БИЛЕТ № 5

5-1 Усилители: назначение, классификация, основные параметры

1.1 Классификация усилителей

Электронными усилителями называют устройства, предназначенные для повышения мощности входных электрических сигналов. При этом процесс усиления сигналов осуществляется с помощью усилительных элементов - транзисторов, обладающих управляющими свойствами. Маломощный входной сигнал управляет расходом энергии источника питания значительно большего уровня мощности. Обобщенная схема усилительного каскада приведена на рис. 1.

1.1.2 По назначению различают усилители напряжения, тока и мощности

Усилитель электрических колебаний.

Классификация. Примеры практического использования.

Это устройство, предназначенное для усиления электрических (электромагнитных) колебаний в системах многоканальной связи, радиоприёмной, радиопередающей, измерительной и др. аппаратуре. Такое усиление представляет собой процесс управления источником энергии (источником питания У. э. к.) в результате воздействия на него усиливаемых колебаний через усилительный элемент - чаще всего транзистор, электронную лампу, туннельный диод, параметрический диод, вариконд

или индуктивности катушку с сердечником из ферромагнитного материала и др. При этом существенно, что управляемая мощность P0 (источника питания) заметно превышает управляющую P1 (источника усиливаемых колебаний), называется входной мощностью. Часть P0, отдаваемая во внешнюю цепь (в нагрузку), именуется выходной мощностью P2 В отличие от пассивной цепи, т. е. цепи, не содержащей источника энергии, например трансформатора электрического, коэффициент усиления мощности (коэффициент передачи) У. э. к. Kp = P2/ P1>1. Наряду с усилением мощности У. э. к. способен усиливать напряжение и ток источника колебаний, что оценивается коэффициентом усиления напряжения Ku = U2/U1 и коэффициентом усиления тока Ki = I2/I1 (U1, I1 и U2, I2 - напряжение и ток соответственно на входе и выходе У. э. к.). В одних приборах (например, лабораторных генераторах электрических колебаний) У. э. к. используется для усиления гармонических колебаний, в других (например, радиоприёмниках) - для усиления сигнала сложной формы, представляющего собой сумму множества гармонических колебаний с разными частотами и амплитудами. В оощем случае У. э. к. служит для повышения уровня сигналов различного вида, которое оценивается прежде всего величиной Kp. Простейший У. э. к. выполняют на 1 усилительном элементе. При необходимости получения Kp, большего, чем такой У. э. к. может обеспечить, применяют более сложный У. э. к., содержащий несколько каскадов усиления. Классификация У. э. к. В зависимости от вида применяемых усилительных элементов различают транзисторные и ламповые У. э. к., диодные регенеративные усилители, параметрические усилители, диэлектрические усилители, магнитные усилители, усилители на клистронах и лампах бегущей волны, квантовые усилители.



В транзисторных У. э. к., собранных на биполярных транзисторах или полевых транзисторах, в зависимости от того, какой из выводов усилительного элемента является общим для входа и выхода усилительного каскада, различают каскады с общим эмиттером или истоком, с общей базой или затвором и с общим коллектором или стоком. В У. э. к. на биполярных транзисторах из-за наличия входного тока на управление транзистором приходится затрачивать определённую мощность. Этот недостаток в меньшей мере присущ каскадам с общим эмиттером (обладающим сравнительно большим входным сопротивлением - до нескольких ком), в большей - каскадам с общей базой (десятки ом). Кроме того, первые обеспечивают Kp, на порядок больший, чем вторые (несколько тыс.), что является их основным преимуществом. Каскады с общей базой, однако, более устойчивы в работе, менее критичны к изменениям температуры или смене транзистора, вносят весьма небольшие нелинейные искажения; они используются преимущественно в оконечных ступенях мощных У. э. к. Полевой транзистор по своим основным параметрам (крутизне характеристик, входному сопротивлению, напряжению отсечки и др.) - весьма близкий аналог электронной лампы, используемой в ламповых У э. к. (по способу использования электродов ей аналогичны как полевой, так и биполярный транзисторы: катоду соответствуют исток и эмиттер, сетке - затвор и база, аноду - сток и коллектор). Это позволяет применять результаты исследований ламповых каскадов с общим катодом, сеткой или анодом к соответствующим каскадам на полевых транзисторах. Всякий У. э. к. характеризуется полосой пропускания частот. Если нижняя граничная частота полосы сколь угодно близка к нулю, имеем постоянного тока усилитель, если же она отделена от нуля конечным интервалом, - усилитель переменного тока (таков, например, видеоусилитель). Различают селективные (избирательные) и апериодические (неизбирательные) У. э. к. К селективным относятся усилители колебаний принимаемой (высокой) и промежуточной частот радиоприёмника; первые обычно содержат каскады с колебательными контурами (или резонаторами), настроенными на одну и ту же частоту, вторые - полосовые электрические фильтры, позволяющие приблизить форму амплитудно-частотной характеристики У. э. к. к идеальной (прямоугольной). В группу апериодических У. э. к. входят усилители звуковой частоты, видеоусилители, усилители импульсных сигналов и др. Примеры практического использования У. э. к. Усилитель промежуточной частоты радиоприёмного устройства в одних вариантах содержит несколько каскадов с двухконтурными или более сложными электрическими фильтрами, в других он может представлять собой апериодический усилитель с высокоселективными системами во входной и выходной цепях. В мощных радиопередающих устройствах находит применение ламповый усилитель ВЧ. В оконечном каскаде такого У. э. к. нагрузкой служит передающая антенна, обычно связанная с усилителем посредством фидера.

