Анализ работы аналоговых и цифровых измерительных приборов

Российский заочный институт текстильной

и лёгкой промышленности

Кафедра электротехники и автоматизированных промышленных установок

Технологические измерения и приборы

Контрольная работа № 1

Анализ работы аналоговых и цифровых измерительных приборов

                                                                                               Работу выполнила

                                                                            Студентка 4 курса

                                                                            Факультета    Э.М.Ф.

                                                                           Специальность 220301         

                                                                            Шифр    С208030

                                                                            Зенченкова Е. Д.

                                                                            Преподаватель

                                                                                     _______ _ _ _ _

Серпухов 2011

Задание 1.1

Для измерительного механизма  (ИМ) электромеханической  группы, имеющего следующие параметры:

      Uн  мВ  (обм.)   -     125

       Iн  мА  (обм)    -     5

       αн дел.              -     150

Измеряемые величины:

        Uи В                -      30

         Iи А                -      1

- описать устройство, принцип действия и назначение всех его элемен-тов (с приведением соответствующей конструктивной схемы ИМ);

- составить основные уравнения для электрической и механической частей, соответствующие его статическим и динамическим режимам работы  и на их основе установить связь угла поворота подвижной части ИМ  от электрического тока, протекающего по измерительной обмотке, или напряжения на её зажимах;

- на основании полученных уравнений статики и динамики  ИМ  ка-чественно определить и построить статическую и переходную харак-теристики для его выходной и входной  величин (считая коэффициент демпфирования, равном 0,7);

- описать виды погрешностей, которые характерны для рассмат-риваемого  ИМ;

- описать какие электрические величины можно измерять с помощью  рассматриваемого ИМ и какие при этом, без специальных конструктивных приёмов, будут получаться шкалы измерительного прибора;

- описать: какие электрические величины можно измерять с помощью ИМ электромагнитной, электродинамической, ферромагнитной, индукцион-ной и электростатической систем измерения и какие при этом, без специаль-ных конструктивных приёмов, будут получаться шкалы измерительных приборов;

- описать с помощью каких конструктивных приёмов можно неравно-мерную шкалу сделать в большей её части равномерной для измерительных приборов, перечисленных в предыдущем пункте задания ;

- рассчитать сопротивление шунта для обеспечения заданного предела измерения тока с помощью рассматриваемого ИМ и нарисовать схему его подключения к ИМ;

- рассчитать добавочное сопротивление для обеспечения  заданного предела измерения напряжения с помощью рассматриваемого  ИМ и нарисовать схему его подключения к ИМ;

- описать возможность использования измерительных трансформато-ров тока и напряжения для расширения пределов измерения тока и напряжения в соответствующих цепях измерительных приборов.

Решение.

1.      Конструкция прибора, в которой отклонение стрелки происходит под действием вращающего момент Ми , создаваемого благодаря взаимодействию между полем постоянного магнита с индукцией В и проводником длинною L активного элемента-рамки с измеряемым током Iи, и противодействующему моменту Мп двух спиральных пружинок , называется магнитоэлектрической системой. Спиральные пружинки являются и токоподводящими проводниками к рамке прибора измерительного тока Iи. На рис. 1 показано схема распространенной конструкции прибора магнитоэлектрической системы с дугообразным магнитом.

Рис. 1 Устройство прибора магнитоэлектрической системы.

      Основными частями измерительного механизма являются: постоянный магнит 1, к концам которого прикреплены полюсные железные наконечники 2 с цилиндрическими выточками, цилиндрический сердечник 4, образующий магнитный зазор между полюсами магнита в котором помещена на оси 5

подвижная катушка (рамка) 3. Сердечник 4 неподвижно закреплен на      магнитопроводе.
     Обмотка рамки наматывается на тонкий алюминиевый каркас, который является рабочим элементом индукционного (магнитного) успокоителя. В некоторых приборах рамки изготавливаются без каркаса.
       Между полюсными наконечниками магнита 2 и сердечником 4 равномерное магнитное поле с магнитной индукцией В.
       При прохождении через обмотку рамки постоянного измеряемого тока Iи, возникают магнитные силы Fи1, -Fи2 действующие на стороны рамки, находящиеся в магнитном поле, и эти силы действуют в противоположных направлениях с равной величиной по модулю. Противоположность сил связана с тем, что в активных сторонах рамки, которые находящиеся в магнитном поле, ток протекает в противоположных направлениях.

       Под действием вращающего момента Ми начнет поворачиваться ось 5 и стрелка прибора начнет отклоняться вправо (рис.1). Вращающаяся ось начнет скручивать спиральные пружинки 10 (или растяжки - плоские пружины), при этом возникнет противодействующая упругая сила пружин Fп которая создаст на оси прибора противодействующий момент.

       Подвижная система прибора придет в равновесие, когда уравновесятся моменты на оси прибора. Стрелка отклонится на угол α и остановится.

