Г л а в а д е в я т н а д ц а т а я
ИЗМЕРЕНИЕ УГЛА СДВИГА ФАЗ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМИ ПРИБОРАМИ
При изготовлении и исследовании различных электрических уст ройств часто возникает потребность в определении угла сдвига фаз между отдельными токами или между током и напряжением. В устрой ствах, работающих на промышленной и повышенной частотах, обычно измеряют угол сдвига фаз ср между током и напряжением или косинус этого угла cos ф, который характеризует значение активной мощности при определенных значениях тока и напряжения.
В однофазных и симметричных трехфазиых цепях значение сояф можно найти косвенным методом, измерив с помощью амперметра, вольтметра и ваттметра соответствующие значения тока /, напряжения U и мощности Р, Для однофазной цепи
cos ф = /7(£ //), для симметричной трехфазной цепи
cos ф = Р/(Зиф1ф) = Р/ { V s С/л/л) .
Недостатком этого метода является необходимость одновременно го отсчета показаний трех приборов и вычисления значения искомой ве личины, что снижает точность измерений.
Специальные приборы, предназначенные для непосредственного из мерения угла сдвига фаз ф и коэффициента мощности cos ф, называют ся фазометрами. Промышленностью выпускается большое число разно образных типов фазометров, в которых используются электромехани ческие измерительные механизмы. Наиболее часто используются элек тродинамические логометры. Электрическая схема электродинамического фазометра и соответствующая ей векторная диаграмма представлены на рис. 19.1. Подвижная часть механизма, представляющая две жестко скрепленные между собой под углом 60° рамки, крепится на осях п опорах. Последовательно с катушкой 1 включена катушка индуктивно сти L с большим реактивным сопротивлением Хь, а последовательно с катушкой 2 включен безреактивный резистор с большим сопротивле
нием /?д, во много раз превосходящим собственное сопротивление ка тушки 2. В этом случае можно считать, что ток /2 совпадает по фазе с напряжением U, а ток Л отстает от напряжения U на угол 90° (рис.
19.1,6).
Предположим, что ток нагрузки /ппг отстает от напряжения V на угол q>. Моменты М( и М2, действующие на катушки 1 и 2 соответ
ственно, определяются выражениями
Mi = I-ylHat,cos ( li* /иаг)/1 (a) == Л/пар cos (90° “ Ф) ti(a)I
Рис. 19.1. Электродинамический фазометр
)/2(а) = I J narcos ф/г(а) »
где f1(а) и /2 (и) — функции, характеризующие зависимость моментов
Afi и М2 от угла поворота подвижной части относительно оси непо движной катушки.
В положении равновесия
|
Мх = М2; |
Л /наг cos (90° — ф) /1 (а ) — 1 2^ наг соэф / 2(а ) • |
|
Отсюда |
|
Ы г (<*) |
__ cos (90° — ф) _ |
h fi («) |
cos ф |
или |
|
Ш) |
|
ш
Если обеспечить /х = /2, то получим
Ш = tg ф или а = /(1Еф).
/х(а)
Шкала такого прибора может быть также проградуирована в зна чениях угла ф или cos (р. Существенным недостатком рассмотренного
фазометра является зависимость его показаний от частоты.
В целях снижения частотной погрешности одна из катушек парал
лельной цепи логометра |
выполняется из двух секций (рис. 19.2). Б од |
ну секцию включается |
катушка индуктивности L, в другую — конден |
сатор С. Наличие этих элементов обеспечивает сдвиг фаз для проте кающих в секциях 1—Г токов почти на 180°. При встречном включе
нии катушек моменты, создаваемые каждой секцией, будут действо вать в одну сторону, т. е. складываться. Значения индуктивности L и
Рис. 19.2. Схема электродинамически |
Рис. 19.3. Трехфазный электро- |
го фазометра с компенсацией частот- |
динамический фазометр |
ной погрешности |
|
емкости С подбирают так, чтобы при номинальной частоте toL=l/(o)C), т. е. чтобы токи в секциях 1— V были равны между собой. Следователь
но, и моменты, создаваемые этими токами, будут равны. С изменением частоты в некоторых пределах увеличение тока в одной секции катушки равно уменьшению тока в другой секции, а их суммарное действие остается неизменным, т. е. показания прибора не зависят от изменения частоты.
Для того чтобы прибор можно было использовать в цепях с раз личными напряжениями, предусмотрен автотрансформатор Т, встроен
ный в прибор (показан на рис. 19.2). Для расширения пределов по току используется комбинированное включение секций неподвижной катушки. Приведенная погрешность лабораторных фазометров не более ±0,5 %.
На основе электродинамических механизмов возможно построение фазометров для измерения cos ср в трехфазных цепях. Схема включения фазометра в этом случае приведена на рис. 19.3. По принципу действия он подобен однофазному фазометру, но необходимые фазовые сдвиги между токами в обмотках рамок подвижной части прибора можно получить более просто, используя 120-градусные сдвиги между напря жениями и токами трехфазной цепи. Такой прибор дает правильные показания в симметричной трехфазной цепи. В случае несимметричной цепи можно говорить лишь о разности фаз между током и напряжением в каждой фазе.
Глава д в а д ц а т а я РЕГИСТРИРУЮЩИЕ ПРИБОРЫ
20.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
При контроле за ходом технологических процессов, в научных исследованиях, а также при измерениях в услови ях, затрудняющих или полностью исключающих присутст-
вне человека, возникает необходимость регистрировать измерительную информацию. Регистрация производится на материальном носителе информации (диаграммной бума ге, магнитной ленте, фотопленке и т. п.) с помощью специ альных регистрирующих устройств.
