Презентація на тему:
Аналоговы вимірювання

Л9-10 АНАЛОГОВІ ВИМІРЮВАЛЬНІ ПРИЛАДИ

Зміст АВП класифікація Основні метрологічні характеристики 10 Магнітоелектричні вимірювальні прилади 46 Випрямні прилади 74 Термоелектричні вимірювальні прилади 88 Електромагнітні вимірювальні прилади 99 Електродинамічні вимірювальні прилади 111 Феродинамічні вимірювальні прилади 127 Електростатичні вимірювальні прилади 130 Індукційні вимірювальні прилади 144

Аналоговими вимірювальними приладами (АВП) називаються прилади покази яких є неперервними функціями вимірювальних фізичних величин. Залежно від елементної бази, використаної для їх побудови, АВП пοділяються на електромеханічні електронні

Класифікація аналогових вимірювальних приладів

Електромеханічні прилади Принцип дії полягає у перетворенні електромагнітної енергії вимірювального сигналу в механічну енергію переміщення рухомої частини вимірювального механізму.

Електронні АВП звичайно будують на основі магнітоелектричного вимірювального механізму з використанням електронних вузлів - вимірювальних підсилювачів, перетворювачів змінного струму в постійний, функціональних перетворювачів тощо.

Комбіновані прилади призначені для вимірювання декількох величин

Універсальні прилади працюють як на постійному, так і на змінному струмі

Мультиметри вимірювальні прилади, призначені для вимірювання декількох електричних величин як на постійному, так і на змінному струмі

Основні метрологічні характеристики

АВП границю допустимої основної похибки нормують у вигляді зведеної похибки можуть мати один із таких класів точності: 0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5.

Клас точності АВП позначають одним числом k, яке дорівнює границі допустимої зведеної основної похибки приладу γ, вираженої у відсотках,

Варіацією показів називають різницю між окремими показами приладу, що відповідають одному і тому самому значенню вимірюваної величини, а її граничне значення Δгр не повинне перевищувати границь допустимої основної абсолютної похибки Δ .

У приладів з рівномірною шкалою (амперметрів, вольтметрів, ватметрів), в яких нульова позначка розміщена на початку шкали, нормувальне значення ХН дорівнює границі вимірювання приладу ХК

Граничне значення допустимої абсолютної основної похибки показу приладу дорівнює:

Граничне значення допустимої відносної основної похибки

Неповернення вказівника приладу ΔL до нульової позначки при плавному зменшенні його показу від максимального до нуля для приладів з рухомою частиною на розтяжках і самописних приладів не повинне перевищувати значення Δгр -0,01 kL, mm, а для всіх інших приладів - значення ΔLгр -0,005 kL, mm (де L -довжина шкали, м).

Основна похибка та варіація показів аналогових вимірювальних приладів визначаються за нормальних умов застосування

Додаткові інструментальні похибки температурна похибка, частотна похибка, похибка від впливу зовнішнього магнітного поля, похибка від форми кривої сигналу тощо.

Частотний діапазон АВП позначають так: 45...1000... 4000 Гц, де підкреслена область 45... 1000 Гц становить нормальний частотний діапазон, область 1000...4000 Гц —робочий частотний діапазон.

Границі вимірювання Хк вибирають з ряду Хк = а·10n, де а - коефіцієнт, значення якого залежить від виду вимірюваної величини для амперметрів і вольтметрів а=1; 1,2; 1,25; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 7.5; 8; n - будь-яке додатне чи від'ємне ціле число або нуль.

Внутрішній або вхідний опір від якого залежить споживання потужності вимірювальним приладом від джерела вимірювального сигналу і, відповідно, значення похибки взаємодії, зумовленої цим споживанням.

Внутрішній або вхідний опір Внутрішній опір приладів може бути вказаний безпосередньо в метрологічних характеристиках приладу або вказується параметр, за яким можна його обчислювати.

