие узким пучком на экран ЭЛТ, вызывают его свечение в одной точке. Для получения изображения процесса ЭЛТ имеет еще две пары электродов: ПВО -г пластины вертикального отклонения и ПГО — пластины горизонтального отклонения.
Сигнал, который необходимо наблюдать на экране ЭЛТ, усиливается усилителем УВО и подается на ПВО. При этом на экране появится вер тикальная светящаяся полоса. Для того чтобы увидеть изображе ние, необходимо развернуть его во времени. Это выполняется пластинами горизонтального отклонения ПГО, на которые подается напряжение пи лообразной формы от генератора развертки через усилитель УГО.
Для устойчивости изображения на экране необходима синхронность частоты генератора развертки с частотой исследуемого сигнала. При этом необходимо, чтобы отношение частоты сигнала к частоте развертки fJFp составляло целое число (1 , 2 , 3...), в соответствии с чем на экране можно
ний приборов для того, чтобы использовать схему, дающую минимальную погрешность. Данная задача является примером появле ния методической погрешности при исполь зовании приближенной 'формулы.
Измерение больших сопротивлений име ет свои особенности. Так, при исследова нии изоляционных материалов измеряют их объемное и поверхностное сопротивле ния. Схема для измерения объемного сопро
тивления дана на рис. 38, а. Величина измеряемого сопротивления может составить гх = 1013— 1014 Ом. В этом случае применяется схема, представ ленная на рис. 37, б. Вместо амперметра включается чувствительный гальванометр. Исследуемый материал помещается в держатель, состоя щий из электродов А и В и защитного кольца С. Ток, протекающий по поверхности изолятора от электрода к кольцу С„ отводится к источнику мимо гальванометра. Для предохранения гальванометра при возмож ном пробое изолятора в цепь включается защитный резистор сопротив лением 1 МОм.
Схема для измерения поверхностного сопротивления показана на рис. 38, б. Эта схема отличается от предыдущей тем, что через гальва нометр проходит ток, протекающий по поверхности образца, а объемный ток отводится к источнику питания.
Схемы для измерения мощности с помощью вольтметра и амперметра показаны на рис. 39, а, б. В схеме рис. 39, а чер1ез амперметр проходит ток вольтметра, что является причиной возникновения погрешности,
Рис. 39
Рис. 40
В трехфазной системе независимо от схемы соединения нагрузки (Л или А, рис. 42, а и б) мгновенное значение мощности является суммой мгновенных мощностей отдельных фаз. Приходной симметрии системы выражения для мощностей и энергии приводятся к виду:
Р = ЗС/ф/ф cos 9 = Уз U„I„cos ф;
w= V з ? UЛ1Лcos фdt.
Вэтом случае для измерения мощности и энергии может быть ис пользован метод одного .прибора. Возможность подключения к нулевой точке нагрузки при. соединении ее звездой показана на рис. 43, а. Если нагрузка включена по схеме треугольника и имеется возможность вклю чить токовую обмотку прибора в рассечку одной из фаз, то измерение производится по схеме, показанной на рис. 43, б. В обоих случаях показа ния прибора необходимо утроить. Но иногда включение приборов по схе мам (рис. 43, а, б) не представляется возможным. В таких случаях можно воспользоваться схемой с искусственной нулевой точкой (рис. 44), кото рая образуется с помощью трех активных резисторов. При этом необхо димо выполнить условие гц 4- гх = г2 = г3 и показания прибора необхо димо также утроить.
Если нагрузка трехфазной системы не симметрична, то метод одного прибора не может быть использован. Предположим, что нагруз ка соединена звездой. Тогда мощность ее оп
ределится
р = + UzJn 4” а д .
Для трехфазной системы
А + / . 4 - / а « 0 , |
Рис. 44 |
ными по схеме, показанной на рис. 47, а.
При таком включении ваттметр по казывает мощность, определяемую вы ражением
Р = ij2,3^1 = ^ 23^1 COS (£/23^1)*
Согласно векторной диаграмме для этой схемы (рис. 4 7 , б) вектор 02з отстает на 90° от вектора Uxoи на 90° — ф от вектора 1Х, т. е.
cos (£/2зЛ) = cos (90 — ф) = sin ф,
Следовательно, показание прибора равно PJY 3, т. е.
