Міністерство освіти Республіки Білорусь
Установа освіти
Білоруський державний університет
ІНФОРМАТИКИ І РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ
Кафедра метрології та стандартизації
РЕФЕРАТ
на тему:
«Принцип дії та конструктивні особливості м агнітоелектріческіх вимірювальних перетворювачів і електростатичних вимірювальних приладів»
МІНСЬК, 2008
Принцип роботи та основні технічні характеристики електромеханічних ІП багато в чому залежать від виду перетворювача, що забезпечує перетворення енергії електричного вимірювального сигналу в механічну енергію переміщення рухомої частини ВП.
Спільним для всіх електромеханічних ІП є те, що вони складаються з нерухомої і рухомої частин та низки спільних деталей та вузлів. Рухома частина в більшості перетворювачів може здійснювати кутове переміщення навколо нерухомої осі. Механічний момент, що виникає в результаті впливу на перетворювач вимірювального сигналу і що обумовлює поворот його рухомої частини у відповідності зі значенням вимірюваної величини, називається моментом, що обертає MВР. Цей момент повинен однозначно залежати від перетворюваної величини X і в загальному випадку від кута a повороту рухливої частини ІП:
MВР = f (X, a). (1)
У залежності від варіанта перетворення розрізняють прилади:
1) магнітоелектричні;
2) електромагнітні
3) електростатичні прилади;
3) електродинамічні;
4) індукційно-вимірювальні.
1 магнітоелектричні вимірювальні перетворювачі
Магнітоелектричні перетворювачі виділяються серед інших груп електромеханічних перетворювачів широтою і різноманітністю застосування, високими метрологічними характеристиками, а також многотіпностью. Вітчизняною промисловістю серійно випускаються магнітоелектричні перетворювачі аж до класу точності 0,05 і з мінімальним струмом повного відхилення до 0,1 мкА.
Найбільш широко магнітоелектричні перетворювачі використовуються при створенні амперметрів і вольтметрів постійного струму, омметрів, гальванометрів постійного струму, балістичних гальванометрів для вимірювань малих кількостей електрики, а також приладів для вимірювань в ланцюгах змінного струму (осцилографічні гальванометри, вібраційні гальванометри, випрямні, термоелектричні та електронні прилади на базі магнітоелектричних перетворювачів).
Принцип дії магнітоелектричних перетворювачів заснований на взаємодії магнітних полів постійного магніту і провідника зі струмом, конструктивно виконаного у вигляді котушки (рамки).
Практично всі магнітоелектричні перетворювачі можна розділити на дві основні різновиди:
- Перетворювачі з рухомою котушкою і нерухомим магнітом;
- Перетворювачі з нерухомою котушкою і рухомим магнітом.
Конструктивно перетворювачі обох різновидів можуть бути виконані:
- З зовнішнім (по відношенню до рамки) магнітом;
- З внутрірамочним (внутрішнім) магнітом.
Крім того, вони мoгут відрізнятися кріпленням рухомої частини, способом створення протидіє моменту, способом заспокоєння рухомої частини та ін
В даний час більш широке застосування отримали магніто-електричні перетворювачі з нерухомим магнітом і рухомий котушкою (рисунок 1).
Котушка 5 із числом витків w і площею витка s знаходиться в магнітному зазорі з рівномірним радіальним магнітним полем. Поле в зазорі створюється за допомогою магнітної системи, що складається з постійного магніту 7, полюсних наконечників з циліндричною розточенням 6 і циліндричного сердечника 4 з магнитомягких матеріалу. Завдяки введенню в магнітну систему сердечника 4, поле в зазорі, де рухається рамка, виходить однорідним. Для виготовлення магніту 7 використовують матеріали з великою коерцитивною силою, найчастіше железонікельалюмініево-кобальтові сплави. Магнітопроводи і полюсні наконечники виконують з магнитомягких матеріалів, найчастіше з низьковуглецевих електротехнічних сталей. Рухома частина кріпляться на півосях і кернових опорах (у високочутливих приладах - на розтяжках і підвісах). Протидіючий момент може створюватися механічним (за допомогою пружин 3) або електричним шляхом. Котушка 5 намотується на легкому алюмінієвому каркасі і жорстко кріпиться на півосях. При русі котушки в магнітному зазорі в каркасі виникають вихрові струми, що створюють момент заспокоєння. Якщо отримується таким чином момент заспокоєння недостатньо великий, то на каркас котушки додатково намотується необхідну кількість короткозамкнених витків, що збільшують момент заспокоєння до потрібного значення.
