Электрические измерения в агрономии

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Электрические измерения: основные понятия и определения в метрологии

1.1 Общие сведения

Все отрасли человеческой деятельности не могут существовать и развиваться без развернутой системы измерений, которые определяют не только уровень контроля и управления технологическими процессами, но и качество производимой продукции. Получение и переработка сельскохозяйственной продукции сопровождается биологическим, агрохимическим и технологическим контролем производства на всех этапах. Большая роль принадлежит измерениям при создании новых сельскохозяйственных машин, производстве с применением современных технологий и особенно при автоматизированном производстве.

Из всего многообразия средств измерений наибольшее распространение получают электрические средства. Они позволяют измерять различные параметры в широком диапазоне, имеют высокую чувствительность, их применение упрощает процессы автоматизации получения, обработки и хранения результатов измерений.

В сельском хозяйстве страны используется большое число разнообразных измерительных приборов. В этих условиях особое значение приобретает вопрос об обеспечении единообразия (или единства) измерений во всех отраслях.

Роль электрических измерений в структуре агропромышленного производства - обеспечивать тесную взаимосвязь с другими отраслями, являться средством улучшения организации производства сельскохозяйственной продукции и экологической безопасности. Это требует от инженеров, работающих в различных отраслях агропромышленного производства, знания основ электрических измерений различных величин.

Измерение - познавательный процесс, под которым понимают получение информации о количественном значении исследуемой физической величины. Все вопросы, связанные с измерениями различных величин, исследуются отраслью знаний, называемой метрологией. Основные термины и определения в области метрологии установлены ГОСТ 16263-70, в котором записано, что метрология - это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и достижения требуемой точности. Измерение - это определение значения физической величины опытным путем при помощи специальных технических средств.

Техническими средствами измерений являются измерительные приборы. Измерительный прибор (прибор) - это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные приборы в зависимости от назначения и физических явлений, положенных в основу их действия, различны.

Средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, последующего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем, называется измерительным преобразователем (преобразователем). В зависимости от назначения преобразователи бывают первичные, промежуточные, передающие и масштабные.

При измерениях используют различные вспомогательные средства, которые, как и средства измерения, влияют на метрологические свойства другого средства измерений при его применении или поверке.

Развитие средств автоматизации технологических процессов производства и автоматизированных систем управления способствует созданию информационных измерительных систем. Информационная измерительная система представляет собой совокупность средств измерений (мер, измерительных приборов и измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи и предназначенных для автоматического получения сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и использования в автоматических системах управления.

1.2 Меры единиц электрических величин

В соответствии с принятой системой единиц для технического обеспечения измерений используют различные меры. В зависимости от назначения и точности меры делят на эталоны, образцовые и рабочие.

Эталон, который обеспечивает воспроизведение единицы физической величины с наивысшей в стране точностью, называется первичным, а значение, которое устанавливают по первичному эталону - вторичным. Вторичные эталоны обычно используют для поверки образцовых средств измерений.

Образцовую меру используют для поверки рабочих мер и измерительных приборов. В некоторых случаях образцовые меры применяют непосредственно при измерениях.

Рабочую меру применяют для измерений и для поверки измерительных приборов. Рабочие меры часто выполняют многозначными для воспроизведения ряда одноименных физических величин различного размера.

В качестве мер электрических величин применяют меры электродвижущей силы (ЭДС), тока, электрического сопротивления, индуктивности и взаимной индуктивности и электрической емкости.

Мера ЭДС. Образцовыми и рабочими мерами ЭДС являются нормальные элементы - гальванические элементы с известным значением ЭДС. В зависимости от погрешности воспроизведения ЭДС нормальные элементы с насыщенным раствором бывают 0,001; 0,002 и 0,005 классов точности. Так, например, ЭДС нормального элемента класса точности 0,005 при температуре 20 С в должна быть не менее 1,0185 и не более 1,0187 В.

Мерой тока являются токовые весы, воспроизводящие ток 1 А.

Мера электрического сопротивления. Образцовые и рабочие меры сопротивления изготовляют в виде катушек. Несколько катушек комплектуют в магазины сопротивлений (многозначные меры). Для уменьшения влияний температуры на значение воспроизводимого сопротивления катушки наматывают из манганинового провода или ленты. Номинальное сопротивление мер сопротивления выбирают из условия R = 10n, где n - целое (положительное или отрицательное число). Меры изготовляют для воспроизведения сопротивлений от 10-5 до 1010 Ом в следующих классов точности: 0,0005; 0,001; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1.

Мера индуктивности и взаимной индуктивности. Образцовые и рабочие меры индуктивности и взаимной индуктивности выполняют в виде катушек или магазинов. Основные требования, предъявляемые к мерам - неизменность индуктивности во времени и минимальное активное сопротивление в цепи переменного тока, а также минимальное влияние тока цепи и температуры на воспроизводимую индуктивность. Меры индуктивности изготовляют на номинальные значения: 0,0001; 0,001; 0,01; 0,1 и 1,0 Гн.

Выпускаемые меры взаимной индуктивности отличаются от мер индуктивности наличием двух катушек, жестко укрепленных на общем каркасе.

Мера емкости. Образцовыми и рабочими мерами емкости являются конденсаторы переменной и постоянной емкости с воздушным или слюдяным диэлектриком. Основные требования, предъявляемые к мерам емкости: минимальные изменения воспроизводимой емкости от колебаний частоты и температуры, а также минимальные диэлектрические потери, во многом определяемые видом и состоянием диэлектрика. Широкое распространение получили многозначные меры емкости, выполненные в виде магазинов и позволяющие воспроизводить емкость в пределах от 0,0001 до 1000 и более микрофарад.

