Файл: Введение в курс технические средства автоматизации и управления Лекция 1.pdf

100
В этом зазоре соосно с сердечником размещается рамка 4. Момент сил, противодействующий вращению рамки, создается специальными пружинами.
Взаимодействие тока, протекающего по рамке, с полем постоянного магнита 2 вызывает появление вращающего момента, который, будучи уравновешен противодействующим моментом пружин, поворачивает рамку на определенный угол. Вращающий момент, действующий на рамку, равен
М
вр
= w*B*L*I*d = C
1
*I, где w – число витков рамки, В – индукция поля постоянного магнита, L и d
– ширина и длина рамки, С
1
= w*B*L*d – коэффициент. Так как параметры w, B,
L и d неизменны для прибора, то коэффициент С
1
является постоянным. То есть вращающий момент пропорционален величине тока и его изменения зависят только от изменения тока.
Пружины создают противодействующий момент
М
пр
= С
2
*

,

= (С
1
/ С
2
)*I.
Таким образом, угол поворота рамки пропорционален величине протекающего по рамке тока. Угол поворота рамки показывается прикрепленной к ней стрелкой.
Данный принцип измерения лежит в основе работы амперметров и вольтметров. Соответственно, шкалы этих приборов проградуированы в единицах силы тока и напряжения.
Достоинства приборов данной системы:
- точность показаний,
- малая чувствительность к посторонним электромагнитным полям,
- незначительное потребление мощности,
- равномерность шкалы.
4 3
2 1
Рис. 1.30.Прибор

101
Недостаток: принцип не предназначен для измерения переменного тока.
Для использования прибора в цепях переменного тока необходимы преобразователи.
Приборы электромагнитной системы
Принцип действия основан на втягивании стального сердечника 2 (рис.
1.31) в неподвижную рамку с током 1. На рис. 1.31 а показан разрез рамки, на рис.
1.31 б – вид сбоку. Рамка может иметь квадратную, круглую или, как в данном случае, овальную форму.
Сердечник вращается на оси, к которой прикреплена стрелка, показывающая на шкале угол поворота. Сердечник уравновешен пружиной (на рис. не показана).
При протекании тока I через рамку возникает магнитное поле, втягивающее сердечник в внутрь рамки. Полностью втянуться ему не дает пружина.
Вращающий момент, действующий на сердечник:
М
вр
= С
1
*I
2
, где С – постоянный коэффициент.
Противодействующий момент пружины
М
пр
= С
2
*

Тогда, учитывая, что в уравновешенном состоянии прибора М
вр
= М
пр
, можно получить:

= (С
2
/ С
1
)*I
2
,
а)
б)
Рис. 1.31.Прибор

102 то есть, угол поворота сердечника и стрелки пропорционален квадрату величины тока.
Достоинства приборов данной системы:
– пригодность для измерения как постоянного, так и переменного токов;
– простота конструкции (по сравнению, например, с приборами магнитоэлектрической системы они имеют меньше элементов);
– надежность (как следствие простоты конструкции).
Недостатки:
– малая чувствительность,
– значительное потребление мощности из измеряемой цепи,
– влияние температуры, посторонних электромагнитных полей и др. на точность показаний,
– неравномерность шкалы (из-за того, что

зависит от квадрата тока, расстояния между делениями шкалы будут неравномерны).
Приборы электродинамической системы
Конструкция прибора состоит из двух обмоток:
- неподвижной (обмотка 1 рис. 1.32), по которой протекает ток I
1
; она может быть конструктивно выполнена в виде двух обмоток, как изображено на рисунке;
- подвижной (обмотка 2), вращающейся внутри неподвижной; по ней протекает ток I
2
При протекании токов I
1
и I
2
по обмоткам в них возникают электромагнитные поля, взаимодействие которых приводит к появлению вращающего момента, действующего на подвижную обмотку
М
вр
= С
1
*I
1
*I
2
,
Рис. 1.32.Прибор

103
Вращающему моменты противодействует спиральная пружина. Угол поворота подвижной обмотки показывается стрелкой.
Данные приборы используются для измерения напряжений, токов, мощностей.
Достоинства:
– высокая точность,
– применимость в цепях переменного тока,
– возможность перемножать измеряемые величины, т.е. измерять мощность.
Недостатки:
– значительное потребление мощности из измеряемой цепи,
– сложность конструкции,
– нелинейность шкалы,
– влияние температуры и посторонних электромагнитных полей на точность.
Разновидностью электродинамических приборов являются ферродинамические приборы. В них неподвижные катушки заключены в сердечники из ферромагнитного материала. Такая конструкция обеспечивает значительное увеличение вращающего момента и хорошую защиту от внешних магнитных полей. Однако это приводит к увеличению погрешности прибора.
Приборы индукционной системы
Используются при измерении электрической мощности и электроэнергии.
Рис. 1.33.Прибор индукционной системы
Прибор данной системы состоит из Ш-образного магнита и П-образного магнита, между которыми свободно вращается алюминиевый диск (рис. 1.33).
U
вх нагрузка
I
2
I
1
Алюминиевый диск
Ф
1
Ф
3 ось диска
Ш-образный магнит
П-образный магнит
Ф
2