Рисунок1 - Конструкція магнітоелектричного перетворювача
Найрізноманітнішими за номенклатурою і найбільш широко використовуваними приладами, які створюються на основі магнітоелектричних перетворювачів, є амперметри, вольтметри, гальванометри і омметри для вимірювань у колах постійного струму.
Амперметри. Як вже зазначалося раніше, магнітоелектричні вимірювальні механізми можуть безпосередньо використовуватися для вимірювань сили електричного струму. Для цього вони включаються в електричний ланцюг послідовно з ділянкою, струм через який необхідно виміряти (рис 3а). Внутрішній опір RА такого амперметра дорівнює сумі внутрішнього опору вимірювального механізму Ri і термокомпенсірущего резистора RТК (рисунок 2.3, б), якщо останній використовується в амперметра. Опір Ri є послідовно з'єднані опір котушки перетворювача RК і опір токоподводящих елементів RТ, тобто Ri = RК + RT. Таким чином, внутрішній опір амперметра одно або RA = Ri - для амперметра, що не містить термокомпенсірующіх перетворювачів, або RA = Ri + RTK - для амперметра, що містить термокомпенсірующій резистор RTK.
Так як RA в обох випадках є кінцевою величиною, режим електричного кола після включення до неї амперметра зміниться, тобто виміряне значення струму IІЗМ протікає через навантаження RH при включенні в ланцюг амперметра, буде відрізнятися від дійсного значення струму I, що протікає через RH до початку вимірювань. Однак дана похибка є систематичною і може бути обчислена і виключена з результату вимірювань.
Малюнок 2 - Амперметр на базі магнітоелектричного перетворювача
Вольтметри. Магнітоелектричні вольтметри утворюються шляхом включення вимірювального перетворювача послідовно з додатковим резистором rд (рисунок 2.4, a). Отриманий таким чином прилад підключається паралельно ділянки кола, падіння напруги на якому необхідно виміряти (рисунок 2.4, б).
Малюнок 3 - Вольтметр на основі магнітоелектричного перетворювача
Гальванометри. Гальванометра називають високочутливі електровимірювальні прилади, що мають градуйований шкалу і застосовуються як нуль-індикаторів, а також після попередньої градуювання для вимірювання малих значень струмів, напруг, кількостей електрики та інших фізичних величин.
Найбільш широке поширення в практиці отримали магнітоелектричні гальванометри. Конструктивно вони діляться на два види:
- Переносні з вбудованою шкалою, в яких можуть використовуватися як стрілочні, так і світлові відлікові пристрої;
- Дзеркальні зі світловим відліком і з окремою шкалою, яка встановлюється на значній відстані від гальванометра.
У переносних гальванометра рухома частина кріпиться на розтяжках, в стаціонарних - на підвісі.
Омметри. На основі магнітоелектричних перетворювачів можуть бути створені прилади для безпосереднього виміру такого важливого параметра електричних ланцюгів, як електричний опір. Такі прилади отримали назву омметрів. Найпростіший омметр представляє собою перетворювач, струм через який створюється джерелом постійного в часі напруги і залежить від значення вимірюваного опору RX. Зазначене опір може бути включено послідовно або паралельно вимірювального перетворювача (рисунок 4, a, б відповідно). Шкала приладу може бути при цьому проградуйована в одиницях опору.
Малюнок 4 - Омметри на базі магнітоелектричного перетворювача
Не вимагають початкової установки нуля магнітоелектричні омметри на базі логометріческіх перетворювачів. Вони також можуть будуватися по послідовній і паралельної схемами (рисунок 5, а, б відповідно). Дві різні схеми використовуються з метою зменшення похибки вимірювання, зумовленої впливом опорів R1 і R2 котушок 1 і 2 логометріческого перетворювача при вимірюванні великих і малих значень RX. В обох схемах резистори RД1, RД2 і RД3 - додаткові, постійні, що служать для обмеження струмів, що протікають через котушки 1 і 2 перетворювача, і для завдання потрібного характеру шкали приладу.
Рисунок 5 - Схеми включення логометріческіх перетворювачів
при вимірюванні великих опорів
2. Електростатичні вимірювальні прилади
Електростатичні прилади мають цілу низку відмінних особливостей, що обумовлюють їх значні переваги в порівнянні з приладами інших систем. Це, перш за все, мале власне споживання потужності від джерела вимірюваної напруги, порівняно висока точність, можливість використання їх в широкому діапазоні частот (від 20 Гц до 35 МГц), незначна залежність показань від частоти і форми кривої вимірюваних напруг, можливість використання для безпосереднього вимірювання (без застосування вимірювальних трансформаторів напруги) високих напруг (до 300 кВ), незалежність показань від зовнішніх магнітних полів та ін До основних недоліків цих приладів відносяться: сильна залежність показань від зовнішніх електричних полів, мале значення обертаючого моменту і низька чутливість, нерівномірна шкала і ін
Основу всіх електростатичних приладів становлять електростатичні вимірювальні механізми.