В транзисторных усилителях систем многоканальной связи ширина полосы зависит от числа телефонных каналов: при 300 каналах она лежит в пределах 60-1300 кгц, при 1920 - верхняя граница приближается к 9 Мгц, при 10800 - к 60 Мгц. Например, усилитель на 300 каналов обычно содержит 3 каскада с общим эмиттером, охваченных глубокой смешанной обратной связью (последовательно-параллельной по входу и выходу), позволяющей получить достаточно высокую выходную мощность и удовлетворить весьма жёстким требованиям, предъявляемым к допустимому уровню нелинейных искажений в системах дальней телефонной связи. При помощи такой обратной связи удаётся также реализовать не зависящие от усилительных свойств каскадов входное и выходное сопротивления и притом таких значений, которые обеспечивают согласование с подключенными к У. э. к. линиями, например коаксиальными кабелями. Транзистор T4, включенный по схеме с общей базой, соединён последовательно с транзистором T3, образуя с ним т. н. каскодный усилит. каскад (с широкой полосой пропускания и повышенной линейностью).

Операционный усилитель, применяемый для выполнения определённых математических операций - суммирования, дифференцирования, интегрирования и т.д., - представляет сооой усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления KU (достигающим 105), обычно в интегральном исполнении. В комплексе с внешними элементами, образующими цепь обратной связи, операционный усилитель получил название решающего усилителя, он используется в вычислительной технике. В операционном усилителе имеются неинвертирующий вход (обеспечивающий в процессе усиления совпадение полярностей поданного на него сигнала и сигнала на выходе) и инвертирующий (полярность изменяется на противоположную). Это свойство придаёт усилителю его первый каскад, выполненный по т. н. дифференциальной схеме, реагирующей на разность входных напряжений (в результате сигналы с разной полярностью складываются, а с одинаковой - вычитаются и при столь большом KU практически не влияют на выходной сигнал). Инвертирующий вход обычно используется и для создания отрицательной или частотно-зависимой обратной связи. Усилитель звуковой частоты, используемый, например, при звукоусилении, обычно заканчивается двухтактным каскадом усиления.

Такой каскад содержит 2 усилительных элемента, работающих со сдвигом фаз усиливаемых колебаний на 180°. Для возбуждения двухтактного каскада, состоящего из однотипных усилительных элементов (например, транзисторов р - п - р -типа), используют фазоинверсный предоконечный каскад (фазоинвертор) или трансформатор, вторичная обмотка которого имеет вывод от средней точки; каскад, содержащий разнотипные элементы (т. н. комплементарные структуры, например транзисторы р - n - р- и n - р - n -типов), возбуждается от источника однофазного напряжения, т. е. от обычного однотактного каскада, и в этом случае отпадает необходимость применения трансформатора. По сравнению с однотактным каскадом двухтактный позволяет получать гораздо большую выходную мощность с меньшими нелинейными искажениями. Распространены бестрансформаторные У. э. к. звуковой частоты на транзисторах: одиночных комплементарных (с выходной мощностью до 1 вт) и т. н. составных (с выходной мощностью несколько десятков вт и более). Отсутствие трансформаторов допускает изготовление У. э. к. в виде полупроводниковых и гибридных интегральных микросхем.

Магнитные усилители (МУ) или дроссели с подмагничиванием применяются для автоматического регулирования напряжения. МУ представляют собой индуктивную катушку со стальным сердечником, подмагничиваемым постоянным током. Изменение тока подмагничивающей обмотки (тока управления) позволяет менять степень насыщения магнитопровода и тем самым регулировать индуктивное сопротивление рабочей катушки МУ.

Обычно в МУ используется трехстержневой сердечник. На среднем стержне располагается обмотка управления (ОУ). Катушки переменного тока соединяются так, чтобы их потоки в среднем стержне были направлены встречно, тогда в ОУ переменная ЭДС не возникает. Устройство называется усилителем, так как, расходуя небольшую мощность в активном сопротивлении обмоток управления, можно управлять значительно большей мощностью в цепи нагрузки. Подобно тому, как в транзисторном усилителе, изменяя меньший ток базы, можно управлять большим током коллектора.

Основное уравнение МУ токов для средних за полупериод значений токов:

Зависимость тока от тока управления в установившемся режиме работы называется характеристикой управления.

Обычно ее строят в зависимости от приведенного к рабочей цепи тока управления



Изменение направления не вызывает изменения магнитного состояния сердечника и характеристика симметрична относительно . Наклон характеристики на линейном участке определяет коэффициент усиления по току:

,

коэффициент усиления по мощности:

Характеристика управления реального МУ отличается, так как при протекает через выпрямитель.

С ростом повышается степень насыщения магнитопровода . При сильном насыщении рост тока прекращается, поэтому рабочий участок ограничивается пределами .



Для увеличения используют положительную обратную связь, то есть значительная часть энергии, необходимая для создания подмагничивающего потока, подводится из нагрузочной цепи усилителя.

Принципиальная схема

В этой схеме включается через выпрямитель и дополнительную обмотку ОС. Магнитные потоки в ОУ и ОС совпадают. Так как большая часть суммарного магнитного потока создается обмоткой ОС, то мощность, затрачиваемая в ОУ, может быть значительно меньше, чем в МУ без ОС. В электронных, полупроводниковых усилителях ПОС не используется.

Характеристика управления МУ с внешней обратной связью

Для МУ с внешней обратной связью основное уравнение:

Через обмотку ОС обычно протекает . Тогда:

, где -

коэффициент обратной связи.

характеристика управления с внешней ОС

Достоинством МУ является то, что он изготавливается из неизнашивающихся надежных деталей, имеет высокий КПД, обеспечивает хорошее усиление и очень стабильную характеристику вход - выход, может быть выполнен практически на любую мощность, с любым числом входных обмоток.