Рг = УЪи^1г sin ф.
При небольшой несимметрии системы применяется схема, показанная
на рис. 48. В этом случае значение Pr = (Р1 -f Р2) ]/3/2 .
Измерение реактивной мощности в однофазной цепи можно выполнить прибором электродинамической системы, включенной по схеме, приве денной на рис. 49, а.
На основании основного уравнения электродинамической системы показание прибора определяется выражением
Р = cllu = cllu cos (Ни),
где I — ток нагрузки; 1и — ток в вольтметровой катушке ваттметра. Из схемы следует, что 1ц = c-JJ. Тогда
Р = ccxUI cos (Ни)-
v U/ Ф |
|
ФUf у |
*500 *100 |
*10 |
К компенсатору |
Ккомпенсатору |
|||
а |
|
б |
|
|
Рис. 52 |
|
Рис. 53 |
|
|
Для измерения относительно малых э. д. G; источников со сравнитель но небольшим внутренним сопротивлением применяется компенсатор ма лого сопротивления.
Сопротивление рабочей цепи такого компенсатора составляет 30...
50 Ом, рабочий ток 1...25 мА. Гальванометр для этого компенсатора должен иметь малую величину критического сопротивления.
Применение компенсатора большого сопротивления для измерения малых э. д. с. нерационально, поскольку будет использоваться малое количество декад образцового резистора и точность измерения будет не высокая.
4.5. Автоматический компенсатор постоянного тока
Процессы установки рабочего тока (настройка компенсатора) и компен сации измеряемой э. д. с. могут быть автоматизированными. Это упроща ет пользование прибором и позволяет непрерывно регистрировать значе ние измеряемой величины. Компенсатор, у которого установка рабочего тока и процесс компенсации Ех производится автоматически, называется автоматическим компенсатором. Схема автоматического компенсатора постоянного тока представлена на рис. 54.
Автоматические компенсаторы применяются в промышленности для измерения неэлектрических величин, например температуры. В этом случае источником измеряемой э. д. с. является термопара. Прибор ра ботает следующим образом. Сначала переключатель S автоматически ста вится в положение а — происходит процесс установки (нормализации) рабочего тока. Для этого э. д. с. нормального элемента сравнивается с падением напряжения на резисторе гЗ. Разность этих величин подается
на вход вибропреобразователя, который |
преобразует ее в переменное |
|
напряжение частотой 50 Гц. Этот сигнал усиливается |
электронным уси |
|
лителем и подается на одну из обмоток |
реверсивного |
двигателя. Дви |
гатель, связанный в этот период с помощью магнитной муфты Y2 с регу лировочным резистором R, изменяет ток в рабочей цепи для того, чтобы уменьшить величину разностного сигнала. Когда сигнал, поступающий на двигатель, будет ниже порога чувствительности, двигатель расцеп ляется с Я и сцепляется магнитной муфтой Y1 с. реохордом резистора г в рабочей цепи компенсатора, а переключатель S ставится в положение б. В этом случае сравнивается падение напряжения между точками в и г рабочей цепи с измеряемой э. д. с. Разность их также поступает на вибропреобразователь и после усиления подается на реверсивный двигатель, который, передвигая реохорд, уменьшает разностный сигнал, подавае мый на вибропреобразователь. Кргда величина сигнала будет в пределах
зоны нечувствительности двигателя, последний остановится, и процесс из мерения считается законченным. Двигатель через передачу сцеплен с указателем или пером, которое записывает измеряемый параметр на диа грамме.
Преобразование разностного постоянного напряжения в переменное объясняется тем, что усилитель переменного тока работает значительно стабильнее, чем усилитель постоянного. Это весьма важно для повышения точности прибора.
Автоматические компенсаторы обычно выполняются с регистрацией измеряемого параметра на диаграмме, которая может быть ленточной или дисковой. Диаграмма приводится в движение синхронным двигателем, и
скорость ее может меняться в больших пределах (20 • 10 3.. .54 м/ч). Автоматические компенсаторы выпускаются одноточечные и многото чечные. Последние измеряют и регистрируют значения большого числа
параметров (до 12).
