Создание электроизмерительных цепей с выпрямительными устройствами

Размещено на http://allbest.ru

Введение

Электроизмерительные приборы -- класс устройств, применяемых для измерения различных электрических величин. В группу электроизмерительных приборов входят также кроме собственно измерительных приборов и другие средства измерений -- меры, преобразователи, комплексные установки.

Выпрямитель (электрического тока) -- преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток.

Большинство выпрямителей создаёт не постоянный, а пульсирующий ток, для сглаживания пульсаций применяют фильтры.

Устройство, выполняющее обратную функцию -- преобразование постоянного тока в переменный ток называется инвертором.

Из-за принципа обратимости электрических машин выпрямитель и инвертор являются двумя разновидностями одной и той же электрической машины (справедливо только для инвертора на базе электрической машины).

Выпрямительные приборы получили широкое распространение в качестве комбинированных измерителей постоянного и переменного тока и напряжения. Снабженные источником постоянного напряжения (малогабаритный аккумулятор или химический элемент), они могут также использоваться для измерения электрического сопротивления.

Логарифмические вольтметры представляют собой однопредельные приборы, позволяющие оперативно измерять или контролировать уровни напряжений или токов, изменяющиеся в процессе наблюдения в очень широких пределах (в десятки и сотни раз). Они находят применение при электроакустических измерениях, измерении напряженности поля, снятии характеристик фильтров и в ряде других случаев. Эти приборы должны обладать переменной чувствительностью, высокой при слабых входных сигналах и постепенно понижающейся с возрастанием уровня сигнала. Их шкалы при производстве отсчета в единицах измеряемого напряжения имели бы логарифмический характер, однако при выполнении отсчета в относительных единицах -- децибелах они получаются почти равномерными.

Требуемый вид градуировочной характеристики прибора обычно достигается посредством логарифмического преобразования тока в цепи измерителя, например в результате шунтирования последнего специально подобранным полупроводниковым диодом, включенным в пропускном направлении. Логарифмические вольтметры аналогично квадратичным вольтметрам часто выполняются на диодных цепочках. Исследуемый сигнал после его выпрямления подводится к измерительному блоку через делитель напряжения, одно из плеч которого является нелинейным. Это плечо обычно состоит из ряда параллельно включенных ветвей, содержащих по резистору и точечному диоду; к последнему подводится опорное напряжение определенного значения, которое изменяется с некоторым шагом от одной ветви к другой.

По мере роста измеряемого напряжения увеличивается число открытых диодов, что ведет к уменьшению коэффициента деления напряжения. Такие вольтметры имеют динамический диапазон измерений до 50 дБ и используются при снятии частотных и других характеристик радиоцепей.

1. Выпрямительная система

Магнитоэлектрические приборы характеризуются высокой чувствительностью, высокой точностью и малым потреблением мощности. Но они пригодны только для измерений в цепях постоянного тока. Для того чтобы использовать магнитоэлектрические приборы для измерений на переменном токе, нужно предварительно преобразовать переменный ток в постоянный. В качестве преобразователей используются полупроводниковые выпрямители. Выпрямительный прибор - это сочетание магнитоэлектрического механизма с выпрямителем на полупроводниковых диодах.

Применяются различные схемы преобразования:

1) Однополупериодная

2) Двухполупериодная трансформаторная Трансформатор позволяет электрически изолировать цепь измерительного механизма от цепи измеряемого тока или напряжения. Недостатком схемы является зависимость коэффициента трансформации трансформатора от частоты.

3) Двухполупериодная мостовая

Иногда в мостовой схеме в целях экономии два диода заменяют резисторами, сопротивление которых равно прямому сопротивлению диодов. Достоинством такой схемы является уменьшение температурной погрешности приборов, а недостатком ? снижение чувствительности.

Мгновенное значение вращающего момента, действующего наподвижную рамку измерительного механизма магнитоэлектрической системы, равно

m = BSwi (1.1)

где i ? мгновенное значение тока, протекающего через измерительный механизм. При отличии формы кривой измеряемого тока (напряжения) от синусоиды в показаниях приборов возникает погрешность.В условном обозначении приборов выпрямительной системы к основному символу системы добавляется знак диода.

Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий). Диодный выпрямитель или диодный мост (то есть 4 диода для однофазной схемы, 6 для трёхфазной полумостовой схемы или 12 для трёхфазной полномостовой схемы, соединённых между собой по схеме) -- основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств. Диодный трёхфазный выпрямитель по схеме А. Н. Ларионова на трёх параллельных полумостах применяется в автомобильных генераторах, он преобразует переменный трёхфазный ток генератора в постоянный ток бортовой сети автомобиля. Применение генератора переменного тока в сочетании с диодным выпрямителем вместо генератора постоянного тока с щёточно-коллекторным узлом позволило значительно уменьшить размеры автомобильного генератора и повысить его надёжность.

В некоторых выпрямительных устройствах до сих пор применяются селеновые выпрямители. Это вызвано той особенностью данных выпрямителей, что при превышении предельно допустимого тока, происходит выгорание селена (участками), не приводящее (до определенной степени) ни к потере выпрямительных свойств, ни к короткому замыканию -- пробою.

В высоковольтных выпрямителях применяются селеновые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых селеновых выпрямителей и кремниевые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых кремниевых диодов. Если соединено последовательно и согласно (в одну сторону) несколько диодов, пороговое напряжение, необходимое для отпирания всех диодов, увеличивается.

2. Выпрямительные приборы

Выпрямительные приборы представляют комбинацию выпрямителя, магнитоэлектрического измерительного механизма и отсчетного устройства. В выпрямителях применяют полупроводниковые диоды. Сопротивление полупроводникового диода зависит от полярности приложенного напряжения. При положительной полярности оно мало, а при отрицательной резко возрастает. Поэтому, диод пропускает ток только в одном направлении. Схемы соединения диодов с измерительным механизмом разделяют на две группы: однополупериодные и двухполупериодные. Схема амперметра с однополупериодным выпрямителем приведена на рис. Измерительный механизм включен последовательно с диодом D1. Если на вход схемы поступает синусоидальный ток, то через измерительный механизм проходят полуволны положительной полярности i_а. Полуволны отрицательной полярности проходят через диод D2 и резистор R. Значение R равно сопротивлению измерительного механизма. Благодаря этому сопротивление прибора одинаково для любого направления тока. Большее распространение получили приборы с двухполупериодным выпрямителем. Диоды включены так, что ток через измерительный механизм проходит в течение двух полупериодов в одном направлении. Среднее значение выпрямленного тока в мостовой схеме в два раза больше, чем в схеме. Мгновенное значение вращающего момента измерительного механизма, при протекании через него пульсирующего тока определяется выражением

М(t)=BS_Kwi_a

При двухполупериодном выпрямлении

M_СР=BS_KwI_0.

Угол поворота подвижной части при однополупериодном выпрямлении равен б₁=I₀BS_Kw/2W, а при двухполупериодном б₁=I₀BS_Kw/W. Диоды - нелинейные элементы. Прямая ветвь их вольтамперной характеристики изменяется по экспоненциальному закону. Поэтому шкала у выпрямительного прибора несколько сжата, в пределах 10:15% её длины. Сопротивление диодов зависит от температуры. Оно уменьшается с ростом температуры. В результате возникает температурная погрешность. В выпрямительных миллиамперметрах почти весь ток протекает через выпрямительную цепь. Шунтирующая цепь используется для температурной и частотной компенсации. Достоинства: высокая чувствительность, малое потребление мощности, широкий частотный диапазон (до 10-20 кГц). Наименьшие пределы измерения переменных токов 0,25:0,3 мА, напряжений 0,25:0,3 В. Недостатки: невысокая точность, зависимость показаний от формы измеряемой величины. Промышленностью выпускаются многопредельные ампервольтметры, показывающие и самопишущие, выпрямительные фазометры, самопишущие частотомеры, использующие магнитоэлектрический измерительный механизм.

Выпрямительные приборы представляют собой сочетание измерительного магнитоэлектрического механизма и одного или нескольких полупроводниковых выпрямителей.

Все схемы соединения выпрямителей с измерительными механизмами можно разбить на две группы - однополупериодные и двухполупериодные.

(2.1)

В двухполуперидных схемах протекающий через измерительный механизм ток в два раза больше, чем в однополупериодных, и, следовательно, чувствительность этих схем к току в два раза больше. Если ток в цепи i=I_msin wt, то мгновенное значение вращающего момента М_t=Bswi. Вследствие инерции подвижной части отклонения ее будет определяться средним значением вращающего момента за период - для однополупериодной схемы;

М=BswI_cp - для двухполупериодной.