5-2 Способы регулирования скорости вращения асинхронного двигателя и тормозные режимы. Регулирование частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей

Частота вращения ротора определяется следующим выражением:

n₂=n₁(1--S)=60f₁*(1--S)/p

Из этого выражения видно, что частоту вращения ротора можно регулировать изменением любого из трёх параметров, определяющих её, т.е. изменением частоты тока сети f₁, числа пар полюсов р, скольжения S.

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя изменением числа пар полюсов возможно, если на статоре имеется несколько обмоток (обычно две) с различным числом полюсов. Одна обмотка, которую можно переключать на различное число полюсов, или две обмотки, каждая из которых может переключаться на различное число полюсов. Этот способ регулирования частоты вращения асинхронного двигателя экономичен, но недостатком его является ступенчатое изменение частоты. Кроме того, стоимость такого двигателя значительно возрастает вследствие усложнения обмотки статора и увеличения габаритов машины. Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов применяется в двигателях с короткозамкнутым ротором, а в двигателях с фазным ротором этот способ не используется.

Скольжение можно изменять регулировочным реостатом, введенным в цепь обмотки ротора, а также изменением напряжения сети. При регулировании напряжения питающей сети изменяется вращающий момент двигателя, пропорциональный квадрату напряжения. При уменьшении вращающего момента начнет уменьшаться частота вращения ротора, т.е. увеличится скольжение. Регулировочный реостат включается в цепь обмотки фазного ротора подобно пусковому реостату, но в отличие от пускового этот реостат рассчитывается на длительное прохождение тока. При включении регулировочного реостата ток в роторе уменьшится, что вызовет снижение вращающего момента двигателя, и, следовательно, уменьшение частоты вращения или увеличение скольжения. При увеличении скольжения возрастают ЭДС и ток в роторе. Этот способ регулирования частоты вращения может использоваться только в двигателях с фазным ротором. Недостатком этого метода является то, что он не экономичен, так как в регулировочном реостате происходят значительные потери энергии.

Управление частотойвращения вследствие изменения частоты питающего напряжения обеспечивает широкий диапазон частот вращения, но для этого необходим источник энергии, частоту и напряжение которого можно изменять. В последнее время, в связи с бурным развитием полупроводниковых элементов, используют источники энергии построенные на основе полупроводников.

Со сменой частоты питания изменяется и максимальный электромагнитный момент. Поэтому для сохранения неизменных способностей к перегрузкам и КПД асинхронного двигателя следует одновременно со сменой частоты f₁ изменять и напряжение питания U_1Ф.

Соотношение между напряжением U_1ф и моментом М на частоте f₁ и напряжением U¹_1ф c моментом М¹ на частоте f¹₁ выражается равенством:

U¹_1ф / U_1ф= f¹₁ / f₁М¹/M

Если частотой вращения асинхронного двигателя управлять с условием постоянной мощности двигателя (Р_дв=const), то напряжение питания следует изменять соответственно закону:

U¹₁= U₁ f¹₁ / f

Частотное регулирование асинхронного электродвигателя

Около 70% вырабатываемой электроэнергии потребляют электродвигатели переменного тока. Большое распространение электродвигателей переменного тока для привода механизмов различных систем обусловлено простотой, надежностью и относительно небольшой стоимостью этих машин. Основным недостатком синхронных и асинхронных с короткозамкнутым ротором электродвигателей является постоянная частота вращения ротора электродвигателя, практически не зависящая от нагрузки. Однако подавляющее большинство систем, элементами которых являются приводимые электродвигателем механизмы, работают в режимах с переменной нагрузкой. Для регулирования их производительности существуют различные способы, например распространенным в настоящее время методом регулирования производительности насосов и вентиляторов является уничтожение избыточной мощности расхода посредством клапанов и заслонок. Экономическая эффективность подобных решений крайне неудовлетворительна. С развитием силовой полупроводниковой и микропроцессорной техники стало возможным создание устройства частотного регулирования электроприводом, которое позволяет точно управлять скоростью и моментом электродвигателя по заданным параметрам в точном соответствии с характером нагрузки. Это в свою очередь, позволяет осуществлять точное регулирование практически любого процесса в наиболее экономичном режиме, без тяжёлых переходных процессов в технологических системах и электрических сетях.

Внедрение частотного регулирования электроприводов (ЧРП) позволяет:

· повысить надёжность работы оборудования и систем;

· улучшить качество производимой продукции и предоставляемых услуг;

· автоматизировать производство;

· экономить ресурсы и энергию.

Частотное регулирование эффективно применяется на предприятиях энергетики, промышленности и коммунального хозяйства.

Состав элементов частотно-регулируемого электропривода, их работа и назначение показаны на схеме.



Из питающей сети (1) переменное напряжение промышленной частоты (~ U, = f) поступает на вход выпрямителя (2).

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя устанавливается фильтр (3).

И уже постоянное (= U) (сглаженное) напряжение подаётся на вход управляемого импульсного инвертора тока (4).

Электронные ключи инвертора по сигналам системы управления (8) открываются и запираются таким образом, что формируемые при этом различные по длительности импульсы тока складываются в результирующую кривую синусоидальной формы с необходимой частотой.

Для сглаживания пульсаций, на выходе инвертора может устанавливаться дополнительный высокочастотный фильтр (5).

Затем напряжение подаётся на обмотки электродвигателя (М), который является приводом механизма технологической системы (6).

Подлежащий регулированию параметр технологической системы измеряется датчиком (7), управляющий сигнал от которого подаётся в систему управления ЧРП (8). Либо внешняя система управления (9) собирает информацию о многих параметрах, характеризующих работу технологической системы, обрабатывает её и подаёт результирующий сигнал в систему управления приводом.