Средства измерений, у которых предусмотрена регист рация показаний, называются регистрирующими. Регистри рующие приборы могут быть классифицированы по ряду
признаков: |
|
по виду регистрирующих устройств (РУ) |
(самопишущие |
приборы, осциллографы — светолучевые |
и электронные, |
магнитографы, приборы с цифровой регистрацией и др.); по структурой схеме (приборы прямого и уравновеши
вающего преобразования); по количеству каналов регистрации (одноканальные —
одноточечные и многоканальные — многоточечные).
Выбор типа РУ прежде всего зависит от характера из менений измеряемой величины и целей измерительного экс перимента.
Если измеряемая величина изменяется с небольшой час тотой (до десятков герц), то применяют обычно самопишу щие приборы. При измерении параметров, частота изменений которых доходит до 25 кГц, применяют светолу чевые осциллографы, а для более высоких частот — элект ронно-лучевые осциллографы и магнитографы.
В современной технике регистрации используются гео метрические, физические и цифровые символы. Под гео метрическими символами подразумеваются отрезки линий, расстояния между двумя точками и углы; под физически ми— интенсивность цветовой окраски, степень почернения фотопленки и т. п.; под цифровыми — цифры, буквы, знаки и их комбинации по определенным системам счисления.
Ко всем видам РУ относятся общие требования — на глядности и четкости результатов регистрации, возможно меньшей погрешности регистрации, возможно высокого быстродействия (более широкого частотного диапазона ре гистрирующего устройства); возможно большей продолжи тельности работы без перезарядки и подналадки.
20.2. САМОПИШУЩИЕ ПРИБОРЫ
Большинство выпускаемых промышленностью регистри рующих приборов самопишущие, т. е. приборы, осуществ ляющие запись показаний в форме диаграммы.
Рис. 20.1. Структурная |
схема |
регистрирующего прибора |
ОУ |
Функциональную |
зависи |
ИЦ |
ИМ -иОС |
||
|
|
||||
мость, |
подлежащую |
регистра |
|
РУ |
|
ции, |
представляют |
обычно |
|
|
|
в виде |
графика, |
характеризу |
|
во времени Х = |
|
ющего |
изменение |
какого-либо |
параметра |
||
—f{t) |
либо в зависимости от другого параметра X= f(Y). |
||||
Общая структурная схема |
самопишущих приборов по |
||||
казана на рис. 20.1. Она отличается от структурной схемы, показанной на рис. 4.1, наличием регистрирующего устрой ства РУ. На вход измерительной цепи ИЦ подается изме ряемая величина X. Если необходимо регистрировать не
электрическую величину, то перед измерительной цепью включают первичный измерительный, преобразователь, ко торый преобразует контролируемую величину в электриче ский сигнал.
Измерительная цепь преобразует электрическую вели чину X в ток /, достаточный для приведения в действие из мерительного механизма ИМ (магнитоэлектрической, фер-
родинамической или электромагнитной системы). Угол по ворота подвижной части ИМ преобразуется в перемещение
регистрирующего органа (РО) относительно носителя в РУ и параллельно в перемещение указателя по шкале при бора в отсчетном устройстве ОУ {ОУ может в отдельных
регистрирующих приборах отсутствовать).
К основным способам записи относятся нанесение слоя вещества на носитель, снятие слоя вещества с носителя и изменение состояния вещества носителя.
Каждому способу регистрации соответствует своя кон струкция регистрирующего устройства.
Запись обычно ведется на диаграммной бумаге. Бумаж ные диаграммы имеют форму ленты длиной 15—100 м или диска и снабжены градуировочной сеткой, которую выпол няют в прямоугольной или полярной системе координат (рис. 20.2).
Криволинейная сетка соответствует случаю, когда РО совершает вращательные движения вокруг неподвижной точки О. Прямолинейная сетка соответствует прямолиней ному перемещению РО.
Для получения развертки исследуемого процесса во времени диаграммные ленты перемещаются с постоянной скоростью при помощи лентопротяжного механизма под
о
Рис. 20.2. Основные виды диаграмм
РО. На рис. 20.3 схематично показан лентопротяжный ме ханизм. Ведущий барабан 1 приводит в движение ленту со скоростью v через редуктор от специального синхронно
го двигателя. Выступы барабана, попадая в отверстия, пробитые по краям ленты (перфорацию), сообщают ей принудительное движение, сматывая чистую ленту со сво бодно вращающейся съемной катушки 2.
С помощью РО на бумажную ленту наносится диаграм ма исследуемого процесса. Диаграммная лента с записью через направляющие ролики 3 поступает на лентособира ющую катушку 4, которая приводится в движение от ве
дущего барабана посредством фрикционной цепной пере дачи 5. К держателю 6, соединенному с подвижной частью
измерительного механизма отсчетного устройства, крепит ся указатель 7, обеспечивающий визуальный отсчет пока-
о О
зании пи шкале о.
Рис. 20.3. Устройство лентопро тяжного механизма
Рис. 20.4. Упаковка бумажной лен ты в пачки
Всамопишущих приборах также применяются диаграм мные ленты без отверстий по краям. При этом не удается получить высокую точность записи из-за скольжения бу маги в процессе ее перемещения. На смену рулонной упа ковке лент приходит упаковка в пачки, где лента уложена
ввиде «гармошки» (рис. 20.4). Этот способ упаковки поз воляет упростить механизм ее передвижения. Диаграммные ленты с записью, сложенные в пачки, удобны в обращении.
