книги из ГПНТБ / Александров В.С. Электронные гальванометры постоянного тока

ными изоляторами и соединяется с общей шиной усилителя, как показано на рис. 1-22, б. При этом проводимость g' между вход­

ным опорным изолятором и охранным электродом оказывается

включенной параллельно g x. Постоянная времени интегратора тока

с воздушным диэлектриком, охранным электродом и односторон­

1-7. Гальванометры сравнения малых токов с ручным и автоматическим уравновешиванием

Классификация гальванометров сравнения приведена в табл. 1-1. Отличительной особенностью этих гальванометров является равен­ ство измеряемого Iх и компенсирующего І к токов в момент сравне­

40

ния. В структурной схеме гальванометра сравнения (рис. 1-24) можно выделить канал измеряемого тока 1(1, канал компенсирую­ щего тока 1(2, блок сравнения Ср, блок регулирования 1(3 и вы­ ходной блок 1(4. Измеряемый ток Іх через усилитель 4(1 поступает на блок сравнения Ср. На этот же блок через делитель тока 1(2 поступает компенсирующий ток / к. Разность токов с выхода блока сравнения поступает в блок регулирования 1(3, который управляет параметром ср и изменяет коэффициент передачи блока 1(2 таким образом, чтобы выходной сигнал блока сравнения стал равен по­ рогу чувствительности е блока регулирования 1(3.

Одновременно параметр ср (например, угол поворота оси двига­ теля) блоком 1(4 преобразуется в выходной сигнал (І12 или / 3).

Соотношения между сигналами схемы сравнения в момент измере­ ния имеют вид

Линеаризуя 1( 3 (ср) в выражении (1-47), получим

При малом значении порога чувствительности блока регулиро­ вания £ ä :0 и і/2 ~ і хК і Кі /і кК 2. Видно, что в этом случае ко­ эффициент передачи блока регулирования не влияет на выходной сигнал.

Блок регулирования состоит из нуль-органа и исполнительного механизма. В гальванометрах сравнения с ручным уравновешива­ нием функции исполнительного механизма выполняет оператор, а в гальванометрах с автоматическим уравновешиванием — различ­ ного рода электромеханические или электронные системы (двига­ тели, реле, шаговые искатели и т. п.). В качестве нуль-органов ис­ пользуют усилители тока или напряжения.

41

Блок-схема простейшего гальванометра сравнения с ручным уравновешиванием и усилителем то,ка в качестве нуль-органа при­ ведена на рис. 1-25. Уравнение для узлового потенциала имеет вид

Ü1(Yx + Y K+ Y 1) = ix- i K.

Ток на входе усилителя

В процессе уравновешивания производится установка компенси­

рующего тока / к таким образом, чтобы выходной ток / 2 = 0. Тогда, приравнивая входной ток усилителя порогу чувствительности

(7Х= е), получим

Уі

Погрешность измерения гальванометра сравнения определяется погрешностями установки компенсирующего тока бк и порогом чувствительности нуль-органа 6Е:

0л: = 6к+ 6е-

При использовании усилителя тока с высокой входной проводи­

тока с недостаточно высокой входной проводимостью, то погреш­ ность порога чувствительности в соответствии с (1-47) будет не­ сколько больше.

Погрешность установки компенсирующего тока 7К зависит от погрешности источника тока и погрешности делителя. Погрешность источника тока определяется его типом и, как указывалось в § 1-4, для лучших источников тока лежит в пределах (0,5—1) %. При использовании делителей тока погрешность зависит от типа рези­ сторов и может составлять (0,1—2) %.

Полную чувствительность компенсатора тока принято характе­ ризовать отношением приращения выходного сигнала нуль-органа к приращению компенсирующего тока:

4- Ук + Ух) — чувствительность схемы сравнения.

42

В процессе измерения чувствительность нуль-органа остается постоянной, а чувствительность схемы сравнения изменяется с из­ менением величины проводимости источника компенсирующего тока.