Для вольметрів та кіл напруги ватметрів і фазометрів вказують номінальний струм (струм повного відхилення) Ι vн, який відповідає границі вимірювання приладу UK за напругою, а значення опору розраховують за формулою:

Для амперметрів та кіл струму ватметрів і фазометрів вказують номінальний спад напруги у вимірювальному колі приладу UА Н, який відповідає границі вимірювання приладу за струмом Ік, а значення опору знаходять за формулою

Структура електромеханічних АВП ВК – вимірювальне коло ВМ – вимірювальний механізм ВП – відліковий пристрій

У вимірювальному колі ВК відбувається перетворення вимірюваної величини X (напруги, струму, потужності, опору тощо) в якусь проміжну електричну величину XІ (напругу або струм), яка безпосередньо впливає на вимірювальний механізм.

До складу ВК можуть входити вимірювальні перетворювачі, (шунти, додаткові резистори, подільники напруги, вимірювальні трансформатори струму та напруги), які дають змогу розширити границі вимірювань приладів.

Вимірювальний механізм переважно складається з нерухомої та рухомої частин, призначений для перетворення електромагнітної енергії сигналу XІ в кут повороту рухомої частини α.

Встановлення рухлива частина на опорах, на розтяжках або на підвісі

Відліковий пристрій служить для одержання відліку X приладу і складається з вказівника (стрілкового або світлового), механічно зв'язаного з рухомою частиною ВМ, і нерухомої шкали, яка являє собою сукупність позначок, зображену на циферблаті

Відлікові пристрої

Заспокоювачі

Принцип дії під час перетворення електромагнітної енергії сигналу ХІ в механічну створюється обертальний момент Моб і рухома частина повертається на кут α.

Обертальний момент визначається як похідна від енергії W електромагнітного поля за кутом повороту α

Значення обертального моменту залежить як від величини ХI, яка безпосередньо впливає на ВМ, так і від параметрів рухомої частини де k- коефіцієнт пропорційності; n - показник степеня (n=1 або 2)

Протидіючий момент М ПР = М ПИТα

Статична рівновага рухомої частини

Функція перетворення вимірювального механізму, яка пов'язує покази приладів зі значенням вимірюваної величини і характеризує властивості вимірювального приладу загалом

Залежності обертального Моб моменту від кута повороту α при різних значеннях струму

Чутливість SІ вимірювального механізму до струму виражають в под/А або мм/А

Чутливість Sv вимірювального механізму до напруги виражають в под/В або мм/В

Стала механізму Величина, обернена до чутливості Стала за струмом CI = 1 / SI Стала за напругою CV = 1/ SV

Умовні позначення на циферблаті аналогового електровимірювального приладу

Магнітоелектричні вимірювальні прилади

Магнітоелектричні вимірювальні прилади Конструкція магнітоелектричного вимірювального механізму з рухомою рамкою: 1 — постійний магніт з магнітотвердого матеріалу;2 і 3- полюсні наконечники та осердя із магнітом 'якого матеріалу; 4 - рухома рамка;5 - протидіючі спіральні пружини; 6 - керн або розтяжка; 7 - стрілка; 8 - шкала

де В - індукція магнітного поля в проміжку між постійним магнітом і осердям,в якому переміщується рамка; S - площа рамки (S = b · h т - кількість витків рамки; І0 - середнє значення струму за період або його стала складова сигналу.

Функція перетворення магнітоелектричного механізму де - чутливість магнітоелектричного механізму за струмом

Шкала магнітоелектричних приладів рівномірна Чутливість SІ є сталою величиною, значення якої визначається тільки геометричними розмірами механізму і не залежить від сили струму І0

Тільки для постійного струму Зміна напряму сили струму приводить до зміни напряму кута повороту рамки і тому при ввімкненні магнітоелектричних приладів в електричне коло необхідно дотримуватись вказаної полярності.

Заспокоєння коливань рухомої частини здійснюється, переважно, за рахунок дії вихрових струмів, що виникають в короткозамкнутому контурі алюмінієвого каркасу рамки при її переміщенні в магнітному колі, тобто застосовується так зване каркасне магнітоіндукційне заспокоєння.