Выходной величиной электромеханических измеритель ных механизмов является угловое перемещение, что соот ветствует записи в криволинейных координатах. Однако наиболее привычны и удобны для расшифровки диаграм мы, выполненные в прямоугольной системе координат. Поэтому в измерительных механизмах предусмотрены ус тройства для спрямления записи. В настоящее время раз работаны специальные преобразователи графической за писи, сделанной в прямоугольных координатах, в цифро вой код. Это позволяет значительно сократить время на обработку диаграмм, так как появляется возможность осу ществлять этот процесс средствами вычислительной тех ники,
Взависимости от частоты изменения регистрируемого сигнала различают две группы приборов.
Первая, большая группа приборов предназначена для регистрации медленно меняющихся сигналов с частотой изменения до 1 Гц. В таких приборах используются магни тоэлектрические и ферродинамические измерительные ме ханизмы. Эти виды электромеханических измерительных механизмов отличаются большим вращающим моментом, который необходим для преодоления дополнительного мо мента трения, возникающего в РУ.
Вторая группа приборов (быстродействующие самопи шущие приборы — БСП) предназначена для регистрации быстро изменяющихся электрических сигналов с частотой изменения более 1 Гц. В качестве измерительных механиз мов в приборах этой группы используются механизмы с от носительно большой частотой собственных колебаний под вижной части /о. К таким измерительным механизмам относятся: специальный магнитоэлектрический измери тельный механизм (с двумя магнитами) с частотой собст венных колебаний f0= 40 Гц и электромагнитный поляри зованный маханизм с fo— QQ Гц.
В настоящее время выпускаются самопишущие прибо ры, в которых используются различные методы регистра-
Рис. 20.5. Регистрирующее устройство при использовании чернильного метода регистрации на диаграммных лентах ти па ЛПГ
ции — с записью чернилами, пастой (фломастерами), с за писью печатанием, снятием вещества носителя, с записью путем изменения состояния носителя и др.
Самопишущие приборы с записью чернилами. Один из видов РУ такого типа представлен на рис. 20.5.
Рычаг 1, жестко соединенный с подвижной частью ИМ, имеет шарнирное соединение с держателем 2. На держа
теле укреплена капиллярная трубка, один конец которой опущен в неподвижную чернильницу 3, а другой соединен с РО. На конце держателя укреплен ролик 4. При вра
щательном движении рамки измерительного механизма ролик совершает возвратно-поступательное движение по неподвижным направляющим 5. При этом РО переме щается практически прямолинейно в горизонтальной плос кости. В таких РУ в качестве носителя используется диа граммная лента с прямолинейными горизонтально рас положенными линиями времени (ЛПГ). Отсчет значений зарегистрированной величины производится с помощью вертикально расположенных линий отсчета.
Регистрирующим органом в таких приборах служит чер нильница с пером, наконечник которого представляет собой платино-иридиевую трубку с внутренним отверстием диа метром 0,1—0,15 мм. По этому отверстию на диаграммную ленту поступают специальные чернила. Достоинства тако го метода регистрации — высокое качество оставляемого на носителе следа, большая продолжительность работы без перезарядки (до 30 сут), долговечность РО, малое воздей
ствие со стороны РО на подвижную часть измерительного механизма. Однако у этого метода есть и существенные недостатки: необходимость в специальных незасыхающих в капилляре чернилах, замерзание и испарение чернил, за сорение внутреннего отверстия РО, относительно большая
ширина линии записи |
(0,4—0,5 мм) и др. |
В последние годы |
вместо чернил чаще стала приме |
няться паста в шариковом устройстве и паста (чернила) под давлением. При малых скоростях перемещения носи теля (например, 20 мм/ч, т. е. 1 мм за 3 мин) паста на ша рике успевает высохнуть и четкой записи не получается. Применение пасты (чернил) под давлением требует ис пользования миниатюрного компрессора.
Метод регистрации чернилами применяется в БСЦ с магнитоэлектрическим (Н3021) и электромагнитным (Н338) измерительными механизмами. Частотный диапазон в та ких приборах расширяется до 100—150 Гц за счет при менения встроенного усилителя с нелинейной характери стикой, корректирующей частотную характеристику прибо ра. Приборы выпускаются как одноканальные, так и мно гоканальные. Так БСП типа Н338 могут иметь 1, 2, 3, 4, 6, 8 каналов. В многоканальных приборах регистрация произ водится на одном носителе, но с разделением каналов за писи на диаграммной ленте.
Самопишущие приборы с записью печатанием. На рис. 20.6, а схематично показаны способы регистрации печата нием, используемые в чувствительных приборах с неболь шим вращающим моментом (магнитоэлектрические милливольтметры). Регистрирующим органом служит стрелка — указатель измерительного прибора 1, которая периодически с помощью печатающего механизма 2 при жимает красящую ленту 3 к носителю 4. Металлический
Рис. 20.6. Способы регистрации печатанием
пруток малого диаметра 5 в месте соприкосновения стрел
ки и носителя обеспечивает след от красящей ленты в виде точки. Применение лент различного цвета позволяет ис пользовать прибор для одновременной записи нескольких процессов. Отсутствие трения РО о носитель в процессе измерения позволяет сохранить точность прибора без уве личения потребляемой мощности.
