Файл: Векслер, М. С. Измерительные приборы с электростатическими механизмами.pdf

преобразования частоты собственных колебаний подвижной части используется лампа 6, поток света которой на фотоэле­ мент 7 перекрывается одним из электродов подвижной части. Таким образом, на вход усилителя поступает напряжение, изме­ няющееся по закону колебаний подвижной части. После уси­ ления этот ток через дифференциальную емкость подается в ка­ тушку электромагнита и на выход преобразователя (счетчик им­ пульсов 8). Нестабильность частоты определяется выражением:

- Лш/со = - L {уе - yd— Y j — Ys )>

т. е. суммой погрешностей, обусловленных изменением диэлек­ трической проницаемости е, зазора d, момента инерции I и пло­ щади 5. Рассматриваемый метод позволяет создать прибор

переменного тока, погрешность которого может быть доведена до 0,03—0,05%- Существенным недостатком этого метода яв­ ляется низкая частота колебаний, для измерения которой тре­ буется значительное время.

Вторая группа приборов основана на использовании, по су­ ществу, метода компарирования. Структурная схема прибора построена по замкнутой схеме измерения.

На рис. 5-15, а приведена структурная схема цифрового электростатического вольтметра [73]. Вольтметр содержит элек­ тростатический преобразователь, пластины которого совместно с полуобмотками трансформатора образуют цепь моста.

Под действием измеряемого напряжения Ui подвижная часть электростатического преобразователя 1 отклоняется и нару­ шается равновесие моста. В диагонали моста появляется напря­ жение; оно подается на вход формирователя 2, представляю­ щего собой генератор линейно нарастающего напряжения и две схемы сравнения для выделения интервала времени, в которых пилообразное напряжение равно нулю и максимальному зна-

160

чению. Импульсы начала и конца интервала, поступая в счетчик 3, задают измерительное время.

Действующее значение измеряемого напряжения

где а — крутизна пилообразного напряжения (рис. 5-15, б); Т — период импульсов; k — конструктивная постоянная электро­ статического преобразователя. Таким образом, период импуль­ сов Т пропорционален действующему значению измеряемого на­ пряжения.

ростатического механизма.

Дальнейшим развитием методов построения цифровых при­ боров является использование дискретного делителя. Основой для построения ряда приборов с высокими метрологическими характеристиками (точность, частотный диапазон, форма кри­ вой) может явиться принцип построения прибора, предложен­ ный в [11]. Структурная схема этого цифрового вольтметра изо­ бражена на рис. 5-16. Электростатический измерительный меха­ низм 1 состоит из двух многокамерных элементов. На верхний элемент 3 подается измеряемая величина переменного тока, пре­ образованная в напряжение Uь При измерении напряжения и тока для верхнего элемента 3 применяется вольтметровая схема включения, а при измерении мощности — включение по схеме электрометра. Нижний элемент 2 включается всегда по вольтметровой схеме и на него подается от дискретного делителя 8 компарирующее напряжение постоянного тока Дг.

При измерении на верхний элемент 3 преобразователя 1 подается измеряемое напряжение переменного тока Uь под

действием которого подвижная часть отклонится от положения равновесия. При этом на выходе дифференциального фотоэлек­ трического преобразователя 4 появляется напряжение разба­ ланса U3. Напряжение Us после усиления фазочувствительным усилителем 5 вызывает срабатывание блока управления 6, ко­ торый производит регулировку компарирующего напряжения U2 путем последовательного опроса ступеней многоразрядного дис­ кретного делителя 8 — их набора и сброса до равенства момен­ тов, создаваемых измеряемым напряжением Ui и компарирующим U2. При идентичности верхнего и нижнего элементов преобразователя измеряемое напряжение переменного тока Ui будет равно компарирующему напряжению постоянного тока U2.

