Цифровой вольтметр постоянного тока

   1.2.1  Электродинамический ИМ

     
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Рис.4 Электродинамический ИМ 

   В электродинамических измерительных  механизмах вращающий момент возникает  в результате взаимодействия магнитных  полей неподвижной и подвижной  катушек с токами.

   Неподвижная катушка (1) обычно состоит из двух одинаковых частей, разделенных воздушным зазором. От расстояния между катушками зависит до некоторой степени конфигурация магнитного поля, что влияет на характер шкалы. Неподвижные катушки изготовляют из медного провода намоткой его на изоляционный каркас. Подвижная катушка (2) выполняется обычно бескаркасной из медного или алюминиевого провода. Для включения обмотки подвижной катушки в цепь измеряемого тока используются пружинки или растяжки.

   При наличии тока в обмотках катушек  измерительного механизма возникают  силы, стремящиеся повернуть подвижную часть так, чтобы магнитные потоки неподвижных и подвижных катушек совпали. 

   Определим вращающий момент  электродинамического ИМ. Электромагнитная энергия двух контуров с токами:

                                                        (5)

   где L1 и L2 – индуктивности неподвижных и подвижных катушек,

         М 1,2- взаимная индуктивность между  ними.

   Индуктивности катушек не зависят от угла поворота, поэтому

   

                                                                    (6)

   где Мвр -  вращающий момент,

         I₁ - ток через неподвижную катушку,

         I₂ - ток через подвижную катушку,

         θ - фазовый сдвиг между токами,                    

      М - коэффициент взаимной индуктивности катушек.

   Для режима установившегося отклонения:

   

                                                                           (7)

   Откуда  выражение для угла отклонения:

   

                                                                (8)

   Достоинства электродинамического ИМ:

   1 высокая точность,

   2 предел основной приведенной  погрешности может быть 0,01 - 0,02 %,              поэтому электродинамические приборы  используются как образцовые  лабораторные измерительные приборы. 

   Недостатком данного ИМ является большое потребление мощности. 

   1.2.2 Электромагнитный ИМ

   Вращающий момент в электромагнитных измерительных  механизмах возникает в результате взаимодействия магнитного поля катушки, по обмотке которой протекает  ток, с одним или несколькими ферромагнитными сердечниками, обычно составляющими подвижную часть механизма.

   

   Рис 5. Электромагнитный измерительный  механизм с плоской  катушкой. 

   Принцип работы: через катушку (1) проходит ток, пропорциональный измеряемому напряжению и сопротивлению добавочного резистора преобразователя «напряжение – ток». При наличии тока в катушке сердечник (2) стремится расположиться в месте с наибольшей концентрацией поля, т.е. втягивается в зазор катушки. При этом закручиваются пружинки (9), следовательно, возникает противодействующий момент. Для успокоения движения подвижной части применяют воздушные успокоители, он состоит из камеры (13) и крыла (12).

   Уравнение преобразования напряжения в угол отклонения выражается из следующих соотношений.

   Электромагнитная энергия катушки, по обмотке которой протекает ток:

   

                                                                                        (9)

   Выражение для вращающего момента: 

   

                                              (10) 

   Если  противодействующий момент создается  с помощью упругих элементов, то для режима установившегося отклонения:

   

                                                                                  (11)

   Откуда:

   

                                                                               (12)

   где L – индуктивность катушки,

              W-удельный противодействующий момент пружины,

              I –ток в катушке.

   Достоинства электромагнитных приборов:

   1 простота и надежность,

   2 хорошая перегрузочная способность  и одинаковая пригодность для  измерений в цепях постоянного  и переменного токов. 

   Недостатки:

   1 большое собственное потребление  энергии,

   2 невысокая точность,

   3 малая чувствительность,

   4 влияние внешних магнитных полей из-за слабого собственного магнитного поля.

   1.2.3  Магнитоэлектрический ИМ

     
 
 
 
 
 
 
 
 

   Рис. 6. Магнитоэлектрический механизм с  подвижной катушкой. 