В приборах с большой выходной мощностью (автомати ческие потенциометры, мосты) также применяется метод регистрации печатанием. В этих приборах регистрирующим устройством является печатающая каретка. Кроме указа теля на каретке закреплено металлическое колесико с вы ступами, на которых нанесены выпуклые знаки (точки или точки и цифры). На рис. 20.6,6 и в показан принцип та кой записи. Колесо с выступами 6 участвует в поступатель
ном (момент печатания) и вращательном (в моменты пе реключения измерительных цепей при многоканальном варианте прибора) движениях. Красящий валик 7 или ва лики разных цветов 9 и носитель 8 перемещаются в направ
лении, указанном стрелками. Применение метода регистра ции печатанием позволяет осуществить запись нескольких функциональных зависимостей одновременно без разделе ния каналов записи на диаграммной ленте (многоточечная запись), что повышает эффективность использования ре гистрирующего прибора. К недостаткам метода следует от нести потерю непрерывности записи и значительное услож нение конструкции прибора, вносимое печатающим меха низмом.
При печатании одним цветом на диаграмму наносятся два знака — точка и цифра. Точка характеризует значение измеряемой величины, цифра — номер кривой. При много цветном печатании кривые на диаграмме различают по цвету точек.
Самопишущие приборы с записью снятием слоя веще ства носителя. Регистрирующий орган таких приборов вы полнен в виде стальной иглы, резца или стержня, нагре того током. В качестве носителя используется бумага, покрытая слоем сажи, воска или лака. В самопишущих ана логовых приборах этот вид регистрации применяется редко.
Самопишущие приборы с регистрацией изменения со стояния вещества носителя. В разработках самопишущих приборов последних лет этот метод обычно реализуется в форме тепловой регистрации (термический метод). Реги страция осуществляется путем теплового воздействия элек
трически нагретого элемента («теплового пера») иа по верхностный слой термочувствительной бумаги. В резуль тате нагрева поверхностного слоя на нем остается след от движения теплового пера в виде четкой темной линии. Су ществует много различных вариантов этого способа реги страции. Применение тепловой регистрации дает ряд пре имуществ по сравнению с записью чернилами, однако сто имость термочувствительной бумаги значительно выше стоимости обычной диаграммной бумаги.
Выпускаемые промышленностью самопишущие прибо ры относятся в основном к приборам класса точности 1,5 (переносные) и 2,5 (щитовые). Время успокоения не пре вышает 2 с.
Наличие сил трения и зазоров в кинематических пере дачах самопишущего прибора и трения РО о носитель слу жит причиной появления зоны нечувствительности РУ.
Изменение геометрических размеров бумажных носите лей под влиянием изменения влажности окружающей сре ды и смещение диаграммной бумаги, приводящие к несов падению делений градуировочной сетки и отметок шкалы прибора, ведут к появлению наиболее характерной для самопишущих приборов погрешности записи, которая не должна превышать значений, установленных классом точ ности прибора.
Для уменьшения погрешностей записи стремятся улуч шить качество бумаги, применяют бумагу с алюминиевой прокладкой, перед началом записи производят совмеще ние начальных отметок шкалы и диаграмм (об этом судят по положению пера).
При записи медленно изменяющихся величин и малой скорости перемещения носителя в приборах с многоточеч ной записью кривая записи может получиться смазанной, поскольку печатные индексы накладываются друг на дру га (дефект устраняется увеличением скорости перемещения
носителя). |
|
скорость |
При непрерывной записи процессов нужную |
||
носителя выбирают, |
руководствуясь соотношением |
|
|
Vnm in^fxm ax'M , |
(20. 1) |
где Vimin — минимальная скорость перемещения |
носителя; |
|
d — толщина линии |
записи; fxmax — максимальная частота |
|
регистрируемого процесса. |
|
|
Степень влияния |
отдельных факторов на метрологичес- |
|
к-ие характеристики самопишущих приборов определяется также структурной схемой прибора.
Дальнейшее совершенствование самопишущих приборов связано с печатанием диаграммной сетки в процессе реги страции, что позволяет пользоваться для записи обычной белой бумагой с увеличением числа каналов одновремен ной регистрации; с возможностью дополнительной цифробуквенной индикации текущего времени и ряда других дан ных о ходе исследуемого процесса; с совершенствованием конструкции РУ в целях повышения качества записи, уве личения быстродействия и уменьшения погрешности за писи.
20.3. СВЕТОЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ
Светолучевые осциллографы относятся к регистрирую щим приборам прямого действия. Регистрация контроли руемых параметров в этих приборах производится обыч ным световым лучом или ультрафиолетовым лучом на спе циальном фоточувствительном носителе.
Основными достоинствами светолучевых осциллографов по сравнению с самопишущими приборами прямого дейст вия являются более широкий диапазон частот регистрируе мых сигналов (от 0 до 30 кГц) и возможность одновремен ной регистрации большого числа сигналов (до нескольких десятков). В осциллографах применяют фотографическую регистрацию. Регистрирующим органом при фотозаписи яв ляется световой луч; в качестве носителя используется светочувствительная бумага или пленка. Фотографическая регистрация предполагает использование энергии электро магнитных колебаний не только видимой части спектра, но
иинфракрасных или ультрафиолетовых лучей. Безынерционность РО, отсутствие механического контакта между ним
иносителем, хорошее качество изображений являются ос новными достоинствами метода. Дополнительная обработ ка фотоматериалов (проявление, закрепление) осложняет процесс записи и увеличивает затраты времени на него. Применение в качестве носителей ультрафиолетовой бума ги типа УФ (с использованием в качестве осветителя ртут ной лампы) полностью устраняет указанный недостаток, так как изображение на бумаге появляется непосредствен но при записи.
