Расчет многопредельного амперметра и вольтметра

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Введение

Амперметры и вольтметры магнитно-электрической системы являются основными приборами для измерения тока и напряжения в цепях постоянного тока. Основными их достоинствами являются высокая степень точности; высокая чувствительность к току и напряжению, большой диапазон измерения тока и напряжения с применением шунтов и добавочных сопротивлений, равномерная шкала и др.

Целью данной курсовой работы является выполнение расчетно-графических заданий по расчету шунтов и добавочных сопротивлений, расчет этих значений производиться с целью изучения методики построения приборов для измерения в определенном пределе измерения. Данные вычисления применяются в создании аналоговых измерительных приборов.

Основной задачей работы является расчет многопредельного амперметра и вольтметра, а также конструирование омметра на базе заданного стрелочного микроамперметра со шкалой 0,1-10 Ом, 1-150 Ом, 10-1000 Ом, 0,1-15 кОм с разработкой технического решения одним комбинированным прибором с общей принципиальной схемой.

Структура работы определяется поставленной целью и задачами, в соответствии с этим работа включает в себя введение, три главы, заключение и список литературы.



Глава 1. Обзор аналогов измерительных устройств

1.1 Классификация средств измерения

Классификация средств измерения приведена на рисунке 1.1.

 

Условные обозначения:

1 - меры;

2 - измерительные преобразователи;

3 - измерительные приборы;

4 - измерительные установки;

5 - измерительные системы;

6 - однозначные меры;

7 - многозначные меры;

8 - электрические преобразователи;

9 - электронные преобразователи;

10 - магнитные преобразователи;

11 - аналоговые приборы;

12 - цифровые приборы.

Рисунок 1.1 - Классификация средств измерения

Мера - это средство измерения (СИ), предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.

Однозначные меры служат для воспроизведения однозначной физической величины.

Многозначные меры плавно или дискретно воспроизводят ряд значений одной и той же физической величины.

Аналоговые электроизмерительные приборы (АЭП) представляют собой важнейшую группу технических средств электрических измерений.

АЭП называют средства электрических измерений, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации, являющихся непрерывными функциями измеряемых физических величин в форме доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Аналоговые электроизмерительные приборы (АЭП) представляют собой важнейшую группу технических средств электрических измерений.

АЭП называют средства электрических измерений, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации, являющихся непрерывными функциями измеряемых физических величин в форме доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

1.2 Обобщённая структурная схема АЭП

В структурах АЭП выделяют сходные по функциональному признаку узлы, что позволяет пользоваться обобщённой структурной схемой (рисунок 1.2).

Условные обозначения:

УП - устройство преобразования;

ОУ - отсчетные устройства;

ОС - образцовые средства;

ВУ - вспомогательные устройства.

Рисунок 1.2 - Обобщенная структурная схема АЭП

Устройство преобразования (УП) состоит из одного или нескольких измерительных преобразователей (ИП), предназначенных для преобразования измеряемой величины x в такой сигнал y, параметры которого соответствуют входным характеристикам отсчётного устройства. В УП могут входить масштабные, функциональные и другие виды ИП.

Отсчетные устройства (ОУ) предназначены для преобразования сигналов измерительной информации y в форму, доступную для считывания значений измеряемой величины.

Оразцовые средства (ОС) используют для калибровки АЭП (генератор меток в электронных осциллографах).

Вспомогательные устройства (ВУ) не принимают непосредственного участия в преобразовании сигналов, но обеспечивают необходимые условия работы других узлов (источники питания).

Устройства преобразования и отсчёта являются необходимой принадлежностью структуры АЭП, в то время как, наличие образцовых средств и вспомогательных устройств не является обязательным.

1.3 Классификация АЭП

Классификация АЭП представлена на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Классификация АЭП

В АЭП прямого преобразования входной сигнал х преобразуется одним или несколькими преобразователями П1,….,Пn в одном направлении от входа к выходу.

Рисунок 1.4 - Структурная схема АЭП прямого преобразования

В АЭП уравновешенного (компенсационного) преобразования входная величина x компенсируется величиной x?, представляющей собой выходную величину y, преобразованную цепью обратного преобразования. В этой группе АЭП вся цепь прямого преобразования охвачена отрицательной обратной связью (ООС).

Рисунок 1.5 - Структурная схема АЭП компенсационного преобразования

Если в структуру АЭП введена ООС, охватывающая не все звенья цепи прямого преобразования, то такие АЭП следует отнести к разряду приборов смешанного преобразования (рисунок 1.6).

