Электромагнитные измерительные преобразователи

Электромагнитные ИП подразделяются:

- на индуктивные;

- индукционные;

- магнитоупругие;

- трансформаторные.

Достоинства электромагнитных приборов:

„ простота конструкции и надежность;

„ устойчивость к перегрузкам.

Недостатки:

„ малая чувствительность (здесь и далее, когда речь идет о чувствительности электромеханических приборов, она

сравнивается с чувствительностью магнитоэлектрических приборов, как наиболее чувствительных);

„ значительное потребление мощности от измеряемой цепи (до 1 Вт);

„ невысокая точность (вследствие влияния гистерезиса в ферромагнитном лепестке при измерениях на постоянном токе и появления вихревых токов в лепестке на переменном токе); большое количество влияющих факторов: температура окружающей среды, внешние магнитные поля, частота измеряемого переменного тока (из-за зависимости индуктивности или полного сопротивления катушки от частоты).

Для уменьшения влияния внешних магнитных полей (поле самой катушки очень слабое) используют два пути: экранирование и астазирование. При экранировании катушки магнитомягким железом приборы утяжеляются, а кроме того, неизбежные отверстия в экране (для токоподводов) ослабляют экранирование. Поэтому астазирование предпочтительнее. Астатический прибор (рис. 5.10) состоит из двух одинаковых узлов, расположенных на общей оси и создающих суммарный вращающий момент, однако поля в катушках разнонаправлены (катушки расположены по разные стороны от оси вращения). Следовательно, внешний магнитный поток складывается с потоком одной катушки и вычитается из другого. В результате суммарный вращающий момент остается постоянным

К классу электромагнитных преобразователей помимо рассмотренных индуктивных датчиков относят близкие им по принципу действий взаимоиндуктивные (трансформаторные), вихретоковые и индукционные преобразователи, используемые для измерений широкого спектра физических величин. Взаимоиндуктивные (трансформаторные) преобразователи конструктивно аналогичны индуктивным преобразователям и отличаются тем, что вместо одной имеют две обмотки, как представлено на рисунке:

Преобразователь состоит из П–образного магнитопровода 1, подвижного якоря 2 и двух обмоток с числом витков и. При изменении воздушного зазора изменяются магнитное сопротивление магнитопровода и взаимная индуктивность первой и второй обмоток.
Описанный одинарный преобразователь имеет существенный недостаток, вызванный зависимостью возбуждающего тока от величины воздушного зазора. Например, при уменьшении возрастает индуктивность первой обмотки и ее сопротивление, вызывающее уменьшение тока и вторичной ЭДС. Большей стабильностью возбуждающего тока обладает дифференциальный преобразователь (рисунок). У этого преобразователя первичные обмотки соединены последовательно и подключены к источнику переменного напряжения, а вторичные включены встречно.
Вихретоковые преобразователи (ВТП) по своей конструкции схожи с индуктивными и трансформаторными датчиками соленоидного типа. Они представляют собой одну или несколько катушек (чаще – две), с помощью которых в электропроводящем объекте контроля возбуждаются вихревые токи и осуществляется их регистрация.

Поскольку параметры электромагнитной волны и соответственно поля вихревых токов зависят от электропроводности материала, магнитной проницаемости, размеров изделия (например, толщины листов или диаметра прутков), появляется возможность их измерения путем регистрации информативных параметров. Существуют вихретоковые толщиномеры, измерители электропроводности, структуроскопы, дефектоскопы. Существенно, что возможности метода можно расширить, проводя измерения на разных частотах и осуществляя многопараметровый контроль. Однако при этом возникает необходимость отстройки от влияющих факторов. В качестве примера на рисунке приведена диаграмма комплексной плоскости напряжений ВТП, характеризующая зависимость составляющих наведенной ЭДС (действительной и мнимой) от параметров объекта и режима контроля.
Принцип действия индукционных преобразователей основан на явлении электромагнитной индукции.Варианты индукционных датчиков, называемых тахометрами и используемых для измерения частоты вращения валов, приведены на рисунке.

Преобразователь с вращающимся постоянным магнитом состоит из статора 1, на котором размещена обмотка, и ротора 2 с закрепленным на нем постоянным магнитом. При вращении магнита изменяется поток, проходящий через обмотку, и в ней индуцируется переменная ЭДС. Амплитуда и частота ЭДС пропорциональны частоте вращения ротора. Выбор в качестве информативного параметра частоты изменения ЭДС, которую можно измерить, например, с помощью цифрового частотомера, позволяет уменьшить погрешность измерений. В общем случае частота ЭДС определяется соотношением:, где частота вращения,; число пар полюсов.