Основными узлами светолучевых осциллографов явля ются магнитный блок с осциллографическими гальваномет-
Рис. 20.7. Схема устройства и конструкция магнитоэлект рического осциллографического гальванометра
рами |
(ОГ), оптическая |
|
|
||||
система, |
развертыва |
|
|
||||
ющее |
устройство |
|
и от |
|
|
||
метчик времени. |
|
|
|
|
|||
Магнитный блок с |
|
|
|||||
осциллографическими |
|
|
|||||
гальванометрами. |
В |
|
|
||||
большинстве |
совре |
777?7777, |
|
||||
менных |
светолучевых |
Д) |
|
||||
осциллографов |
|
при |
|
||||
меняется |
магнитный |
|
|
||||
блок, состоящий |
из по |
|
|
||||
стоянного |
магнита, |
|
|
||||
размещенного в |
замк |
|
|
||||
нутой |
магнитной |
|
цепи. |
|
|
||
В магнитопроводе |
это |
|
|
||||
го |
блока |
имеются |
|
|
|||
гнезда |
для |
гальвано |
|
|
|||
метров-вставок |
|
(рис. |
|
|
|||
20.7, а). |
|
|
|
|
|
|
|
Гальванометры- |
|
|
|||||
вставки |
представляют |
|
|
||||
собой |
|
|
подвижную |
W |
5) |
||
часть |
магнитоэлектри |
||||||
ческого |
измерительно |
|
|
||||
го механизма (рамку на растяжках), заключенную в метал лический немагнитный кожух с полюсными наконечниками из магнитомягкого материала. Обычно внешний диаметр кожуха равен 6 мм. Конструкция гальванометра-вставки изображена на рис. 20.7, б. Цифры на рисунке обозначают:
1— крышка; |
2— линза; 3— рамка; 4— полюсные |
вставки; |
|
5— корпус; |
6— зеркальце; |
контактными поверхностями |
|
гальванометра являются |
корпус и изолированный |
от него |
|
токопровод 7. Для снижения погрешности регистрации быст ро изменяющихся сигналов целесообразно применять ОГ с высокой собственной частотой /0. Точность воспроизведе ния исследуемых процессов на осциллограмме определя ется не только выбором ОГ по собственной частоте, но и его степенью успокоения {3. Жидкостное успокоение созда ет оптимальный режим (|30= 0,65), практически не завися
щий от внешнего сопротивления. Для ОГ с магнитоиндук ционным успокоением оптимальный режим обеспечивается при определенном значении внешнего сопротивления RDin,
на которое замкнут ОГ (указывается в паспорте гальва нометра). Отсюда следует, что работа с указанным типом ОГ требует учета внутреннего сопротивления источника ис следуемого сигнала.
Современные отечественные светолучевые осциллогра фы имеют устройство для протягивания фотопленки со ско ростью до 10 м/с и снабжены оптической системой, обес печивающей получение толщины линии записи до 0,3 мм; максимальное число каналов регистрации 36.
Наибольшую рабочую полосу частот имеет ОГ типа М042: fx— 0-4-30 кГц при чувствительности приблизитель
но 0,2 мм/мА. При выборе ОГ сначала оцениваются час тотные свойства (амплитудно-частотная характеристика) гальванометра для учета возможности регистрации высших гармонических составляющих исследуемого процесса. За тем производят выбор по чувствительности с учетом жела емых амплитуд кривой на носителе и значений регистриру емого сигнала. Часто при этом приходится применять шун ты, добавочные резисторы, а иногда и специальные усилители.
Оптическое и развертывающее устройство. Для переда чи колебательного движения подвижной части ОГ, записи на носителе и визуального наблюдения на экране исследуе мого параметра служит оптическое устройство (рис. 20.8). Луч света от лампы Л, проходя через систему линз и призм, попадает на миниатюрное зеркальце 3, укреплен
ное на подвижной части ОГ. Отразившись от зеркальца, луч света через ряд линз и призм попадает на носитель N.
При колебаниях подвижной части ОГ световое пятно со вершает на носителе поперечное колебание. Для получе-
Рис. 20.8. Принци пиальная схема оптического уст ройства светолу
чевого осциллогра фа
Рис. 20.9. Осциллограмма свето лучевого осциллографа
ния временной развертки носитель перемещают с опреде ленной скоростью с помощью специального лентопротяж ного механизма. В некоторых светолучевых осциллографах прежних выпусков кроме регистрации исследуемого сигна ла предусматривалась также возможность визуального на блюдения этого сигнала на специально установленном эк ране Э. В таких осциллографах часть света, отраженного
от зеркальца, попадает на вращающийся с постоянной скоростью зеркальный барабан Б. При вращении бараба
на изменяется угол падения луча на каждую грань бара бана. Следовательно, создаваемое лучом световое пятно перемещается вдоль экрана, осуществляя таким образом развертку исследуемого сигнала во времени.
Отметчики времени. Для установления масштаба по оси времени в светолучевых осциллографах применяются от метчики времени. Чаще всего это специальные электрохи мические устройства, наносящие световым лучом на фото бумаге вертикальные линии через определенные интерва лы времени: 0,2; 0,02 с и т. д.
Подсчитав количество линий между интересующими точками зарегистрированной кривой и умножив это число на масштабный показатель отметчика времени (рис. 20.9), получим значение интервала времени. Для определения мгновенных значений тока в рамке ОГ достаточно опре делить в миллиметрах отклонение соответствующей точки на изображении этого тока иа носителе и затем разделить его на значение чувствительности к току 5 / применяемого ОГ с учетом расстояния носителя от зеркальца ОГ в дан ном светолучевом осциллографе. Это расстояние различно в осциллографах разных типов. В связи с этим отклоне ние точки на носителе, соответствующее одному и тому же току, может быть различным при использовании данного гальванометра в разных осциллографах. Чтобы основная характеристика гальванометра — чувствительность была пригодна для расчета диаграмм, полученных на разных ос циллографах, ее выражают в мм/(мА*м). Ток I опреде
ляют по формуле
где / — расстояние между носителем и зеркальцем гальва нометра; значение I указывается в паспорте на осцилло
граф.
