Вольтметры переменного напряжения
Вольтметры амплитудного значения переменного напряжения содержат
что, если пластину из полупроводника с током I поместить в поле с магнитной индукцией В, то на перпендикулярных гранях появится ЭДС Холла - рис. 10.40:
EX = RХ IB/d,
где Rx - постоянная Холла; d - толщина пластины.
Ток I может быть как постоянным, так и переменным. В качестве материала используется германий, сурьмянистый индий и другие полупроводники. Малые размеры датчика позволяют измерять магнитные поля в малых объемах, например, в зазорах электрических машин. Тесламетры с использованием эффекта Холла работают в диапазоне до 1012 Гц при уровне напряженности от 10-3 до 2 Тл. Погрешность измерения находится па уровне ± 2, причем, основной источник погрешности - колебание температуры.
I
EН
В
Рис. 10.40. Измерение магнитной индукции методом Холла.
Н
ОВ ОВ
ОС Ф У ФВ
Рис. 10.41. Измерение магнитного поля с помощью феррозонда.
Для измерения параметров постоянных и переменных магнитных полей используются также магнитомодуляционные устройства, называемые также феррозондами. Они основаны на особенностях магнитного состояния ферромагнитных материалов при одновременном воздействии на него постоянного и переменного магнитного поля (либо двух переменных полей различных частот). При наличии постоянного поля Н - кривая намагничивания B=f(H ~) станет несимметричной, т.е. в составе этой кривой, наряду с четными, появятся нечетные гармоники, уровень которых
На входе вольтметра устанавливается усилитель У1, первый каскад которого выполняется по схеме повторителя с большим входным сопротивлением. Повторитель конструктивно представляет собой выносной пробник и связан с остальной частью усилителя У1 экранированным кабелем. Делитель напряжения ДН для изменения пределов измерения включен на выходе усилителя У1, что позволяет использовать в делителе сравнительно низкоомные резисторы, благоприятно сказывающиеся на частотных возможностях прибора. В качестве преобразователя переменного напряжения в постоянное используется ПЗС в вольтметрах среднего значения или ПДЗ в вольтметрах действующего значения. Примером вольтметров среднего значения являются приборы В3-38, В3-39, В3-41, а действующего значения – В3-40, В3-42, В3-45, В3-46, В3-48. Эти вольтметры характеризуются чувствительностью порядка 1мВ, частотным диапазоном 10Гц – 50 МГц, входным сопротивлением 1 – 30 МОм, погрешностью 4 – 10%.
Измерение действующего значения переменного напряжения вольтметрами, показания которых пропорциональны амплитудному или среднему значению, сопровождается дополнительными погрешностями тем большими, чем сильнее форма напряжения отличается от синусоидальной.
Электронные омметры.
Электронные омметры используются для измерения активных сопротивлений в диапазоне 10-3 – 1012 Ом. в том числе для измерения сопротивления изоляции, сопротивления контактов и т.д. Электронные омметры выполняются на основе усилителей постоянного тока и показывающего измерительного прибора магнитоэлектрической системы.
E R0 Rx ИП E Rx R0
а) б)
Рис. 8.14. Схемы электронных омметров.
На рнс. 8.14. а) показана схема омметра для измерения малых сопротивлений. Напряжение на входе усилителя
ERx
Uy ═ ———
R0 + Rx
При R0›Rх это напряжение пропорционально Rx и шкала измерительного прибора линейна относительно Rx.
в поле или удаляется из него - рис. 10.38.
Наводимая ЭДС:
DФ
e ═ ─ wk ──── .
Dt
Ток в цепи:
E e
I ═ ─────── ═ ─── .
Rk+Rg+Rr R
Количество электричества:
t wk
Q=∫idt ═ ───Ф.
R
Ф
Rg
Rr
Rk; Wk
Рис. 10.38. Измерение магнитного потока методом
баллистического гальванометра.
Первый отброс гальванометра пропорционален Q. Поскольку цена деления зависит от R, ее необходимо определить экспериментально для каждого Rg по известной мере магнитного потока. С помощью Rg устанавливают чувствительность и необходимый режим успокоения гальванометра. Этот метод обладает наибольшей чувствительностью. Промышленный гальванометр M 197/2 имеет цену деления 0,35*1 0 -5 Вб/дел.