Принцип дії електростатичних перетворювачів заснований на взаємодії електричних полів двох тіл (систем пластин), заряджених різнойменними зарядами. У результаті такої взаємодії одна з систем, що є рухливою, переміщається відносно нерухомої системи пластин, викликаючи при цьому відхилення стрілки відлікового пристрою, пов'язаної з рухомою частиною перетворювача, у бік зростаючих свідчень. Переміщення рухомої частини перетворювача відносно нерухомої викликає зміна ємності між ними. Конструктивно рухома і нерухома частини ІМ виконуються у вигляді пластин.
Всі існуючі електростатичні перетворювачі можна розділити на два види: перетворювачі, в яких зміна ємності досягається за рахунок зміни активної площі взаємодіючі пластин (малюнок 6, a), і перетворювачі, у яких ємність змінюється за рахунок зміни відстані між пластинами (малюнок 6, б) .
Малюнок 6 - Електростатичні вимірювальні перетворювачі
Перетворювачі першого виду застосовуються в вольтметрах, призначених для вимірювання низьких напруг, другого виду - у кіловольтметра.
Рухома частина перетворювача зі змінною активною площею пластин (див. рисунок 6, а) складається з однієї або декількох тонких алюмінієвих пластин 2, закріплених на осі 3. Нерухома частина утворюється однією або кількома камерами 1, що складаються з металевих пластин з повітряним зазором між ними. Збільшення числа камер і променів у рухливих пластин призводить до підвищення чутливості перетворювача. Форма рухомих і нерухомих пластин вибирається або розраховується виходячи з необхідності забезпечення рівномірного характеру шкали приладу. При подачі на рухомі і нерухомі пластини вимірюваного напруги вони виявляться зарядженими різнойменними зарядами і між ними виникнуть сили електростатичного притягання, внаслідок дії яких рухливі пластини будуть повертатися, прагнучи зайти всередину камер. Разом з рухомими пластинами буде повертатися і вісь 3 із закріпленою на ній стрілкою відлікового пристрою. При цьому будуть закручуватися пружні елементи, що створюють протидіючий момент. Рухома частина зупиниться при рівності обертаючого і протидіє моментів. Значення вимірюваної напруги буде визначатися кутом відхилення стрілки щодо початку шкали. Для заспокоєння рухомої частини в електростатичних перетворювачах використовуються магнітоіндукціонние або крильчасті, повітряні заспокоювачі. Внаслідок того, що обертаючий момент у електростатичних перетворювачів малий, для збільшення їх чутливості застосовують кріплення подвижней частини на розтяжках і світловий відлік. При цьому зменшуються маса і момент інерції рухомої частини і поліпшується характер шкали.
У електростатичних перетворювачів із змінним відстанню між пластинами (малюнок 6, б) нерухома частина утворена двома пластинами 1, між якими знаходиться підвішена на тонких непружних металевих підвісах 2 рухлива пластина 3, гальванічно поєднана з однією з нерухомих пластин і ізольована від іншої. При подачі на рухливу і нерухому ізольовану пластини вимірюваної напруги рухлива пластина буде притягатися до різнойменно зарядженої ізольованою нерухомої пластині і одночасно відштовхуватися від однойменно зарядженої нерухомої пластини (незалежно від полярності підключення вимірюваної напруги). Через тягу 7 і місток 4 переміщення рухомий пластини викликає поворот осі 6 із закріпленою на ній стрілкою 5. При цьому виникає протидіючий момент, створюваний масою рухомої пластини. Стале показання стрілки буде при рівності обертаючого і протидіє моментів. Вольтметри з такими перетворювачами вимагають початкової установки в таке положення, при якому стрілка буде знаходитися на нульовій позначці (при відсутності вимірюваного напруги).