Для примера рассмотрим основные технические харак теристики осциллографического гальванометра-вставки М004-7.0:
Собственная |
частота /о |
. |
7000 Гц |
Рабочий диапазон частот |
0—5000 Гц |
||
Чувствительность к току Si |
|
20 мм/(мА-м) |
|
Внутреннее |
сопротивление |
|
16 Ом |
Наибольший |
ток |
|
130 мА |
Совершенствование светолучевых осциллографов идет по пути улучшения их технических и эксплуатационных характеристик (расширения частотного диапазона, увели чения числа каналов регистрации, скорости записи, умень шения габаритных размеров и массы за счет использования новых материалов, принципов унификации, агрегати рования и совместимости при проектировании). Блочно модульный принцип построения осциллографов из унифи цированных модулей, выполненных на современной микро электронной базе, позволяет значительно расширить функ циональные возможности приборов и делает их универ сальными.
Появление качественно новых регистрирующих уст ройств с использованием волоконной оптики и лазеров, со четающих преимущества электронно-лучевых (по частот ному диапазону) и светолучевых (по возможности записи на светочувствительной бумаге) осциллографов, создает возможность дальнейшего развития средств регистрирую щей техники.
Электронно-лучевые осциллографы рассмотрены в от дельной главе данного учебника.
20.4. МАГНИТОГРАФЫ И ПРИБОРЫ С ЦИФРОВОЙ РЕГИСТРАЦИЕЙ
Магнитный способ регистрации (рис. 20.10) получил применение в регистрирующих приборах, называемых маг нитографами. Носитель информации 1 в виде магнитной
ленты (например, лавсановой ленты с ферромагнитным слоем) перематывается электродвигателем с катушки 2 на
катушку 5, при этом лента проходит возле магнитных голо-
Рис. 20.10. Схема устройства маг нитной регистрации
вок — стирающей 6, |
запи |
||||
сывающей |
5 и |
воспроизво |
|||
дящей |
4. |
Регистрируемый |
|||
ток i(t) |
пропускается |
по |
|||
обмотке |
головки |
5, |
которая |
||
имеет |
магиитопровод |
из |
|||
материала |
с |
высокой |
|||
магнитной проницаемостью. Узкий воздушный зазор магнитопровода обеспечивает острую фокусировку магнитного «луча», попадающего на ферромагнитный слой ленты. Принцип магнитной регистрации заключается в намагничи вании в разной степени в зависимости от силы тока i{t),
движущейся магнитной ленты, которая предварительно должна быть полностью размагничена стирающей голов кой 6. Стирание записи (размагничивание ленты) произво
дится путем пропускания тока с частотой в несколько де сятков килогерц через головку 6. При движении ленты пере менное магнитное поле головки 6 размагничивает ленту.
Воспроизведение магнитной записи заключается в преоб разовании магнитного поля ленты в ЭДС, которая наво дится в обмотке головки 4 при протягивании намагничен
ной ленты в воздушном зазоре возле этой головки. Уста навливая несколько записывающих и воспроизводящих головок на разных дорожках, можно одновременно на ленте вести запись нескольких электрических сигналов.
Магнитный метод регистрации имеет ряд существенных достоинств: для воспроизведения информации не требует ся дополнительной обработки ленты, есть возможность многократного воспроизведения регистрации, многократно го использования магнитной ленты и др. Магнитной записи присущи и серьезные недостатки. Основной недоста ток— информация недоступна для наблюдения. Для полу чения читаемых документов необходима перезапись само пишущим прибором.
Другой недостаток магнитной записи — невозможность непосредственно регистрировать токи низких (в том числе постоянниый ток) частот. При необходимости записи та ких токов на магнитную ленту применяют предварительную модуляцию, т. е. переносят спектр частот входного тока в область повышенных частот. Магнитографы применяются для регистрации измерительной информации в диапазоне
частот от сотен герц до нескольких десятков килогерц. Применяются и другие конструкции магнитографов, напри мер с магнитным барабаном. Число головок, располагаемых вдоль образующей барабана, может достигать нескольких сотен, а частота вращения барабана — нескольких тысяч оборотов в минуту. В качестве примера приведем характе ристики измерительного магнитографа типа Н046, предна значенного для аналоговой записи измерительной инфор мации на магнитной ленте шириной 12,7 мм:
Количество каналов |
. |
7 |
см/с, |
Скорость движения ленты |
9,53—76,2 |
||
Диапазон частот записываемых сигналов |
четыре ступени |
||
300—64 000 |
Гц |
||
Известны и другие способы регистрации измерительной информации — электрофотографическая, электрохимичес кая и другие, не нашедшие широкого применения.
Цифровая регистрация применяется в цифровых изме рительных устройствах (ЦИУ) и осуществляется различ ными способами: с помощью электромеханической цифропечати, фоторегистрации, магнитной записи и т. п. Выбор способа регистрации определяется в основном требуемым быстродействием.
В большинстве случаев для регистрации показаний ЦИУ применяют электромеханические печатающие машин ки, в которых для привода устройств печати имеются элек тромагниты. Средняя скорость регистрации 10 знаков или строк в секунду, причем в одной строке может быть не сколько десятков знаков. Для связи цифровых печатающих машинок с ЦИУ используют специальные согласующие устройства (транскрипторы), выпускаемые в комплекте с цифровыми печатающими машинками.
