Montagpena.ru

Строительство и Монтаж
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Конструкция вольтметра

Конструкция вольтметра

Как было сказано ранее, большинство измерительных механизмов являются чувствительными устройствами. Некоторые механизмы Д'Арсонваля имеют номинальный ток отклонения на полную шкалу всего 50 мкА при (внутреннем) сопротивлении провода менее 1000 Ом. Это делает возможным создание вольтметра со значением полной шкалы всего 50 милливольт (50 мкА х 1000 Ом)! Чтобы сконструировать вольтметр с практически применимыми размерами шкал (более высокими напряжениями) на основе таких чувствительных измерительных механизмов, нам нужно найти способ уменьшить измеряемую величину напряжения до уровня, с которым может работать механизм.

Измерительный механизм Д’Арсонваля

Давайте начнем наш пример с задачи с измерительным механизмом Д’Арсонваля, имеющим номинальное значение 1 мА для отклонения стрелки на полную шкалу и сопротивление катушки 500 Ом:

Рисунок 1 Измерительный механизм ДАрсонваля Рисунок 1 – Измерительный механизм Д’Арсонваля

Используя закон Ома (E = IR), мы можем определить, какое напряжение приведет к отклонению стрелки этого измерительного механизма на полную шкалу:

E = (1 мА) (500 Ом) = 0,5 В

Если бы всё, что нам было нужно, это измерительный прибор, который мог бы измерять 1/2 вольта, то простого измерительного механизма, который у нас есть здесь, было бы достаточно. Но для измерения более высоких уровней напряжения необходимо нечто большее. Чтобы получить эффективный диапазон напряжений вольтметра, превышающий 1/2 вольта, нам необходимо разработать схему, подающую на измерительный механизм только точную долю измеряемого напряжения.

Это расширит диапазон измерительного механизма до более высоких напряжений. Соответственно, нам нужно будет перемаркировать шкалу на лицевой стороне индикатора, чтобы указать его новый диапазон измерений с подключенной схемой деления.

Но как создать необходимую схему деления? Что ж, если мы намерены позволить этому измерительному механизму измерять большее напряжение, чем сейчас, нам нужна схема делителя напряжения, чтобы пропорционально разделить общее измеряемое напряжение и подать на измерительный механизм меньшее значение. Зная, что схемы делителей напряжения строятся из последовательных сопротивлений, мы подключим резистор последовательно с измерительным механизмом (используя собственное внутреннее сопротивление механизма в качестве второго сопротивления в делителе):

Рисунок 2 Измерительный механизм ДАрсонваля с использованием делителя напряжения Рисунок 2 – Измерительный механизм Д’Арсонваля с использованием делителя напряжения

Умножающие резисторы

Последовательный резистор называется «умножающим» резистором, потому что он умножает рабочий диапазон измерительного механизма, когда пропорционально делит измеряемое напряжение. Определение необходимого значения умножающего сопротивления будет для вас простой задачей, если вы знакомы с анализом последовательных цепей.

Например, давайте определим необходимое значение «умножающего» резистора, чтобы значение полной шкалы этого измерительного механизма (1 мА, 500 Ом) составляло 10 вольт. Для этого нам сначала нужно нарисовать таблицу E/I/R для двух последовательных компонентов:

Рисунок 3 Таблица анализа цепи Рисунок 3 – Таблица анализа цепи

Мы знаем, что стрелка измерительного механизма отклоняется на полную шкалу при проходящем через него токе 1 мА, и мы хотим, чтобы это происходило при прикладывании (к всей последовательной цепи) напряжения 10 В, мы можем заполнить таблицу следующим образом:

Рисунок 4 Таблица анализа цепи. Шаг 1. Исходные данные Рисунок 4 – Таблица анализа цепи. Шаг 1. Исходные данные

Для определения значения умножающего сопротивления есть несколько способов. Один из способов – определить полное сопротивление цепи, используя закон Ома в столбце «Общее» (R=E/I), а затем вычесть из него 500 Ом измерительного механизма, чтобы получить значение умножающего сопротивления:

Рисунок 5 Таблица анализа цепи. Шаг 2. Определение значения умножающего сопротивления Рисунок 5 – Таблица анализа цепи. Шаг 2. Определение значения умножающего сопротивления