1.3 Общие свойства электрических средств измерений

Все эксплуатационные свойства измерительных приборов определяются их метрологическими характеристиками, которые указывают в документации прибора. Метрологические характеристики нормируются стандартами. Основные из них: погрешности, диапазон измерений и др.

Погрешности прибора показывают степень расхождения показаний прибора и истинного значения измеряемой величины. Погрешности приборов рассчитывают как абсолютные, относительные и приведенные.

Абсолютная погрешность прибора представляет собой разность между показанием прибора и истинным значением измеряемой величины. Ее рассчитывают по формуле

,

где - показание прибора; - истинное значение измеряемой величины.

Относительную погрешность прибора рассчитывают как отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины

Относительную погрешность обычно выражают в процентах.

Приведенная погрешность прибора - это выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности прибора к нормирующему значению

Нормирующим значением Х является условно принятое значение, могущее быть равным верхней границе диапазона измерений, диапазону измерений, длине шкалы и др.

Так как истинное значение измеряемой величины неизвестно, для расчета погрешностей приборов используют ее действительное значение.

Стандартом всем измерительным приборам присваивается соответствующий класс точности. Класс точности является обобщенной характеристикой, определяемой пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей. Пределы допускаемой основной погрешности выражают в абсолютной, относительной и приведенной формах в зависимости от характера изменения погрешности в диапазоне измерений, а также от условий применения прибора. В случае равенства абсолютной (соответственно и приведенной) погрешности прибора во всем диапазоне измерений в соответствии с ГОСТ 8.401-80 прибору присваивают класс точности из следующего ряда чисел: 1·10n; 1,5·10n; 2·10n; 2,5·10n; 4·10n; 5·10n; 6·10n, где n = 1; 0; -1; -2; -3…. Класс точности в этом случае выражают одним числом, соответствующим основной приведенной погрешности во всем диапазоне измерений прибора.

Диапазон измерений прибора - это область значений измеряемой величины, для которой нормированы его допускаемые погрешности. Верхняя и нижняя границы диапазона измерений прибора - его наибольшее и наименьшее значение.

Классификацию измерительных приборов проводят по ряду признаков: элементной базе, форме отсчета, методу преобразования, назначению и др.

Поскольку термины «электромеханические» и «электронные» приборы не определены нормативными документами, в дальнейшем будем считать электромеханическими приборами такие, в конструкции которых нет электронных (электровакуумных, ионных или полупроводниковых) элементов. А приборы, содержащие такие элементы - электронными приборами. Показывающие приборы предусматривают считывание показаний, а регистрирующие - регистрацию результатов измерений. В приборах прямого преобразования измеряемая величина преобразуется в одном направлении от входа к выходу. В приборах компенсационного преобразования измеряемая величина компенсируется величиной, преобразованной цепью обратного преобразования, т.е. в таких приборах вся цепь прямого преобразования охвачена общей отрицательной обратной связью. Приборы, в которых отрицательной обратной связью охвачена не вся цепь прямого преобразования, называют приборами смешанного преобразования.

По назначению приборы разделяют на приборы для измерения электрических (тока, напряжения, мощности, частоты и др.) и неэлектрических (механических, тепловых, химических и др.) величин. Большинство приборов называют в соответствии с единицами измеряемых величин (амперметр, вольтметр, частотомер, влагомер, уровнемер и др.) или их дольными и кратными значениями (микроамперметр, милливольтметр, килоомметр и др.). Приборы, предназначенные для измерения нескольких физических величин, называют комбинированными. Приборы, предназначенные для использования в цепях постоянного и переменного тока, называют универсальными.

Кроме перечисленных признаков, измерительные приборы разделяют по классу точности, защищенности от внешних воздействий, способу и месту монтажа, массе, габаритам и др.

Общие технические требования ко всем электроизмерительным приборам нормированы стандартами.

Глава 2. Электрические средства измерений

2.1 Электромеханические измерительные приборы

электрический измерение напряжение агропромышленный

Электромеханический измерительный прибор прямого действия представляет собой прибор, в котором положение подвижной части зависит от значения измеряемой величины. В таком приборе происходит одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации от входа к выходу без применения обратной связи. Независимо от назначения и принципа действия такие приборы состоят из измерительной цепи, измерительного механизма и отсчетного устройства(рис. 19.1).

Измерительная цепь - совокупность элементов измерительного прибора, образующих непрерывный путь прохождения измеряемого сигнала одной физической величины от входа к выходу. В измерительной цепи происходит одно из ряда преобразований измеряемой величины х в функционально связанную с ней электрическую величину у.

Измерительный механизм - часть прибора, которая вызывает необходимое перемещение его указателя (стрелки, светового пятна и др.). В измерительном механизме магнитная энергия, пропорциональная измеряемой величине, преобразуется в механическую энергию, вызывающую перемещение подвижной части на угол .

Отсчетное устройство - часть прибора, показывающая значение измеряемой величины.

Общими элементами аналоговых электромеханических приборов являются: корпус (из металла или пластмассы), неподвижная и подвижная части (катушка, ферромагнитный магнитопровод или алюминиевый вращающийся диск), противодействующее устройство (спиральная или ленточная пружина), успокоитель (жидкостный или магнитоиндукционный), корректор нулевого положения и отсчетное устройство (шкала и указатель).

При включении прибора на его подвижную часть действуют два момента:

вращающий (возникающий в результате взаимодействия электромагнитных полей, возбуждаемых подвижной и неподвижной частями)

где - производная электромагнитной энергии по углу перемещения подвижной части ;

противодействующий (обусловлен противодействием закручивающейся пружины)

где - удельный момент пружины, зависящий от ее размеров и материала.

