11. Daviklių signalų matuokliai ir normikliai
Tiesioginės
atskaitos prietaisų matuokliai
Magnetoelektrinis matuoklis.Jo veikomo principas pagrįstas tuo, kad nuolatiniame magnetiniame lauke esantį laidininką, kuriuo teka srovė, veikia elektromagnetinė jėga.Vienalyčiame nuolatiniame magnetiniame lauke yra lengvas, suvyniotas iš plono izuoliuoto laido rėmelis. Magnetoelektrinio matuoklio konstrukcija gali būti ir šiek tiek kitiokia.
Svarbiausia jų privalumai:
1)tolygi skalė;
2) jautrumas(stiprus magnetinis laukas, judamoji dalis lengva);
3) tikslumas(nuolatinis magnetinis laukas, todėl nėra nuostuolių magnetikuose);
4) nejautrumas pašaliniams magnetiniams laukams (stiprus savasis).
Trūkumai: 1) rodikliniai prietaisai tinka tik nuolatiniai srovei matuoti;
2) jautrūs perkrovai (srovė teka į rėmelį spyruoklėms ar atotampoms);
3) gana brangūs ir jų konstrukcija sudėtinga.
Dėl savo gerųjų savybių magnetoelektrinis matuoklis naudojamas nuolatinės srovės ampermetruose, voltmetruose, ommetruose, o panaudojus keitiklį, ir kintamosios srovės matavimo prietaisuose. Dėl didelio jautrumo magnetoelektrinės sistemos matuokliai taikomi galvanometruose, kur yra labai sumažinamas atoveikio mechaninis momentas, o atskaitai naudojama šviesinė rodyklė.
Elekromagnetinis matuoklis.Dvi
jo šiek tiek skirtingos konstrukcijos parodytos 8.14 pav. Tekant srovei nejudama
stačiakampio skerspjūvio rite, atsiranda elektromagnetinės jėgos. Jos įtraukia
minkštamagnetės medžiagos lapelį į siuarą ritės plyšį. Gali būti cilindrinė
ritė. Jos magnetinis laukas įmagnetina viduje esančias cilindro išpjovas; judamąją
(1) ir nejudamąją (2). Tarp jų vienvardžių magnetinių polių atsiranda stūmos
jėgos, judamoji prietaiso dalis pasisuka. Permalojaus cilindras apsuago ritės
vidų nuo pašalinių magnetinių laukų įtakos.
Elektromagnetiniai
matuokliai geri tuo , kad jie yra:
1)paprasti ir pigūs (nesudėtingi pagaminti);
2) nejautrūs perkrovoms (srovė į ritę teką tiesiogiai, o ne spyruoklėmis);
3) gali matuoti nuolatinę ir kintamąją srovę (efektinę vertę).
Svarbiausi jų trūkumai:
1)netiesinė skalė:
2) mažiau tikslūs (feromanetinėje šerdelėje gaunama liktinė imdukcija, nuostuoliai dėl
histerezės ir sūkurių);
3)nelabai jautrūs (srautas silpnas, nes magnetinio lauko uždaro oru).
Gaminami nuolatinės ir kintamosios srovės elektromagnetiniai ampermetrai ir voltmetrai.
Elektrodinaminis matuoklis.Elektrodinaminį
matuoklį sudaro dvi ritės: nejudamoji ir jos viduje esanti judamoji. Veikimo
principą galima paaiskinti abiejų ričių magnetinių laukų sąveika. Pirmąja rite
teka srovė i1. Jos sukurtame magnetiniame lauke yra
antroji ritė, kuria teka srovė i2 , todėl antrosios ritės
laidininkus veikia elektromagnetinės jėgos
(jėgų kryptys pažymėtos pagal kairiosios rankos taisyklę).
Elektrodinaminio matuoklio gerosios savybės šios:
1) tinka matuoti ir nuolatiniai, ir kintamajai srovei (efektiniai vertei);
2) tikslus (nėra feromagnetikų).