В табл. 1 приводятся основные данные некоторых автоматических ком пенсаторов.
Таблица 1. Основные технические характеристики некоторых автоматических компенсаторов
|
|
Длина |
Основная |
Время |
про |
Число |
наме |
Погреш |
Скорость перемеще |
|
Тип прибора |
шка |
|||||||||
лы* |
погреш |
хождения |
ряемых вели |
ность |
ния диаграммы, мм/ч |
|||||
|
|
ность*- % |
шкалы» с |
чин |
|
записи, % |
||||
|
|
мм |
|
|
|
|
|
|
|
|
КСП2 |
|
160 |
0,5 |
2,5; |
10 |
1, 3, |
6, |
12 |
1,0 |
20...2400 |
КСП4 |
|
250 |
0,25 |
1; 2,5; |
10 |
1, 3, |
6, |
12 |
0,5 |
20...54 000 |
КСУ4 |
|
250 |
0,25 |
1; 2,5; |
10 . |
1, 3, |
6, |
12 |
0,5 |
20...54 000 |
(0...5 |
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0...20 |
мА) |
500 |
0,5 (0,25) |
2,5; 10 |
1, 6, |
12 |
|
Регистрации нет |
||
КВП1 |
|
|
||||||||
Промышленность выпускает ряд типов мостов для измерения сопро тивлений. Так, мост типа Р—333 при измерении сопротивлений от 1 до 99 990 Ом имеет основную погрешность не более 0,5 %. Для пределов от
10-1 до 0,9999 и от 10б до 999,9 • 103 |
Ом погрешность не превышает |
1,5 %. Для малых сопротивлений от 5 • |
10_3 до 0,0999 Ом основная по |
грешность не превышает ± 5 , 0 %. |
|
Анализ этих данных показывает, что измерение сравнительно малых сопротивлений сопровождается значительной погрешностью, обусловлен ной тем, что измеряемое сопротивление соизмеримо с сопротивлениями подводящих проводов и переходных контактов. Для исключения этих по грешностей был предложен двойной мост, дающий большую точность при измерении малых сопротивлений.
Двойной мост, предназначенный для измерения малых сопротивлений, имеет основную погрешность значительно меньшую, чем одинарный. Это достигается тем, что измеряемый резистор имеет две пары выводов: токо вые и потенциальные. То же самое имеет образцовый резистор, с которым сравнивается неизвестный. Схема двойного моста приведена на рис. 56.
Определяем условие равновесия моста. Для этого по закону Кирх
гофа составляем три уравнения |
|
|
|
|
IXRX+ |
h rZ"Ь ^аб = |
h rl* |
|
|
IHR H± |
Iof4 ^ а б 1=3 2 » |
|
|
|
I3r3 + U ^ = (Ix — h) г. |
|
|
||
Поскольку при равновесии моста Uaб = 0; 1Х= |
/ а; |
/ 3 = / 4 и 1Х = / н, |
||
уравнения приводятся к следующему виду: |
|
|
|
|
ixRx + V s = t o ; |
|
|
||
IXR« |
— 11Г2*» |
|
|
|
M 's + |
'4) = (1X— Ia)r. |
|
|
|
Решая уравнения относительно Rx, получаем |
|
|
||
|
" а |
(Л. _ |
M |
} |
|
г + гз + ri |
\ ra |
ri |
|
Если выполнить условие гх/г2 — г^/г^ и учесть, что г я» 0, поскольку он представляет собой толстую медную шину, то уравнение приводится к виду
ЛГа Ra.
Для того чтобы исключить влияние на результат измерения резисторов гъ г2, г3 и г4, их сопротивления должны быть не меньше 10 Ом.
Примером такого, моста является одинарно-двойной мост типа Р-329,
позволяющий измерять сопротивления от 10_6 до 10е Ом. Основная по
грешность этого моста в диапазоне 10 |
6... 10—5 не болёе ± |
1,5 |
%, а в диа |
|
пазоне 10 3... 103 Ом — не более |
± 0 , 0 5 % . |
Следует |
отметить, что |
|
образцовые резисторы, встроенные в этот мост, |
позволяют |
пропускать |
||
через них ток до 32 А. Питание такого моста выполняется от батареи.