Веберметры измеряют магнитный поток индукционно-импульсным методом. Они представляют собой магнитоэлектрический гальванометр без противодействующего момента, поэтому начальное положение стрелки указателя произвольное. Бескаркасная рамка измерительного механизма замкнута на измерительную катушку, которую вносят, а потом резко выносят из потока. За счет наводимого импульса стрелка гальванометра отклонится на определенный угол Δα , зависящий от величины потока
Сф
Ф = —— Δα,
wk
где Cф - цена деления веберметра; wk - число витков измерительной катушки. Для установки стрелки в начальное положение существует специальный механизм, включающий переключатель и ручку, выведенные на лицевую панель. Существующие веберметры M199 и M1119 имеют цену деления 5*10-6 и 10-4 Вб/дел. соответственно, а класс точности 1.5.
интенсивность электронного пучка и яркость светового пятна на экране. Аноды осуществляют разгон электронов до необходимой скорости (А2) и фокусировку электронного пучка (А1). Ручки управления яркостью и фокусом выносятся на лицевую панель осциллографа.
яркость фокус
Э
НЧ
К С А1 А2
ВП ГП
Рис. 8.16. Электронно-лучевая трубка.
Управление электронным лучом осуществляется электрическим полем, создаваемым двумя парами отклоняющих пластин: ВП и ГП. Смещение светового пятна на экране под действием напряжения величиной U, подведенного к отклоняющим пластинам:
h≈l L U/dφ
где l - длина отклоняющих пластин в направлении движения электронов; L - расстояние от середины пластины до экрана; d - расстояние между отклоняющими пластинами; φ- потенциал ускоряющего анода А2.
Величина
h
S ═ ——
U
называется чувствительностью трубки. Она находится в пределах 0,2-0,5 мм/В, поэтому напряжение, подаваемое на отклоняющие пластины для получения достаточных размеров изображения на экране, должно быть не менее 100-200 В.
Внутренняя поверхность трубки покрывается электропроводящим слоем графита, соединяемым с анодом А2. Этот слой является электростатическим экраном. Трубка помещается в кожух из магнитомягкого материала для магнитного экранирования.
Напряжение на ускоряющем аноде достигает значений нескольких киловольт, что дает скорость перемещения электронов до нескольких км/с. При такой скорости можно исследовать сигналы частотой десятки мегагерц. Высокочастотные осциллографы требуют применения более высо-ких анодных напряжений (до 10 кВ) и установки третьего анода.
I I1 I2
I1 I2
Ux
0 f
б)
а)
Рис.10.35. Электромагнитный логометрический частотомер:
а) схема; б) – диаграмма токов.
Логометрический частотомер строится на базе электромагнитного или электродинамического логометра. Имеют узкий диапазон измерения, порядка 10 % от средней частоты, погрешность 0,5 - 2,5 %. Работают при напряжениях от 36 до 380 В, потребляют мощность до 10 Вт. На рис. 10.35 показана схема электромагнитного логометрического частотомера. Токи I1 и I2 в цепях логометра распределяются обратно пропорционально полным сопротивлениям цепей, которые зависят от частоты. Параметры цепей подобраны так, что при fX=fH токи I1 и I2 в цепях логометра равны и указатель прибора занимает среднее положение. При fX < fH ток I1 возрастает, а I2 уменьшается и стрелка отклоняется влево. При fX>fH I1 уменьшается, I2 увеличивается и стрелка отклоняется вправо.
R УФ t
C
UC
УФ V1 V2 + t
ЭК E Icp
— IV1 t
Тн
а) б)
Рис.10.36. Конденсаторный частотомер: а) – схема;
б) – временная диаграмма.
Электронные конденсаторные частотомеры используются в диапазоне частот от 20 Гц до 500 кГц. Точность измерения составляет 0,5 - 2,5%. Преимущество электронных частотомеров - работа на сигналах любой формы и высокое входное сопротивление. Вариант реализации конденсаторного частотомера показан на рис. 10.36. Здесь входной сигнал формируется усилителем-формирователем УФ, управляющим состоянием электронного ключа ЭК в цепи заряда конденсатора С. При положительной
Генератор сигналов развертки синхронизируется с входным сигналом. Для наблюдения одиночных импульсов служит режим однократной (ждущей) развертки.