Входная проводимость компенсатора тока изменяется в процессе уравновешивания:

и при полном уравновешивании (Іх — / к) получаем, что YBX -> оо. Однако максимальное значение входной проводимости ограничи­ вается порогом чувствитель­ ности усилителя тока, поэтому

ние измеряемого и компенси­

нуль-органа поступает на исполнительное устройство, управляю­ щее источником компенсирующего тока. Изменение компенсирую­ щего тока при высокой чувствительности нуль-органа происходит до тех пор, пока ток на входе нуль-органа не станет равным порогу

чувствительности последнего, т. е. I х — е.

Основные уравнения компенсатора тока с ручным уравновеши­ ванием применимы для расчета автоматических компенсаторов в уравновешенном состоянии. Однако в процессе уравновешивания погрешность измерения определяется динамическими ошибками следящей системы. Дифференциальное уравнение динамики сле­ дящей системы компенсатора при пренебрежении постоянными вре­ мени усилителя тока по сравнению с электромеханической постоян­ ной времени тэм исполнительного двигателя имеет второй порядок. Передаточная функция замкнутой цепи регулирования

43

Д.чя исследования быстродействия автоматического компенса­ тора передаточную функцию (1-51) удобно записать в ином виде:

(1 + ртО (1 + рт2)

где Рі,п — 1/т1і2— корни характеристического уравнения т2р2 +

-!-2£тр-!-1=0; т1т2= т 2^ т эм//Сс; т1+ т 3=2£;т = 1 //<с; £ = 1/2 ѴЛД стэы— коэффициент относительного затухания.

Переходная характеристика гальванометра при скачкообразном изменении входного тока будет определяться величиной коэффи­

При достаточно малом значении порога чувствительности (е — 0) коэффициент передачи К — 1.

Стабилизация следящей системы компенсатора отрицательной обратной связью по скорости исполнительного двигателя позволяет получить высокое быстродействие гальванометра без снижения его чувствительности. Обратная связь выполняется при помощи тахогенератора, связанного с валом двигателя, или при помощи тахомет-

44

рических мостовых схем, включаемых в цепь обмотки управления. Передаточная функция скорректированной системы имеет вид

зированной по скорости.

Для измерения тока компенсационным методом необходимо иметь источник компенсирующего тока с регулировкой тока в широких пределах. Такой источник легче всего осуществить с генератором линейно изменяющегося напряжения. При этом погрешность уста-

Рис. 1-28. Схема компенсатора с источником тока

і-іовки тока может быть сделана достаточно малой. Схема компенса­ тора с источником тока показана на рис. 1-28.

Линейно изменяющееся напряжение создается интегрирующим операционным усилителем ОУ с зарядной цепью ^3, Си и источни­ ком опорного напряжения Еи. Дифференцирование линейно изме­ няющегося напряжения производится цепью, состоящей из кон­ денсатора Сд и входной проводимости усилителя тока нуль-органа.

Рассмотрим погрешности установки компенсирующего тока. Эквивалентная схема источника линейно изменяющегося напря­ жения на рис. 1-28 аналогична эквивалентной схеме интегратора тока на рис. 1-20. Выходное напряжение генератора в соответствии с (1-36) имеет вид

и8 (0 = - ^ g ^ ( l - e " ' 4

45

Компенсирующий ток, создаваемый дифференцирующей цепыо, определяется выражением

Формула (1-53) позволяет определить минимальное значение постоянной времени интегрирования тэ при заданной погрешности

величины коэффициента трансформации при различном значении тока заряда.

Кроме погрешности б^, вносимой нелинейностью выходного напряжения интегратора, на величину компенсирующего тока также влияют погрешности источника опорного напряжения би,

дифференцирующего бд и интегрирующего бн конденсаторов и за­ рядного резистора б3

6-к — 6/ + 6« + би -f- бд+ б3.

46

При использовании источников опорного напряжения с погреш­ ностью 6„<(0,01%, образцовых конденсаторов и резисторов с по­ грешностями меньше 0,1% полная погрешность установки компен­ сирующего тока может быть сделана не более 0,5%.

Гальванометр сравнения может быть построен и с интегратором тока. При этом, поскольку в интеграторе тока выходным сигналом является напряжение U2, то сравнение должно производиться с из­ вестным компенсирующим напряжением UK. В соответствии с фор­ мулой (1-38) при 0 К — Ѵ 2 и ß„ = 1 получим

j = и Сг + Ск (1 + К а)

KuUi

При достаточно большом коэффициенте усиления интегрирующего усилителя {Ки ^>1) и Ск получим, что Iх = UKCK/t„.

