Масштабные измерительные преобразователи

Масштабные измерительные преобразователи предназначены для изменения размера физической величины в заданное число раз. К преобразовательным устройствам, осуществляющим функции масштабного преобразования, принято относить шунты, добавочные резисторы, делители напряжения, измерительные трансформаторы тока и напряжения, измерительные усилители.

Шунты предназначены для расширения пределов измерения по току и представляют собой калиброванные резисторы (меры). Схема включения шунта к измерительному прибору (ИП) показана на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема включения шунта.

Сопротивление шунта выбирается таким, чтобы большая часть тока протекала по шунту. Конкретное сопротивление шунта можно определить из равенства.

откуда.

Учитывая, что , можно записать.

Коэффициент п = /_х//_пр принято называть коэффициентом шунтирования. Из выражения (1.1) следует л = (Л_ш + R_np)/R_m.

Шунты применяют в основном с магнитоэлектрическими измерительными механизмами в цепях постоянного тока. На переменном токе сопротивление шунта и сопротивление измерительного механизма при изменении частоты измеряемого сигнала изменяются неодинаково, что приводит к дополнительной погрешности.

Конструктивно различают внутренние и наружные шунты. Внутренние шунты применяют обычно в амперметрах для измерения небольших токов (до 30 А). Они располагаются, как правило, внутри корпуса прибора. Наружные (внешние) шунты используют с приборами для измерения больших токов (до 6000 А). В этом случае мощность, рассеиваемая шунтом, не нагревает прибор.

Основные параметры шунтов регламентируются. По точности различают следующие классы шунтов: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5. Класс точности означает допустимое отклонение сопротивления шунта от его номинального значения, выраженное в процентах.

Добавочные резисторы предназначены для расширения пределов измерения по напряжению ИП, т. е. они ограничивают ток в цепи ИП и позволяют использовать его для измерения больших значений напряжения.

Добавочные резисторы включают последовательно с ИП (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Схема включения добавочного резистора.

Расширение пределов измерения прибора за счет добавочного резистора принято оценивать коэффициентом расширения (множителем шкалы) т = U_x/U_nf>.

Сопротивление добавочного резистора Я_л можно определить исходя из равенства.

откуда.

Добавочные резисторы выполняют обычно однопредельными для шитовых приборов и многопредельными — для переносных. Поточности добавочные резисторы подразделяют на классы: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5. Класс точности добавочных резисторов определяется отношением абсолютной погрешности значения сопротивления ДR к его номинальному значению /?_ном:

Делители напряжения предназначены для уменьшения напряжения в определенное число раз.

Основными показателями делителей напряжения являются коэффициент деления (коэффициент передачи) К_л; частотный диапазон, в котором сохраняется постоянство К_л; допускаемая мощность рассеивания; погрешность деления.

Схемы наиболее распространенных делителей напряжения представлены на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Схемы делителей напряжения: а — резистивного; б — емкостного; в — с корректирующими элементами.

Коэффициент деления для простейшего резистивного делителя (рис. 1.3, а) можно записать в виде.

При относительно невысоком сопротивлении нагрузки коэффициент деления К_а зависит от сопротивления нагрузки Л_н, и в формуле (1.2) вместо R₂ нужно использовать.

Коэффициент деления для емкостного делителя (рис. 1.3, б) определяется нижеприведенным выражением при условии, что С₂ значительно меньше С_н. Если же это условие не выполняется, то расчет ведется с учетом С_н:

Емкостные делители используют в высокочастотных цепях, так как они обладают свойствами неизменности коэффициента деления в диапазоне до сотен мегагерц.

Элементы, входящие в делители (резисторы, конденсаторы), за счет паразитных связей реактивного характера приводят к неравномерности коэффициента передачи в рабочей полосе частот. Уменьшить эти неравномерности позволяют делители, собранные по схеме, представленной на рис. 1.3, в. Такой делитель напряжения является частотно-независимым. Конденсаторы в данном случае выбираются из условия.

На низких частотах емкостное сопротивление делителей Х_а и Х_п много больше сопротивлений /?, и R₂, поэтому деление осуществляется в основном делителем, состоящим только из активных резисторов. В области высоких частот емкостное сопротивление делителей Х_С1 и Х_С2 много меньше сопротивлений Л, и R₂, и деление осуществляется в основном емкостным делителем. При выполнении условия (1.4) коэффициент деления К_л рассматриваемых делителей широкого диапазона частот ведется по формуле (1.2).

На низких частотах используют также индуктивные делители напряжения. По конструкции они подобны автотрансформатору с ферромагнитным сердечником.

Аттенюаторы (ослабители), как и делители напряжения, предназначены для понижения напряжения в требуемое число раз. С помощью аттенюаторов осуществляется нормирование малых уровней сигналов. Как и делители, они характеризуются диапазоном рабочих частот, входным и выходным сопротивлениями, допустимой мощностью рассеивания, погрешностью деления. При работе в диапазоне сверхвысоких частот аттенюаторы дополнительно характеризуются коэффициентом стоячей волны.

Ослабление, вносимое аттенюатором, принято выражать в децибелах:

Входное сопротивление аттенюатора, в отличие отделителя напряжения, в процессе регулировки ослабления нс изменяется при постоянном сопротивлении нагрузки.

В зависимости от диапазона частот используют аттенюаторы, выполненные на резисторах, конденсаторах или на основе линий с распределенными постоянными предельного и поглощающего токов.

