МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Конструирование и производство приборов» ЭЛЕМЕНТЫ ПРИБОРОВ Лабораторный практикум Минск БНТУ 2017 1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Конструирование и производство приборов» ЭЛЕМЕНТЫ ПРИБОРОВ Лабораторный практикум для студентов специальности 1-38 01 01 «Механические и электромеханические приборы и аппараты Минск БНТУ 2017 2 УДК 681.2-2(076.5) ББК 34.9я7 Э45 Составители: А. А. Новиков, В. Л. Габец Рецензенты: В. В. Саранцев, О. А. Прохоров Элементы приборов : лабораторный практикум для студентов специальности 1-38 01 01 «Механические и электромеханические приборы и аппараты» / cост. : А. А. Новиков, В. Л. Габец. – Минск : БНТУ, 2017. – 135 с. ISBN 978-985-550-592-2. Лабораторный практикум предназначен для студентов специальности 1-38 01 01 «Механические и электромеханические приборы и аппараты», специализации 1-38 01 01 04 «Контрольно-измерительные приборы и системы», 1-38 01 01 05 «Бытовые машины, приборы и аппаратура» и включает в себя теоретические основы по дисциплине «Элементы приборов», методику выполнения лабораторных работ, требования к оформ- лению работы, контрольные вопросы. УДК 681.2-2(076.5) ББК 34.9я7 ISBN 978-985-550-592-2 © Белорусский национальный технический университет, 2017 Э45 3 Лабораторная работа № 11* ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПОПЛАВКОВОГО ТОПЛИВОМЕРА Цель работы 1. Изучить устройство поплавкового топливомера. 2. Составить и вычертить структурную и кинематическую схемы прибора. 3. Определить назначение всех деталей, входящих в конструк- цию прибора. 4. Составить аналитическую функцию преобразования и опреде- лить источники погрешностей. Инструменты и принадлежности 1. Узел топливомера. 2. Отвертка. Общие сведения Топливомерами называются измерительные устройства, предна- значенные для измерения объемного или весового количества жид- кого топлива. В большинстве случаев определение количества топлива сводит- ся к измерению его уровня, т. е. высоты столба жидкости, при этом шкалы указателей топливомеров градуируются в единицах объема (литрах) или в килограммах. Непосредственное измерение объема (веса) топлива осуществля- ется крайне редко, так как на результат измерения оказывают влия- ние размеры, форма, а также количество топливных баков (авиация), поэтому широко применяются косвенные методы измерения, в кото- рых объем (вес) топлива функционально связан с какой-либо легко * Лабораторные работы № 1–8 содержатся в сборнике «Элементы приборов» (сост. : А. А. Новиков, П. О. Корзун), выпущенном в 2014 г. 4 определяемой величиной, которая впоследствии преобразуется и по- дается на отображающее устройство. Большинство методов измерения количества топлива сводится к измерению его уровня. Количество топлива V (в единицах объема) и его уровень h связаны между собой функциональной зависимо- стью, определяемой формой топливного бака. Количество топлива в баке можно измерить следующими методами: – весовым, – непосредственным взвешиванием бака с топливом с помощью тензодатчиков, которые устанавливаются в местах креп- ления бака; – гидростатическим, основанным на зависимости гидростати- ческого давления топлива от его уровня; – поплавковым, который заключается в измерении линейного перемещения плавающего на поверхности топлива поплавка отно- сительно вертикальной направляющей или углового перемещения, связанного с поплавком рычага; – акустическим, основанным на свойстве ультразвуковых колеба- ний отражаться от границы раздела двух сред. Измерение уровня топ- лива в баке может осуществляться путем локации сверху или снизу; – емкостным, основанным на зависимости емкости конденсато- ра, расположенного в топливном баке, от уровня топлива. Емкость изменяется в связи с тем, что диэлектрическая проницаемость отли- чается от диэлектрической проницаемости воздуха; – индуктивным, основанным на зависимости индуктивности ка- тушки, расположенной в баке, от уровня топлива. Индуктивность изменяется вследствие изменения электрических потерь в жидкости. Эти потери ощутимы в электропроводящих жидкостях, для которых и применим метод; – резисторным, основанным на зависимости активного сопро- тивления резистора, расположенного в топливном баке, от уровня топлива. Сопротивление изменяется вследствие шунтирования его топливом. Этот метод пригоден для измерения уровня электропро- водящих жидкостей; – радиоволновым (радиоинтерференционным), основанным на за- висимости от уровня жидкости положения узлов стоячей электро- магнитной волны, возникающей в коаксиальной линии при сложе- нии падающей и отраженной от измеряемого уровня волны; 5 – радиоизотопным. Этот метод основан на измерении интенсив- ности излучения радиоизотопов при их прохождении через слой жидкости, уровень которой измеряется. Наибольшее распространение получили следующие типы топливо- меров: – поплавковые, основанные на измерении уровня (объема) топ- лива с помощью плавающего на поверхности поплавка. Линейное перемещение поплавка или угловое перемещение связанного с ним рычага измеряется и позволяет судить о количестве топлива, нахо- дящегося в баке; – емкостные, основанные на измерении уровня (объема) топлива с помощью специального конденсатора, емкость которого функци- онально связана с уровнем топлива в баке; – манометрические, основанные на измерении давления (веса) столба топлива с помощью манометра. Поплавковые и емкостные топливомеры измеряют объемное ко- личество топлива, а манометрические – весовое. Так как количество топлива принято выражать в объемных единицах (литрах), то пока- зания манометрических топливомеров правильны только для топ- лива определенного удельного веса. Несмотря на то, что большинство топливомеров используют одни и те же методы измерения, между ними существуют принципиаль- ные различия, вызванные следующими особенностями: – топливные баки имеют разные размеры, что накладывает огра- ничения на используемые датчики уровня; – топливные баки могут иметь весьма сложную форму, что вы- нуждает использовать профилированные датчики уровня; – под действием сил и ускорений происходит перераспределение топлива в баке, что приводит к появлению погрешности измерения; – для летательных аппаратов с несколькими топливными баками необходимо осуществлять центровку перекачки топлива из одного бака в другой для стабилизации центра масс летательного аппарата. Поплавковый топливомер конструктивно состоит из двух частей (рис. 11.1): – из датчика, расположенного в топливном баке; – указателя, который размещен на приборной панели или про- ецируется на многофункциональном дисплее. 6 Рис. 11.1. Электрическая схема топливомера: Rx, Ry – сопротивления плеч потенциометра; Rд – добавочные сопротивления; r – сопротивления рамок логометра; I1, I2 – токи в рамках логометра; I0 – общий потребляемый ток Датчик (рис. 11.2) состоит из поплавка 1, погруженного в бак, и электрического преобразователя перемещений, включающего пол- зунок 2, связанный с поплавком рычажной передачей 5, и потен- циометр 3. При перемещении поплавка ползунок скользит по потен- циометру и занимает положение, соответствующее уровню топлива в баке. Чтобы исключить возможность проникновения паров топли- ва в камеру потенциометра, промежуточный рычаг, передающий пере- мещение поплавка ползунку потенциометра, пропущен через элас- тичный сильфон 4, обеспечивающий полную герметичность и не препятствующий качанию рычага. 7 Рис. 11.2. Датчик электрического топливомера с потенциометрической дистанционной передачей: 1 – поплавок; 2 – ползунок; 3 – потенциометр; 4 – сильфон; 5 – рычаг поплавка В качестве указателя применяется магнитоэлектрический лого- метр с подковообразным магнитом (рис. 11.3). Подвижная система логометра выполнена в виде двух рамок, расположенных под неко- торым углом. 8 Рис. 11.3. Указатель топливомера (со снятой шкалой): 1 – магнит; 2 – подвижные рамки; 3 – стрелка; 4 – катушки сопротивления; 5 – полюсные наконечники Поплавковым топливомерам свойственны методические и инст- рументальные погрешности. К методическим погрешностям относятся: – погрешности, обусловленные изменением положения топлива в баке при продольных и поперечных наклонах самолета и при дви- жении самолета с продольными и поперечными ускорениями; – погрешности, вызванные влиянием температуры на уровень топлива (в соответствии с коэффициентом объемного расширения топлива). Инструментальные погрешности топливомера аналогичны погреш- ностям других электромеханических измерительных устройств. Они обусловлены несовершенством механических и электрических эле- ментов, наличием сил трения, люфтов, влиянием температуры на механические, электрические и магнитные свойства деталей и уз- лов, обусловленные приближениями, допущенными при проектиро- вании измерительных устройств, изменением напряжения источни- ка питания и т. п. Методические погрешности в поплавковых топливомерах не ком- пенсируются. 9 Температурные инструментальные погрешности топливомеров компенсируются подбором параметров схемы. Порядок выполнения работы 1. Получить у преподавателя датчик электрического топливомера с потенциометрической дистанционной передачей. 2. Определить принцип действия прибора, установив физический процесс, на основе которого измеряемая величина преобразуется в перемещение. 3. Установить все преобразования, которые происходят в прибо- ре от первичного преобразователя до показывающей или регистри- рующей части. 4. В конструкции прибора выделить вспомогательные элементы, которые могут выполнять функции регулирования, компенсации по- грешностей, демпфирования, арретирования, ограничения и измене- ния пределов измерения, проверки работоспособности и др. Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Инструменты и принадлежности. 3. Краткие теоретические сведения. 4. Функция преобразования изучаемого узла. 5. Кинематическая схема изучаемого узла. 6. Источники погрешностей изучаемого узла. 7. Выводы по проделанной работе. Список литературы 1. Обозначения условные графические в схемах. Элементы кине- матики : ГОСТ 2.770–68. 2. Браславский, Д. А. Расчет и конструкция авиационных прибо- ров / Д. А. Браславский, С. С. Логунов, Д. С. Пельпор. – Москва, 1954. – 584 с. 10 Лабораторная работа № 12 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ С РЕЗИСТИВНЫМИ ПЕРВИЧНЫМИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ Цель работы 1. Изучить принцип действия резистивных первичных измери- тельных преобразователей. 2. Изучить электрические схемы промежуточных преобразовате- лей, работающих с резистивными первичными измерительными пре- образователями. Инструменты и принадлежности – лабораторный стенд. Общие сведения Резистивные первичные измерительные преобразователи, далее – резистивные преобразователи, служат для преобразования измене- ний неэлектрических величин в изменение электрических парамет- ров. Широкое распространение этих элементов приборов обуслов- лено главным образом следующими причинами: – простотой конструкции преобразователя; – простотой электрических схем, реагирующих на изменение ак- тивного сопротивления. Выходной сигнал некоторых преобразовате- лей можно без усиления подавать на показывающее, регистрирующее или другое устройство; – возможностью использовать для преобразования различных не- электрических величин в электрические в приборах точной механики. Принцип действия резистивных преобразователей основан на ис- пользовании зависимости активного сопротивления R от длины про- водника l, площади его поперечного сечения А и удельного элект- рического сопротивления ρ, которые изменяются под внешним воз- действием, подлежащим измерению (деформация, давление, усилие, температура, влажность, скорость потока газа, освещенность и др.): .lR A   11 Резистивные преобразователи изготовляются как из металлов (тен- зорезисторы, реохордные, реостатные, терморезисторы, термоанемо- метры), так и полупроводников (тензорезисторы, терморезисторы, фоторезисторы, магниторезисторы). В настоящей работе используется реостатный измерительный пре- образователь (рис. 12.1), в котором подвижный контакт 3 перемеща- ется относительно каркаса 2 реостата, тем самым изменяя активное сопротивление на участке электрической цепи 1. Это перемещение может быть связано с положением частей машин, станков, уровня жидкости, мембраны под действием давления жидкости, инерционной массы под действием ускорения и других механических параметров. Рис. 12.1. Виды каркасов реостатного измерительного преобразователя: 1 – провод; 2 – каркас; 3 – щетка Каркасом реостата служат диэлектрики (гетинакс, пластмассы, керамика и др.), изготовленные в виде пластины, цилиндра, тора и более сложных по форме деталей. Провод должен быть изолиро- ван эмалью или оксидной пленкой. После намотки провода на кар- кас в местах контакта щетки движка изоляция счищается. Наилучшим материалом для обмоточной проволоки служит сплав платины и иридия (90 % Pt, 10 % Ir). Добавка иридия к платине уве- личивает удельное электрическое сопротивление (ρ = 0,23  10–6 Ом/м), понижает температурный коэффициент электрического сопротивле- ния, повышает твердость, прочность, кислотоупорность. Недостаток этого сплава – высокая стоимость. Более часто в реостатных преобразователях используются нихром, константан и фехраль. При высоких температурах используются ни- хром и фехраль. Щетки выполняются в виде двух-трех проволочек из сплава пла- тины с иридием или платины с бериллием либо в виде плоских 12 пружинящих пластин из серебра, платины и фосфористой бронзы. Качество контакта между щеткой и обмоткой зависит от контактного давления, изменяющегося от 0,03–0,005 (для проволочек) до 0,05–0,1 Н (для пластин) в зависимости от условий работы преобразователя и материалов контакта и обмотки. В реостатных измерительных преобразователях изменение сопро- тивления при перемещении щетки происходит скачкообразно со сту- пенями, соответствующими сопротивлению одного витка. В этом случае максимальная погрешность преобразования определяется от- ношением сопротивления одного витка к полному сопротивлению обмотки реостата. Для уменьшения погрешности необходимо умень- шать диаметр провода и увеличивать число витков. Одновременно при этом уменьшается сопротивление перемещению щетки. Если необходимо исключить скач- кообразность изменения сопротивле- ния, то применяются реохордные изме- рительные преобразователи (рис. 12.2), у которых щетки скользят вдоль про- вода, но у таких преобразователей зна- чительно меньше чувствительность. Если для реохордного измерительного преобразователя чувстви- тельность S определяется как отношение выходного параметра вых , lU R A   к входному вх ,U l то вых вх .US U A   Для реостатного измерительного преобразователя ,d l dR n A D A      где n – число витков провода реостата; d – диаметр провода; D – диаметр витка провода. Рис. 12.2. Реохордный измерительный преобразователь 13 Тогда 2 1. dS S D  Увеличение чувствительности за счет диаметра d приводит к уве- личению скачков сопротивления преобразователя и росту габарит- ных размеров. Уменьшение D связано со сложностью получения провода малого диаметра. Реостатные измерительные преобразователи широко используют- ся в приборах для измерения уровня жидкости, давления в гидро- и пневмосистемах, ускорения и других механических величин. При этом учитываются такие преимущества: – простота механической части конструкции; – возможность получения значительных выходных сигналов, по- зволяющих без применения усилителей подключать показывающие и регистрирующие устройства; – возможность передачи информации от измерительных преоб- разователей к показывающему устройству на значительные рассто- яния – до 200–300 м. Недостатки: – наличие скользящего контакта; – значительные сопротивления перемещению щетки; – скачкообразное изменение электрического сопротивления. Резистивные измерительные преобразователи относятся к группе параметрических измерительных преобразователей, в которых под действием измеряемой механической величины изменяется актив- ное сопротивление. В измерительную схему с параметрическими измерительными пре- образователями необходимо включать источник питания, усилитель (при необходимости), регистрирующее устройство и другие элементы. Наиболее простые измерительные схемы с резистивными изме- рительными преобразователями показаны на рис. 12.3. Схемы (рис. 12.3, а, б) включают источник питания постоянного тока, резистивные измерительные преобразователи и показывающие приборы (амперметр и вольтметр), шкалы которых проградуирова- ны в единицах измеряемой величины. Такие схемы применимы при значительном изменении сопротивления. 14 Рис. 12.3. Измерительные схемы резистивных измерительных преобразователей: а – делитель тока; б – делитель напряжения Величина напряжения п п д ,IS RU RI R    где 1 н ;UI R R   S – коэффициент чувствительности: н н 1 ;RS R   нR – изменение сопротивления Rн; ε – относительное изменение длины рабочей части резистора. Основной недостаток приведенных схем состоит в том, что пока- зания прибора зависят от напряжения источника питания U. Для того чтобы устранить зависимость показаний от напряжения питания в измерительных схемах, применяют логометры (греч. logos – слово, отношение). В логометрах положение стрелки указателя за- висит от отношения токов, протекающих по двум катушкам подвиж- ной части. Логометры бывают магнитоэлектрической, ферродинамической, электродинамической, электромагнитной и других систем. Наибо- лее часто применяются логометры магнитоэлектрической системы (рис. 12.4). а б 15 Рис. 12.4. Логометр: структурная (а) и электрическая схемы (б) На оси стрелки 3 под углом 30–90 закреплены две катушки 1 и 2. Неподвижная часть прибора – постоянный магнит 4 с полюсными на- конечниками, имеющими расточку специальной формы, за счет чего в воздушном зазоре между наконечниками и подвижной частью со- здается неравномерное магнитное поле. Направления токов в катушках противоположны, что создает вра- щающие моменты М1 и М2 от взаимодействия магнитного поля по- стоянного магнита и электромагнитных полей катушек также про- тивоположных направлений: 1 1 1 1 1;M B I A  2 2 2 2 2 ,M B I A  где B1 и B2 – магнитные индукции в зазоре; I1 и I2 – токи катушек; ω1 и ω2 – число витков катушек; A1 и A2 – площади катушек. Поворот подвижной части произойдет в сторону действия боль- шего момента до той поры, пока вращающие моменты не выравня- ются за счет переменности магнитной индукции в зазоре между по- движной и неподвижной частями. 16 Тогда М1 = М2: 1 1 1 1 2 2 2 2;B I A B I A   1 2 2 2 2 1 1 1 .I B A I B A   Так как A1 и A2, ω1 и ω2 – постоянные характеристики, а отноше- ние B2/B1 определяется положением подвижной части со стрелкой – углом α, то 1 2 ,If I       т. е. показание прибора зависит от отношения токов, протекающих по обмоткам катушек, и не зависит от напряжения питания. На рис. 12.5 показана схема включения. Резистивный измеритель- ный преобразователь включен в мостовую схему, состоящую из че- тырех плеч R1, R2, Rп и Rп, логометра, источника питания и доба- вочного сопротивления. Эта схема дает высокую чувствительность и удобна при использовании реохордных, реостатных, тензометри- ческих, фотоэлектрических и других преобразователей, включен- ных дифференциально. Рис. 12.5. Мостовая схема включения резистивного измерительного преобразователя и логометра 17 Описание лабораторного стенда Лабораторный стенд (рис. 12.6) состоит из поплавкового датчика 1 электрического топливомера, смонтированного на основании, пока- зывающего прибора 2, установленного в корпусе, и шкалы 3 с фик- сирующим устройством для отсчета положения поплавка 7. Рис. 12.6. Фотография общего вида лабораторного стенда: 1 – поплавковый датчик электрического топливомера; 2 – показывающий прибор; 3 – отсчетная шкала; 4 – тумблер переключения режимов; 5 – гнезда для снятия показаний в узловых точках; 6 – сетевой тумблер; 7 – поплавок Поплавковый датчик 1 электрического топливомера включает в себя поплавок 7 и потенциометр, который установлен в герметич- ном корпусе. Ползунок потенциометра связан с поплавком 7 ры- чажной передачей. При перемещении поплавка ползунок скользит по потенциометру и занимает положение, соответствующее уровню топлива в баке. В качестве показывающего прибора 2 применен магнитоэлектри- ческий логометр с подковообразным магнитом (рис. 12.7). Подвиж- ная система логометра выполнена в виде двух рамок, расположен- ных под некоторым углом. 3 2 1 4 5 6 7 18 Рис. 12.7. Показывающий прибор топливомера (со снятой шкалой): 1 – магнит; 2 – подвижные рамки; 3 – стрелка; 4 – катушки сопротивления; 5 – полюсные наконечники Для увеличения угла шкалы (с целью повышения точности от- счета показаний) полюсным наконечникам 5 логометра придана спе- циальная форма, которая позволяет получать размах шкалы прибора, равный 180°. Для уменьшения магнитного влияния указателя на компас и дру- гие приборы, расположенные вблизи, а также для устранения влия- ния на указатель внешнего магнитного поля на его корпус надевает- ся железный экран. Шкала логометра градуирована непосредствен- но в литрах. Порядок выполнения работы 1. Получить допуск к работе. 2. Лабораторный стенд и вольтметр подключить к сети 220 В. 3. Включить питание у вольтметра. 4. Тумблер 4 переключения режимов переключить в верхнее по- ложение. 5. С помощью кабеля подключить вольтметр к паре гнезд 1 и 2 (гнезда для снятия показаний в узловых точках 5, см. рис. 12.6). 19 6. Снять показания с вольтметра при перемещении поплавка 7 через каждые 5 мм. 7. Подключить вольтметр к паре 1 и 5 гнезд. При перемещении поплавка 7 снять показания с вольтметра через каждые 5 мм. 8. Построить зависимость U = f(S). 9. Тумблер 4 переключения режимов переключить в нижнее по- ложение. 10. Повторить пункты 5–7, сняв показания сопротивления с об- мотки потенциометра. 11. Построить зависимость R = f(S). Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Краткие теоретические сведения. 3. Таблица с полученными результатами измерений. 4. График результатов измерений. 5. Выводы по проделанной работе. Список литературы 1. Осадчий, Е. П. Проектирование датчиков для измерения меха- нических величин / под ред. Е. П. Осадчего. – Москва : Машино- строение, 1979. – С. 275–284. 2. Браславский, Д. А. Расчет и конструкция авиационных прибо- ров / Д. А. Браславский, С. С. Логунов, Д. С. Пельпор. – Москва, 1954. – 584 с. 20 Лабораторная работа № 13 ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ С ПОМОЩЬЮ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ Цель работы 1. Изучить принцип действия тензорезисторов. 2. Изучить особенности мостовых схем, работающих с тензоре- зисторами. 