Переваги у порівнянні з аналоговими електромеханічними вимірювальними приладам інших систем найвища точність вимірювання на постійному струмі (найвищий клас точності 0,05);

Переваги найвища чутливість, яка забезпечує широкий діапазон вимірювань струму та напруги і дає змогу будувати на їх основі високочутливі гальванометр постійного струму;

Переваги найменше споживання потужності (десяті частки Вт), що пояснюється малим внутрішнім опором амперметрів і великим опором вольтметрів; рівномірний (лінійний) характер шкали.

Основний недолік вони реагують на сталу складову сигналу і можуть застосовуватись тільки у колах постійного струму для використання в колах змінного струму необхідне попереднє перетворення змінного струму в постійний

Магнітоелектричний вимірювальний механізм ввімкнений безпосередньо у вимірювальне коло, дає змогу вимірювати малі постійні струми, які не перевищують 25..50 мА, тобто сам вимірювальний механізм може виступати тільки в ролі мікроамперметрів та міліамперметрів.

Магнітоелектричні амперметри Для розширення границь вимірювання у бік великих струмів застосовують шунти У практиці застосовують з границями вимірювань від 0,1 мкА до ЗОА класів точності 0,05;...4 із зовнішніми шунтами - до 10000 А

Схема магнітоелектричного амперметра

Опір шунта Rш де RДІ — додатковий резистор, необхідний для температурної компенсації схеми амперметра k Ш- коефіцієнт шунтування

Схема магнітоелектричного вольтметра

Схема магнітоелектричного ампервольтметра

Логометричний вимірювальний механізм (ЛВМ) магнітоелектричної системи має рухому частину із двох жорстко скріплених між собою рамок 1 і 2 з опорами RBM1 та RBM2, які можуть вільно обертатися в нерівномірному магнітному колі постійного магніту.

Схема логометричного вимірювального механізму

Конструкція

Функція перетворення де I1, І2 — значення струмів у рамках логометра

Гальванометрами називають вимірювальні прилади з високою чутливістю, призначені для вимірювання дуже малих струмів і напруг, а також кількості електрики. Із всіх систем гальванометрів найбільше застосовуються на постійному струмі магнітоелектричні гальванометри з рухомою безкаркасною рамкою

Гальванометри використовують для вимірювань малих струмів і напруг; для фіксування рівності потенціалів двох точок кола - так звані нуль-індикатори у мостових та компенсаційних колах ; для визначення рівності двох струмів - диференціальні гальванометри; для вимірювання кількості електрики та імпульсів струму - балістичні гальванометри.

Випрямні прилади

Випрямні прилади складаються із послідовно з'єднаних одно- або двопівперіодного пасивного випрямляча і магнітоелектричного вимірювального механізму.

Структурна схема перетворювача середньовипрямлених значень ПОС — перетворювач двополярного струму в однополярний І - інтегратор

Магнітоелектричний вимірювальний механізм за своїм принципом дії виконує роль інтегратора, тобто у випрямних приладах відбувається перетворення змінного сигналу i(t) в еквівалентне середньовипрямлене значення (СВЗ) Ісв

Функція перетворення випрямного приладу

На практиці часто важливо знати не середньовипрямлене, а середньоквадратичне значення (СКЗ) сигналу, тому випрямні прилади зазвичай градуюють в СКЗ синусоїдної форми де - коефіцієнт форми синусоїди

Якщо форма кривої сигналу відрізняється від синусоїди, то виникає систематична похибка δφ, яку називають похибкою від впливу форми кривої сигналу де КФХ коефіцієнт форми несинусоїдного сигналу

Метрологічні характеристики границі вимірювання (без зовнішніх масштабних перетворювачів) за струмом Ік = 3 мА...7,5 А та за напругою UK = 0,75 В...750 В; класи точності 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; частотний діапазон 40 Гц...20 кГц.