47 Термоэлектрические преобразователи

Принцип действия термоэлектрических преобразователей или термопар основан на явлении термоэлектрического эффекта, которое заключается в том, что в цепи из двух различных проводников (или полупроводников), соединенных между собой концами при разности температур соединений возникает ЭДС, называемая термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС). Такая цепь называется термоэлектрическим преобразователем или термопарой. Проводники, составляющие термопару, называются термоэлектродами, а места их соединения спаями. Рабочий конец термопары, помещенный в измеряемую среду, называют горчим спаем, а свободный (нерабочий) – холодным. Один из термоэлектродов называется термоположительным, а второй – термоотрицательным. Термоположительным называют тот проводник, от которого термоток течет в холодном спае, а термоотрицательным – тот проводник, к которому течет термоток в том же холодном спае.

При небольшом перепаде температур между спаями термо-ЭДС пропорциональна разности температур. Величина термо-ЭДС зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температур между спаями.

Явление термоэлектричества принадлежит к числу обратных явлений. Если через цепь, состоящую из двух различных проводников или полупроводников, пропустить электрический ток, то в одном спае выделяется тепло, а на другом поглощается.

В разнородных проводниках количество свободных электронов на единицу объема различно.

Терморезистор представляет собой проводник или полупроводник, сопротивление которого достаточно сильно зависит от температуры. Большинство химически чистых металлов обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления ТКС. Для изготовления терморезисторов применяют материалы, обладающие:

- высокостабильным ТКС;

- линейной зависимостью сопротивления от температуры;

- инертностью к воздействию окружающей среды;

- хорошей воспроизводимостью свойств.

К таким материалам в первую очередь относятся платина и медь. Применяются также вольфрам и никель.

Платиновые терморезисторы применяются в диапазоне температур от –200⁰до +650⁰С и выше. Медные терморезисторы применяются в диапазоне температур от –50⁰ до +200⁰С. При более высоких температурах медь окисляется. Зависимость сопротивления от температуры платиновых терморезисторов практически линейная.

48 Фотоэлектрические преобразователи Принцип действия и основные типы преобразователей. Фотоэлектрический преобразователь представляет собой фотоэлектронный прибор (фотоэлемент), используемый в качестве измерительного преобразователя. Имеются три типа преобразователей: преобразователи с внешним фотоэффектом, с внутренним фотоэффектом и фотогальванические преобразователи. Наибольшее применение нашли преобразователи двух последних типов. К преобразователям с внешним фотоэффектом относятся вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители.
рис 12

Вакуумные фотоэлементы состоят из вакуумированной стеклянной колбы, содержащей два электрода: анод и катод. При освещении фотокатода под влиянием фотонов света он эмитирует электроны. Если между анодом и фотокатодом приложено напряжение, то эти электроны образуют электрический ток; поскольку он вызван фотонами, его называют фототоком. Для фотоэмиссии электронов необходимо, чтобы энергия фотона E=vh где v— частота света; h постоянная Планка, была больше работы выхода электронов Ф, характерной для данного материала фотокатода. Частота vгр=Ф/h называется красной границей фотоэффекта, а соответствующая ее длина волны λ гр=с/vгр где с- скорость света, — длинноволновым порогом фотоэффекта. Если λ > λ Гр, то никакая интенсивность света не может вызвать фотоэффект. Чувствительный элемент преобразователей с внутренним фотоэффектом (фоторезисторов) выполнен в виде пластинки, на которую нанесен слой полупроводникового фоточувствительного материала. В качестве фоточувствительного материала обычно используется сернистый кадмий, селенистый кадмий или сернистый свинец.
Фоторезисторы имеют высокую чувствительность. Однако их сопротивление зависит от температуры подобно сопротивлению термисторов. Для уменьшения температурной погрешности они включаются в смежные плечи моста. Фотоэлектрические преобразователи, используемые для измерения несветовых величин, имеют ряд особенностей. Имеется возможность измерения без контакта с объектом измерения, отсутствует механическое воздействие на объект измерения. Преобразователи чувствительны к силе света и его цвету. Их недостатком является большая погрешность, которая в основном определяется усталостью, старением и зависимостью параметров преобразователя от температуры. Вследствие этих особенностей фотоэлектрические преобразователи нашли применение в основном в следующих случаях. 1. При измерениях, в которых преобразователь работает в релейном режиме. Примером может служить измерение частоты вращения вала, имеющего диск с отверстиями. Диск прерывает луч света, падающий на фотоэлектрический преобразователь. Измеряемая скорость преобразуется в частоту электрических импульсов. 2. В качестве прямого преобразователя в компенсационных измерительных приборах. З.При измерении несветовых величин, когда промежуточной величиной преобразования является величина световая, например, при измерении концентрации вещества в растворе, когда промежуточной величиной является изменение поглощения света раствором.