Другой способ рассчитать это же значение сопротивления – это определить падение напряжения на измерительном механизме при отклонении стрелки на полную шкалу (E =IR), а затем вычесть это падение напряжения из общего значения, чтобы получить напряжение на умножающем резисторе. И, наконец, можно снова использовать закон Ома для определения сопротивления (R=E/I) для умножающего сопротивления:

Читайте так же:
Форсунки под сжиженный газ

Рисунок 6 Таблица анализа цепи. Способ 2 Рисунок 6 – Таблица анализа цепи. Способ 2

Оба способа дают один и тот же ответ (9,5 кОм), и один метод может использоваться в качестве проверки другого, чтобы проверить точность расчета.

Рисунок 7 Полученная схема вольтметра для максимального напряжения 10 вольт Рисунок 7 – Полученная схема вольтметра для максимального напряжения 10 вольт

При подаче ровно 10 вольт между измерительными щупами измерительного прибора (от какой-либо батареи или прецизионного источника питания) через измерительный механизм будет проходить ток ровно 1 мА, который ограничивается «умножающим» резистором и собственным внутренним сопротивлением механизма. На сопротивлении проволочной катушки измерительного механизма будет падать ровно 1/2 вольта, и стрелка будет указывать точно на значение полной шкалы. Если изменить маркировку шкалы так, чтобы показания на ней были от 0 до 10 В (вместо от 0 до 1 мА), любой, кто смотрит на шкалу, интерпретирует ее показание как десять вольт.

Обратите внимание, что пользователю измерительного прибора совсем не обязательно знать, что сам механизм фактически измеряет лишь часть этих десяти вольт от внешнего источника. Всё, что имеет значение для пользователя, – это то, что схема в целом работает для точного отображения общего приложенного напряжения.

Вот как конструируются и используются реальные электроизмерительные приборы: чувствительный измерительный механизм сконструирован так, чтобы работать с минимальными напряжением и током, насколько это возможно для максимальной чувствительности, затем его «обманывают» какой-то схемой делителя, построенной из прецизионных резисторов так, чтобы он показывал значение полной шкалы, когда на схему в целом воздействует гораздо большее напряжение или ток. Здесь мы рассмотрели конструкцию простого вольтметра. Амперметры следуют тому же общему правилу, за исключением того, что параллельно включенные «шунтирующие» резисторы используются для создания схемы делителя тока, в отличие от последовательно включенных «умножающих» резисторов делителя напряжения, используемых в конструкциях вольтметров.

Как правило, для такого электромеханического измерительного прибора полезно иметь несколько диапазонов, чтобы он мог измерять широкий диапазон напряжений с помощью одного измерительного механизма. Это достигается за счет использования многопозиционного переключателя и нескольких умножающих резисторов, каждый из которых рассчитан на определенный диапазон напряжений:

Рисунок 8 Многодиапазонный вольтметр Рисунок 8 – Многодиапазонный вольтметр

Пятипозиционный переключатель одновременно устанавливает контакт только с одним резистором. В нижнем (полностью по часовой стрелке) положении он вообще не контактирует ни с одним резистором, обеспечивая положение «выключено». Сопротивление каждого резистора подбирается таким образом, чтобы обеспечить для вольтметра определенный полный диапазон, всё в зависимости от конкретного номинала измерительного механизма (1 мА, 500 Ом). Конечным результатом является вольтметр с четырьмя различными диапазонами измерения. Конечно, для того, чтобы он работал правильно, шкала измерительного механизма должна быть снабжена метками, соответствующими каждому диапазону.