Под действием вращающего момента закручивается (или раскручивается) противодействующая пружина. В этом случае подвижная часть (и указатель) под действием разности моментов будет перемещаться в ту или иную сторону до их равенства.



Магнитоэлектрические приборы. Принцип действия магнитоэлектрических приборов основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и поля контура с током. Возникающий момент вызывает перемещение подвижной части (катушки с током или постоянного магнита) относительно неподвижной. Механизмы таких приборов выполняют с подвижной катушкой (рамкой) или подвижным магнитом. Большое распространение вследствие высокой точности и чувствительности получили магнитоэлектрические приборы с подвижной катушкой (с внешним постоянным магнитом). Механизм такого прибора состоит (рис. 19.2) из указателя (стрелки), подвижной катушки (рамки), в полости которой помещен неподвижный постоянный магнит. Катушка укреплена на полуосях, с которыми соединены две спиральные пружины, используемые для создания противодействующего момента.

При включении прибора по его подвижной катушке протекает ток, который, взаимодействуя с полем постоянного магнита, создает вращающий момент

где В - магнитная индукция в зазоре; s - площадь катушки; - число витков катушки.

Установившееся состояние подвижной части механизма наступит при равенстве вращающего и противодействующего моментов. Поэтому угол отклонения (установившееся положение) указателя отсчетного устройства прибора пропорционален току

где S - чувствительность (конструктивный параметр) прибора.

Разновидностью магнитоэлектрических приборов является магнитоэлектрический логометр (рис. 19.3). Его подвижная часть представляет собой две катушки, укрепленные на одной оси и помещенные в поле постоянного магнита. Направления токов в катушках I1 и I2 выбирают такими, чтобы создаваемые ими вращающие моменты М1 и М2 были направлены в противоположные стороны. При включении прибора его подвижная часть перемещается в сторону действия большего момента до их равенства. Поэтому угол отклонения (установившееся положение) указателя пропорционален отношению токов в подвижных катушка



где - чувствительность логометра.

Логометры широко применяют в приборах для измерения сопротивлений - омметрах и мегомметрах, а также для измерений и регистрации температуры, влажности, давлений, расходов жидкостей и др.

Другой разновидностью магнитоэлектрических приборов являются гальванометры - приборы высокой чувствительности. Повышенной чувствительности в гальванометрах по сравнению с ранее рассмотренной конструкцией механизма достигают за счет подвеса подвижной части или удлинения указателя (применения светового отсчета).

Для использования магнитоэлектрических приборов в цепях переменного тока их комплектуют различными преобразователями переменного тока в постоянный. В зависимости от вида преобразователя, используемого в приборе, различают тепловые и электронные приборы (рассмотрены в разделе 19.3).

Схема теплового измерительного прибора представляет собой сочетание теплового преобразователя и магнитоэлектрического прибора. В качестве теплового преобразователя в таких приборах применяют термопары - соединение двух однородных металлов (в виде стержней или проводников), спаянных (или сваренных) одними концами и со свободными противоположными концами. При воздействии на соединенные концы термопары температуры проводника, нагретого вследствие протекания измеряемого тока, между свободными концами возникает термо-ЭДС. Значение этой термо-ЭДС пропорционально разности температур соединенных и свободных концов термопары. Перемещение подвижной части механизма магнитоэлектрического прибора, включенного между свободными концами термопары, пропорционально квадрату измеряемого тока

где - коэффициент, зависящий от свойств термопары и измерительного механизма прибора.

Тепловые измерительные приборы имеют высокую точность измерений в большом частотном диапазоне. Их показания не зависят от формы измеряемого тока, однако чувствительность и перегрузочная способность невысока. Используют такие приборы в основном в качестве амперметров и (реже) вольтметров в цепях с несинусоидальной формой тока промышленной и повышенной частот.

Магнитоэлектрические приборы имеют высокую точность и чувствительность, большой вращающий момент при малых измеряемых величинах (токах), высокую стабильность элементов, что позволяют создавать приборы классов точности до 0,1.

Магнитоэлектрические приборы широко применяют в качестве амперметров и вольтметров постоянного тока. Так как приборы вибро- и ударопрочные, их устанавливают в распределительных щитах передвижных электростанций, приборных панелях автомобилей, сельскохозяйственных машин и тракторов.

Электромагнитные приборы. Действие электромагнитных приборов основано на взаимодействии магнитного поля неподвижной катушки, создаваемого измеряемым током, с одним или несколькими подвижными ферромагнитными магнитопроводами. В конструкцию механизма таких приборов (рис. 19.4) входят круглая или плоская катушка неподвижная, ферромагнитный магнитопровод, выполненный в виде тонкой пластины, эксцентрично укрепленной на оси, и пара противодействующих спиральных пружин. Указатель отсчетного устройства прибора - стрелка - жестко укреплена на оси вращения магнитопровода. Успокоение подвижной части механизма обычно жидкостное (успокоитель на рис. 19.4 не показан). Магнитоиндукционные успокоители в таких приборах не применяют. При включении прибора в цепь постоянного тока на подвижный магнитопровод действует сила, втягивающая его в полость катушки до тех пор, пока энергия магнитного поля станет наибольшей. Угол отклонения подвижной части прибора можно определить из условия равенства вращающего и противодействующего моментов

Из (2.6) следует, что шкала электромагнитного прибора неравномерная, так как угол пропорционален квадрату измеряемого тока. Для уменьшения неравномерности шкалы необходимо, чтобы чувствительность прибора тоже изменялась во всем диапазоне измерений прибора. Этого достигают выбором формы подвижного магнитопровода и его размещением по отношению к катушке. Таким образом, в электромагнитных приборах получают 80...85 % шкалы равномерными.