   В магнитоэлектрических измерительных  механизмах вращающий момент создается  в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля проводника с током, выполняемого обычно в виде катушки – рамки.

   Измерительный механизм состоит из подвижной катушки - рамки с протекающим по ней  током и помещенной в поле постоянного магнита  с магнитопроводом. Поле в зазоре, где находится рамка, равномерно, за счет особой конфигурации магнитопровода.

   Подвижная часть МЭ измерительного механизма  закреплена на двух растяжках (3). С подвижной  частью жестко связана стрелка (5), которая при повороте подвижной части перемещается над неподвижно укрепленной шкалой (6).

   На  шкале установлены упоры 7, чтобы  уберечь стрелку и подвижную  часть от повреждений.   При протекании по обмотке рамки тока  возникают силы, стремящиеся повернуть рамку так, чтобы магнитные потоки совпадали. При   равенстве  вращающего и противодействующего    моментов подвижная часть останавливается.

     Для получения зависимости между  углом отклонения и током в  рамке используем уравнение:

   

                              (13)

   где Ф - поток, сцепляющейся с обмоткой рамки,

   I - ток в обмотке рамки.

   

                           (14)

   где r - радиус рамки относительно оси вращения,

                 l - длина рамки,

                α - угол отклонения рамки от нейтрального положения,

   ω - число витков обмотки,

   S - площадь катушки.

   Подставив Ф в формулу (13), и продифференцировав, получим

                                                                                          (15)

   Т.к. противодействующий момент создается  с помощью упругих элементов, то для режима установившегося отклонения:

                                                                (16)

                                                                                               (17)

    откуда   

                                                                  (18)

   где B – индукция в воздушном зазоре,

          W – удельный противодействующий момент,

        U_X  – измеряемое напряжение,

         R- сопротивление преобразователя напряжения в ток.

   Достоинства метода:

   1 магнитоэлектрические  приборы относятся  к одним из наиболее точных, они изготавливаются вплоть до  класса точности 0,1

   2 наличие равномерной шкалы уменьшает погрешности градуировки и отсчета,

   3 благодаря сильному собственному  магнитному полю влияние посторонних  полей на показания приборов  весьма незначительно, поэтому  внешние электрические поля на  работу приборов практически  не влияют.,

   4 температурные погрешности могут быть скомпенсированы с помощью специальных схем,

   5 высокая чувствительность.

   Недостатки  метода:

   1 сложная и дорогая конструкция,

   2 невысокая перегрузочная способность,

   3 возможность использования только  на постоянном токе. 
 
 
 
 
 
 
 
 

   1.3 Осциллографический метод измерения постоянного напряжения 

   Измерение напряжения происходит методом калиброванной  шкалы.

   Метод основан на измерении линейных размеров изображения непосредственно по шкале экрана осциллографа. Измеряемое напряжение будет равно

   U_x=k∙h                                                                                                                (19)

   где h-высота в клетках шкалы экрана,

          k-коэффициент пропорциональности (цена деления клетки).

   

   

   

     

     

   Рис.7  Экран осциллографа

   К достоинствам метода относится наглядность.

   Недостатки  метода: точность измерения напряжения с помощью осциллографа невелика, погрешность 5-10%, это объясняется

   1 влиянием нестабильности коэффициента  усиления, ограниченного точностью  калибровки чувствительности,

   2 конечными размерами пятна на  экране,

   3 изменением чувствительности трубки. 

   1.4 Метод преобразования постоянного напряжения во временной интервал.

     
 
 

        Наибольшее распространение из  времяимпульсных методов, реализуемых  в ЦВ, нашли различные методы двойного интегрирования, обеспечивающего измерение среднего (за интервал интегрирования) значения U_x. Распространение этого метода обусловлено его очевидными достоинствами – возможностью подавления напряжения помех, получения высокой точности относительной простате.