13443

НЕВРІВНОВАЖЕНИЙ ВИМІРЮВАЛЬНИЙ МІСТ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

Лабораторная работа

Физика

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 7 НЕВРІВНОВАЖЕНИЙ ВИМІРЮВАЛЬНИЙ МІСТ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ Мета роботи: вивчити принцип дії елементи теорії схеми властивості та особливості застосування неврівноважених вимірювальних мостів НМ постійного струму. При підготовці до виконання р...

Украинкский

2013-05-11

118.5 KB

15 чел.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 7

НЕВРІВНОВАЖЕНИЙ ВИМІРЮВАЛЬНИЙ МІСТ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

Мета роботи: вивчити принцип дії, елементи теорії, схеми, властивості та особливості застосування неврівноважених вимірювальних мостів (НМ) постійного струму.

При підготовці до виконання роботи необхідно:

  1. Опрацювати опис даної роботи та відповідні розділи рекомендованої літератури [4], [2], [5].

2. Уміти відповідати на наступні запитання:

1. Які найважливіші відмінності, переваги та недоліки має НМ порівняно з урівноваженим?

2. Де і для чого застосовують НМ?

3. Яку функцію виконує НМ у структурній схемі приладу для вимірювання неелектричної величини електричними методами?

  4. Чому точність НМ значно менша, ніж у врівноваженого?

  5. Які основні джерела похибок НМ?

6. Яку залежність має напруга (струм) вихідної діагоналі НМ від зміни опору його плеча?

7. Що таке чутливість НМ та які основні шляхи її підвищення?

8. Як зменшити похибки приладу з НМ від нестабільності напруги джерела живлення (борт мережі на рухомих об'єктах)?

9. В чому відмінність між способами створення протидіючого моменту та конструкцій логометричних вимірювальних механізмів від звичайних?

10. Як перекладається слово "логометр" на українську мову, та як залежить кут відхилення стрілки магнітоелектричного логометра від струмів у його котушках?

11. Як діє та які переваги дає диференційна схема включення первинних вимірювальних перетворювачів у приладах з НМ?

12. Як включається магнітоелектричний логометр у схему приладу з НМ?

13. Як застосувати НМ у приладах для вимірювання температури, тиску, рівня, концентрації рідин і вимірюванні інших неелектричних величин?

Короткі теоретичні відомості

Неврівноважені вимірювальні мости широко застосовуються в промисловості, медицині, транспорті, зокрема, авіаційному. Вони є складовою частиною приладів для вимірювання різноманітних фізичних величин, переважно неелектричних, електричними методами - термометрів, манометрів, рівнемірів, тощо.

Структурна схема такого приладу зображена на рис.7.1.

Рис.7.1. Структурна схема приладу для вимірювання

неелектричних величин електричними методами зі

застосуванням неврівноваженого мосту.

Вимірювана неелектрична величина подається на вхід первинного вимірювального перетворювача ПД (параметричного давача), який перетворює її у один із пасивних,  неенергомістких,  електричних   параметрів - опір R, індуктивність L, ємність С або коефіцієнт взаємної індуктивності M. Наприклад, терморезистор перетворює зміну температури в зміну його опору.

Наступна ланка структурної схеми, НМ, далі перетворює цей пасивний, неенергомісткий, параметр у активний, енергомісткий, струм i, або напругу u, які вимірюються електровимірювальним приладом ЕВП, наприклад, амперметром, або вольтметром. Електрична енергія до НМ надходить від джерела живлення ДЖ, наприклад, борт мережі літака.

Отже, неврівноважений міст НМ виконує функцію перетворювача пасивного, неенергомісткого, електричного параметру (R, L, C, M) у активний, енергомісткий (i, u).

.  

Рис.7.2. Схема вимірювального моста.   

Схема найпростішого НМ така сама, як і у врівноваженого (рис.7.2). Складається він із чотирьох плечей: аб, бв, вг та аг, в яких включені опори Z1, Z2, Z3 та Z4 (в мостах змінного струму комплексні, а постійного – активні).

Діагональ ав, до якої надходить енергія від джерела живлення, називають діагоналлю живлення.

Діагональ бг, до якої приєднують електровимірювальний прилад ЕВП називають вимірювальною або вихідною.

Ця схема дає можливість вимірювати опір об'єкта, включеного в одне з її плечей, наприклад  Z1 = Zx.

Вимірювання може здійснюватись двома основними способами.

