Материал: Метроплогия. учебное пособие. Савельева Е.Л., Ситников Н.В
Рассмотрим принцип автоматического уравновешивания мостовой схемы на примере широко применяемых мостов типа КСМ4, в качестве резистивных преобразователей, у которых применяются стандартные медные или платиновые датчики
температуры (рис. 3.20). Схема представляет собой
обыч-ный одинарный мост переменного тока (см. п.2), уравновешивание которого достигается перемещением ползунка реохорда при помощи реверсивного двигателя РД, ротор которого вращается до тех пор, пока не будет достигнуто
равновесие моста, т.е. напряжение на выходе усилителя У не уменьшится до порога чувствительности двигателя.
Одновременно с перемещением ползунка, происходит движение указателя и пера регистрирующего устройства. Питание моста обычно производится переменным током, поскольку электронный усилитель У переменного тока не обладает дрейфом нуля в отличии от усилителя постоянного тока.
Шкала такого автоматического моста градуируется в единицах температуры и справедлива для стандартного резистивного датчика температуры, изготовленного из меди или платины.
Приведенная погрешность таких мостов равна 0.2 – 0.5 %, быстродействие
1-2 с.
КОМПЕНСАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Компенсаторами (потенциометрами) называются приборы для измерения нулевым методом сравнения (см. Гл.1, § 1.4) ЭДС, напряжений или физических величин, функционально с ними связанных.
Принцип измерения ЕX заключается в следующем (рис. 3.21). Сначала устанавливается требуемое для компенсатора значение рабочего тока I с помощью R1. При этом переключатель П устанавливается в положение 1. Затем изменяют R1 до тех пор, пока индикатор (гальванометр) не покажет отсутствие тока, это произойдет при
равенстве E N IR H .
После установления рабочего тока переключатель П устанавливается в положение 2 и перемещением подвижного контакта у резистора R0 опять добиваются показаний индикатора, равных нулю.
81
Это будет при некотором значении сопротивления RX. Тогда можно записать, что EX IRX . Т.о. Ех выразится через стабильные параметры EN, RH и
R0, и будет равно EX R X EN . Этот способ требует постоянства рабочего тока во
R N
время измерений.
Значение Ех снимается с R0, которое состоит из нескольких разрядов, а лимбы каждого разряда градуируются в единицах напряжения.
Точность установления момента компенсации, а следовательно и точность измерения Ех, зависят от полной чувствительности компенсатора
|
SK SCXSГ n / EX , |
где SCX I EX |
– чувствительность схемы компенсатора, SГ n / I - |
чувствительность гальванометра, ΔI – приращение тока в цепи гальванометра, вызванное изменением Ех на Ех, Δn – число делений отклонения гальванометра, при изменении в нем тока на ΔI.
Высокая точность измерения Ех компенсатором обусловлена высокой чувствительностью применяемого гальванометра, высокой точностью ЭДС нормального элемента ЕN и резисторов RN и R0, а также высокой стабильностью вспомогательного источника питания, т.е. I = const.
Достоинством компенсатора является также отсутствие потребления мощности (шунтирующего действия) от источника Ех в момент ее компенсации напряжением UR X . Это обеспечивает высокую точность измерения ЭДС и
напряжений слаботочных источников.
Классы точности компенсаторов постоянного тока находятся в пределах от 0.005 до 0.5. Верхний предел измерений не превосходит 2,5 В.
КОМПЕНСАТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Принцип действия компенсаторов переменного тока заключается в том, что измеряемая ЭДС (напряжение) уравновешивается известным напряжением, создаваемым рабочим током на участке рабочей цепи.
Для уравновешивания двух напряжений переменного тока необходимо равенство этих напряжений по модулю, противоположность по фазе, равенство их частот и идентичность формы кривых. Первые три условия обеспечиваются выбором принципиальной схемы компенсатора и ее питание от одного источника.
В зависимости от того, как производится уравновешивание по модулю и фазе известной и измеряемой ЭДС и в
82
каких координатах получается отсчет Ех, компенсаторы переменного тока делятся на полярно-координатные и прямоугольно-координатные.
На рис. 3.22 приведена схема компенсатора, измеряющего Ех в полярной системе координат. Измеряемая ЭДС, подключенная к зажимам Ех , определяется по положению подвижных контактов ПК1 и ПК2 на шкале калиброванного реохорда «а-б» и магазина сопротивлений «б-в». Фаза напряжения на участке рабочей цепи регулируется фазорегулятором ФР, благодаря чему можно добиться практически полного отсутствия тока в вибрационном или электронном ноль-индикаторе И. Отсчет угла сдвига φх производится по фазорегулятору. Необходимое значение рабочего тока Ip устанавливается по амперметру А при помощи реостата R.