3. Изучить установку для исследования деформаций, снять экс- периментальные данные. Инструменты и принадлежности 1. Экспериментальная установка, содержащая тензометрический узел. 2. Осцилограф. Общие сведения В тензорезисторах при деформации происходит изменение дли- ны, поперечного сечения и удельного сопротивления, что влияет на электрическое сопротивление. Тензорезистор может быть наклеен на исследуемую деталь машины, упругий элемент прибора, детали строительной конструкции и т. д. Тензорезисторы выполняются в виде проволочной решетки, сплюс- нутой проволочной спирали, травленой фольговой решетки, спирали на резиновой нити, латексного капилляра с ртутью и полупровод- никовых кристаллов пластинчатой или нитевидной формы. Счита- ется, что тензорезистор, соединенный с исследуемой деталью, по- вторяет деформации растяжения или сжатия. Если проволока подвержена действию напряжения , то это на- пряжение вызывает приращение сопротивления: 2 d d( ) d d d d d d d R Pl t l P l l F R F F        21 или, если записать относительно исходного сопротивления R: 1 d d 1 d 1 d . d d d d R l l F R l F        Конечное изменение напряжения вызывает изменение сопротив- ления пропорционально изменениям удельного сопротивления / ,  длины /l l и площади (диаметра) и / 2 /F F d d   с учетом коэф- фициента Пуассона / ( / ) .d d l l    Тогда / / / (1 2 ).R R l l        Если относительное изменение сопротивления разделить на отно- сительное изменение длины в направлении измерения, то получим тензочувствительность S: / / 1 2 . / / R RS l l l l         Для металлов 0,3,  тогда / 1,6. / S l l    Если в качестве материала тензорезистора применяется высоко- омная проволока, то 1,9 2,9.S   Проволочные тензорезисторы Проволока в виде решетки или сплюснутой спирали находится между двумя слоями бумаги или пленки (рис. 13.1). Материал про- волоки выбирается с учетом следующих требований: – удельное электрическое сопротивление должно быть высоким, что позволит создать малогабаритные и высокоомные ПИП; – температурный коэффициент должен быть как можно малым, чтобы температурное влияние среды меньше сказывалось на точно- сти измерения и для упрощения компенсации температурных по- грешностей; 22 – зависимость между деформацией и сопротивлением должна быть линейной; – температурный коэффициент линейного расширения должен быть близким или равным коэффициенту материала исследуемой детали; – термоЭДС в паре с медью должна быть возможно меньшей, ес- ли схема питается постоянным током, так как концы проволочного резистора привариваются к медным выводным проводникам; – показатели механической прочности и химической стойкости должны быть высокими; – пластичность должна быть достаточной для вытягивания про- волоки до микронных размеров. Диаметр проволоки для ПИП может быть в пределах 0,01–0,05 мм (иногда при малой базе 0,002–0,006 мм), база 3–100 мм. Номинальное сопротивление 20–500 Ом. Температурный диапазон для тензоизме- рительных преобразователей на бумажной основе – до 325 К, если основа стеклотка- невая или органосиликатная, то рабочий диапазон температур – до 725 К. Основой для тензорезисторов служат бу- мага, пленка, стеклоткань, стальная полоса толщиной 0,15 мм. Для присоединения к ис- следуемой детали используют монтажные клеи БФ2, БФ4, ВЛ-4, ВЛ-931, циакрин, кабринольный, полимерный клей, цементы, лаки, эпоксидные клеи. Тензорезисторы на стальной полосе привариваются к детали электроконтактной сваркой. Фольговые тензорезисторы Фольговые тензорезисторы (рис. 13.2) имеют решетку из тонко- листовой константановой фольги толщиной 2–10 мкм на бумажной основе или из синтетической смолы. Толщина бумажной основы 0,08–0,1 мм. Рис. 13.1. Тензорезистор 23 Рис. 13.2. Конструкции фольговых тензорезисторов Главные преимущества фольговых тензорезисторов по сравнению с проволочными следующие: – лучшие эксплуатационные и метрологические характеристики – большие площадь сцепления с поверхностью детали и рабочий ток, лучшая теплоотдача, меньшая чувствительность в поперечном на- правлении, больший выходной сигнал, большая гибкость; – лучшие технологические характеристики – уменьшение трудо- емкости изготовления за счет применения фотографических про- цессов химического травления одновременно до 200 изображений решеток, автоматизации многих операций обработки и возможность изготовления решеток любой сложной формы (см. рис. 13.2). Полупроводниковые тензорезисторы Материалом для полупроводниковых тензорезисторов (рис. 13.3) служат германий, кремний и др. Чувствительный элемент выполняется в виде монокристалла толщиной 0,02–0,05 мм, шириной 0,3–0,5 мм и длиной 2–12 мм, а также диаметром в сотые и десятые доли мил- лиметра. 24 Рис. 13.3. Полупроводниковый тензорезистор Для кремниевых тензорезисторов номинальная тензочувствитель- ность составляет +100...+200 или –100, номинальное сопротивление 90–750 Ом, база 1,4–6,4 мм при длине 2–7 мм, ширине 0,3 мм. Изменение удельного сопротивления полупроводниковых элемен- тов при деформации в десятки раз больше по сравнению с проводни- ковыми, что определяет высокую чувствительность преобразовате- лей с большим выходным сигналом. Однако следует учитывать, что для полупроводниковых тензорезисторов характерна большая темпе- ратурная зависимость сопротивления и чувствительности. При этом для партии преобразователей имеет место большое рассеивание чув- ствительности в пределах ±10 % и сопротивления ±1 %. В связи с анизотропией тензочувствительности характеристик в продольном и поперечном направлениях при конструировании и изготовлении преобразователей необходимо обеспечивать совпа- дение оси монокристалла с направлением измеряемой деформации. Допустимые деформации для полупроводниковых тензорезисто- ров значительно меньше проводниковых, что учитывается при кон- струировании упругих элементов. Крепление кристаллов на упругом элементе производится цемен- том и клеями. В процессе сушки и полимеризации возникают дефор- мации, которые воспринимаются кристаллом и изменяют его пока- затели. Этот процесс происходит также и во время работы тензорези- стора. В этом случае высокая чувствительность тензорезистора позво- ляет обнаруживать самые незначительные напряжения, возникающие в местах присоединения кристалла, что создает трудности в выпол- нении крепления. 25 В связи с указанными выше недостатками полупроводниковые тензорезисторы следует применять в тех случаях, когда решающи- ми будут: – высокая чувствительность; – малые размеры. Измерительные схемы тензорезисторов На рис. 13.4 показаны примеры упругих элементов первичных измерительных преобразователей с установленными на них тензо- резисторами. Включение рабочих тензорезисторов в измерительную схему в основном возможно по трем вариантам: в одно плечо моста, два и четыре. При включении в несколько плеч учитывается направ- ление деформаций. Если деформации имеют один знак, то резисто- ры включаются в противоположные плечи моста, что позволяет по- лучить максимальный разбаланс моста, а при разных знаках дефор- мации – в соседние. Рис. 13.4. Варианты расположений тензорезисторов на рабочих элементах M F FF F F M FF 26 Тензорезисторы применяются для измерения: – механических напряжений и деформаций, тогда они включа- ются в мостовую измерительную цепь по дифференциальной схеме 1-го типа; – других механических величин (сил, давлений, ускорений и т. д.), т. е. когда деформация является промежуточной величиной преоб- разования. В этом случае используется мостовая измерительная цепь, собранная по дифференциальной схеме 2-го типа. В первом случае в мостовой измерительной цепи используется один тензорезистор, который располагается на рабочем элементе вдоль направления деформации. Основным недостатком такой схемы является зависимость измерения от температуры окружающей среды. Для компенсации температурной составляющей используются мостовые измерительные цепи с двумя тензорезисторами, которые располагаются на рабочем элементе перпендикулярно друг другу (рис. 13.5) и включаются в разные плечи измерительного моста (рис. 13.6). Так как они находятся в одинаковых температурных условиях, происходит компенсация температурной погрешности, при этом рабочие удлинения под действием деформации будут разные. Рис. 13.5. Расположение тензорезисторов на рабочем элементе при компенсации температурной погрешности Рис. 13.6. Мостовая измерительная схема включения двух тензорезисторов с компенсацией температурной погрешности Когда необходимо измерить механическую величину, второй слу- чай, также используются два тензорезистора, при этом один из них работает на растяжение, второй – на сжатие, например, если измеря- ется механическое напряжение изгибаемой балки. Так как измери- 27 тельная цепь представляет собой дифференциальную мостовую из- мерительную схему 2-го типа, то чувствительность измерения по сравнению с предыдущей схемой повышается в два раза, при этом происходит компенсация температурной погрешности (рис. 13.7). Дальнейшего повышения чувствительности схемы измерений мож- но достичь, если использовать четыре тензодатчика, из которых два работают на растяжение и два – на сжатие (рис. 13.8). Рис. 13.7. Мостовая измерительная схема включения двух тензорезисторов, работающих на сжатие-растяжение Рис. 13.8. Мостовая измерительная схема включения четырех тензорезисторов, работающих на сжатие-растяжение Выходные токи в тензометрических измерительных схемах малы, и поэтому приходится использовать усилители, к которым подклю- чаются светолучевые осциллографы и другие самопишущие устрой- ства. Для светолучевых осциллографов выходные сигналы усилите- ля должны иметь уровень 10–200 мА, а для самопишущих приборов электромеханического типа – 100–500 мА. По напряжению выход- ные сигналы тензометрических усилителей при нагрузке 2–30 Ом составляют 0–1 В, при нагрузке свыше 1 кОм – 0–10 В. Описание лабораторной установки Тензометрическая весоизмерительная лабораторная установка включает в себя (рис. 13.9) металлическую пластину 1, на которую наклеены тензорезисторы R1, R2, R3, R4. Тензорезисторы включе- ны в мостовую измерительную схему. Переменный резистор R слу- жит для установки нуля. Выходной сигнал подается на показываю- щий прибор. 28 Рис. 13.9. Конструкция и электрическая схема лабораторной установки Порядок выполнения работы 1. Получить допуск у преподавателя. 2. Убрав все грузы с платформы тензовесов, сбалансировать мо- стовую измерительную схему с помощью переменного резистора. 3. Снять статическую характеристику исследуемой измеритель- ной схемы при увеличении (прямой ход) и уменьшении (обратный ход) нагрузки. Результаты внести в таблицу. 4. По полученным экспериментальным данным построить гра- фик зависимости выходного сигнала мостовой измерительной схе- мы от нагрузки (построить статическую характеристику). Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Краткие теоретические сведения. 3. Таблица с полученными значениями измерений. 4. Выводы по проделанной работе. 1 29 Список литературы 1. Шушкевич, В. А. Основы электротензометрии / В. А. Шуш- кевич. – Минск : Вышэйшая школа, 1975. – С. 352. 2. Макаров, Р. А. Тензометрия в машиностроении : справочное пособие / под ред. Р. А. Макарова. – Москва : Машиностроение, 1975. – С. 288. 3. Хорна, М. П. Тензометрические мосты / М. П. Хорна. – Москва- Ленинград : Госэнергоиздат, 1962. – С. 292. Лабораторная работа № 14 ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ ВКЛЮЧЕНИЯ ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ Цель работы 1. Ознакомиться со способами измерения температуры. 2. Ознакомиться с мостовыми схемами включения терморезис- торов. 3. Изучить физические явления, протекающие в полупроводни- ковых терморезисторах при одновременном термическом и элект- рическом воздействии на них. 4. Получить вольт-амперную характеристику и проанализировать ее. Инструменты и принадлежности 1. Лабораторный стенд. 2. Вольтметр. Общие сведения Температурой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Согласно кинетической теории температуру опреде- ляют как меру кинетической энергии поступательного движения мо- лекул. Отсюда температурой называют условную статистическую величину, прямо пропорциональную средней кинетической энергии молекул тела. 30 Температура измеряется с помощью устройств, использующих раз- личные термометрические свойства жидкостей, газов и твердых тел. Существуют десятки различных устройств, применяемых в промыш- ленности, при научных исследованиях и для специальных целей. Ниже в таблице приведены наиболее распространенные устрой- ства для измерения температуры и практические пределы их при- менения. Устройства для измерения температуры Термометрическое свойство Наименование устройства Пределы длительного применения, С Нижний Верхний Тепловое расширение Жидкостные стеклянные термометры –190 600 Изменение давления Манометрические термо-метры –160 60 Изменение электриче- ского сопротивления Электрические термомет- ры сопротивления –200 500 Полупроводниковые тер- мометры сопротивления –90 180 Термоэлектрические эффекты Термоэлектрические тер- мометры (термопары) стандартизованные –50 1600 Термоэлектрические тер- мометры (термопары) специальные 1300 2500 Тепловое излучение Оптические пирометры 700 6000 Радиационные пирометры 20 3000 Фотоэлектрические пиро- метры 600 4000 Цветовые пирометры 1400 2800 Жидкостные стеклянные термометры Самые старые устройства для измерения температуры – жидкост- ные стеклянные термометры (рис. 14.1). Они используют термометри- ческое свойство теплового расширения тел. Действие термометров основано на различии коэффициентов теплового расширения термо- 31 метрического вещества и оболочки, в которой она находится (термо- метрического стекла или реже – кварца). В качестве термометрического вещества чаще всего применяют химически чистую ртуть. Она не смачивает стекло и остается жид- кой в широком интервале темпера- тур. Кроме ртути в качестве термо- метрического вещества в стеклян- ных термометрах применяются и другие жидкости, преимуществен- но органического происхождения, например: метиловый и этиловый спирт, керосин, пентан, толуол, гал- лий, амальгама таллия. Основные достоинства стеклян- ных жидкостных термометров – простота употребления и достаточно высокая точность измерения даже для термометров серийного изготовления. К недостаткам стеклянных термометров можно отнести плохую видимость шкалы (если не применять специальной увеличительной оптики) и невоз- можность ремонта и автоматической записи показаний, их передачи на расстояние. Манометрические термометры Действие манометриче- ских термометров (рис. 14.2) основано на использовании зависимости давления веще- ства при постоянном объеме от температуры. Замкнутая измерительная система ма- нометрического термометра состоит из чувствительного элемента, воспринимающего температуру измеряемой сре- ды. При изменении темпера- Рис. 14.1. Жидкостный термометр: 1 – баллон; 2 – термометрическое вещество; 3 – капиллярная трубка; 4 – запасной резервуар Рис. 14.2. Манометрический термометр: 1 – термобаллон; 2 – рабочий элемент; 3 – металлический капилляр 32 туры измеряемой среды давление в системе изменяется, в результа- те чего чувствительный элемент перемещает стрелку или перо по шкале манометра, отградуированного в градусах температуры. Ма- нометрические термометры часто используют в системах автомати- ческого регулирования температуры как бесшкальные устройства информации (датчики). Манометрические термометры подразделяют на три основные разновидности: – жидкостные, в которых вся измерительная система (термобал- лон, манометр и соединительный капилляр) заполнена жидкостью; – конденсационные, в которых термобаллон частично заполнен жидкостью с низкой температурой кипения и частично – ее насы- щенными парами, а соединительный капилляр и манометр – насы- щенными парами жидкости или, чаще, специальной передаточной жидкостью; – газовые, в которых вся измерительная система заполнена инерт- ным газом. Достоинствами манометрических термометров являются сравни- тельная простота конструкции и применения, возможность дистан- ционного измерения температуры и возможность автоматической записи показаний. К недостаткам манометрических термометров относятся относительно невысокая точность измерения; небольшое расстояние дистанционной передачи показаний и трудность ремон- та при разгерметизации измерительной системы. Термоэлектрические термометры Для измерения температуры в металлургии наиболее широкое рас- пространение получили термоэлектрические термометры (рис. 14.3), работающие в интервале температур от –200 до +2500 C и выше. Данный тип устройств характеризуется высокой точностью и на- дежностью, возможностью использования в системах автоматиче- ского контроля и регулирования параметра, в значительной мере определяющего ход технологического процесса в металлургических агрегатах. 33 Рис. 14.3. Термоэлектрический термометр: 1 – защитный чехол; 2 – головка; 3 – термоэлектроды; 4 – керамические трубки Сущность термоэлектрического метода заключается в возникно- вении ЭДС в проводнике, концы которого имеют различную темпе- ратуру. Для того чтобы измерить возникшую ЭДС, ее сравнивают с ЭДС другого проводника, образующего с первым термоэлектри- ческую пару AB (рис. 14.4), в цепи которой потечет ток. Результирующая термоЭДС цепи, состоящей из двух разных проводни- ков A и B (однородных по длине): 2 1 2 1( , ) ( ) ( )AB AB ABE t t e t e t  или 2 1 2 1( , ) ( ) ( ),AB AB ABE t t e t e t  где 2( )ABe t и 1( )ABe t – разности потенциалов проводников A и B соответственно при температурах t2 и t1, мВ. ТермоЭДС данной пары зависит только от температуры t1 и t2 и не зависит от размеров термоэлектродов (длины, диаметра), вели- чин теплопроводности и удельного электросопротивления. Для увеличения чувствительности термоэлектрического метода измерения температуры в ряде случаев применяют термобатарею: несколько последовательно включенных термопар, рабочие концы которых находятся при температуре t2, свободные при известной и постоянной температуре t1. Рис. 14.4. Термопара 34 Для измерения в металлургии наиболее широко применяются термоэлектрические термометры со стандартной градуировкой: платинородий-платиновые (ТПП), платинородий-платинородиевые (ТПР), хромель-алюмелевые (ТХА), хромель-капелевые (ТХК), вольфрамрений-вольфрамрениевые (ТВР). В ряде случаев исполь- зуют также ТТ с нестандартной градуировкой: медь-константановые, вольфрам-молибденовые (ТВР) и др. Поверка термоэлектрических термометров сводится к определе- нию температурной зависимости термоЭДС и сравнению получен- ной градуировки со стандартными значениями. Градуировка производится двумя методами: по постоянным точ- кам или сличением. Градуировка по постоянным (реперным) точкам является наибо- лее точной и применяется для образцовых термопар. Поверяемую термопару помещают в тигель с металлом высокой чистоты, уста- навливают в печь и по мере повышения или понижения температу- ры металла регистрируют площадку на кривой изменения термоЭДС. Данная площадка соответствует температуре плавления или крис- таллизации металла, причем более предпочтительно вести градуи- ровку по точке кристаллизации. В качестве реперных металлов ис- пользуют золото, палладий, платину и др. Методом сличения проводится градуировка образцовых термопар второго разряда и технических термоэлектрических термометров. Он заключается в непосредственном измерении термоЭДС градуи- руемой термопары при постоянной температуре свободных концов t0 = 0 C и различных температурах t2 рабочего спая, причем по- следняя определяется с помощью образцового термометра (термо- пары, пирометра излучения). Электрические термометры сопротивления В металлургической практике для измерения температур до 650 С применяются термометры сопротивления (рис. 12.5), принцип дей- ствия которых основан на использовании зависимости электриче- ского сопротивления вещества от температуры. Зная данную зави- симость, по изменению величины сопротивления термометра судят о температуре среды, в которую он погружен. Выходным парамет- ром устройства является электрическая величина, которая может 35 быть измерена с весьма высокой точностью (до 0,02 С), передана на большие расстояния и непосредственно использована в системах автоматического контроля и регулирования. Рис. 14.5. Электрический термометр сопротивления: 1 – корпус головки; 2 – штуцер; 3 – защитный чехол; 4 – фарфоровые бусы; 5 – чувствительный элемент; 6 – клеммная колодка; 7 – сальниковый ввод; 8 – кабель; 9 – провода; 10 – крышка Чувствительный элемент термометров сопротивления выполнен из металлической тонкой проволоки с безындукционной каркасной или бескаркасной намоткой. В качестве материалов для изготовления чувствительных элементов термометров сопротивления используют- ся чистые металлы: платина, медь, никель, железо и полупроводники. Изменение электросопротивления данного материала при изме- нении температуры характеризуется температурным коэффициентом сопротивления , который вычисляется по формуле 0 0( ) / ( ),tR R R t   о 1 ,С где R0 и Rt – электросопротивление соответственно при 0 С и тем- пературе t, Ом; t – температура материала, С. 36 Сопротивление полупроводников с увеличением температуры рез- ко уменьшается, т. е. они имеют отрицательный температурный коэф- фициент сопротивления практически на порядок больше, чем у метал- лов. Полупроводниковые термометры сопротивления (ТСПП) в основ- ном применяются для измерения низких температур (1,5–400 К). Достоинствами ТСПП являются небольшие габариты, малая инер- ционность, высокий коэффициент . Однако они имеют и сущест- венные недостатки: – нелинейный характер зависимости сопротивления от темпе- ратуры; – отсутствие вопроизводимости состава и градуировочной харак- теристики, что исключает взаимозаменяемость отдельных термомет- ров сопротивления данного типа. Это приводит к выпуску ТСПП с индивидуальной градуировкой. Бесконтактное измерение температуры О температуре нагретого тела можно судить на основании изме- рения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины. Чем выше температура тела, тем больше энергии оно излучает. Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрами. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000 С и выше. Одним из главных досто- инств данных устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. По- этому данные методы получили название бесконтактных. На основании законов излучения разработаны пирометры сле- дующих типов: – пирометры суммарного излучения (ПСИ) – измеряется полная энергия излучения; – пирометры частичного излучения (ПЧИ) – измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участке спектра; – пирометры спектрального отношения (ПСО) – измеряется от- ношение энергии фиксированных участков спектра. 