1. Урівноважуванням схеми, тобто підбором трьох інших опорів до відсутності напруги на вихідній діагоналі: Uбг = 0, що  має місце при  умові: Z1Z4 = Z2Z3. Значення досліджуваного опору, наприклад Z1 при цьому обчислюється з рівняння рівноваги:

Zx = Z1 = Z2 Z3 / Z4.

У вихідній діагоналі моста повинен використовуватись нуль-індикатор (наприклад, гальванометр) щонайвищої чутливості (ні в якому разі не точності, бо ніякі числові значення показів цього приладу нас не цікавлять, навіть градуювання його не потрібне).

Вимірювання опорів урівноваженим мостом виконується методом порівняння з мірою, а саме, найточнішим із його різновидів - нульовим. Як міри тут застосовуються регульовані й нерегульовані вимірювальні резистори, котушки індуктивності або конденсатори в плечах Z2, Z3, Z4. Дуже висока точність таких вимірювань забезпечується точними мірами, чутливим нуль-індикатором і

застосуванням найточнішого з усіх методів  вимірювань - нульового.

2. Вимірювати опір можна за допомогою тієї ж мостової схеми, не врівноважуючи її.

Вимірювану величину при цьому визначають за відомою залежністю між нею та напругою або струмом у вихідній діагоналі:

Iбг = a ∆Zx / (1+b ∆Zx),

де ∆Zx – зміна  вимірюваного опору;  a та b – постійні  коефіцієнти, які залежать від опорів плечей моста.

На жаль, залежність ця нелінійна. Для НМ постійного струму її графік має вигляд гіперболи (рис.7.3).

 

Рис.7.3. Графік залежності  iбг = f(∆R)  для неврівноваженого

моста постійного струму.

Аналогічно виглядає і функція  uбг = φ( ∆R).

Нелінійність функцій спричинюється тим, що зміна опору плеча мосту неминуче супроводжується зміною струму через це плече, тобто в мостовій схемі одночасно змінюються два параметри – опір  і струм через нього.

Отже, чутливість мостової схеми залежить від її розбалансування.

Чутливість S – це  завжди, для всіх галузей науки і техніки, відношення зміни вихідної величини до зміни вхідної, тобто:

S = d (вихід) / d (вхід)

У нас вхідною величиною є ∆R, а вихідною - ∆iбг.

Можна сказати також, що чутливість визначається тангенсом кута нахилу характеристики  Вихід = f(Вхід),  у нас  iбг = f(∆R),  тобто чутливість мостової схеми:

Sмс = di / dR.

У цілому, чутливість S∑, приладу , структурна схема якого зображена на рис.7.1, визначається  чутливістю  давача  Sд,  мостової схеми Sмс та ЕВП - Sевп

S∑ = Sд Sмс Sевп .

Залежить вона й від напруги живлення моста, і від співвідношення опорів плечей (найвища, коли всі плечі однакові). Суттєве підвищення чутливості, та ще й зменшення нелінійності характеристики iбг = f(∆R) забезпечує диференційне включення давача, про що мова йтиме далі.

При малих ∆R, коли виконується умова: b*∆R<< 1, нелінійністю функції перетворення моста можна знехтувати. Але така підміна нелінійної залежності iбг = f(∆R) лінійною призводить до виникнення помітних методичних похибок.

Отже НМ непотрібно врівноважувати. Він не містить регульованих мір опору. Результат вимірювання, а вимірює НМ, звичайно, неелектричні величини, які попередньо перетворюються в ∆R, ∆L, ∆C або ∆M (див. рис.7.1) відлічують одразу за відповідно проградуйованою в одиницях вимірюваних неелектричних величин шкалою ЕВП. Це градуювання враховує і функцію перетворення параметричного давача,( див.рис.7.1) і функцію iбг = f(∆Z) (див. рис.7.2,7.3), і інші фактори, що впливають на покази ЕВП.

   Точність вимірювань НМ не можна навіть порівнювати з точністю врівноваженого моста, вона значно гірша. НМ застосовують , як правило, лише як одну з ланок структурної схеми приладу безпосередньої оцінки (рис.7.1). Загальна похибка такого приладу, спричинена нелінійністю та нестабільністю функції перетворення давача, нелінійністю функції перетворення мостової схеми, похибками ЕВП, нестабільністю джерела живлення та іншими факторами, звичайно має порядок одиниць відсотків.