З вищесказаного можна зробити деякі висновки про властивості, переваги та недоліки електростатичних перетворювачів і приладів на їх основі:
- Електростатичні перетворювачі можуть безпосередньо вимірювати тільки напруга;
- Електростатичні перетворювачі можуть застосовуватися для вимірювань напруг постійного і змінного струмів;
- Обертаючий момент в електростатичних перетворювачах порівняно малий, і вони мають низьку чутливістю по напрузі;
- Точність електростатичних перетворювачів може бути досить високою, так як на їх свідчення незначно впливають частота і форма кривої вимірюваної напруги, зовнішні магнітні поля і температура навколишнього середовища. Електростатичні вольтметри можуть виготовлятися з класами точності до 0,05;
- Власне споживання потужності з вимірювальної ланцюга для електростатичних перетворювачів мало, так як при вимірах в ланцюгах постійного струму воно зумовлене лише короткочасним струмом заряду і незначними струмами витоку через ізоляцію, а на змінному струмі визначається струмом, що протікає через малу ємність перетворювача і діелектричними втратами в ізоляції ;
- Функція перетворення електростатичних перетворювачів за своїм характером є квадратичної, проте відповідним вибором форми пластин, тобто закону зміни ємності при зміні кута повороту, можна отримати практично рівномірну шкалу на ділянці від 20 до 100% від її верхньої межі;
- Електростатичні перетворювачі сильно піддані впливу зовнішніх електричних полів і вимагають їх екранування;
- Електростатичні перетворювачі можуть працювати в широкому частотному діапазоні (до 35 МГц), який обмежується впливом власної ємності перетворювача, паразитних реактивностей та активного опору проводів і розтяжок;
- За допомогою електростатичних вольтметрів можна безпосередньо вимірювати високі напруги (до 300 кВ);
- Електростатичні перетворювачі можуть використовуватися для вимірювання крім напруги та інших електричних величин: потужності, опору й індуктивності.
Електростатичні вольтметри і електрометрії
Електростатичні прилади найбільш широко використовуються в електровимірювальної техніки у вигляді різних вольтметрів. Крім того, для вимірювання напруги та інших функціонально пов'язаних з ним величин (потужність, опір і т.п.) використовуються так звані електрометрії електростатичної системи.
Для вимірювання низьких напруг (від десятків до сотень вольт) використовуються переважно вольтметри, створені на базі ІП зі змінною активною площею пластин (див. рисунок 6, а). При цьому для забезпечення достатньої чутливості відстань між рухомими та нерухомими пластинами робиться дуже малим (десяті частки міліметра) і при випадкових ударах, поштовхах, вібрації і т.д. виникає небезпека короткого замикання пластин, а значить і джерела вимірюваної напруги. Для запобігання перетворювача від виходу з ладу внаслідок протікання через нього великих струмів при короткому замиканні всередину низьковольтних вольтметрів вбудовується захисний резистор, що обмежує ці струми (малюнок 7).
Значення захисного опору визначається виходячи з допустимого струму через розтяжки, на яких кріпиться рухома частина, при короткому замиканні пластин. Вольтметр при цьому підключається до джерела вимірюваного напруги з допомогою затискачів 1 і 2. При частотах вимірюваної змінної напруги порядку сотень кілогерц захисний резистор викликає великі додаткові частотні похибки за рахунок ємнісного струму, тому він відключається і вольтметр включається в електричний ланцюг затискачами 1 і Е (екран).
У вольтметрах, розрахованих на вимір більш високих напруг, відстані між пластинами досить великі й захисні резистори не використовуються. При вимірах високочастотних напруг в електричних колах з несиметричним виходом затиск Е, з'єднаний з внутрішнім екраном приладу, повинен обов'язково заземлюватись.
Рисунок 7 - Схема включення електростатичного вимірювального перетворювача
Розширення меж електростатичних вольтметрів здійснюється головним чином за допомогою дільників напруги: ємнісних - при вимірах на змінному струмі і резистивних - на постійному струмі.
ЛІТЕРАТУРА
1 Метрологія та Електрорадіоізмеренія в телекомунікаційних системах: Підручник для вузів. Нефедов В. І. та ін; Під ред. Нефедова В.І. - М.: Вищ. шк., 2001.
2 Єлізаров А.С. Електрорадіоізмеренія - Мн.: Виш.шк., 2006.
3 У. Болтон. Довідник інженера-метролога. М. Додека 2002.-386 с (пер. з англ.).
4 Дерябіна М. Ю., Основи вимірювань. Навчальний посібник. Мн., БДУІР, 2001.
5 Гума В.Т., Кострикіна А.М. Метрологія та вимірювання. Генераторні вимірювальні перетворювачі. Методичний посібник. Мн., БДУІР, 2004.
6 Архипенка О. Г., Білошицький А. П., Лялько С. В. Метрологія, стандартизація і сертифікація. Учеб. посібник. Ч.2. Основи стандартизації. Мн.: БДУІР, 2007.