104
На средний стержень Ш-образного магнита намотана обмотка с большим числом витков, включенная параллельно с нагрузкой. Фактически на нее подается то же напряжение, что и на нагрузке. В результате магнит создает магнитное поле с потоком Ф
2
, пропорциональным напряжению на нагрузке.
На П-образный магнит намотана обмотка из толстой проволоки с небольшим числом витков, включенная последовательно с нагрузкой. Так как П- образный магнит имеет два торца, он при протекании по нему тока создает магнитное поле с двумя магнитными потоками Ф
1
и Ф
3
(строго говоря, Ф
1
= Ф
3
).
Поскольку через обмотку данного магнита протекает тот же ток, что и через нагрузку, то потоки Ф
1
и Ф
3
пропорциональны величине этого тока.
М
вр
= С*U*I, где
P = U*I, вращающий момент будет пропорционален потребляемой нагрузкой мощности. Чем больше потребляемая мощность, тем больше сила тока, тем больше вращающий момент и скорость вращения диска. Таким образом, скорость вращения диска определяет величину потребляемой мощности, а количество оборотов – величину потребленной электроэнергии. Для подсчета количества оборотов используется специальный счетчик.
Приборы сравнения. Принцип работы потенциометра
Принцип действия приборов сравнения основан на сравнении измеряемой величины с заранее известной величиной. Данный принцип можно рассмотреть на примере потенциометра, который является прибором сравнения, предназначенным для измерения разности потенциалов между двумя точками, то есть напряжения.
НП
ΔU
А
В
R
АВ
U
изм
D
Рис. 1.35. Потенциометр

105
Нуль-прибор – это прибор, который в уравновешенном состоянии должен показывать нулевое значение. В качестве нуль-прибора может быть использован милливольтметр.
Принцип компенсации при измерении неизвестного измеряемого напряжения U
изм заключается в уравновешивании его известным напряжением

U на калибровочном резисторе R
АВ
, созданным вспомогательным источником тока.
Ток от вспомогательного источника проходит через реохорд R
AB
. Напряжение U
AB
пропорционально R
АВ
(в точке D находится движок реохорда). Последовательно с измеряемым напряжением включен НП с нулем в середине шкалы. Передвигая движок D, добиваются уравновешивания ΔU и U
изм
. Нулевое показание НП означает, что удалось добиться уравновешивания напряжений ΔU и U
изм
(т.е. ΔU
= U
изм
). О величине измеряемого напряжения Uизм судят по положению ползунка реохорда. Шкала, прикрепленная к реохорду, обычно заранее проградуирована в единицах напряжения.
Достоинства приборов сравнения:
– точность,
– независимость от посторонних электромагнитных полей.
Недостаток: при измерении необходимо производить уравновешивание напряжений.
Автоматические электрические потенциометры
Схема автоматического потенциометра показана на рисунке 1.36, где обозначено: ИПС – источник питания стабилизированный (постоянного тока), R
p
– сопротивление реохорда, R
ш
– шунта (сопротивление для задания пределов измерения прибора), R
1
, R
2
, R
3
и R
4
– сопротивления мостовой схемы, R
б
– балластное сопротивление для ограничения тока от ИПС.
ИПС
УЭД
R
3
R
б
R
2
R
4
R
1
R
р
R
ш
А
В
С
D
U
изм
Рис. 1.36 шкала

106
Потенциометр состоит из моста сопротивлений АВСD, в одну из диагоналей которого включен источник питания ИПС (диагональ ВС), а в другую
(измерительную диагональ АD) измеряемое напряжение U
изм и электродвигатель
ЭД с усилителем УЭД. В вершине А моста находится реохорд R
р
, к движку которого прикреплена стрелка, движущаяся вдоль шкалы. Перемещением движка в свою очередь управляет электродвигатель.
Мост может находиться в двух состояниях: уравновешенном и неуравновешенном.
Когда мост находится в равновесии, то напряжение между его вершинами
AD равно по модулю измеряемому (U
AD
= U
изм
) и напряжение небаланса ΔU, подаваемое на усилитель УЭД, равно нулю:
ΔU = U
AD
– U
изм
= 0.
В данном состоянии ЭД не работает.
Если по каким-либо причинам U
изм изменится, то мост выходит из равновесия и на входе усилителя УЭД появится напряжение небаланса ΔU ≠ 0.
Усилитель, усилив напряжение, подает его на ЭД, который, вращаясь, перемещает движок реохорда. Перемещение движка продолжается до тех пор, пока мост снова не придет в равновесие и напряжение на ЭД снова не станет равно нулю.
В этих потенциометрах процесс компенсации осуществляется автоматически, непрерывно и с большой скоростью. Эти приборы имеют устройства для автоматического внесения поправки на температуру окружающей среды.
Метод измерения сопротивления
Для измерения сопротивлений часто используют автоматические электронные мосты, включенные по двухпроводной, трехпроводной или четырехпроводной схемам.
Двухпроводная схема подключения моста к ТС показана на рис. 1.37, где обозначены:
R
1
, R
2
, R
3
, R
4
– сопротивления моста;
R
б
– балластное сопротивление для ограничения рабочего тока;
R
и
– измеряемое сопротивление;
R
л
– сопротивление линии (соединительных проводов).
Условием равновесия моста является равенство произведений противолежащих плечей, т.е. в данном случае: R
1
R
3

R
2
(R
4
+ R
и
+ 2R
л
).

