Вольтметр постоянного напряжения

Содержание

                                                                                    Стр.

    Введение…………………………………………………………................…4

    І Методы измерения напряжения постоянного тока………………..….5

      1 Методы непосредственной оценки…………………………………………...….…5

             1.1 Метод преобразования напряжения в угол отклонение…………..……....5

               1.2 Метод косвенного измерения постоянного напряжения…………...…..…6

            1.3 Осциллографический метод измерения постоянного напряжения …….10

            1.4 Метод преобразования напряжения в частоту……………………...…….10

          2 Метод сравнение………………………………………………………………………12

              2.1 Компенсационный  метод (нулевой)………………………………………….12

     ІІ Выбор структурной схемы……………………………………….………14

    III Уравнение преобразования………….…………………………………... 16

    IV Градуировка прибора……………………………………………………...17

    V Выбор и расчет элементов принципиальной схеме…………………...18

                  5.1. Расчет резистивного делителя……………………………………………...18

                5.2. Схема повторителя……………………………………………………………20 

                 5.3 Расчет усилителя постояного напряжения…………………………………21

                 5.4 Расчет магнитоэлектрического вольтметра……………………………..  23

     VI Расчет погрешностей……………………………………………………24

     VII Расчет блока питания …………………………………………………26

       Вывод……………………………………………………………………….28

  Список литературы………………………...………………………………..29

Приложение……………………………………………………………………30 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Технические характеристики прибора 

1. Диапазон  измеряемых напряжений от 300мВ до 10В
2. Нормальные условия эксплуатации прибора являются:
1. температура окружающего воздуха 293±5К (+20±5^оС);
2. Относительная влажность 65±15% при температуре воздуха 293±5К (+20±5^оС);
3. Атмосферное давление 10⁶ ±4*10³Н/м² (750±30мм.рт.ст.).
3. Рабочие условия эксплуатации:

1. Температура окружающего воздуха от 283 до 308К (от +10 до +35^оС);
2. Относительная влажность воздуха до 80% при температуре 293К (+20^оС);
3. Атмосферное давление 10⁶±4*10³Н/м² (750±30мм.рт.ст.);
4. Питание прибора от сети переменного тока напряжения 220В±10% частотой 50Гц±1%.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение:

  Измерение напряжения и силы тока – наиболее распространённый вид измерений. В  различных областях науки и техники  эти измерения осуществляются в  широком диапазоне частот – от постоянного тока и инфранизких  частот (сотые доли герца) до сверхвысоких частот (1 ГГц и более) и в большом  диапазоне измеряемых значений напряжения  тока – соответственно от нановольт  до сотен киловольт и от 10 до десятков и сотен ампер (при большом  многообразии форм измеряемого напряжения и тока).

  Измерение постоянных напряжения и силы тока заключается в нахождении их значений и полярности.

  Выбор метода и средств измерения напряжения и силы тока обуславливается требуемой  точностью измерений, амплитудным  и частотным диапазоном измеряемого  сигнала, мощностью, потребляемой прибором от измерительной цепи.

  В зависимости от способа получения  результата методы измерений делятся  на прямые, при которых значение напряжения (тока) измеряется непосредственно, и косвенные, результат которых  находится по результатам прямых измерений величин, связанных с  измеряемой величиной той или  иной функциональной зависимостью.

  Для измерения напряжения (тока) применяются  следующие основные методы измерений:

 Непосредственной  оценки, при котором числовое значение измеряемой величины определяются по отчётному устройству, отградуированному  в единицах этой величины;

 Сравнения, при котором значение измеряемой величины определяется на основе сравнения  воздействия измеряемой величины на какую – либо систему с воздействием на эту же систему образцов меры. В приборах для измерения напряжения и силы тока применяются три разновидности  метода сравнения: нулевой, дифференциальный, замещения.    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

I Методы измерения напряжения постоянного тока 

1 Методы непосредственной  оценки : 

1.1 Метод преобразование постоянного напряжения в угол отклонения.  

      Уравнение преобразование:

    Для перехода Ux→α используются электромеханические преобразователи. Для данного случая преобразователь должен реагировать непосредственно на напряжение. К таким электромеханическим преобразователям относится электростатический механизм  

      

                  Рис.1 Электростатический измерительный механизм 

    Между неподвижными пластинами 2 может перемещаться подвижная пластина 1, укрепленная на оси 3.  При подключении напряжения подвижная и неподвижная пластины получают противоположные заряды и между ними возникает электрическое поле. В результате подвижная пластина втягивается в зазор между неподвижными, создавая вращающий момент, под действием которого перемещается укрепленная на оси указательная стрелка. Противодействующий момент создается спиральной пружиной 4. 

