Измерительный механизм электростатической системы.

Принцип действия основан на взаимодействии двух заряженных электродов, один из которых является подвижным. В электростатическом приборе измеряются силы, возникающие в электрическом поле, пропорциональные квадрату напряженности поля Е. Так как упомянутые силы очень малы, необходимо работать при высоких напряженностях поля; поэтому электростатические приборы пригодны для измерения только высоких напряжений.

Собственное потребление мощности электростатическими приборами чрезвычайно мало и практически обусловлено только емкостными токами. Вследствие малости отклоняющих сил эти приборы очень чувствительны к механическим воздействиям.

1) каркас

2) постоянный магнит

3) подвижный электрод

4) неподвижный электрод

5)  изолятор

6) осветитель

7) шкала

8) зеркало

(Постоянный магнит играет роль магнитоиндукционного успокоителя).

Если , то:

действительное значение

                                                                                                                        напряжения.

Эти  приборы могут измерять только напряжение. На их основе могут быть получены только вольтметры.

Технические характеристики:

Его показания практически не зависят от частоты. При измерении от 0 до 20 Гц прибор превращается прибор, измеряющий мгновенные значения , от 20 и выше -действующие. Прибор имеет малую чувствительность из-за малого вращательного момента, поэтому измерения до 10 В не производятся.

В зависимости от способа преобразования электро-магнитной энергии в механическое угловое перемещение подвижной части измерительного механизма АЭМИП делят на: Магнитно-электрический. Электродинамический. Электромагнитный. Ферродинамический.      и т.д.

Отсчетное устройство – состоит из указателя, жестко связанного с подвижной частью ИМ, и неподвижной шкалы. Указатели могут быть стрелочными или световые. Шкала- это совокупность отметок последовательно расположенных вдоль какой либо линии и отображающих ряд последовательных чисел, отображающих значение измеряемой величины. Шкалы бывают: прямолинейные, дуговые (при дуге не более 1800 ), и круговые (при дуге более 1800 ). По характеру расположения отметок бывают: равномерные, неравномерные; односторонние, двусторонние и безнулевые. Классы точности от 0,05 до 4 в ЭМИП.

Узлы и детали в ЭМИП.

Общие узлы и детали: устройство для установки подвижной части измерительного механизма, устройства для создания противодействующего момента, для уравновещивания и успокоения.

Подвижная часть устанавливается на опорах, на растяжках или на подвесе.

*                     подшипники; ось; стрелка; корректор;  спиральные пружины для создания противодействующего момента; вилка; палец, эксцентрично расположенный; винт; грузки для уравновешивания подвижной части.

ИМ считается уравновешенным, когда центр тяжести подвижной части совпадает с осью вращения. Для создания ускорения служат ускорители, развивающие момент, направленный навстречу движения. Время успокоения <=4 с. Успокоители бывают магнито-индукционные, воздушные и жидкостные, когда требуется большое ускорение.

Магнито-электрические приборы.

Работа основана на принципе взаимодействия катушки с током и магнитного потока с постоянным магнитом. Один из взаимодействующих элементов подвижный. Наиболее распространенный с подвижной рамкой и внешним магнитом. При протекании по обмотке рамки постоянного тока i на активные стороны обмотки рамки действует поле силы F, создавая вращательный момент.

- энергия магнитного поля системы;

F- поток постоянного магнита, сцепленного с обмоткой рамки;

B- магнитная индукция в воздушном зазоре;

l- активная длина рамки;

a- ширина рамки;

al=s- активная площадь рамки.

- потокосцепление обмотки рамки при повороте ее на угол

При отклонении рамки на угол  вращающий и противодействующий моменты станут равными.

- приводной момент пружины.

Si- чувствительность.

Шкала у таких приборов равномерная.

*                     высокая чувствительность;большая точность; не значительное влияние на режим рабочей цепи;хорошее ускорение; равномерная шкала; сложность изготовления;плохая перегрузочная способность; температурное влияние на точность измерений.

Электродинамические измерительные приборы.