В зависимости от величины, иногда скорости изменения этого сигнала, и программных установок, микропроцессорная система управления ЧРП формирует и подаёт управляющие импульсы на электронные ключи выпрямителя и инвертора. Для самоконтроля и защиты система управления собирает и обрабатывает сигналы о наличии или величине ряда параметров, характеризующих работу собственных подсистем. Контролируются токи и напряжения на входе, выходе из преобразователя и в магистрали постоянного тока. Измеряется температура элементов и регулируется производительность системы охлаждения преобразователя. Контролируется состояние отдельных элементов вплоть до отдельного ключа. При наличии специального датчика в корпусе электродвигателя измеряется, а при отсутствии датчика рассчитывается по электрическим характеристикам потребляемой двигателем энергии температура двигателя.

Таковы общие принципы частотного регулирования электроприводов. Конкретные схемные решения в зависимости от условий различны, различаются и принципы управления частотно-регулируемым электроприводом.

Как и большинство технических решений такого рода, частотное регулирование электроприводов имеет свои недостатки и ограничения.

Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей. Реверсирование асинхронного двигателя.

Из формулы (12.2) получим

. (12.11)

Из формулы (12.11) видно, что частоту вращения асинхронного двигателя можно менять тремя способами:

1. изменением частоты питающего напряжения;

2. изменением числа полюсов двигателя. Для этого в пазы статора закладывают обмотку, которую можно переключать на различное число полюсов;

3. изменением скольжения. Этот способ можно применить в асинхронных двигателях с фазным ротором. Для этого в цепь ротора включают регулировочный реостат. Увеличение активного сопротивления цепи ротора приводит к увеличению скольжения от S_a к S_г (см. рис. 12.5), а, следовательно, и к уменьшению частоты вращения двигателя.

Асинхронные двигатели имеют простую конструкцию и надежны в эксплуатации. Недостатком асинхронных двигателей является трудность регулирования их частоты вращения. Чтобы реверсировать трехфазный асинхронный двигатель (изменить направление вращения двигателя на противоположное), необходимо поменять местами две фазы, то есть поменять местами два любых линейных провода, подходящих к обмотке статора двигателя.

Для того чтобы осуществить торможение постоянным током, или, иными словами, динамическое торможение, с обмотки статора двигателя снимают переменное напряжение и на одну или две фазы подают постоянное напряжение. При этом магнитное поле будет вызывать в начале замедление, а затем и удержание ротора в неподвижном состоянии. Преимуществом динамического торможения является выделение электрической энергии в роторе двигателя, что делает ненужным использование тормозного сопротивления, и плавным останов.

5-3 Электромеханические измерительные приборы: назначение, типы, различия, схемы включения, обозначения

Измерительные приборы. Электроизмерительные приборы чаще всего измеряют мгновенные значения либо электрических величин, либо неэлектрических, преобразованных в электрические. Все приборы делятся на аналоговые и цифровые. Первые обычно показывают значение измеряемой величины посредством стрелки, перемещающейся по шкале с делениями. Вторые снабжены цифровым дисплеем, который показывает измеренное значение величины в виде числа.

Цифровые приборы в большинстве измерений более предпочтительны, так как они более точны, более удобны при снятии показаний и более универсальны. Цифровые универсальные измерительные приборы (мультиметры) и цифровые вольтметры применяются для измерения со средней и высокой точностью сопротивления постоянному току, а также напряжения и силы переменного тока.

Аналоговые приборы постепенно вытесняются цифровыми, хотя еще находят применение там, где важна низкая стоимость и не нужна высокая точность. Для самых точных измерений сопротивления и полного сопротивления (импеданса) существуют измерительные мосты и другие специализированные измерители. Для регистрации хода изменения измеряемой величины во времени применяются регистрирующие приборы -- ленточные самописцы и электронные осциллографы, аналоговые и цифровые.

Цифровые приборы. Во всех цифровых измерительных приборах (кроме простейших) используются усилители и другие электронные блоки для преобразования входного сигнала в сигнал напряжения, который затем преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Число, выражающее измеренное значение, выводится на светодиодный (СИД), вакуумный люминесцентный или жидкокристаллический (ЖК) индикатор (дисплей). Прибор обычно работает под управлением встроенного микропроцессора, причем в простых приборах микропроцессор объединяется с АЦП на одной интегральной схеме. Цифровые приборы хорошо подходят для работы с подключением к внешнему компьютеру. В некоторых видах измерений такой компьютер переключает измерительные функции прибора и дает команды передачи данных для их обработки.

Аналого-цифровые преобразователи. Существуют три основных типа АЦП: интегрирующий, последовательного приближения и параллельный. Интегрирующий АЦП усредняет входной сигнал по времени. Из трех перечисленных типов это самый точный, хотя и самый “медленный”. Время преобразования интегрирующего АЦП лежит в диапазоне от 0,001 до 50 с и более, погрешность составляет 0,1-0,0003 %. Погрешность АЦП последовательного приближения несколько больше (0,4-0,002 %), но зато время преобразования -- от ~10 мкс до ~1 мс. Параллельные АЦП -- самые быстродействующие, но и наименее точные: их время преобразования порядка 0,25 нс, погрешность -- от 0,4 до 2 %.

