Измерительные приборы
Общая характеристика и принцип действия электронных измерительных приборов предназначенных для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне: вольтметр, амперметр, омметр. Использование источников питания и выпрямителей.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 09.06.2010 |
| Размер файла | 723,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
2
Реферат
По предмету: Электротехника
На тему: Измерительные приборы
Содержание
1. Электронный вольтметр постоянного тока
1.1 Электронный вольтметр переменного тока
2. Электронный амперметр
2.1 Электронный амперметр постоянно тока
2.2 Электронный амперметр переменного тока
3. Электронный омметр
4. Источник питания
4.1 Трансформатор
4.2 Выпрямители и сглаживающие фильтры
1. Электронный вольтметр постоянного тока
Электронный вольтметр с высоким входным сопротивлением можно построить на основе неинвертирующего усилителя. Измерительный прибор подключается к измерительным цепям через буферный усилитель с высоким входным сопротивлением. Поэтому входное сопротивление вольтметра определяется практически входным сопротивлением усилителя. Кроме того, поскольку измерительный прибор отделен от измерительных цепей буферным усилителем и не влияет на режим работы цепи, в которой производятся измерения, то требования к нему можно существенно снизить.
На рис 1.1. показана структурная схема аналогового электронного вольтметра, которая содержит четыре основных блока: аттенюатор, буферный усилитель, измерительный преобразователь и индикатор.
Рис.1.1. - Структурная схема аналогового электронного вольтметра
Измеряемое напряжение подается на аттенюатор, который обеспечивает приведение входного сигнала к определенному единому уровню, приемлемому для буферного усилителя. Измеряемый сигнал, преобразованный до уровня, соответствующего рабочему диапазону буферного усилителя, поступает на вход этого усилителя.
Основой аттенюатора является резистивный делитель напряжения. Так как прибор должен иметь нескольких пределов измерения, то делитель необходимо выполнить с тремя отпайками для получения соответствующих коэффициентов деления.
Поскольку делитель напряжения практически не нагружен (входное сопротивление буферного усилителя очень велико), то делитель можно выполнить на основе больших сопротивлений, что обеспечивает высокое входное сопротивление вольтметра.
Буферный усилитель, с большим входным сопротивлением, служит для согласования входных цепей вольтметра с измерительным преобразователем. Он может быть выполнен по схеме неинвертирующего усилителя.
Измерительный преобразователь предназначен для формирования интегрального (среднего или действующего) значения измеряемого сигнала. Сформированное им интегральное значение отображается индикатором. Шкала индикатора градуируется в действующих значениях сигнала. Используем среднеквадратичный измерительный преобразователь, так как в этом случае градуировка шкалы справедлива как для постоянных входных сигналов, так и для переменных входных сигналов любой формы. Обозначение типа измерительного преобразователя должно быть нанесено на шкалу прибора.
Схема электронного вольтметра, содержащего все перечисленные узлы, приведена на рис.1.2. Переключатель диапазонов измерения представляет собой делитель напряжения, построенный на резисторах R1, R2, R3, и R0. Поскольку входное сопротивление неинвертирующего операционного усилителя можно считать в данных условиях бесконечно большим, то входное сопротивление вольтметра - равным полному сопротивлению делителя напряжения. Сигнал с выхода буферного усилителя подается на вход аналогового электромеханического вольтметра, который в этом приборе является как измерительным преобразователем, так и индикатором.
Так как входное сопротивление буферного усилителя можно считать бесконечно большим, то эквивалентное входное сопротивление вольтметра можно определить так:
Принимая во внимание возможность замыкания на землю входных цепей ОУ при его повреждении, с целью ограничения входного тока вольтметра при этом целесообразно принять . Тогда сумма должна быть не менее 4МОм.
Рис.1.2. - Функциональная схема электронного вольтметра
При этих значениях параметров максимальное значение падения напряжения на выходе делителя (аттенюатора) для первого диапазона измерений:
,
где - предельное значение измеряемого напряжения первого диапазона (2В).