Работает на принципе взаимодействия двух катушек, по которым протекают токи. Измерительный механизм состоит из пары неподвижных катушек, включенные последовательно. Внутри находится подвижная бескаркасная катушка которая называется рамкой.

Угол отклонения

W- противодействующий момент;

I1,I2- токи в катушках;

М- взаимная индуктивность.

Для переменного тока.

Электродинамические приборы обладают фазочувствительностью, поэтому мы можем мерить мощность.

*                     высокая точность; возможность использования в цепях постоянного и переменного тока;

*                     малая чувствительность; влияние внешних МП; большая мощность потребления;ограниченный частотный диапазон.

Электромагнитные измерительные приборы.

Для создания вращающего момента используется действие МП катушки с током на неподвижный лепесток, эксцентрично положенный на ось прибора.

Угол отклонения подвижной части

Шкала квадратичная . Измеряет постоянный и переменный ток.

*                     простота и надежность;хорошая перегрузочная способность; большое потребление энергии;невысокая точность; малая чувствительность; влияние внешних МП.

Электростатические измерительные приборы.

Принцип основан на взаимодействии электрических заряженных электродов, разделенных диэлектриком. Конструктивно прибор представляет собой разновидность плоского конденсатора. Измеряемое напряжение прикладывается к подвижному и неподвижному электродам и создает электростатическое поле. Угол отклонения.

С- емкость между электродами.

Шкала квадратичная. высокое входное сопротивление. малая но переменная емкость; малая мощность потребления; использование в цепях постоянного и переменного тока; широкий частотный диапазон; независимость показаний от формы кривой суммиркющей напряжений. квадратичная шкала; малая чувствительность; низкая точность; возможность пробоя между электродами;необходимость экранирования.

Цифровые вольтметры.

                        Непрерывная величина  – это величина, которая может иметь в заданном интервале времени при бесконечно большом числе моментов времени бесконечно большое число значений.

                        Дискретизация – это операция преобразования непрерывной величины в дискретную, при которой сохраняется ее мгновенные значения только в определенные моменты времени (моменты дискретизации).

                        Шаг дискретизации – это промежуток времени  между двумя ближайшими моментами дискретизации. Шаг дискретизации может быть постоянным или переменным.

                        Квантование – это операция преобразования непрерывной величины квантами, т.е. замена ее мгновенных значений ближайшими фиксированными значениями.

                        Шаг квантования – это разность между двумя соседними значениями .

                        Цифровое кодирование – это операция условного представления числового значения величины цифровым кодом, т.е. последовательностью цифр, подчиняющихся определенному закону. Причем с помощью этого закона условно отображают числовые значения измеряемой величины.

                        Цифровые измерительные приборы автоматически преобразуют непрерывную измеряемую величину или ее аналог к дискретным формам, подвергая цифровому кодированию, и выдают результат измерений в виде цифр. Кроме этого, они осуществляют автоматическое преобразование значений непрерывной измеряемой величины Н в ограниченное количество дискретных значений. Фиксированным значением Д ставятся в соответствие числа, выражаемые тем или иным кодом К.

                        Достоинства:

• объективность; удобство отсчета и регистрации результатов измерения; высокая точность (до 0.001%); широкий диапазон измерения (10–7 – 103 В); высокое быстродействие (до 106 измерений в секунду); полная автоматизация процессов измерения; возможность связи с ЭВМ;
• Недостатки: относительная сложность и большая стоимость.

Классификация цифровых вольтметров (ЦВ).

1.      По способу преобразования непрерывной величины в дискретную:

2.      По структуре АЦП.

3.      По способу уравновешивания.

1)    Вольтметры с кодоимпульсным, времяимпульсным и частотным преобразованием.

                       Кодоимпульсное преобразование – это последовательное сравнение значений измеряемой величины с рядом дискретных значений известной величины, изменяющейся по определенному закону.

                       Времяимпульсное преобразование – измеряемая величина  преобразуется во временной интервал  с последующим заполнением каждого интервала импульсами образцовой частоты.

                       Частотоимпульсное преобразование – измеряемая величина  преобразуется в частоту  следования импульсов, которые подсчитываются за определенный интервал времени цифровым счетчиком.