Электромагнитные приборы можно использовать в цепях как постоянного, так и синусоидального тока. Из-за потерь энергии электромагнитного поля на перемагничивание показания прибора в цепи постоянного и синусоидального тока отличаются. Если эти отличия не превышают нормированного (для данного класса точности) значения, прибор может быть использован для измерений в цепях постоянного и переменного тока. В этом случае на его шкалу при изготовлении наносят обозначения переменного и постоянного токов.

Электромагнитные приборы преимущественно используют в качестве щитовых амперметров и вольтметров в цепях постоянного и переменного токов. В цепях синусоидального тока их показания пропорциональны действующему значению измеряемых величин.

Индукционные приборы. Принцип действия индукционных приборов основан на взаимодействии двух или более переменных магнитных потоков с индуктированными токами в подвижной части механизма.

Механизм прибора (рис. 19.5) состоит из двух неподвижных магнитопроводов 1 (с одной катушкой) и 2 (П-образного с двумя последовательно соединенными катушками) и алюминиевого диска, укрепленного на оси. При подключении катушек в цепь переменного тока токи и возбуждают переменные магнитные потоки Ф1 и Ф2. Эти потоки, пронизывая диск, индуктируют в нем переменные ЭДС, под действием которых в диске возникают два контура вихревых токов Iд.1 и Iд.2. В результате втягивания контура тока Iд.1 потоком Ф2 и выталкивания контура тока Iд.2 потоком Ф1 возникают два противоположно направленных момента, которые действуют на диск. Их направления определяются по правилу правой руки. Под действием разности этих моментов диск начинает вращаться.



Основными особенностями индукционных приборов являются большие вращающий момент и перегрузочная способность. Вместе с тем они пригодны только для цепей синусоидального тока (промышленной частоты), имеют невысокую точность и большое собственное потребление мощности.

На основе индукционного механизма созданы счетчики электрической энергии. Однофазный счетчик электрической энергии представляет собой сочетание индукционного механизма с механическим счетчиком оборотов роликового типа (рис. 19.5). При включении катушки 1 параллельно источнику энергии, а катушки 2 - последовательно с приемником на диск прибора действует вращающий момент

где - коэффициент пропорциональности, учитывающий конструктивные особенности механизма; U1 - напряжение на катушке 1; I2 - ток через катушку 2; - угол сдвига фаз между векторами напряжения и тока в цепи.

Так как энергия, израсходованная приемником за время

где C - постоянная прибора; N - число оборотов диска механизма за время t, то она пропорциональна числу оборотов.

Трехфазный счетчик электрической энергии представляет собой двухэлементный (для трехпроводных систем) или трехэлементный (для четырехпроводных систем) индукционный прибор. Его подвижная часть выполнена в виде двух или трех дисков, укрепленных на одной оси. Вращающий момент, действующий на подвижную часть, равен алгебраической сумме моментов, создаваемых каждым элементом.

Условные обозначения некоторых аналоговых электромеханических приборов приведены в таблице 19.1.

Таблица 1

Название прибора	Условные обозначения
Магнитоэлектрический прибор с подвижной рамкой
Магнитоэлектрический прибор-логометр с подвижными рамками
Электромагнитный прибор
Индукционный прибор
Электронный преобразователь в схеме прибора
Выпрямитель в схеме прибора
Шунт
Добавочный резистор
Зажим для заземления
Прибор применять при вертикальном положении шкалы
Прибор применять при горизонтальном положении шкалы
Прибор применять при наклонном положении шкалы (например, под углом 60о) относительно горизонтальной плоскости
Постоянный ток	--
Постоянный и переменный ток
Переменный (однофазный) ток

Приборы сравнения. Измерительный прибор сравнения - это прибор, предназначенный для получения измерительной информации в результате непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно. Приборами сравнения можно выполнять измерения двумя способами - по показанию прибора при полном уравновешивании (компенсации) воздействия измеряемой величины ее мерой и по воздействию на прибор разности измеряемой величины и меры.

В зависимости от способа измерения приборы сравнения используют в равновесном и неравновесном режимах. Воздействие измеряемой величины х на прибор, работающий в равновесном режиме (рис.19.6 а), полностью компенсируется воздействием меры. Значение меры (или ее части), необходимое для компенсации измеряемой величины, определяют по отсчетному устройству прибора. Момент компенсации в этом случае определяют при помощи указателя равновесия. В качестве указателя равновесия в приборах сравнения применяют электромеханические (наиболее часто магнитоэлектрические) или электронные приборы. На преобразователь прибора, работающий в неравновесном режиме (рис. 19.6 б), одновременно воздействуют измеряемая величина и ее мера. Разность этих воздействий преобразуется в показания прибора, отсчитываемые по его отсчетному устройству.



Наиболее распространенным прибором сравнения является одинарный мост постоянного тока. Он представляет собой четырехполюсник, составленный из четырех резисторов (рис. 19.7). В ветвь ВД, называемую диагональю питания, включен источник G. Ветвь АС - измерительная диагональ моста. В нее включают указатель равновесия Р. Условие равновесия одинарного моста (равенство = 0) получается при следующем соотношении между сопротивлениями ветвей

Таким образом, на условия равновесия одинарного моста постоянного тока оказывают одинаковое влияние сопротивления каждого из четырех резисторов и не влияют сопротивление указателя равновесия и напряжение источника питания.

Одинарные мосты постоянного тока получили широкое распространение для измерения сопротивлений и различных неэлектрических величин (механических напряжений, усилий, моментов, давлений, перемещений, температуры и др.).