Рисунок 1.6 - Структурная схема АЭП смешанного преобразования



1.4 Метрологические характеристики и параметры аналоговых электроизмеритетельных приборов

Технические характеристики СИ влияющие на результаты и погрешности измерений называются метрологическими характеристиками. Подаваемый на вход АЭП сигнал характеризуется, как правило, рядом параметров.

Информативным параметром входного сигнала называют параметр входного сигнала, функционально связанный с измеряемым свойством или являющийся самим измеряемым свойством объекта.

Неинформативным параметром входного сигнала называют параметр входного сигнала, не связанный функционально с измеряемым свойством объекта измерения.

Информативным параметром выходного сигнала называют параметр выходного сигнала функционально связанный с информативным параметром входного сигнала преобразователя или являющийся выходной величиной меры.

Неинформативный параметр выходного сигнала - это параметр выходного сигнала не связанный функционально с информативным параметром входного сигнала преобразователя или не являющийся выходной величиной меры.

Основные технические характеристики средств измерения

К основным техническим характеристикам средств измерения относятся:

-чувствительность;

-порог чувствительности;

-стабильность чувствительности;

-диапазон и предел измерения;

-потребляемая прибором мощность;

-время установления показаний;

-класс точности.

1.4.1 Чувствительность

Чувствительность - это отношение изменения выходного сигнала АЭП к вызывающему его изменению измеряемой величины.

Различают абсолютную и относительную чувствительности.

Sабс.= Дхп/Дх; (1.1)

Sотн.=Дхп/(Дх/х), (1.2)

где Дх - изменение величины на входе АЭП;

Дхп - изменение величины на выходе АЭП;

х- мгновенное значение входной величины.

Существенной характеристикой АЭП является порог чувствительности - минимальное изменение входной величины, которое может зафиксировать прибор без каких-либо дополнительных устройств.

Стабильность чувствительности - характеризует стабильность чувствительности во времени при различных воздействиях внешних факторов.

1.4.2 Диапазон и предел измерений

Диапазон - это область значений измеряемой величины для которой нормированы допускаемые погрешности прибора. Различают верхний и нижний пределы измерений прибора - наибольшее и наименьшее значения диапазона измерений.

АЭП выпускают однопредельными и многопредельными.

В многопредельных приборах диапазон измерений разбивается на поддиапазоны, причём их верхние пределы выбирают так, чтобы существенно снизить относительную погрешность измерений.

Динамический диапазон D, определяется как отношение наибольшего верхнего предела измерений прибора хв к минимальному значению хо измеряемому прибором.

D=хв/хо. (1.3)

Диапазон частот прибора определяется тем диапазоном частот изменения входного сигнала (измеряемая величина) при котором чувствительность прибора меняется в заданных пределах.

Различают узкополосные и широкополосные АЭП.

Узкополосные АЭП предназначены для работы в узкой фиксированной или регулируемой полосе частот.

Широкополосные рассчитаны на работу в условиях значительных изменений частоты входного сигнала, причём верхняя и нижняя границы диапазона частот нормируются для каждого типа приборов техническими условиями.

1.4.3 Потребляемая прибором мощность

Потребляемая прибором мощность - это мощность, которую отдаёт объект измерения измерительному устройству, причём, чем больше мощность, тем сильнее искажается объект измерений. Чем меньше потребляемая мощность, тем большее влияние на объект измерения оказывают шумы.

1.4.4 Время установления показаний

Время установления показаний - это промежуток времени от момента скачкообразного изменения входной величины до момента установления показаний отсчётного устройства с заданной точностью.



1.4.5 Класс точности прибора

Класс точности введён для сопоставления средств измерения, предназначенных для измерения одной и той же физической величины.

Класс точности - это обобщённая характеристика, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей.

1.5 Погрешности аналоговых электроизмерительных приборов

Различают:

- основную погрешность;

- дополнительную погрешность;

- динамическую погрешность;

- погрешность взаимодействия.

Основная погрешность обусловлена отличием реальной характеристики преобразования СИ в нормальных условиях эксплуатации от номинальной характеристики преобразования. По способу числового выражения основная погрешность подразделяется на три вида:

1) абсолютную (разность между действительным и измеренным значением)

Д=x-xи; (1.4)

2) относительную

д= (Д/ xи)·100% ; (1.5)

3) приведённую (отношение абсолютной погрешности к диапазону измерения шкалы прибора)

г= (Д/ xн )·100%. (1.6)

Если г=( Д/ хв)·100%, (1.7)

то г - класс точности.