Методы дискретизации. Сигнал дискретизируется по времени путем быстрого измерения его в отдельные моменты времени и удержания (сохранения) измеренных значений на время преобразования их в цифровую форму. Последовательность полученных дискретных значений может выводиться на дисплей в виде кривой, имеющей форму сигнала; возводя эти значения в квадрат и суммируя, можно вычислять среднеквадратическое значение сигнала; их можно использовать также для вычисления времени нарастания, максимального значения, среднего по времени, частотного спектра и т. д. Дискретизация по времени может производиться либо за один период сигнала (в реальном времени), либо (с последовательной или произвольной выборкой) за ряд повторяющихся периодов.

Цифровые вольтметры и мультиметры. Цифровые вольтметры и мультиметры измеряют квазистатическое значение величины и указывают его в цифровой форме. Вольтметры непосредственно измеряют только напряжение, обычно постоянного тока, а мультиметры могут измерять напряжение постоянного и переменного тока, силу тока, сопротивление постоянному току и иногда температуру. Эти самые распространенные контрольно-измерительные приборы общего назначения с погрешностью измерения от 0,2 до 0,001 % могут иметь 3,5 или 4,5-значный цифровой дисплей. “Полуцелый” знак (разряд) -- это условное указание на то, что дисплей может показывать числа, выходящие за пределы номинального числа знаков. Например, 3,5-значный (3,5-разрядный) дисплей в диапазоне 1-2 В может показывать напряжение до 1,999 В.

Измерители полных сопротивлений. Это специализированные приборы, измеряющие и показывающие емкость конденсатора, сопротивление резистора, индуктивность катушки индуктивности или полное сопротивление (импеданс) соединения конденсатора или катушки индуктивности с резистором. Имеются приборы такого типа для измерения емкости от 0,00001 пФ до 99,999 мкФ, сопротивления от 0,00001 Ом до 99,999 кОм и индуктивности от 0,0001 мГ до 99,999 Г. Измерения могут проводиться на частотах от 5 Гц до 100 МГц, хотя ни один прибор не перекрывает всего диапазона частот. На частотах, близких к 1 кГц, погрешность может составлять лишь 0,02 %, но точность снижается вблизи границ диапазонов частоты и измеряемых значений. Большинство приборов могут показывать также производные величины, такие, как добротность катушки или коэффициент потерь конденсатора, вычисляемые по основным измеренным значениям.

Аналоговые приборы. Для измерения напряжения, силы тока и сопротивления на постоянном токе применяются аналоговые магнитоэлектрические приборы с постоянным магнитом и многовитковой подвижной частью. Такие приборы стрелочного типа характеризуются погрешностью от 0,5 до 5 %. Они просты и недороги (пример -- автомобильные приборы, показывающие ток и температуру), но не применяются там, где требуется сколько-нибудь значительная точность.

Магнитоэлектрические приборы. В таких приборах используется сила взаимодействия магнитного поля с током в витках обмотки подвижной части, стремящаяся повернуть последнюю. Момент этой силы уравновешивается моментом, создаваемым противодействующей пружиной так, что каждому значению тока соответствует определенное положение стрелки на шкале. Подвижная часть имеет форму многовитковой проволочной рамки с размерами от 3…5 до 25…35 мм и делается как можно более легкой. Подвижная часть, установленная на каменных подшипниках или подвешенная на металлической ленточке, помещается между полюсами сильного постоянного магнита. Две спиральные пружинки, уравновешивающие крутящий момент, служат также токопроводами обмотки подвижной части.

Магнитоэлектрический прибор реагирует на ток, проходящий по обмотке его подвижной части, а потому представляет собой амперметр или, точнее, миллиамперметр (так как верхний предел диапазона измерений не превышает примерно 50 мА). Его можно приспособить для измерения токов большей силы, присоединив параллельно обмотке подвижной части шунтирующий резистор с малым сопротивлением, чтобы в обмотку подвижной части ответвлялась лишь малая доля полного измеряемого тока. Такое устройство пригодно для токов, измеряемых многими тысячами ампер. Если последовательно с обмоткой присоединить добавочный резистор, то прибор превратится в вольтметр.

Падение напряжения на таком последовательном соединении равно произведению сопротивления резистора на ток, показываемый прибором, так что его шкалу можно проградуировать в вольтах. Чтобы сделать из магнитоэлектрического миллиамперметра омметр, нужно присоединять к нему последовательно измеряемые резисторы и подавать на это последовательное соединение постоянное напряжение, например от батареи питания. Ток в такой схеме не будет пропорционален сопротивлению, а потому необходима специальная шкала, корректирующая нелинейность. Тогда можно будет производить по шкале прямой отсчет сопротивления, хотя и с не очень высокой точностью.

Гальванометры. К магнитоэлектрическим приборам относятся и гальванометры -- высокочувствительные приборы для измерения крайне малых токов. В гальванометрах нет подшипников, их подвижная часть подвешена на тонкой ленточке или нити, используется более сильное магнитное поле, а стрелка заменена зеркальцем, приклеенным к нити подвеса. Зеркальце поворачивается вместе с подвижной частью, а угол его поворота оценивается по смещению отбрасываемого им светового зайчика на шкале, установленной на расстоянии около 1 м. Самые чувствительные гальванометры способны давать отклонение по шкале, равное 1 мм, при изменении тока всего лишь на 0,00001 мкА.

В прошлом, когда задача накопления данных эксперимента требовала создания специальных устройств, наиболее часто пользовались электромеханическими регистраторами. Такие приборы регистрируют “историю” изменения значения измеряемой величины. Это ленточные самописцы, которые записывают чернильным пером кривую изменения исследуемой величины тока или напряжения на диаграммной бумажной ленте. Примерами электронных регистраторов являются аналоговые электронные осциллографы, развертывающие кривую процесса на экране электронно-лучевой трубки, и цифровые осциллографы, запоминающие однократные или редко повторяющиеся сигналы. Основное различие между этими приборами -- в скорости записи. Ленточные самописцы с их движущимися механическими частями наиболее подходят для регистрации сигналов, изменяющихся за секунды, минуты и еще медленнее. Электронные осциллографы же способны регистрировать сигналы, изменяющиеся за время от миллионных долей секунды до нескольких секунд.