Trūkumai: 1)ampermetrų ir voltmetrų skalė kvadratinė;
2)jautrus perkrovoms (srovė teka spyruoklėmis);
3) sudėtinga konstrukcija;
4) magnetinis laukas silpnas, todėl nelabai jautrus ir didelę įtaką turi pašaliniai
magnetiniai laukai.
Gaminami
elektrodinaminiai ampermetrai (ritės jungiamos lygiagrečiai), voltmetrai (ritės
jungiamos nuosekliai) ir aktyviosios bei reaktyviosios galios matuokliai vatmetras
bei varmetras.
Ferodinaminis matuoklis skiriasi nuo elektrodinaminio tuo, kad jo nejudamosios ritės magnetinis srautas užsidaro magnetolaidžiu. Magnetinis srautas yra stipresnis negu elektrodinaminio matuoklio, todėl ferodinaminis matuoklis jautresnis, jo sukimo momentas didesnis (dėl to feromagnetinės sistemos matuoklis dažnai naudojamas savirašiuose prietaisuose). Antra vertus, dėl feromagnetinio magnetolaidžio jo tikslumas mažesnis.
Elektrostatinis matuoklis. Jo veikimas pagrįstas tuo, kad jo judamąją dalį stumia elektrinio lauko jėgos. Dėl tų jėgų poveikio gali kisti aktyvusis elektrodų plotas.
Prijungus prie jo elektrodų įtampą, elektrinio lauko jėgos stengiasi pasukti judamąjį elektrodą taip, kad elektrinio lauko energija We=CU2/2 būtų didžiausia. Taip esti, kai matuoklio talpa C didžiausia, T.Y. didžiausias aktyvusis elektrodų plotas.
Svarbiausi privalumai:
1) tinka matuoti nuolatiniai ir kintamajai įtampai;
2) maži energijos nuostuoliai;
3) matavimo rezultatai neturi įtakos aplinkos temperatūra, matuojamosios įtampos dažnis ir kreivės forma, pašaliniai magnetiniai laukai.
Trūkumai:
1)
mažas jautrumas ir nedidelis sukimo momentas, todėl paprastai elektrostatiniai
voltmetrai
daugiau naudojami aukštoms įtampoms matuoti;
2) jautrūs pašaliniams elektriniams laukams;
3) gana sudėtinga konstrukcija, nes reikia imti specialių priemonių, kad matuoklio talpa būtų kuo didesnė ir kuo geresnė izoliacija tarp elektrodų.
Elektrostatiniai matuokliai ypatingi tuo, kad elektrinis dydis, į kurį jie tiesiod reguoja, yra įtampa. Kai prie jų prijungta nuolatinė įtampa, jie visi nevartoja energijos, o kai kintamoji vartoja labai mažai.
Indukcinis matuoklis. jį
sudaro du elektromagnetai ir tarp jų esantis nemagnetinis (dažniausiai
aliuminio) diskas judamoji matuoklio dalis. Kai abiejų elektromagnetų ritėmis
teka kintamosios srovės, sukuriami du magnetiniai srautai:
1 (t) ir
2 (t). Verdami diską, jie indikuoja diske sūkurines EVJ, todėl
jame teka sūkurinės i1F (t) ir i2F (t).Į
diską galime žiūrėti kaip į laidininką, kuriuo: 1)teka srovė i1F
ir jis yra antrojo elektromagneto magniatiniame lauke ir 2) teka srovė
i2F ir jis yra pirmojo elektromagneto magnetiniame lauke.
Dėl to diską veikia elektromagnetinės jėgos
ir
, sudarydamos sukimo momentą.
Tai integruojantysis prietaisas, todėl dažniausiai naudojamas suvartotos elektros energijos kiekiui matuoti. Prie trūkumų priskirtina sudėtinga konstrukcija, reikalaujanti didelio gamybos tikslumo.
Elektroniniai matavimo prietaisai
Šiuose prietaisuose yra naudojami įvairūs matuojamojo elektrinio signalo keitikliai elektroniai mazgai: lygintuvai, stiprintuvai, multivibratoriai, taip pat impulsyvų generatoriai, moduliatoriai, dešifratoriai ir kitokie specialūs blokai.