По способу влияния на функцию преобразования основная погрешность подразделяется на аддитивную и мультипликативную составляющие погрешности. Аддитивная составляющая не зависит от чувствительности прибора и остаётся постоянной для всех значений входной величины (Да=const).

Рисунок 1.7 - График аддитивной составляющей погрешности

Мультипликативная составляющая зависит от чувствительности прибора и изменяется пропорционально текущему значению входной величины (Дm=bx).

Рисунок 1.8 - График мультипликативной составляющей погрешности

Полная погрешность равна сумме аддитивной и мультипликативной составляющих.

(Дп= Да+Дm).

Рисунок 1.9 - Графики аддитивной (1), мультипликативной (2) составляющих погрешности и полной погрешности (3)

Аддитивная и мультипликативная составляющие могут носить систематический или случайный характер.

Систематическая погрешность - это составляющая погрешности, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при многократном измерении одной и той же величины.

Случайная погрешность изменяется случайным образом и вызвана переходными процессами коммутирующих устройств.

Дополнительная погрешность обусловлена реакцией средств измерения на изменение внешних факторов и неинформативных параметров.

Динамическая погрешность обусловлена реакцией средств измерения на частоту изменения входного сигнала.

Погрешность, обусловленная взаимодействием средства измерения и объекта измерения, вызванная тем, что при подключении средства измерения к объекту измерения происходит изменение значения измеряемой величины относительно того значения, которое она имела до подключения, называется погрешностью взаимодействия.

1.8 Нормирование погрешностей

Если аддитивная составляющая погрешности преобладает над мультипликативной, то нормируется абсолютная погрешность и нормируемое значение выражается

одним числом. При этом предел относительной погрешности

?отн (х)= Да/х (1.8)

будет иметь вид, как на рисунке 1.10.

Рисунок 1.10 - Нормированная аддитивная погрешность

Нормирование по Да не позволяет сравнивать приборы с разными диапазонами измерений.

Если мультипликативная составляющая преобладает над аддитивной, то Дм=bх (x - измеряемая величина, b - коэффициент преобразования).

В этом случае:

д=bх/х=b±q, (1.9)

где q принадлежит ряду р.

р=(1;1,5;2;2,5;4;5;6)·10n, (1.10)

где n=1;0;-1;-2...

Если аддитивная и мультипликативная составляющие соизмеримы, то предел допускаемой погрешности

омметр стрелочный погрешность резистор

дпр.=(a+bх)/x=a/x+a/хk-a/хk+b=(b+a/хk)+а/х-а/хk=(b+a/хk)+а/хk(хk/х-1)=с+d(хk/x-1), (1.11)



где d=a/хk (аддитивная составляющая);

(b+a/хk)=c (основная погрешность);

(c-d) - (мультипликативная составляющая);

хк - верхний предел измерения;

c,d - параметры класса точности г

г =((с/d)>1).

По способу влияния на функцию преобразования основная погрешность подразделяется на аддитивную и мультипликативную составляющие погрешности. Аддитивная составляющая не зависит от чувствительности прибора и остаётся постоянной для всех значений входной величины (Да=const).

Рисунок 1.7 - График аддитивной составляющей погрешности

Мультипликативная составляющая зависит от чувствительности прибора и изменяется пропорционально текущему значению входной величины (Дm=bx).

Рисунок 1.8 - График мультипликативной составляющей погрешности

Полная погрешность равна сумме аддитивной и мультипликативной составляющих.

(Дп= Да+Дm).

Рисунок 1.9 - Графики аддитивной (1), мультипликативной (2) составляющих погрешности и полной погрешности (3)

Аддитивная и мультипликативная составляющие могут носить систематический или случайный характер.

Систематическая погрешность - это составляющая погрешности, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при многократном измерении одной и той же величины.

Случайная погрешность изменяется случайным образом и вызвана переходными процессами коммутирующих устройств.

Дополнительная погрешность обусловлена реакцией средств измерения на изменение внешних факторов и неинформативных параметров.

Динамическая погрешность обусловлена реакцией средств измерения на частоту изменения входного сигнала.

Погрешность, обусловленная взаимодействием средства измерения и объекта измерения, вызванная тем, что при подключении средства измерения к объекту измерения происходит изменение значения измеряемой величины относительно того значения, которое она имела до подключения, называется погрешностью взаимодействия.