2)    Вольтметры прямого и уравновешивающего преобразования.

3)    Вольтметры со следящим и развертывающим уравновешиванием.

                        Основные технические характеристики:

1.    Точность преобразования. Время преобразования. Пределы изменения входной величиною Порог чувствительности или разрешающая способность.

2.    Формы представления входной и выходной величины.

3.    Помехоустойчивость.

Цифровые вольтметры постоянного тока с кодоимпульсными преобразованиями.

                        УУ – устройство управления.

                        УЦО – устройство цифрового отображения.

                        Достоинства:

• высокое быстродействие;
• возможность измерения напряжения с высокой точностью;

ЦВ постоянного тока с времяимпульсным преобразованием.

ЦВ постоянного тока с частотно-импульсным преобразованием.

                        Интегратор –это устройство, выходное напряжение которого пропорционально интегралу по времени от входного напряжения. .

                        Входное напряжение интегрируется и подается на устройство сравнения, туда также подается опорное напряжение  с источника опорного напряжения. Когда напряжение на выходе интегратора  станет равным опорному  устройство сравнения формирует в течении времени  импульсы с амплитудой  постоянной площади  , которые не зависят от входного напряжения. Период следования этих импульсов  и будет зависеть от входного напряжения. Для процесса заряда-разряда интегратора:

Для прямоугольного импульса с амплитудой :

.

ЦВ постоянного тока с двухтактным интегрированием.

                        Метод времяимпульсного преобразования в сочетании с двухтактным интегрированием позволяет ослабить влияние помех, измерять напряжение обоих полярностей, получить большое входное сопротивление (до 10 ГОм) и малые погрешности измерения.

ИОН – источник опорного напряжения.

ГСИ – генератор счетных импульсов.

УУ – устройство управления.

УЦО – устройство цифрового отсчета.

На вход интегратора подается  или , неизвестное напряжение  измеряется в 2 такта: на первом такте (называемом интегрированием вверх) интегральное напряжение  запоминается на выходе интегратора, на втором такте (интегрировании вниз)  преобразуется во временной интервал , в течении которого на счетчик от ГСИ поступают импульсы образцовой частоты . Число импульсов эквивалентно , т.е. .

                        В исходном состоянии все ключи разомкнуты. В начале первого такта  устройство управления вырабатывает прямоугольный импульс калиброванной длительности  с крутыми фронтами. В момент появления фронта импульса ключи  и  замыкаются, следовательно на вход интегратора поступает измеряемое напряжение . Импульсы с частотой следования  начинают поступать с генератора счетных импульсов на счетчик импульсов. На выходе интегратора напряжение возрастает по линейному закону, пропорциональному :

                        .

где – постоянная интегрирования на первом такте.

                        Когда на счетчик поступит  импульсов, то счетчик будет заполнен и импульс с индексом  в момент времени  сбросит счетчик в нулевое состояние. При этом размыкается ключ  и замыкается ключ , в результате на вход интегратора подается напряжение , его полярность обратна полярности . В момент  заканчивается интегрирование вверх и начинается интегрирование вниз. Напряжение на выходе интегратора начинает убывать по линейному закону:

.

где  – постоянная интегрирования на втором такте.

                        Импульсы от ГСИ продолжают поступать на счетчик. Устройство сравнения срабатывает в момент времени , когда напряжение на выходе интегратора равно 0, так как второй его вход соединен с "землей". При этом размыкается ключ . Для момента времени  справедливо соотношение:

                        ,

где  – длительность второго такта интегрирования.

                        За время  на счетчик поступило N импульсов, код числа N через дешифратор подается в устройство цифрового отсчета.

где  – постоянные интегрирования.

Интервал времени  пропорционален напряжению  и не зависит от . Таким образом, для этого метода не требуется цепи с высокостабильными элементами. Число импульсов  равно:

.

 и  могут поддерживаться постоянными с высокой точностью, следовательно погрешность преобразования напряжения во временной интервал незначительна. После размыкания ключа  прибор приходит в исходное состояние и готов к новым измерениям.