37 Общие сведения о терморезисторах Термосопротивлениями (терморезисторами) называются устрой- ства, основное свойство которых заключается в способности изме- нять свое электрическое сопротивление при изменении температу- ры. Основным элементом термосопротивления является определен- ной формы проводник (металл) или полупроводник n- или р-типа электропроводности с двумя невыпрямляющими контактами. Различают терморезисторы с отрицательным температурным ко- эффициентом сопротивления (ТКС), сопротивление которых падает с возрастанием температуры, часто называемые т е р м и с т о р а м и, и терморезисторы с положительным ТКС, сопротивление которых увеличивается с возрастанием температуры. Такие терморезисторы называются п о з и с т о р а м и. Температурная зависимость сопротивления является главной ха- рактеристикой терморезисторов, в значительной степени определяю- щей остальные характеристики этих изделий. Естественно, она ана- логична температурной зависимости удельного сопротивления по- лупроводника, из которого изготовлен данный терморезистор. Уменьшение сопротивления материала с увеличением темпера- туры обусловливается следующими причинами: – увеличением концентрации носителей заряда; – увеличением подвижности носителей заряда; – фазовыми превращениями. Материалы, из которых делают терморезисторы, должны удов- летворять следующим требованиям: чисто электронная проводи- мость материала и возможность регулирования ее, стабильность характеристик материала в диапазоне рабочих температур, простота технологии изготовления изделий. Материалы должны быть нечув- ствительными к загрязнениям в процессе технологического изго- товления изделий. Большое распространение получили оксиды CuO, Mn3O4, Co3O4, NiO и их смеси. На основе смесей оксидов меди и марганца получе- ны полупроводниковые материалы с электропроводностью от 10–8 до 10–1 (Ом·см)–1. Также используются окислы титана, ванадия, железа. При изменении соотношения компонентов соответствующих материа- лов получают заданные значения удельного сопротивления и ТКС. 38 По конструктивному оформлению терморезисторы можно разде- лить на следующие типы: в виде цилиндрических стержней (КМТ-1, ММТ-1, КМТ-4, ММТ-4); дисков (СТ1-17, СТ3-17, СТ5-1); миниатюрных бусинок (СТ1-18, СТ1-19 и др.); плоских прямоугольников (СТ3-23). Маркировка содержит лишь самые необходимые и важнейшие сведения о резисторе. Обязательным показателем во всех случаях является номинальное сопротивление. Характеристики и параметры терморезисторов Основной характеристикой терморезистора является температур- ная зависимость его сопротивления. Она совпадает с температурной зависимостью удельного сопротивления полупроводника, из которо- го изготовлен терморезистор. Во всем рабочем диапазоне температур эта зависимость достаточно точно определяется соотношением т exp , BR A T      (14.1) где Rт – сопротивление терморезистора при температуре Т; A – величина, зависящая от материала и геометрических разме- ров терморезистора; B – постоянная, характеризующая физические свойства материала. Записав выражения, аналогичные (14.1), для двух температур Т и T0 и разделив одно на другое, можно исключить параметр А: т 0 0 1 1exp .R R B T T          (14.2) Соотношение (14.2) не содержит постоянную величину А. Исполь- зуя его, можно рассчитать величину сопротивления терморезистора при любой температуре, если известны значение постоянной В и со- противление при какой-нибудь определенной температуре Т0. 39 Величину постоянной В легко определить экспериментально, из- мерив сопротивление терморезистора при двух температурах. Дей- ствительно, прологарифмировав выражение (14.2), получим 0т 0 0 ln .TTRB R T T       Постоянную В называют коэффициентом температурной чувст- вительности терморезистора во всем рабочем интервале температур. Сопротивление терморезистора R0 при определенной температуре (обычно 20 С) – это номинальное сопротивление терморезистора. Кроме величин В и R0 терморезистор характеризуют следующие основные параметры: – температурный коэффициент сопротивления т , который опре- деляется как относительное изменение сопротивления терморези- стора при изменении температуры на один градус: т 1 .R R T    Воспользовавшись выражением (14.1), можно получить следую- щее соотношение, связывающее т с параметром В: т 2 . B T    (14.3) Из формулы (14.3) следует, что, зная постоянную В, можно вы- числить т для любой температуры. Температурный коэффициент сопротивления полупроводнико- вых терморезисторов в десятки раз больше, чем у металлических. Например, сопротивление платинового терморезистора при его на- греве от 0 до 300 С меняется примерно в два раза. В то же время нетрудно изготовить такой полупроводниковый терморезистор, со- противление которого при этом изменится в тысячу раз; – постоянная времени , отражающая тепловую инерционность терморезисторов. Она равна времени, в течение которого превышение 40 температуры рабочего тела терморезистора над окружающей средой при охлаждении его уменьшится в е (приблизительно в 2,7) раз. Вели- чина постоянной времени терморезистора может изменяться от де- сятых долей секунды до сотен секунд; – предельно допустимая мощность рассеивания. При высоких температурах в полупроводниковом материале терморезистора мо- гут происходить необратимые структурные изменения, в результате которых изменяются параметры прибора. Наибольшую температуру, при которой терморезистор сохраняет стабильность параметров при длительной эксплуатации, называют предельно допустимой. Соот- ветствующую этой температуре мощность рассеяния называют мак- симальной (предельно допустимой) мощностью рассеяния. Обычно ее указывают для температуры окружающей среды 20 С; – коэффициент рассеяния H, численно равный мощности, отво- димой от терморезистора в окружающую среду при разности тем- ператур поверхности и окружающей среды в 1. Вольт-амперная характеристика терморезистора Статическая вольт-амперная характеристика терморезистора – это зависимость протекающего через терморезистор тока от падения на- пряжения на нем в условиях теплового равновесия между терморези- стором и окружающей средой. Типичная вольт-амперная характери- стика терморезистора представлена на рис. 14.6. Как видно из этого рисунка, она имеет ярко выраженный нелинейный характер. Можно выделить три основных участка: ОА, АВ и ВС. На началь- ном участке ОА, соответствующем относительно малым приложен- ным к терморезистору напряжениям, вольт-амперная характеристика линейна. Это связано с тем, что при малых напряжениях электриче- ская энергия, выделяемая в терморезисторе, мала и заметно не изме- няет его температуру. При дальнейшем увеличении напряжения (участок АВ) выделяемая энергия приводит к повышению температу- ры и уменьшению сопротивления. Это вызывает увеличение тока, что обусловливает дальнейшее повышение температуры терморезис- тора, уменьшение его сопротивления и дальнейший рост тока. След- ствием такой положительной связи по току на начальном этапе явля- ется нарушение (участок АВ) линейности вольт-амперной характе- 41 ристики, а затем появление участка ВС с отрицательным сопротив- лением. Дальнейшее увеличение тока (участок выше точки С) снова приводит к росту напряжения на образце. Этот участок соответствует температуре, когда протекающий ток разогревает его до величины, соответствующей температуре примерного истощения. В этом случае дальнейшее повышение температуры не будет сопровождаться ро- стом проводимости и с увеличением тока напряжение начнет расти. Рис. 14.6. Статическая вольт-амперная характеристика терморезистора Статическое сопротивление терморезистора в любой точке вольт- амперной характеристики определяется как котангенс угла наклона прямой, проведенной из начала координат в эту точку. Из рис. 14.6 видно, что величина статического сопротивления монотонно убы- вает с ростом тока, так как сtgc < сtgв < сtgа. (14.4) Вольт-амперная характеристика терморезистора может изменять- ся под влиянием различных причин и, прежде всего, при изменении 42 температуры окружающей среды. На рис. 14.6 качественно пред- ставлен вид вольт-амперных характеристик терморезистора при раз- личных температурах окружающей среды (T1 < T2 < T3). C ростом температуры Т напряжение Uср, которому соответствует начало па- дающего участка вольт-амперной характеристики, уменьшается. Вольт-амперная характеристика «прижимается» к оси токов и спрям- ляется. Качественно заключение о характере трансформации вольт- амперной характеристики терморезистора при изменении темпера- туры вытекает из анализа соотношения (14.4). Действительно, пред- положим, что через терморезистор, находящийся при температуре Т1, протекает постоянный ток. Сопротивление терморезистора в какой- либо точке вольт-амперной характеристики при температуре Т1, со- ответствующей выбранной величине тока, характеризуется опреде- ленным углом 1. При повышении температуры сопротивление тер- морезистора падает. Следовательно, при температуре Т2 угол 2 дол- жен быть больше угла 1. Это означает, что с увеличением темпе- ратуры выбранная точка на вольт-амперной характеристике, снятой при температуре Т1, должна сместиться влево по шкале напряже- ний. Аналогичные рассуждения применимы для любой точки вольт- амперной характеристики. Результатом их является заключение о том, что при повышении температуры внешней среды вся характерис- тика смещается влево. Рассмотрим, как при этом изменяется положение максимума вольт-амперной характеристики. Мощность, рассеиваемая в термо- резисторе, определяется как электрическими, так и его тепловыми характеристиками. В установившемся режиме вся мощность, выде- ляемая в рабочем теле терморезистора, рассеивается в окружающую среду. Поэтому 2 2тт т т 1 т ( ),UP I R H T T R     (14.5) где H – коэффициент теплоотдачи или рассеяния; Т1 – температура окружающей среды. Подставив в (14.5) значения Rт из (14.2), получим следующее уравнение вольт-амперной характеристики терморезистора в пара- метрической форме: 43 0т 0 1 0 ( ) ( )exp ; B T TU HR T T T T       (14.6) 0т 1 0 0 ( )( )exp .B T THI T T R T T       Таким образом, вид статической вольт-амперной характеристики терморезистора определяется коэффициентом рассеяния Н, коэф- фициентом температурной чувствительности В, номинальным сопротивлением терморезистора R0 и температурой окружающей среды T1. Значения максимального напряжения Uср и тока Iср, соответст- вующего этому напряжению, можно определить, взяв первую про- изводную по Т и приравняв ее нулю. В результате получим 2 max max 0 0.T BT BT   Температура терморезистора в точке максимума 0 max ( 4 ) . 2 B B B T T   (14.7) Подставив (14.7) в (14.6), получим значения Uср и Iср. Из выражений (14.7) и (14.6) видно, что: во-первых, статическая вольт-амперная характеристика термо- резистора будет иметь экстремальные значения напряжения только при условии B > 4T0; во-вторых, температура терморезистора при экстремальных зна- чениях напряжения не зависит от коэффициента рассеяния. Поэтому максимумы статических вольт-амперных характеристик терморези- стора, помещенного в различные среды, должны наблюдаться при одних и тех же сопротивлениях терморезистора. Коэффициент рас- сеяния влияет только на значения напряжения и тока в точке макси- мума статической вольт-амперной характеристики; 44 в-третьих, при увеличении температуры окружающей среды уменьшается сопротивление терморезистора и снижается максимум статической вольт-амперной характеристики терморезистора. Режимы работы терморезисторов В зависимости от сферы применения терморезисторов использу- ются два основных режима их включения в электрическую цепь. Особенностью первого режима является малое напряжение (мень- ше Uср), прикладываемое к терморезистору. В этом случае ток, про- текающий через терморезистор, не вызывает его заметного разогре- ва. Величина тока определяется по закону Ома I = U / Rт, где Rт – сопротивление терморезистора, которое зависит только от температуры окружающей среды. Этот режим используется при измерении температуры с помощью терморезистора. Использование терморезисторов в качестве переключателей (вто- рой режим) базируется на так называемом релейном эффекте. Релейным эффектом в цепи, содержащей терморезистор и со- противление нагрузки Rн, называют резкое нарастание или убыва- ние тока, вызванное изменением сопротивления терморезистора. Величина сопротивления нагрузки и напряжение источника пита- ния выбираются таким образом, чтобы нагрузочная линия пересе- кала вольт-амперную характеристику терморезистора в трех точках. Схематично принцип действия переключателя на основе терморе- зистора можно пояснить, обратившись к рис. 14.7, где приведены вольт-амперные характеристики терморезистора, соответствующие температурам окружающей среды Т1 (кривая 1), температуре Т2 > Т1 (кривая 2) и линейного элемента Rн. После включения источника питания устанавливается рабочая точка а и в цепи протекает небольшой ток. Как видно из (14.6), на- пряжение на терморезисторе уменьшается при повышении темпера- туры окружающей среды или при уменьшении коэффициента рас- сеяния Н. При воздействии какого-либо из указанных факторов, например повышении температуры, вольт-амперная характеристика терморезистора изменяется от кривой 1 к кривой 2 (см. рис. 14.7). 45 Рабочая точка перемещается из а в б, и ток в цепи резко увеличива- ется. При возвращении внешней температуры к первоначальному значению рабочая точка перемещается из б в в и высокое значение тока в цепи сохраняется. Рис. 14.7. Схема переключателя на основе терморезистора Часто в такой схеме вместо сопротивления нагрузки включается обмотка электромагнитного реле, которое срабатывает при увеличе- нии тока в цепи. Релейный эффект используется в схемах тепловой защиты, тем- пературной сигнализации, автоматического регулирования темпера- туры, а также в устройствах, реагирующих на изменение влажности, скорости потока жидкости и т. д. Мостовые схемы включения электрических термометров сопротивления Для измерения сопротивления электрических термометров исполь- зуют четырехплечие уравновешенные (ручные или автоматические) и неуравновешенные мосты. Уравновешенный мост Уравновешенный мост, принципиальная схема которого приведена на рис. 14.8, а, используется для определения величины сопротив- 46 ления при градуировке термометров сопротивления и измерениях температуры в лабораторных условиях. Рис. 14.8. Мостовые схемы измерения сопротивления термометров Нулевой метод измерения характеризуется высокой точностью, так как исключается влияние окружающей температуры, магнитных полей и изменения напряжения батареи питания Б. Однако значительная по- грешность может возникать при изменении сопротивления соедини- тельных проводов Rл, что вызывается значительными сезонными и суточными колебаниями температуры в местах прохождения кабеля, соединяющего термометры сопротивления и измерительный мост. На рис. 14.8, б представлена трехпроводная схема включения тер- мометров сопротивления, в которой одна вершина диагонали пита- ния (В) перенесена непосредственно к термометру. Для условия равновесия можно записать 1 3 2 3 л л , t R r R r R R R     откуда 2 3 2 1 л 1 3 1 3 1 .R r RR R R r R r          а б 47 Сопротивления проводов Rл оказываются включенными в различ- ные плечи моста, поэтому изменение их величины Rл практически взаимно компенсируется. Неуравновешенный мост Неуравновешенный мост исключает необходимость выполнения ручных операций по изменению величины R3. В нем вместо нуль- прибора G в диагональ моста AC устанавливается миллиамперметр. При постоянном напряжении питания и постоянных сопротивлениях R1, R2, R3 через этот прибор протекает ток, величина которого зави- сит (нелинейно) от изменения Rт. Использование данных мостов для измерения температуры ограничено. В основном они применяются для преобразования сопротивления термометра в напряжение. Автоматические уравновешенные мосты Автоматические уравновешенные мосты широко используются для измерения и регистрации температуры в комплекте с термометром сопротивления. Их характеризуют высокая точность и возможность использования в системах автоматического регулирования. Мосты вы- пускаются различных модификаций: одно- и многоточечные, с диско- вой или ленточной диаграммой, с сигнальными устройствами и др. На рис. 14.9 приведена принципиальная схема автоматического уравновешенного моста, который так же, как ручной равновесный мост, реализует нулевой метод измерения сопротивления. Термометр сопротивления Rt подключен к прибору по трехпро- водной схеме. В измерительную схему моста входят: уравновешивающий реохорд Rр с шунтирующим его резисто- ром Rш (ограничивает ток, текущий по реохорду); резисторы Rн и Rк, определяющие начало и конец шкалы; спирали rн и rк, обеспечивающие точную подгонку диапазона шка- лы и являющиеся частью резисторов Rн и Rк; резисторы R1, R2 и R3, образующие постоянные плечи моста; термометр сопротивления Rt, являющийся переменным плечом; балластный резистор Rв, который ограничивает ток в мостовой схе- ме и обеспечивает минимальный нагрев термометра сопротивления; 48 подгоночные резисторы Rп1 и Rп2, обеспечивающие сопротивле- ние подводящей линии Rл = 5 Ом (каждый из двух соединительных проводов имеет сопротивление 2,5 Ом). Рис. 14.9. Принципиальная схема автоматического уравновешенного моста Электронный усилитель переменного тока ЭУ включен в диаго- наль ab и обеспечивает усиление разбаланса, возникающего в изме- рительной схеме при изменении сопротивления ТС Rt. Усиленный сигнал поступает на вход реверсивного двигателя РД, который вра- щением вала заставляет перемещаться подвижную каретку реги- стрирующего устройства е и движок реохорда Rр. Вращение вала происходит до тех пор, пока не наступит новое равновесие схемы; напряжение разбаланса станет равным 0, сигнал на входе РД также исчезнет и двигатель остановится. Питание измерительной схемы моста производится через диаго- наль d с помощью силового трансформатора ЭУ переменным током напряжением 6,3 В и частотой 50 Гц. Синхронный двигатель СД пере- мещает диаграммную бумагу относительно пера или печатающего устройства с постоянной скоростью. 49 Описание лабораторного стенда для исследования характеристик терморезисторов Установка для измерения характеристик терморезисторов (рис. 14.10) состоит из основания 1, на котором установлена каме- ра 2. В камере 2 смонтированы электронагреватель 3, исследуемые терморезисторы 4 и термометр 5. Полость камеры 2 заполнена ма- шинным маслом. Для получения объективных результатов терморе- зисторы располагаются рядом друг с другом и для уравнивания температуры в камере применяется мешалка 6. Для быстрого охла- ждения масла используется крыльчатка 7. Рис. 14.10. Установка лабораторная для исследования характеристик терморезисторов: 1 – основание; 2 – камера; 3 – электронагреватель; 4 – терморезисторы; 5 – термометр; 6 – мешалка; 7 – крыльчатка; 8 – тумблер «Режим»; 9 – тумблер «Нагрев»; 10 – тумблер «Охлаждение»; 11 – настроечный резистор Порядок выполнения работы 1. Получить допуск к выполнению работы. 2. Установить тумблер «Режим» в положение I. 3. Включить лабораторную установку. 6 5 3 2 1 4 7 8 9 10 11 50 4. Включить вольтметр в режим измерения сопротивления и под- ключить его к лабораторной установке при помощи соединитель- ных проводов для измерения сопротивления R1. 5. Включить тумблер «Нагрев». 6. Измерить зависимость сопротивления от температуры, в диа- пазоне от 25 до 60 С через 3 С, для первого терморезистора R1. 7. Выключить тумблер «Нагрев» и включить тумблер «Охла- ждение». 8. Измерить зависимость сопротивления от температуры, в диа- пазоне от 60 до 25 С через 3 С, для первого терморезистора R1. 9. Построить зависимость Rт = f(T). 10. Установить тумблер «Режим» в положение II. 11. Включить вольтметр в режим измерения напряжения и для измерения напряжения разбалансировки Uразб подключить его к ла- бораторной установке при помощи соединительных проводов. 12. Настроечным резистором сбалансировать измерительный мост, обеспечив «нуль» на вольтметре. 13. Включить тумблер «Нагрев». 14. Измерить значение Uразб при изменении температуры в диа- пазоне от 25 до 60 С через 5 С. 15. Выключить тумблер «Нагрев» и включить тумблер «Охлаж- дение». 16. Построить зависимость Uразб = f(T). 17. Повторить пункты 10–16 для программы III и IV по схемам включения терморезисторов, рис. 14.11. Rн Rt1 Rt2 R4 R3 Uраз U Rн Rt1 Rt2 R4 R3 Uраз U Rн Rt1 Rt2 R4 R3 Uраз U Рис. 14.11. Схемы включения терморезисторов 51 Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Инструменты и принадлежности. 3. Краткие теоретические сведения. 4. Таблица с результатами измерений. 5. Графики зависимостей R1нагр = f(t) и R1охл = f(t). 6. Выводы по проделанной работе. Список литературы 1. Преображенский, В. П. Теплотехнические измерения и прибо- ры / В. П. Преображенский. – Москва: Энергия, 1978. – 704 с. 2. Чистяков, С. Ф. Теплотехнические измерения и приборы / С. Ф. Чистяков, Д. В. Радун. – Москва: Высшая школа, 1972. – 392 с. Лабораторная работа № 15 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВОЛЬТМЕТРА НА РЕЖИМ РАБОТЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ Цель работы 1. Изучить принцип действия электронного и электромеханиче- ского вольтметра. 2. Произвести измерения напряжений разными приборами. 3. Проанализировать результаты измерения и указать причины различия в показаниях. Инструменты и принадлежности 1. Генератор сигналов специальной формы. 2. Измерительные приборы. Общие сведения Измерения напряжения и силы тока в электрических цепях отно- сятся к наиболее распространенным видам измерений. При этом 52 преобладающее значение имеет измерение напряжения, так как ча- ще всего этой величиной принято характеризовать режимы работы различных цепей и устройств. К тому же параллельный метод под- ключения вольтметра к участку цепи, как правило, не приводит к нарушению электрических процессов в ней, поскольку входное сопротивление прибора выбирается достаточно большим. При из- мерениях же тока приходится размыкать исследуемую цепь и в ее разрыв последовательно включать амперметр, внутреннее сопро- тивление которого отлично от нуля. Однако в ряде случаев необхо- димы как прямые, так и косвенные измерения силы тока, поэтому вопросы измерения напряжения и тока рассматриваются совместно. Задача измерения постоянных напряжения и силы тока заключа- ется в нахождении их значения и полярности. Целью измерения пе- ременных напряжения и силы тока является определение какого- либо их параметра. Так как, согласно закону Ома, напряжение и си- ла тока связаны линейной зависимостью, чаще проводят измерение напряжения и по его значению аналитически вычисляют силу тока. Современные методы и средства измерений позволяют изме- рять напряжения в диапазоне 10–10–106 В и силу тока в диапазоне 10–18–105 А. Вместе с тем данные измерения должны осуществлять- ся в очень широкой полосе частот – от постоянного тока до сверх- высоких частот. Такие крайние значения величин требуют уникаль- ных методов измерения. Измерение параметров переменного напряжения – сложная мет- рологическая задача, связанная с обеспечением требуемого частот- ного диапазона и учетом формы кривой измеряемого сигнала. Пере- менное напряжение (переменный ток) промышленной частоты имеет синусоидальную форму: U(τ) = Um sin(ωτ + φ), и его мгновенное значение U(τ) характеризуется несколькими основ- ными параметрами: амплитудой Um, круговой частотой ωτ и на- чальной фазой φ. Уровень переменного напряжения может быть определен по ам- плитудному, среднему квадратическому, среднему (постоянной со- ставляющей) или средневыпрямленному значениям. 