Резистивные аттенюаторы применяют в диапазоне до нескольких десятков мегагерц. Они выполняются из звеньев, представляющих собой Тили П-образные четырехполюсники. Число звеньев может меняться с помощью переключателя.

Емкостные аттенюаторы используют на частотах до сотен мегагерц, а выполненные на элементах с распределенными постоянными — в диапазоне сверхвысоких частот.

Измерительные трансформаторы предназначены для преобразования больших напряжений и токов в относительно малые напряжения и токи в целях последующего их использования для измерения типовыми приборами.

Конструктивно измерительный трансформатор представляет собой замкнутый сердечник из магнитомягкого материала, на котором размешены две изолированные обмотки с числом витков W, и W,. В трансформаторах тока обычно первичный ток /, больше вторичного 1₂, поэтому W_x < IV₂, а в трансформаторах напряжения первичное напряжение ?/, больше вторичного U₂, поэтому у них W, > W₂.

Схема включения измерительных трансформаторов тока и напряжения показана на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Схема включения измерительных трансформаторов.

Значения измеряемых токов /_х и напряжений U_x определяют с учетом номинальных значений коэффициентов трансформации потоку К,_н и напряжению К_ин:

где /₂ и U₂ — значения измеренного тока и напряжения соответственно.

Номинальные коэффициенты трансформации определяются соответственно выражениями.

где /," и /_2н — номинальные значения токов в первичной и вторичной обмотках трансформатора тока;

U_u, ^и — номинальные значения напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора напряжения.

В реальных условиях эксплуатации измерительных трансформаторов номинальное значение коэффициента трансформации не равно реальному коэффициенту К_ы * К, К_и" * К_и, что объясняется различными значениями измеряемых токов и напряжений, характером и значением нагрузки во вторичной цепи, конструкцией трансформатора и другими причинами. Поэтому определение измеряемых величин по номинальным коэффициентам трансформации приводит к погрешностям.

Для трансформатора тока относительная погрешность.

а для трансформатора напряжения.

Кроме токовой погрешности б, и погрешности по напряжению 6_Ь., у измерительных трансформаторов имеется угловая погрешность, вызванная неточностью передачи фазы из одной обмотки в другую. Угловая погрешность измерительных трансформаторов оказывает влияние на погрешность измерительных приборов, показания которых зависят от фазовых сдвигов токов в этих приборах (фазометры, ваттметры).

С учетом указанных погрешностей введены четыре класса точности измерительных трансформаторов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5.

Для обеспечения нормальной работы измерительного трансформатора тока общее сопротивление его вторичной цепи не должно превышать номинальной нагрузки, которая нормирована (0,2; 0,6; 0,8; 1,2; 2 Ом). Увеличение сопротивления вторичной обмотки может вызвать перенапряжение и пробой изоляции. Таким образом, нормальная работа измерительного трансформатора тока обеспечивается в режиме короткого замыкания, а режим холостого хода является аварийным.

Измерительные усилители, решая в целом функции масштабирования и нормирования сигналов, обеспечивают поддержание на заданном уровне и с определенной точностью значения измерительных сигналов. Кроме того, измерительные усилители обеспечивают развязку отдельных трактов и линейный режим работы измерительных цепей, обнаружение малых токов и напряжений в измерительных цепях (нулевые усилители), согласование входов СИ с источниками сигналов.

Измерительные усилители должны обладать стабильными метрологическими характеристиками. К усилителям предъявляют следующие требования:

• — линейность и стабильность преобразования сигнала, обеспечивающие заданную погрешность;
• — обеспечение заданного диапазона усиления;
• — обеспечение заданной частотной избирательности;
• — малые начальные токи и др.

По виду амплитудно-частотной характеристики используемые усилители разделяют на усилители переменного тока (напряжения) и усилители постоянного тока (напряжения).

Усилители переменного тока должны обеспечивать постоянство коэффициента передачи в широком диапазоне частот. Для этих характеристик допускается «завал» частотной характеристики в области нижних частот, т. e./_min * 0. К усилителям переменных токов относятся также селективные (избирательные) усилители.

Для усилителей постоянного тока (УПТ) нижняя граница частотного диапазона/, = 0 (например, усилители постоянного тока, используемые в аналоговых электронных вольтметрах, усиливают сигнал до значения, необходимого для эффективной работы электромеханического измерительного механизма, и согласуют его малое сопротивление с выходным сопротивлением преобразователя).

Электронные усилители конструктивно могут исполняться в качестве узлов измерительных приборов или в качестве отдельных функционально законченных устройств.

В современной измерительной технике в качестве измерительных усилителей используют в основном интегральные операционные усилители (ОУ) различных типов, представляющие собой усилители постоянного тока с большим коэффициентом усиления (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Основные схемы включения ОУ: а — инвертирующее; б — неинвертирующее Для схемы включения ОУ, приведенной на рис. 1.5, а, справедливо следующее соотношение между входным U_m и выходным U_nhK напряжениями:

а для схемы включения ОУ на рис. 1.5, б:

ОУ имеют большое входное сопротивление (сотни мегаом) и малое выходное (единицы ом). Большое входное сопротивление обычно обеспечивается использованием во входном дифференциальном каскаде полевых и биполярных транзисторов, работающих в режиме микротоков. Кроме задач масштабного преобразования (усиления), ОУ могут использоваться в качестве компараторов, интеграторов и др. [2].