7 М . Тулі. Довідковий посібник з цифрової електроніки. - М. Енерго-Атоміздат, 2000. (Пер. з англ.).
Установа освіти
Білоруський державний університет
ІНФОРМАТИКИ І РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ
Кафедра метрології та стандартизації
РЕФЕРАТ
на тему:
«Принцип дії та конструктивні особливості м агнітоелектріческіх вимірювальних перетворювачів і електростатичних вимірювальних приладів»
МІНСЬК, 2008
Принцип роботи та основні технічні характеристики електромеханічних ІП багато в чому залежать від виду перетворювача, що забезпечує перетворення енергії електричного вимірювального сигналу в механічну енергію переміщення рухомої частини ВП.
Спільним для всіх електромеханічних ІП є те, що вони складаються з нерухомої і рухомої частин та низки спільних деталей та вузлів. Рухома частина в більшості перетворювачів може здійснювати кутове переміщення навколо нерухомої осі. Механічний момент, що виникає в результаті впливу на перетворювач вимірювального сигналу і що обумовлює поворот його рухомої частини у відповідності зі значенням вимірюваної величини, називається моментом, що обертає MВР. Цей момент повинен однозначно залежати від перетворюваної величини X і в загальному випадку від кута a повороту рухливої частини ІП:
MВР = f (X, a). (1)
У залежності від варіанта перетворення розрізняють прилади:
1) магнітоелектричні;
2) електромагнітні
3) електростатичні прилади;
3) електродинамічні;
4) індукційно-вимірювальні.
1 магнітоелектричні вимірювальні перетворювачі
Магнітоелектричні перетворювачі виділяються серед інших груп електромеханічних перетворювачів широтою і різноманітністю застосування, високими метрологічними характеристиками, а також многотіпностью. Вітчизняною промисловістю серійно випускаються магнітоелектричні перетворювачі аж до класу точності 0,05 і з мінімальним струмом повного відхилення до 0,1 мкА.
Найбільш широко магнітоелектричні перетворювачі використовуються при створенні амперметрів і вольтметрів постійного струму, омметрів, гальванометрів постійного струму, балістичних гальванометрів для вимірювань малих кількостей електрики, а також приладів для вимірювань в ланцюгах змінного струму (осцилографічні гальванометри, вібраційні гальванометри, випрямні, термоелектричні та електронні прилади на базі магнітоелектричних перетворювачів).
Принцип дії магнітоелектричних перетворювачів заснований на взаємодії магнітних полів постійного магніту і провідника зі струмом, конструктивно виконаного у вигляді котушки (рамки).
Практично всі магнітоелектричні перетворювачі можна розділити на дві основні різновиди:
- Перетворювачі з рухомою котушкою і нерухомим магнітом;
- Перетворювачі з нерухомою котушкою і рухомим магнітом.
Конструктивно перетворювачі обох різновидів можуть бути виконані:
- З зовнішнім (по відношенню до рамки) магнітом;
- З внутрірамочним (внутрішнім) магнітом.
Крім того, вони мoгут відрізнятися кріпленням рухомої частини, способом створення протидіє моменту, способом заспокоєння рухомої частини та ін
В даний час більш широке застосування отримали магніто-електричні перетворювачі з нерухомим магнітом і рухомий котушкою (рисунок 1).
Котушка 5 із числом витків w і площею витка s знаходиться в магнітному зазорі з рівномірним радіальним магнітним полем. Поле в зазорі створюється за допомогою магнітної системи, що складається з постійного магніту 7, полюсних наконечників з циліндричною розточенням 6 і циліндричного сердечника 4 з магнитомягких матеріалу. Завдяки введенню в магнітну систему сердечника 4, поле в зазорі, де рухається рамка, виходить однорідним. Для виготовлення магніту 7 використовують матеріали з великою коерцитивною силою, найчастіше железонікельалюмініево-кобальтові сплави. Магнітопроводи і полюсні наконечники виконують з магнитомягких матеріалів, найчастіше з низьковуглецевих електротехнічних сталей. Рухома частина кріпляться на півосях і кернових опорах (у високочутливих приладах - на розтяжках і підвісах). Протидіючий момент може створюватися механічним (за допомогою пружин 3) або електричним шляхом. Котушка 5 намотується на легкому алюмінієвому каркасі і жорстко кріпиться на півосях. При русі котушки в магнітному зазорі в каркасі виникають вихрові струми, що створюють момент заспокоєння. Якщо отримується таким чином момент заспокоєння недостатньо великий, то на каркас котушки додатково намотується необхідну кількість короткозамкнених витків, що збільшують момент заспокоєння до потрібного значення.