Максимальные значения падения напряжения на выходе делителя для всех диапазонов измерений должны быть равны:
Применяя принцип деления напряжения для соответствующих диапазонов измерений можно записать:
где и - соответственно, предельные значения измеряемого напряжения второго и третьего диапазонов (5В и 10В).
Из этих выражений определяются значения сопротивлений делителя :
В итоге можно принять: ; ; .
Учитывая, что диапазон изменения выходного напряжения наиболее распространенных ОУ при типовом значении напряжения питания ±15В должен включать в себя значения от -10В до +10В, несколько произвольно можно установить предел измерения напряжения измерительного преобразователя (стрелочного вольтметра постоянного тока) . Тогда требуемое входное сопротивление измерительного преобразователя . Отсюда определяется добавочное сопротивление измерительного преобразователя:
Коэффициент усиления буферного усилителя по напряжению должен составлять:
Для неинвертирующего усилителя . Отсюда
Учитывая то, что выходные токи большинства ОУ интегрального исполнения не должны превышать 5мА, можно принять .Тогда . Для компенсации разброса параметров элементов при настройке прибора сопротивление целесообразно выполнить в виде цепочки из последовательно соединенного постоянного и переменного резисторов. Например, .
Ток, потребляемый вольтметром постоянного тока составляет:
Так как ОУ очень мало то его значением можно пренебречь.
1.1 Электронный вольтметр переменного тока
Вольтметр переменного тока предназначен для измерения интегральных значений переменных сигналов. Наиболее часто требуется измерять действующее значение напряжения. Для этого обычно используются измерительные преобразователи, непосредственно формирующие величину, пропорциональную действующему значению напряжения, или измерительные преобразователи выпрямительного типа.
Для выпрямления измеряемых переменных сигналов в приборе используется прецизионный выпрямитель, схема которого изображена на рис.1.3.
Рис.1.3. - Схема прецизионного выпрямителя
Положительный входной сигнал усиливается и инвертируется ОУ DA1. Под действием отрицательного выходного сигнала ОУ DA1 открывается диод VD1 и точка a соединяется с выходом ОУ DA1 и с входом DA2 через резистор R/2. Отрицательный сигнал в точке a усиливается вдвое и инвертируется ОУ DA2. Вместе с этим на вход DA2 через резистор R с входа выпрямителя поступает положительный сигнал, который инвертируется ОУ DA2 без усиления. В результате суммирования на выходе DA2 формируется положительный сигнал, равный входному. При отрицательном входном сигнале диод VD1 закрыт, а VD2 замыкает цепь обратной связи ОУ DA1 и напряжение в точке а близко к нулю. На вход DA2 поступает только отрицательный входной сигнал, который инвертируется, и на выходе DA2 формируется положительный сигнал, равный по модулю входному.
Примем R=10кОм, тогда R/2=5кОм.
Объединив схемы выпрямителя и вольтметра постоянного тока, мы получим схему вольтметра переменного тока, которая изображена на рис.1.4. Параметры вольтметра переменного тока остаются такими же, как и для вольтметра постоянного тока.
Рис. 1.4. - Функциональная схема электронного вольтметра переменного тока
2. Электронный амперметр
2.1 Электронный амперметр постоянного тока
Производить обработку сигналов в электронных приборах наиболее удобно в виде напряжения. Поэтому измеряемый ток в электронном амперметре необходимо предварительно преобразовать в напряжение. Схема преобразователя ток-напряжение, выполненного на ОУ, приведена на рис. 2.1. Здесь можно допустить, что входной ток равен току в резисторе R обратной связи, т.к. входной ток ОУ практически равен нулю. Поэтому выходное напряжение преобразователя:
В линейном режиме работы ОУ выходное напряжение ОУ в Ку раз больше, чем падение напряжения между инвертирующим и неинвертирующими входами ОУ. Учитывая, что Кy (коэффициент усиления ОУ по напряжению) может составлять несколько десятков тысяч, можно считать потенциал инвертирующего входа ОУ равным нулю. В реальных условиях действительное значение входного сопротивления преобразователя ток-напряжение зависит от значений сопротивления резистора обратной связи R и реального коэффициента усиления ОУ.