53 Мгновенные значения напряжения U(τ) наблюдают на экране ос- циллографа или другого индикаторного устройства и определяют в каждый момент времени (рис. 15.1). Рис. 15.1. Иллюстрации к понятию «амплитуда напряжения»: а – импульсы положительной полярности; б – синусоидальное напряжение; в – сумма синусоиды и постоянной составляющей; г – несинусоидальное колебание Амплитуда (высота, пиковое значение) Um – наибольшее мгно- венное значение напряжения за время наблюдения или за период. Измеряемые напряжения могут иметь различный вид по форме импульсов, гармонических или негармонических колебаний – сум- мы синусоиды с постоянной составляющей и т. д. (рис. 15.1, а, б, в). При разнополярных несимметричных кривых формы напряжения различают два амплитудных значения (рис. 15.1, г): положительное U+m и отрицательное U–m. Среднее квадратическое значение напряжения определяется как корень квадратный из среднего квадрата мгновенного значения на- пряжения за время измерения (или за период): 2 0 1 ( )d . T U U t t T   а б в г 54 Если периодический сигнал несинусоидален, то квадрат средне- го квадратического значения равен сумме квадратов постоянной составляющей и средних квадратических значений гармоник: 2 2 2 2 0 1 2 ...U U U U    Среднее значение (постоянная составляющая) напряжения равно среднему арифметическому из мгновенных значений за время из- менения (или за период): 2 0 1 ( )d . T U U t t T   Средневыпрямленное напряжение определяется как среднее ариф- метическое абсолютных мгновенных значений за период: 2 0 1 ( ) d . T U U t t T   Для напряжения одной полярности среднее и средневыпрямлен- ное значения равны. В случае разнополярных напряжений эти два значения могут существенно отличаться друг от друга. Так, для гар- монического напряжения Uср = 0, Uср.в = 0,637 Um. Наиболее часто измеряют среднее квадратическое значение на- пряжения, так как этот параметр связан с мощностью, нагревом и по- терями. Однако проще измерить амплитудное или средневыпрямлен- ное значение и произвести пересчет с применением коэффициентов амплитуды Ka и формы Kф. В частности, для синусоидальной (гармо- нической) формы переменного напряжения Ka = 1,41; Kф = 1,11. Основные типы приборов, измеряющих напряжение и силу тока Напряжение и силу тока измеряют приборами непосредственной оценки или приборами, использующими метод сравнения (компен- саторами). По структурному построению всевозможные приборы, измеряющие напряжение и силу тока, условно можно разделить на три основных типа: 55 1) электромеханические; 2) электронные аналоговые; 3) цифровые. Электромеханические приборы Раньше для измерения напряжения и силы тока широко приме- нялись электромеханические приборы. Приборы этих систем часто входят в состав и других, более сложных, средств измерений. Электромеханические приборы непосредственной оценки изме- ряемой величины представляют класс приборов аналогового типа, обладающих рядом положительных свойств: просты по устройству и в эксплуатации, обладают высокой надежностью и на переменном токе реагируют на среднее квадратическое значение напряжения. Последнее обстоятельство позволяет измерять наиболее информа- тивные параметры сигнала без методических ошибок. Электроме- ханические измерительные приборы строят по обобщенной струк- турной схеме, показанной на рис. 15.2. x Измерительная схема x' Измерительный механизм α Отсчетное устройство Рис. 15.2. Структурная схема электромеханического прибора Измерительная схема электромеханического прибора состоит из совокупности сопротивлений, индуктивностей, емкостей и других элементов электрической цепи прибора и осуществляет количест- венное или качественное преобразование входной величины х в элект- рическую величину х', на которую реагирует измерительный меха- низм. Последний преобразует электрическую величину х' в механи- ческое угловое или линейное перемещение α, значение которого отражается на шкале отсчетного устройства, проградуированной в единицах измеряемой величины N(x). Для этого необходимо, что- бы каждому значению измеряемой величины соответствовало одно и только одно определенное отклонение α. При этом параметры схемы и измерительного механизма не должны меняться при изме- нении внешних условий: температуры окружающей среды, частоты питающей сети и других факторов. 56 Классификацию электромеханических приборов производят на основании типа измерительного механизма. Наиболее распростра- ненными в практике радиотехнических измерений являются следу- ющие системы: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электро- динамическая, электростатическая. Некоторые характеристики и свойства аналоговых измеритель- ных приборов указываются на их шкалах или корпусах в соответ- ствии с ГОСТ 23217. Обозначения системы прибора – прибор магнитоэлектрической системы; – прибор магнитоэлектрической системы с выпрямителем; – прибор электродинамической системы; – прибор ферродинамической системы; – прибор электромагнитной системы; – прибор электростатической системы; – прибор индукционной системы. Обозначения классов точности прибора – обозначение класса точности прибора, численно равное пре- делу допускаемой основной приведенной погрешности, которая определена при нормирующем значении н р м maxx х (норми- руется, если мультипликативная составляющая погрешности мала по сравнению с аддитивной составляющей); в подобных случаях это означает, что абсолютная инструментальная по- грешность исправного средства измерений в нормальных ус- ловиях эксплуатации не должна превышать значения си maxинст ,100 х  где си – численное обозначение класса точности средства измерения. 57 – обозначение класса точности прибора, численно равное пре- делу допускаемой основной относительной погрешности, ко- торая определена при нормирующем значении н р мx х нор- мируется, если аддитивная составляющая погрешности мала по сравнению с мультипликативной составляющей); в подоб- ных случаях это означает, что абсолютная инструментальная погрешность исправного средства измерений в нормальных условиях эксплуатации не должна превышать значения си инст ,100 х  где си – численное обозначение класса точности средства измерения; х – результат измерения. – обозначение класса точности прибора, численно равное пре- делу допускаемой основной приведенной погрешности, кото- рая определена при нормирующем значении н рм max minx х x  (нормируется, когда нулевое значение измеряемой величины находится либо внутри диапазона, либо вне его); в подобных случаях это означает, что абсолютная инструментальная по- грешность исправного средства измерений в нормальных условиях эксплуатации не должна превышать значения си max min инст ,100 х x   где си – численное обозначение класса точности средства измерения. – обозначение класса точности прибора (только аналогового омметра), численно равное пределу основной приведенной погрешности, которая определена как выраженное в процен- тах отношение длины участка шкалы l, мм, соответствую- щего максимальной абсолютной погрешности, к общей длине шкалы L, мм. 58 Обозначения вида тока (напряжения) – постоянный ток (напряжение); – переменный ток (напряжение); – постоянный и переменный ток (напряжение). Другие обозначения – нормальное рабочее положение прибора вертикальное (на щите); – нормальное рабочее положение прибора горизонтальное; – испытательное напряжение прочности изоляции 500 В; – испытательное напряжение, превышающее 500 В (здесь 2 кВ); – прибор не подлежит испытанию прочности изоляции; – перед использованием прибора внимательно изучить инст- рукцию по его эксплуатации; – зажим не изолирован от высокого напряжения; – зажим соединен с корпусом, не заземляется; – зажим соединен с корпусом, заземляется. Магнитоэлектрическая система Магнитное поле создается постоянным магнитом, прошедшим стабилизацию (рис. 15.3). Между полюсами магнита расположен сердечник таким образом, чтобы воздушный зазор, в котором движется рамка с обмоткой, был равномерным. В обмотку рамки через пружинки или иные упругие элементы, например растяжки, поступает ток I, и в результате его взаимодействия с постоянным магнитным полем возникает вращаю- щий момент вр ,M BSwI 59 где B – индукция магнитного поля в зазоре; S – площадь обмотки рамки; w – число витков обмотки рамки. Рис. 15.3. Прибор магнитоэлектрической системы Вращающему моменту противодействует момент, создаваемый пружинкой или растяжкой, который в пределах упругих деформа- ций этих элементов линейно зависит от угла поворота рамки : пр ,M W  где W – жесткость пружинки (растяжки). В установившемся состоянии, когда вр пр:M M BSw I W   с такой точностью, которая обеспечивается стабильностью индукции магнитного поля в зазоре и жесткости пружинки (растяжки). Совре- менные технологии изготовления и стабилизации магнитов и упру- гих элементов позволяют достигать значений основной приведенной погрешности магнитоэлектрических приборов вплоть до 0,1 %. 60 Поскольку угол поворота рамки и, следовательно, стрелки линейно зависит от тока в рамке, шкалы автономно применяемых магнито- электрических приборов равномерные. На основе магнитоэлектрического механизма создаются вольт- метры, амперметры, миллиамперметры и другие измерительные при- боры, и их структурное построение определяется главным образом измерительной схемой. Измерительные приборы магнитоэлектри- ческой системы имеют достаточно высокую точность, сравнительно малое потребление энергии из измерительной цепи, высокую чув- ствительность, но работают лишь на постоянном токе. Основное использование получили переносные, лабораторные, многопредельные амперметры и вольтметры постоянного тока. Класс точности 0,05–0,5, потребляемая мощность Рсоб ≈ 10–5–10–4 Вт. Особую группу измерителей тока составляют высокочувствитель- ные магнитоэлектрические приборы – нуль-индикаторы или гальвано- метры. Их задача – показать наличие или отсутствие тока в цепи, по- этому они работают в начальной точке шкалы и должны обладать большой чувствительностью. Гальванометры снабжают условной шкалой и не нормируют по классам точности. Современные гальвано- метры позволяют измерять токи 10–5–10–12А и напряжения до 10–4В. Для расширения пределов измерения токов амперметрами и на- пряжений вольтметрами применяют шунты и добавочные сопротив- ления, которые включают в схемы этих приборов соответственно параллельно и последовательно индикаторам. Электромагнитная система Принцип действия электромагнитной системы (рис. 15.4) заклю- чается в следующем: вращающий момент создается за счет того, что ток i(t), протекающий по катушке, выполненной как соленоид со щелевидным отверстием, создает электромагнитное поле, кото- рое внутрь катушки втягивает фигурную пластину, изготовленную из электротехнической стали. Этот момент пропорционален квадра- ту силы тока и поэтому содержит постоянную и переменную со- ставляющие. Частота первой гармоники переменной составляющей равна удвоенной частоте первой гармоники измеряемой силы тока. Прибор электромагнитной системы может работать на переменном токе. Однако электромагнитные приборы являются все-таки низко- 61 частотными, так как с ростом частоты сильно возрастает индуктив- ное сопротивление катушки. Рис. 15.4. Принцип действия прибора электромагнитной системы Уравнение шкалы или передаточная функция электромагнитной измерительной системы выражается как 2 1 d , 2 d LI W    где 22 0 1 d ; T I i t T   L – индуктивность катушки. В силу квадратической зависимости вращающего момента от си- лы тока шкала электромагнитных приборов неравномерна. Равно- мерности шкалы на рабочей части добиваются путем подбора фор- мы пластин, втягивающихся в катушку. Достоинствами приборов электромагнитной системы являются: отсутствие токоподводов к подвижной части, способность выдержи- вать значительные перегрузки, простота конструкции, низкая трудо- емкость в изготовлении и низкая стоимость используемых материалов и, следовательно, более низкая цена по сравнению с другими прибо- рами, имеющими равные метрологические свойства, возможность градуировки приборов, предназначенных для измерений в цепях пе- ременного тока. К недостаткам приборов этой системы можно отне- 62 сти большое собственное потребление энергии, невысокую точность, малую чувствительность и сильное влияние магнитных полей. На практике применяют амперметры электромагнитной системы с пределами измерения от долей ампера до 200 А и вольтметры – от долей вольта до сотен вольт. Основное использование – в виде щи- товых и лабораторных переносных низкочастотных амперметров и вольтметров (f = 0–5 кГц). Класс точности 0,5–2,5, потребляемая мощность Рсоб = 1–6 Вт. Электродинамическая система Измерительный механизм содержит две измерительные катуш- ки: неподвижную и подвижную (рис. 15.5). Принцип действия ос- нован на взаимодействии катушек, электромагнитные поля которых взаимодействуют в соответствии с формулой 1 2 dcos , d MM I I   где Mвр – вращающий момент; I1 – ток через неподвижную катушку; I2 – ток через подвижную катушку; θ – фазовый сдвиг между синусоидальными токами; М – коэффициент взаимной индуктивности катушек. Рис. 15.5. Приборы электродинамической системы, принцип действия, варианты применения 63 Момент инерции подвижной части прибора (катушка и стрелка) достаточно велик, и поэтому она не успевает реагировать на быст- рые изменения токов, т. е. является простым механическим низко- частотным фильтром. На основе электродинамического механизма в зависимости от схе- мы соединения обмоток могут изготавливаться вольтметры, ампер- метры, ваттметры. Достоинством электродинамических вольтметров и амперметров является высокая точность на переменном токе. Пре- дел основной приведенной погрешности может быть 0,1–0,2 %, что является наилучшим достижимым показателем для измерительных приборов переменного тока. По другим показателям электродинами- ческие приборы близки к электромагнитным. Электродинамические приборы используются как образцовые лабораторные низкочастот- ные высокого класса точности измерительные приборы. Класс точности 0,1–0,2, потребляемая мощность Рсоб = 1 Вт, час- тотный диапазон 0–5 кГц. Электростатические приборы Действие прибора основано на использовании силы, возникаю- щей между пластинами воздушного конденсатора, заряды на кото- рых имеют разные знаки. Схематический чертеж электростатиче- ского прибора представлен на рис. 15.6. Рис. 15.6. Принцип действия приборов электростатической системы 64 Измеряемое напряжение u(t) прикладывается к неподвижным и подвижным пластинам, которые под действием указанной силы втягиваются в пространство между неподвижными пластинами. Вра- щающий момент пропорционален квадрату напряжения и поэтому содержит постоянную и переменную составляющие. Ограничение движения (как и в других электромеханических системах) осуще- ствляется за счет пружинки. Достоинства этих приборов: широкий частотный диапазон (до 30 МГц) и малая мощность, потребляемая из измерительной цепи. Приборы измеряют среднее квадратическое значение напряжения. Уравнение отклонения рамки записывается в виде 21 d ; 2 d сU W    2 2 0 1 d , T U u t T   где С – емкость между пластинами. Устройство и принцип действия электростатического прибора говорят о том, что электростатическим прибором может быть толь- ко вольтметр, обеспечивающий измерение постоянного напряжения и действующего значения переменного напряжения. Электростати- ческий вольтметр выделяется среди вольтметров всех систем, в том числе и электронных, своим экстремально высоким сопротивлени- ем, которое при измерении постоянного напряжения равно сопро- тивлению изоляции. При измерении переменного напряжения соб- ственное сопротивление электростатического вольтметра определя- ется его емкостью, не превышающей нескольких сот пикофарад. Основным недостатком вольтметров электростатической системы является низкий вращающий момент, из-за чего диапазон измеряе- мых напряжений ограничен снизу значением 30 В, и приборы могут применяться только при условии защиты от вибраций и тряски. С другой стороны, вольтметры электростатической системы обес- печивают измерение высоких напряжений до 300 кВ без использо- вания делителя напряжения и практически без собственного потреб- ления мощности от объекта. Класс точности 0,5–1,5, потребляемая мощность Рсоб ≤ 1 мВт, частотный диапазон 0–30 МГц. 65 Средства расширения пределов измерения Расширение пределов измерения приборов – это важная технико- экономическая задача, целью которой является уменьшение объема приборного парка предприятия без ущерба для метрологического обеспечения испытаний изделий и управления технологическими процессами. При наличии средств расширения пределов измерения оказывается возможным применять один и тот же дорогостоящий прибор для измерения величин различного размера. В конкретных ситуациях может потребоваться изменить предел измерения в сто- рону увеличения верхнего предела измерений, т. е. уменьшить чув- ствительность прибора, а в других случаях, наоборот, – повысить чувствительность, т. е. изменить предел измерения в сторону умень- шения верхнего предела измерения. Возможны два варианта реше- ния этой задачи. В первом варианте средства расширения пределов измерения встраиваются в измерительный прибор, который снабжается руч- ным переключателем пределов. Во втором варианте используются внешние средства расширения пределов измерений. Такое внешнее средство расширения пределов измерения есть не что иное, как масштабирующий линейный изме- рительный преобразователь, который изменяет не вид измеряемой величины, а лишь ее масштаб. В качестве внешних средств расширения пределов измерения используются: – шунты – для расширения пределов измерения силы тока в сто- рону увеличения максимального значения измеряемой величины, т. е. для уменьшения чувствительности; – делители напряжения и добавочные сопротивления – для рас- ширения пределов измерения напряжения в сторону увеличения максимального значения измеряемой величины, т. е. для уменьше- ния чувствительности; – усилители тока и напряжения – для расширения пределов из- мерения тока или напряжения в сторону уменьшения максимально- го значения измеряемой величины, т. е. для увеличения чувстви- тельности; – измерительные трансформаторы тока и напряжения – могут применяться для расширения пределов измерения тока или напря- 66 жения в обе стороны, но чаще всего применяются для расширения пределов измерения в сторону увеличения максимального значения измеряемой величины, т. е. для уменьшения чувствительности. Шунты Схема соединения однопредельного амперметра с шунтом пока- зана на рис. 15.7. Шунт имеет четыре зажима. Зажимы Л1 и Л2 называются то- ковыми зажимами, к ним подклю- чается линия с измеряемым током. Два других зажима П1 и П2 – потенциальные, к ним подключа- ется амперметр, собственное со- противление которого показано на рисунке и обозначено через RA. Потенциальные зажимы жестко соединены между определенными точками шунта путем сварки или другими методами, обеспечиваю- щими высокую стабильность расположения этих точек и пренебре- жимо малое и стабильное переходное сопротивление от этих точек к потенциальным зажимам. Непосредственное присоединение амперметра к токовым зажи- мам недопустимо, поскольку в этом случае нестабильность сопро- тивления контактов в токовых зажимах из-за различных усилий при винтовом соединении и попадания грязи и пыли при большой силе тока будет вызывать соответствующую нестабильность падения на- пряжения на этих контактах и погрешность измерения, которая не мо- жет быть гарантирована изготовителями амперметра и шунта и не может быть определена при измерении. Сопротивление шунта между точками присоединения потенци- альных зажимов обозначено через Rш. Пусть IA – ток полного отклонения стрелки, соответствующий верхнему пределу диапазона измерения амперметра А, а UA – паде- ние напряжения на сопротивлении амперметра при этом токе: A A A.U I R Рис. 15.7. Соединение амперметра с шунтом 67 Пусть maxI – верхний предел диапазона измерения силы тока, ко- торый желательно обеспечить с помощью шунта. Очевидно, что при этой силе тока должно выполняться равенство A A max A ш( ) ,I R I I R  откуда получаем значение масштабного коэффициента расширения предела измерения силы тока: max A A ш 1 .I RK I R    Всегда K > 1. Добавочные сопротивления Для расширения пределов измерения напряжения могут исполь- зоваться делители напряжения и добавочные сопротивления. Одна- ко из-за того, что делитель напряжения должен потреблять от объ- екта ток, превышающий ток собственного потребления вольтметра, на практике для расширения пределов измерения вольтметров при- меняют добавочные сопротивления. Исключение составляет только электростатический вольтметр, который практически не потребляет ток, и с ним могут использоваться делители напряжения, состав- ленные из активных сопротивлений или конденсаторов. Добавочное сопротивление последовательно соединяется с вольт- метром. Если собственное сопротивление вольтметра Rв, а значение добавочного сопротивления Rд, то при подключении к вольтметру добавочного сопротивления верхний предел измерения увеличива- ется до напряжения max в max в д( ),U I R R  где в maxI – ток полного отклонения стрелки вольтметра. 