Таким образом, выпрямительные приборы измеряют среднее значение тока, протекающее по цепи. Выпрямительный приборы может быть проградуирован в действующих значениях для заданной формы кривой. Выпрямительные приборы обладают хорошей чувствительностью, пригодны для работы в цепях повышенной частоты, но в тоже время их показания зависят от температуры и формы кривой, непостоянство параметров выпрямителей.

Для измерения тока и напряжения в цепях повышенной частоты широко применяются выпрямительные приборы, состоящие из выпрямительного преобразователя и магнитоэлектрического микро- или миллиамперметра (рис. 1-10а). В качестве выпрямительных элементов используются полупроводниковые (германиевые или кремниевые) диоды, выпрямляющее действие которых определяется коэффициентом выпрямления. Действие приборов основано на преобразовании с помощью диодов измеряемого переменного тока или напряжения в пропорциональный последнему постоянный ток, регистрируемый чувствительным магнитоэлектрическим измерителем, отсчет, по шкале которого производится в значениях измеряемой величины.

Выпрямительные приборы работают по схемам одно или двухполупериодного выпрямления. измеряемый ток любой формы вызывает отклонение подвижной части выпрямительного прибора, пропорциональное средневыпрямленному значению. Шкалу выпрямительных приборов всегда градуируют в среднеквадратических значениях тока синусоидальной формы.

Главными источниками погрешностей выпрямительных приборов являются: погрешность градуировки миллиамперметра; емкость диодов; изменение температуры окружающей среды; выход частоты за пределы рабочего диапазона; отклонение формы кривой измеряемого тока от синусоидальной.

Для измерения больших токов применяют приборы со схемой, представленной на рис. 1.11а. Здесь резисторы R являются шунтами для каждого полупериода тока. В многопредельных амперметрах набор таких шунтов помешают внутри корпус прибора и переключают наружным ручным переключателем. Выпрямительный вольтметр состоит из выпрямительного миллиамперметра и добавочного резистора Rд (рис. 1.11б). Добавочные резисторы располагают внутри корпуса многопредельного вольтметра и переключают их при изменении предела измерения.

Внутреннее сопротивление выпрямительного вольтметра на каждом пределе разное, поэтому его выражают в виде числа Ом, приходящегося на 1 В, например 6000 Ом/В, 10 000 Ом/В и т.д. Выпрямительные приборы обычно имеют класс точности не выше 2,5. Это объясняется тем, что различные экземпляры полупроводниковых диодов недостаточно однородны по своим характеристикам и параметрам, которые к тому же со временем несколько изменяются. Поэтому расчет выпрямительного прибора может быть произведен лишь приближенно, в процессе его наладки возникает необходимость в подборе диодов и подгонке электрических номиналов других элементов схемы.

Градуировочная характеристика прибора должна систематически проверяться и корректироваться, особенно при замене выпрямительных элементов. Вследствие зависимости прямого и обратного сопротивлений диодов от температуры приборы имеют заметную температурную погрешность, достигающую 3--4% на каждые 10 К отклонения температуры от 20° С. Способами температурной компенсации и теплоизоляции удается получить диапазон рабочих температур от .--30 до +(40--50)° С.

Достоинства: высокая чувствительность; малое потребление энергии.

Недостатки: низкая точность; малая перегрузочная способность; влияние формы тока.

выпрямительный прибор амперметр вольтметр

3. Амперметры и вольтметры выпрямительной системы

Данные измерительные приборы представляют собой сочетания измерительного механизма магнитоэлектрической системы с выпрямителем из полупроводниковых диодов.

Различают следующие виды выпрямителей: однополупериодные и двухполупериодные. Наибольшее распространение получили двухполупериодные схемы включения измерительного механизма.

Угол поворота подвижной части при однополупериодной схеме будет равен:

(3.1)

Для двухполупериодной схемы:

(3.2)

При измерении в цепях переменного тока магнитоэлектрическими приборами с выпрямителями, измеряют действующее значение тока или напряжения. Отношение действующего значения тока к среднему, называют коэффициентом формы:

 (3.3)

Поэтому для двухполупериодной схемы формулу угла поворота подвижной рамки можно записать так:

(3.4)

Для синусоидального тока Кф = 1,11.

При измерении тока, форма которого отлична от синусоидальной, в показаниях прибора возникает погрешность. Если коэффициент формы известен, то действующий ток несинусоидальной формы, измеренный прибором, градуированным по синусоидальному току, определяется по формуле:

(3.5)

Достоинства: высокая чувствительность, малое потребление мощности, широкий частотный диапазон.