Рис.2.1.- Схема преобразователя ток - напряжение выполненного на ОУ
Предполагаем, что коэффициент усиления операционного усилителя К140УД2А при разомкнутой цепи обратной связи 50000. Выберем сопротивление резистора обратной связи:
Так как прибор должен иметь три диапазона измерений: 0,005А; 0,01 А; 0,1А, то, чтобы прибор не сгорел, требуется рассчитать соответствующие шунты. Зная , будем иметь:
Подключив к выходу преобразователя ток-напряжение, вольтметр постоянного тока с пределом 0 до 10В, получим полную схему измерительного прибора, которая показана на рис.2.2.
Добавочное сопротивление измерительного преобразователя, как и в предыдущем случае, можно принять равным .
Рис.2.2. - Функциональная схема электронного амперметра постоянного тока
2.2 Электронный амперметр переменного тока
Амперметр переменного тока предназначен для измерения интегральных значений переменных сигналов. Наиболее часто требуется измерять действующие значения. Для этого обычно используются измерительные преобразователи выпрямительного типа.
Для выпрямления измеряемых переменных сигналов в приборе используем прецизионный выпрямитель, схема которого изображена на рис.2.3.
Рис.2.3. - Схема прецизионного выпрямителя
Положительный входной сигнал усиливается и инвертируется ОУ DA1. Под действием отрицательного выходного сигнала ОУ DA1 открывается диод VD1 и точка a соединяется с выходом ОУ DA1 и с входом DA2 через резистор R/2. Отрицательный сигнал в точке a усиливается вдвое и инвертируется ОУ DA2. Вместе с этим на вход DA2 через резистор R с входа выпрямителя поступает положительный сигнал, который инвертируется ОУ DA2 без усиления. В результате суммирования на выходе DA2 формируется положительный сигнал, равный входному. При отрицательном входном сигнале диод VD1 закрыт, а VD2 замыкает цепь обратной связи ОУ DA1 и напряжение в точке а близко к нулю. На вход DA2 поступает только отрицательный входной сигнал, который инвертируется, и на выходе DA2 формируется положительный сигнал, равный по модулю входному.
Примем R=10кОм, тогда R/2=5кОм.
Объединив схемы выпрямителя и амперметра постоянного тока, мы получим схему амперметра переменного тока, которая изображена на рис.2.4. Параметры амперметра переменного тока остаются такими же, как и для амперметра постоянного тока.
Рис.2.4. - Функциональная схема электронного амперметра переменного тока
Ток, потребляемый амперметром переменного тока составляет:
Так как ОУ очень мал, то его значением можно пренебречь
3. Электронный омметр
Если на вход преобразователя ток-напряжение поступает постоянный ток, то его выходное напряжение пропорционально сопротивлению резистора Roc обратной связи (рис.3.1.).
Здесь и - соответственно выходное и входное напряжение инвертирующего усилителя; и - сопротивления, образующие цепи обратной связи.
Следовательно, преобразователь на ОУ можно легко приспособить для измерения сопротивлений.
В соответствии с законом Ома входной ток преобразователя:
А,
где RХМ - максимальное измеряемое сопротивление (0.1 кОм).
Поскольку потенциал инвертирующего входа фактически равен нулю, этот ток определяется э.д.с. источника питания ЕХ и сопротивлением резистора R1. Выбрав ЕХ = 4В, можно определить сопротивление резистора:
Ом = 0. кОм.
Рис.3.2. - Схема электронного омметра с подключенным к преобразователю вольтметром постоянного тока.
4. Источник питания
Подавляющее большинство электронных устройств требует стабилизированного питания от источников постоянного тока.