4.7. Мостовые схемы переменного тока
Мостовые схемы переменного тока применяются для измерения индук тивностей, взаимоиндуктивностей емкостей, частоты, угла потерь и доб ротности. Схема четырехплечевого моста показана на рис. 57. В качестве индикатора в мостах переменного тока применяются виброгальванометр или электронно-оптические индикаторы. Если индикатор равновесия фиксирует отсутствие тока в измерительной диагонали моста, то
IiZx — I3Z3;
^2^2 — Z4Z4J
/l = / 2» ^3 ~ ^4*
Откуда
ZXZ4 = Z2Z3. v
Сопротивления плечей моста можно представить в комплексной форме:
Zj = ra + jxx;
%2 ~ ?2± JX2» 2 3 = г3+ /х3;
Z4 = г4 + jx4.
На основании этих выражений получаем два условия равновесия;
г4г4 — ххх4= |
г2га —х2х3; |
ггх4+ т4хх= |
г2х3+ г3ха. |
Из этих выражений следует, что для уравновешивания мостов переменно го тока необходимо изменять два параметра элементов схемы ..
Это можно показать иначе, для чего представим сопротивления пле чей в показательной форме:
Zx= zxe’^; Z2 = z2e'<p*; Z3 = z3e'<P*; Z4 = z4e'<\
где z — модуль сопротивления; <р = arctg
Подставив эти выражения в уравнение равновесия моста, получаем
z1z4e/'((P‘+(P«) = 2223е/(фг+ф»),
откуда
*1*4 = z2z3;
<PI + Ф4 = Фа + Фв-
Поскольку на выходе мостов переменного тока в большинстве случаев ставятся электронные индикаторы, у которых RBX= оо, представляет ин терес чувствительнось моста по напряжению (при ZQ= со). Напряжение на выходе моста при этом условии определяется
II |
— 11 |
ZjZ\ — |
BF |
U I(Z1+ Z2 (Z3 + Z4) • |
|
Допустим, что при состоянии равновесия плечо Zx получает прираще ние AZl, тогда на выходе моста появляется напряжение
|
|
|
|
AZ*Z4 |
• |
|
AZi |
|
= U fo + z j (z3+ z4) |
||
Обозначим е = |
, тогда чувствительность моста |
||||
|
Zt |
|
^вг _ T 'J . |
ZXZ^ |
|
|
5 М1/ |
|
|||
|
8 |
(Zi + Z2 (Z9 + |
Z4) • |
||
|
|
|
|||
В качестве источника питания моста переменного тока обычно исполь зуется генератор звуковой частоты / = 1000 Гц.
Мостовая схема для измерения емкости. Диэлектрики, используемые в различных электрических приборах и устройствах, характеризуются некоторыми потерями, определяемыми углом потерь б. Для его измерения исследуемый диэлектрик помещается между двумя металлическими пластинами, образующими конденсатор. В эквивалентную схему та кого конденсатора должен входить резистор,«соответствующий потерям.
Можно предложить две эквивалентные схемы конденсатора, пока занные на рис. 58, а и 6.
Потери в диэлектрике обычно характеризуются тангенсом угла по терь. Так, для схемы a tg б = гсоС, а для схемы б tg б = VratC.
Схема моста.для измерения емкости дана на рис. 59, а. Измеряемая емкость представлена в виде последовательно соединенных гх и Сх. Мост уравновешивается с помощью образцовой емкости С0 и образцового рези стора R0. Условием равновесия является
(гх -f 1/jxC) r2= (RN + 1//соС0) ги
откуда г0 = ~~ R0 и Сх = -^- С0.
Мостовая схема для измерения индуктивности. Индуктивность мо жет быть измерена с помощью мостов разного типа. На рис. 59, б по казана одна из схем таких мостов. Полагаем, что индуктивный резистор обладает некоторым активным сопротивлением гх.