Путем подачи постоянных потенциалов на ГП и ВП можно смещать изображение на экране по горизонтали или вертикали.
Блок-схема электронно-лучевого осциллографа показана на рис. 8.19. Исследуемый сигнал подается на вход У и через делитель напряжения, определяющий чувствительность входа, поступает на усилитель У1 и далее - на вертикально-отклоняющие пластины. К усилителям предъявляются высокие требования в части входного сопротивления, широкополос-ности и коэффициента усиления. Хорошие осциллографы могут исследовать сигналы амплитудой от долей милливольта до сотен вольт в диапазоне частот от 0 до 300 МГц.
У1
вход Y делитель
напряжен. ЭЛТ
внутр.син.
внешн.син. генератор
50 Гц развертки ВП ГП
У2
вход Х
Рис. 8.19. Структурная схема осциллографа.
Развертка луча осуществляется напряжением развертки, формируемым генератором развертки и усиливаемым усилителем У2. Генератор развертки может быть включен на различный режим синхронизации: исследуемым сигналом, независимым внешним сигналом, напряжением сети 50 Гц. В том случае, если необходимо наблюдение фигур Лиссажу развертка отключается, а горизонтально-отклоняющие пластины подключаются ко входу X.
Существуют осциллографы, имеющие третий вход Z. Сигнал, подаваемый на этот вход, производит модуляцию луча по яркости, например, для создания меток времени, калибровки амплитуды.
Существуют элеткронно-лучевые трубки с двумя независимыми электронными пушками и отклоняющими системами. На базе таких трубок созданы двухканальные осциллографы, позволяющие одновременно наблюдать на экране два независимых динамических сигнала.
Измерительные генераторы.
Измерительные генераторы являются источниками калиброванных элек
трических сигналов заданной формы, амплитуды и частоты. Они исполь
зуются при проведении исследовательских и наладочных работ.
U1
УО1 Ф1 ДЦ1 S T
U2
УО2 Ф2 ДЦ2 R
а)
U1 U2
t t
Ф1 Ф2
t t
ДЦ1 ДЦ2
Т
б)
Рис. 10.32. Электронный фазометр: а) – блок-схема;
б) – временная диаграмма.
Электронные фазометры широко используются для измерения фазового сдвига между двумя периодическими напряжениями одной частоты. Структурная схема такого фазометра и временная диаграмма, поясняющая его работу, показаны на рис. 10.32. Фазометр содержит два канала, управляющие состоянием триггера Т. Каждый канал содержит последовательно соединенные усилитель-ограничитель УО, формирователь Ф и дифференцирующую цепь ДЦ. Длительность стояния триггера Т в состоянии лог. 1 пропорциональна фазовому сдвигу между напряжениями U1 и U2 .
При наличии двухлучевого или двухканального осциллографа можно замерить фазовый сдвиг между двумя сигналами методом линейной развертки. В этом случае на экране осциллографа создается изображение двух сигналов. Замерив по шкале экрана расстояние между двумя равнофазовыми точками обоих сигналов ab и период сигнала ас, вычисляют фазовый угол φ=360 ab/ac - рис. 10.33.
U U1 U2
a b c t
Рис.10.33. Измерение фазового сдвига методом линейной развертки.
Электронно-лучевым осциллографом можно также замерять фазовый сдвиг между двумя синусоидальными напряжениями методом эллипса. Для этого первое напряжение U1 подается на вход вертикального
аналоговой величины в цифровую называется аналого-цифровым преобразованием, а сам преобразователь – аналого-цифровым преобразователем АЦП.
N
X ВУ АЦП ЦИ
Устройство Управления
Рис. 9.1. Структурная схема цифрового измерительного прибора.
Обобщенная структурная схема ЦИП показана на рис. 9.1. Измеряемая величина X подается на входное устройство ВУ, осуществляющее масштабирование величины и фильтрацию помех. Аналого-цифровой преобразователь АЦП преобразует исходную аналоговую величину X в цифровой код М, который индицируется цифровым индикатором ЦИ, а также может выдаваться во внешние устройства. Устройство управления
УУ вырабатывает управляющие сигналы, необходимые для нормальной
работы всех функциональных узлов.