Метрологічні характеристики власне споживання: номінальний спад напруги на амперметрі Uш=0,3. ..1,5 В; номінальний струм або струм повного відхилення вольтметрів Іт = 0,3...5 мА

Переваги випрямних приладів висока чутливість широкий діапазон вимірювання порівняно невелика власна потужність споживання широкий частотний діапазон

Недоліки невисока точність значна залежність вольт-амперних характеристик діодів і, відповідно, показів приладів від температури нелінійність шкали (особливо при малих напругах) залежність показів від форми кривої вимірювального сигналу

Однограничний амперметр з однопівперіодним випрямленням

Багатограничний амперметр з двопівперіодним випрямленням

Багатограничний вольтметр з двопівперіодним випрямленням

Термоелектричні вимірювальні прилади

Термоелектричний прилад складається із термоелектричного перетворювача, який перетворює вимірюваний змінний струм в ЕРС постійного струму та магнітоелектричного вимірювального механізму

Термоелектричні прилади використовують як амперметри і вольтметри для вимірювання середньоквадратичних значень змінного струму і напруги на високих частотах (до сотень мегагерц), а також на постійному струмі.

Амперметр з контактним термоелектричним перетворювачем

Амперметр з безконтактним термоелектричним перетворювачем

Вольтметр з контактним термоелектричним перетворювачем

Метрологічні характеристики границі вимірювання (без зовнішніх масштабних перетворювачів) за струмом 5 мА...50 А і за напругою 0,75...600 В власне споживання: номінальний спад напруги на амперметрі UАН — 0,5...1В

Метрологічні характеристики номінальний струм або струм повного відхилення вольтметрів Іун = 1...3 мА; клас точності 1,0; 1,5; 2,5;4,0 частотний діапазон 20 Гц...50 МГц

Переваги термоелектричних приладів можливість градуювання їх шкал в середньоквадратичних значеннях незалежно від форми кривої сигналу широкий частотний діапазон

Недоліки невисока точність нелінійний характер шкали низька надійність і висока чутливість термоелектричних перетворювачів до механічних перевантажень (ударів, трясіння тощо)

Застосовують для вимірювань струмів і напруг на високих частотах, коли використання приладів інших систем неможливе,

Електромагнітні вимірювальні прилади

Вимірювальний механізм електромагнітної системи складається із нерухомої котушки, намотаної на спеціальному каркасі, і рухомого феромагнітного осердя, виготовленого із пермалою.

Функція перетворення де І середньоквадратичне (діюче) значення струму в нерухомій котушці - чутливість приладу до струму

Кут повороту рухомої частини α пропорційний до квадрата діючого (середньоквадратичного) значення струму, тобто не залежить від напряму струму. Тому електромагнітні прилади однаково придатні для вимірювань як у колах змінного, так і постійного струму, однак їх шкали мають нелінійний (нерівномірний) характер.

Підбираючи спеціальну конструкцію рухомого осердя, досягають такої залежності dL/dα, за якої шкала приладу близька до лінійної в діапазоні 20...100 % всієї її довжини L, початкова ділянка шкали (0...20 %), яка відзначена спеціальною точкою, є неробочою і не входить в діапазон вимірювання.

Схеми однограничного односекційного амперметра (а) та вольтметра (в)

Схема двограничного двосекційного амперметра

Метрологічні характеристики границі вимірювань без зовнішніх масштабних перетворювачів: за струмом5 мА...ЗО А; за напругою 1,5...600 В; класи точності 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; нормальний частотний діапазон 45... 1500 Гц, а робочий - до 5000 Гц .

власне споживання: номінальний спад напруги на амперметрі UАН = 0,3...1,5В; номінальний струм або струм повного відхилення вольтметрів Іт = ЗО...100 мА;

Переваги простота і надійність конструкції висока здатність до перенавантажень низька вартість можливість використання для вимірювань як в колах змінного, так і постійного струмів

Недоліки ЕМВМ низька чутливість і точність велика варіація показів на постійному струмі внаслідок гістерезисних явищ у феромагнітному осерді велике власне споживання потужності великий вплив зовнішніх магнітних полів внаслідок слабкого власного магнітного поля вузький частотний діапазон

Електродинамічні вимірювальні прилади

Конструкція вимірювального механізму

Конструкція вимірювального механізму

Схеми увімкнення амперметра та вольтметра

Функція перетворення НА ПОСТІЙНОМУ СТРУМІ де І1 та /2 -середньоквадратичні значення струмів у нерухомій та рухомій котушках

Функція перетворення На змінному струмі При І1 = І2

Метрологічні характеристики електродинамічних амперметрів класи точності 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; номінальний спад напруги на амперметрі UAH =0,3... 1 В; нормальний частотний діапазон 45... 1000 Гц, а робочий - до 3000 Гц.