Глава дв а д ц а т ь п е р в а я
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МАГНИТНЫХ ВЕЛИЧИН
21.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Область электроизмерительной техники, которая зани мается измерениями магнитных величин, называют маг нитными измерениями, С помощью методов и аппаратуры
магнитных измерений решаются самые разнообразные за* дачи. В качестве основных из них можно назвать следую щие: определение характеристик магнитных материалов, измерение магнитного поля Земли, поиск полезных иско паемых, определение дефектов в материалах и изделиях (магнитная дефектоскопия) и др. Несмотря на большое разнообразие задач, решаемых с помощью магнитных из мерений, обычно определяются всего несколько основных магнитных величин: магнитный поток Ф, магнитная индук ция В, напряженность магнитного поля Н, магнитный мо
мент Мм и некоторые другие. Во многих способах измере ния магнитных величин фактически измеряется не магнит ная, а электрическая величина, в которую магнитная величина преобразуется в процессе измерения. В этом случае магнитная величина определяется расчетным путем на ос новании известных зависимостей между магнитными и элек трическими величинами. Прибор для измерения магнитных величин, как правило, состоит из двух частей: измеритель ного преобразователя, назначением которого является пре образование магнитной величины в величину иного вида (чаще всего электрическую), более удобную для непосред ственного измерения, и устройства для измерения выход ной величины этого преобразователя.
Для создания измерительных преобразователей магнит ных величин в электрические используют различные фи зические явления и эффекты, в которых совокупность маг нитных величин связана с выходными электрическими ве личинами однозначными функциональными зависимостями.
Наиболее распространенными преобразователями маг нитных величин в электрические являются индукционные, ферроиндукционные, гальваномагнитные и квантовые.
В индукционных и ферроиндукционных преобразовате
лях используется |
явление |
электромагнитной индукции, |
причем в последних |
применяются электрические цепи с |
|
ферромагнитными сердечниками. |
||
В гальваном агнитных |
преобразователях используют |
|
эффекты, возникающие в веществах, через которые прохо дит электрический ток при одновременном действии на них магнитного поля.
Квантовые преобразователи основаны на использова нии атомных, ядерных и электронных резонансных явлений, возникающих при возбуждении атомов некоторых веществ внешним магнитным полем.
21.2. ИНДУКЦИОННЫЕ И ФЕРРОИНДУКЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Наиболее простым и распространенным индукционным преобразователем является измерительная катушка. При изменении магнитного потока, пронизывающего катушку с числом витков wK, в ней возникает ЭДС е, определяемая
соотношением
dv НФ
Если поле в пространстве, охватываемом катушкой, однородно и ось катушки совпадает с направлением поля, то, используя связь между Ф, В и Н, можно записать
d<b |
dB |
|
dH |
е — — и>к ——- = — w„s —— |
= — i4 i0&yI{s —— , |
||
dt |
at |
|
dt |
где s — площадь витка |
измерительной катушки; р0— маг |
||
нитная постоянная (ц о= 4 я* 10~7 Гн/м); |
ц — магнитная |
||
проницаемость среды. |
|
|
|
Из формул видно, что с помощью катушки магнитные |
|||
величины — магнитный |
поток Ф, |
магнитная |
индукция В, |
напряженность магнитного поля Н — могут быть преобра зованы в электрическую величину — ЭДС е.
В зависимости от характера измеряемой величины из мерительные катушки могут иметь различные конструкции. Они могут иметь каркас (круглый, квадратный, прямо угольный) из изоляционного материала или быть бескар касными. Катушка должна иметь такую форму и размеры и должна быть так расположена, чтобы с ее витками сцеп лялся лишь тот поток, который подлежит измерению. Пло скость ее должна быть расположена перпендикулярно век тору магнитной индукции. Если измерительная катушка предназначена для измерения магнитной индукции в об разце, то витки ее должны охватывать образец и плотно прилегать к его поверхности.
При измерении напряженности магнитного поля на по верхности образца измерительная катушка должна быть плоской (с малой высотой), плотно прилегать к поверхно сти образца и располагаться так, чтобы ее ось совпадала с направлением вектора напряженности измеряемого маг
нитного поля.
При проведении измерений в однородных магнитных полях измерительные катушки могут быть большого раз-
Рис, 21.1. Виды магнитных потенцналометров
мера (в слабых полях с большим количеством витков). При измерениях в неоднородных магнитных полях необхо димо использовать катушки минимальных размеров для определения характеристик поля в данной точке.
Обмотка должна быть нанесена равномерно с парным числом слоев, так, чтобы начало и конец были в одном месте. Основной характеристикой измерительной катушки является произведение числа витков и площади витка a>Ks. Это произведение называют постоянной измеритель ной катушки.
Для измерения потоков переменного, а также постоян ного магнитных полей, когда изменение потокосцепления с катушкой молено осуществить изменением самого пото ка, применяют неподвижные катушки. В других случаях применяют подвижные (выносные, поворотные, вращаю щиеся, вибрирующие) катушки.
Разновидностью индукционных преобразователей яв ляются магнитные потенцйалометры, слулеащие для опре деления разности магнитных потенциалов. Применяют их для исследования электромагнитных устройств и постоян ных магнитов.
Потенциалометр представляет собой плоскую катушку на гибком (рис. 21.1 ,а) или жестком (рис. 21.1,6) каркасе
одинакового сечения с равномерно намотанной обмоткой. Потенцйалометры с гибким каркасом можно использовать для измерения разности магнитных потенциалов между любыми двумя точками магнитного поля, а с хлестким— между двумя точками на расстоянии I между торцами по
тенциалометр а.