107
Когда мост уравновешен, напряжение на диагонали U
AD
= 0 и, следовательно, ЭД не работает. При изменении R
т изменяется U
AD
, оно перестает быть нулевым. Это напряжение усиливается УЭД и подается на ЭД, который, вращаясь, перемещает движок реохорда.
Недостатком такой схемы является то, что сопротивления линии входят в одно плечо с R
и
, следовательно, если линия достаточно длинная, то изменение R
л
(например, при изменении температуры окружающей среды) может вызывать изменение показаний моста. Для компенсации R
л применяются трехпроводная или четырехпроводная схемы.
Использование электроизмерительных приборов
Измерение тока.
При измерении тока используется электроизмерительный прибор амперметр (А), которые должен быть подключен последовательно с элементом, ток в котором замеряется (рис. 1.39).
Амперметр может быть прибором магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической системы или прибором сравнения.
Отличительной особенностью амперметров является их малое внутренне сопротивление, поскольку в противном случае их сопротивление может повлиять на значение измеряемого тока в сторону его уменьшения.
ИП
УЭД
R
3
R
б
R
2
R
4
R
1
R
р
R
ш шкала
А
В
С
D
R
л
R
л
R
и
Рис. 1.37. Мост
А
I
R
ш амперметр
Рис. 1.39

108
Измерение напряжения.
Измерительным прибором является вольтметр, принцип действия которого аналогичен амперметру. Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов между двумя точками электрической сети, например, на входе и на выходе некоторого элемента Rн, поэтому он подключается параллельно данному элементу (рис. 1.40). Отличительной особенностью является большое внутреннее сопротивление прибора, поскольку ток, протекающий через амперметр, должен быть незначительным и не должен влиять на режим работы измеряемого элемента.
Для уменьшения погрешности необходимо, чтобы сопротивление электроизмерительного прибора было в 100 раз больше сопротивления любого элемента измеряемой цепи. Для этого используется добавочное сопротивление
(шунт) Rш, подключаемое последовательно: в
max в
в ш
U
U
R
R
R


, где R
в
– внутреннее сопротивление вольтметра, U
max
– максимальное значение измеряемого напряжения, U
в
– напряжение непосредственно на вольтметре.
Измерение мощности и электрической энергии.
Для измерения мощности (электроэнергии) используется ваттметр (счетчик электроэнергии), построенный как прибор индукционной системы. Для определения мощности (и электроэнергии) необходимо измерение напряжения U и силы тока I в цепи.
V
вольтметр
R
ш
R
н
Рис. 1.40
W
ваттметр
R
н
Рис. 1.41

109
Мощность определяется как произведение
P = U*I, поэтому данные измерительные приборы имеют две пары контактов
– контакты сверху и снизу прибора, изображенного на рис. 1.41, подключаются к Ш-образному электромагниту и используются для измерения напряжения;
– контакты слева и справа от прибора подключаются к П-образному электромагниту и используются для измерения тока.

110
Лекция №12
Оптоволоконные датчики. Интеллектуальные датчики и измерительные
преобразователи.
Современные оптические сети (Оптоволокно)
Оптоволокно — это стеклянная или пластиковая нить, используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.
Волоконная оптика — раздел прикладной науки и машиностроения, описывающий такие волокна. Оптоволокна используются в оптоволоконной связи, которая позволяет передавать цифровую информацию на большие расстояния и с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи. В ряде случаев они также используются при создании датчиков.

Простой принцип действия позволяет использовать различные методы, дающие возможность создавать самые разнообразные оптоволокна:

Одномодовые оптоволокна

Мультимодовые оптоволокна

Оптоволокна с градиентным показателем преломления

Оптоволокна со ступенчатым профилем распределения показателей преломления.
Из-за физических свойств оптоволокна необходимы специальные методы для их соединения с оборудованием. Оптоволокна являются базой для различных типов кабелей, в зависимости от того, где они будут использоваться.
Принцип передачи света внутри оптоволокна был впервые продемонстрирован во времена королевы Виктории (1837—1901 гг.), но развитие современных оптоволокон началось в 1950-х годах. Они стали использоваться в связи несколько позже, в 1970-х; с этого момента технический прогресс значительно увеличил диапазон применения и скорость распространения оптоволокон, а также уменьшил стоимость систем оптоволоконной связи.