Рисунок1 - Конструкція магнітоелектричного перетворювача
Найрізноманітнішими за номенклатурою і найбільш широко використовуваними приладами, які створюються на основі магнітоелектричних перетворювачів, є амперметри, вольтметри, гальванометри і омметри для вимірювань у колах постійного струму.
Амперметри. Як вже зазначалося раніше, магнітоелектричні вимірювальні механізми можуть безпосередньо використовуватися для вимірювань сили електричного струму. Для цього вони включаються в електричний ланцюг послідовно з ділянкою, струм через який необхідно виміряти (рис 3а). Внутрішній опір RА такого амперметра дорівнює сумі внутрішнього опору вимірювального механізму Ri і термокомпенсірущего резистора RТК (рисунок 2.3, б), якщо останній використовується в амперметра. Опір Ri є послідовно з'єднані опір котушки перетворювача RК і опір токоподводящих елементів RТ, тобто Ri = RК + RT. Таким чином, внутрішній опір амперметра одно або RA = Ri - для амперметра, що не містить термокомпенсірующіх перетворювачів, або RA = Ri + RTK - для амперметра, що містить термокомпенсірующій резистор RTK.
Так як RA в обох випадках є кінцевою величиною, режим електричного кола після включення до неї амперметра зміниться, тобто виміряне значення струму IІЗМ протікає через навантаження RH при включенні в ланцюг амперметра, буде відрізнятися від дійсного значення струму I, що протікає через RH до початку вимірювань. Однак дана похибка є систематичною і може бути обчислена і виключена з результату вимірювань.
| а | б |
Вольтметри. Магнітоелектричні вольтметри утворюються шляхом включення вимірювального перетворювача послідовно з додатковим резистором rд (рисунок 2.4, a). Отриманий таким чином прилад підключається паралельно ділянки кола, падіння напруги на якому необхідно виміряти (рисунок 2.4, б).
| а | б |
Гальванометри. Гальванометра називають високочутливі електровимірювальні прилади, що мають градуйований шкалу і застосовуються як нуль-індикаторів, а також після попередньої градуювання для вимірювання малих значень струмів, напруг, кількостей електрики та інших фізичних величин.
Найбільш широке поширення в практиці отримали магнітоелектричні гальванометри. Конструктивно вони діляться на два види:
- Переносні з вбудованою шкалою, в яких можуть використовуватися як стрілочні, так і світлові відлікові пристрої;
- Дзеркальні зі світловим відліком і з окремою шкалою, яка встановлюється на значній відстані від гальванометра.
У переносних гальванометра рухома частина кріпиться на розтяжках, в стаціонарних - на підвісі.
Омметри. На основі магнітоелектричних перетворювачів можуть бути створені прилади для безпосереднього виміру такого важливого параметра електричних ланцюгів, як електричний опір. Такі прилади отримали назву омметрів. Найпростіший омметр представляє собою перетворювач, струм через який створюється джерелом постійного в часі напруги і залежить від значення вимірюваного опору RX. Зазначене опір може бути включено послідовно або паралельно вимірювального перетворювача (рисунок 4, a, б відповідно). Шкала приладу може бути при цьому проградуйована в одиницях опору.
| а | б |
Не вимагають початкової установки нуля магнітоелектричні омметри на базі логометріческіх перетворювачів. Вони також можуть будуватися по послідовній і паралельної схемами (рисунок 5, а, б відповідно). Дві різні схеми використовуються з метою зменшення похибки вимірювання, зумовленої впливом опорів R1 і R2 котушок 1 і 2 логометріческого перетворювача при вимірюванні великих і малих значень RX. В обох схемах резистори RД1, RД2 і RД3 - додаткові, постійні, що служать для обмеження струмів, що протікають через котушки 1 і 2 перетворювача, і для завдання потрібного характеру шкали приладу.
| а | б |
при вимірюванні великих опорів
2. Електростатичні вимірювальні прилади
Електростатичні прилади мають цілу низку відмінних особливостей, що обумовлюють їх значні переваги в порівнянні з приладами інших систем. Це, перш за все, мале власне споживання потужності від джерела вимірюваної напруги, порівняно висока точність, можливість використання їх в широкому діапазоні частот (від 20 Гц до 35 МГц), незначна залежність показань від частоти і форми кривої вимірюваних напруг, можливість використання для безпосереднього вимірювання (без застосування вимірювальних трансформаторів напруги) високих напруг (до 300 кВ), незалежність показань від зовнішніх магнітних полів та ін До основних недоліків цих приладів відносяться: сильна залежність показань від зовнішніх електричних полів, мале значення обертаючого моменту і низька чутливість, нерівномірна шкала і ін
Основу всіх електростатичних приладів становлять електростатичні вимірювальні механізми.
