ЕРВ

Реєструвальні прилади призначені для вимірювання й автоматичного запису значень вимірюваних величин, які можуть змінюватись з часом

Всі реєструвальні електровимірювальні прилади можна поділити на такі групи:

• самописні прилади прямого перетворення і прямого відліку;
• самописні автоматичні потенціометри і мости;
• електромеханічні осцилографи;
• друкувальні прилади.

У самописних приладах, потенціометрах і мостах вимірювальні величини реєструються на лінованій паперовій стрічці чи на лінованому паперовому диску; у осцилографів — на світлочутливих плівці чи папері; у цифродрукувальних приладах — на паперовій стрічці.

Самописні прилади, потенціометри і мости не вирізняються швидкодією і призначені для запису величин, зміна яких проходить не більше, ніж на одне повне відхилення покажчика за одну секунду. Що ж до осцилографів, то їхня швидкодія значно більша і вони здатні реєструвати процеси, з частотою до кількох тисяч повних відхилень за одну секунду.

Ці прилади (вони ще звуться самописними) мають вимірювальний механізм, переважно феродинамічної чи магнітоелектричної системи, пристрої Електрорадіовимірювання (обслуговування комп’ютерних систем та мереж, 2-ий курс) для писання та для пересування паперової стрічки. Прилади виконують як із безперервним, так і з точковим записом.

На рис. 1 зображено записи, зроблені реєструвальними приладами. Стрілками показано напрям руху стрічки або диска.

Прилади з феромагнітним вимірювальним механізмом можна використовувати для вимірювання і запису змінного і постійного струму, напруги, потужності.

У приладів з безперервним записом механізм для писання складається з пера, виконаного у вигляді трубки, чорнильниці й капіляра, що з’єднує перо з чорнильницею. Іноді чорнильницю з пером розміщують на кінці стрілки вимірювального механізму, як показано на рис. 2, а, але це суттєво збільшує момент інерції рухомої частини приладу, а разом з тим і її масу, отже й момент тертя у підп’ятнику. В іншій конструкції (рис. 2, б) стрілку виконано скляною з капілярним каналом поздовж усієї стрілки і з нерухомою чорнильницею, в яку занурено початок капіляра. Такий пристрій істотно не збільшує ні момент інерції, ні масу, але капіляр тут занадто довгий, що зменшує надійність пристрою.

Пристрій з нерухомою чорнильницею (рис. 2, в) передбачає закріплення біля кінця стрілки лише короткого капіляра-пера, у якого початкову частину занурено у дугоподібну нерухому чорнильницю, розташовану вздовж усього кінця стрілки з капіляром. Такий пристрій також майже не впливає на величину моменту інерції і масу рухомої частини приладу.

В усіх таких приладах перо, яким є звужений кінець капіляра, торкається рухомої паперової стрічки, на якій креслить залежність вимірюваної величини від часу, і разом з тим створює значний гальмівний момент, що діє на рухому систему. Саме через це реєструвальні прилади з безперервним записом потребують від вимірювального механізму значно більшого обертового моменту, ніж звичайні (які не реєструють) прилади прямого відліку. Такий вимірювальний механізм споживатиме у десятки разів більшу потужність, ніж подібний механізм звичайного приладу

Рисунок 1. Види запису на реєстру вальних приладах: а – на паперовій стрічці; б – на паперовому диску; в – на фотоплівці чи фотопапері

Бажання зменшити вплив сил тертя на показання реєструвальних приладів спонукало до створення таких приладів з точковим записом (з дужкою, що падає). Принцип дії друкувального пристрою у такому приладі пояснюється на рис. 3. Запис залежності вимірюваної величини від часу виконується на рухомій паперовій стрічці, але він робиться шляхом друкування окремих крапок через певні проміжки часу. Прилад цей має вимірювальний механізм з величиною обертового моменту, сумірною з моментом звичайного (не реєструвального) приладу, бо більшу частину часу його вимірювальний механізм додатково нічим не перевантажений. Вимірювальний механізм цього реєструвального приладу має гнучку стрілку 7, яка вільно пересувається між піднятою кулачковим диском 6 рухомою дужкою 2 і друкувальною стрічкою 3. Диск 6 рівномірно обертається, і коли ролик 7 провалюється у заглиблення, що є на периферії диска 6, дужка падає на стрілку 1 і притискує її до друкувальної стрічки 3, а цю стрічку — до рухомої паперової стрічки 4, перекинутої через гладкий нерухомий стрижень 5. При стискуванні друкувальної стрічки між стрілкою і цим стрижнем на паперовій рухомій стрічці відбивається крапка (чи короткий відрізок прямої лінії).