Т.о. получаем не только модуль измеряемых напряжений, но и их фазы. Компенсаторы переменного тока по точности значительно уступают
компенсаторам постоянного тока (см. п.4). Это объясняется тем, что не существует меры ЭДС переменного тока, аналогичной нормальным элементам. Кроме этого рабочий ток в компенсаторах переменного тока приходиться устанавливать по амперметрам в лучшем случае класса точности 0.05 или 0.1, либо по нормальному элементу постоянного тока с использованием термоэлектрического промежуточного преобразователя и компенсатора постоянного тока, измеряющего ЭДС термопары, функционально связанной с переменным рабочим током Ip.
Прямоугольно-координатные компенсаторы имеют две рабочие цепи (электрические контуры), в которых угол фазового сдвига рабочих токов относительно друг друга составляет 90 . А измеряемая ЭДС (напряжение) уравновешивается напряжением, имеющим две составляющие, сдвинутые относительно друг друга на те же 90 .
отрицательной обратной связью по току.
Для этой схемы справедливы отношения:
Ux Uk U IRoc U , |
I US , |
||
где S – чувствительность усилителя. |
|
|
|
Из двух уравнений следует, что |
|
|
|
I |
UxS |
, |
|
1 R S |
|
||
|
oc |
|
|
т.е. между током на выходе усилителя I и измеряемым напряжением Ux существует пропорциональная зависимость, и по значению тока можно судить
об Ux.
Однако показания миллиамперметра зависят от чувствительности (S) усилителя, нестабильность которой приводит к появлению погрешности измерения. Если подобрать значения Roc и S таким образом, чтобы RocS>>1, обеспечив этим самым глубокую отрицательную обратную связь, стабилизирующую коэффициент преобразования усилителя, то получим I Ux / Rос . В этом случае коэффициент преобразования всей цепи определяется
только сопротивлением Roc, которое значительно стабильнее S усилителя. Основная приведенная погрешность таких автоматических компенсаторов
находится в пределах ±(0,25-1,0)%; время прохождения стрелочным указателем всей шкалы составляет единицы секунд.
Порог чувствительности составляет доли милливольта (по измеряемому напряжению).
3.7. ИЗМЕРИТЕЛИ ПАРАМЕТРОВ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
Измерение параметров магнитных полей и ферромагнитных материалов, являясь специфической областью измерений, в настоящее время выделилось в самостоятельную область прикладной метрологии, называемую магнитные измерения.
Магнитные измерения нашли применение в магнитной дефектоскопии, при измерении и контроле магнитных полей в установках атомной и ядерной физики, в биологии и в медицине.
МИЛЛИВЕБЕРМЕТРЫ
В этих приборах применяется магнитоэлектрическая система без противодействующего момента, являющаяся интегрирующим устройством, т.е. реагирующим на количество электричества. К такому прибору подключается измерительная катушка, которая выполняет роль преобразователя магнитной величины в ЭДС электромагнитной индукции (рис. 3.24).
84
По закону электромагнитной индукции, если измеряемый магнитный поток Ф сцеплен с катушкой, то в последней возникает ЭДС, определяемая формулой
е w к |
dФ |
, |
(3.9) |
|
dt |
||||
|
|
|
где wк - число витков измерительной катушки, помещенной в измеряемый поток.
Выражение 3.9 можно преобразовать к виду
dФ 1 edt . w K
В приборе осуществляется режим баллистического гальванометра, т.е. интегрирование:
t |
2 |
|
w |
|
t |
2 |
|
|
|
w |
|
t |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
dФ |
1 |
|
|
edt |
или Ф Ф(t |
2 ) Ф(t1 ) |
1 |
|
|
edt . |
(3.10) |
||
t |
1 |
|
K t |
1 |
|
|
1 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
K t |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Из этого выражения следует, что изменение потока за время Δt2-Δt1 определяется интегралом ЭДС в указанном временном интервале.
Для измерения постоянного магнитного потока
при помощи режима баллистического гальванометра, собирается
простая цепь, состоящая из измерительной катушки с числом витков wк и сопротивлением Rк. Измерительная катушка, помещенная в магнитный поток, быстро выносится из области измеряемого магнитного поля. Возникающий при этом импульс ЭДС уравновешивается падением напряжения в цепи: e=iR+L(di/dt), где i – мгновенное значение тока, R = Rк +
Rи – активное сопротивление цепи, L – ее индуктивность.
Учитывая операции, указанные в формулах 3.9 и 3.10, а также то,что ток i в момент времени t1 и t2 равен нулю и, допуская что R≈0, а L = const, получим
wкФ = ВSBWB∆α,
где Ф = Ф – изменение измеряемого потока за время от t1 до t2, В, sB, wB – соответственно индукция постоянного магнита, площадь и число витков рамки измерительного прибора.
Величина СВ = WBSBB – постоянная веберметра.
Окончательно можно записать:
wK Ф . CB
85