В полном смысле источниками постоянного тока являются только химические источники, т.е. аккумуляторные батареи и гальванические элементы. Их использование в электронных приборах не всегда возможно и целесообразно из-за ограниченной энергоёмкости и высокой стоимости.
Поэтому постоянное напряжение для питания электронных устройств наиболее часто получают путем трансформирования и последующего выпрямления переменного напряжения сети. Полученное таким образом напряжение, как правило, имеет значительные пульсации и изменяется в зависимости от нагрузки и колебаний напряжения сети. Для снижения колебаний и пульсаций напряжения используются специальные стабилизаторы напряжения, которые компенсируют эти изменения напряжения. Наиболее часто источники питания электронных устройств получают питание от однофазной или трехфазной сети переменного тока с номинальным напряжением 220ч380 В. Иногда для питания измерительных приборов используется оперативная сеть переменного тока с номинальным напряжением 100 В. Структурная схема стабилизированного источника питания показана на рис.4.1. Преобразование уровня напряжения и гальваническое разделение питающей сети и выходных цепей источника осуществляется, как правило, с помощью понижающих трансформаторов.
Рис.4.1. - Структурная схема источника питания
Для получения постоянного напряжения используются полупроводниковые выпрямители на основе полупроводниковых диодов и сглаживающие ёмкостные фильтры.
Сглаживающие фильтры при правильном выборе параметров позволяют существенно снизить пульсации выходного напряжения, но не позволяют избавиться от медленных колебаний выходного напряжения при изменении нагрузки и колебаниях напряжения в питающей сети. Стабильное напряжение на выходе источника питания можно получить с помощью стабилизатора.
4.1 Трансформатор
Для питания электронного измерительного прибора рассчитаем параметры понижающего трансформатора с двумя вторичными обмотками. Номинальное напряжение первичной обмотки . Вторичные обмотки должны быть рассчитаны на номинальные напряжения и . Номинальные токи вторичных обмоток, соответственно:; .
Расчет трансформатора источника питания начинаем с определения его вторичной мощности:
.
Здесь ,и, - соответственно, вторичные напряжения и вторичные токи трансформатора; - коэффициент запаса.
По известной вторичной мощности определяем первичную мощность трансформатора:
з = 27 / 0,84= 32,143 ВА, где з - к.п.д. трансформатора.
Площадь поперечного сечения сердечника (мм2) трансформатора стержневого типа можно определить по следующей эмпирической формуле:
,
где k - постоянный коэффициент, который принимается равным 6ч8; f - частота тока в сети.
С учетом изоляции листов стали сердечника, которая увеличивает площадь сечения сердечника на 15%, будем иметь:
QС = 1.15 • 453,557 = 521,591 мм2
Площадь поперечного сечения сердечника трансформатора может быть выражена через его размеры: , где а - ширина пластин; b - толщина пакета пластин. Высоту стержня сердечника трансформатора обычно связывают с шириной пластины: . Соотношение размеров сердечника должно быть таким: b/a = 1.2ч1.8.
Ширина окна сердечника принимается, исходя из расчетов по формуле: с = HC/m, где m - коэффициент, определяющий наивыгоднейшие размеры окна сердечника (m = 2,5ч3).
Определяем размеры: Примем ширину стержня, а = 15 мм; высота стержня ; ширина окна с = 37,5/2,5 = 15 мм; толщина пакета пластин b = 25 мм.
Тогда, фактическое значение площади поперечного сечения сердечника
мм2.
Площадь поперечного сечения ярма сердечника QЯ принимается равной (1,0ч1,15)QC:
мм2.
Площадь поперечного сечения проводов для первичной и вторичных обмоток определяется в зависимости от тока в соответствующей обмотке и допустимой плотности тока: I1 = S1 /U1; s1 = I1/ j; s21, = I21,/j; s22, = I22,/j.
Определяем ток первичной обмотки: I1 = S1 /U1 = 21,43/100 = 0,2143А.