В такой конструкции измерительного прибора значение каждого резистора определяется одним и тем же методом с использованием известного максимального напряжения, значения измерительного механизма для отклонения стрелки на полную шкалу и сопротивления измерительного механизма. Для вольтметра с диапазонами 1 вольт, 10 вольт, 100 вольт и 1000 вольт умножающие сопротивления будут следующими:

Рисунок 9 Пример умножающих сопротивлений Рисунок 9 – Пример умножающих сопротивлений

Обратите внимание на значения умножающих резисторов, используемые для этих диапазонов, и насколько они странные. Очень маловероятно, что когда-либо найдется прецизионный резистор 999,5 кОм, поэтому разработчики вольтметров часто выбирают вариант приведенной выше конструкции, который использует более распространенные значения резисторов:

Рисунок 10 Пример умножающих сопротивлений Рисунок 10 – Пример умножающих сопротивлений

С каждым последовательно повышающимся диапазоном напряжений переключатель приводит в действие всё больше умножающих резисторов, в результате чего их последовательные сопротивления складываются до необходимой суммы. Например, если переключатель диапазона установлен в положение 1000 вольт, нам потребуется общее умножающее сопротивление 999,5 кОм. Благодаря этой конструкции измерительного прибора мы получим:

Читайте так же:
Сварить регистры отопления из труб

Rобщ = R4 + R3 + R2 + R1

Rобщ = 900 кОм + 90 кОм + 9 кОм + 500 Ом = 999,5 кОм

Преимущество, конечно же, состоит в том, что номиналы отдельных умножающих резисторов встречаются чаще (900 кОм, 90 кОм, 9 кОм), чем некоторые из странных значений в первой схеме (999,5 кОм, 99,5 кОм, 9,5 кОм). Однако с точки зрения пользователя измерительного прибора заметной разницы в работе не будет.

Устройство амперметра и вольтметра

Изначально вольтметры и амперметры были только механическими, и лишь спустя многие годы, с развитием микроэлектроники, начали выпускаться цифровые вольтметры и амперметры. Тем не менее, даже сейчас механические измерительные приборы пользуются популярностью. Они, по сравнению с цифровыми, устойчивы к помехам и дают более наглядное представление о динамике измеряемой величины. Их внутренние механизмы остаются практически теми же, что и канонические магнитоэлектрические механизмы первых вольтметров и амперметров.

Амперметр

В данной статье мы рассмотрим устройство типичного стрелочного прибора, чтобы каждый новичок мог бы понимать основные принципы работы вольтметров и амперметров.

Тестер Ц4353

В своей работе стрелочный измерительный прибор использует магнитоэлектрический принцип. Постоянный магнит с выраженными полюсными наконечниками закреплен неподвижно. Между этими полюсами расположен неподвижный стальной сердечник так, что в воздушном кольцеобразном зазоре между сердечником и полюсными наконечниками магнита формируется постоянное магнитное поле.

В зазор вставлена подвижная алюминиевая рамка, на которую очень тонким проводом намотана катушка. Рамка закреплена на полуосях, и может поворачиваться вместе с катушкой. К рамке спиральными пружинами прикреплена стрелка прибора. Через пружины к катушке подводится ток.

Устройство магнитоэлектрических измерительных приборов

Когда по проводу катушки проходит ток I, то, поскольку катушка помещена в магнитное поле, и ток в ее проводниках течет пересекая перпендикулярно магнитные силовые линии в зазоре, на нее будет действовать вращающая сила со стороны магнитного поля. Электромагнитная сила создаст вращающий момент М, и катушка вместе с рамкой и стрелкой станет поворачиваться на некоторый угол α.

Поскольку индукция магнитного поля в зазоре неизменна (магнит постоянный), то вращающий момент будет всегда пропорционален именно току в катушке, и величина его будет зависеть от тока и от неизменных конструктивных параметров данного конкретного прибора (с1). Этот момент будет равен:

Вращающий момент

Препятствующий повороту рамки момент противодействия, возникающий из-за наличия пружин, окажется пропорционален углу закручивания пружин, то есть углу поворота стрелки, связанной с подвижной частью:

Момент противодействия

Таким образом, поворот будет продолжаться до тех пор, пока момент М, создаваемый током в рамке не окажется равным моменту противодействия Мпр от пружин, то есть пока не наступит равновесие. В этот момент стрелка остановится:

Угол закручивания пружины

Очевидно, угол закручивания пружин будет пропорционален току рамки (и измеряемому току), по этой причине приборы магнитоэлектрической системы обладают равномерной шкалой. Коэффициент пропорциональности k между углом поворота стрелки и единицей измеряемого тока называется чувствительностью прибора.

Обратная величина именуется ценой деления или постоянной прибора. Значение измеренной величины определяется как произведение цены деления на количество делений отсчета на шкале.