АЦП широко используется в качестве самостоятельного преобразователя, вне ЦИП, например, для связи датчиков с цифровыми преобразователями и ЭВМ. В этом случае ЦИ отсутствует.
По виду измеряемых величин ЦИП подразделяются на:
вольтметры постоянного и переменного тока, омметры и мосты постоянного и переменного тока, частотомеры, комбинированные приборы (мулътиметры). Кроме этих приборов широкого применения в различных
отраслях производства разрабатываются и применяются специализиро- ванные цифровые приборы для измерения технологических параметров.
Нормирование погрешности цифровых приборов и аналого-
цифровых преобразователей может производиться несколькими способами:
1) заданием абсолютной погрешности в единицах отсчета;
2) заданием приведенной погрешности;
3) заданием относительной погрешности в виде двучлена:
xk
δ ═±(a+b ——) ,
x
где а, b - постоянные коэффициенты; xk- конечноезначение диапазона
измерения.
Важной проблемой в цифровых приборах является борьба с помехами. Для этого используют специальные схемные и конструктивные ре шения. В числе последних - подключение входных сигналов коаксиальным кабелем, экранирование прибора.
1 Г 2 Н Г 3 Н 0
A Г Н
B
C
N
Рис.10.28. Схема включения трехэлементного счетчика СА4 в
четырехпроводную цепь.
Подключение трехэлементного счетчика СА4 для измерения активной энергии в трехфазной четырехпроводной цепи показано на рис. 10.28. Счетчик включается аналогично включению трех ваттметров для измерения активной мощности.
Счетчики реактивной энергии СР4 включаются в трехпроводную или четырехпроводную трехфазную цепь по методу включения на замененное напряжение аналогично включению ваттметров при измерении реактивной мощности. На рис. 10.29 показано включение счетчика СР4 в трехпроводную цепь.
1 2 3
А Г Н Г Н Г Н
В
С
Рис.10.29. Схема включения трехэлементного счетчика СР4 при
измерении реактивной энергии в трехпроводной цепи.
10.6. Измерение фазового сдвига.
Существует несколько принципов измерения фазового сдвига между двумя электрическими величинами. Чаще всего измеряют фазовый угол φ или cosφ между напряжением и током нагрузки.
Электромеханические фазометры. Для измерения фазы используются электродинамические и ферродинамические логометры. Однофазный электродинамический фазометр содержит неподвижную и две подвижные катушки, закрепленные на оси под углом 60° - рис. 10.30. Неподвижная катушка 1 запитывается током нагрузки, т.е. I1=IH. I2 в подвижной катушке 2 совпадает по фазе с напряжением U1, поэтому фазовый сдвиг между векторами токов I1 и I2 равен искомому углу φ.
линейку калиброванных резисторов, запитанных от источника опорного напряжения U0 через электронные ключи S0 – S5 , управляемые входным кодом. Нулевому значению данного разряда кода соответствует разомкнутое состояние ключа, а единичному – замкнутое. Максимальное значение сопротивления R0 у резистора младшего разряда. Величины сопротивлений разрядных резисторов с увеличением номера разряда уменьшаются в соответствии с весом разряда: в два раза при преобразовании двоичных кодов. Следовательно, разрядные токи также будут подчиняться двоичной последовательности: в младшем разряде Ео/Ко, в каждом соседнем в 2 раза больше. Общий ток, протекающий через нагрузку Rн (величина сопротивления которой мала по сравнению с сопротивлением разрядных резисторов), будет определяться значением кода N - рис. 9.3, б).
Цифровые вольтметры.
Цифровые вольтметры постоянного напряжения являются наиболее распространенными цифровыми измерительными приборами. Цифровые вольтметры переменного тока осуществляют предварительное выпрямление переменного тока, а потом его измеряют вольтметром постоянного тока.
Чувствительность цифровых вольтметров достигает 1 мкВ при входном сопротивлении 107-109 Ом. Погрешность измерения не превышает 0,1%, а быстродействие может меняться в больших пределах от 1 до 5000 измерений в секунду в зависимости от задаваемой точности измерения.
Чаще всего используется схема уравновешивающего преобразования или схема интегрирования. Вольтметры с АЦП по первой схеме обладают высоким быстродействием, но низкой помехоустойчивостью; по второй - невысоким быстродействием (4-25 измерений в секунду), но высокой точностью и хорошей помехоустойчююстью.
