Фотогальванометрический веберметр
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
“ЛЭТИ”
Кафедра ИИСТ
Курсовой проект на тему
Фотогальванометрический веберметр
Выполнил:Климченко Ю.А.
Гр.1562
Преподаватель:Бишард Е.Г.
2004г.
Фотогальванометрические приборы для измерения
и регистрации малых токов и напряжений
Обычные показывающие и регистрирующие приборы не отвечают уровню
современных требований по чувствительности, точности и быстродействию,что привело к необходимости искать решение проблемы в совершенствовании и при- менении компенсационных приборов с гальванометрическими и электронными усилителями.
Наиболее распространены фотогальванометрические компенсационные прибо-
ры(ФГКП), в которых используются гальванометрические усилители с фотоэлект-
рическими преобразователями.
Отечественная промышленность приобрела большой опыт и достигла значитель-
ных успехов в области изготовления ФГКП. Достаточно сказать, что выпускаются
приборы с ценой деления 1*10-9В (Ф118) и 1*10-11А (Ф128).
Следует отметить, что высокие технические характеристики ФГКП не исклю-
чают наличия у них ряда существенных недостатков, связанных с наличием фото-
электрического преобразователя.
В связи с этим исследуется возможности применения в компенсационных при-
борах гальванометрических усилителей с трансформаторными (индукционными)
преобразователями (самопишущий милливольтметр Н37-1).
Компенсационные приборы с использованием гальванометрических усилителей не могут применяться в условиях тряски и вибраций , так как они очень чувстви-
тельны к сотрясениям. В этих случаях используют компенсационные приборы с электронными усилителями переменного тока.
Структурная схема прибора такого типа (рис.1) содержит модулятор М, усили-
тель У>~>, фазочувствительный выпрямитель ФЧВ, обратный преобразователь ОП и
выходной прибор – миллиамперметр.
В качестве модуляторов применяются вибропреобразователи и динамические конденсаторы (при измерениях в высокоомных цепях). Компенсационные приборы с электронными усилителями восприимчивы к электромагнитным помехам, что ог-
раничивает их точность.
Принцип действия. На рис.2 показана принципиальная схема фотогальваномет-
рического компенсационного микповольтметра.
Наличие напряжения Е>х> на входе гальванометрический усилитель вызовет появ-
ление тока в рамке гальванометра, а следовательно, ее вращение. При этом прои-
зойдет перераспределение освещенности фоторезисторов и в выходной цепи при-
бора появится ток I>вых>. Падение напряжения U>к> на сопротивлении r>к>> > (U>к>=I>вых>r>к>) стремится скомпенсировать входное напряжения E>x> (это обеспечивается опреде-
ленной полярностью включения гальванометра). Полной компенсации в схеме не произойдет, так как для поддержания рамки в откланенном состоянии (в против-
ном случае I>вых> = 0) в ее цепи должен протекать некоторый ток некомпенсации I>нк>. При достаточно высокой чувствительности гальванометра можно считать, что
I>нк>0,тогда E>х>U>к>=I>вых>r>к >().
Как показывает равенство (), выходной ток I>вых> может служить мерой E>х>. Для измерения этого тока используются обычно магнитоэлектрические милли- или микроамперметры, шкала которых градуируется в единицах напряжения.
Принципиальная схема фотогальванометрического микроамперметра приведена на рис. 3. В этой схеме в момент компенсации ток I>х>’, являющийся частью измеряе-
мого тока I>х>, который составляет определенную часть выходного тока I>вых>. Если предположить, что r>Г>r>1>r>2> и r>Г>r>х>, а чувствительность гальванометра высокая (I), то будут справедливыми равенства
I>к>=I>вых>
=I>х>,
т.е. ток, измеряемый выходным прибором, пропорционален измеряемому току I>х>.
В конструкциях ФГКП предусмотрены специальные зажимы для включения ре-
гистрирующего прибора, с помощью которого можно осуществить запись показа-
ний (на рис.2 и рис.3, а эти зажимы обозначены как зажимы для включения сопро-
тивления нагрузки r>н>).