Чтобы избежать мешающих колебаний подвижной рамки при переходах стрелки от одного ее положения к другому, в данных приборах применяют магнитно-индукционные или воздушные демпферы.

Рамка с магнитом

Магнитно-индукционный демпфер представляет собой пластину из алюминия, которая закреплена на поворотной оси прибора, и всегда движется вместе со стрелкой в поле постоянного магнита. Возникающие вихревые токи тормозят катушку. Суть в том, что по правилу Ленца, вихревые токи а пластине, взаимодействуя с порождающим их магнитным полем постоянного магнита, препятствуют движению пластины, и колебания стрелки быстро затухают. Роль такого магнитно-индукционного демпфера и выполняет алюминиевый каркас, на который намотана катушка.

Читайте так же:
Самодельный лодочный мотор из шуруповерта

При повороте рамки, магнитный поток от постоянного магнита, пронизывающий алюминиевый каркас, изменяется, а значит в алюминиевом каркасе индуцируются вихревые токи, которые при взаимодействии с магнитным полем постоянного магнита оказывают тормозящее действие, и колебания стрелки прекращаются.

Воздушные демпферы магнитоэлектрических приборов представляют собой цилиндрические камеры с помещенными внутри поршнями, связанными с подвижными системами приборов. Когда подвижная часть приходит в движение, поршень в форме крыла тормозится в камере, и колебания стрелки затухают.

Поводок, подпятник, винт и грузики

Для достижения нужной точности измерений, прибор не должен быть подвержен влиянию силы тяжести в процессе измерения, а отклонение стрелки должно быть связано лишь с вращающим моментом, возникающим при взаимодействии тока катушки с магнитным полем постоянного магнита и с торможением рамки пружинами.

Чтобы исключить вредное влияние силы тяжести и избежать связанных с ним погрешностей, к подвижной части прибора добавляют противовесы в виде грузиков, перемещающихся на стержнях.

Для снижения трения стальные наконечники выполняются из отполированной износостойкой стали или из вольфрамо-молибденового сплава, а подпятники изготавливают из твердого минерала (агат, корунд, рубин и т. д.). Зазор между наконечником и подпятником настраивают при помощи стопорного винта.

Для точной установки стрелки в нулевое исходное положение, прибор оснащается корректором. Корректором в стрелочном приборе служит винт, выведенный наружу, и соединенный поводком с пружиной. При помощи винта можно передвигать немного спираль на оси, регулируя таким образом исходное положение стрелки.

Большинство современных приборов имеют подвижную часть, подвешенную на паре растяжек в виде упругих металлических лент, служащих для подачи тока на катушку, и создающих противодействующий момент. Растяжки соединены с парой плоских пружин, расположенных взаимно перпендикулярно.

Справедливости ради отметим, что кроме классического механизма, рассмотренного выше, встречаются также и приборы с магнитами не только п-образной формы, но и с цилиндрическими магнитами, и с магнитами в форме призм, и даже с внутрирамочными магнитами, которые сами могут быть подвижными.

Для измерения тока или напряжения, магнитоэлектрический прибор включают в цепь постоянного тока по схеме амперметра или вольтметра, разница лишь в сопротивлении катушки и в схеме включения прибора в цепь. Разумеется через катушку прибора не должен проходить весь измеряемый ток при измерении тока, и не должна потребляться большая мощность при измерении напряжения. Для создания надлежащих условий служит добавочный резистор, встроенный в корпус измерительного прибора.

Сопротивление добавочного резистора в схеме вольтметра превосходит сопротивление катушки во много раз, и этот резистор изготовлен из металла с чрезвычайно малым температурным коэффициентом сопротивления, такого как манганин или константан. Резистор, включаемый параллельно катушке в амперметре, называется шунтом.

Сопротивление шунта напротив во много раз меньше сопротивления измерительной рабочей катушки, поэтому через провод катушки проходит только мизерная доля измеряемого тока, в то время как основной ток течет через шунт. Добавочный резистор и шунт позволяют расширить пределы измерения прибора.