Так как момент Ми пропорционален силе измеряемого тока Iи, следовательно, и угол отклонения стрелки α тоже будет пропорционален силе измеряемого тока Iи.

2.  Составим уравнение для электрической части ИМ: сила, действующая на одну сторону рамки, будет равна:

Fи1= Iи1ВL;     -Fи2=-IиВL;

      где L = wℓ - общая длина отрезков проводников в активной стороне рам-ки, w-количество витков, ℓ- длина проводника равная длине активной сторо-не рамки , В – магнитный поток.
      Силы Fи1, -Fи2 создадут на оси прибора вращающийся момент Ми, равный:

Ми=ξ(|Fи1|+|-Fи2|)

     где  ξ - коэффициент пропорциональности.

    Составим уравнение для механической части  ИМ:

Мп = kFп;

      где k - коэффициент, зависящий от жесткости пружин ИМ.
Рамка ИМ остановится при условии равновесия:

Мп= Ми;

Для угла на который отклонится стрелка можно записать:

α =ƒ(Iи)= kξВIи2L;

Рис.2 Перходная характеристика для входной и выходной величин ИМ

1. Зависимость  I(t) при скачкообразном изменении тока               в рамке.

2.Зависимость угла отклонения стрелки α(t) в момент скачкообразного изменения тока.

Рис. 4 Статическая характеристика для       входной и выходной величин.
 

4.При измерении величин приборами различных систем мы неизбежно сталкиваемся с понятиями погрешность и класс точности.

Абсолютная погрешность ΔА – разность между показанием прибора АИЗМ и действительным значением измеряемой величины АД:

ΔА = АИЗМ – АД

Эта погрешность представляет собой сумму погрешностей от влияния различных факторов: неправильной градуировки шкалы приборов, внешней температуры, саморазогрева, частоты переменного тока и т.д.

Относительная погрешность γо – выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности ΔА к значению измеряемой величины АИЗМ. Обычно точность измерения оценивается относительной погрешностью.

γ0 = (ΔА ⁄Аизм )∙100%

Приведенная погрешность γПР – выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности ΔА к номинальному значению АНОМ, соответствующему наибольшему показанию прибора.

γпр = (ΔА ⁄Аном )∙100%

                Допускаемая приведенная погрешность γПР.ДП электроизмерительного прибора определяет его класс точности. По значению допустимой приведенной погрешности все приборы делятся на 8 классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4, это значение указывается на лицевой панели прибора в нижнем правом углу.

              Следует отметить, что оценивать по относительной погрешности точность показывающих приборов со стрелочным указателем неудобно. Дело в том, что абсолютная погрешность ΔА у них имеет обычно одно и тоже значение вдоль всей шкалы. При постоянной абсолютной погрешности ΔА с уменьшением измеряемой величины быстро растет относительная погрешность γо (Рис.5). Поэтому рекомендуется выбирать пределы измерения прибора так, чтобы снимать показания в пределах второй половины шкалы, ближе к ее концу.

                                 ΔА,  γо

                                                  γо   

              ΔА

                                      0                                                

Рис.5.              Абсолютная и относительная погрешности измерений.

5. Приборы магнитоэлектрической системы используются для измерения только в цепях постоянного тока. При этом шкалы этих приборов будут равномерными.

6.  Измерительные приборы различных систем могут измерять следующие величины:

Электромагнитные     -  ток и  напряжение как постоянные так и переменные,

шкала неравномерная.

Электродинамические - угол сдвига фаз , частоту, электрическую емкость, индуктивность, мощность, напряжение и электрический переменный и пос-тоянный ток, шкала неравномерная (у ваттметра равномерная).

Ферродинамические  - тоже что и электродинамические только с добавлени-ем  в одну из катушек ферромагнитного материала.

Индукционная - электрическая энергия, скорость вращения диска прямопро-порциональна потребляемой энергии.

Электростатические - величину эл. заряда, постоянное или переменное нап-ряжение, шкала неравномерная.
7. Одним из способов превращения нелинейной шкалы прибора в линейную является применение в ИМ пружин с нелинейной жесткостью. Вторым спо-собом является подключение ИМ к измеряемой цепи через усилитель с нели-нейной передаточной характеристикой.

8. Рассчитаем сопротивление шунта для значений тока и напряжения  данных в задании;

    Найдём сопротивление рамки ИМ:

Rвн = Uн ⁄ Iн =0.125 ⁄ 0.005 =25 Ом

   Определим общее сопротивление шунта и ИМ:

Rобщ = Uн ⁄ Iизм =0.125 ⁄ 1  =0.125 Ом

   Определим сопротивление шунта Rш для заданного тока полного              отклонения;

Rш  = Rвн∙Rобщ ⁄ Rвн – Rобщ  = 25∙0,125 ⁄ 25 – 0,125 = 3,125/24,875=0,125628 Ом

Рис.6  схема подключения шунта для измерения тока.

9. Рассчитаем величину добавочного сопротивления для обеспечения заданного предела измерения с помощью данного ИМ;