   Розглянемо способи зменшення похибок приладу з НМ, спричинені нелінійністю характеристики перетворення мостової схеми та нестабільністю напруги джерела живлення.

Досить ефективним засобом поліпшення характеристики мостової схеми, тобто зменшення залежності її чутливості від розбалансування мосту є застосування диференційних давачів – первинних  перетворювачів вимірюваної неелектричної величини в два взаємозалежні опори.

Наприклад, у схемі рис.7.4 вимірювана неелектрична величина, нехай переміщення, змінює опори давача Z1 і Z2.

Рис.7.4. Схема неврівноваженого моста з диференційним давачем

Причому, конструкція первинного перетворювача забезпечує одночасне зменшення опору однієї його частини, наприклад Z1 при точно такому ж збільшенні опору другої його частини, Z2, тобто: |-∆Z1| = ∆Z2 .

Це може бути, наприклад, резистивний перетворювач, у якого переміщення рухомого контакту призводить до зменшення опору однієї частини при такому ж одночасному збільшенні опору другої частини.

Завдяки використанню диференційних давачів характеристика перетворення мостової схеми лінеаризується, а чутливість зростає більш як удвічі.

Нестабільність напруги джерела живлення призводить до зміни струму у вихідній діагоналі при сталому значенні вимірюваної величини. Зміна напруги живлення особливо відчутна на рухомих об'єктах - літаках, автомобілях, кораблях, тощо. Їх енергетичне устаткування задля економії маси та займаного місця, має обмежену потужність, тому напруга борт мережі може коливатись у доволі широких межах (на літаку ± 10% від номінальної).

Найефективнішим засобом уникнення похибки від нестабільності напруги, безумовно, є стабілізація напруги живлення моста. Сучасна електроніка дуже просто вирішує цю проблему, особливо в мережах постійного струму. Але багато десятиліть тому, коли проектувались застосовувані ще й досі прилади для вимірювання неелектричних величин на рухомих об'єктах, в тому числі і літаках, це було надто складно.

Тому для зменшення похибки від нестабільності напруги живлення моста в показуючих приладах (ЕВП) стали застосовувати не звичайні вимірювальні механізми, а так звані логометричні. Основною їх відмінністю є те, що протидіючий момент створюється не механічним способом (пружиною), а електричним, як і обертальний момент. Тому зміна напруги живлення одночасно змінює ці обидва моменти, а на покази приладу майже не впливає.

Назва логометр походить від слів "логос", грецькою мовою "відношення" та "метр" - вимірювати, тобто це вимірювач відношення двох величин.

Дійсно, відхилення   рухомої частини, наприклад, магнітоелектричного логометра, конструкція якого зображена на рис.5 визначається відношенням струмів 1 та 2 у двох його котушках 1 та 2: = f (1 / 2).

Рис.7.5. Конструкція магнітоелектричного логометра.

Обертальний момент цього механізму створюється завдяки взаємодії магнітного поля котушки 1 з полем постійного магніту 3.

Протидіючий момент створюється не пружиною, як у звичайному вимірювальному механізмі, а так, як і обертальний, тобто завдяки взаємодії магнітного поля котушки 2 з полем постійного магніту. Звичайно, напрямки дії цих моментів протилежні, що забезпечується відповідними напрямками струмів 1 та 2.

1,2 – рухомі котушки (рамки); 3 – постійний магніт; 4 – магніто провід.

На рис.7.6 зображена одна зі схем включення логометра у неврівноважений міст.

Рис.7.6. Схема неврівноваженого вимірювального

моста з логометром

Котушка 1 логометра включена у вимірювальну діагональ моста бг. Струм 1 у ній визначається вимірюваним опором R1 = Rx і, звичайно, також залежить від напруги U джерела живлення. Котушка 2 логометра включена у діагональ живлення. Струм 2 у ній залежить тільки від напруги живлення.

     Покази логометра:   = f (1 / 2).

Тому, якщо, наприклад, при незмінному Rx, напруга живлення збільшиться, нехай удвічі, то вдвічі збільшаться обидва струми, 1  та 2, а їх відношення, яким визначаються покази логометра, залишиться незмінним. Отже, покази логометра в цій схемі не залежать від напруги живлення.

Проте на практиці при значному зниженні напруги (більш ніж на 20%) з'являються помітні похибки. Їх поява пояснюється тим, що при спричиненому цим зменшенні обертального та протидіючого моментів механізму зростає вплив паразитних моментів, перш за все, тертя та залишкових моментів так званих "безмоментних" струмовідводів до рухомих котушок. Ці тоненькі, товщиною 3...5 мкм золоті чи срібні стрічечки все ж таки створюють, хоч і дуже маленьку, але помітну, коли основні моменти слабшають, протидію рухові рамок логометра, що й призводить до похибок.

  Існує багато різноманітних конструкцій логометрів як з рухомими, так і нерухомими котушками.

  Взагалі, логометричні механізми мають суттєві недоліки порівняно зі звичайними. Конструкція їх складніша, вартість вища, точність нижча (звичайно, їх класи точності 1,5...4). Тому їх доцільно використовувати лише в найпримітивніших схемах найдешевших приладів (наприклад, у автомобільному паливомірі) або там,

де електронні прилади працювати не можуть, наприклад, в потужних радіаційних полях.

    Отже, підсумуємо переваги та недоліки врівноваженого та неврівноваженого вимірювальних мостів.

Перевага врівноваженого мосту єдина, але найсуттєвіша - значно (може бути навіть у тисячі разів) вища точність. Зате НМ набагато простіші, компактніші, дешевші. Вони можуть забезпечити вищу продуктивність (на кожне вимірювання витрачається менше часу), працювати з ними може навіть малокваліфікований персонал, що також зменшує вартість вимірювань.

              Виконання роботи

Дослідницька установка складається з двох неврівноважених мостів. У одному з них електровимірювальним показуючим приладом є магнітоелектричний міліамперметр, а в другому - логометр. Обидва мости імітують авіаційні поплавкові паливоміри (рівнеміри), в яких при зміні рівня палива поплавок переміщує рухомий контакт резистивного давача. Для імітації дії останнього застосовано тридекадний магазин резисторів, ручками якого, виведеними на передню панель установки, можна задавати потрібне значення опору вимірювального плеча мосту.

1. Дослідження залежності струму вихідної діагоналі моста від опору вимірювального плеча [Iбг = f(R)] та показів логометра від струмів його рамок = f (1 / 2).

  1.1. Увімкнути стенд тумблером "Вкл" його передньої панелі, про що повинна засвідчити сигнальна лампочка.

Регулятором напруги встановити і далі підтримувати номінальну напругу живлення за показами вольтметра стенду (Uном = 12 В).

Тумблер "логометр-однорамковий прилад" поставити у позицію "однорамковий прилад".

1.2. Змінюючи опір тридекадного магазина резисторів (імітація давача - перетворювача вимірюваної неелектричної величини в опір), ручки якого виведені на передню панель, почергово встановлювати стрілку однорамкового приладу вихідної діагоналі моста на всі числові позначки шкали, записуючи відповідні значення опору R у таблицю 1.

1.3. Повторіть пункт 1.2. для напруг живлення  U = 11 В  і  U = 6 В.

Табл.7.1. Значення опору давача R для всіх числових   позначок шкали однорамкового приладу при різних напругах живлення моста

12 В

11 В

6 В

.

1.3. Повторіть пункт 1.2. для напруг живлення  U = 11 В  і  U = 6 В.

1.4. Тумблер "логометр - однорамковий прилад поставити у позицію "логометр" і виконати п.п.1.2. та 1.3., занотовуючи в табл.2. опір давача R, а також струми рамок логометра I1 та I2 для всіх числових позначок шкали логометра при трьох напругах живлення моста.

Табл.7.2.  Значення опору давача R і струмів рамок логометра i1 та i2 для всіх числових позначок шкали при різних напругах живлення моста

Напруга живлення моста U V

,

12V

11V

6V

Числові позначки шкали логометра,

Опір  давача, R,

Струми рамок, мА

Опір  давача, R,

Струми рамок, мА

Опір  давача, R,

Струми рамок, мА

І1

І2

І1

І2

І1

І2

1.5. Побудуйте на одних осях координат 3 графіки залежності показів однорамкового приладу вихідної діагоналі моста і від    опору давача R, тобто i = f(R) при трьох значеннях напруги живлення моста.

1.6. Побудуйте на таких, як і в п.1.5. осях координат ті ж залежності, що і в п.1.5, для логометра (знову 3 графіки на одному рисунку).

1.7. Побудуйте графіки залежності  показів  логометра від відношення струмів  рамок 1 / 2 ,  тобто:   = f (1 / 2) для різних напруг живлення моста (виконайте їх на одній координатній сітці).

1.8. Зробіть окремі обґрунтовані висновки, щодо лінійності графіків, залежності показів однорамкового приладу та логометра від напруги живлення моста, а також про залежність показів логометра від відношення струмів його рамок

PAGE  1


EMBED PBrush  

U жив

Чис

познач

оста


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20636. Эволюционно-синергетическая парадигма 102 KB
  внутренняя структура или самоорганизация поддерживается за счет поглощения отрицательной энтропии или негэнтропии из окружающей среды. уводит ее от состояния равновесия максимума энтропии. В неравновесных системах помимо знания балансовых уравнений встает задача формализации и учета отношения порядка и беспорядка соответственно энтропии и негэнтропии. Рынок выступает здесь в качестве индикатора быстро обнаруживая неходовые товары производство которых нерентабельно и ведет к росту энтропии.
20637. Естествознание в мировой культуре 71 KB
  Проблема двух культурНаука и мистицизмВопрос о ценности науки 2. Люди наивные далекие от науки часто полагают что главное в учение Дарвина – это происхождение человека от обезьяны. Таким образом вторжение естественной науки – биологии в духовную жизнь общества заставило говорить о кризисе науки и ее разрушительном действии на человека. В итоге развитие естествознания привело к кризису науки этическое значение которой ранее усматривали в том что она постигает величественную гармонию Природы – образец совершенства как цели человеческого...
20638. Концепции современного естествознания 63.5 KB
  языком науки все о природе стали называться Naturwissenchaft€. Эта сеть связывает многочисленные ответвления физических химических и биологических наук включая науки синтетические возникшие на стыке основных направлений биохимия биофизика и др. Но она позволяет пояснить одну из проблем науки – проблему редукционизма. Редукционизм в науке – это стремление описать более сложные явления языком науки описывающей менее сложные явления или класс явлений например сведение биологии к механике и т.
20639. История развития естествознания 70.5 KB
  В естествознании – это объекты или фрагменты материального мира которые человек исследует. определенного видения мира в соответствии с которым осуществляется научная деятельность. Среди естественнонаучных революций можно выделить следующие типы: 1 глобальные охватывающие все естествознание и вызывающие появление не только принципиально новых представлений о мире нового видения мира но и нового логического строя науки нового способа или стиля мышления; 2 локальные – в отдельных фундаментальных науках т. Становление новой...
20640. Методология научных исследований 137 KB
  Методы эмпирического и теоретического познания3. Методы научного познания включают так называемые всеобщие методы т. общечеловеческие приемы мышления общенаучные методы и методы конкретных наук. Методы могут быть классифицированы и по соотношению эмпирического знания т.
20641. Механическая картина мира (МКМ) 71 KB
  Механическая картина мира МКМ 1. Понятие научной картины мира2. Понятие научной картины мира Само понятие научная картина мира появилось в естествознании и философии в конце 19 в. Так существуют общенаучные картины мира и картины мира с точки зрения отдельных наук например физическая биологическая или с точки зрения какихлибо господствующих методов стилей мышления вероятностностатистическая эволюционистская системная информационнокибернетическая синергетическая и т.
20642. Термодинамическая картина мира 61.5 KB
  Закон сохранения и превращения энергии в механике3. он начал исследовать принцип эквивалентности теплоты и работы и введя понятие внутренней энергии пришел к пониманию взаимопревращения энергии. До этого в физике существовало понятие механической энергии и представление об ее сохранении и превращении. Закон сохранения и превращения энергии в механике Формирование понятия механической энергии было связано с формированием понятия механической работы А = Fx и энергии как способности совершать работу.
20643. Термодинамическая картина мира (II). Второе начало термодинамики 73 KB
  Теплопроводность приводит к все большему выравниванию температур до тех пор пока распределение температуры во всех точках пространства рассматриваемой изолированной системы не станет одинаковым. Энтропия таким образом характеризует состояние системы. Действительно так же как каждому уровню высоты над поверхностью Земли отвечает своя потенциальная энергия так и каждому состоянию термодинамической системы отвечает своя энтропия. Как работа в поле тяжести потенциальном поле не зависит от вида пути а зависит только от изменения...
20644. Термодинамическая картина мира (III). Стрела времени 53.5 KB
  Стрела времени 1. Стрела времени3. в принципе невозможно проследить в течение незначительного интервала времени за движением отдельной молекулы. Так же невозможно точно определить координаты и скорости всех молекул макроскопического тела одновременно в данный момент времени.