Схема гальванометра сравнения с интегратором тока показана на рис. 1-30. По этой схеме возможны два режима измерения. Так как уравновешивание выходного напряжения интегратора Ѵ2 про­ изводится непрерывно, то текущее значение напряжения UK позво­ ляет определить среднее значение тока на данном промежутке вре­ мени интегрирования tn. Если же определять скорость изменения компенсирующего напряжения dUJdt, то становится возможным измерение текущего значения тока Іх.

Кроме того, возможно сравнение выходных напряжений двух интеграторов, один из которых интегрирует измеряемый ток Іх, а другой — компенсирующий ток / к. Однако эта схема значительно сложнее схемы с компенсирующим напряжением и имеет дополни­ тельную погрешность от нелинейности интегратора компенсирую­

47

В этой схеме, так же как и в интеграторе с компенсирующим на­ пряжением, возможны два режима работы — с измерением среднего или текущего значений тока Іх. Погрешность измерения опреде­ ляется погрешностью установки компенсирующего тока и погреш­ ностями интегрирующих конденсаторов С1и и С.2п.

1-8. Дифференциальные гальванометры

Дифференциальные гальванометры сочетают принципы сравне­ ния и непосредственной оценки измеряемого тока. Они представ­ ляют собой неполностью уравновешенную компенсационную схему, в которой измеряемый ток определяется по значению компенсирую-

Рнс. 1-32. Дифференциальный гальванометр: а — структурная схема; б — эквивалентная схема.

щего тока и по показаниям гальванометра непосредственной оценки. Схема дифференциального гальванометра приведена на рис. 1-32, а.

Измеряемый ток подводится к входу автокомпенсационного гальванометра непосредственной оценки, состоящему из усилителя напряжения К и и образцового резистора обратной связи Y 0. К этому же усилителю подводится компенсирующий ток І к. Экви­ валентная схема дифференциального гальванометра представлена

измеряемый гальванометром непосредственной оценки.

При достаточно большом коэффициенте усиления (/<"„> 1) по­ лучаем

А / « — t/2y 0.

Погрешность измерения дифференциальным гальванометром зависит от погрешности источника компенсирующего тока и по­

48

грешности образцового резистора гальванометра непосредственной оценки:

б ,= - ^ - б к+ 4 ^ ѵ

* Х ' X

Очевидно, что погрешность образцового резистора гальвано­ метра непосредственной оценки в / К/А/ раз оказывает меньшее влия­ ние на полную погрешность дифференциального гальванометра. При достаточно высокой чувствительности гальванометра непо­ средственной оценки / к ~ I, » А/, и, следовательно, погрешность измерения практически полностью определяется погрешностью установки компенсирующего тока. В этом случае роль гальвано­ метра непосредственной оценки сводится к увеличению чувствитель­ ности устройства.

Входная проводимость дифференциального гальванометра за­ висит от степени компенсации измеряемого тока и определяется аналогично (1-50)

Быстродействие дифференциального гальванометра зависит от времени уравновешивания компенсатора и времени нарастания показаний гальванометра непосредственного измерения. Так как в большинстве случаев установление показаний гальванометра не­ посредственного измерения происходит одновременно с уравнове­ шиванием, то полное время измерения обычно является большей из этих двух величин.

Для повышения чувствительности измерение тока некомпенсации может производиться интегратором тока. При этом время ин­ тегрирования непосредственно добавляется к времени уравнове­ шивания компенсатора. Измерение тока при помощи дифференци­ ального гальванометра с интегратором тока разделяется на два периода. В первом периоде производится уравновешивание изме­ ряемого тока компенсирующим. При этом усилитель К и исполь­ зуется в качестве нуль-органа. После уравновешивания усилитель переводится в режим интегрирования.

ГЛАВА ВТОРАЯ

УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРОННЫХ ГАЛЬВАНОМЕТРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

2-1. Общие сведения об усилителях электронных гальванометров

Усилители электронных гальванометров являются усилителями постоянного тока или напряжения. Они делятся на усилители пря­ мого усиления и усилители с преобразованием. Усилители прямого