Глава 2. Электрические расчеты прибора

2.1 Расчет многопредельных измерительных приборов со стрелочными индикаторами

Эти приборы позволяют более оперативно производить измерения, а точность измерений определяется их классом и точностью постоянных резисторов, используемых в качестве шунтов и добавочных сопротивлений, расширяющих пределы измерений.

Рассмотрим версию методики выбора величин резисторов по расширению пределов измерения для токов. Типовая схема включения шунтирующих резисторов для обеспечения «п» пределов измерения тока приведена на рис. 1, где -- резисторы универсального шунта, -- добавочный резистор, включенный последовательно с рамкой микроамперметра,

-- сопротивление его рамки, -- новые пределы измерения постоянного тока.

Рис. 1. Типовая, принципиальная схема включения шунтирующих резисторов для обеспечения n пределов измерения тока.



Шунты применяют тогда, когда требуемый наименьший предел измерения тока превышает ток полного отклонения стрелки микроамперметра . При подаче тока падение напряжений на универсальном шунте и клеммах микроамперметра с учетом сопротивления добавочного резистора оказываются одинаковыми:

откуда получаем, что

Воспользовавшись вторым законом Кирхгофа, найдём выражение для :

Расчет величин резисторов шунта производят, начиная с верхнего предела измерения.

Если стрелочный микроамперметр используют в качестве вольтметра, то для расширения пределов измерения напряжений последовательно с ним включают дополнительные резисторы (рис. 2), где -- добавочное сопротивление, включаемое последовательно с рамкой микроамперметра, а -- добавочные резисторы. Зная ток полного отклонения используемого микроамперметра, сопротивление его рамки и сопротивление выбранного резистора , определяют сопротивление добавочных резисторов из следующих выражений для заданных пределов измерения напряжений постоянного тока:

Обобщая полученное аналитическое выражение для , найдём аналитическое выражение для .

Рис. 2. Принципиальная схема многопредельного вольтметра.

2.2 Измеритель сопротивлений резисторов

При конструировании стрелочных измерительных приборов, предназначенных для измерения в цепях постоянного тока, в их состав вводят и измеритель сопротивлений резисторов. Как видно из схемы (рис. 3), основой омметра является обычный многопредельный амперметр, в состав которого дополнительно введены добавочные резисторы , источник постоянного тока Б1 и переменный резистор . В связи с введением этого резистора упрощается компенсация уменьшения напряжения батареи при ее разрядке. Расчет сопротивлений добавочных резисторов производят по следующей формуле:

где -- результирующее сопротивление амперметра на пределе измерений, равное:

Рис. 3. Принципиальная схема многопредельного омметра.

Влиянием переменного резистора можно пренебречь, так как результирующее сопротивление амперметра существенно меньше сопротивления этого резистора.

Изложенную методику расчета сопротивлений шунтов и добавочных резисторов проиллюстрируем на примере многопредельных амперметра, вольтметра и омметра. Пусть имеется стрелочный микроамперметр типа М-24 с током полного отклонения 100мкА и сопротивлением рамки 680Ом. Требуется сконструировать измерительный прибор со следующими пределами измерений:

амперметр -- 0--1мА; 0--10мА; 0--100мА и 0--1А;

вольтметр -- 0--1В; 0--10В; 0--100В и 0--1000В;

омметр -- 0,1--10Ом; 1--100Ом; 10--1000Ом и 0,1--10кОм.

Для упрощения расчета выберем сопротивление резистора , равное 320Ом. Тогда общее сопротивление универсального шунта на самом чувствительном пределе измерения будет равным:

Зная сопротивление , определим сопротивления резисторов универсального шунта для остальных пределов измерений:

Определим величины сопротивлений добавочных резисторов для вольтметра:

Рассчитав сопротивления резисторов универсального шунта амперметра, для схемы омметра определим сопротивления дополнительных резисторов, учитывая, что питание омметра будет производиться от одного элемента типа 373 с минимальным напряжением , равным 1В.