Метрологічні характеристики електродинамічних амперметрів границі вимірювань Ік=5 мА... 10 А (розширення границь вимірювань при струмах, більших від 10 А, здійснюють за допомогою вимірювальних трансформаторів струмів);

Метрологічні характеристики електродинамічних вольтметрів класи точності 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; номінальний струм або струм повного відхилення вольтметра Іт=3...ЗОмА; нормальний частотний діапазон 45... 1000 Гц, а робочий - до 2000 Гц.

Метрологічні характеристики електродинамічних вольтметрів границі вимірювань UK =7,5... 600 В (розширення границь вимірювань при напругах, більших від 600 В, здійснюють за допомогою зовнішніх додаткових резисторів та вимірювальних трансформаторів напруги);

Електродинамічні ватметри

Функція перетворення ватметра P = UI- потужність споживача на постійному струмі

Прилади електродинамічної системи використовуються як амперметри, вольтметри і ватметри. Електродинамічні логометри застосовуються для вимірювання частоти, кута зсуву фаз та ємності.

Переваги електродинамічних вимірювальних приладів високу точність, порівняно невелике власне споживання потужності можливість застосування в колах постійного і змінного струму

Недоліки низька чутливість, великий вплив зовнішніх магнітних полів через слабке власне магнітне поле вимірювального механізму обмежений частотний діапазон висока вартість погано переносять механічні впливи вимогливі до догляду та обслуговування.

Феродинамічні вимірювальні прилади

Феродинамічні вимірювальні прилади

Феродинамічні прилади мають найвищий клас точності 0,5 застосовуються, здебільшого, як щитові ватметри, амперметри і вольтметри у колах промислової частоти в умовах істотних механічних впливів (вібрацій, трясіння тощо).

Електростатичні вимірювальні прилади

Електростатичні вимірювальні прилади

Між нерухомими пластинами 1 може переміщуватися рухлива пластина 2, яка закріплена на осі 3 Протидіючий момент електростатичного вимірювального механізму створюється спіральною пружиною 4.

Конструкція

Функція перетворення електростатичного вимірювального механізму на постійному струмі де чутливість приладу до напруги.

Покази електростатичного приладу не залежать від полярності прикладеної напруги U його шкала має квадратичний характер, тобто є нерівномірною

Метрологічні характеристики класи точності: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; границі вимірювань UK =10 В...300 кВ; частотний діапазон 20 Гц...35 МГц; вхідний опір 10'°...1014 Ом.

Переваги електростатичних приладів можливість побудови вольтметрів на високі напруги до сотень кіловольт без застосування громіздких вимірювальних трансформаторів напруги; висока точність; можливість використання для вимірювань як в колах змінного, так і постійного струму.

Переваги електростатичних приладів широкий частотний діапазон; великий вхідний опір практично відсутнє власне споживання потужності (на постійному струмі це споживання дорівнює нулю);

Недоліками електростатичних приладів вважають низьку чутливість (найменша границя вимірювання становить 10 В) і сильний вплив зовнішніх електростатичних полів, що вимагає екранування вимірювального механізму

Переваги електростатичних приладів привели до побудови на їх основі електронних аналогових вимірювальних приладів - мілівольтметрів, а на основі електростатичних електрометрів - ватметрів для вимірювань потужності у широкому діапазоні частот, струмів і напруг із спотвореною формою кривої сигналу, а також для вимірювання потужності при малому коефіцієнті потужності cos φ

Індукційні вимірювальні прилади

Конструкція Індукційного лічильника електричної енергії

Конструкція Індукційного лічильника електричної енергії

Складається із стержневого електромагніту 1, на якому намотана обмотка кола напруги з кількістю витків Wv , П-подібного електромагніту 2, на якому намотана струмова обмотка з кількістю витків Wl, рухомого диска 3, закріпленого на осі 4, постійного магніту 5 для створення гальмівного моменту та лічильного пристрою 6.

Функція перетворення