68 Поэтому коэффициент расширения предела измерения вmax в д д вmax в в ( ) 1 . I R R R K I R R    Всегда K > 1. Измерительные трансформаторы тока Измерительные трансформаторы тока применяются для расши- рения пределов измерения характеристик переменного тока и име- ют существенное преимущество перед шунтами, которое заключа- ется в том, что при их применении отсутствует гальваническая связь между первичной обмоткой, включенной в мощную электри- ческую цепь объекта, и вторичной обмоткой. Разрыв этой гальвани- ческой связи способствует обеспечению безопасности персонала, снижению действия помех и облегчает выполнение необходимых соединений во вторичной цепи. Кроме того, в ограниченном час- тотном диапазоне коэффициент преобразования (масштабирования) определяется только отношением числа витков обмоток трансфор- матора и мало зависит от внешних влияющих факторов. Схема вклю- чения измерительного трансформато- ра тока в линию с измеряемым то- ком xI и присоединения амперметра ко вторичной обмотке представлена на рис. 15.8. На этом рисунке Л1 и Л2 – зажимы первичной обмотки транс- форматора, к которым подключена линия, И1 и И2 – зажимы вторичной обмотки, к которым подключается амперметр, К – ключ, замыкающий вторичную обмотку. Как известно, опасным режимом для трансформатора тока явля- ется режим холостого хода, при котором на вторичной обмотке раз- вивается высокое напряжение и возможен пробой изоляции. Напро- тив, благоприятным режимом для трансформатора тока является режим короткого замыкания вторичной обмотки. В связи с этим Рис. 15.8. Измерительный трансформатор тока 69 чрезвычайно важно выполнять правила включения трансформатора тока в линию с амперметром. Коэффициент преобразования трансформатора тока в ограничен- ном диапазоне частот равен отношению числа витков обмоток транс- форматора и может быть как больше, так и меньше единицы. Измерительные трансформаторы напряжения Измерительные трансформаторы напряжения применяются для расширения пределов измерения характеристик переменного напря- жения. Применение измерительных трансформаторов напряжения дает те же преимущества перед применением добавочных сопротив- лений, что и применение трансформаторов тока. В ограниченном частотном диапазоне коэффициент преобразования (масштабирова- ния) определяется только отношением числа витков обмоток транс- форматора и практически не зависит от действия внешних влияю- щих факторов. С увеличением частоты сверх этого диапазона начи- нают расти погрешности передачи амплитуды и фазы измеряемого напряжения. Схемы соединений трансформатора напряжения с уча- стком электрической цепи и с вольтметром во вторичной обмотке особенностей не имеют. Аналоговые электронные вольтметры При измерении напряжения методом непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно участку исследуемой цепи. Для уменьшения методической погрешности измерения собственное потребление вольтметра должно быть мало, а его входное сопротив- ление велико. Поэтому в последние годы в основном используются электронные вольтметры. Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и измерительного прибора. В отличие от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры постоянного и переменного токов имеют высокие входное сопротивление и чувствительность, широкие пре- делы измерения и частотный диапазон (от 20 Гц до 1000 МГц), ма- лое потребление тока из измерительной цепи. 70 Электронные вольтметры классифицируют по ряду признаков: • по назначению – вольтметры постоянного, переменного и им- пульсного напряжений; универсальные, фазочувствительные, селек- тивные; • способу измерения – приборы непосредственной оценки и при- боры сравнения; • характеру измеряемого значения напряжения – амплитудные (пиковые), среднего квадратического значения, средневыпрямлен- ного значения; • частотному диапазону – низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные. Кроме того, все электронные приборы можно разделить на две большие группы: аналоговые электронные со стрелочным отсчетом и приборы дискретного типа с цифровым отсчетом. В соответствии с общепринятыми обозначениями отечествен- ным электронным вольтметрам присваивается индекс В. Например, ВК7-16А – вольтметр комбинированный (К) – может измерять со- противление; 7 – универсальный на постоянный и переменный ток; 16 – номер разработки; А – модификация. Вольтметры постоянного тока имеют индексацию В2, а вольтметры переменного тока – В3. При измерениях силы тока электронным вольтметром вначале ток преобразуется в напряжение, а затем определяется по формуле Ix = Ux / R0. Структурные схемы аналоговых электронных вольтметров Структурная схема аналогового электронного вольтметра прямо- го преобразования соответствует типовой схеме, изображенной на рис. 15.9, в самом общем случае включает входное устройство, на вход которого подается измеряемое напряжение Ux, измерительный преобразователь и магнитоэлектрический прибор, применяемый в ка- честве измерительного устройства. Ux Входное устройство x' Измерительный преобразователь α Измерительное устройство Рис. 15.9. Обобщенная структурная схема аналогового вольтметра прямого преобразования 71 В простейшем случае входное устройство представляет делитель измеряемого напряжения – аттенюатор, с помощью которого рас- ширяются пределы измерения вольтметра. Помимо точного деления Ux входное устройство не должно снижать входной импеданс вольт- метра, влияющий, как уже неоднократно подчеркивалось, на методи- ческую погрешность измерения Ux. Таким образом, использование входного устройства в виде аттенюатора является, в дополнение к добавочным сопротивлениям и измерительным трансформаторам напряжения, еще одним способом расширения пределов измерения вольтметров. Именно этот способ применяется в электронных вольт- метрах и других радиоизмерительных приборах. Структурная схема аналогового электронного вольтметра посто- янного тока соответствует обобщенной схеме рис. 15.9. Основным функциональным узлом таких вольтметров является усилитель по- стоянного тока. В настоящее время аналоговые электронные вольт- метры постоянного тока находят ограниченное применение, так как они по своим техническим свойствам сильно уступают цифровым вольтметрам переменного тока. Поэтому дальше рассматриваются только аналоговые вольтметры переменного тока. Вольтметры переменного и импульсного тока в зависимости от назначения могут проектироваться по одной из двух структурных схем (рис. 15.10), различающихся типом измерительного преобра- зователя. В вольтметрах первой модификации (рис. 15.10, а) изме- ряемое напряжение Ux преобразуется в постоянное напряжение Ux-, которое затем измеряется вольтметром постоянного тока. Наоборот, в вольтметрах второй модификации (рис. 15.10, б) измеряемое на- пряжение сначала усиливается с помощью усилителя переменного тока, а затем детектируется и измеряется. При необходимости меж- ду детектором и измерительным устройством может быть дополни- тельно включен усилитель переменного тока. Сравнивая структурные схемы на рис. 15.10, можно еще до рас- смотрения схемных решений их функциональных узлов сделать определенные выводы в отношении свойств вольтметров обеих мо- дификаций. В частности, вольтметры первой модификации в отно- шении диапазона частот измеряемых напряжений не имеют таких ограничений, как вольтметры второй модификации, где этот пара- метр зависит от полосы пропускания усилителя переменного тока. Зато вольтметры второй модификации имеют высокую чувствитель- 72 ность. С помощью усилителя переменного тока можно получить зна- чительно больший коэффициент усиления, чем с помощью усилителя постоянного тока, т. е. проектировать микровольтметры, у которых нижний предел Ux- ограничивается собственными шумами усилите- ля. За счет изменения коэффициента деления входного устройства и коэффициента усиления усилителей диапазон измеряемых напряже- ний может быть большим у вольтметров обеих модификаций. Ux Входное устройство Детектор Ux- Усилитель пе-ременного тока Измерительное устройство а Ux Входное устройство Усилитель пе- ременного тока Детектор Ux- Измерительное устройство б Рис. 15.10. Структурные схемы аналоговых вольтметров переменного и импульсного тока: а – с детектором на входе; б – с усилителем переменного тока на входе Детекторы можно классифицировать по функции преобразования входного напряжения в выходное: амплитудные (пиковые), среднего квадратического и средневыпрямленного значения. Тип детектора во многом определяет свойства прибора: вольтметры с амплитудными детекторами являются самыми вы- сокочастотными; вольтметры с детекторами среднего квадратического значения позволяют измерять напряжение любой формы; вольтметры средневыпрямленного значения измеряют только гар- монические сигналы, но являются самыми простыми и надежными. Амплитудный детектор – устройство, напряжение на выходе которого, т. е. на нагрузке, соответствует максимальному (ампли- тудному) значению измеряемого напряжения. Одним из достоинств аналоговых вольтметров с амплитудным детектором является независимость показаний прибора от формы сигнала. Обычно шкала амплитудных вольтметров градуируется в средних квадратических значениях синусоидального напряжения, т. е. показания прибора: Uпр = –Um / Kа. 73 Диодные амплитудные детекторы при малых напряжениях вно- сят в измеряемый сигнал значительные нелинейные искажения. По- этому в последние годы в измерительных устройствах применяют амплитудные детекторы на интегральных микросхемах – операци- онных усилителях – ОУ. Детектор среднего квадратического значения – преобразователь переменного напряжения в постоянное, пропорциональное корню квадратному из среднего квадрата мгновенного значения напряже- ния. Значит, измерение действующего напряжения связано с выпол- нением трех последовательных операций: возведение в квадрат мгно- венного значения сигнала, усреднение и извлечение корня из резуль- тата усреднения (последняя операция обычно осуществляется при градуировке шкалы вольтметра). Возведение в квадрат мгновенного значения, как правило, производят ячейкой с полупроводниковым элементом путем использования квадратичного участка его характе- ристики; иногда этот участок создается искусственно. Детектор средневыпрямленного значения – устройство, преоб- разующее переменное напряжение в постоянный ток, пропорцио- нальный средневыпрямленному значению напряжения. Структура выходного тока измерительного прибора с детектором средневы- прямленного значения аналогична ранее рассмотренному узлу вы- прямительной системы, и поэтому их свойства во многом идентич- ны (зависимость от формы сигнала, частотные характеристики, класс точности). Аналоговый электронный вольтметр средневыпрямлен- ного значения имеет более высокую чувствительность и меньшее потребление мощности от измерительной цепи (за счет дополни- тельного усиления), чем прибор со схемой выпрямления. Цифровые вольтметры По виду измеряемой величины цифровые вольтметры делятся на вольтметры постоянного тока, переменного тока (средневыпрямлен- ного или среднего квадратического значения), импульсные вольт- метры для измерения параметров видео- и радиоимпульсных сигна- лов и универсальные вольтметры, предназначенные для измерения напряжения постоянного и переменного тока, а также ряда других электрических и неэлектрических величин (сопротивления, темпе- ратуры и прочее). 74 Принцип работы цифровых измерительных приборов основан на дискретном и цифровом представлении непрерывных измеряемых величин. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра при- ведена на рис. 15.11. Схема состоит из входного устройства, АЦП, цифрового отсчетного устройства и управляющего устройства. Ux Входное устройство Ux АЦП Код Цифровое отсчет- ное устройство N Десятичная цифра Управляющее устройство Рис. 15.11. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра Входное устройство содержит делитель напряжения. В вольт- метрах переменного тока оно включает в себя также преобразова- тель переменного тока в постоянный. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представляемый цифровым кодом. Процесс аналого-цифрового преобразования состав- ляет сущность любого цифрового прибора, в том числе и вольтметра. Использование в АЦП цифровых вольтметров двоично-десятичного кода облегчает обратное преобразование цифрового кода в десятич- ное число, отражаемое цифровым отсчетным устройством. Цифровое отсчетное устройство измерительного прибора регист- рирует измеряемую величину. Управляющее устройство объединяет и управляет всеми узлами вольтметра. По типу АЦП цифровые вольтметры могут быть разделены на четыре основные группы: 1) кодоимпульсные (с поразрядным уравновешиванием); 2) времяимпульсные; 3) частотно-импульсные; 4) пространственного кодирования. В настоящее время цифровые вольтметры чаще строятся на ос- нове кодоимпульсного и времяимпульсного преобразования. АЦП вольтметров преобразуют сигнал постоянного тока в циф- ровой код, поэтому и цифровые вольтметры также считаются при- 75 борами постоянного тока. Для измерения напряжения переменного тока на входе вольтметра ставится преобразователь переменного напряжения в постоянное, чаще всего это детектор средневыпрям- ленного значения. Основные технические характеристики цифровых вольтметров постоянного тока: • диапазон измерения: 100 мВ, 1, 10, 100, 1000 В; • порог чувствительности (уровень квантования амплитуды напря- жения или единица дискретности) на диапазоне напряжения в 100 мВ может быть 1 мВ, 10 мкВ; • количество знаков (длина цифровой шкалы) – отношение мак- симальной измеряемой величины на этом диапазоне к минималь- ной. Диапазону измерения 100 мВ при уровне квантования 10 мкВ соответствуют 104 знака; • входное сопротивление электрической схемы очень высокое, обычно более 100 МОм; • помехозащищенность – так как цифровые вольтметры облада- ют высокой чувствительностью, очень важно обеспечить хорошую помехозащищенность. В кодоимпульсных цифровых вольтметрах (вольтметрах с пораз- рядным уравновешиванием) реализуется принцип компенсационно- го метода измерения напряжения. Упрощенная структурная схема такого вольтметра представлена на рис. 15.12. Управляющее устройство Uy Входное устройство Ux Устройство сравнения Uк Прецизионный делитель Источник опорного напряжения Uср Uкод Цифровое отсчетное устройство Рис. 15.12. Упрощенная структурная схема кодоимпульсного вольтметра 76 Измеряемое напряжение Ux, полученное с входного устройства, сравнивается с компенсирующим напряжением Uк, вырабатываемым прецизионным делителем и источником опорного напряжения. Ком- пенсирующее напряжение имеет несколько уровней, квантованных в соответствии с двоично-десятичной системой счисления. Напри- мер, двухразрядный цифровой вольтметр, предназначенный для из- мерения напряжений до 100 В, может включать следующие уровни напряжений: 80, 40, 20, 10, 8, 4, 2, 1 В. Сравнение измеряемого Ux и компенсирующего Uк напряжений производится последовательно по командам управляющего устрой- ства. Управляющие импульсы Uy через определенные интервалы времени переключают сопротивления прецизионного делителя та- ким образом, что на выходе делителя последовательно возникают значения напряжения 80, 40, 20, 10, 8, 4, 2, 1 В; одновременно к соответствующему выходу прецизионного делителя подключается устройство сравнения. Если Uк > Ux', то с устройства сравнения поступает сигнал Uср на отключение в делителе соответствующего звена так, чтобы снять сигнал Uк. Если Uк < Uх', то сигнал с устройства сравнения не по- ступает. После окончания процесса сравнения полученный сигнал Uкод положения ключей прецизионного делителя и является тем ко- дом, который считывается цифровым отсчетным устройством. Для аналогового напряжения с амплитудой 63 В код, соответст- вующий этому сигналу, будет 01100011. Процесс измерения напряжения в кодоимпульсном приборе на- поминает взвешивание на весах, поэтому приборы иногда называют поразрядно-уравновешивающими. Точность кодоимпульсного прибо- ра зависит от стабильности опорного напряжения, точности изготов- ления делителя и порога срабатывания сравнивающего устройства. Сейчас более широкое распространение получили приборы время- импульсного типа. Структурная схема и диаграмма, поясняющие работу прибора с времяимпульсным преобразованием, показаны на рис. 15.13. Прибор работает следующим образом. Генератор пилообразного напряжения ГЛИН вырабатывает напряжение (на рисунке обозна- чено Uk) с нормированной частотой. В устройстве сравнения напря- жение Uk сравнивается с измеряемым напряжением Ux. В моменты 77 совпадения напряжений формируются (см. диаграмму) импульсы Δt, определяющие интервалы времени, в течение которых будет произво- диться измерение. Далее эти интервалы «заполняются» импульсами с генератора счетных импульсов. Количество импульсов N за интервал времени Δt подсчитывается счетчиком импульсов и отображается в отсчетном устройстве. Таким образом, чем больше измеряемое на- пряжение, тем больше интервал времени Δt и количество импульсов N. (Число импульсов N прямо пропорционально напряжению Ux.) Рис. 15.13. Структурная схема и диаграмма прибора с времяимпульсным преобразованием: УПТ – усилитель постоянного тока; ГЛИН – генератор линейно изменяющегося напряжения Измеряемая величина    ср ном мах.ном 0 0 1 1( ) d sin d . T T x x xU U U t t U U t t UT T        78 Схема и диаграмма, поясняющие работу приборов с частотно- импульсным преобразованием, показаны на рис. 15.14. Рис. 15.14. Структурная схема и диаграмма прибора с частотно-импульсным преобразованием Схема работает следующим образом. При подаче на вход инте- гратора напряжения Uх на его выходе формируется линейно нарас- тающее напряжение. Скорость нарастания сигнала Uинт зависит от величины входного напряжения: чем больше напряжение, тем с боль- шей скоростью нарастает сигнал. В устройстве сравнения напряже- ние Uинт сравнивается с образцовым напряжением U0. В момент ра- венства напряжений формируется импульс обратной связи, который запускает схему сброса интегратора и действует до тех пор, пока напряжение на выходе интегратора не обнулится. Очевидно, чем больше входное напряжение, тем больше частота следования импульсов. Частота импульсов fx прямо пропорцио- нальна входному напряжению. В приведенной схеме не контроли- руется процесс разряда интегратора, что приводит к погрешности преобразования Ux – fx. 79 Порядок выполнения работы 1. Получить допуск к работе. 2. На генераторе сигналов специальной формы Г6-29 выставить синусоидальный сигнал частотой 50 Гц и снять показания на трех вольтметрах: электронном В3-38, В7-27 и электромеханическом Ц4331. Контроль сигнала осуществлять осциллографом С 1-137. 3. На генераторе сигналов специальной формы Г6-29 выставить синусоидальный сигнал частотой 500 кГц и снять показания на трех вольтметрах. 4. На генераторе сигналов специальной формы Г6-29 выставить пилообразный сигнал частотой 50 Гц и снять показания на трех вольтметрах. 5. На генераторе сигналов специальной формы Г6-29 выставить пилообразный сигнал частотой 500 кГц и снять показания на трех вольтметрах. 6. На генераторе сигналов специальной формы Г6-29 выставить прямоугольный сигнал частотой 50 Гц и снять показания на трех вольтметрах. 7. На генераторе сигналов специальной формы Г6-29 выставить прямоугольный сигнал частотой 500 кГц и снять показания на трех вольтметрах. 8. Произвести анализ результатов, дать объяснение различия по- казаний приборов. Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Краткие теоретические сведения. 3. Таблица с полученными значениями измерений. 4. Выводы по проделанной работе. Список литературы 1. Электрические измерения : учебник для вузов / А. В. Фремке [и др.]; под ред. А. В. Фремке и Е. М. Душина. – 5-е изд., перераб. и доп. – Ленинград : Энергия; Ленингр. отд-ние, 1980. – 392. 2. Андреев, Т. Н. Теория механизмов и детали точных приборов / Т. Н. Андреев. – Москва : Машиностроение, 1987. 80 Лабораторная работа № 16 ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ Цель работы 1. Изучить интерференционный метод измерения частоты. 2. Изучить принцип действия индукционного первичного изме- рительного преобразователя. 3. Определить число оборотов электродвигателя. Инструменты и принадлежности 1. Собранная установка с индуктивным первичным преобразо- вателем. 2. Генератор сигналов нискочастотный. 3. Частотомер. 4. Осциллограф. Общие сведения Измерительные устройства, предназначенные для измерения уг- ловой скорости вращения вала, называются тахометрами. В боль- шинстве случаев они представляют собой электромеханические датчики, которые преобразуют механическое вращательное движе- ние непосредственно в электрический сигнал. Для измерения частоты вращения вала используются физические явления, в которых скорость вращения связана определенной зави- симостью с какой-либо легко определяемой величиной. Для определения частоты вращения используют следующие ос- новные методы: – прямого преобразования; – сравнения; – частотный. Метод прямого преобразования основан на преобразовании час- тоты вращения машины в электрический сигнал, давление, центро- бежную силу и др. Используемые в этом случае магнитные, магни- тоэлектрические, центробежные, гидравлические и пневматические 81 тахометры, как правило, просты по конструкции, но имеют невысо- кий класс точности. Последнее связано с тем, что используемые та- хометры нагружают испытуемый механизм (машину) добавочным тормозным моментом. Поэтому для испытания микромашин их при- менять не рекомендуется. Работа центробежного тахометра (рис. 16.1) основана на квадра- тической зависимости центробежных сил от частоты вращения инер- ционной массы. Он состоит из инерционных масс 4, шарнирно со- единенных с неподвижным 1 и подвижным 2 фланцами, зубчатой рейки (сектора) 5, которая соединена поводком с подвижным флан- цем. Рейка входит в зацепление с трибом, на котором установлена стрелка 6. При вращении приводного вала 3 машины под действием сил инерции массы расходятся в радиальном направлении. Подвиж- ный фланец вдоль вала перемещается к неподвижному фланцу. Его свободному перемещению препятствует силовая пружина, имеющая заданные упругие свойства. Через поводок перемещение подвижного фланца передается на зубчатую рейку и затем через триб на стрелку. Рис. 16.1. Центробежный тахометр Магнитный тахометр (рис. 16.2) состоит из постоянного магни- та 1, вращающегося с валом испытуемой машины, и чувствительно- го элемента в виде немагнитного поворотного статора 2, соединен- ного с пружиной 3 и стрелкой, установленной на валу 4. При вра- щении магнита в обмотке статора наводится ЭДС и протекает ток, пропорциональный частоте вращения. Взаимодействие тока статора 82 с полем постоянного магнита приводит к появлению пропорциональ- ного частоте вращения вращающего момента, под действием кото- рого закручивается пружина и отклоняется стрелка указателя тахо- метра. В качестве модификации магнитных тахометров применяются дистанционные магнитные тахометры. Рис. 16.2. Магнитный тахометр В электрических тахометрах измеряемая угловая скорость пре- образуется в постоянный, переменный или импульсный ток. В зави- симости от рода тока и преобразователя можно выделить электро- машинные тахометры постоянного и переменного тока, электроим- пульсные емкостные тахометры и счетно-импульсные тахометры. Тахометр с электрическим генератором (тахогенератором) пред- ставляет собой сочетание генератора постоянного или переменного и вторичного электроизмерительного прибора. У электрических тахометров постоянного тока характеристика линейная, а у тахометров переменного тока – нелинейная. Тем не менее более широкое применение получили электромашинные та- хометры переменного тока. Их основное преимущество перед тахо- метрами постоянного тока состоит в том, что генератор переменно- го тока не имеет коллектора, благодаря чему в процессе длительной работы тахометр лучше сохраняет свою первоначальную точность. Тахометры с электрическими генераторами в отличие от центро- бежных и магнитных дают возможность дистанционной передачи по- 83 казаний, так как вторичный прибор может быть удален на значитель- ное расстояние от места измерения. Дистанционный электрический тахометр представляет собой сочетание синхронной передачи и указа- теля, аналогичного магнитоиндукционному тахометру (рис. 16.3). Рис. 16.3. Электрический тахометр Датчиком синхронной передачи служит трехфазный генератор 15 с ротором в виде постоянного магнита. При вращении ротора в об- мотках 12 статора возникает переменный ток, частота которого со- ответствует угловой скорости ротора. Датчик трехпроводной ли- нией 11 связан с приемником 13, в котором имеется синхронный электродвигатель. Для улучшения пусковых характеристик в роторе электродвигателя кроме постоянных магнитов установлены три стальных диска 14. Магниты 3 посажены на ось ротора свободно и связаны с ней через пружину. Это обеспечивает быстрый переход вращения ротора электродвигателя из асинхронного в синхронный режим. На конце вала электродвигателя укреплен магнитный узел 2, содержащий шесть пар полюсов постоянных магнитов, между ко- торыми расположен металлический диск 8 подвижной части указа- теля. В результате взаимодействия вращающегося магнитного узла с вихревыми токами в металлическом диске возникнет вращающий момент, пропорциональный измеряемой скорости. На одной оси с диском расположены противодействующая спиральная пружина 7, индукционный успокоитель 6 и стрелка 4 указателя прибора 5. Дистанционные магнитные тахометры обладают достаточно вы- сокой точностью (погрешность не более 0,2–0,5 %), имеют равно- мерную шкалу, достаточно надежны в работе. 