Современные устройства регистрации, которые позволяют многократно воспроизводить данные, полученные в эксперименте, построены на основе компьютера. Это позволяет подобрать требуемый масштаб отображения, провести апробирование различных методов анализа данных.

Рассмотрим типовые электронные схемы, применяющиеся при конструировании датчиков. Такие схемы могут быть исполнены как на основе традиционного метода создания электронной платы с печатным монтажом, реализуемого с использованием известных типовых компонент: резисторов, конденсаторов, транзисторов, микросхем, так и посредством создания электронного модуля, выполненного в виде отдельной полной функциональной микросхемы.

Измерительные мосты. Измерительный мост -- это обычно четырехплечая электрическая цепь, составленная из резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, предназначенная для определения отношения параметров этих компонентов. К одной паре противоположных полюсов цепи подключается источник питания, а к другой -- нуль-детектор. Измерительные мосты применяются только в тех случаях, когда требуется наивысшая точность измерения. (Для измерений со средней точностью лучше пользоваться цифровыми приборами, поскольку они проще в обращении.) Наилучшие трансформаторные измерительные мосты переменного тока характеризуются погрешностью (измерения отношения) порядка 0,0000001 %. Простейший мост для измерения сопротивления носит имя своего изобретателя Ч. Уитстона.

Двойной измерительный мост постоянного тока. К резистору трудно подсоединить медные провода, не привнеся при этом сопротивления контактов порядка 0,0001 Ом и более. В случае сопротивления 1 Ом такой токоподвод вносит ошибку порядка всего лишь 0,01 %, но для сопротивления 0,001 Ом ошибка будет составлять 10 %. Двойной измерительный мост (мост Томсона) предназначен для измерения сопротивления эталонных резисторов малого номинала.

Измерительные мосты переменного тока. Наиболее распространенные измерительные мосты переменного тока рассчитаны на измерения либо на сетевой частоте 50-60 Гц, либо на звуковых частотах (обычно вблизи 1000 Гц); специализированные же измерительные мосты работают на частотах до 100 МГц. Как правило, в измерительных мостах переменного тока вместо двух плеч, точно задающих отношение напряжений, используется трансформатор. К исключениям из этого правила относится измерительный мост Максвелла-Вина.

Измерительный мост Максвелла-Вина. Такой измерительный мост позволяет сравнивать эталоны индуктивности (L) с эталонами емкости на не известной точно рабочей частоте. Эталоны емкости применяются в измерениях высокой точности, поскольку они конструктивно проще прецизионных эталонов индуктивности, более компактны, легче экранируемы и практически не создают внешних электромагнитных полей. Условия равновесия этого измерительного моста таковы:

L_x = R₂R₃C₁ и R_x = (R₂R₃) /R₁),

где R₁, R₂, R₃, C₁ -- известные величины сопротивлений и емкости.

Мост уравновешивается даже в случае “нечистого” источника питания (т. е. источника сигнала, содержащего гармоники основной частоты), если величина L_x не зависит от частоты.

Трансформаторный измерительный мост. Одно из преимуществ измерительных мостов переменного тока -- простота задания точного отношения напряжений посредством трансформатора. В отличие от делителей напряжения, построенных из резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности, трансформаторы в течение длительного времени сохраняют постоянным установленное отношение напряжений и редко требуют повторной калибровки. К недостаткам трансформаторного измерительного моста можно отнести то, что отношение, задаваемое трансформатором, в какой-то степени зависит от частоты сигнала. Это приводит к необходимости проектировать трансформаторные измерительные мосты лишь для ограниченных частотных диапазонов, в которых гарантируется паспортная точность.

Заземление и экранирование. Измерительные мосты необходимо тщательно заземлять и экранировать, чтобы паразитные емкости между разными частями схемы моста не вносили ошибку уравновешивания.

Типичные нуль-детекторы. В измерительных мостах переменного тока чаще всего применяются нуль-детекторы двух типов. Нуль-детектор одного из них представляет собой резонансный усилитель с аналоговым выходным прибором, показывающим уровень сигнала. Нуль-детектор другого типа -- это фазочувствительный детектор, который разделяет сигнал разбаланса на активную и реактивную составляющие и пригоден в тех случаях, когда требуется точно уравновешивать только одну из неизвестных составляющих (скажем, индуктивность L, но не сопротивление R катушки индуктивности).

В случае изменяющихся во времени сигналов переменного тока обычно требуется измерять некоторые их характеристики, связанные с мгновенными значениями сигнала. Чаще всего желательно знать среднеквадратические (эффективные) значения электрических величин переменного тока. Наряду с этим могут представлять интерес и другие величины, например максимальное или среднее абсолютное значение. Среднеквадратическое (эффективное) значение напряжения (или силы) переменного тока определяется как корень квадратный из усредненного по времени квадрата напряжения (или силы тока):

,

где Т -- период сигнала Y(t). Максимальное значение Y_макс -- это наибольшее мгновенное значение сигнала, а среднее абсолютное значение Y -- абсолютное значение, усредненное по времени. При синусоидальной форме колебаний Y_эфф = 0,707Y_макс и Y = 0,637Y_макс.