Промышленностью выпускаются также фотогальванометрические компенсацион-
ные усилители постоянного тока (Ф115, Ф117 и др.), которые отличаются от ФГКП отсутствием встроенного выходного прибора (выходным прибором может служить стандартный показывающий или самопишущий прибор с соответствующим преде-
лом измерения).
Фотогальванометрический веберметр
На рис. 4 приведена принципиальная схема использования баллистического галь-
ванометра для измерения магнитного потока. Обозначения на схеме: ИК – измири-
тельная катушка, БГ – баллистический гальванометр; М – катушка взаимной ин-
дуктивности; А – амперметр.
Если изменить поток, сцепленный с витками >к> измерительной катушки ИК, нап-
ример, от Ф>х> до 0, то на зажимах измерительной катушки возникает э.д.с. е>х>, кото-
рая будет уравновешена активным и реактивным падением напряжения в цепи бал-
листического гальванометра; при этом первый наибольший отброс подвижной час-
ти гальванометра будет >1>>m>:
е>х>=>к>
=ir+L
,()
где >к> – число витков измерительной катушки; i – ток в цепи; r – сопротивление це-
пи гальванометра (сумма сопротивления рамки гальванометра и сопротивления внешней цепи); L – индуктивность цепи.
Интегрируя левую и правую часть выражения в пределах времени изменения по-
токосцепление и учитывая, что в момент начала и окончания изменения потоко-
сцепления ток равен нулю, получим
>к>Ф>х>=Qr,
где Ф>х> – изменение потока за указанное время (в нашем случае Ф>х>=Ф>х>); Q – ко-
личество электричества, прошедшего в цепи.
Так как >1>>m>=S>б>Q, то Q=C>б>>1m>, где С>б> – баллистическая постоянная гальванометра в кулонах на деление; >1>>m> – первый наибольший отброс подвижной части гальва-
нометра.
Окончательно получаем
Ф>х>=
>1>>m=
>>1m>,
где С>ф>=С>б>r – постоянная баллистического гальванометра по магнитному потоку в веберах на деление.
Из этого выражения видно, что постоянная баллистического гальванометра С>ф> за-
висит от сопротивления цепи, поэтому определять ее необходимо при том сопро-
тивлении цепи, при котором производится измерение магнитного потока. Кроме того, так как точность интегрирования импульса зависит от его длительности, из-
менение потока должно происходить достаточно быстро,чтобы продолжительность
импульса была в 20 – 30 раз меньше периода колебаний подвижной части гальва-
нометра.
Для определения постоянной баллистического гальванометра по магнитному по-
току используют меру магнитного потока в виде двухобмоточной катушки с извест-
ной взаимной индуктивностью.
При изменении тока в первичной обмотке катушки взаимной индуктивности на не-
которую величину во вторичной ее обмотке, присоединенной к баллистическому гальванометру (см. рис. 4), произойдет изменение магнитного потока:
где М – коэффициент взаимной индуктивности катушки.
Это изменение потока вызовет отброс подвижной части баллистического галь-
ванометра >1>>m>.
Отсюда интерисующая нас постоянная баллистического гальванометра по магнит-
ному потоку будет
С>ф>=
,
Вбдел.
Баллистический гальванометр в рассмотренной схеме можно заменить вебермет-
ром.
В магнитоэлектрическом веберметре используется измерительный механизм маг-
нитоэлектрической системы с противодействующим моментом, близким к нулю, и большим моментом электромагнитного торможения (рамка веберметра замкнута на измерительную катушку, имеющую обычно малое сопротивление).
Уравнение движения подвижной части веберметра можно записать в следующем виде:
J
+P>2>
=Bsi.
Ток i определяется э.д.с., которая возникает в цепи веберметра при изменении по-
тока, сцепляющегося с витками измерительной катушкой, подключенной к зажимам веберметра. Эта э.д.с. определяется выражением ():
J+P>2>=
(e>x>-L).
Интегрируя это выражение за время движения подвижной части (от 0 до t) и учи-
тывая, что в момент времени 0 и t подвижная часть находится в состоянии покоя, получаем
P>2>
=Ф>х>>к>.
окончательно получим
>х>
>х>
,
где С>ф> – постоянная веберметра, обычно выражаемая в веберах на деление.