Цифровые амперметры работают по принципу измерения падения напряжения на образцовом резисторе цифровым вольтметром.
Ux S1 S2 Sв пуск
Ф Uc ЦИ
Uн
ДН Uк N
СУ ЦАП ЦА
Uo
ИОН УУ
Рис. 9.4. Цифровой вольтметр уравновешивающего типа.
механизме, особенно при малых мощностях, создают дополнительный компенсационный момент. Способы его создания различны: с помощью винта из магнитомягкого материала, ввернутого в магнитопровод; с помощью короткозамкнутых витков на пути потока ФU; с помощью стального поводка, размещаемого в зазоре магнитопроводов над диском. Все эти способы приводят к изменению взаимодействия потоков ФI и ФU. Компенсационный момент настраивают при токе I≈0,1 Iном. При меньших токах компенсационный момент может превосходить момент трения, что приведет к появлению самохода - вращению диска без потребления энергии. Для устранения самохода используются специальные устройства, например, пластину на магнитопроводе обмотки напряжения и крючок на оси вращения. Притяжение крючка к пластине создает слабый тормозной момент, ограничивающий самоход одним оборотом.
Счетчики-энергии могут изготавливаться следующих классов точности: 0,5; 1,0; 2,0; 2,5. Погрешность счетчика сложным образом зависит от величины тока нагрузки.
Счетчики характеризуются чувствительностью, под которой понимают относительное значение тока, при котором диск начинает устойчиво вращаться:
I
Sc= ———100%.
Iном
Преимущества индукционных механизмов счетчиков энергии: большой вращающий момент, нечувствительность к внешним полям, большая перегрузочная способность. Недостатки: чувствительность к частоте сети и относительно невысокая точность: классы 0,5-2,5 для счетчиков активной энергии и 1,5 - 3,0 для реактивной.
Однофазные счетчики имеют обозначение СО или СОУ. Буква У (универсальный) в обозначении указывает на то, что счетчик предназначен для работы с измерительными трансформаторами тока и напряжения. На
Г Н
Г Н
Рис. 10.25. Схема включения однофазного счетчика.
рис. 10.25, 10.26 показаны схемы включения однофазных счетчиков для учета активной энергии. На схемах подключения счетчиков приняты следующие обозначения: 0 - нулевой провод, 1 - первая фаза, 2 - вторая фаза, С - третья фаза, Г - сторона генератора, Н - сторона нarpузки.
К выходу ВУ подключён интегрирующий преобразователь ИнП на основе операционного усилителя с емкостной отрицательной обратной связью. Ток i на входе ИнП:
Ux
I ═—— Ку ,
R
где Ку - коэффициент усиления ВУ.
Напряжение U1 на выходе ИнП растет во времени по закону интегрирования и в момент времени t1 после начала измерения достигает значения:
1 t1 Ку t1
U1 ═—— ∫═——— ∫ Uxdt ,
C 0 RC 0
Здесь С - ннтегрируюшая емкость ИнП. Если обозначить среднее за интервал 0 – t1 значение входного напряжения за Uх ср то
Ку
Ul = —— Ux cp t l .
RC
В момент времени t1 устройство управления УУ отключает вход ВУ от входа вольтметра и подключает его к опорному напряжению U0 поляр- ности, противоположной Uх. При этом ИнП начнет интегрировать в об- ратном направлении, разряжая накопительный конденсатор С. В момент времени t2 выходное напряжение ИнП снизится до нуля. Этот момент фик- сируется компаратором.
t1
t2= —— Ux cp ; U0, t1 - const.
Uo
Таким образом, длительность временного интервала t2 пропорциональна
величине входного напряжения (средней за время t1). Длительность t2 из- меряется стандартным методом путем заполнения интервала импульсами высокой частоты со стабильным периодом t0.
t2 t1
N ═——═——— Ux cp .
t0 U0t0
Число N в виде кода подается на цифровой индикатор и при необходимости - на внешние устройства. Операция разбиения интервала t2 на участки длительностью t0 называется квантованием. Представление числа квантов, приходящихся на интервал t2, в той или иной системе счисления называется кодированием.
