Вольтметр постоянного напряжения

2- магнитопровод;

3- полюсные  наконечники;

4- подвижный  сердечник (с закреплённой на  нём стрелкой). 

 

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

        

Уравнение преобразования для  электромагнитного  преобразователя

     

  I – ток в обмотке

W - удельный противодействующий момент

L -  индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника.

       Характеристики- класс точности 0,2 - 0,5, предел измерений 100 мкА – 100А.

       Достоинства электромагнитных приборов – простота и надежность, хорошая перегрузочная способность и одинаковая пригодность для измерений в цепях постоянного и переменного токов.

       Недостатки – большое собственное потребление энергии, невысокая точность, малая чувствительность, влияние внешних магнитных полей из-за слабого собственного магнитного поля.

     Электромеханические измерительные приборы применяют для измерения тока, напряжения, мощности, сопротивлений и других электрических величин на постоянном и переменном токах преимущественно промышленной частоты 50 Гц. 
 
 

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. Измеряемоё напряжение будет равно U_x=k∙h, где h-высота в клетках шкалы экрана, а k-коэффициент пропорциональности(цена деления клетки).

     
 
 
 
 
 
 
 
 

                        0

Характеристики  метода:

             Точность измерения напряжения  с помощью осциллографа невелика, погрешность 5-10%, это объясняется  влиянием нестабильности коэффициента  усиления УВО, ограниченной точностью  калибровки чувствительности, конечными  размерами пятна на экране, изменением  чувствительности трубки.  Предел  измерения у универсального осциллографа  со сменными блоками от 10 мкВ  до 500 В. 

  1.4  Метод преобразования напряжения в частоту 

    Структурная схема:

   

    Уравнение преобразования:             

    Рассмотрим  на примере преобразователя постоянного  напряжения в частоту на ферромагнитном сердечнике, рис.1. 

рис.4. Схема преобразователя напряжения в частоту 

    При включении Ux из-за неидентичности транзисторов Т₁ и Т₂ в схеме появляются токи I₁ ≠ I₂. Пусть, например, I₁>I₂ и магнитный поток в сердечнике увеличивается. Тогда на базе Т₁ наводится отрицательный потенциал, и ток I₁ еще больше увеличивается, а положительный потенциал на базе T₂ уменьшает ток I₂. Процесс протекает лавинообразно и приводит к полному открыванию T₁ и закрыванию T₂. При этом магнитный поток в сердечнике достигает насыщения (+Φ_max), и ЭДС, наводимые в обмотках ω₀, резко уменьшаются. Когда ток I₁ начинает уменьшаться, а ток I₂ увеличиваться, магнитный поток уменьшается, и в обмотках ω₀ наводятся ЭДС обратного знака, что приводит к закрыванию T₁ и открыванию T₂. Магнитный поток в сердечнике растет до - Φ_max. Далее цикл повторяется. Значение Е_СМ выбирают близким к напряжению отсечки тока коллектора.

      В интегрирующем устройстве осуществляется преобразование напряжения U_x в частоту следования импульсов f_x. Вольтметр содержит интегратор — устройство, выходное напряжение U_инт которого пропорционально интегралу по времени от входного напряжения, т. е.

                                      ,  

.

  

    Измеряемое  напряжение U_x интегрируется и подается на устройство сравнения, на другой вход которого поступает напряжение U₀ с источника опорного напряжения. В момент равенства выходного напряжения интегратора U_инт и напряжения U₀ устройство сравнения включает формирователь импульсов обратной связи, формирующий в течение интервала времени t_ос импульс амплитудой U_oc, постоянной вольт-секундной площади U_oc  t_oc, не зависящей от U_x..

      Цикл работы формирователя определяется  интервалом времени T_x = t_инт+t_ос, зависящим от значения напряжения U_х.

Для процесса заряда и разряда интегратора  справедливо выражение

                       ,

где  R₁C= ₁; R₂C= ₂;

для   прямоугольной   формы   импульса   амплитудой U_o.c

                                

                                   ,

где T_x=t_инт + t_oc=1/f_x.

