Применения в электроэнергетике емкостных преобразователей

1

Описать конструкцию, принцип действия и область применения в электроэнергетике емкостных преобразователей

Емкостные преобразователи основаны на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними.

Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость

где ? - диэлектрическая постоянная; ?- относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; ? - активная площадь обкладок; s - расстояние между обкладками.

Из выражения для емкости видно, что преобразователь может быть построен с использованием зависимостей

С =f1(?), С =f2(s), С=f3(?).

На рис. 1.1 схематически показано устройство различных емкостных преобразователей. Преобразователи на рис. 1.1, а представляют собой конденсатор, одна пластина которого перемещается под действием измеряемой величины х относительно неподвижной пластины. Изменение расстояния между пластинами s ведет к изменению емкости преобразователя.

Функция преобразования С = f3(?) нелинейная. Чувствительность преобразователя резко возрастает с уменьшением расстояния ?, поэтому целесообразно уменьшать начальное расстояние между пластинами. При выборе начального расстояния между пластинами необходимо учитывать пробивное напряжение воздуха (10 кВ/см для воздуха).

Рис.1.1 Емкостные преобразователи с изменяющимся расстоянием между пластинами (а), дифференциальный (б), дифференциальный с переменной активной площадью пластин (б) и с изменяющейся диэлектрической проницаемостью среды между пластинами

Такие преобразователи используются для измерения малых перемещений (менее 1 мм).

Малое рабочее перемещение пластин приводит к появлению погрешности от изменения расстояния между пластинами при колебаниях температуры. Соответствующим выбором размеров деталей преобразователя и материалов эту погрешность можно значительно снизить.

В емкостных преобразователях возникает усилие притяжения между пластинами, определяемое производной от энергии электрического поля по перемещению подвижной пластины.

где U и С -- соответственно напряжение и емкость между пластинами.

Применяются дифференциальные преобразователи (рис. 1.1 б), у которых имеется одна подвижная и две неподвижные пластины, При воздействии измеряемой величины х у этих преобразователей одновременно изменяются емкости С1 и С2.

На рис. 1.1 показано устройство дифференциального емкостного преобразователя с переменной активной площадью пластин. Такой преобразователь целесообразно использовать для измерения сравнительно больших линейных (более 1мм) и угловых перемещений. В этих преобразователях легко получить требуемый характер функции преобразования путем профилирования пластин.

Для измерения выходного параметра емкостных преобразователей применяются равновесные и неравновесные мостовые схемы и схемы с использованием резонансных контуров. Последние позволяют создавать приборы с высокой чувствительностью, способные реагировать на перемещения порядка 10"' мм.

Цепи с емкостными преобразователями обычно питаются током повышенной частоты (до десятков мегагерц), что вызвано желанием увеличить мощность, рассеиваемую в преобразователе: P=U?wC (а следовательно, и мощность, попадающую в измерительный прибор), и необходимостью уменьшить шунтирующее действие сопротивления изоляции.

Достоинства емкостных преобразователей -- простота устройства, высокая чувствительность и возможность получения малой инерционности преобразователя.

Недостатки -- влияние внешних электрических полей, паразитных емкостей, температуры, влажности, относительная сложность схем включения и необходимость в специальных источниках питания повышенной частоты.

Задание 2. Привести структурную или принципиальную схему АЦП кодоимпульсного последовательного приближения и пояснить его работу

Рис.2. Обобщенная структурная схема АЦП

Широкое применение АЦП в различных областях науки и техники явилось предпосылкой создания разных структур АЦП, каждая из которых позволяет решить определенные задачи, предъявляемые к АЦП в каждом конкретном случае. Из всего многообразия существующих методов аналого-цифрового преобразования в интегральной технологии нашли применение в основном три:

1) метод прямого (параллельного) преобразования;

2) метод последовательного приближения (поразрядного уравновешивания);

3) метод интегрирования.

Каждый из этих методов позволяет добиться наилучших параметров (быстродействия, разрешающей способности, помехоустойчивости и т. д.). Потребность в АЦП с оптимальными параметрами или с отдельными экстремальными параметрами обусловила появление структур преобразователей, использующих комбинацию перечисленных методов. Рассмотрим структурные схемы АЦП, нашедших наибольшее распространение в интегральной технологии.

АЦП последовательного приближения имеет несколько меньшее быстродействие, но существенно большую разрядность (разрешающую способность). В нем используется только один компаратор, максимальное число срабатываний которого за один цикл измерения не превышает числа разрядов преобразователя. Суть такого метода преобразования заключается в последовательном сравнении входного преобразуемого напряжения U_s с выходным напряжением образцового ЦАП, изменяющимся по закону последовательного приближения до момента наступления их равенства (с погрешностью дискретности). Входной сигнал U_x с помощью аналогового компаратора КН сравнивается с выходным сигналом образцового ЦАП, который управляется в свою очередь регистром последовательного приближения РгПП. При запуске схемы РгПП устанавливается генератором Г в исходное состояние. При этом на выходе ЦАП формируется напряжение, соответствующее половине диапазона преобразования, что обеспечивается включением его старшего разряда 100 ... 0. Если U_s меньше выходного напряжения ЦАП, то старший разряд выключается, включается второй по старшинству разряд (на входе ЦАП код 0100...0), что соответствует формированию на выходе ЦАП напряжения, равного половине предыдущего.