Измерение напряжения и силы переменного тока. Почти все приборы для измерения напряжения и силы переменного тока показывают значение, которое предлагается рассматривать как эффективное значение входного сигнала. Однако в дешевых приборах зачастую на самом деле измеряется среднее абсолютное или максимальное значение сигнала, а шкала градуируется так, чтобы показание соответствовало эквивалентному эффективному значению в предположении, что входной сигнал имеет синусоидальную форму. Не следует упускать из виду, что точность таких приборов крайне низка, если сигнал несинусоидален. Приборы, способные измерять истинное эффективное значение сигналов переменного тока, могут быть основаны на одном из трех принципов: электронного умножения, дискретизации сигнала или теплового преобразования. Приборы, основанные на первых двух принципах, как правило, реагируют на напряжение, а тепловые электроизмерительные приборы -- на ток. При использовании добавочных и шунтовых резисторов всеми приборами можно измерять как ток, так и напряжение.

Электронное умножение. Возведение в квадрат и усреднение по времени входного сигнала в некотором приближении осуществляются электронными схемами с усилителями и нелинейными элементами для выполнения таких математических операций, как нахождение логарифма и антилогарифма аналоговых сигналов. Приборы такого типа могут иметь погрешность порядка всего лишь 0,009 %.

Дискретизация сигнала. Сигнал переменного тока преобразуется в цифровую форму с помощью быстродействующего АЦП. Дискретизированные значения сигнала возводятся в квадрат, суммируются и делятся на число дискретных значений в одном периоде сигнала. Погрешность таких приборов составляет 0,01-0,1 %.

Тепловые электроизмерительные приборы. Наивысшую точность измерения эффективных значений напряжения и тока обеспечивают тепловые электроизмерительные приборы. В них используется тепловой преобразователь тока в виде небольшого пустотелого стеклянного баллончика с нагревательной проволочкой (длиной 0,5-1 см), к средней части которой крохотной бусинкой прикреплен горячий спай термопары. Бусинка обеспечивает тепловой контакт и одновременно электроизоляцию. При повышении температуры, прямо связанном с эффективным значением тока в нагревательной проволочке, на выходе термопары возникает термо-ЭДС (напряжение постоянного тока). Такие преобразователи пригодны для измерения силы переменного тока с частотой от 20 Гц до 10 МГц. На практике наиболее распространены полупроводниковые датчики измерения температуры, построенные на основе типовых электронных элементов: транзисторов, диодов.

Измерение мощности и энергии переменного тока. Мощность, потребляемая нагрузкой в цепи переменного тока, равна среднему по времени произведению мгновенных значений напряжения и тока нагрузки. Если напряжение и ток изменяются синусоидально (как это обычно и бывает), то мощность Р можно представить в виде P = EI cos?, где Е и I -- эффективные значения напряжения и тока, а ? -- фазовый угол (угол сдвига) синусоид напряжения и тока. Если напряжение выражается в вольтах, а ток в амперах, то мощность будет выражена в ваттах. Множитель cos?, называемый коэффициентом мощности, характеризует степень синхронности колебаний напряжения и тока.

С экономической точки зрения, самая важная электрическая величина -- энергия. Энергия W определяется произведением мощности на время ее потребления. Если время (t₁…t₂) измеряется в секундах, напряжение е -- в вольтах, а ток i -- в амперах, то энергия W будет выражена в ватт-секундах, т. е. джоулях (1 Дж = 1 Вт · с). Если же время измеряется в часах, то энергия -- в ватт-часах. На практике электроэнергию удобнее выражать в киловатт-часах (1 кВт · ч = 1000 Вт · ч).

В математической форме это записывается так:

.

Счетчики электроэнергии с разделением времени. В счетчиках электроэнергии с разделением времени используется весьма своеобразный, но точный метод измерения электрической мощности. Такой прибор имеет два канала. Один канал представляет собой электронный ключ, который пропускает или не пропускает входной сигнал Y (или обращенный входной сигнал Y) на фильтр нижних частот.

Состоянием ключа управляет выходной сигнал второго канала с отношением временных интервалов “закрыто”/“открыто”, пропорциональным его входному сигналу. Средний сигнал на выходе фильтра равен среднему по времени произведению двух входных сигналов. Если один входной сигнал пропорционален напряжению на нагрузке, а другой -- току нагрузки, то выходное напряжение пропорционально мощности, потребляемой нагрузкой. Погрешность таких счетчиков промышленного изготовления составляет 0,02 % на частотах до 3 кГц (лабораторных -- порядка всего лишь 0,0001 % при 60 Гц). Как приборы высокой точности они применяются в качестве образцовых счетчиков для поверки рабочих средств измерения.

Дискретизирующие ваттметры и счетчики электроэнергии. Такие приборы основаны на принципе цифрового вольтметра, но имеют два входных канала, дискретизирующих параллельно сигналы тока и напряжения. Каждое дискретное значение e(k), представляющее мгновенные значения сигнала напряжения в момент дискретизации, умножается на соответствующее дискретное значение i(k) сигнала тока, полученное в тот же момент времени. Среднее по времени таких произведений есть мощность в ваттах:

.

Сумматор, накапливающий произведения дискретных значений с течением времени, дает полную электроэнергию в ватт-часах. Погрешность счетчиков электроэнергии может составлять всего лишь 0,01 %.

Индукционные счетчики электроэнергии. Индукционный счетчик представляет собой не что иное, как маломощный электродвигатель переменного тока с двумя обмотками -- токовой и обмоткой напряжения. Проводящий диск, помещенный между обмотками, вращается под действием крутящего момента, пропорционального потребляемой мощности. Этот момент уравновешивается токами, наводимыми в диске постоянным магнитом так, что частота вращения диска пропорциональна потребляемой мощности. Число оборотов диска за то или иное время пропорционально полной электроэнергии, полученной за это время потребителем. Число оборотов диска считает механический счетчик, который показывает электроэнергию в киловатт-часах. Приборы такого типа широко применяются в качестве бытовых счетчиков электроэнергии. Их погрешность, как правило, составляет 0,5 %; они отличаются большим сроком службы при любых допустимых уровнях тока.