Если потенциалометр поместить в неоднородное магнит ное поле (полагаем для простоты р = 1 ) , то его потокосцепление можно представить так:
|
|
в |
б |
|
у |
= |
^ B td l= |
k\xQ |
dl, |
|
|
a |
о |
|
где 1аб — длина |
потенциалометра; |
Bi — проекция вектора |
||
магнитной индукции на направление dl\ |
k = w Ks/la6— по |
|||
стоянная потенциалометра. |
|
|
||
Разность магнитных потенциалов между точками а и б
и а, = J H t dl.
а
Следовательно, с помощью потенциалометра можно определить Ua6. Для этого помещают концы потенциало
метра в точках а и б, измеряют с помощью баллистическо го гальванометра или веберметра (см. далее) потокосцепление 4я и подсчитывают Uaб
VQ6 = xF/(p0/e).
Принцип действия ферроиидукционных преобразовате лей (феррозондов) основан на изменении магнитного со стояния ферромагнетика, намагничиваемого переменным магнитным полем возбуждения, при наложении постоянно го магнитного поля, индукция которого измеряется. Суще ствует несколько видов феррозондов, различающихся меж ду собой способом возбуждения и пространственной ори ентацией магнитных полей, формой ферромагнитного сердечника и т, п.
Устройство дифференциального феррозонда схематиче ски показано на рис. 21.2. На каждом из двух идентичных по размерам и свойствам сердечников, набранных из пла-
3— |
Г|. jп |
рг. п I // •г |
А |
||
1 X X X " |
1 |
. |
-хЬ»^V,“ 4.VT4. |
ч"ч11 |
|
О---------1-nr\j7 |
( |
•и и |
и |
и■ |
|
|
ezf |
< |
|
||
Рис. 21.2. Двухстержневой феррозонд с продольным возбуждением
стин пермаллоя, наматывают одинаковые обмотки возбуж дения wь которые включают встречно и питают синусои дальным переменным током i(t). Оба сердечника охваты
вает измерительная обмотка до2. При отсутствии постоянно го поля ЭДС на зажимах измерительной обмотки равна нулю, так как потоки, создаваемые обмотками Шь одина ковы и направлены встречно.
При наложении на переменное поле Н„ постоянного магнитного поля Нх симметрия нарушается, кривая пере менной составляющей индукции В„ станет несимметрич
ной относительно оси времени, т. е. в составе этой кривой наряду с нечетными появятся четные гармоники, причем степень асимметрии зависит от значения поля Нх. По зна
чению ЭДС четных гармоник <?2f, индуцированных в обмот ке измерительной катушки, можно судить о напряженно сти или магнитной индукции постоянного магнитного поля.
Приборы с феррозондами обладают высокой чувстви тельностью. С их помощью можно измерять напряжен ность магнитного поля от 10-6 А/см с погрешностью 1— 2%. Феррозонды широко применяются в магнитной дефек тоскопии, геофизических исследованиях, для измерения магнитного поля Земли.
С помощью феррозондов можно также измерять напря женность переменного магнитного поля, но при условии, что частота возбуждения хотя бы на порядок превышает частоту измеряемого поля.
21.3. ГАЛЬВАКОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Для преобразования магнитных величин в электриче ские можно использовать гальваиомагнитные эффекты Холла и Гаусса.
Преобразователь Холла представляет собой тонкую пластинку с четырьмя электродами (рис. 21.3), выполнен ную из полупроводникового материала. Если через такую пластинку проходит ток и одновременно действует магнит ное поле, вектор магнитной индукции которого перпенди кулярен плоскости пластинки, то на противоположных гранях, параллельных направлению тока, возникает ЭДС Холла
Ех = R x ГB id ,
где Rx постоянная Холла, значение которой зависит от свойств материала пластинки; I — ток через пластинку;
21.4. КВАНТОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Существует несколько разновидностей квантовых пре
образователей— ядерные, |
атомные, |
электронные. В каче |
||
стве примера рассмотрим |
принцип |
действия |
одного |
из |
них — ядерно-резонансного |
преобразователя |
(ЯРП), |
по |
|
зволяющего измерять магнитную индукцию с высокой точ ностью.
Если на ядра какого-либо элемента одновременно воз действовать постоянным и переменным высокочастотным магнитными полями, то при определенном соотношении между индукцией постоянного поля В и частотой перемен
ного поля ш наступает режим резонансного поглощения энергии ядрами.
Известно, что ядро атома может иметь определенное число ориентаций во внешнем магнитном поле. Для ядра атома водорода — протона таких возможных ориентаций две — по полю и против поля. Этим двум состояниям соот
ветствует |
определенная разность |
энергий, которая |
равна |
|
2трВ, где |
тр — магнитный |
момент протона. Кроме |
того, |
|
для переориентации протона |
из |
направления по полю в |
||
противоположное необходим квант энергии hf, где h — уни версальная постоянная Планка; f — частота переориента
ции (прецессии). Из изложенного следует, что
2трВ — hf
или
ш = 2nf = -----mv B — ур В, h
где ур— гиромагнитное отношение протона, т. е. отноше
ние его магнитного момента к механическому, известное в настоящее время с высокой точностью [ур=2,67512* 108 I/ /.(Тл*с)].
Из последнего выражения следует, что
В = 2пf/yp.
Следовательно, измерив частоту прецессии, можно определить значение магнитной индукции.