Рисунок 2. Пристрої для писання реєстру вальних приладів: а – з рухомою чорнильницею; б – зі стрілкою-капіляром і нерухомою чорнильницею; в – з нерухомою чорнильницею

Далі, коли ролик 7 знову підійметься (при виході на найбільший радіус диска 6) і підійме дужку 2, стрілка 1 знову буде вільною і буде показувати по шкалі тогочасне значення вимірюваної величини. Час вільного переміщення стрілки 1 приладу набагато більший (у 10... 15 разів), ніж час, коли вона притиснута дужкою 2 до друкувальної стрічки. Тому стрілка досить точно слідкує за зміною вимірюваної величини. Це гарантує достатню точність друкування крапок на паперовій стрічці. Завдяки тому, що вимірювальний механізм приладу з точковим записом споживає у багато разів меншу потужність, ніж механізм інших реєструвальних приладів, його можна використати для безпосереднього виміру і запису напруги термопар й інших перетворювачів неелектричних величин на електричні з малою потужністю вихідного сигналу.

Рисунок 3. Друкувальний пристрій реєстру вального приладу з точковим записом

Прилади з точковим записом можна використовувати для вимірювання й запису кількох величин. Для цього у прилад вводять комутатор, що почергово перемикає вимірювальний механізм на вимірювання у різних колах. Водночас, окремим пристроєм пересувають друкувальну стрічку, що має поздовжні смуги різного кольору, призначені для запису кожної з вимірюваних величин точками різного кольору.

У стаціонарних реєструвальних приладах переміщення паперової стрічки виконується електричним приводом від синхронного електродвигуна, що механічно пов’язаний зі стрічкопротягувальним барабаном зубчастою передачею зі змінними зубчастими колесами. Це дає змогу встановлювати декілька швидкостей протягування цієї стрічки.

У переносних реєструвальних приладах переміщення паперової стрічки виконує пружинний привод, що заводиться вручну і на довгий час (як у годиннику). Але є переносні прилади і з електричним приводом стрічки.

Бажання виміряти і зареєструвати якусь електричну (чи неелектричну, але перетворену на електричну) величину з похибкою, що не перевищує 0,5... 1,0 % від границі вимірювання приладу, спонукало до створення автоматичних реєструвальних потенціометрів і мостів. В енергетиці, зокрема на електричних станціях, ці прилади застосовують досить часто, бо саме вони дають можливість, крім точного своєчасного вимірювання фізичних величин, за певний час простежити за записом діаграми тенденцію зміни будь-якої вимірюваної величини, прогнозувати подальший хід процесу та при необхідності своєчасно втручатися в цей процес.

І автоматичні потенціометри, і автоматичні мости є приладами автоматичного врівноважування. Потенціометри зміною власної напруги врівноважують вимірювані напруги і ЕРС, а мости зміною величини власного опору врівноважують вимірюваний ними опір. На електричних станціях, де надзвичайно важливими є величини температур на різних ділянках технологічного процесу виробництва електричної енергії, ЕРС термопар звичайно вимірюють потенціометрами, градуйованими у градусах, а величини опорів термометрів опору — мостами.

Схему електронного автоматичного потенціометра, призначеного для вимірювань ЕРС термопар, зображено на рис. 4, а. Загальний вигляд такого потенціометра (з прямокутною діаграмою, що записується на паперовій стрічці) показано на рис. 4, б.