Принцип дії електростатичних перетворювачів заснований на взаємодії електричних полів двох тіл (систем пластин), заряджених різнойменними зарядами. У результаті такої взаємодії одна з систем, що є рухливою, переміщається відносно нерухомої системи пластин, викликаючи при цьому відхилення стрілки відлікового пристрою, пов'язаної з рухомою частиною перетворювача, у бік зростаючих свідчень. Переміщення рухомої частини перетворювача відносно нерухомої викликає зміна ємності між ними. Конструктивно рухома і нерухома частини ІМ виконуються у вигляді пластин.
Всі існуючі електростатичні перетворювачі можна розділити на два види: перетворювачі, в яких зміна ємності досягається за рахунок зміни активної площі взаємодіючі пластин (малюнок 6, a), і перетворювачі, у яких ємність змінюється за рахунок зміни відстані між пластинами (малюнок 6, б) .
| а | б |
Перетворювачі першого виду застосовуються в вольтметрах, призначених для вимірювання низьких напруг, другого виду - у кіловольтметра.
Рухома частина перетворювача зі змінною активною площею пластин (див. рисунок 6, а) складається з однієї або декількох тонких алюмінієвих пластин 2, закріплених на осі 3. Нерухома частина утворюється однією або кількома камерами 1, що складаються з металевих пластин з повітряним зазором між ними. Збільшення числа камер і променів у рухливих пластин призводить до підвищення чутливості перетворювача. Форма рухомих і нерухомих пластин вибирається або розраховується виходячи з необхідності забезпечення рівномірного характеру шкали приладу. При подачі на рухомі і нерухомі пластини вимірюваного напруги вони виявляться зарядженими різнойменними зарядами і між ними виникнуть сили електростатичного притягання, внаслідок дії яких рухливі пластини будуть повертатися, прагнучи зайти всередину камер. Разом з рухомими пластинами буде повертатися і вісь 3 із закріпленою на ній стрілкою відлікового пристрою. При цьому будуть закручуватися пружні елементи, що створюють протидіючий момент. Рухома частина зупиниться при рівності обертаючого і протидіє моментів. Значення вимірюваної напруги буде визначатися кутом відхилення стрілки щодо початку шкали. Для заспокоєння рухомої частини в електростатичних перетворювачах використовуються магнітоіндукціонние або крильчасті, повітряні заспокоювачі. Внаслідок того, що обертаючий момент у електростатичних перетворювачів малий, для збільшення їх чутливості застосовують кріплення подвижней частини на розтяжках і світловий відлік. При цьому зменшуються маса і момент інерції рухомої частини і поліпшується характер шкали.
У електростатичних перетворювачів із змінним відстанню між пластинами (малюнок 6, б) нерухома частина утворена двома пластинами 1, між якими знаходиться підвішена на тонких непружних металевих підвісах 2 рухлива пластина 3, гальванічно поєднана з однією з нерухомих пластин і ізольована від іншої. При подачі на рухливу і нерухому ізольовану пластини вимірюваної напруги рухлива пластина буде притягатися до різнойменно зарядженої ізольованою нерухомої пластині і одночасно відштовхуватися від однойменно зарядженої нерухомої пластини (незалежно від полярності підключення вимірюваної напруги). Через тягу 7 і місток 4 переміщення рухомий пластини викликає поворот осі 6 із закріпленою на ній стрілкою 5. При цьому виникає протидіючий момент, створюваний масою рухомої пластини. Стале показання стрілки буде при рівності обертаючого і протидіє моментів. Вольтметри з такими перетворювачами вимагають початкової установки в таке положення, при якому стрілка буде знаходитися на нульовій позначці (при відсутності вимірюваного напруги).