Рис. 5-16. Структурная схема цифрового прибора с аста­ тической схемой уравновешивания

При достаточно высокой точности выполнения делителя 8 и источника опорного напряжения постоянного тока 7 положе­ ние коммутирующих элементов блока управления 6 определяет в момент равновесия значение компарирующего напряжения

Существует ряд способов дискретной обработки постоянного напряжения от делителя с опорным напряжением £51]. Анализ

в частности, электростатическим преобразователем, показывает, что для получения максимального быстродействия отработки компарирующего напряжения наиболее целесообразно приме­ нение метода взвешивания, который обеспечивает наименьшее число ходов при отработке по сокращенной системе счета. При этом производится опрос последовательно всех разрядов дели­ теля, начиная со старшего. В случае перекомпенсации произ­ водится сброс ступени. Преимуществом рассматриваемого ме­

162

тода является сравнительно небольшое число ходов при боль­ ших изменениях измеряемой величины.

Блок управления представляет собой усилитель с фазочув­ ствительным демодулятором на выходе. В зависимости от знака напряжения, снимаемого с фотопреобразователя, подвижный контакт поляризованного реле определяет необходимость сбра­ сывания или запоминания набранной ступени делителя.

В основу построения схемы делителя целесообразно поло­ жить принцип замещения [32], обеспечивающий постоянство рабочего тока делителя при изменении снимаемого с него на­ пряжения. Точность цифрового прибора с дискретным уравно­ вешиванием определяется стабильностью коэффициента деления дискретного делителя и стабильностью образцового источника напряжения постоянного тока. Наибольшая сложность при раз­ работке приборов высокой точности обусловлена необходи­ мостью получения долговременной стабильности дискретного делителя. Лучшие отечественные делители [27], выполненные на основе микропроволочных резисторов, обеспечивают стабиль­ ность не более 0,003%.

Для осуществления автоматической отработки компарирующего напряжения с требуемой точностью, соответствующей зна­ чению последней ступени делителя, дискретность делителя AU должна быть согласована с чувствительностью всех узлов циф­ рового прибора — электромеханического преобразователя и фо­ топреобразователя — и с пороговым значением напряжения блока управления. Введем понятие угла отклонения Да подвиж­ ной части электромеханического преобразователя, соответствую­ щего дискретности делителя.

Тогда

вателя.

При угле Да напряжение на выходе фотопреобразователя L'3 = AaS2, где S2—- чувствительность фотопреобразователя. От­

где S = SiS2 — чувствительность узла электромеханический пре­ образователь — фотопреобразователь.

Для отработки последней ступени делителя необходимо вы­ полнить условие

Тогда, учитывая (5-15), условие (5-16) можно записать в виде:

Соотношение (5-17) позволяет определить:

1) погрешность отработки компарирующего напряжения при заданых значениях чувствительности S и U0т:

y — AU/U1 = UOT/(SUn),

где UH-— номинальное значение измеряемого напряжения; 2) дискретность делителя

A U = U J S .

Таким образом, предельная погрешность цифрового прибора переменного тока рассматриваемого типа с электростатическими преобразователями

Т = Тп + Уд + То.

где уп — относительная погрешность электромеханического пре­ образователя; уд — относительная погрешность, обусловленная дискретным делителем компарирующего напряжения; у0 — от­ носительная погрешность образцового источника питания по­ стоянного тока.

Время отработки зависит от выбранного способа отработки и быстродействия блоков прибора.

Существенным недостатком описываемого устройства, по­ зволяющего с высокой точностью измерять действующие зна­ чения основных величин переменного тока, является большое время измерения, обусловленное колебательным режимом ра­ боты электростатического механизма и необходимостью после­ довательного опроса всех ступеней дискретного делителя, число которых увеличивается с повышением точности измерения.

Снижение времени измерения при одновременном повыше­ нии надежности результата измерения достигается введением дополнительного электростатического измерительного меха­ низма с кодирующей маской на оси подвижной части. Кодирую­ щая маска осуществляет преобразование угла поворота в код, который управляет грубой отработкой дискретного делителя. Та­ кая система не требует последовательного опроса всех ступе­ ней старших декад, обеспечивая включение через блок задержки системы точной отработки делителя от фотопреобразователя, фазочувствителыюго выпрямителя, реверсивного двигателя с кодирующей системой и блока управления точной отработки.

Устройство обеспечивает сокращение числа опрашиваемых ступеней дискретного делителя и повышает быстродействие без снижения точности измерений [12].

На рис. 5-17 изображена структурная схема рассматривае­ мого цифрового прибора. Параллельно входному элементу 7 преобразователя включен блок 1, состоящий из электростатиче­

164