Временная диаграмма работы цифрового вольтметра по методу двойного интегрирования показана на рис. 9.6.
Цифровые вольтметры имеют высокую чувствительность: нижний порог реагирования обычно находится в пределах 1-10 мкВ. поэтому важно устранить влияние электромагнитных помех и наводок во входной цепи. Для этого измеряемое напряжение подключают коаксиальным кабелем или
В трехфазных трехпроводных цепях при любой нагрузке, в том числе несимметричной, реактивную мощность измеряют методом двух приборов - рис. 10.23. Резистор R вместе с сопротивлениями обмоток напряжения образует искусственную нулевую точку. Показания ваттметров:
Pw1=U(-UС)cos (60°- φ) = Uф Iф cos (60°- φ);
Pw2=Iφ UA cos (120°- φ) = Uф Iф cos (120°- φ).
Сумма показаний ваттметров:
РΣ = РW1+РW2= √ 3 Uф Iф sinφ .
Это значение необходимо умножить на√ 3для получения Q = √ 3РΣ
Так можно включать и серийные двухэлементные трехфазные ваттметры. У них шкала отградуирована в значениях реактивной мощности цепи с учетом коэффициента √ 3.
В трехфазных четырехпроводных цепях используют метод трех приборов, которые включают по схеме, показанной на рис. 10.24.
А * Pw1
*
* Pw2
В *
* Pw3
C *
N
Рис.10.24. Измерение реактивной мощности в четырехпроводной цепи.
Показание ваттметров в этой схеме:
Pw1 = UBC IA cos (90°-φ) = U٨I٨sin φ;
Pw2 = UCA IB cos (90°-φ) = U٨I٨sin φ;
Pw3 = UAB IC cos (90°-φ) = U٨I٨sin φ;
Алгебраическая сумма показаний:
PΣ = Pw1 + Pw2 + Pw3 = 3 U٨I٨sin φ ,
что в √3 раз больше искомой величины Q, т.е.
PΣ
Q ═ ───
√ 3
Описанная схема используется при включений серийных трехэлементных трехфазных ваттметров, шкала которых проградуирована с учетом деления на √3.
Измерение энергии.
Измерение активной и реактивной энергии в однофазных и трехфазных, трехпроводных и четырехпроводных цепях производится с помощью специальных интегрирующих приборов - электрических счетчиков. В отличие
Цифровые мосты постоянного тока (омметры) предназначены для изме-
рения активного электрического сопротивления и (или) проводимости.
Цифровой мост (рис. 9.7.) содержит 4 плеча, в одно из которых включает
ся измеряемое сопротивление Rх. 2 и 3 плечо образованы набором образ-
цовых резисторов R21-R2m и R31 – R3l. Резисторы включаются и выклю-
чаются с помощью бесконтактных ключей, управляемых вручную или автоматически устройством управления УУ. Выбором отношения сопро-
тивлений плеч 2 и 3 осуществляется выбор нужного диапазона измерений,
т. н. грубая балансировка моста. Окончательно мост уравновешивается
изменением проводимости плеча 4 путем изменения значения проводимо-
сти от 0 до Gмакс . Изменение осуществляется переключением электронных
ключей в соответствии с возрастанием управляющего кода N в опреде
ленной системе счисления до тех пор, пока при некотором значении кода
Nl не наступит равновесие моста
n
G = ∑ ai G1
где ai = 0 при разомкнутом ключе и аi = 1 при замкнутом ключе.
Условие равновесия моста: Rx/R2=R3/R4=R3G4. При G4 = Rx/ (R2R3) срабатывает устройство СУ и код Nl, соответствующий этому моменту, индицируется цифровым индикатором ЦИ.
Цифровые мосты переменного тока выпускаются для измерения емкоcти, индуктивности, сопротивления, добротности и тангенса угла потерь. Они также строятся по четырехплечей схеме с кодовым управлением параметрами плечей, но число регулировок у них больше, чем в цифровом омметре. Такие мосты распространены гораздо реже.
Цифровой мост постоянного тока Щ34 имеет пределы измерения от 10-3 до 109 Ом с погрешностью от ± (0,02 + 0,005 хk/х) до ± (1,0+xk/x) при времени измерения не более 1 с и автоматическом выборе и переключении диапазонов.