З вищесказаного можна зробити деякі висновки про властивості, переваги та недоліки електростатичних перетворювачів і приладів на їх основі:
- Електростатичні перетворювачі можуть безпосередньо вимірювати тільки напруга;
- Електростатичні перетворювачі можуть застосовуватися для вимірювань напруг постійного і змінного струмів;
- Обертаючий момент в електростатичних перетворювачах порівняно малий, і вони мають низьку чутливістю по напрузі;
- Точність електростатичних перетворювачів може бути досить високою, так як на їх свідчення незначно впливають частота і форма кривої вимірюваної напруги, зовнішні магнітні поля і температура навколишнього середовища. Електростатичні вольтметри можуть виготовлятися з класами точності до 0,05;
- Власне споживання потужності з вимірювальної ланцюга для електростатичних перетворювачів мало, так як при вимірах в ланцюгах постійного струму воно зумовлене лише короткочасним струмом заряду і незначними струмами витоку через ізоляцію, а на змінному струмі визначається струмом, що протікає через малу ємність перетворювача і діелектричними втратами в ізоляції ;
- Функція перетворення електростатичних перетворювачів за своїм характером є квадратичної, проте відповідним вибором форми пластин, тобто закону зміни ємності при зміні кута повороту, можна отримати практично рівномірну шкалу на ділянці від 20 до 100% від її верхньої межі;
- Електростатичні перетворювачі сильно піддані впливу зовнішніх електричних полів і вимагають їх екранування;
- Електростатичні перетворювачі можуть працювати в широкому частотному діапазоні (до 35 МГц), який обмежується впливом власної ємності перетворювача, паразитних реактивностей та активного опору проводів і розтяжок;
- За допомогою електростатичних вольтметрів можна безпосередньо вимірювати високі напруги (до 300 кВ);
- Електростатичні перетворювачі можуть використовуватися для вимірювання крім напруги та інших електричних величин: потужності, опору й індуктивності.
Електростатичні вольтметри і електрометрії
Електростатичні прилади найбільш широко використовуються в електровимірювальної техніки у вигляді різних вольтметрів. Крім того, для вимірювання напруги та інших функціонально пов'язаних з ним величин (потужність, опір і т.п.) використовуються так звані електрометрії електростатичної системи.
Для вимірювання низьких напруг (від десятків до сотень вольт) використовуються переважно вольтметри, створені на базі ІП зі змінною активною площею пластин (див. рисунок 6, а). При цьому для забезпечення достатньої чутливості відстань між рухомими та нерухомими пластинами робиться дуже малим (десяті частки міліметра) і при випадкових ударах, поштовхах, вібрації і т.д. виникає небезпека короткого замикання пластин, а значить і джерела вимірюваної напруги. Для запобігання перетворювача від виходу з ладу внаслідок протікання через нього великих струмів при короткому замиканні всередину низьковольтних вольтметрів вбудовується захисний резистор, що обмежує ці струми (малюнок 7).
Значення захисного опору визначається виходячи з допустимого струму через розтяжки, на яких кріпиться рухома частина, при короткому замиканні пластин. Вольтметр при цьому підключається до джерела вимірюваного напруги з допомогою затискачів 1 і 2. При частотах вимірюваної змінної напруги порядку сотень кілогерц захисний резистор викликає великі додаткові частотні похибки за рахунок ємнісного струму, тому він відключається і вольтметр включається в електричний ланцюг затискачами 1 і Е (екран).
У вольтметрах, розрахованих на вимір більш високих напруг, відстані між пластинами досить великі й захисні резистори не використовуються. При вимірах високочастотних напруг в електричних колах з несиметричним виходом затиск Е, з'єднаний з внутрішнім екраном приладу, повинен обов'язково заземлюватись.
Рисунок 7 - Схема включення електростатичного вимірювального перетворювача
Розширення меж електростатичних вольтметрів здійснюється головним чином за допомогою дільників напруги: ємнісних - при вимірах на змінному струмі і резистивних - на постійному струмі.
ЛІТЕРАТУРА
1 Метрологія та Електрорадіоізмеренія в телекомунікаційних системах: Підручник для вузів. Нефедов В. І. та ін; Під ред. Нефедова В.І. - М.: Вищ. шк., 2001.
2 Єлізаров А.С. Електрорадіоізмеренія - Мн.: Виш.шк., 2006.
3 У. Болтон. Довідник інженера-метролога. М. Додека 2002.-386 с (пер. з англ.).
4 Дерябіна М. Ю., Основи вимірювань. Навчальний посібник. Мн., БДУІР, 2001.
5 Гума В.Т., Кострикіна А.М. Метрологія та вимірювання. Генераторні вимірювальні перетворювачі. Методичний посібник. Мн., БДУІР, 2004.
6 Архипенка О. Г., Білошицький А. П., Лялько С. В. Метрологія, стандартизація і сертифікація. Учеб. посібник. Ч.2. Основи стандартизації. Мн.: БДУІР, 2007.