Направление отклонения стрелки прибора зависит от направления тока через измерительную катушку, поэтому при включении прибора в цепь важно правильно соблюсти полярность, иначе стрелка будет двигаться в другую сторону. Соответственно, магнитоэлектрические приборы в каноническом виде непригодны для включения в цепь переменного тока, поскольку стрелка будет просто вибрировать оставаясь на одном месте.

Тем не менее, к достоинствам магнитоэлектрических приборов (амперметров, вольтметров) относятся высокая точность, равномерность шкалы и устойчивость к помехам, порождаемым внешними магнитными полями. К недостаткам — непригодность к измерению переменного тока (чтобы измерить переменный ток, нужно будет его сначала выпрямить), требование к соблюдению полярности и уязвимость тонкой проволоки измерительной катушки к перегрузкам.

Читайте так же:
Что такое шпиндель сверлильного станка

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ В ЦЕПЯХ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Измерительный механизм (ИМ) магнитоэлектрической системы рассчитан на ток IИ и напряжение UИ и имеет шкалу на α делений.

  1. Составить схему включения измерительного механизма с шунтом и дать вывод формулы RШ.
  2. Определить постоянную измерительного механизма по току СI, величину сопротивления шунта RШ и постоянную амперметра , если этим прибором нужно измерить ток IН.
  3. Определить мощность, потребляемую амперметром при номинальном значении тока IН
  4. Составить схему включения измерительного механизма с добавочным сопротивлением и дать вывод формулы RД.
  5. Определить постоянную измерительного механизма по напряжению СU, величину добавочного сопротивления RД и постоянную вольтметра , если этим прибором нужно измерить ток UН.
  6. Определить мощность, потребляемую вольтметром при номинальном значении напряжения UН

Исходные данные для решения задачи №4 приведены в табл. 2.2.1

Таблица 2.2.1 Числовые значения для задачи №2

Предпоследняя цифра шифра

Напряжение ИМ Uи

1. В амперметрах и миллиамперметрах для расширения предела измерения применяется шунт. Он представляет собой сопротивление, включаемое в цепь измеряемого тока; параллельно шунту включается измерительный механизм (рис.1).


Обозначив IН – измеряемый ток, IШ и RШ – ток и сопротивление шунта, IИ и RИ – ток и сопротивление измерительного механизма, можно написать:

,

где — шунтирующий множитель, показывающий, во сколько раз измеряемый ток больше тока измерительного механизма или, что то же, во сколько раз расширяется предел измерения тока.

2. Известно выражение для номинального тока

,

где СI – постоянная измерительного механизма по току;

α – угол отклонения подвижной части.

Постоянную измерительного механизма по току найдем, зная связь между СI и постоянной амперметра , определив сначала

3. Мощность, потребляемая амперметром при номинальном значении тока Iн

В магнитоэлектрических вольтметрах применяется тот же измеритель, что и в амперметрах, но на меньший номинальный ток. Для измерения напряжения механизм применяется в сочетании с добавочным сопротивлением. Добавочное сопротивление из манганина включается последовательно с измерительным механизмом (рис. 2). Оно необходимо, чтобы сопротивление вольтметра RV при изменении температуры оставалось неизменным.

Ток в цепи прибора

Если напряжение U = pUи, то добавочное сопротивление Rд можно определить из условия

Множитель р показывает, во сколько раз измеряемое напряжение больше напряжения на измерительном механизме или, иначе, во сколько раз увеличивается предел измерения напряжения прибора при применении добавочного сопротивления.

5. Определим сначала Rд

Постоянная измерительного механизма по напряжения связана с постоянной вольтметра соотношением

Система измерительного механизма вольтметра

Особенности измерения напряжений переменных сигналов различной формы электронными аналоговыми вольтметрами . ( о тветы не нравятся)

2.6. Электронные аналоговые вольтметры.

Схема прибора. Принцип работы. Детекторы.

Принцип действия. В электронных вольтметрах конструктивно объединены электронный преобразователь и измерительный механизм. Электрон­ный преобразователь может быть ламповым или полупроводнико­вым. Измерительный механизм обычно магнитоэлектрический. Элект­ронные аналоговые вольтметры позволяют производить измерения в широком диапазоне напряжений и частот.

Электронные вольтметры постоянного тока выполняются по схеме, представленной на рис. 2.28.