Аналоговые измерительные приборы

Аналоговые электромеханические измерительные приборы

Общие сведения.

Структурную схему аналогового электромеханического прибора в общем виде можно представить как:



Измерительная цепь - обеспечивает преобразование электрической величины Х в промежуточную электрическую величину Y, функционально связанную с величиной Х и пригодную для непосредственной обработки измерительным механизмом.

Измерительный механизм - основная часть прибора, предназначенная для преобразования электромагнитной энергии в механическую, необходимую для создания угла поворота a.

Отсчетное устройство - состоит из указателя, связанного с измерительным механизмом и шкалы.

Указатели - бывают стрелочные (механические) и световые.

Шкала - совокупность отметок, представляющих ряд последовательных чисел вдоль какой либо линии.

По начертанию шкалы бывают прямолинейные (горизонтальные или вертикальные), дуговые (при дуге 180°) и круговые (при дуге > 180°).

Цена деления шкалы определяются как:



где: Х - конечное значение шкала на данном пределе измерения,

N . число отметок шкалы.

Рассмотрим общий принцип действия измерительного механизма.

Обобщенная механическая схема измерительного механизма представлена на рисунке.

1 - ось, 2 - электромеханический преобразователь, приведенный к общему центру масс, 3 - стрелка, 4 - пружина, 5 - подшипниковые опоры.

Дифференциальное уравнение моментов, описывающее работу измерительного механизма, имеет вид:

где J - момент инерции подвижной части измерительного механизма,

- угол отклонения подвижной части,

- угловое ускорение.

На подвижную часть (при движении) воздействуют следующие составляющие моментов:

Вращающий момент - М- определяется скоростью изменения энергии электромагнитного поля , сосредоточенной в механизме, по углу отклонения .

Противодействующий момент - М- создается, как правило, при помощи спиральных пружин и растяжек

где: W - удельный противодействующий момент на единицу угла закручивания пружины (определяется её материалом, длиной и т.д.).

Момент успокоения - М_усп- момент сил сопротивления движению. Всегда направлен встречно вращающему моменту.

р- коэффициент успокоения (демпфирования) подвижной части.

После подстановки всех составляющих момента в основное уравнение получим:

или

В статическом режиме, т.е когда стрелка прибора находится в неподвижном состоянии при каком то угле отклонения a, можно записать:

М=Мa.

По типу измерительного механизма приборы делятся на:

магнитоэлектрический механизм;

магнитоэлектрический механизм логометрического типа;

электромагнитный механизм;

электромагнитный механизм логометрического типа;

электромагнитный поляризованный механизм;

электродинамический механизм;

электродинамический механизм логометрического типа;

ферродинамический механизм;

ферродинамический механизм логометрического типа;

электростатический механизм:

измерительный механизм индукционного типа.

Общие технические требования ко всем электроизмерительным приборам нормируются ГОСТ 22261-82.

Условные обозначения определены в ГОСТ 23217-78.

ПРИБОРЫ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТИПА.

Общее устройство прибора электромагнитного типа показано на рисунке:

На рисунке а показана схема магнитоэлектрического механизма с подвижным магнитом, а на рисунке б- с неподвижным магнитом.

На рисунке приняты следующие обозначения:

стрелка; 2- катушка; 3- постоянный магнит; 4- пружина; 5- магнитный шунт; 6- полюсные наконечники.

Вывод уравнения шкалы прибора.

Уравнением шкалы называется математическая зависимость, дающая связь между измеряемой величиной и углом отклонения стрелки прибора.

Обозначим потокосцепление, связанное с катушкой как , тогда:

=I, где - энергия электромагнитного поля запасенной в измерительном механизме, I- величина тока, протекающего по катушке.

Если катушка имеет n витков, длина и ширина катушки соответственно l и b, магнитная индукция пронизываюшая катушку -В уравнение для потокосцепления в полном виде можно записать как:

или где S активная площадь катушки.

Подставив эти уравнения в уравнение для статики получим:

После подстановки имеем:

Тогда установившийся угол отклонения aу можно записать как:

или

где S_п- чувствительность прибора.

Уравнение шкалы показывает, что шкала магнитоэлектрического измерительного механизма - линейна.

Следует отметить, что подвижная часть магнитоэлектрического механизма обладает относительно большим моментом инерции. Поэтому при включении в цепь переменного синусоидального тока, среднее значение которого за период равно нулю, средний вращающий момент также

равен нулю. Следовательно, данный механизм, примененный непосредственно может измерять только постоянные токи.

Магнитоэлектрический механизм логометрического типа.

Механизм устроен следующим образом: первая и вторая катушки формируют вращающие моменты М₁ и М₂ направленные всегда встречно друг другу.

Индексами 1- обозначены параметры, относящиеся к первой катушке, а индексами 2- ко второй.

Если моменты окажутся равными, тогда можно записать:

Откуда можно записать уравнение шкалы магнитоэлектрического логометра.

или

Применяются логометрические механизмы, например в омметрах.

Необходимо отметить, что в некоторых типах логометров в отключенном состоянии стрелка может находиться в произвольном положении.

Достоинства магнитоэлектрических приборов:

Большой вращающий момент при малых токах, высокие классы точности, малое самопотребление.

Недостатки магнитоэлектрических приборов:

Сложность конструкции, высокая стоимость, невысокая перегрузочная способность,