84 Гидравлический тахометр (рис. 16.4) состоит из диска 2 с ради- альными и осевыми каналами, заключенного в герметичную каме- ру, заполненную жидкостью. При вращении диска давление в каме- ре 1 повышается пропорционально частоте вращения. Величина дав- ления подается к приемнику 3. Рис. 16.4. Гидравлический тахометр Пневматический тахометр состоит из центробежного вентиля- тора, вращающегося в конусе с кольцевой перегородкой. В кольце- вой перегородке сделано окно, в котором установлена либо пласти- на, связанная со стрелкой и спиральной пружиной, либо манометр. Угол отклонения пластины пропорционален давлению воздушного потока, т. е. угловой скорости вентилятора. К недостаткам механических тахометров (центробежные, гидрав- лические, пневматические) следует отнести нелинейность шкалы, что увеличивает погрешность при их градуировке. Метод сравнения основан на сопоставлении измеряемой часто- ты вращения с эталонной и позволяет получить более высокую точ- ность измерения, чем метод прямого преобразования. При исполь- зовании этого метода применяют фрикционные, стробоскопические и вибрационные тахометры. Во фрикционных тахометрах (рис. 16.5) сравнение измеряемой и эталонной частоты вращения осуществляется путем изменения пе- редаточного отношения встроенного вариатора. Через зубчатую пе- 85 редачу 1–2 электродвигатель вращает диск 3 с постоянной угловой скоростью Ω. Диск приводит во вращение ролик 4. Угловая скорость ролика будет пропорциональна угловой скорости диска и расстоянию от ролика до оси вращения диска и обратно пропорциональна радиу- су ролика. Если скорости винта 5 и ролика 4 неодинаковы, ролик бу- дет перемещаться вдоль винта. Направление перемещения таково, что скорость ролика будет приближаться к скорости винта. При уста- новившейся скорости винта ролик займет такое положение, при ко- тором его скорость будет равна скорости винта: ωа = ωρ. Рис. 16.5. Фрикционный тахометр Соединенный с роликом указатель по шкале будет показывать величину измеряемой угловой скорости. Погрешность фрикционных тахометров определяется в основном стабильностью частоты вращения эталонного двигателя и обычно не превышает 0,5 %. Стробоскопические тахометры состоят из лампы-вспышки, пи- тающейся от регулируемого источника стабилизированной частоты, и измерительного устройства. Эти тахометры позволяют проводить измерения бесконтактным способом, но дистанционное измерение частоты вращения затруднительно. Определение частоты вращения испытуемой машины следует начинать с заведомо более высокой частоты вращения по сравнению с измеряемой. Если же производить измерения в обратном порядке, то возможна ошибка, поскольку 86 стробоскопический эффект получается как при истинной, так и при кратной ей частоте вращения: ω = ωик, где к – целое число. Чувствительным элементом вибрационного тахометра является ряд упругих стальных полос, закрепленных одним концом, каждая из которых настроена на определенную собственную частоту коле- баний. Настройка достигается за счет изменения толщины или дли- ны пластин, а также за счет изменения величины масс на свободных концах полосок. Для измерения скорости вала какой-либо машины или станка тахометр крепится к станине или кожуху машины. При вращении вала возникает вибрация частей машины; эта вибрация передается основанию тахометра; при этом возбуждаются резонанс- ные колебания одной-двух полосок, собственные частоты которых близки к частоте вибраций машины. Частотный метод основан на измерении частоты электрических импульсов, получаемых от таходатчиков. Частотный метод измере- ния исключает возможность внесения датчиком или линией передачи (при дистанционном измерении) дополнительных погрешностей, свя- занных с изменением температуры, давления, влажности и пр. Одним из достоинств частотного метода является возможность с помощью датчика существенно увеличить частоту импульсов, не допуская при этом дополнительной погрешности. Это особенно важ- но при измерении низкой частоты вращения, когда прямые методы преобразования дают значительные погрешности. При использовании частотного метода измерения частоты вра- щения машины применяют следующие типы таходатчиков: индук- ционные, индуктивные, емкостные и фотоэлектрические. Индукционные таходатчики бывают двух типов — с активным и пассивным ротором. В первом случае в качестве ротора использу- ется постоянный магнит с числом полюсов, определяемым необхо- димым количеством импульсов на один оборот вала электрической машины. В качестве такого таходатчика может быть использован синхронный тахогенератор с возбуждением от постоянных магнитов. Во втором случае ротор изготовляется из стали в виде звездочки, а на статоре датчика располагаются две обмотки, одна из которых (обмотка возбуждения) подключается к источнику постоянного то- 87 ка, а другая (генераторная обмотка) — к частотомеру. При враще- нии ротора магнитный поток из-за изменения магнитной прово- димости пульсирует с частотой, пропорциональной произведению скорости электрической машины на число зубцов ротора. В генера- торной обмотке наводится переменная ЭДС с частотой пульсаций магнитного потока. Емкостный таходатчик состоит из двух неподвижных обкладок и диска, вращающегося между ними и жестко связанного с валом испытуемой машины. По окружности диска расположены чередую- щиеся секторы с различной диэлектрической проницаемостью. При прохождении этих секторов между обкладками конденсатора ем- кость последнего меняется, что приводит к изменению тока в цепи конденсатора, подключенного через балластный резистор к источни- ку постоянного тока. Частота пульсаций тока пропорциональна про- изведению частоты вращения испытуемой электрической машины на количество секторов диска. Измерение частоты пульсаций осуществ- ляется, как и в предыдущем случае, с помощью частотомера. Фотоэлектрический таходатчик (рис. 16.6) является бесконтакт- ным. Его принцип действия основан на изменении освещенности ра- бочей поверхности фотоприемников с частотой, пропорциональной частоте вращения испытуемой электрической машины. Для этого диск 1 с отверстиями, который является модулятором светового по- тока от источника излучения, устанавливается на свободный конец вала 2. Этот метод измерения также может быть реализован вторым способом. На доступной части ротора наносят (или наклеивают) свето- отражающие полосы. Фотоприемники 5 изготовляют, как правило, на базе фоторезисторов, фотодиодов или фототранзисторов. В основном применяют источники излучения 3 тепловые или люминесцентные. Рис. 16.6. Фотоэлектрический таходатчик 88 Промышленность выпускает разнообразные ручные фотоэлект- рические тахометры, обладающие высокой точностью и малыми габаритами. Интерференционный метод определения частоты вращения вала Если проекции движущейся точки на оси координат совершают гармонические колебания по закону 1 1 1sin( );x A t    2 1 2sin( ),x A t    где А1 и А2 – амплитуды колебаний; 1 и 2 – частоты колебаний; 1 и 2 – фазовые углы, то сама точка на плоскости в этом случае будет совершать движе- ние по кривым, которые называются фигурами Лиссажу или фигу- рами кратности. Вид кривой зависит от соотношения частот 1 и 2 , амплитуд А1 и А2 и разности фаз 1 2.    Если частоты совпада- ют 1 2( ),     тo уравнение движения точки (при исключении времени t) будет 2 2 2 2 1 21 2 2 cos sin ,x xy y A AA A      т. е. точка в этом случае движется по эллипсу с центром в начале координат. При разных значениях , 1 2 ,A A 1 2   возможны фи- гуры, показанные на рис. 16.7. Если частоты 1 и 2 не равны, но кратны целым числам, то получаются более сложные кривые (см. рис. 16.7). 89 Рис. 16.7. Фигуры Лиссажу при А1 = А2, 1 = 2, θ1 ≠ θ2 с кратностью 1:1 и с различной кратностью частот ω Зная кратность фигуры Лиссажу, можно при известной частоте 1 0   определить частоту 2 ,x   т. е. определить, например, ско- рость вращения вала, ротора электродвигателя и других подвижных элементов механических систем. Измеряя размеры эллипса при оди- наковых 1 и 2 , можно расчетным путем определить угол фазо- вого сдвига между двумя напряжениями, что необходимо при ис- следовании работы фильтров, усилителей, трансформаторов и других элементов электрических цепей. Описание измерительной установки Принципиальная схема измерительной установки показана на рис. 16.8. Для сложения проекций движущейся точки используется осцил- лограф 4, на вертикально отклоняющие пластины которого подает- ся напряжение с частотой ωх, пропорциональной скорости враще- ния nх вала ротора электродвигателя, а на горизонтально отклоня- ющие – напряжение с частотой ω0, которая может быть изменена и определена с достаточно высокой точностью. 90 Рис. 16.8. Схема измерительной установки: 1 – диск на валу электродвигателя; 2 – индукционный ПИП; 3 – усилитель (для усиления может быть использован усилитель осциллографа); 4 – осциллограф; 5 – частотомер; 6 – генератор синусоидальных колебаний На валу электродвигателя установлен диск 1 с числом отверстий т; около диска расположен индукционный первичный измерительный преобразователь (ПИП) 2, состоящий из постоянного магнита с ка- тушкой. Во время вращения вала электродвигателя магнитное поле пересекается спицами диска, что изменяет сопротивление в магнит- ной цепи магнита. Благодаря этому магнитный поток, сцепляющий- ся с витками катушки, становится переменным, что приводит к на- ведению переменной ЭДС, частота которой равна частоте пересече- ния магнитного поля спицами диска. Тогда 60,ххn m  об/мин. От генератора 6 напряжение подается на горизонтально откло- няющие пластины. Изменяя частоту 0 генератора, получаем фи- гуру Лиссажу с определенной кратностью. Точность измерения частоты интерференционным методом зави- сит от точности задания частоты 0 генератором 6 и правильности 91 определения момента равенства или кратности частот. Если в генера- торе частоты применяется стабилизация с помощью кварцевого гене- ратора, то погрешность может составлять тысячные доли процента. В данной работе изменение частоты генератора задается изменением емкости колебательного контура. Погрешность в этом случае состав- ляет около 1 %. Повысить точность возможно, если значение 0 устанавливается с помощью частотомера 5, погрешность которого меньше. Если применяется частотомер Ф 5043, то погрешность опре- деления составит ±0,5 %, а если частотомер Ч3-24, то 0,001 %. Порядок выполнения работы 1. Получить допуск к работе. 2. Генератор ГЗ-18, частотомер Ф 5043 и осциллограф C1-19БВ включить в сеть. 3. Вращая ручку изменения частоты генератора ГЗ-18, добиться равенства частот генератора и ИПИП (приблизительно 150 Гц). На ос- циллографе должна получиться фигура Лиссажу с кратностью K1 = 1. 4. По шкале генератора cнять показание частоты. Рассчитать зна- чение частоты вращения электродвигателя. 5. Получить фигуры с K2 = 2 : 1, K3 = 1 : 2 и любым другим K4 и определить значение частоты вращения электродвигателя. Пока- зания частоты снимать по шкале генератора. 6. Повторить проведенные ранее измерения, но показания часто- ты снимать по шкале частотомера. Рассчитать значения частот вра- щения электродвигателя, полученных по шкале частотомера. 7. Сравнить значения частоты вращения двигателя, полученные при отсчете по шкале генератора, со значениями частоты вращения двигателя, полученными при отсчете по шкале частотомера. Сделать заключение о зависимости точности измерения частоты вращения двигателя от измерения по шкале генератора и шкале частотомера. 8. Сделать заключение о зависимости точности измерения часто- ты вращения двигателя от кратности частот двигателя и генератора. Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Инструменты и принадлежности. 92 3. Краткие теоретические сведения. 4. Таблица с полученными измерениями. 5. Выводы по проделанной работе. Рекомендуемая литература Фемке, Л. И. Электрические измерения / Л. И. Фемке. – Москва- Ленинград: Госэнергоиздат, 1963. – С. 221–237, 240–243. Лабораторная работа № 18 ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ФОТОКОМПЕНСАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА Цель работы 1. Изучить назначение и принцип работы фотокомпенсацион- ного усилителя постоянного (ФКУ) тока. 2. Определить коэффициент преобразования ФКУ и ознакомить- ся с классификацией амортизаторов. Инструменты и принадлежности 1. Фотокомпенсационный усилитель. 2. Магазин сопротивлений. 3. Милливольтметр. 4. Вольтметр. 5. Печь с термопарой. Общие сведения Компенсаторами (или потенциометрами) называются приборы для измерения методом сравнения ЭДС, напряжений или величин, с ними связанных. Существуют компенсаторы как постоянного, так и переменного тока. 93 Компенсаторы постоянного тока Принцип действия компенсаторов заключается в том, что ЭДС Ех уравновешивается соответствующим падением напряжения Uк = Iк R, возникающим на компенсационном сопротивлении Rк при прохож- дении по нему тока I1 от внешнего источника GB . Для узла А Iк = I1 + I2. (18.1) Для контура 2 Ех = I2Rип + I22Rл + IкR, (18.2) где Rип – внутреннее сопротивле- ние измерительного прибора; Rл – сопротивление линий связи. Из (18.1) и (18.2) получаем I2 = (Ех – I1Rк)/(Rип + 2Rл + R). Значение тока I2 будет равно 0, если Ех = I1Rк. Для измерения Ех ручкой 1 перемещают указатель 2 и ползунок Rk до получения нуля на нуль-индикаторе ИП. Рассмотренная схема является упрощенной и обладает значительными недостатками, по- этому применяется крайне редко. Компенсационные схемы включения Компенсаторы постоянного тока обычно выполняют по следую- щей схеме (рис. 18.2). Источник постоянного тока GB1 обеспечивает Рис. 18.1. Схема компенсатора 94 протекание рабочего тока I в цепи, составленной из измеритель- ного Rн, установочного Rу и регулировочного Rр резистора. Образцо- вым источником напряжения служит нормальный элемент GB2. При помощи переключателя S гальванометр G можно подключать или в цепь нормального элемента (положение «НЭ»), или в цепь измеряе- мого напряжения (положение «Х»). В соответствии с идеей метода измеряемое напряжение Uх необходимо сравнить с падением напряже- ния, создаваемым рабочим током I на участке R измерительного рези- стора Rи. На практике в качестве Rи используют магазин резисторов, обеспечивающих высокую точность задания требуемого значения R. Процесс измерения напряжения состоит из двух операций: 1) установки рабочего тока I; 2) уравновешивания измеряемо- го напряжения Uх напряжением, со- здаваемым рабочим током на R. Для установки рабочего тока переключатель гальванометра ста- вят в положение «НЭ» и при по- мощи резистора Rр добиваются от- сутствия тока в гальванометре. Это произойдет в том случае, если па- дение напряжения на установочном резисторе Rу будет равно ЭДС нор- мального элемента: IRy = Eн. Рабочий ток при этом будет I = Ен / Rу. (18.3) Затем переключатель S устанавливают в положение «Х» и при помощи Rи устанавливают такое значение сопротивления R, при ко- тором происходит уравновешивание измеряемого напряжения паде- нием напряжения IR. Это произойдет тогда, когда ток через гальва- нометр будет отсутствовать. В результате уравновешивания Uх = IR. (18.4) Рис. 18.2. Компенсатор постоянного тока 95 После подстановки (18.3) в (18.4) получим Uх = Ен / RуR. (18.5) Для удобства работы с прибором Rу выбирают так, чтобы отно- шение Ен / Rу было числом, представимым в виде 10–n, где n – целое число. Если, например, n = 4, то Ен / Rу = 10–4 и соотношение (18.5) принимает вид Uх = 0,0001R. Практически этап вычислений исключается полностью, так как на шкалах магазина резисторов Rн наносятся числовые отметки, сразу дающие напряжение Uх в вольтах. Достоинство приборов: – возможность измерения малых ЭДС и U; – высокая точность измерений; – отсутствие потребления энергии из цепи ПП. Недостатки: – сравнительно большие габариты и масса; – неоперативность в работе (настройка, переключение требуют много времени); – не обеспечивается непрерывное слежение за изменением вход- ной величины; – неудобство в автоматизации. Поэтому при менее точных измерениях и необходимости авто- матизации используют другие схемы. Автоматический компенсатор постоянного тока Измеряемое напряжение U компенсируется напряжением Uоб, воз- никающим между точкой а и подвижным контактом б резистора Rр (рис. 18.3). Если компенсации нет, то компенсированная разность U–Uоб уси- ливается и воздействует на реверсивный двигатель РД. Механическая связь двигателя с подвижным контактом б обеспечивает компенса- цию U напряжением Uоб. Двигатель при своем вращении перемещает указатель вдоль шкалы компенсатора, обеспечивая возможность счи- тывания показаний. Кроме того, большинство автоматических ком- пенсаторов имеют механизмы записи показаний. Требуемое значение рабочего тока устанавливается при помощи резистора Rу, включен- ного последовательно со стабилизированным источником питания. 96 При правильной установке падение напряжения на R4 должно быть равно ЭДС «НЭ». Рис. 18.3. Автоматический компенсатор постоянного тока Фотогальванический компенсатор При подаче Ех ток протекает по рамке гальванометра (рис. 18.4) и поворачивает ее. Рис. 18.4. Электрическая и блок-схема фотогальванического компенсатора 97 Луч света от осветителя EL, отразившись от зеркала гальвано- метра, вызывает перераспределение освещенности дифференциаль- ного фоторезистора (ДФР), и в выходной цепи прибора появится ток Iвых. Падение напряжения Uк на компенсационном резисторе Rк (Uк = RкIвых) стремится скомпенсировать входное напряжение Ех. Полной компенсации в схеме не произойдет, так как для поддержа- ния рамки в отклоненном состоянии в ее цепи должен протекать некоторый ток некомпенсации Iнк. При достаточно высокой чувст- вительности гальванометра можно считать, что Iнк ≈ 0. Тогда Ех ≈ Iвых Rк, т. е. выходной ток может служить мерой Ех. В качестве ИП исполь- зуются магнитоэлектрические милли- и микроамперметры. Компенсаторы переменного тока Переменное напряжение характеризуется заданием его амплиту- ды и фазы. Поэтому для компенсации одного синусоидального на- пряжения другим необходимо, чтобы их частоты и амплитуды были равны, а фазы различались на 180 (рис. 18.5). Рис. 18.5. Компенсация синусоидального напряжения Условия компенсации можно сформулировать по-другому: актив- ная и реактивная части одного напряжения должны компенсировать активную и реактивную части другого напряжения: Uах = –Uак; Uрх = –Uрк. 98 Вследствие этого компенсаторы (потенциометры) переменного тока должны иметь схему более сложную, чем компенсаторы по- стоянного тока. Различают два вида потенциометров переменного тока: 1) прямоугольно-координатные, в которых компенсирующее на- пряжение Uк получается как сумма двух взаимно перпендикулярных напряжений, каждое из которых регулируется по величине. Это по- зволяет регулировать суммарное напряжение Uк как по величине, так и по фазе; 2) полярно-координатные, в которых отдельно регулируется мо- дель компенсирующего напряжения и отдельно – его фаза (обычно с помощью фазорегулятора того или иного вида). Полярно-координатные потенциометры вследствие сложности реа- лизации фазовращателя применяются редко. Прямоугольно-координатный компенсатор Цепь (рис. 18.6) имеет два контура. Первый – контур тока I1 – содержит измерительный резистор RАБ, первичную обмотку катуш- ки взаимоиндуктивности М и амперметр А. Второй контур состоит из вторичной обмотки катушки М, измерительного резистора RАБ и балластного резистора rf. Контур обтекается током I2. Сопротивления rf выбираются столь большими, что ток I2 можно практически считать совпадающим по фазе с ЭДС вторичной обмотки катушки М, наводи- мой током I1. Поэтому сдвиг фаз между токами I1 и I2 равен π/2 (90). Рис. 18.6. Прямоугольно-координатный компенсатор 99 Напряжение Uх снимается с регулируемой части Д1 и Д2. Можно менять напряжения по величине и фазе. Напряжение остается в пре- делах первого квадранта, т. е. изменение фазы ограничено углами 0–π/2 (0–90). Назначение и принцип работы фотокомпенсационного усилителя Электрический сигнал, поступающий от первичного измеритель- ного преобразователя (термопары), может иметь амплитуду в деся- тые доли милливольта. В этом случае измерение таких сигналов связано с использованием высокочувствительных приборов, кото- рые должны потреблять малую энергию из измерительной цепи (цепи термопары). Задача существенно упрощается, если на усили- тель подать сигнал от ПИП и после этого измерить его менее чув- ствительным прибором. В качестве такого усилителя можно ис- пользовать ФКУ постоянного тока. Вместе с присоединенными к их выходу приборами показываю- щие или регистрирующие приборы позволяют измерять малые токи (от 5 мA) и напряжения (от 0,2 мВ). При этом мощность, потребля- емая от измерительной цепи, составляет ничтожно малую величину порядка 5·10–15 Вт при максимальном значении измеряемой величи- ны. По сравнению с зеркальными гальванометрами время успокое- ния указателя прибора значительно меньше. В схеме к настоящей работе установлен ФКУ Ф115, выход кото- рого присоединен к сопротивлению, на котором падение напряже- ния измеряется с помощью вольтметра. На вход Ф115 подается термоЭДС, развиваемая термопарой. Усилитель Ф115 применяется как усилитель тока или напряже- ния. Пределы измерения по напряжению могут быть 0,2–75 мВ при входном сопротивлении 1106 Ом. Усилитель можно характеризовать коэффициентом преобразования вх ,K I U мА/мВ, где I – выходной ток; Uвх – входное напряжение (в данном случае ЭДС, развиваемая термопарой). 