В случае если Их превышает это напряжение, то дополнительно включается третий разряд (на входе ЦАП код 0110...0), что приводит к увеличению выходного напряжения ЦАП в 1,5 раза. При этом выходное напряжение ЦАП вновь сравнивается с напряжением U_x и т. д. Описанная процедура повторяется m раз (где m -- число разрядов АЦП). В итоге на выходе ЦАП формируется напряжение, отличающееся от входного преобразуемого напряжения U_x не более чем на единицу младшего разряда ЦАП. Результат преобразования напряжения U_x в его цифровой эквивалент -- параллельный двоичный код N_x -- снимается с выхода РгПП. Очевидно, погрешность преобразования и быстродействие такого устройства определяются в основном параметрами ЦАП (разрешающей способностью, линейностью, быстродействием) и компаратора (порогом чувствительности, быстродействием). Преимуществом рассмотренной схемы является возможность построения многоразрядных (до 12 разрядов и выше) преобразователей сравнительно высокого быстродействия (время преобразования порядка нескольких сот наносекунд). На основе метода последовательного приближения реализована и серийно выпускается ИМС 12-разрядного АЦП К572ПВ1 со временем преобразования 100 мкс.

Задание 3. Привести структурную схему и пояснить принцип работы автоматического моста постоянного тока

Автоматические уравновешенные мосты являются техническими приборами высокого класса точности. Они бывают показывающими, показывающими и самопишущими с записью или на дисковой, или на ленточной диаграмме. Приборы с ленточной диаграммой служат для измерения и записи температуры в одной точке (одноточечные) или в нескольких точках (многоточечные). Приборы с дисковой диаграммой изготавливаются только одноточечными. Шкала автоматических уравновешивающих мостов градуирована в градусах Цельсия с указанием её принадлежности к определенной градуировке термометра сопротивления.

По устройству автоматические уравновешенные мосты отличаются от автоматических потенциометров только измерительной схемой. На рис.3.1 дана принципиальная схема автоматического уравновешенного моста. В измерительную схему входят; R1, R2 и R3 - резисторы, образующие три плеча мостовой схемы, четвертое плечо образовано сопротивлением термометра; - реохорд; - шунт реохорда, служащий для подгонки сопротивления до заданного нормированного значения; - резистор для установки диапазона измерения; - добавочный резистор для подгонки начального значения шкалы; - балластный резистор в цепи питания для ограничения тока; - резисторы для подгонки сопротивления линии до определенного значения. Т0 - токоотвод; С1 и С2 - конденсаторы создающие необходимый фазовый сдвиг (90) между магнитными потоками обмотки возбуждения и управляющей обмотки и необходимое напряжение на обмотке возбуждения; С3 - конденсатор, включенный параллельно управляющей обмотке реверсивного двигателя, шунтирует её для компенсации индуктивной составляющей тока в этой обмотке; СД - двигатель для перемещения диаграммной ленты или каретки печатающего устройства. Все резисторы изготавливаются из манганиновой проволоки, следовательно, колебания температуры воздуха не влияют на значения сопротивлений этих резисторов.

Термометр сопротивления подключен к мосту по техпроводной схеме.

Измерение и запись температуры производятся следующим образом. Изменение сопротивления терморезистора нарушает равновесие мостовой схемы, и в диагонали АВ моста возникает напряжение рассогласования, которое поступает на входной трансформатор, затем усиливается усилителем до значения, достаточного для приведения в действие реверсивного двигателя РД. Выходной вал двигателя, вращаясь в ту или иную сторону в зависимости от знака сигнала рассогласования, перемещает движок реохорда и перо самописца СП

Рис. 3.1

При достижении равновесия мостовой схемы выходной вал двигателя останавливается, а движок реохорда, указатель и перо самописца занимают положение, соответствующее измеряемому сопротивлению термометра, а следовательно, температуре измеряемого объекта.

Для автоматических уравновешенных мостов установлена допускаемая основная погрешность, выраженная в процентах от нормирующего значения. Она составляет 0,25 или 0,5.

Основные типы автоматических уравновешенных мостов: показывающие КПМ1 и КВМ1; показывающие и самопишущие с ленточной диаграммой КСМ1, КСМ2 и КСМ4; показывающие и самопишущие с дисковой диаграммой КСМ3. эти приборы имеют дополнительные сигнальные и регулирующие устройства и могут быть использованы в системах сигнализации и регулировки температуры.

Используемая литература

1. Основы метрологии и электрические измерения. Учебник для вузов. Под ред. Е.Д. Душина. Издательство «Энергия», 1980 г.

2. Теплотехнические измерения и приборы. В.П. Преображенский. Издательство «Энергия», 1978 г.

3. Электрические измерения. Учебник для вузов. Под ред. А.В. Фремке. Издательство «Энергия», 1980 г.