 |
Регистрирующие устройства.
|
|
|
|
Міністерство освіти та науки України
Національна металургійна академія України
Криворізький металургійний факультет
КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ
ДЛЯ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ СТУДЕНТІВ ЗА ДИСЦІПЛИНОЮ
„ ОСНОВИ МЕТРОЛОГІЇ ТА ЕЛЕКТРИЧНИХ ВИМІРІВ”
За спеціальністю №092203 Електромеханічні
Системи автоматизації та електропривод.
Частина I.
ЗАТВЕРДЖЕНО
На засіданні методичної
Комісії кафедри ЕМОМЗ
Протокол № __________2003р
М. Кривий Ріг.
Р.
отметчик времени и лентопротяжный механизм.
Измерительной частью светолучевого осциллографа является магнитоэлектрический гальванометр со световым указателем. Для всех гальванометров (а их используется несколько - по числу каналов измерения) установлен один сильный подковообразный магнит. Гальванометры выполнены в виде вставок, устанавливаемых в ряд в зазоре магнита. Осциллографический гальванометр-вставка представляет собой подвижную часть магнитоэлектрического измерительного механизма в виде миниатюрной рамки на растяжках, помещенной в металлический немагнитный корпус. Чем больше число витков рамки гальванометра, тем выше чувствительность, но хуже частотные свойства. Поэтому в комплект осциллографа входят различные гальванометры, выбор которых производится в зависимости от условий измерения. Сначала выбирают гальванометр по частоте исследуемого сигнала. Так, для регистрации сигналов, форма которых близка к прямоугольной, рабочая частота гальванометра должна быть не менее, чем в 10 (а лучше в 20) раз больше частоты основной гармоники сигнала. При регистрации синусоидальных сигналов рабочая частота гальванометра должна быть того же порядка, что и частота сигнала.
|
|
|
После выбора гальванометра по частотным свойствам производят окончательный выбор с учетом его чувствительности.
Успокоение рамки гальванометра - жидкостное (корпус заполнен прозрачной жидкостью) и магнитоэлектрическое.
В корпусе гальванометра имеется прозрачное окно для светового луча, падающего на миниатюрное зеркало, закрепленное на рамке гальванометра.
Оптическая система светового осциллографа показана рис.7.1.Свет от лампы накаливания Л, проходя через систему линз и призм, попадает на зеркало осциллографического гальванометра ОГ. Отразившись, луч света через систему линз и призм попадает на фотоноситель Н, перемещаемый с заданной скоростью лентопротяжным механизмом. При колебании подвижной части ОГ световое пятно совершает поперечные колебания на носителе, вызывая засвечивание светочувствительного слоя. На носителе возникает развернутая во времени осциллограмма изменения исследуемого сигнала. Одновременно на носитель может попадать несколько световых лучей (по числу установленных в магнитный блок ОГ).
Для возможности визуального наблюдения исследуемого сигнала часть луча отбирается при помощи зеркала З и попадает на вращающийся зеркальный призматический барабан Б. Этот барабан осуществляет развертку луча вдоль экрана Э из матового стекла.
Отметчик времени представляет собой прерыватель вспомогательного светового луча, падающего на край фотоносителя Н. Прерывание осуществляется вращающейся крыльчаткой, кинематически связанной с двигателем лентопротяжного механизма. Таким образом, на
Содержание (часть І).
стр.
Введение.............................................................................................. 4
1.Основы метрологии……………………………………………………….... 4
1.1. Определение и классификация измерений……………………………... 4
1.2. Единицы физических величин…………………………………………... 6
|
|
|
1.3. Погрешности измерений………………………………………………..... 9
1.4. Характеристики электроизмерительных приборов…………………... 14
2. Меры и эталоны электрических величин……………………………….. 16
2.1. Классификация мер…………………………………………………....... 16
2.2. Меры единиц электрических величин………………………………… 16
2.3. Эталоны единиц электрических величин……………………………... 18
3. Преобразователи токов и напряжений…………………………………... 19
3.1. Шунты……………………………………………………………………. 19
3.2. Добавочные сопротивления ………………………………………….... 20
3.3. Измерительные трансформаторы тока………………………………… 21
3.4. Измерительные трансформаторы напряжения……………………….. 24
3.5. Измерительные трансформаторы постоянного тока…………………. 26
4. Общие сведения об аналоговых электромеханических приборах ……. 28
4.1. Классификация приборов и их исполнения…………………………... 29
4.2. Условные обозначения на циферблатах приборов……………………. 30
4.3. Отсчетные устройства………………………………………………….. 33
4.4. Опорные устройства…………………………………………………… 34
4.5. Создание противодействующего момента…………………………… 35
4.6. Создание успокаивающего момента…………………………………… 35
5. Измерительные механизмы электромеханических измерительных
приборов…………………………………………………………………… 36
5.1. Магнитоэлектрические механизмы…………………………………… 36
5.2. Магнитоэлектрические гальванометры……………………………….. 40
5.3. Электродинамические механизмы……………………………………. 41
5.4. Электромагнитные механизмы……………………………………….. 46
5.5. Электростатические механизмы………………………………………. 48
5.6. Выпрямительные приборы…………………………………………… 50
5.7. Термоэлектрические приборы…………………………………………. 52
5.8. Индукционные механизмы…………………………………………… 54
6. Измерительные цепи……………………………………………………….56
6.1. Характеристики измерительных преобразователей…………………. 57
6.2. Мостовые измерительные цепи………………………………………. 63
6.3. Компенсационные измерительные цепи………………………………. 70
6.4. Автоматические мосты и компенсаторы……………………………… 73
7. Регистрирующие приборы……………………………………………….. 74
|
|
|
7.1. Методы регистрации……………………………………………………. 74
7.2. Диаграммные носители………………………………………………… 75
7.3. Регистрирующие устройства………………………………………….. 76
7.4. Самопишущие приборы прямого действия………………………….. 77
7.5. Светолучевой осциллограф……………………………………………. 77
Отсчет значений величин в таких лентах производится с помощью специальной дуговой масштабной линейки.