100 Коэффициент преобразования должен оставаться постоянным для всего предела измерения, что непосредственно влияет на точность из- мерения. Для усилителя Ф115 основная погрешность коэффициента преобразования для пределов измерения 0,2–75 В не превышает 0,1 %. Значение K при эксплуатации или после ремонта может изме- ниться, что требует проверки его величины. Пример такой проверки рассматривается в настоящей работе. Принцип действия ФКУ заключается в следующем. Световой по- ток от осветительной лампы Л (рис. 18.7) падает на зеркало гальвано- метра и, отражаясь, попадает на дифференциально включенный фото- резистор ФС. Если половины резистора освещены неодинаково, то через внешний прибор, присоединенный к зажимам «Выход», потечет ток I. Направление тока будет зависеть от того, какая из половин рези- стора освещена больше. В исходном состоянии гальванометр посред- ством корректора устанавливается в такое положение, чтобы ток в це- пи внешнего прибора был равен нулю. Измеряемое напряжение, кото- рое подается к зажимам «Вход», сравнивается с падением напряжения на компенсационном резисторе кR . Если эти напряжения не равны, то по рамке гальванометра потечет ток и подвижная часть гальвано- метра с зеркалом придет в движение. При этом изменяются распре- деление света между половинами фоторезистора и, следовательно, распределение напряжения между ними. Последнее вызывает изме- нение тока, протекающего через компенсационный резистор кR . Дви- жение рамки прекращается, когда падение напряжения на компенса- ционном резисторе уравновесит измеряемое напряжение. В результате компенсационный ток устанавливается пропорцио- нальным измеряемому напряжению. Благодаря компенсационной схе- ме результат изменения не зависит от непостоянства параметров фоторезистора и напряжения цепи питания. Изменение этих величин автоматически компенсируется соответствующим поворотом подвиж- ной части гальванометра. Кнопка К1 сопротивления Ry служит для установки гальваномет- ра в нулевое положение. На выходе может быть установлен высокочувствительный при- бор, для которого ток полного отклонения указателя составляет деся- тые доли микроампера, однако при этом возрастает чувствительность усилителя к изменению параметров резисторов, напряжения питания. 101 Рис. 18.7. Принципиальная схема ФКУ постоянного тока: Г – гальванометр; Л – осветительная лампа; ФС – фоторезистор ФС-К7; Rк – компенсационный резистор; Rд – добавочный резистор; Ry – резистор для установки нуля; К1 – кнопка контроля нуля; Tp1 и Tp2 – трансформатор питания и корректирующий При измерении малых напряжений источник измеряемого напря- жения следует соединять с усилителем нелужеными медными про- водами для исключения возможности появления термоЭДС. Схема экспериментальной установки показана на рис. 18.8. Рис. 18.8. Принципиальная схема экспериментальной установки 102 На выходе ФКУ подключается резистор R = 3000 Ом, падение напряжения на котором измеряется вольтметром U2. По показанию U2 можно определить I. Величина Uвх определяется высокочувстви- тельным вольтметром U1. Порядок выполнения работы 1. Получить допуск к работе. 2. Включить ФКУ и вольтметр U2 в сеть 220 В. Включить печь. 3. По мере нагревания термопары от 30 до 70 С снять показания приборов U1 и U2 через каждые 3 С. 4. По мере охлаждения термопары от 70 до 30 С снять показа- ния приборов U1 и U2 через каждые 3 С. 5. Подсчитать среднее значение коэффициентов преобразования. Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Инструменты и принадлежности. 3. Краткие теоретические сведения. 4. Таблица с полученными результатами. 5. Графики U1нагр = f(T), U1ост = f(T). 6. Выводы по проделанной работе. Рекомендуемая литература Фремке, А. Ф. Электрические измерения / Л. И. Фемке. – Mосква: Госэнергоиздат, 1963. – С. 258–259. 103 Лабораторная работа № 19 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИЗМЕРЯЕМОЙ ВЕЛИЧИНЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ, МОДУЛИРОВАННЫЕ ПО АМПЛИТУДЕ Цель работы 1. Изучить способы включения индуктивных преобразователей в мостовую схему. 2. Исследовать возможность применения индуктивного моста в качестве частотного модулятора. 3. Исследовать и измерить сигналы в различных узлах мостовой схемы. 4. Ознакомиться со структурной схемой, конструкцией и прин- ципом действия работы расходомера РТСВ. Инструменты и принадлежности 1. Лабораторный стенд. 2. Вольтметр. Общие сведения Измерительной информацией называется сообщение о значе- ниях измеряемых величин. Они выражаются и передаются от одних устройств к другим в виде сигналов, образованных путем модуля- ции какого-либо носителя. Устройство, изменяющее параметры од- ного сигнала под воздействием параметров другого сигнала, назы- вается модулятором. Сигнал, параметры которого изменяются, называется несущим. Сигнал, управляющий параметрами несущего, называется – мо- дулирующим. Носителями измерительной информации могут служить: – постоянный ток; – переменный синусоидальный ток; – импульсный ток. 104 Постоянный ток Постоянный ток имеет только один параметр, в качестве которо- го используются ток или напряжение. Поэтому модуляция постоян- ного тока состоит в изменении тока (или напряжения). Модулированный сигнал постоянного тока Ux(t) = U0 + kх(t), где U0 – значение несущего напряжения до модуляции; k – коэффициент усиления усилителя. Переменный синусоидальный ток (напряжение) Переменное синусоидальное напряжение характеризуется тремя параметрами: U0 – амплитудой; ω0 – круговой частотой; φ0 – началь- ной фазой: 0 0 0( ) sin( ).U t U t    Индекс «0» – параметры до модуляции (т. е. несущие). Модуляции могут подвергаться как один параметр, так два и три параметра одновременно. Амплитудная модуляция При амплитудной модуляции (рис. 19.1) сигнал описывается вы- ражением 0 0 0( ) ( ( ))sin( ).U t U kx t t     Коэффициент k выбирается таким образом, чтобы при всех воз- можных отрицательных значениях х соблюдалось условие U ≥ 0. Следует отметить, что модулирующий сигнал х(t) в отличие от но- сителя U0(t) не является синусоидальным. 105 Рис. 19.1. Амплитудная модуляция: а – х(t) – функция (модулирующий сигнал); б – U0(t) – несущий сигнал; U(t) – модулированный сигнал. Огибающая (пунктир) повторяет по форме функцию х(t) Глубина модуляции Umin/Uмах = 100 %. Амплитудный модулятор (рис. 19.2, а) представляет собой уси- литель У с управляющим коэффициентом усиления kу. На один его вход подаются несущие колебания U0(t) от несинусоидального ге- нератора, а на другой вход – управляющий коэффициент усиления, т. е. величина, линейно связанная с информационным сигналом х(t). Рис. 19.2. Амплитудный модулятор (а) и демодулятор (б) Восстановить модулированный сигнал можно с помощью ам- плитудного демодулятора (рис. 19.2, а). Амплитудный демодулятор (АД) представляет собой сочетание выпрямителя (В) с фильтром а б в а б 106 низких частот (ФНЧ), который сглаживает колебания частоты ω0, но пропускает более медленные колебания. Сигнал на выходе про- порционален x(t). Достоинства: – для переноса сигнала требуется сравнительно узкий спектр частот; – простота модуляции и демодуляции; – простота усиления. Недостаток – уменьшение амплитуды сигнала при большом со- противлении канала связи, что приводит к погрешности и необхо- димости калибровки. Частотная модуляция От указанного недостатка свободна частотная модуляция (рис. 19.3). Рис. 19.3. Частотная модуляция Сущность метода заключается в изменении несущей частоты по закону x(t): 0 0 0( ) ( sin ( ( )d ).U t U t k x t t     б а в 107 Практически процесс частотной модуляции (рис. 19.4, а) состоит в том, что Ux(t) воздействует на частотный задающий элемент (ЧЭ), определяющий частоту генератора (Г). Рис. 19.4. Частотный модулятор (а) и демодулятор (б) Демодуляция осуществляется разными методами. Используется частотно-зависимый контур ЧЗК (рис. 19.4, б), ам- плитуда колебаний на выходе которого зависит не только от ампли- туды входного напряжения, но и от его частоты. Он преобразует колебание, модулированное по частоте, в колебание, модулирован- ное по амплитуде. За ним включается амплитудный демодулятор АДМ. Затем преобразование идет, как и при АДМ. В результате на выходе получается сигнал Ux(t). Фазовая модуляция Фазовая модуляция заключается в изменении начальной фазы ко- лебаний, при этом модулированный сигнал описывается выражением 0 0 0( ) sin ( ( ) ).U t U t kx t      Процесс фазовой модуляции состоит в воздействии входного сигнала на элемент задающего генератора, который определяет зна- чение начальной фазы. Демодуляция заключается в определении начальной фазы моду- лирующего сигнала путем ее сравнения со значением начальной фа- зы несущего сигнала. Разность сигналов равна Δφkx(t). Таким обра- зом, для передачи опорного сигнала нужен дополнительный канал. Достоинство, характерное для фазовой и частотной модуляции, – высокая помехозащищенность. Недостатки: – сложность реализации модуляторов и демодуляторов; – большая ширина канала, т. е. на одной линии получаем мень- шее число каналов по сравнению с амплитудной модуляцией. б а 108 Импульсный ток (напряжение) Импульсный ток (рис. 19.5) так же используется в качест- ве носителя информации, как и синусоидальный. Для этого берут периодическую после- довательность импульсов пря- моугольной формы, которые характеризуются следующими параметрами: U0(t) – амплиту- дой, Т0 – периодом, tи0 – временем импульса, μ0 = Т0 / tи0 – скважно- стью. Модуляции может подвергаться любой из этих параметров. Амплитудно-импульсная модуляция Амплитудно-импульсная модуляция (рис. 19.6) состоит в изме- нении амплитуды импульсов по закону измеряемой величины х(t). Рис. 19.6. Амплитудно-импульсная модуляция Рис. 19.5. Импульсный ток б а в г 109 Значения х берутся в моменты начала импульса, т. е. имеет место дискретизация функции х(t) по времени. Огибающая амплитуд импульсов повторяет по форме кривую x(t). Возможен вариант с изменением полярности импульсов в зависи- мости от знака. Модуляция осуществляется так же, как и амплитудная модуля- ция синусоидального колебания. На основной вход идет импульс- ный сигнал, а на вход, управляющий коэффициентом усиления уси- лителя, – модулирующий. Демодуляция состоит в том, что каждый очередной импульс ам- плитудой Umi подается через ключ К на элемент памяти (рис. 19.7). Пример элемента памяти – емкость усилителя постоянного тока. Элемент памяти хранит значение Umi до поступления следующего импульса. Ключ К замыкается на время действия импульса. Напряжение на выхо- де элемента памяти uвых(t) заме- няет непрерывную прямую х(t) ступенчатой линией. Частотно-импульсная модуляция Частотно-импульсная модуляция заключается в изменении час- тоты импульсов следования по закону x(t). Частотно-импульсная модуляция реализуется путем воздействия на импульсный генера- тор по блок-схеме, показанной на рис. 19.8. Рис. 19.8. Блок-схема частотно-импульсного модулятора Рис. 19.7. Амплитудно-импульсный демодулятор 110 Входной сигнал x(t) (рис. 19.9), линейно связанный с измеряемой величиной х, управляет крутизной S генератора развертки Uр(t). Рис. 19.9. Частотно-импульсная модуляция Период T0 определяется временем нарастания uр(t) до значения uп. Момент равенства обнаруживается блоком сравнения БС, по коман- де которого формирователь импульсов выдает очередной импульс выходного сигнала u(t). Формирователь импульсов формирует им- пульсы как с постоянной длительностью, так и с постоянной скваж- ностью. Для формирования импульсов с постоянной скважностью применяют двухтактную систему модуляции, т. е. такты развертки разделяют триггерным счетным устройством на четные и нечетные и в течение нечетного периода развертки выдают импульс, а в тече- ние четного – паузу. Тогда период выходного сигнала T = 2T. Увели- чив вдвое крутизну развертки вспомогательного генератора развертки, можно получить тот же диапазон частот, что и в однотактной схеме. Простейший частотно- импульсный демодулятор (рис. 19.10) состоит из фор- мирователя импульсов (ФИ) и фильтра низких частот (ФНЧ). Формирователь импульсов формирует импульсы по амплитуде um и длительности tи так, чтобы выдерживалось условие Umtи = const. А фильтр низких частот нужен для задержания в спектре этих им- пульсов высоких частот и пропускания низких, соответствующих Рис. 19.10. Частотно-импульсный демодулятор 111 спектру функции, т. е. ФНЧ выделяет текущее среднее значение импульсного сигнала. Широтно-импульсная модуляция Широтно-импульсная модуляция (рис. 19.11) получается путем из- менения импульсов tи по линейной зависимости от дискретных орди- нат хi, при этом период T0 и амплитуда Um сохраняются постоянными. Рис. 19.11. Широтно-импульсная модуляция Для реализации широтно-импульсной модуляции используется метод развертывающего преобразования (рис. 19.12). Рис. 19.12. Широтно-импульсный модулятор 112 Генератор развертки ГР работает с периодом T0 и формирует пи- лообразное напряжение. Начало развертки определяется импульсом запуска на входе S-триггера. С приходом импульса на выходе триггера появляется логическая единица, на генераторе развертки начинает формироваться пилооб- разное напряжение. Блок сравнения БС сравнивает напряжение раз- вертки uр(t) с напряжением ux(t). В момент их равенства блок срав- нения выдает на вход R триггера сигнал, переводящий триггер в состояние 0. Сформированный на выходе триггера импульс по дли- тельности tи будет линейно связан с сигналом ux(t). Простейший широтно-импульсный демодулятор может быть по- строен по схеме частотно-импульсного демодулятора. Внутренние отличия состоят в том, что формирователь импульсов должен обес- печивать постоянство амплитуды Um и импульса tи при равной дли- тельности на входе и на выходе. Фазоимпульсная модуляция В несущей последовательности импульсов можно смещать им- пульсы во времени, располагая их не в начале каждого периода, а в любой его части. Смещение импульса по времени τ соответству- ет смещению по фазе, т. е. фазу можно выразить в существенных единицах υ = τ/Т или в радианах φ = 2πτ/Т, рис. 19.13. Рис. 19.13. Фазоимпульсная модуляция 113 Для восстановления значений выходного фазомодулированного сигнала его надо сравнить с несущей (опорной) последовательно- стью сигналов. Для удобства передачи информации сигнал получа- ют суммированием несущего и модулированного. При этом необ- ходимо соблюдать условия τиmin > tио, где τ – фазовое смещение; tио – длительность. Суммированный сигнал получается с помощью дифференцирую- щего устройства, выделяющего фронты импульсов, и формировате- ля, выдающего импульсы длительностью tио. При этом значения ti в образующем сигнале равны значениям tи исходного. Демодулировать фазоимпульсный модулированный сигнал можно, преобразовав его в широтно-импульсный сигнал с помощью триггера, который пере- водится в состояние 1 фронтом первого (опорного) импульса и воз- вращается в состояние 0 фронтом второго (отсчетного) импульса. Достоинства импульсной модуляции: – высокая помехоустойчивость; – возможность использования элементов импульсной техники для построения модуляторов и демодуляторов; – удобство преобразования сигналов в цифровую форму. Недостатки: – сложность реализации модуляторов и демодуляторов; – более широкий спектр, из чего следует, что необходима боль- шая ширина канала связи, т. е. на одной линии получается меньшее число каналов по сравнению с амплитудной модуляцией. Кодово-импульсная модуляция Все виды импульсной модуляции основаны на изменении одного из параметров несущей последовательности импульсов. Возможно получение сигналов комбинированием импульсов. Процесс образо- вания такого сигнала называется кодово-импульсной модуляцией (рис. 19.14). Она выполняется следующим образом. 114 Непрерывная функция х(t) под- вергается дискретизации по вре- мени с периодом Δt таким, чтобы на основании наборов дискретных ординат xi можно было бы с до- статочной точностью восстановить исходную функцию x(t). Дискре- тизация – процесс получения от- счетов измеряемой величины в оп- ределенные дискретные моменты времени. Затем каждое из полу- ченных значений х подвергается квантованию Δx, в ходе которого непрерывные значения величины заменяются значениями уровней квантования, т. е. вместо непре- рывных значений величине при- писываются значения ближайших уровней. Каждый уровень кванто- вания представляется последова- тельностью сигналов, т. е. кодом. Чаще всего применяются коды из элементов, имеющих только два значения (0 и 1). Тогда при пре- образовании сигнала каждый эле- мент кода выражают импульсом, т. е. символ 1 выражается импуль- сом, а 0 – отсутствием импульса. При выборе в качестве измери- тельного параметра амплитуды символы 1 и 0 иногда выражают равными по модулю, но противо- положными по полярности. Демодуляция кодово-импульс- ного сигнала осуществляется с по- мощью специальных декодирую- щих устройств. Рис. 19.14. Кодово-импульсная модуляция а б в г 115 Кодовый сигнал подается на вход приемника селектора синхро- импульсов, который из входа сигнала выделяет синхроимпульсы на вход коммутатора. Коммутатор поочередно подключает выходы приемника к входам элементов памяти (ЭП) таким образом, чтобы первый импульс кодовой индикации запоминал элемент памяти ЭП1. Второй импульс – ЭП2 и т. д. Дешифратор считывает информацию с элементов памяти и выдает сигнал на устройство отображения ин- формации. Селектор устанавливается в исходное состояние, а де- шифратор отключается от элементов памяти. Достоинства кодово-импульсной модуляции: – высокая помехоустойчивость. – для получения хранения и преобразования можно использовать элементы цифровой техники; – возможность интегрального исполнения. Недостатки: – потеря информации при дискретизации; – погрешность при квантовании (при большом шаге квантования). Перечень приборов, входящих в лабораторный стенд В состав лабораторного стенда (рис. 19.15) входят: – прибор показывающий РТСВ 10-8: блок питания и усиления БПУ 2-1, измерительный блок; – измерительный узел расходомера: датчик расхода РТС 10, датчик плотномера ДПЕ 3-1; – усилитель импульсный с питанием УИП4-1; – генератор ПАГ 1-Ф. 116 Рис. 19.15. Общий вид лабораторного стенда: 1 – тумблер питания; 2 – показывающий прибор; 3 – вольтметр; 4 – измерительный узел расходомера; 5 – крыльчатка; 6 – генератор ПАГ 1-Ф; 7 – регулятор частоты вращения крыльчатки; 8 – переключатель плотности; 9 – разъемы для снятия осциллограмм Описание конструкции Показывающий прибор РТСВ 10-8 Показывающий прибор РТСВ 10-8 выполнен в виде двух блоков: 1) измерительного блока для измерения суммарного расхода в ве- совых единицах; 2) блока питания и усиления БПУ 2-1 для питания схемы расхо- домера и усиления напряжения разбаланса, возникающего при из- менении емкости датчика плотномера Сд. Измерительный блок показывающего прибора расходомера являет- ся счетчиком электрических импульсов. Шкала показывающего при- бора отградуирована в килограммах. Максимальному запасу вещества 8000 кг соответствует 6500 импульсов при значении плотности, рав- ном среднему расчетному значению, 0,8 г/см3. Механизм измеритель- ного блока состоит из электромагнитного реле, измерительного диф- ференциального моста, коммутационных элементов, электромагнит- ной муфты МЭД II, электродвигателя ДИД-05У, редуктора, устройства для перевода стрелки и блока питания и усиления БПУ 2-1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 117 Якорь электромагнитного реле 5 (рис. 19.16) при помощи веду- щей собачки 36 поворачивает храповое колесо 37 на один зуб при каждом импульсе тока, посылаемом усилителем. Рис. 19.16. Кинематическая схема показывающего прибора: 1 – переключатель малогабаритный; 2 – двигатель; 3 – магнитная муфта; 5 – электромагнит; 11 – потенциометр отработки; 21–23, 25, 27–29, 31, 34–35, 41 – шестерни; 26 – стрелка; 30 – шариковая муфта; 32 – дифференциал; 33 – кулачок; 36 – ведущая собачка; 37 – храповое колесо; 38 – стопорная собачка; 39 – редуктор; 40 – кремальера Стопорная собачка 38 предохраняет храповое колесо от прово- рачивания. Измерительный дифференциальный мост (рис. 19.17) переменного тока является частью измерительной схемы плотномера и состоит: – из двух активных плеч, одно из которых состоит из потенцио- метра отработки R10, движок которого связан с осью двигателя ДИД-05У, реостата R1 и резистора R2, а другое – из резисторов R3, R4, R6 и реостатов R5, R7, R8; – двух реактивных плеч, состоящих из емкости Сд, датчика, плот- номера и емкости плеча сравнения С1, представляющих собой по- стоянные емкости. 11 8 XT 10 XT 1 Р ео ст ат R 6 C д VD 11 Ё м ко ст ь C 0 со от ве тс тв уе т пл от но ст и то пл ив а 0. 8 г/с м 3^. C 0 TC R 9 R 8 1 2 3 XT 7 ~2 5 В 40 0 Гц XT 8 VD 10 Р ег ул ир ов ка XT 3 -2 7V R 1 1 2 3 VD 9 Р ег ул ир ов ка KV 1- 2 1 2 3 XT 4 +2 7V R 4 1 2 3 Э л ек тр ом аг ни т пр ив од а R 7 1 2 3 M 1 Д И Д -0 5У 1 2 4 5 6 Э л ек тр ом уф та М Э Д II SA 1- 1 1. 1 1. 2 1. 3 1. 4 Y 1 1 2 R 2 УИ П 4- 1 R 3 K V 1- 3 3 4 5 K V 1- 1 A B S B 1 XT 6 XT 11 XT 2 T- 1 XT 5 Д Y2 1 2 Y3 1 2 T- 2 R 10 1 2 3 R 5 1 2 3 C 1 Е Ри с. 1 9. 