Рассчитываем площадь поперечного сечения провода первичной и вторичных обмоток при плотности тока 4 А/ мм2:
s1 = I1/ j = 0, 2143 / 4, 1 = 0, 037 мм2
s21 = I21/ j = 0, 5 / 4, 1 = 0, 125 мм2
s22 = I22/ j = 0, 5 / 4, 1 = 0, 125 мм2
Для обмоток выбираем обмоточный провод марки ПЭВ-1 круглого сечения по справочной таблице. Диаметры проводов без учета изоляции: первичной обмотки - 0,224мм; первой вторичной - 0,125 мм; второй вторичной - 0,125. Диаметры проводов с учетом изоляции: первичной обмотки - 0,260 мм; первой вторичной - 0,150 мм; второй вторичной - 0,150 мм. Число витков соответствующих обмоток можно определить так:
;
где ВС - максимальное значение индукции в сердечнике трансформатора.
Для компенсации потерь напряжения в проводниках обмоток необходимо увеличить число витков вторичных обмоток на 5 ч 10% относительно расчетного значения:
;
После определения основных параметров трансформатора необходимо проверить возможность размещения обмотки в окне сердечника трансформатора. Эта возможность может быть оценена по коэффициенту заполнения окна сердечника трансформатора:
,
где - площадь окна, занимаемая обмоткой; dП1 и dП2 - диаметры проводов первичной и вторичной обмоток с учетом изоляции; Q0 -площадь окна сердечника трансформатора.
;
Коэффициент заполнения окна сердечника для трансформаторов небольшой мощности должен составлять 0,2ч0,4.
.
Это допустимое значение коэффициента заполнения окна сердечника подтверждает возможность размещения обмоток.
4.2 Выпрямители и сглаживающие фильтры
В источниках питания для электронных измерительных приборов, как правило, используются однофазные мостовые выпрямители, которые могут выполняться как на основе дискретных элементов, так и на основе диодных сборок.
В качестве выпрямителя выбираем диоды типа КД521Г, соединенные по мостовой схеме.
Технические данные диодов КД521Г.
1. Постоянное обратное напряжение - 30 В.
2. Постоянный или прямой ток - 50 мА.
Эксплуатационные данные диодов соответствуют расчетным данным для проектируемого блока питания.
В большинстве случаев переменная составляющая выпрямленного напряжения (пульсация), действующая на выходе выпрямителя, недопустимо велика для потребителей. Для уменьшения пульсаций между выходом выпрямителя и нагрузкой включается сглаживающий фильтр.
Наиболее широко применяются сглаживающие фильтры, состоящие из резистора и конденсатора - типа RC (рис.4.2.).
Рис 4.2. - Схема сглаживающего фильтра - типа RC.
Сглаживающие фильтры характеризуются коэффициентом сглаживания q, который можно представить как отношение амплитуды первой гармоники пульсации на входе фильтра к амплитуде первой гармоники пульсации на выходе фильтра : . Для однозвенных фильтров q = 3ч16.
Сглаживающие RC-фильтры имеют приемлемые для электронной техники малые габаритные размеры, массу и стоимость, но низкий к п.д. (обычно составляет 0,6ч0,8), что делает их применение целесообразным при небольших выпрямленных токах.
При расчете параметров, зная коэффициент сглаживания фильтра q, определяют произведение R•С и из него находят емкость конденсатора. При частоте питающей сети 50 Гц R•С =3 • 103 • q/m. Тогда, С = (3•103•q) /(m•R), где С - емкость конденсатора в микрофарадах; m - число пульсаций за период, которое принимается равным 2 для однофазных мостовых схем выпрямления.
R•С = 3•103•q/m = 3•103•10/2 = 15000 Ом•мкФ;
l = 2• (a + b) • w2 = 2• (15 + 25) •193 = 15440мм;
R = с•l/s = 0.0175•15440/ 0.125= 2,162 Ом;
С = R•С/R = 15000/2,162 ? 6938 мкФ.
Значение емкости конденсатора выбирают по справочнику из стандартного ряда.