Диаграммные ленты ЛПГ и ЛПВ имеют прямоугольную систему координат и используются в приборах с прямолинейным движением регистрирующего органа. Отсчет значений величин производится без масштабной линейки. Ленты ЛПГ применяются при горизонтальном, а ленты ЛПВ - при вертикальном движении пера.
Диаграммные ленты могут быть как с перфорацией по краю ленты, так и без нее. Перфорация предназначена для совмещения диаграммы с ведущим барабаном лентопротяжного механизма, имеющего для этой цели специальные выступы. Ленты без перфорации маркируются дополнительными буквами БП. Ширина поля записи диаграммных лент может быть от 40 до 400 мм.
Круговые диаграммы используются для записи в полярной системе координат. Приборы с круговыми диаграммами не требуют сложного лентопротяжного механизма. Обычно 1 оборот диаграмма совершает за одни сутки. Приборы с круговыми диаграммами широко используются для регистрации технологических процессов на производствах.
Регистрирующие устройства.
В простейшем случае регистрирующий орган (перо) прибора непосредственно соединен с подвижной частью измерительного механизма. При вращательном движении подвижной части измерительного механизма регистрирующий орган перемещается по дуге окружности.
В приборах, использующих прямоугольно-координатные диаграммные ленты, регистрирующий орган соединён с подвижной частью измерительного механизма через спрямляющее устройство кулисного типа.
Для получения развертки во времени диаграммные ленты необходимо перемещать с определенной скоростью. Это осуществляется лентопротяжным механизмом. Механизм состоит из двигателя протяжки с редуктором, на валу которого непосредственно или через передачу крепится ведущий барабан, зубцы которого входят в перфорацию диаграммной ленты. Диаграммная бумага сматывается с подающего барабана и наматывается на приемный барабан. Последний связан с ведущим барабаном шкивом. Изменяя передаточное число редуктора перестановкой сменных шестерен, добиваются нужной скорости протяжки. Скорость протяжки выбирается в зависимости от максимально возможной скорости изменения регистрируемой величины.
|
|
|
В приборах с круговой диаграммой протяжка осуществляется вращением ведущего диска, на котором крепится диаграмма, с постоянной скоростью 1 об/сутки.
Измерение - нахождение значений физических величин опытным путём с помощью специальных технических средств. Цель измерений – количественная оценка значения величины в общепринятых единицах.
Единство измерений – это такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешности известны с заданной вероятностью. Только в этом случае можно сопоставлять результаты различных измерений.
Средство измерения – техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированную погрешность (или нормированные метрологические свойства). Все средства измерений, используемые на практике, можно классифицировать следующим образом:
1.Мера - это средство измерения, предназначенного для воспроизведения какой-нибудь физической величины заданного размера, например, весовая гиря, магазин образцовых сопротивлений и т. д.
2.Измерительный прибор – средство измерения, в котором результат измерения представлен в виде, доступном для непосредственного восприятия человеком-наблюдателем.
3.Измерительный преобразователь – средство измерения, в котором информационный сигнал представлен в форме, удобной для дальнейшего преобразования или передачи, но не поддающийся непосредственному восприятию наблюдателем. Примером измерительного преобразователя может быть термопара, фоторезистор, делитель напряжения и т. д. При этом могут быть преобразователи неэлектрических величин в электрическую и преобразователи одной электрической величины в другую электрическую величину.