17 . Э лек три чес кая сх ем а и зм ери тел ьно го мо ста по каз ыв аю ще го пр иб ора 118 119 Реостаты R1 и R5 служат для регулировки полного угла откло- нения движка потенциометра отработки R10 при изменении плот- ности вещества от 0,7 до 0,9 г/см3. Резисторы R7, R8 и переключатель SA1-1 предназначены для корректирования поправки при изменении марки вещества. Резистор R9 служит для ограничения тока в диагонали моста при коротком замыкании пластин датчика плотномера. В состав коммутационных элементов (см. рис. 19.17) входят мик- ропереключатель SB1 и реле KV1-1. Коммутационные элементы служат для периодического подклю- чения в схему измерительного моста датчика плотномера Сд или постоянной емкости C0 и переключения обмоток Y2 и Y3 электро- магнитной муфты МЭД II. Подключение датчика плотномера Сд в схему измерительного моста происходит при размыкании контактов микропереключателя SB1, т. е. когда производится измерение плотности вещества. Электромагнитная муфта МЭД II (см. рис. 19.17) предназначе- на для соединения при внесении поправки кинематических цепей электромагнита Y1 и двигателя ДИД-05У. Электродвигатель ДИД-05У (см. рис. 19.17) представляет собой асинхронный электродвигатель переменного тока, предназначенный для работы в схеме измерителя плотности в качестве реверсивного привода движка потенциометра отработки R10, посредством кото- рого обеспечивается состояние равновесия измерительного диффе- ренциального моста. Редуктор (см. рис. 19.16) передает вращение храпового колеса 37 электромагнита 5 через червяк, шестерни 35, 34, дифференциал 32, шариковую муфту 30, шестерни 29, 28, 27 на стрелку показываю- щего прибора 26. Параллельно на эту же стрелку передается вращение ротора дви- гателя, вносящего поправку на плотность вещества, через редуктор 39, шестерни 21, 22, 23, 25, магнитную муфту 3, шестерни 31, диффе- ренциал 32, шариковую муфту 30 и шестерни 29, 28, 27. Устройство для перевода стрелки позволяет устанавливать стрелку на любое деление шкалы, соответствующее количеству за- литого вещества. Перевод стрелки осуществляется кремальерой 40 (см. рис. 19.16). 120 Блок питания и усиления БПУ 2-1 (рис. 19.18) выполнен отдель- ным съемным блоком. На общем основании блока размещены торо- идальный силовой трансформатор и ламповый усилитель. VD7 Д M1 ДИД-05У C19 XT10 M1 ДИД-05У XT1 TV3 1 2 3 4 Диагональ измерительного моста. C9 VD8 C11 R16 R15 R26 XT8 TV5 1 5 7 8 9 10 11 13 14 166 Е VL2 1 23 4 5 6 C4 R25 XT2 R14 R23 C18 XT7XT11 C12 R22 R24 R13 C10 115В 400Гц VL1 1 2 3 4 5 6 7 8 R21 ~25 В 400 Гц Рис. 19.18. Электрическая схема блока питания и усилителя БПУ2-1 Тороидальный силовой трансформатор TV5 имеет пять обмоток. Одна – первичная 1–5, на которую подается напряжение 115 В, 400 Гц, и четыре вторичных, из которых: обмотка 9–10 – для питания моста (25 В); обмотка 11–13 – для питания обмотки возбуждения ДИД-0,5У (36 В); обмотка 14–16 – для питания цепи накала ламп VL1 и VL2 (6,3 В); обмотка 6–7–8 (2 × 110 В) – для питания анодной цепи ламп после выпрямления по двухполупериодной схеме, составленной из двух диодов VD7, VD8 и конденсатора C11. Ламповый усилитель (см. рис. 19.18), включенный в диагональ изме- рительного моста, предназначен для усиления напряжения разбаланса, возникающего при изменении емкости Сд – датчика плотномера. 121 Измерительный узел расходомера Измерительный узел расходомера включает в себя два датчика: – датчик расхода вещества РТС 10 для измерения суммарного расхода вещества в объемных единицах (литрах), чувствительным элементом которого является вращающаяся винтовая крыльчатка; – датчик плотномера ДПЕ 3-1 для измерения плотности веще- ства, чувствительным элементом которого является плоский кон- денсатор. Датчик расхода вещества РТС 10 (рис. 19.19) имеет полый кор- пус 1 с фланцами на концах. Рис. 19.19. Внутреннее устройство датчика расхода: 1 – корпус; 2, 4 – струевыпрямители; 3 – крыльчатка; 6 – ось с червяком, на котором закреплена втулка с сердечником; 7 – индукционная катушка; 8 – колпачок Вещество из магистрали, поступая в датчик расхода, проходит струевыпрямитель 2 и попадает на винтовые лопасти крыльчатки 3, приводя ее во вращательное движение. 122 Затем вещество проходит через второй струевыпрямитель 4 и далее через датчик плотномера поступает в магистраль. Струевыпрямители выравнивают поток вещества до и после крыльчатки, что способствует получению линейной зависимости (пропорциональности) между скоростью потока и числом оборотов крыльчатки. Лопасти крыльчатки закреплены на оси, которая установлена в шарикоподшипниках в струевыпрямителе 4. Вещество, попадая на лопасти, вращает ось. Лопасти крыльчатки расположены под углом к направлению движения потока вещества. Максимальному расходу вещества датчика соответствует опре- деленное число оборотов крыльчатки. Для регулировки скорости вращения крыльчатки на заданное число оборотов крыльчатке и каналу, в котором она вращается, придается коническая форма. Так как поток вещества при постоянном расходе в разных сечениях канала имеет различную скорость, то для изме- нения числа оборотов производится перемещение крыльчатки вдоль канала в осевом направлении. Перемещение крыльчатки к выходному струевыпрямителю при- водит ее в зону увеличенной скорости потока и, следовательно, к увеличению числа оборотов крыльчатки. И, наоборот, перемеще- ние крыльчатки к входному струевыпрямителю приводит ее в зону пониженной скорости потока и, следовательно, к уменьшению чис- ла оборотов. Через червячную передачу 6, расположенную внутри выходного струевыпрямителя, крыльчатка вращает с замедлением в 30 раз втулку со стальным сердечником, расположенную внутри защитно- го колпачка 8. С внешней его стороны расположены одна над дру- гой две индуктивные катушки 7 со стальными П-образными пла- стинами сердечника, обмотки которых представляют два плеча ин- дуктивного моста. За один оборот сердечника происходит одно изменение индук- тивности нижней катушки, и, следовательно, мост, составленный из катушек индуктивности датчика и обмоток трансформатора усили- теля УИП4-1, выходит из равновесия. По своему принципу действия скоростной датчик расхода веще- ства является объемным прибором, т. е. с помощью скоростного дат- чика запас может быть измерен непосредственно в объемных едини- 123 цах. Крыльчатка датчика рассчитана таким образом, что при прохож- дении через датчик 1,538 л вещества его индуктивно-импульсное устройство посылает один импульс тока в электромагнит показы- вающего прибора, или 1 л вещества, прошедшего через датчик, со- ответствует 0,65 импульса. Число импульсов тока на килограмм вещества зависит от плот- ности вещества и определяется по формуле 2 1 , KK   где K1 – количество импульсов на 1 кг вещества; K2 – количество импульсов на 1 л вещества;  – плотность вещества, г/см3. Для начального уравновешивания индуктивного моста в датчике предусмотрен магнитный шунт, укрепленный стопорным винтом око- ло верхней катушки индуктивности. Положение магнитного шунта устанавливается при регулировке моста на заводе. Датчик плотномера ДПЕ 3-1 представляет собой плоский воз- душный конденсатор Сд, электрическая емкость которого пропор- циональна плотности вещества ρд, омывающего его пластины и за- полняющего пространство между ними. Датчик плотномера (рис. 19.20) состоит из корпуса 2 с розетками 3 и двух пакетов пластин 1. Пакеты пластин установлены в корпусе и закреплены с двух сторон кольцами. Каждый пакет пластин со- единен с розетками проводниками через токоведущие стержни про- ходных изоляторов. На концах корпуса имеются фланцы для крепления с одной сто- роны к датчику расхода и с другой – к патрубку трубопровода. 124 Рис. 19.20. Внутреннее устройство датчика плотномера: 1 – пакет пластин; 2 – корпус; 3 – розетки Усилитель импульсный с питанием УИП 4-1 Усилитель УИ 4-1 (рис. 19.21) состоит из следующих функцио- нальных каскадов: амплитудного детектора, компаратора напряже- ния, усилителя мощности. Амплитудный детектор, выполненный по схеме выпрямителя с удвоением напряжения на диодах У1-1, У1-2 и конденсаторах С1, С2, выделяет на резисторе R1 низкочастотную составляющую на- пряжения сигнала датчика положительной полярности, которая сум- мируется с напряжением термокомпенсирующей цепи и подается на вход 9 компаратора напряжения. На вход 10 компаратора подается опорное напряжение с делителя, образованного резисторами R3 и R4. 12 5 Ри с. 1 9. 21 . Э лек три чес кая пр ин ци пи аль ная сх ем а У И4 -1 125 126 При равенстве напряжений на входах 9 и 10 изменяется поляр- ность выходного напряжения компаратора, при этом открываются транзистор Т1 и одновременно с ним транзисторы У4-1 и У4-2, че- рез обмотку электромагнита показывающего прибора начинает про- текать ток. Ток через обмотку электромагнита протекает до момента, когда напряжение на входе 10 компаратора не станет больше на- пряжения на входе 9. При этом компаратор напряжения возвраща- ется в исходное состояние, его выходное напряжение запирает тран- зистор Т1 и, соответственно, транзисторы У4-1 и У4-2. Таким образом, на выходе усилителя формируются импульсы прямоугольной формы. Резистор R5 в цепи положительной обратной связи определяет напряжение отпускания усилителя. Цепь, состоящая из резистора R2 и диода У1-3, обеспечивает температурную стабилизацию напряже- ний срабатывания и отпускания. Защита входов компаратора от пере- напряжений производится диодами У2-1 и У2-2. Питание компаратора осуществляется от параметрического стаби- лизатора, выполненного на стабилитронах Д1, Д2 и резисторах R6, R7. Усилитель мощности выполнен на транзисторах Т1, У4-1, У4-2 и работает в режиме переключения. Наличие транзистора Т1 обес- печивает стабильность режима компаратора по выходному току при подключении дублирующего усилителя. Резисторы R8, R9 являются коллекторной нагрузкой транзис- тора Т1. Резисторы R8, R10 и R11 обеспечивают режим насыщения тран- зисторов У4-1 и У4-2. Режим отсечки транзистора Т1 обеспечивается выходным напря- жением компаратора, режим отсечки транзисторов У4-1, У4-2 – на- пряжением смещения, снимаемым с делителя, образованного тран- зистором У4-4 в диодном включении и резистором R12. Стабильность режима отсечки при повышенной температуре окружающей среды обеспечивается диодами У5-1, У5-2. Транзистор У4-3 в диодном включении и диод Д3 защищают транзистор от перенапряжений. Питание УИ4-1 в усилителе УИП4-1 осуществляется от силового трансформатора TV2 (рис. 19.22) через выпрямитель, состоящий из диодов VD7 и VD8 и фильтрующих емкостей С3 и С4. Напряжение питающей сети 115 В, 400 Гц. Конденсатор С5 в блоке УИП4-1, 127 включенный параллельно первичной обмотке трансформатора TV2, служит для подавления сигнала радиопомех. + C4 К э л е кт р о м а гн и ту Y 1 К э л е кт р о м а гн и ту Y 1 X T 5 К с р е д н е й т о ч ке L 1 и L 2 VD7 К L 2 д а тч и ка К L 1 д а тч и ка X T 16 X T 17 X T 21 X T 22 + C3 TV2 1 2 3 5 6 8 4 7 X T 3 VD8 УИП4-1 X T 4 C5 A1_1 УИ4-1 XT1 XT2 XT3 XT4 XT7 XT8 115В 400Гц Рис. 19.22. Электрическая схема питания усилителя УИ4-1 Принцип работы лабораторного стенда Принцип работы лабораторного стенда (см. рис. 19.19) заключа- ется в том, что измеряемое вещество, протекая через датчик расхода с некоторой скоростью, приводит во вращение крыльчатку, ско- рость вращения которой в широких пределах пропорциональна ча- совому расходу измеряемого вещества, а число оборотов – количе- 128 ству протекшего через датчик измеряемого вещества в объемных единицах. Вращение крыльчатки преобразуется индуктивно-импульс- ным устройством в импульсы переменного тока. При измерении расхода вещества электрические сигналы от ин- дуктивно-импульсного устройства датчика расхода усиливаются и с помощью якоря электромагнита ЭМ в показывающем приборе преобразуются в перемещение стрелки по шкале L2, которое про- порционально массе вещества Р0,8, протекшего через датчик при плотности вещества 0,8 г/см3. Формула, которую реализует лабораторный стенд: п з const д p 0 ( ) , m n NP Р V K           где Рп – оставшийся запас вещества по шкале показывающего при- бора, кг; Рз – заданное (исходное) количество вещества, кг; N – количество импульсов, посылаемых датчиком расхода в по- казывающий прибор; K – расчетное количество импульсов, соответствующее 1 кг ве- щества при плотности вещества 0,8 г/см3; ΔVconst – объем вещества, на который вносится поправка; д – действительная плотность вещества в момент внесения n-й поправки, г/см3; р – расчетная плотность, равная 0,8 г/см3; m – число поправок на количество вещества, прошедшего через датчик. Специальное устройство, состоящее из датчика плотномера ДПЕ 3-1, включенного в измерительный мост, усилителя и испол- нительного двигателя, корректирует показания показывающего при- бора в зависимости от изменения плотности вещества. Датчик плотномера подключен к самобалансирующемуся изме- рительному мосту и в зависимости от плотности вещества движок реостата, связанный с осью ротора двигателя, занимает вполне оп- ределенное положение. Поправка по плотности вносится периодически через определен- ные порции израсходованного вещества (250 л) в виде дополни- 129 тельного углового перемещения стрелки показывающего прибора , пропорционального отклонению действительной плотности от расчетной – . При внесении поправки датчик плотномера отключается контак- тами реле от измерительного моста и вместо него подключается за- мещающая емкость, соответствующая плотности вещества 0,8 г/см3. Параметры моста подобраны таким образом, что при подключении замещающей емкости движок реостата занимает среднее положение. Напряжение 27 В одновременно подается на рабочую обмотку электромагнитной муфты М, соединяющей через дифференциал ро- тор двигателя со стрелкой показывающего прибора. Стрелка показывающего прибора перемещается на дополнитель- ный угол ±αL, пропорциональный разности расчетной и действи- тельной плотностей. Принципиальная электрическая схема лабораторного стенда Крыльчатка в датчике расхода через редуктор вращает стальной сердечник индуктивно-импульсного устройства, включенного в мост переменного тока. Два плеча моста (рис. 19.23), составленные из катушек индук- тивности L1 и L2, находятся в датчике, а два других плеча L3 и L4, образованные вторичными обмотками 6–7 и 7–8 трансформатора TV2, находятся в усилителе УИП4-1. Обмотки L1, L3 и L4 имеют постоянную индуктивность, a L2 – переменную, изменяющуюся за счет того, что во время работы дат- чика в магнитном поле катушки вращается стальной сердечник, че- рез редуктор связанный с крыльчаткой. При вращении этот сердеч- ник приближается к П-образному сердечнику катушки индуктивно- сти или удаляется от него и изменяет магнитный поток, а следо- вательно, и ее индуктивность. Благодаря изменению индуктивности катушки L2 нарушается рав- новесие моста, а в его диагонали появляется напряжение с частотой, равной частоте питающего напряжения (400 Гц). Это напряжение подается на вход УИ4-1 (см. рис. 19.21), нагруз- кой которого является обмотка электромагнита (см. рис. 19.16) по- казывающего прибора. 130 R2 + C4 C10 VD10 +27В R 26 M1 ДИД-05У 1 2 4 5 6 SA1-1 KV1-3 4 5 6 C4 R1 L1 1 2 R14 VL2 1 23 4 5 6 R9 Y3 12 R 21 C9 R15 R13 C1 TC TV2 12 3568 47 C19 KV1-1A B Y2 12 R4 R 24 Сд1 KV1-2 1 2 3 VD7 -27В + C3 C5 SB1 R 23 R 22 L2 1 2 VD8 T1 TV5 1 5 7 8 9 10 11 13 14 16 6 R3 A1_2 УИ4-1 XT1 XT2 XT3 XT4 XT7 XT8 VD8 VD9 R 25 VD11 A2_1 Датчик расхода XT3 XT4 XT4 XT5 XT6 T2 C12 115В 400Гц R10 VL1 1 2 3 4 5 6 7 8 C18 R8 Y11 2 R7 C0 R6 R5 VD7 TV3 1 2 3 4 C11 R16 Рис. 19.23. Электрическая схема лабораторного стенда 131 Работа расходомера происходит следующим образом: после за- правки определенного объема измеряемым веществом стрелка, с по- мощью которой производится отсчет запаса (остатка) вещества, уста- навливается на значение, соответствующее количеству заправленного вещества (в килограммах). По трубопроводу, в который вмонтирован датчик расхода, про- качивается вещество, которое, протекая через датчик, приводит во вращение крыльчатку. Вращающаяся крыльчатка через червячную передачу вращает сердечник. Число оборотов сердечника индуктивно-импульсного устройства датчика пропорционально числу оборотов крыльчатки, следова- тельно, число срабатываний электромагнита (см. рис. 19.16) пока- зывающего прибора также будет пропорционально числу оборотов крыльчатки и, соответственно, количеству вещества, прошедшего через датчик. Электромагнит показывающего прибора, срабатывая, поворачивает на один зуб храповое колесо, которое через редуктор и дифференциал передвигает стрелку по шкале показывающего прибора в сторону уменьшения количества залитого вещества. Как было описано выше, передаточное отношение редуктора выбирается таким образом, что угол поворота стрелки пропорцио- нален количеству вещества, прошедшего чрез датчик в объемных единицах, умноженному на 0,8, т. е. пропорционален массе веще- ства, прошедшего через датчик при средней расчетной плотности вещества, равной 0,8 г/см3. Однако плотность вещества может быть отличной от 0,8 г/см3. Практически для применяемого вещества плотность может меняться от 0,7 до 0,9 г/см3. Для устранения возможной погрешности из-за разницы между средней расчетной плотностью, равной 0,8 г/см3, и фактической плотностью вещества в расходомере предусмотрено корректирую- щее устройство, которое производит периодическое измерение фак- тической плотности вещества и вносит поправки на разность плот- ностей фактической и расчетной. Основу корректирующего устройства составляет датчик плотноме- ра (см. рис. 19.20) и измерительный мост с отработкой (см. рис. 19.17). Чувствительным элементом всего корректирующего устройства служит датчик плотномера, через который проходит расходуемое вещество. 132 Как известно, емкость Сд датчика плотномера зависит от геомет- рических размеров пластин и диэлектрической проницаемости ве- щества, находящегося между ними. Для плоского конденсатора д , SС K d  где K – коэффициент, зависящий от выбора единиц;  – диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S – площадь обкладок; d – расстояние между обкладками. Если K, S и d – величины постоянные, то Сд будет зависеть толь- ко от диэлектрической проницаемости . Так как для Т-1, Т-2, ТС-1 (разновидность веществ) ε практи- чески пропорциональна плотности основного вещества: 1 ,K     то можно написать, что емкость д 1 , SС KK d  откуда плотность вещества определяется как д 1 1 , С d KK S  но так как 3 1 1 d K KK S  – величина практически постоянная, то плот- ность вещества 3 д .K C  Таким образом, по емкости конденсатора, полностью залитого веществом, можно судить о плотности вещества, если заданы кон- структивные параметры конденсатора. 133 Порядок выполнения экспериментальной части работы 1. Изучить структурную схему, устройство и принцип действия лабораторного стенда. 2. Получить допуск к работе. 3. К сети 220 В подключить лабораторный стенд и осциллограф. 4. Регулятор частоты вращения крыльчатки 7 (см. рис. 19.15) вывести в крайнее левое положение. 5. Включить питание осциллографа. 6. Тумблером 1 включить питание лабораторного стенда. 7. С помощью кабеля подключить осциллограф к паре гнезд № 1 (разъем для снятия осциллограмм 9). 8. Снять и изобразить полученные осциллограммы. Определить амплитуду и частоту полученного сигнала. 9. Подключить осциллограф к паре гнезд № 2. 10. Повторить пункт 8. 11. Подключить осциллограф к паре гнезд № 3. 12. Повторить пункт 8. 13. В показывающем приборе 2 с помощью кремальеры смес- тить стрелку нулевого деления на значение 6000 кг. 14. Повернуть регулятор частоты вращения крыльчатки 7 по ча- совой стрелке, установив значение на вольтметре 3, равное 5 В, и убедиться в работе показывающего прибора 2 по щелчкам элект- ромагнита. 15. Повторить пункты 7–12. 16. Повернуть регулятор частоты вращения крыльчатки 7 по ча- совой стрелке, установив на вольтметре 3 значение, равное 15 В. 17. Повторить пункты 7–12. 18. Повернуть регулятор частоты вращения крыльчатки 7 по ча- совой стрелке, установив на вольтметре 3 значение, равное 25 В. 19. Повторить пункты 7–12. Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Инструменты и принадлежности. 3. Краткие теоретические сведения. 4. Таблица с результатами измерений. 134 5. Осциллограммы полученных сигналов. 6. Выводы по проделанной работе. Список литературы 1. Баскаков, С. И. Радиотехнические цепи и сигналы / С. И. Бас- каков. – Москва: Высшая школа, 1988. – 88 с. 2. Гоноровский, И. С. Радиотехнические цепи и сигналы / И. С. Гоноровский. – Москва: Радио и связь, 1986. – 74 с. 3. Справочник по радиоэлектронике: в 2 т. / под общ. ред. А. А. Куликовского. – Москва: Энергия, 1968. – Т. 2. – 484 с. 4. Браславский, Д. А. Расчет и конструкция авиационных при- боров / Д. А. Браславский, С. С. Логунов, Д. С. Пельпор. – Москва, 1954. – 584 с. 135 Содержание Лабораторная работа № 11 ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПОПЛАВКОВОГО ТОПЛИВОМЕРА .................................................................................... 3 Лабораторная работа № 12 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ С РЕЗИСТИВНЫМИ ПЕРВИЧНЫМИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ............................ 10 Лабораторная работа № 13 ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ С ПОМОЩЬЮ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ .......................................................................... 20 Лабораторная работа № 14 ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ ВКЛЮЧЕНИЯ ТЕРМОРЕЗИСТОРОВ ................................................................ 29 Лабораторная работа № 15 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВОЛЬТМЕТРА НА РЕЖИМ РАБОТЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ .......................... 51 Лабораторная работа № 16 ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ .................................................................... 80 Лабораторная работа № 18 ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ФОТОКОМПЕНСАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ............................................. 92 Лабораторная работа № 19 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИЗМЕРЯЕМОЙ ВЕЛИЧИНЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ, МОДУЛИРОВАННЫЕ ПО АМПЛИТУДЕ .............................................................................. 103 136 Учебное издание ЭЛЕМЕНТЫ ПРИБОРОВ Лабораторный практикум для студентов специальности 1-38 01 01 «Механические и электромеханические приборы и аппараты Составители: НОВИКОВ Александр Анатольевич ГАБЕЦ Вячеслав Леонидович Редактор Т. Н. Микулик Компьютерная верстка Н. А. Школьниковой Подписано в печать 26.06.2017. Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 7,91. Уч.-изд. л. 6,18. Тираж 100. Заказ 780. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. Свидетельство о государственной регистрации издателя, изготовителя, распространителя печатных изданий № 1/173 от 12.02.2014. Пр. Независимости, 65. 220013, г. Минск.