Для автоматического контроля, регулирования и управления в различных отраслях агропромышленного производства применяют автоматический мост (рис. 19.8). В его измерительную диагональ включен измерительный усилитель (с большим входным сопротивлением). Нагрузкой усилителя является управляющая обмотка реверсивного двигателя, вал которого механически связан с указателем отсчетного устройства и с подвижным контактом переменного резистора R, включенного между ветвями моста с резисторами R3 и R4. В исходном состоянии мост находится в равновесии и напряжение на его измерительной диагонали отсутствует. Поэтому отсутствует и управляющий сигнал на выходе усилителя. При изменении сопротивления одной (или нескольких) ветвей при воздействии измеряемой величины равновесие моста нарушается и на входе усилителя возникает напряжение, пропорциональное измеряемой величине. После усиления напряжение поступает на управляющую обмотку двигателя, ротор которого поворачивается до тех пор, пока за счет перемещения подвижного контакта резистора R мост опять уравновесится и вращение ротора прекратится. Перемещение указателя прибора в этом случае пропорционально изменению сопротивления любой ветви моста, т.е. измеряемой величине.

Регистрирующие приборы. Регистрирующие измерительные приборы дают возможность не только определять фиксированные (мгновенные) значения измеряемых величин, но и регистрировать на носитель информации их изменения во времени. При помощи регистрирующих приборов можно установить связи между двумя или несколькими измеряемыми величинами.

Обобщенную структурную схему регистрирующего прибора (рис. 19.9) можно представить в виде ряда последовательно соединенных преобразователей - измерительной цепи, при помощи которой выбирают масштаб регистрации. Эта же цепь преобразит измеряемую величину в пропорциональное значение тока для действия измерительного механизма. Измерительный механизм преобразует ток в пропорциональное перемещение указателя отсчетного устройства и механически связанного с ним рабочего органа регистрирующего устройства. В зависимости от вида регистрирующего устройства и носителя информации, которые используются в приборе, а также частотного диапазона регистрирующие приборы разделяют на самопишущие приборы, светолучевые осциллографы и магнитографы (в книге не рассматриваются).

Самопишущим называют регистрирующий прибор, в котором запись формы измеряемых величин или их функциональной зависимости происходит в виде диаграммы на различные носители. В зависимости от вида регистрации самопишущие приборы разделяют на приборы с непрерывной и с точечной регистрацией, а по типу измерительного устройства - на приборы с измерительным механизмом и компенсационные. Несмотря на различные виды носителей информации и конструктивные различия самопишущих приборов, принцип их устройства одинаков (рис. 19.10). Измерительный механизм прибора преобразует измеряемую величину в перемещение указателя и механически связанного с ним регистрирующего устройства. Для перемещения носителя информации используются различные лентопротяжные механизмы. Информация регистрируется при помощи устройства, которое механически связано с указателем.

Способы регистрации информации, применяемые в самопишущих приборах, должны обеспечивать наглядность результатов, минимальные затраты на обслуживание и обработку и возможность длительного хранения результатов. Различают способы регистрации с нанесением слоя вещества на носитель информации, со снятием слоя вещества с носителя информации и с изменением состояния вещества носителя.

Для регистрации информации способом нанесения слоя вещества применяют карандаши, пасты, специальные чернила, копировальные бумаги и др.

Способ регистрации со снятием слоя вещества носителя предусматривает использование иглы (или резца) из твердого материала, которая при перемещении по поверхности носителя срезает слой предварительно нанесенного парафина или металлического покрытия.

В самопишущих приборах иногда применяют способ регистрации с изменением верхнего слоя состояния вещества. Он состоит в том, что на светочувствительный слой носителя информации воздействует световой луч.

Современные самопишущие приборы бывают одноканальными и многоканальными - до восьми каналов при одном носителе информации.

Классы точности самопишущих приборов устанавливают по основной приведенной погрешности от ширины поля записи носителя информации.

Ограниченный диапазон рабочих частот самопишущих приборов затрудняет их использование для регистрации быстропротекающих процессов. Чтобы расширить возможности приборов в современных их модификациях применяют аналого-цифровые преобразователи и микропроцессоры.

2.2 Цифровые измерительные приборы

Цифровой измерительный прибор - это прибор, автоматически вырабатывающий сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме.

Действие цифровых измерительных приборов основано на преобразовании измеряемой аналоговой (непрерывной) величины в соответствующую дискретную с последующей индикацией результатов в виде цифры. Дискретная величина - это величина, в которой измерительная информация содержится не в интенсивности, а в числе элементов сигнала. Таким образом, непрерывная измеряемая величина представляется соответствующим дискретным аналогом в виде ряда импульсов, следующих в определенной последовательности во времени и в пространстве. Такую систему представления измерительной информации называют кодом, а процесс преобразования сигналов в цифровую форму - аналого-цифровым преобразованием.

Несмотря на то, что схемные и конструктивные особенности цифровых измерительных приборов разнообразны, принципы их построения имеют много общего. Эти принципы можно рассмотреть с помощью обобщенной структурной схемы прибора (рис. 19.11). Измеряемая аналоговая величина х поступает во входное устройство прибора, представляющее собой масштабный преобразователь. Здесь она при необходимости ограничивается или усиливается и подается в аналого-цифровой преобразователь, где преобразуется в цифровую форму. После преобразования информация воспроизводится в виде соответствующего числа на цифровом индикаторе. Для согласования функций всех элементов прибора используется схема управления.

Масштабный преобразователь цифрового измерительного прибора устроен аналогично входному устройству электронного прибора. В некоторых конструкциях на входе прибора установлен фильтр для исключения помех. Аналого-цифровые преобразователи строят с использованием различных способов преобразования (рассматриваются в основах информатики и вычислительной техники). Отсчетные устройства цифровых измерительных приборов позволяют визуально наблюдать результаты измерений в цифровой форме. Для этого измерительные приборы комплектуются различными цифровыми индикаторами - электровакуумными и жидкокристаллическими.

Обычно индикаторы цифровых измерительных приборов имеют от четырех до восьми разрядов. В большинстве из них предусмотрена десятичная запятая (точка), которая может перемещаться в соответствии с выбранным диапазоном измерений.

Из цифровых измерительных приборов широко применяются вольтметры постоянного тока, которыми можно измерять напряжение в диапазоне 1 мкВ...1000 В с погрешностью не выше 0,1 %. У цифровых вольтметров переменного тока по сравнению с вольтметрами постоянного тока точность измерений, ниже.

В цифровых частотомерах используют в основном принцип последовательного счета (сигналов одной полярности за фиксированный отрезок времени). Их особенностью является большая продолжительность измерения низких частот. Поэтому в частотомере с четырехзначной индикацией при измерении промышленной частоты (50 Гц) для сокращения продолжительности предусматривают измерение не частоты, а периода.

Комбинированные цифровые измерительные приборы. Современная элементная база электроники позволяет создавать цифровые измерительные приборы с широкими возможностями - для измерения напряжений постоянного и переменного тока, сопротивлений резисторов, емкости конденсаторов, индуктивности катушек и др. Такие приборы называют комбинированными. Одним из функциональных узлов комбинированного цифрового прибора является (как и электронного) усилитель. В зависимости от назначения прибора в числе его других узлов могут быть различные преобразователи: переменного тока в постоянный, среднего, действующего или амплитудного значений измеряемых напряжений, сопротивления, индуктивности или емкости в напряжение и др.

Применение микропроцессоров в измерительных приборах упрощает процесс измерений, позволяет выполнять автоматически поверку и калибровку (в том числе и во время измерений), статистическую обработку измерительной информации и улучшать метрологические характеристики приборов. Так, современные микропроцессорные вольтметры - многопрограммные приборы. Они позволяют умножать (делить) измеряемое напряжение на постоянную величину, определять его статистические параметры (среднее квадратическое отклонение, дисперсию, математическое ожидание и др.) и хранить измерительную информацию.

Цифровые измерительные приборы - перспективные средства измерений различных параметров. Их применяют во многих отраслях агропромышленного производства.

Глава 3. Измерение электрических величин

3.1 Измерение тока и напряжения

Измерение и контроль тока и напряжения в условиях агропромышленного производства - наиболее распространенный вид измерений электрических величин. В зависимости от рода, частоты и формы кривой тока применяют те или иные методы и средства измерений и контроля тока и напряжения. Ток и напряжение непосредственно измеряют электромеханическими и цифровыми амперметрами и вольтметрами со стрелочными или цифровыми отсчетными устройствами. Применение метода сравнения с мерой позволяет измерять величины с меньшими погрешностями, чем непосредственно.

Измерения в цепях постоянного тока. В условиях производства и при научных исследованиях возникает необходимость в измерении и контроле в установках постоянного тока от 10-17 до 106 А и напряжений от 10-7 до 108 В. Для этого используют различные средства.

Малые токи и напряжения измеряют непосредственно приборами высокой чувствительности - магнитоэлектрическими гальванометрами.

Постоянные токи не более 200 мА измеряют магнитоэлектрическими миллиамперметрами.

Непосредственное измерение и контроль напряжений (до 600 В) в установках постоянного тока осуществляют магнитоэлектрическими вольтметрами.

Для регистрации токов и напряжений в цепях постоянного тока используют самопишущие приборы.

Измерения в цепях синусоидального тока связаны с определением среднего (средневыпрямленного), действующего (среднего квадратичного) и амплитудного (максимального) значений тока и напряжения. Поскольку все эти значения связаны между собой коэффициентами формы или и амплитуды или , можно измерив одно из них, определить другие. Для измерения средних значений применяют электронные и цифровые приборы. Для измерения действующих значений тока (до 100 А) и напряжения (до 600 В) в цепях синусоидального тока промышленной частоты применяют в основном электромагнитные приборы. Для измерения тока и напряжения в установках с повышенными частотами (например, в установках с ручным инструментом) электромагнитные приборы не используют из-за больших погрешностей измерений. Для этого применяют тепловые, электронные и цифровые приборы. Мгновенные значения токов и напряжений различной формы и частоты регистрируют с помощью самопишущих приборов и электронно-лучевых осциллографов.

В трехфазных системах токи и напряжения измеряют теми же приборами, что и в однофазных цепях. В симметричной трехфазной системе для контроля линейных токов и напряжений можно использовать один амперметр или вольтметр. В несимметричных системах для контроля линейных напряжений часто применяют один вольтметр с переключателем.

Независимо от способа и применяемого средства измерений и контроля тока и напряжения результаты измерений содержат погрешности, одна из составляющих которых обусловлена потреблением мощности измерительными приборами. Так, при включении амперметра с сопротивлением в цепь с напряжением U по цепи протекает ток меньший, чем до включения прибора. Если ток в цепи до включения амперметра (здесь - сопротивление цепи без прибора), а после его включения , то относительная погрешность измерения тока



Поэтому для измерения тока следует выбирать амперметр с возможно меньшим сопротивлением, а для измерения напряжения - вольтметр с возможно большим сопротивлением. В этом случае погрешности измерений будут минимальными.

О влиянии метрологических свойств вольтметров на оценку качества напряжения можно судить по следующему примеру. Действующими для сельских электрических сетей нормами допускаются колебания напряжения на входе потребителя до 5 % от номинального. Если для измерения напряжения в сети 220 11 В (с учетом колебания) использовать вольтметр класса точности 1,5 с диапазоном измерений 0...250 В, то он может показать
220 14,75 В, что превышает нормируемое колебание на 1,7%.