4.Электроизмерительная установка – это совокупность функционально связанных между собой средств измерений, расположенных в одном месте (не требуется передачи сигнала по каналам связи). Примером такой установки может служить стенд для проверки электрических счётчиков или установка для испытаний магнитных материалов.
|
|
|
5.Измерительная информационная система представляет собой совокупность средств измерений, соединённых между собой каналами связи и предназначенных для выработки информационных сигналов, удобных для автоматической обработки и использования в автоматических системах контроля и управления, например, система централизованного автоматического учёта электроэнергии на металлургическом заводе.
Все средства измерений должны удовлетворять государственным нормам: техническим (ошибки, входное сопротивление, масса…), безопасности, эстетическим и эргономическим, правилам приёмки и методам испытаний.
Принцип измерения – это совокупность физических явлений, на которых основаны измерения. Так, принципом измерения температуры с помощью ртутного термометра является тепловое расширение тел.
Метод измерения – совокупность приёмов использования принципов и средств измерения, например: преобразование электрического тока
температура контролируемой среды изменится, изменится величина сопротивления датчика rx, появится разбаланс моста. Величина и фаза напряжения разбаланса определится величиной rx. Напряжение разбаланса усиливается по напряжению и по мощности электронным усилителем и вызывает вращение двигателя в направлении, способствующим устранению разбаланса. Движок реохорда r1 займет новое установившееся положение. Каждому значению температуры будет соответствовать свое положение движка реохорда и связанной с ним стрелки прибора. Шкала указателя градуируется непосредственно в единицах температуры. Мощность двигателя автоматических мостов и потенциометров берется в пределах 10-12 Вт. Порог чувствительности, при котором происходит пуск двигателя, составляет примерно 0,2 % от верхнего значения шкалы.
Классы точности серийных автоматических мостов 1,0 – 1,5, а компенсаторов - до 0,2.
Регистрирующие приборы.
Регистрирующие приборы используются в тех случаях, когда необходимо не только измерить, но и зафиксировать результаты измерения физической величины в течении определенного промежутка времени. В зависимости от формы показаний регистрирующие приборы делят на самопишущие (результат в форме диаграммы) и печатающие (результат в цифровой форме). При этом запись может производиться непрерывно или дискретно (точечная запись).
В зависимости от структурной схемы различают регистрирующие приборы прямого действия и компенсационные (следящего преобразования).
При исследовании сигналов частотой до 100-200 Гц обычно в качестве регистрирующих приборов используют самописцы. На частотах до нескольких килогерц могут быть применены светолучевые осциллографы. Сигналы более высоких частот могут быть исследованы только с помощью электронно-лучевых осциллографов.
Методы регистрации.
На практике используются следующие методы регистрации измерительной информации:
1. Путем нанесения слоя вещества на носитель. Этот метод может быть реализован с помощью записи карандашом, чернилами, чернильной пастой под давлением, печатью специальными чернильными красителями. Наиболее часто используется чернильная запись. Ее преимуществом является малое сопротивление регистрирующему органу, высокое качество следа, большая длительность записи без дозарядки - не менее суток. Недостатки чернильной записи: необходимость применения специальных
дробные единицы измерения. Наименование всех единиц в том числе принятых в честь ученых, пишутся со строчной (малой) буквы: 5 ампер, 300 ватт, но обозначение единицы, принятые в честь учёных, пишутся с прописной (большой) буквы: 5 А, 300 Вт. В обозначениях единиц точка не ставится за исключением тех случаев, когда обозначение представляет собой сокращение слов: мм рт. ст.; л.с.
В таблице 1.1 показаны кратные и дольные части единиц измерения.
Таблица 1.1
| Множитель к единице измерения | Наименование приставки | Обозначение приставки | |
| русское | международное | ||
| 1012 | Тера | Т | T |
| 109 | Гига | Г | G |
| 106 | Мега | М | M |
| 103 | Кило | к | k |
| 102 | Гекто | г | h |
| 101 | Дека | да | da |
| 10-1 | Деци | д | d |
| 10-2 | Санти | с | c |
| 10-3 | Милли | м | m |
| 10-6 | Микро | мк | μ |
| 10-9 | Нано | н | n |
| 10-12 | Пико | п | p |
В таблице 1.2 приведены наименование, обозначение и размерность основных и производных единиц измерений, используемых в практике электромагнитных измерений.
Таблица 1.2
| Физическая величина, ее буквенное обозначение | Наименование | Обозначение | размер ность | Примечание, внесистемн. единицы | |||
| рус-ское | между-народн | ||||||
| Механические величины. | |||||||
| Плотность Сила Давление | килограмм на кубический метр ньютон паскаль | кг/м3 Н Па | kg/m3 N Pa | кг/м3 кг∙м∙с2 Н м2 | 1атм≈0,1МПа | ||
качестве нуль-органа используется вибрационный гальванометр.
На рис. 6.24 приведена схема полярно-координатного компенсатора переменного тока. Рабочий ток в компенсирующем контуре устанавливается с помощью резистора r и контролируется амперметром А. Уравновешивание схемы по модулю осуществляется при помощи регулируемых резисторов аб (точно) и вг (грубо) В качестве точного резистора аб используется калиброванная проволока (реохорд). Уравновешивание по фазе осуществляется фазорегулятором ФР. Отсчет показаний производится по положению движков резисторов и ротора фазорегулятора.
r
Ux1 U
a D1 O1 b Tp -Ux
I1 в E2 I2 Ux2
O2 α
Ux2 rf a б
ни Ux D2 г 0
Рис. 6.25. Прямоугольно-координатный компенсатор.
Компенсатор имеет дна рабочих контура А и Б. Контур А состоит из реостата r, амперметра, реохорда аб и первичной цепи трансформатора Тр без магнитного сердечника. Реостатом r устанавливается заданная величина тока I1 в контуре. Напряжение Uаб определяется величиной сопротивления rаб, которое может быть проградуировано в единицах напряжения.
Контур Б состоит из вторичной обмотки трансформатора Тр, реохорда вг и резистора rf.Ток I2 контура при незначительной индуктивности вторичной цепи трансформатора совпадает по фазе с вторичным напряжением Е2, а следовательно, отстает по фазе от тока I1 на 90°. Падение напряжения Uв2 на реохорде в2 при постоянном токе I1 и частоте f также будет постоянно, поэтому шкалу реохорда также можно проградуировать в единицах напряжения. Напряжения Uаб и Uв2 сдвинуты друг относительно друга на π/2. В связи с тем, что I2 зависит от частоты питающего напряжения, то в случае возможного изменения частоты f устанавливают резистор rf, с помощью которого поддерживают заданное значение тока
E2 ωM
I2 ═—— ═ —— I1,
r1 r2
где ω = 2πf – угловая частота тока, М - коэффициент взаимной индукции обмоток трансформатора, r2 - полное активное сопротивление контура.
| Активная мощность, Р Реактивная мощность, Q Полная мощность, S Электромагнитная энергия, работа Частота колебаний F Напряженность магнитного поля, Н Магнитная проницаемость, μ Диэлектрическая проницаемость, ε | ватт вар вольт-ампер джоуль герц метр генри на метр фарада на метр | Вт вар ВА Дж Гц А/м Гн/м Ф/м | W var VA J Hz A/m H/m F/m | м2 с-3кг м2 с-3 кг м2 с-3 кг м2 с-2 кг с-1 А м-1 м кг с-2 А-2 м-3 кг-1с4А2 | 1 эрг=10-7 Дж | |||||
| Оптические единицы | ||||||||||
| Световой поток Освещенность | люмен люкс | лм лк | lm lx | кд ср м2 кд ср | ||||||
Погрешность измерений.
Измерить физическую величину можно лишь приближённо. Точность это качество измерения, отражающее близость результата к истинному значению измеряемоё величины. При этом истинным значением считается то значение, которое идеально отражало бы свойство объекта. По точности все измерения делятся на три класса: измерения высшей точности, выполненные при исследовании эталонов и физических констант: измерения при контрольной и ведомственной проверке измерений, а также технические измерения.
Результат измерений обязательно должен сопровождаться данными о погрешности измерения. Поскольку погрешность имеет вероятный характер, должна быть оценена и вероятность её появления. Следовательно, результат измерения в общем виде должен содержать числовое значение величины, наименование единицы измерения, значение погрешности и её вероятность. Например: U=1,15 B; ΔU=±0.05 B; Р=0,95.
Точность измерения характеризуется погрешностью: чем меньше погрешность, тем выше точность. Погрешность – это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Так как истинное значения измеряемой величины неизвестно, вместо истинного значения понимают значение величины, найденное
где m и n - числа витков вторичных обмоток трансформатора.
Для второго варианта реализации трансформаторного моста по рис. 6.22 условие равновесия таково:
Z1 p
—— ═ ——,
Z2 q
где р и q - числа витков первичных обмоток трансформатора.
Достоинствами трансформаторных мостов является постоянная чувствительность в широком диапазоне изменения отношения плеч, возможность применения на частотах до сотен мегагерц, незначительная погрешность (0,01-0,001%).
 | |||
 | |||
Z1 Z2 Z1 p U
m n
Z2 q
U
Рис. 6.21. Трансформаторный
мост; вариант 1. Рис. 6.22. Трансформаторный мост;
вариант 2.
|
|
|