49 Для измерения тока служат амперметры (миллиамперметры, микроамперметры). Они могутвключаться в цепь измеряемого тока непосредственно (при измерении малых токов), или сшунтами (резисторами малого сопротивления), расширяющими пределы измерения.Сопротивление шунта должно быть таким, чтобы через рамку измерителя протекала лишь часть предельного измеряемого тока, соответствующая току полного отклонения.

Измерение силы тока мультиметром (амперметром)Для измерения напряжения служат вольтметры (милливольтметры, киловольтметры). Вольтметрвключается параллельно участку цепи, на котором измеряется напряжение. Во избежаниеизменения режима работы этой цепи ток, ответвляющийся в цепи вольтметра, должен быть

малым, т.е. сопротивление вольтметра должно быть велико. Это условие выполняется, если вкачестве вольтметра используется чувствительный измеритель тока (микроамперметр), последовательно с которым включается добавочный резистор, ограничивающий ток прибора.

Для измерения напряжения с удовлетворительной точностью необходимо, чтобы сопротивление вольтметра было, по крайней мере, в 20÷ 50 раз больше сопротивления участка цепи, на котором измеряется сопротивление. В противном случае показания вольтметра окажутся существенно

заниженными.Входное сопротивление вольтметра рассчитывается на 1В его шкалы и измеряется в кОм/В, что позволяет сопоставлять входное сопротивление вольтметров имеющих различные пределы измерения.

Измерение сопротивлений отдельных проводников и участков радиосхемы позволяет проверить правильность электрических соединений, отсутствие коротких замыканий в монтаже и таким образом предупреждать и выявлять возможные неисправности аппаратуры. Практическое значение имеют также измерение сопротивлений резисторов, обмоток катушек и

трансформаторов и т.д. Сопротивление может быть измерено с помощью вольтметра и амперметра c последующим вычислением его величины по формуле: R = U / I

Более удобны прямые измерения сопротивления с помощью омметра. Предварительная установка на производится непосредственно перед измерением. После этого подключается измеряемое сопротивление Rх, величина которого отсчитывается по шкале омметра.

Измерение сопротивлений электрическими мостами. Мостовая схема состоит из источника питания, чувствительного прибора (гальванометра Г) и четырех резисторов, включаемых в плечи моста: с неизвестным сопротивлением Rx (R4) и известными сопротивлениями R1, R2, R3, которые

могут при измерениях изменяться. Прибор включают в одну из диагоналей моста (измерительную), а источник питания — в другую (питающую).

Измерение мощности может производиться как прямым, так и косвенным методами. Прямое измерение мощности осуществляется ваттметрами, которые потребляют значительную энергию и

заметно нагружают источник тока. Поэтому они применяются для измерения мощности порядка десятка ватт и более. Для малых значений мощность измеряется косвенными методами. Мощность постоянного тока может быть определена с помощью вольтметра и амперметра присоединенных к потребителю мощности, величина которой рассчитывается по формуле:

P=U・ I Если сопротивление нагрузки Rн, на котором рассеивается измеряемая мощность, известно, то достаточно измерить величину тока, протекающего через нагрузку и вычислить мощность по формуле:

P = I2 Rн Мощность может быть также определена посредством измерения напряжения на известном сопротивлении нагрузки Rн и вычислена по формуле: P = I2/ Rн

Схемы для измерения мощности в цепи. При отсутствии ваттметра пользуются одновременным подключением двух измерительных

приборов к нужному участку цепи: амперметра и вольтметра.

Далее проводится расчет работы и мощности тока по формулам.

P = UI......... и....... A = UIt

50.Параметры синусоидального напряжения и тока.

Самое широкое применение нашли синусоидальные переменные напряжения и токи: