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_выхr_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_выхr_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=r₁+r₂ и r_Г<<r_х, а чувствительность гальванометра высокая (DI»0), 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 w_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 a_1m:

е_х=-w_к =ir+L,(**)

где w_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

w_кDФ_х=Qr,

где DФ_х – изменение потока за указанное время (в нашем случае DФ_х=Ф_х); Q – ко-

личество электричества, прошедшего в цепи.

Так как a_1m=S_бQ, то Q=C_бa_1m, где С_б – баллистическая постоянная гальванометра в кулонах на деление; a_1m – первый наибольший отброс подвижной части гальва-

нометра.

Окончательно получаем

DФ_х=a_1m=a_1m,

где С_ф=С_бr – 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 DI во вторичной ее обмотке, присоединенной к баллистическому гальванометру (см. рис. 4), произойдет изменение магнитного потока:

DF=MDI,

где М – коэффициент взаимной индуктивности катушки.

Это изменение потока DF вызовет отброс подвижной части баллистического галь-

ванометра b_1m.

Отсюда интерисующая нас постоянная баллистического гальванометра по магнит-

ному потоку будет

С_ф=, Вб¤дел.

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+P₂=Bswi.

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+P₂=(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

P₂ Da==DФ_хw_к.

окончательно получим

Da=DF_х=DF_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 DF_х берут разность показаний прибо-

ра Da=a₂-a₁, где a₂ – конечное показание, a₂ – 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

w_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 DY=w_кDF=(w_кs)_ИКB=m₀(w_кs)_ИКH;

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.