Недостатки: невысокая точность (класс точности 1,0; 2,5); зависимость показаний от формы кривой измеряемой величины; неравномерность шкалы в начальной части (0 15%)

Амперметры выпускают с верхним пределом от 3 мА до 10 мА, вольтметры от 75 мВ до 600 В, омметры от 0,5 кОм до 5 МОм.

4. Создание электроизмерительных цепей с выпрямительным прибором

Была создана модель однотактного выпрямителя с RL- нагрузкой и измерить токи и напряжения на диоде и на нагрузке. Были взяты случайные исходные данные: питающее переменное напряжение 220 В с частотой переменного тока 50 Гц, нагрузка с сопротивлением 2 Ом и индуктивностью 5 мГн.

Запускается MatLab, открываем библиотеку Simulink. Далее создаем новую модель. Открыть дерево SimPowerSystems и активировать строку дерева Electrical Sources (источники электрической энергии). В правой части окна обозревателя открывается раздел Electrical Sources. Действуя аналогично, в окно модели поочередно перемещают пиктограмму последовательной RLC-цепи Series RLC Branch из раздела Elements (электротехнические элементы), пиктограммы измерителя напряжения Voltage Measurement и измерителя тока Current Measurement из раздела Measurements (измерительные и контрольные устройства). Из библиотеки Simulink -- пиктограммы осциллографа Scope из раздела Sinks (приемники и измерители сигналов) и Demux из раздела Signal Routing (блоки, определяющие маршруты сигналов). Производятся соединения блоков в схему. в которой к информационному порту m диода подключается осциллограф Scope через демультиплексор Demux, выделяющий из общего векторного Simulink-сигнала два раздельных сигнала, выводимых на подключенный осциллограф. Сам осциллограф имеет четыре входа. Напомним, что количество входов устанавливается после вызова в окне осциллограмм Scope кнопкой Parameters другого окна с именем Parameters Scope и закладкой General -- общие параметры, где и устанавливается требуемое число осей Number axes. Модель цепи приведена на (рисунке 1.1).

Рисунок 1 - Собранная модель электроизмерительных цепи с выпрямительным прибором

Далее вводим исходные данные. В блоках настройки параметров производятся установки питающего напряжения 220 В, частоты 50 Гц (окно параметров источника АС Voltage Source), сопротивление 2 Ом, индуктивность 5 мГн и емкость inf (бесконечность) (окно параметров блока Series RLC Branch). Если в демпфирующей цепи Snubber уменьшить сопротивление резистора до величины 10-20 Ом, то на кривой тока нагрузки могут появиться высокочастотные колебания, что свидетельствует о необходимости внимательного отношения к выбору параметров элементов этой цепи. Менее чувствительны процессы коммутации диода к выбору величины емкости данной цепочки, но снижение ее ниже 10- Ф также может вызвать появление аналогичных колебаний. Индуктивность L_or начинает сказываться на картине процессов при значении более 1-5 мГн. Допускается выбирать величину этого параметра бесконечно малой или даже нулевой.

Рисунок 2 - Ввод исходных данных

Временные диаграммы тока и напряжения на диоде и тока и напряжения на нагрузке приведены на осциллограммах.

Рисунок 3 - Осциолограммы с сигналами

На рисунке 3 можно наблюдать выпрямление показаний как амперметра так и вольтметра в сравнений с эталонными показаниями. Цепь исправна. Сигнал выпрямляется.

Заключение

Выпрямительный электроизмерительный прибор служит для измерений силы перем. тока или напряжения; состоит из выпрямителей тока и устройства для измерения силы постоянного тока и напряжения - обычно магнитоэлектрического измерительного прибора, соединённых, как правило, по схеме мостовой цепи. Как правило, шкала выпрямительный электроизмерительный прибор градуируется в действующих среднеквадратических значениях измеряемой электрич. величины; в случае несинусоидальной формы измеряемой величины значительно возрастает погрешность измерений. Достоинства В. э. п.: высокая чувствительность по току, малое собств. потребление мощности, возможность использования при повыш. частотах до 10 - 20 кГц.

Список литературы

1. Слободкин М.С. и др. Исполнительные устройства регуляторов: Справочное руководство - М.: Недра, 1972, 304с.

2. Полоцкий Л.М., Лапшенков Т.И. Автоматизация производств. Теория, расчет и проектирование систем автоматизации.- М.: Химия, 1982, 296с.

Размещено на Allbest.ru