3.2 Измерение сопротивлений

Сопротивления относятся к числу основных параметров электротехнического оборудования. В практике измерений встречаются установки, в которых требуется измерять сопротивления от 10-8 до 1018 Ом. Их условно разделяют на малые (до 1 Ом), средние (1...106 Ом) и большие (свыше 106 Ом).

Выбор метода и средства измерения сопротивления в каждом конкретном случае зависит от значения сопротивления, требуемой точности, условий измерений и др.

Сопротивления постоянному току измеряют непосредственно при помощи приборов прямого преобразования (омметры, мегомметры) и сравнения с мерой (мосты).

Непосредственно (до нескольких килоом) сопротивления измеряют с помощью омметров. Обычно используют две схемы омметров (рис. 20.1). Различают их по схеме включения миллиамперметра РА, используемом в приборе в качестве показывающего. При замкнутом (рис. 20.1 а) или при разомкнутом (рис. 20.1 б) контакте SA указатель прибора с помощью переменного резистора устанавливают в нулевое положение. Причем в омметре, собранном по последовательной схеме (рис. 21.1 а), нулевая отметка шкалы расположена справа. После размыкания контакта SA указатель миллиамперметра под действием тока источника переместится на угол, пропорциональный сопротивлению неизвестного резистора .

Особенностью рассмотренных омметров является зависимость показаний от напряжения источника питания, что требует постоянного контроля нулевого положения перед каждым измерением.

Для измерения сопротивлений широко используют мосты постоянного тока. Выбор типа моста и условий его применения зависит от диапазона измеряемых сопротивлений и требуемой точности. При этом решают следующую задачу. Предположим, что резистор с неизвестным сопротивлением включен в ветвь моста 1-1* (рис. 20.2) при помощи соединительных проводов, сопротивление которых . При этом на сопротивление этой ветви окажет влияние сопротивление ее изоляции . Относительную погрешность измерения сопротивления можно рассчитать по формуле

.

Если измеряемое сопротивление одного порядка с сопротивлением изоляции, то относительная погрешность измерения

По полученным формулам можно определить границы диапазона измерений моста для требуемой погрешности. Расчеты показывают, что нижняя граница диапазона измерений определяется влиянием сопротивления соединительных проводов, верхняя - обусловлена сопротивлением изоляции ветви моста, в которую включают неизвестный резистор.

Процесс измерения сопротивлений с помощью моста состоит из двух основных операций: выбор диапазона измерений при помощи переключателя отношения сопротивлений и уравновешивания моста переменным резистором, включаемым в ветвь . Момент равновесия моста определяют по указателю равновесия (магнитоэлектрический гальванометр или электронный индикатор). Диапазон измерений (отношение) выбирают таким, чтобы использовать все декады (переключатели) резистора , с помощью которого уравновешивают мост. Использование при измерениях сопротивлений всех декад обеспечивает максимальные чувствительность и точность моста. Если порядок измеряемого сопротивления неизвестен, необходимое отношение подбирают опытным путем, определяя при каждом из них возможность уравновешивания моста. При этом для исключения возможного выхода из строя высокочувствительного указателя равновесия его включают кратковременно. Значение измеряемого сопротивления рассчитывают как произведение отношения на показатель сравнения.

Измерение и контроль сопротивления изоляции. Электрическая изоляция оборудования, находящегося под различными потенциалами (в том числе и по отношению к земле), необходима не только для нормального функционирования оборудования, но и для безопасности обслуживающего персонала. При эксплуатации электрооборудования его изоляция подвергается воздействию различных факторов (особенно в условиях животноводческих помещений, хранилищ сельскохозяйственной продукции, кормоцехов и др.), а также изменению (старению) и повреждению (разрушению). Это требует систематического контроля ее состояния. Сопротивление изоляции оборудования, не находящегося под напряжением, измеряют мегомметром (магнитоэлектрический логометр) с встроенным источником питания.

Сопротивление изоляции двухпроводной линии можно рассматривать состоящим из двух параллельно соединенных резисторов, распределенных по длине линии. Если двухпроводная линия находится под напряжением, то сопротивление ее изоляции можно контролировать вольтметрами, включенными, как показано на рис. 20.3. Учитывая, что на показания вольтметра, включенного между линией и землей, влияет сопротивление другой линии, и что сопротивление вольтметра меньше сопротивления изоляции, можно записать

и .

При одинаковом сопротивлении изоляции линий А и В вольтметры показывают одинаковое напряжение, равное напряжению между линиями. Изменение сопротивления изоляции одной из линий вызывает соответствующее изменение показаний вольтметра.

3.3 Учет электрической энергии

Активную и реактивную энергию в однофазных и трехфазных цепях учитывают при помощи интегрирующих индукционных приборов - однофазных и трехфазных счетчиков.

При включении счетчиков начала последовательных цепей приборов (токовые катушки), обозначаемые буквой Г, включают в разрыв провода, а параллельные цепи (катушки напряжения), начала которых обозначают буквой Н, включают параллельно приемнику энергии. Концы катушек напряжения трехфазных счетчиков обозначают цифрами 1, 2, 3 и 0.

В однофазных системах активную электрическую энергию учитывают однофазными счетчиками типа СО. Схема включения такого счетчика приведена на рис. 20.4.

В трехфазных трехпроводных системах активную энергию учитывают при помощи трехфазных (двухэлементных) счетчиков типа СА3. В трехфазных четырехпроводных системах активную энергию учитывают при помощи трехфазных (трехэлементных) счетчиков типа СА4. В трехфазных (трех- и четырехпроводных) системах реактивную энергию учитывают с помощью трехэлементных счетчиков реактивной энергии типа СР4.