    Следовательно, уравнение преобразования можно  записать в виде

                       

т. е. параметры  преобразователя «напряжение—частота» не зависят от значений емкости С  и опорного напряжения U₀ и определяются только отношением сопротивлений интегратора и стабильностью площади импульса обратной связи.  
 

2 Метод сравнения 

            Метод компенсации основан на  уравновешивании измеряемого напряжения  известным падением напряжения  на опорном резисторе. Индикаторный  прибор регистрирует равенство  измеряемой и компенсирующей  величин.  
 

Компенсаторы  постоянного тока.

     Измерение тока и напряжения аналоговыми приборами  непосредственной оценки производится в лучшем случае с погрешностью 0,1%. Более точные измерения можно  выполнить методом компенсации. Приборы, основанные на компенсационном  методе, называют потенциометрами или  компенсаторами. В основном применяются  схемы компенсации напряжения или  ЭДС электрического тока  и уравновешенного  моста. При измерении напряжения наибольшее распространение получила схема компенсации напряжений. В  этой схеме измеряемое напряжение U_х уравновешивается известным напряжением компенсации U_k, противоположным ему по знаку U_k=I_p∙R_k.. Падения напряжения U_k создается током I_p на изменяемом по величине образцовом резисторе R_k.

Изменения сопротивления резистора R_k  происходит до тех пор, пока U_k не будет равно U_х. Момент компенсации определяется по отсутствию тока в цепи индикатора И.

     Рис.5  Схема потенциометра постоянного  тока 
 

     Преимуществом компенсационного метода является отсутствие в момент полной компенсации тока от источника измеряемой ЭДС в  цепи компенсации. В этом случае измеряется именно значение ЭДС, а не напряжение на зажимах источника. Кроме того, отсутствие тока в цепи индикатора нуля позволяет исключить влияние  сопротивления соединительных проводов на результат измерений. Выходное сопротивление  компенсатора при этом равно бесконечности, т. е. при полной компенсации мощность от объекта измерения не потребляется.

Характеристики  метода:

      Низкоомные(с  сопротивлением декад менее 1000 Ом) потенциометры применяются для измерения напряжений от1мВ до 100 мВ, высокоомные(с сопротивлением декад более 1000 оМ) от 1 до 2.5 В. Высший класс точности достигает 0.0005. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ІІ. Выбор структурной схемы 

     Рассмотрим  метод измерения для пределов измерения в данном курсовом проекте. В данном случае пригодны следующие  методы: метод преобразования напряжения в угол отклонения с использованием электростатического, электродинамического, электромагнитного механизмов.

     Выбираем  метод преобразования постоянного  напряжения в ток, а с последующим  преобразованием  тока с помощью  магнитоэлектрического механизма  в угол отклонения. Возможная структурная  схема изображена на рисунке 6. Достоинством этого метода является простота конструкции, цена на затраты низкая  и т.д. 

    

                                   

Рис.6. Структурная схема вольтметра постоянного тока 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Принцип работы

     На  вход подаётся постоянное напряжение от 0…2В, или от 0…20В. Т.к. входное напряжение 20В, требуется поставить делитель, который снизит напряжение до 2В. Входное напряжение поступает на делитель. Далее выходное напряжение с делителя  поступает на повторитель. Напряжение с повторителя поступает на вход усилителя, у которого при входном напряжении 2В, выходное будет соответствовать 500мВ, и при максимальном значении в 500мВ, подобранный мною магнитоэлектрический механизм будет откланяться до максимальной отметки шкалы.  

 

                    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

        III Уравнение преобразования 

 

 где:     ВД - входной делитель

     П – повторитель (КР140УД17А)

     У – усилитель (КР140УД17А)

           МЭВ – магнита - электрический вольтметр. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  IV. Градуировка прибора 

На выходе 100 делений, на входе 20В, тогда общий коэффициент

преобразования  определяется из уравнения преобразования : 
 
 
 
 

           Отградуируем шкалу для предела измерения 20В, при (В) с шагом -2В:

                     
 

Отградуируем шкалу для предела измерения 2В, при (В) с шагом -0.2В: 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

V Выбор и расчет  элементов принципиальной  схеме 
 

5.1. Расчет резистивного делителя

Дано :

=1

=10

 
Рис.7 Резистивный делитель