Išnagrinėkime kai kuriuos plačiausiai naudojamus elektroninius matavimo
prietaisus.
Lygintuviniai
prietaisai.Jie dar vadinami
detektoriais.Juose yra tikslus ir jautrus magnetoelektrinis matuoklis
su keitikliu-lygintuvas,kuris pakeičia matuojamąją kintamąją srovę nuolatine.Dažniausiai
naudojamas dvipusio lyginimo lygintuvas,kurio išlyginta vidutinė srovės vertė
yra dvigubai didesnė negu vienpusio lyginimo.
Lygintuvinio prietaiso rodyklės posūkio kampas yra proporcingas vidutinei
kintamosios srovės vertei: a=C
.Paprastai tokių prietaisų skalės sugraduojamos efektinėmis sinusinės
srovės vertėmis,todėl tiesiogiai jais galima matuoti tik sinusinius elektrinius
dydžius. Kai srovė nesinusinė, matavimo rezultatą reikia perskaičiuoti, įvertinant
kreivės formos koeficientą, nes kitaip gaunamos didelės paklaidos.
Patogūs yra universalūs ir daugiaribiai lygintuviniai prietaisai nuolatiniai ir kintamajai srovei, bei įtampai matuopti, taip pat varžai ir talpai matuoti. Tai įvairūs ampervoltommetrai, kurių matavimo ribos keičiamos papildomais rezistoriais. Tokių universalių prietaisų tikslumas yra nedidelis.
Elektroninis voltmetras. Elektroniniai voltmetrai gali būti nuolatinės srovės, kintamosios srovės, impulsiniai, universalūs. Svarbiausios jų dalys yra dvi: magnetoelektroninis (rečiau elektrostatinis) matuoklis ir keitiklis elektroninis stiprintuvas.
Papraščiausią nuolatinės srovės elektroninį voltmetrą sudaro įtampos dalytuvas matavimo riboms praplėsti (jis sumažina matuojamąją įtampą n kartų), nuolatinės srovės stiprintuvas su maitinimo bloku MB ir jautrus bei tikslus magnetoelektrinis matuoklis.
Paprastai visų elektroninių voltmetrų skalės graduojamos sinusinių įtampų efektinėmis vertėmis. Kai tenka matuoti nesinusines įtampas, reikia pasirinkti voltmetrą su termoelekltriniu keitikliu arba išmatuotą rezultatą perskaičiuoti, įvetrinant amplitudės ir formos koeficientus.
Svarbiausias elektroninių voltmetrų privalumas yra didelė jų įėjimo varža. Jie jautrūs, todėl galima matuoti mažas įtampas. Praktiškai jie energijos iš matuojamosios grandinės nevartoja. Paprastai jais matuojamos kintamosios 20 Hz 200 MHz dažnio įtampos. Svarbiausi jų trūkumai yra sudėtinga schema ir kol kas dar palyginti nedidelis matavimų tikslumas.
Elektroniniai voltmetrai gali būti taikomi ir srovėms matuoti. Tuo tikslu į grandinę įjungiamas mažos varžos etaloninis rezistorius, kuriuo teka matuojamoji srovė. Voltmetru matuojama rezistoriaus įtampa, o voltmetro skalę sugradavus srovės matavimo vienetais, jis tampa ampermetru. Dažnai etaloninis rezistorius yra pačiame prietaise, kuris tampa ampermetru voltmetru.
Elektroninis oscilografas. Šio
elektroninio prietaiso ekrane gali būti stebimi ir matuojami įvairūs elektrinių
signalų parametrai.