    Энергия электростатического поля, запасенная электростатическим измерительным  механизмом,

                                                                                                                (1)

где С – емкость между пластинами, зависящая от их взаимного расположения;

      U – напряжение, подведенное к пластинам

    Следовательно, вращающий момент

                                                                                (2)  

    Противодействующий  момент М_ПР=W·α  при равновесии равен  М_ВР. Т.о., уравнение преобразования электростатического прибора имеет вид

                                                                                               (3)

    К достоинствам приборов электростатической системы относятся широкий частотный  диапазон f = (0 ÷ 500) МГ, малое потребление энергии, довольно небольшая предельная погрешность измерений . Измеряемое напряжение может составлять от 10В до 500 кВ.

    Также из выражения (3) следует, что электростатические механизмы могут применяться  для измерений в цепях постоянного  и переменного тока, так как  при изменении полярности напряжения U направление отклонения подвижной части не меняется. 
 

1.2 Метод косвенного измерения постоянного напряжения, путём преобразования тока в угол отклонения.

     

     В качестве измерительного механизма (ИМ) может использоваться магнитоэлектрический, электродинамический и электромагнитный ИМ.  

1.2.1  Магнитоэлектрический ИМ.

     На  рис. 2 показана конструкция магнитоэлектрического  ИМ с подвижной катушкой. Постоянный магнит 1, магнитопровод с полюсными наконечниками 2 и неподвижный сердечник 3 составляют магнитную систему механизма. В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником создается сильное равномерное радиальное магнитное поле, в котором находится подвижная прямоугольная катушка (рамка) 4, намотанная медным или алюминиевым проводом на алюминиевом каркасе (или же без каркаса). Катушка закреплена

     

 

     между полуосями 5 и 6. Спиральные пружины 7 и 8 предназначены   для   создания   противодействующего момента. Одновременно они используются для подачи измеряемого тока от выходных зажимов в рамку. Рамка жестко соединена со стрелкой 9. Для балансировки подвижной части имеются передвижные грузики на усиках 10.

     Уравнение преобразования можно получить, если подставить в формулу (1) выражение для вращающего момента Мвр, действующего на подвижную часть магнитоэлектрического механизма. Мвр определяется изменением энергии магнитного поля системы, состоящей из постоянного магнита и рамки с током I, при вращении подвижной части:

(2),

причем

,

где — потокосцепление магнитного поля постоянного магнита с рамкой, по которой течет ток I; В - магнитная индукция в воздушном зазоре; - число витков рамки; - ее площадь; угол поворота рамки, а отсчитывается от плоскости, проходящей через центральные образующие наконечников постоянного магнита. Поскольку радиальное поле не зависит от угла , имеем

(3)

вр

Из (1) и (3) следует

. (4)

Согласно (4) угол отклонения подвижной части пропорционален току,   протекающему   по   рамке.   Коэффициент   пропорциональности называется чувствительностью магнитоэлектрического механизма к току.

      Чувствительность  является постоянной величиной, зависящей только от конструктивных параметров механизма, а не от значения измеряемого тока , поэтому шкала магнитоэлектрического прибора равномерна. Изменение направления тока ведет к изменению направления угла отклонения рамки. 
 
 

1.2.2  Электродинамический ИМ.

      Устройство  электродинамического измерительного механизма показано на рис. 3. Внутри неподвижной катушки 1 может вращаться подвижная катушка 2. Ток к подвижной катушке подается через пружинки (на рис. 3, не указаны), которые при повороте этой катушки создают противодействующий момент. Поворот осуществляется вращающим моментом, вызванным взаимодействием магнитных полей катушек 1 и 2. Чтобы вывести уравнение преобразования, запишем выражение для электрокинетической энергии двух катушек с токами:

(1),

где и   — индуктивности неподвижной и подвижной катушек; ,   — токи в этих катушках.

     Поскольку от угла поворота подвижной катушки  а зависит только M - взаимная индуктивность катушки, то вращающий момент

 
 

1.2.3 электромагнитные измерительные механизмы:

                                              

Рис 3.

1- катушка  с током;