Показания веберметра не зависят от времени магнитного потока (как это имело место в баллистическом гальванометре) и в некоторых пределах не зависит от соп-
ротивления внешней цепи (если оно достаточно мало). Так как противодействую-
щий момент прибора равен нулю, то его указатель может занимать произвольное по-
ложение. При определении магнитного потока >х> берут разность показаний прибо-
ра >2>>1>, где >2> – конечное показание, >2> – начальное показание.
Для установления указателя на нулевую либо другую удобную отметку шкалы (например, ею иногда может быть средняя отметка) в приборе используют электри-
ческий корректор. Он представляет собой катушку, расположенную в поле постоян-
ного магнита. Если соеденить эту катушку с рамкой веберметра и изменить поток, сцепляющийся с витками катушки (путем поворота катушки или магнита), то рамка веберметра отклонится; регулируя положение катушки или магнита, устанавливают указатель прибора в нужное положение.
Баллистический гальванометр превосходит магнитоэлектрический веберметр по чувствительности и позволяет изменять магнитные величины с большей точностью, но является прибором неградуированным и требует определения постоянной по маг-
нитному потоку С>ф> в каждом конкретном случае.
Веберметр является переносным прибором, шкала его отградуирована в единицах магнитного потока, он прост и удобен в работе, его показания в довольно широких пределах не зависят от сопротивления цепи и времени изменения потокосцепления.
Основными недостатками его являются относительно низкая чувствительность и малая точность.
В значительной мере лишен этих недостатков фотогальванометрический веберметр (ФЭВ).Упрощенная принципиальная схема ФЭВ, поясняющаяпринцип его действия, приведена на рис.5.
Работает схема следующим образом. Разность э.д.с. е>х>, возникающей на зажимах измерительной катушки ИК при изменении потокосцепления, и э.д.с. е>о.с.> обратной связи создает ток i, протекающий через обмотку рамки гальванометра Г с миниатюр
ным зеркальцем на подвижной части. Отклонение подвижной части гальванометра под действием тока i вызывает перемещение светового пятна по последовательно включенным фотосопротивлениям ФС1 и ФС2, в результате чего на входе усилите-
ля У появится сигнал и выходной ток I усилителя скомпенсирует е>х> через отрицате-
льную обратную связь при помощи катушки взаимной индуктивности М. Считая в приближении е>х>е>о.с.> (предпологаем, что применен гальванометр высокой чувствите-льности к напряжению, и неучитываем э.д.с., индуктированную в рамке гальвано-
метра при ее движении), получим
>к>
M
,
т.е. по току I можно судить о потоке Ф>х>.
Ток I можно измерить магнитоэлектрическим прибором, а при необходимости за-
писать самопишущим прибором или осциллографом. Теоретические и эксперимен-
тальные исследования компенсационного фотоэлектрического веберметра подтверж-
дают зависимость тока I от потока Ф>х> и показывают возможность осуществления по-
добного прибора для измерения весьма малых потокосцеплений.
Все рассмотренные приборы измеряют изменение потокосцепления >к>>к>s>ИК>B>0>>к>s>ИК>H;
B=
;
H=
.
Некоторые характеристики отечественных приборов:
1 баллистические гальванометры имеют постоянную по магнитному потоку от 0,8 * 10-6 Вб/мм/м (тип М171/12) до 40*10-6 Вб/мм/м (тип М197/1);
2 магнитоэлектрические веберметры имеют пределы измерения от 500мкВб (тип М199) до 10 м Вб (тип М1119), т.е. постоянная колеблется от 5*10-6 Вб/дел до 100*10-6 Вб/дел.;
3) фотоэлектрические веберметры имеют пределы измерения от 2 мкВб до 500 мкВб (тип Ф190), т.е. постоянная колеблется в пределах от 0,02*10-6 Вб/дел. до 5*10-6 Вб/дел.
Список литературы
1)“Информационно-измерительная техника” - Бишард Е.Г.,2 изд. М:Высшая школа 1991
2)”Электрические измерения” – Фремке А.В.
3)”Электромагнитные устройства ИИТ” – Преображенский А.А.