Измеряемое напряжение U , подается на входное устройство, представляющее собой многопредельный высокоомный делитель на резисторах. С делителя напряжение поступает на уси­литель постоянного тока и далее — на измерительный механизм. Де­литель и усилитель постоянного тока ослабляют или усиливают напряжение до значений, необходимых для нормальной работы измерительного механизма. Одновременно усилитель обеспечивает согласование высо­кого сопротивления входной цепи прибора с низким сопротивлением катушки измерительного механизма. Входное сопротивление электрон­ного вольтметра составляет обычно несколько десятков мегаом. Это позволяет производить измерения в высокоомных цепях без заметного потребления мощности от объекта измерения. Диапазон, измеряемых напряжений постоянного тока — от десятков милливольт до несколь­ких киловольт.

Читайте так же:
Ножовка по дереву со сменными полотнами

Электронные вольтметры переменного тока выполняются по двум структурным схемам, представленным на рис. 2.29.

В первой из этих схем измеряемое переменное напряжение сначала преобразуется в по­стоянное при помощи детектора, а затем усиливается усилителем по­стоянного тока и воздействует на измерительный механизм. Во второй схеме усиление производится на переменном токе (для этого служит усилитель переменного тока) и лишь затем предварительно усиленный сигнал выпрямляется детектором и отклоняет стрелку измерительного механизма. Эти схемы дополняют друг друга. Каждая из них обладает своими преимуществами и недостатками. По первой схеме могут строиться вольтметры, обладающие широким частотным диапазоном (10 Гц — 1000 МГц), но обычно не способные измерять напряжения меньше нескольких десятых долей вольта: детектор выпрямляет только достаточно большие напряжения.

Вторая схема позволяет строить чувствительные вольтметры, нижний предел измерения которых составляет всего лишь единицы микровольт. Однако эти приборы имеют меньший частотный диапазон, поскольку частотный диапазон усилителя переменного тока трудно сделать до­статочно большим.

18. Электронные вольтемтры .

Самыми распространенными электронными приборами яв­ляются вольтметры, большинство из которых рассчитано не только на измерение переменных и постоянных напряжений, но также переменных и постоянных токов и активных сопротивле­ний.

Тракт измерения переменных напряжений в электронных вольтметрах построен, как правило, по одной из схем, приведен­ных на рис.25. Первая схема (рис.25,а) предназначена для изме­рения малых напряжений. Недостаток ее — более узкий диапазон измеряемых частот.

В основе построения измерительного устройства цифровых электронных вольтметров лежит тот или иной метод преобразо­вания аналоговой величины в цифровую форму. Большинство со­ временных цифровых измерителей используют преобразования либо по методу поразрядного уравновешивания, либо по методу последовательного счета. Примеры функциональных схем, реа­лизующих эти методы, приведены на рис.26 и 27.

На вход измерительного устройства подается постоянное напряжение Ux . Напряжение Ux представляет собой либо измеряемое постоянное напряжение, либо выходное напряжение де­тектора (при измерении переменного напряжения).

При измерении напряжения по методу поразрядного урав­новешивания (рис.26) на первом такте измеряемое значение Ux сравнивается с максимальным напряжением UK старшего разряда генератора компенсирующего напряжения (ГКН). Если UK > Ux > то схема сравнения вырабатывает сигнал, выключающий этот разряд из дальнейшего рассмотрения. Если UK < UX , то он остает­ся включенным. На втором такте Ux сравнивается с величиной UK / 2 и происходят те же операции. На третьем такте происходит сравнение Ux и UK /4 и т.д. Результат измерения считывается по числу оставшихся включенными разрядов.

Функционирует схема рис.27 следующим образом; в начале измерения запускается устройство управления, которое пооче­редно вырабатывает параллельные коды, соответствующие вели­чинам UK , UK / 2 ; UK /4 и т.д. Под воздействием этих кодов ГКН формирует компенсирующие напряжения UK , UK /2 и т.д. до тех пор, пока очередное напряжение не окажется менее измеряемого Ux и на уравновешивающую цепь не поступит соответствующее напряжение. В этом случае разряд, подаваемый на ГКН, не сни­мается, а указанная процедура повторяется для следующего младшего разряда.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector