Приборы и измерительные системы

Приборы и измерительные системы

Приборы и измерительные системы

Раздел 1. Измерительные механизмы каких систем используются на самолетах и вертолетах? Объясните особенности конструкции авиационных измерительных механизмов, связанные с необходимостью увеличения угла отклонения подвижной части

Ответ:

На летательных аппаратах наиболее часто используют измерительные механизмы магнитоэлектрической и ферродинамической систем.

В магнитоэлектрических приборах вращающий момент создается в результате взаимодействия магнитного поля и проводника с током, выполняемого обычно в виде катушки. Преимущества магнитоэлектрических приборов следующее:

имеют равномерную шкалу, что уменьшает погрешности градуировки и отсчета;

благодаря сильному собственному полю (0.2 …0.3 Тл), влияние посторонних магнитных полей на показания прибора весьма незначительно;

высокая чувствительность или малое собственное потребление мощности.

Электродинамические приборы, у которых неподвижные катушки расположены на сердечнике из ферро магнитного материала, называются ферродинамическими.

Примером выпускаемых в настоящее время нашей промышленности ферродинамических приборов является трехфазный двухэлементный экранированный ваттметр типа Д558.

Класс точности прибора …………………………0.2

Номинальная частота …………………………….45-65 Гц

Гарантируется погрешность ……. не выше 1% до частоты 500 Гц

Номинальный ток………………………………...15 мА

Подвижная часть установлена на кернах, успокоитель воздушный, сердечник выполнен из изолированных друг от друга пластин из никель алюминиевого сплава, расширение пределов измерения производится при помощи измерительных трансформаторов тока и напряжения.

Хотя в качестве примера мы привели данные ферродинамического прибора высокого класса точности, отметим еще раз, что пока эти приборы применяются в основном в виде стационарных приборов класса точности 1,5-2,5 для измерений в цепях переменного тока в условиях механических воздействий (тряска, вибрация, удары).

измерительный осциллограф механизм

Раздел 2. Какие способы расширения диапазона измерения используют в авиационных амперметрах различных систем?

Ответ:

На практике встречается необходимость измерения электрических величин в необычайно широких пределах. Вполне естественным является стремление использовать одни и те же приборы и измерительные механизмы для измерения величин в наиболее широких пределах. Эта задача в значительной мере решается по средствам преобразований тока или напряжения в соответственно пропорциональные или ток или напряжение при помощи преобразователей в виде шунтов, добавочных сопротивлений, делителей напряжения, измерительных трансформаторов и измерительных усилителей.

Шунты - применяются для магнитоэлектрических измерительных механизмов.

Он представляет собой сопротивление, включаемое параллельно с измерительным механизмом (ИМ) (Рис. 1) измеряемого тока I .

На рис. 1 изображены:

rн и rш - сопротивления измерительного механизма и шунта;

Iн и Iш - токи через измерительный механизм и шунт.

Если необходимо увеличить предел измерения измерительного механизма в n раз , то сопротивление шунта на основании соотношений :

Iн rн = Iш rш и Iш = I- Iн

Число называется шунтовым коэффициентом.

Измерительные трансформаторы тока - используются, как преобразователи больших переменных токов - в относительно малые токи, допустимые для измерений приборами с небольшим стандартными номинальными значениями.

Измерительные трансформаторы тока состоят из двух изолированных друг от друга обмоток - первичной и вторичной, с числом витков щ , щ , намотанных на общий замкнутый сердечник из листовой электротехнической стали.

Раздел 3. Какие методы можно использовать при автоматическом уравновешивании мостов и компенсаторов? Приведите схемы автоматических мостов развертывающего и следящего уравновешивания

Ответ:

Процесс уравновешивания (компенсации) в автоматических мостах и компенсаторах может осуществляться как непрерывно (мосты и компенсаторы со следящей системой уравновешивания), так и периодически (устройства с развертывающим уравновешиванием или динамической компенсацией).

Чаще всего применяются компенсаторы и мосты с непрерывным уравновешиванием. Они, в свою очередь, могут быть разделены на две группы:

с полным уравновешиванием (с астатической характеристикой);

с неполным уравновешиванием (со статической характеристикой).

Принципиальная схема автоматического моста для измерения активного сопротивления приведена на рис.1.

Как видно из схемы, в два плеча моста включены части r' и r" регулируемого сопротивления r (реохорда), ползунок которого связан через передачу осью реверсивного двигателя РД.

Мост питается от источника переменного тока, что позволяет применять усилители переменного тока. Если мост уравновешен, то напряжение между точками «б» и «г» равно нулю и ротор двигателя неподвижен. При изменении измеряемого сопротивления rх на диагонали моста (между точками «б» и «г») появится напряжение переменного тока, величина и фаза которого зависят от значения rх. Это напряжение усиливается напряжениями УН и мощностью УМ и подается на реверсивный двигатель РД. При вращении ротор передвигает ползунок реохорда в сторону достижения равновесия моста и одновременно поворачивает указатель, а при записи измеряемой величины перемещает перо, записывающее на диаграмме ее значения. Очевидно, что ротор двигателя будет вращаться до достижения равновесия моста.

Раздел 4. Поясните принцип измерения различных параметров электрического тока низкой частоты с помощью электромеханических приборов непосредственной оценки. Нарисуйте схему фазометра и фарадометра

Ответ:

Для измерения параметров электрических цепей (активного сопротивления, емкости, сдвига фаз, частоты, индуктивности) часто используют приборы электродинамической, ферродинамической и других систем со шкалами, отградуированные непосредственно в единицах измеряемых величин.

Рассмотрим устройство фазометра - прямопоказывающего прибора, использующего магнитоэлектрический миллиамперметр и предназначенного для определения сдвига фаз между двумя исследуемыми синусоидальными напряжениями в диапазоне частот 20 Гц - 1 МГц .

Исследуемые напряжения U1 и U2 поступают на два идентичных канала, каждый из которых состоит из входного устройства ВхУ, синхронизируемого мультивибратора СМВ и дифференцирующей цепи ДЦ. Мультивибраторы вырабатывают меандры U1 и U2, частота которых равна частоте входных напряжений. Меандры дифференцируются и фронты получившихся при этом коротких импульсов U1д и U2д точно соответствуют моментам переходов через нуль исходных напряжений. Отрицательные импульсы ограничиваются, а положительные остаются.

Интервал между импульсами ∆Т от двух каналов пропорционален фазовому сдвигу.

Тогда:

сдвиг фаз,

Положительные импульсы используют для управления триггером Тг. Импульс первого канала открывает триггер, второго- закрывает.

В цепи триггера возникает прямоугольный импульс Iтг, длительность которого соответствует фазовому сдвигу.

Шкалу миллиамперметра градуируют непосредственно в градусах.

При измерении емкости контурным методом, используется зависимость резонансной частоты от его параметров:

Контур содержит измеряемый и образцовый элементы.

Настройка контура в резонансе при Lобрconst, осуществляется изменением частоты генератора, слабо связанного с контуром, до максимального отклонения стрелки электронного вольтметра.

Раздел 5. Опишите принцип работы стробоскопического осциллографа при исследовании периодических импульсных сигналов

Ответ:

В последние годы, в практику вошли так называемые «стробоскопические» осциллографы, принцип действия которых основан на последовательном во времени амплитудном анализе формы исследуемых сигналов.

Для более детального ознакомления с этим методом рассмотрим случай периодического исследуемого сигнала (рис. 1а) с частотой следования F.

Исследуемый сигнал и узкие стробоимпульсы (много меньше по длительности исследуемого сигнала) (рис. 1б) подаются на преобразователь, амплитуда выходных импульсов которого пропорциональна мгновенному значению исследуемого сигнала в момент времени, определяемый положением стробоимпульса (рис. 1в). Каждый последующий стробоимпульс по отношению к исследуемому сигналу смещается (запаздывает) на небольшую величину ∆tс, называемую шагом считывания (рис. 1б).

Таким образом, за определенное число n стробоимпульсов, осуществляется полное считывание исследуемого сигнала. Нетрудно заметить, что огибающая импульсов на выходе преобразователя передает форму исследуемого сигнала с трансформацией во времени, характеризующейся коэффициентом:

Где:

- период повторения стробоимпульсов.

«Растяжка» сигнала во времени в  раз, означает такое же уменьшение скорости его изменения и, следовательно, уменьшение скорости его частотного спектра.

Для получения изображения исследуемого сигнала, импульсы с выхода преобразователя подвергаются расширению и усилению (рис.1г) и подаются на электроннолучевую трубку, где подсвечиваются их вершины.

Изображение исследуемого сигнала на экране трубки получается в виде штриховой линии (штрихи могут воспроизводиться в виде точек).

Раздел 6. Какие методы преобразования параметров электрических цепей R, L, C в дискретную величину используют в цифровых приборах?

Ответ:

В зависимости от метода аналого - цифрового преобразования, различают приборы по следующим видам преобразований: время- импульсным, по методу взвешивания или подразрядного кодирования, напряжения в частоту, по методу считывания.

Рассмотрим принцип работы цифрового измерения R и C.

Измерительная схема представляет собой интегрирующее звено, ко входу которого подводятся прямоугольные импульсы напряжения постоянной амплитуды.

Особенностью работы схемы является то, что для измерений используется

Начальный участок экспоненты, достаточно близкий к прямой.

При подаче на вход измерительной системы прямоугольного импульса напряжения U1, выходное напряжение будет:

U2U1

Предполагая, , отношение напряжений можно представить приближенным выражением

На основании которого может быть найдена постоянная времени измерительной схемы

Так как в основе прибора положена линейная зависимость между напряжением и временем нарастания:

U2U1t /𝜏,

То полученное выражение позволяет определить методическую погрешность измерений постоянной времени измерительной схемы 𝛿м𝜏

Таким образом, допустимый уровень нарастания напряжения U2 при заданном значении методической погрешности будет 𝛿м 𝜏

Потери конденсатора измерительной цепи приводят к систематической погрешности измерений постоянной времени или R и Cб, количество импульсов генератора образцовой частоты с периодом , поступивших на вход электронного счетчика за время нарастания напряжения U2 до U1;

Cо, - образцовые емкость и сопротивление измерительной цепи .

При  и

количество импульсов, прошедших через схему N за время нарастания напряжения U2 до U1 численно равно величине измеряемого параметра.

Раздел 7. Как строится предельный гистерезисный цикл индукционно-импульсным методом ?

Ответ:

Определение точек петли гистерезиса ферромагнитного материала производят с помощью баллистической установки.

Цепь питания состоит из набора реостатов r1 с амперметром А1 , набора реостатов r2 с амперметром А2, ключа К2, переключателя П1.

При помощи переключателя П2, цепь питания подключается либо к намагничивающей катушке НК, либо к первичной обмотке катушки взаимной индуктивности М, предназначенной для градуировки баллистического гальванометра БГ. НК предназначена для намагничивания испытуемого ферромагнитного материала.

Измерительная часть схемы включает измерительные катушки Wн и Wв, БГ, магазины сопротивлений rв и rн и вторичную обмотку катушки М.

r2 и А2 необходимы при определении точек гистерезисной петли.

Метод определения точек петли гистерезиса основан на нахождении разности между индукцией Вт , соответствующей максимальному значению намагничивающего поля (точка А), и индукцией Вк в интересующей нас точки петли гистерезиса, т.е. в данном случае определяется изменение индукции Вк при изменении напряженности намагничивающего поля от +Нm до Нк в интервале ± Нm.

Точки петли гистерезиса на участке от +Вm до Вr определяются следующим образом. Проводят магнитную подготовку при максимальном Нm и находят Вm и Нm. Затем размыкают ключ К2 и с помощью реостатов r2 устанавливают

I1 Im, соответствующей Н1. При этом магнитное состояние материала будет характеризоваться точкой «а» на петле гистерезиса. Для того, чтобы найти

В1=Вm - В1,

необходимо снова «попасть» в точку А, что можно сделать путем «обхода» петли гистерезиса в направлении, указанном стрелками, т.е. изменяя напряженность намагничивающего поля от Н1 до нуля, от нуля до - Нm и затем опять до +Нm.

В процессе «обхода» петли можно измерить Н1. Для этого ставят переключатель П3 в положение Н и переводят П1 в нейтральное положение, замечая при этом отброс баллистического гальванометра вm1. Магнитное состояние в данном случае характеризуется точкой Вr. Продолжают «обход» петли гистерезиса в направлении указанном стрелками. Замыкают ключ К2 и включают П1 в положение «2»; магнитное состояние будет определяться точкой «С». Проводят магнитную подготовку. Переключатель П3 ставят в положение «В» и размыкая К2, наблюдают отброс подвижной части гальванометра m1, соответствующий изменению индукции В1=Вm - В1.

Значения В1 и Н1 определяют из соотношений:

С помощью реостатов V2 устанавливают следующее значение токов: +I2 +I1, «спускаясь» по петле гистерезиса в точку «б», и измеряют выше описанным образом В2 и Н2. Точки петли гистерезиса во втором и третьих квадрантах определяют аналогично.