Svarbiausia elektroninio oscilografo dalis yra elektroninis vamzdis. Paprastai tiriamasis, pavyzdžiui, sinusinis, signalas uy (t) prijungiamas prie vertikalaus kreipimo plokštelių plokštelių. Jis suteikia spinduliui vertikalų judesį. Prie horizontalaus kreipimo plokštelių prijungiamas signalas ux (t) iš pjūklinės įtampos generatoriaus. Jo įtampa tiesiškai didėja iki tam tikros vertės, po to staiga sumažėja iki nulio. Tokio jo periodiško kitimo dažnį galima reguliuoti, o kitimo pradžią galima sinchronizuoti su norimu tiriamojo signalo kitimo momentu.
Jeigu būtų prijungtas tiktai tiriamasis signalas, o pjūklinės įtampos
nebūtų, spindulio pėdsakas ekrane judėtų vertikaliai. Dėl regos inercijos,taip
pat dėl to, kad ekrano liuminoforaui būdingas pošvytis, ekrane matytume vertikalų
švytintį brūkšnį. Jei nebutų tiramojo signalo, dėl pjūklinės įtampos poveikio
spindulys lėtai slinktų iš kairės į dešinę ir staiga grįžtu atgal. Esant pakankamam
dažniui, šių judesių nematytume, ir butų matomas tik horizontalus švytintis
brūkšnys.
Kai tiriamasis ir pjūklinės įtampos signalas veikia kartu, spindulio
pėdsako padėtis ekrane nusakoma dviem koordinatėmis. Ordinatė yra tiriamojo
signalo stiprumas, o abscisė pjūklinės įtampso didumas. Tarkime, kad abu signalai
sinchronizuoti ir laiko momentu t0 =0 abu lygūs nuliui. Laiko
momentu t1 spinulys pakyla aukštyn, nes padidėja tiriamasis
signalas, ir pasislenka dešinėn, nes padidėja pjūklinė įtampa.Pėgsakas petenk
aį ekrano tašką 1. Laiko momentu t2 jis dar pakyla ir paslenka
dešinėn, todėl patenka į tašką 2. Taip pėdsakas juda tol ,kol spindulys staiga
gryžta atgal į pradinį tašką ir procesas kartojasi. Ekrane matoma tiriamojo
siganlo švytinti kreivė, kuri nejuda tuo atveju, kai tiriamojo sigano periodo
trukmė yra kartotinė pjūklinės įtampos kitimo periodui. Kai periodai yra lygūs,
ekrane matome vieną tiriamojo signalo periodo vaizdą. Kai tiriamojo signalo
periodas du kartus trumpesnis už pjūklinės įtampos, matome tiriamojo signalo
dviejų periodų kreivę ir t.t.Pjūklinės įtampos generatiorius signalo dažnį galima
keisti. Paprastai spinulio judėjimo trukmė 1mm ilgio horizontalia atkarpa yra
nuo 10ms iki 0,002
, o specialiuose oscilografuose ji gali būti dar ilgesnė ar trumpesnė už nurodytas
ribas.
Svarbiausios osciliografo charasteristikos yra šios:
1)Y kanalo jautrumas SY, kuris paprastai esti nuo 1mm/mV iki 0,0005mm/mV;
2) dažnių diapazonas, kuris paprastai esti nuo dešimtųjų herco dalių iki dešimčių bei šimtų megahercų;
3) įėjimo varža 0,5; 1; 10
;
4)įtampos matavimo ir laiko intervalų trukmės paklaidos(paprastai nuo 3 iki 10%).
Skaitmeninis voltmetras. Tai plačiausiai naudojamas skaitmeninis prietaisas. Juo matuojamoji įtampa palyginama su žinomu dėsniu kintančia įtampa ir palyginimo rezultatas paverčiamas skaitmeniniu kodu.
Gaminami uviversalūs skaitmeniniai ampervoltmetrai, kuriuose yra etaloniniai mažos varžos rezistoriai ir skaitmeninis voltmetras.
Skaitmeniniai prietaisai yra tikslūs (pavyzdžiui, gaminami tikslumo klasė
0,25/0,1; 0,02/0,005 ir tikslesni), didelis matavimo ribų diapazonas nuo 1
iki 1000 V, didelė įėjimo varža nuo 10 iki 1000
. Be to, informacija apie signalą gaunama objektyviai (nėra atskaitos paklaidų)
ir gali būti tiesiog įvedama į ESM.
Trūkumai yra šitokie: skaitmeniniai prietaisai kol kas dar yra nepekankamai patikimi, daugelis iš jų didoki ir brangūs. Tobulėjant elektroniniams įtaisams bei mikroschemoms, šių trūkumų bus išvengta.
Registruojantieji prietaisai
Mokslo tiriamajame darbe ar technologinių procesų kontrolei dažnai reikia žinoti, kaip kinta koks nors matuojamasis dydis priklausomai nuo laiko. Kai tas laikas gana ilgas, pavyzdžiui, kelios valandos, para ar pan., atskaitinėti rodyklinių prietaisų rodmenis ai po to braižyti grafikus yra nepatogu. Kai laikas yra trumpas, netgi ir neįmanoma.
Kai reikia gauti objektyvią matuojamojo dydžio kitimo diagramą priklausomai
nuo laiko, dažniausiai naudojami savirašiai prietaisai ir optiniai oscilografai.
Savirašiai prietaisai. Tai matavimo prietaisai, kurie užrašo matuojamojo dydžio kitimą laiko diagramos pavidalu. Savirašiai prietaisai gali būti lėtaveikiai skirti matuoti lėtai kintantiems (dažnis ne didesnis negu 1Hz) ir greitaveikiai greitai kintantiems (dažnis iki 150200Hz) dydžiams.
Lėtaveikį savirašį prietaisą sudaro matuoklis, rašymo įtaisas ir popieriaus traukimo mechanizmas. Dažniausiai naudojami magnetoelektriniai ir ferodinaminiai matuokliai, kurių sukimo momentai yra didesni.
Kreivę galima užrašyti judančioje diagraminio popieriaus juostoje plinksna,
naudojant specialų rašalą ar pastą. Popieriaus juosta juda pastoviu žinomu greičiu
(naudojamas sinchroninis variklis), todėl visada yra žinomas laiko mastelis.
Visi lėtaveikiai savirašiai prietaisai turi skales, todėl matuojamąjį dydį galima
atskaityti ir tiesiogiai.
Lėtaveikiai savirašiai prietaisai dažniausiai yra vieno kanalo jais galima registruoti tik vieną matuojamąjį dydį:srovę, įtampą, dažnį, aktyviąją ar reaktyviąją galią. Jų tikslumas nedidelis tikslumo klasė 1,0; 1,5 ir 2,5.Popieriaus traukimo greitis nuo 0,0055 mm/s iki 1,5 mm/s. Vienkanalį matavimo prietaisą galima naudoti su daugiakanaliu įėjimo komutatoriumi, kuris reguliariai perjunginėja įėjimo kanalus tam pačiam taškinio rašymo prietaisui.
Greitaveikiuose savirašiuose prietaisuose yra specialios konstrukcijos mažai inertiški magnetoelektriniai ar elektromagnetiniai matuokliai ir stipraus grįžtamojo ryšio elektroniai stiprintuvai. Šie prietaisai neturi skalių, nes tiesiogiai atskaityti matuojamąjį dydį yra neįmanoma.
Greitaveikiai savirašiai prietaisai yra dar mažiau tikslūs (klasė 4,0).Jie gali būti 1, 2, 4, 6 ir 8 kanalų, todėl jais vienos juostos lygiagrečiuose takuose vienu metu galima užrašyti kelis gana sparčiai kintančius dydžius.
Optinis oscilografas. Tai optinis elektromechaninis įtaisas, kuriuo galima registruoti momentines vertes elektrinių dydžiųm kurių kitimo dažnis yra nuo 0 iki 20Hz (kai kurių iki 30kHz). Optiniame oscilografe yra jautrus magnetoelektrinis matuoklis, kurio kilpelė pasisuka,kai ja teka srovė. Kartu su kilpele juda veidrodėlis, todėl šviesos atspindys juda ir jį galima registruoti fotojuostoje.