Для этого предварительно определим результирующее сопротивление амперметра на каждом пределе измерений:

Рассчитаем сопротивление дополнительных резисторов для пределов измерений:

0,1 - 10 Ом;

1 - 100 Ом;



10 - 1000 Ом;

0,1 - 10кОм;

В заключении выбираем сопротивление переменного резистора из условий:



Глава 3. Выработка технического решения

3.1 Описание измерительного прибора

Рассматриваемый универсальный измерительный прибор (рис. 4) помимо измерений в цепях постоянного тока позволяет производить измерения переменного напряжения и тока. Методика расчета шунтов и дополнительных резисторов при измерениях в цепях переменного тока остается прежней, изменяются лишь чувствительность стрелочного микроамперметра и его полное сопротивление за счет включения выпрямителя переменного тока. Этот выпрямитель ограничивает и высшую частоту измеряемого переменного тока.

Технические характеристики прибора следующие. Измерение постоянного и переменного напряжения производится на шкалах 0--0,1; 0---1; 0--10; 0--100; 0-- 1000В, входное сопротивление при измерении постоянного напряжения составляет 20кОм/В, а переменного -- 6,6кОм/В. Постоянный ток измеряется на шкалах 0-- 0,1; 0--1; 0--10; 0--100мА и 0--1А, а переменный -- 0--1; 0--10; 0--100мА и 0--1А. Погрешность измерений постоянного напряжения и тока не превышает ±2%, а переменного (кроме шкал 0--0,1В и 0--1мА, где погрешность доходит до 15%) ±4%.

Измерение сопротивлений резисторов осуществляется на шкалах 2--200; 20--2000Ом; 0,2--20 и 2--200кОм с погрешностью, не превышающей ±5%. Прибор может работать и в режиме пробника для измерения целости электрических цепей током до 1А. Питание пробника и омметра осуществляется от встроенной батареи, состоящей из двух элементов типа 373.

Рис. 4. Принципиальная схема комбинированного прибора.

Изменение пределов измерения производится с помощью переключателя В1, а рода работы -- переключателем В2. Постоянные резисторы и являются дополнительными при измерении соответственно постоянного и переменного напряжений. Резисторы -- сопротивления универсального шунта для измерения постоянного и переменного токов. Максимальное падение напряжения при измерении постоянного тока не превышает 0,2, а переменного -- 0,6В. Резисторы являются дополнительными в схеме омметра. С помощью резистора увеличивается входное сопротивление рамки микроамперметра до 2000±10Ом. Выпрямление переменного напряжения производится диодами Д1 и Д2, а калибровка требуемой чувствительности при измерениях в цепях переменного тока -- подстроечнымрезистором . Переменный резистор предназначен для установки стрелки микроамперметра на начальное деление шкалы при измерении сопротивлений, а резистор ограничивает диапазон изменения чувствительности омметра.



Заключение

Мультиметр - это комбинированный измерительный прибор, предназначенный для измерения нескольких электрических величин. В самом минимальном наборе - это амперметр, вольтметр и омметр.

В аналоговых приборах изменение пределов измерения для амперметра достигается параллельным подключением дополнительного сопротивления (шунта Rш), уменьшающего ток, протекающий через измерительный механизм. В вольтметрах изменение пределов измерений производится последовательным подключением дополнительных сопротивлений Rд.

Для вольтметров электростатической системы изменение пределов измерения производится механическим изменением расстояния между неподвижным и подвижным электродом.

Основное требование, предъявляемое к электроизмерительному прибору, заключается в том, чтобы он не изменял параметры и режим работы цепи, в которую он включается. Именно поэтому амперметр, включаемый в цепь последовательно, должен иметь как можно меньшее сопротивление, а вольтметр, включаемый параллельно тому участку, на котором измеряется напряжение, наоборот, должен иметь как можно большее сопротивление.



Список литературы

1. Андреев, В.С. Теория нелинейных электрических цепей / В.С. Андреев. - М.: Радио и связь, 2012. - 86 с.

2. Баскаков, С.И. Радиотехнические цепи и сигналы / С.И. Баскаков. - М.: Высшая школа, 2010. - 462 с.

3. Гольденберг, Л.М. Цифровая обработка сигналов / Л.М. Гольденберг.-М.: Радио и связь, 1990. - 256 с.

4. Гоноровский, И.С. Радиотехнические цепи и сигналы / И.С. Гоноровский. - М.: Радио и связь, 2009. - 93 с.

5. Григоровский, Л.Ф. Теория электрической связи: учебное пособие / Л.Ф. Григоровский. - М.: ЛЭИС, 2010. - 115 с.

6. Зюко, А.Г. Теория передачи сигналов / А.Г. Зюко. - М.: Радио и связь, 2012. - 145 с.

Размещено на Allbest.ru

...