Можно выбрать электролитический конденсатор типа К50-18 8000мкФ с номинальным рабочим напряжением 3…250 В.
4.3. Стабилизатор напряжения
Для стабилизации выходного напряжения источника питания необходимо рассчитать стабилизатор (см. рис 4.3.).
1. Определяем необходимое для работы стабилизатора входное напряжение (Uвып) при заданном выходном:
;
.
2. Рассчитываем максимально рассеиваемую транзистором мощность:
3. Выбираем регулирующий транзистор. Его предельно допустимая рассеиваемая мощность должна быть больше значения , предельно допустимое напряжение между эмиттером и коллектором - больше , а максимально допустимый ток коллектора - больше .
4. Определяем максимальный ток базы регулирующего транзистора:
мА.
Выбираем транзистор p-n-p типа - КТ3107А
n-p-n типа - КТ3102А ;
;
5. Подбираем стабилитрон с , а максимальный ток стабилизации не должен превышать максимальный ток базы. По справочнику выбираем стабилитрон типа КС515А.
6. Рассчитываем сопротивление резистора R0.
Рис.4.3- Схема стабилизатора
Таким образом, схема спроектированного источника питания будет иметь следующий вид.
Рис.4.4 - Функциональная схема источника питания
Подобные документы
Предпосылки для развития отрасли, выпускающей контрольно-измерительные приборы. Изобретения известных учёных в области измерительных приборов. Вольтметры и осциллографы, их назначение и области применения, классификация, принцип действия, конструкции.
практическая работа [229,6 K], добавлен 05.10.2009Сущность и назначение измерительных приборов, их виды. Классификация и принцип действия механических тахометров. Характеристика центробежных измерительных приборов. Магнитоиндукционные и электрические тахометры, счетчики оборотов, их сервисные функции.
реферат [394,8 K], добавлен 04.05.2017Классификация контрольно-измерительных приборов. Основные понятия техники измерений. Основные виды автоматической сигнализации. Требование к приборам контроля и регулирования, их обслуживание. Приборы контроля температуры, частоты вращения, давления.
презентация [238,0 K], добавлен 24.10.2014Технические средства электрических измерений. Классификация электроизмерительных приборов. Приборы непосредственной оценки и приборы сравнения, их принцип действия, преимущества и недостатки. Измерение неэлектрических величин электрическими методами.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 24.07.2012Характеристика методов измерения и назначение измерительных приборов. Устройство и применение измерительной линейки, микроскопических и штанген-инструментов. Характеристика средств измерения с механическим, оптическим и пневматическим преобразованием.
курсовая работа [312,9 K], добавлен 01.07.2011Проектирование и расчет аналогового прибора вольтметр-амперметр, разработанного на основе электромеханического чувствительного элемента электромагнитной системы. Определение погрешностей, которые сказываются на точности измерений данного устройства.
курсовая работа [1001,4 K], добавлен 09.10.2011Системы измерительных механизмов, применяющихся на самолетах и вертолетах. Методы автоматического уравновешивания компенсаторов. Принцип измерения различных параметров электрического тока низкой частоты. Принцип работы стробоскопического осциллографа.
контрольная работа [50,8 K], добавлен 09.03.2013Общая классификация весоизмерительных приборов, определение физической величины. Принципиальная и поверочная схемы, принцип действия, технические характеристики рычажных настольных гирных весов. Определение среднеквадратичной погрешности и отклонения.
курсовая работа [216,1 K], добавлен 01.03.2012История компании "Роснефть", ее основные виды деятельности, конкурентные преимущества. Общая характеристика компрессорной станции. Контрольно-измерительные приборы и аппаратура, схема их работы и основные технические характеристики, модернизация датчика.
контрольная работа [41,3 K], добавлен 04.12.2012Назначение производства, номенклатура продукции и услуг, организационно-производственная структура предприятия. Контрольно-измерительные приборы: описание нормативно-технической документации. Методика поверочных испытаний контрольно-измерительной техники.
отчет по практике [479,5 K], добавлен 03.10.2021