Трансформаторные подстанции сельских электрических сетей комплектуют трехфазными счетчиками активной и реактивной энергии, включаемыми через измерительные трансформаторы.

Глава 4. Измерение неэлектрических величин

4.1 Общие свойства измерительных цепей и приборов

В агропромышленном производстве необходима информация о нескольких сотнях параметров. При этом значительное число параметров измеряют и контролируют при помощи электрических средств. Это обусловлено рядом особенностей электрических средств - малой инерционностью приборов, возможностью измерения на расстоянии и простотой автоматизации измерений и обработки результатов.

Несмотря на большое разнообразие параметров, а соответственно и применяемых методов, средства измерений неэлектрических величин имеют много общего. Общность измерений неэлектрических величин состоит в том, что измеряемую величину предварительно преобразуют в пропорциональную ей электрическую (ток, напряжение, сопротивление, частоту и др.), а затем измеряют с использованием известных методов и средств. При этом преобразование неэлектрической величины в электрическую предназначено только для отражения размера одной физической величины размером другой физической величины. Такой подход к проблеме измерения неэлектрических величин - единственный при создании измерительных средств, в которых имеют место различные функциональные связи между величинами. Общность методов и средств измерения неэлектрических величин позволяет представить структурную схему измерительной цепи (или прибора), вид которой в значительной мере определяется используемым измерительным преобразователем. В качестве примера на рис. 21.1 приведена схема цепи для измерения уровня топлива в баке мобильной машины.



Изменение положения поплавка вызывает изменение подвижного контакта переменного резистора, что приводит к изменению тока в цепи. Таким образом, процесс измерения уровня может быть представлен следующей структурной связью .

4.2 Классификация и характеристики измерительных преобразователей

На входе измерительного преобразователя, кроме измеряемой величины, действуют различные неинформативные параметры - механические возмущения, изменения температуры, влажности, электрические и магнитные поля и др. Поэтому к числу основных требований, предъявляемых к измерительным преобразователям наряду с минимальными потерями информации, относят минимальную чувствительность к воздействию неинформативных параметров.

Разнообразные по устройству и принципу действия, измерительные преобразователи имеют различные характеристики и параметры. Основные из них - функция преобразования, градуировочная характеристика, погрешности и диапазон измерений.

Измерительные преобразователи неэлектрических величин различают в основном по назначению и принципу действия (см. прилжение): по назначению - преобразователи механических, тепловых, химических, биологических и других физических величин; по принципу действия - генераторные и параметрические. В генераторных измеряемая величина преобразуется в пропорциональные ЭДС (напряжение) или ток. К таким преобразователям относятся электромагнитные (индукционные), тепловые (термопары), оптоэлектрические (фотоэлементы), электрохимические (гальва-нические), пьезоэлектрические и гальваномагнитные. В параметрических преобразователях измеряемая величина преобразуется в параметры электрических цепей - сопротивление, емкость, индуктивность, частоту и др. К параметрическим относятся электромагнитные (индуктивные), тепловые (терморезисторы), оптоэлектрические (фоторезисторы, фотодиоды), резистивные и электростатические преобразователи.

На практике для измерения одной и той же неэлектрической величины в зависимости от условий применяют различные типы измерительных преобразователей.

Электромагнитные измерительные преобразователи. В электромагнитных преобразователях измеряемая неэлектрическая величина преобразуется в пропорциональную электрическую за счет изменения магнитных свойств материалов. Из электромагнитных преобразователей наибольшее распространение получили индукционные и индуктивные.

В индукционных преобразователях линейная или угловая скорость (частота вращения) исследуемого объекта преобразуются в пропорциональные ЭДС или напряжение. Принцип действия этих преобразователей основан на явлении электромагнитной индукции. По конструктивному исполнению они бывают с подвижной катушкой и неподвижным постоянным магнитом или с неподвижной катушкой и подвижным постоянным магнитом. В большинстве случаев индукционные преобразователи представляют собой электрические машины постоянного или переменного тока. Их называют тахогенераторами.

Для преобразования осевых (линейных) перемещений применяют индукционный преобразователь, у которого ЭДС на выходе изменяется во времени с изменением положения его подвижной катушки.

Основной недостаток индукционных преобразователей - нелинейность функции преобразования, что является основной причиной погрешностей. Уменьшают эти погрешности за счет выбора форм и размеров магнитопровода и размещения на нем катушки. Современные тахогенераторы (переменного тока) имеют погрешности 0,2...0,5 %.

Индуктивные преобразователи. Принцип действия индуктивных преобразователей основан на преобразовании измеряемой величины в индуктивность за счет изменения параметров магнитной цепи. Измерительные цепи (приборы) с индуктивными преобразователями должны содержать источник питания. Процессы, происходящие в магнитной цепи индуктивного преобразователя при воздействии измеряемой величины х, могут быть представлены в виде связи: . Изменение зазора (или положения подвижной части магнитопровода) преобразователя изменяет магнитное сопротивление , которое оказывает влияние на магнитную проницаемость . Вследствие этого изменяются индуктивность L и полное сопротивление преобразователя Z.

Лучшими свойствами обладают дифференциальные или трансформаторные преобразователи. Зависимость сопротивления от воздушного зазора у таких преобразователей линейна в большем, чем у рассмотренного раньше, диапазоне изменения зазора. Рабочим считают зазор, равный 0,3...0,4 начального значения. На параметры преобразователей изменение температуры оказывает меньшее влияние. Трансформаторные преобразователи получили широкое распространение в агропромышленном производстве в приборах для измерения линейных и угловых перемещений, уровней жидкостей и др.

...