Рисунок 4. Електронний автоматичний потенціометр: а – принципова схема; б – загальний вигляд

На схемі рис. 4, а позначено: Б — батарея хімічних елементів, що живить робоче коло потенціометра; НЕ — нормальний елемент; ВП — віброперетворювач напруги постійного струму в напругу змінного струму; РД — реверсивний двигун; 03 — обмотка збудження двигуна; ОУ — обмотка управління двигуна; ЕП — електронний підсилювач; С — конденсатор; П — перемикач режиму роботи потенціометра (положення: В — вимір ЕРС термопари; К - контроль робочого струму потенціометра); Т — термопара, ЕРС якої вимірюється і реєструється потенціометром; R_рс — змінний резистор робочого струму потенціометра; R_не — резистор, що спричиняє падіння напруги у робочому колі потенціометра, яке порівнюється з ЕРС нормального елемента; R_к — резистор компенсації температурної похибки термопари через відмінність зовнішньої температури від нормальної температури “холодних” кінців термопари; R₀ - резистор нормальної температури “холодних” кінців термопари; R_р — реохорд; R_ш — регульований резистор; R — додатковий резистор.

Потенціометр живиться від мережі змінного струму частотою 50 Гц і призначений для безперервної роботи впродовж невизначеного часу. Після першого ж умикання його в мережу змінного струму і приєднання до нього термопари, ЕРС котрої необхідно вимірювати і записувати як температуру, що контролюється нею (для такого випадку шкалу потенціометра градуюють у градусах температури), перемикач П встановлюють у положення К (“контроль”). При цьому механічна передача від двигуна РД вмикається на переміщення рухомого контакту змінного резистора R_рс Якщо падіння напруги на резисторі R_не не дорівнюватиме ЕРС нормального елемента НЕ, то різниця між ними, перетворена вібраційним перетворювачем ВП, буде підсилена електронним підсилювачем ЕП і передана на обмотку управління ОУ двигуном РД. Від цього ротор двигуна почне діяти й переміщувати рухомий контакт резистора R_рс, величина опору якого буде змінюватись так, щоб струм змінювався до величини, за якої різниця між падінням напруги на резисторі R_не і ЕРС нормального елемента зменшувалася майже до нуля. Тоді двигун РД зупиниться і перемикач П можна переводити у положення В (“Вимір”). При такому положенні перемикача роз’єднується механічний зв’язок між рухомим контактом резистора R_рс і двигуном РД, але створюється подібний механічний зв’язок між цим двигуном і рухомим контактом реохорда R_р.

Електрична схема у цьому положенні перемикача П з’єднується на порівняння величини ЕРС термопари Т та напруги, що є на резисторах R_к, R₀ та на частині реохорда. Різниця між вказаними ЕРС і напругою через контакти перемикача П надходить на віброперетворювач, де перетворюється у напругу змінного струму. Ця напруга, після підсилення її електронним підсилювачем ЕП, живить обмотку управління ОУ двигуна РД, ротор якого, обертаючись, пересуває рухомий контакт реохорда у бік зменшення різниці між ЕРС термопари і компенсуючої її напруги. Рух контакту реохорда Rp триватиме доти, доки зникне різниця між вимірюваною ЕРС термопари і компенсуючою її напругою на R_к, R₀ І частині реохорда R_p. Далі ця слідкуюча система стежитиме за величиною ЕРС термопари і пересуватиме рухомий контакт реохорда R_p (а з ним і покажчик значення температури, яка оточує термопару, а також і пристрій для писання, що креслить залежність цієї температури від часу на рухомій паперовій стрічці чи на паперовому диску).

Двигун РД, застосовуваний у подібних потенціометрах, може створювати великий обертовий момент, на відміну від реєструвальних приладів, де покажчик і пристрій для писання пересуваються завдяки дії обертового моменту, створеного вимірювальним механізмом. Тут використано пристрій для писання, що може мати значний момент опору тертя — стрижень від кулькової ручки, надійно притиснутий до паперу.

Як відомо, величина ЕРС термопари залежить від різниці температур — вимірюваної та температури “холодних” кінців термопари. Тому зміна температури довкілля, де містяться вказані “холодні” кінці термопари, повинна впливати на точність вимірювання температури у місці, де міститься власне вимірювальний кінець термопари, якщо не вжито заходів для компенсації впливу температури довкілля на її вимірювання.

В електронному автоматичному потенціометрі така компенсація є, для чого у схему потенціометра ввімкнено два резистори R₀ І R _к. Резистор R₀ — звичайний, виготовлений з манганінового дроту, опір якого практично не залежить від температури довкілля. Резистор R_к виготовлено з дроту, опір якого змінюється зі зміною температури довкілля. Якщо температура така, що вважається нормальною (наприклад, 20 °С), то величини падіння напруг на цих резисторах однакові й напрямлені протилежно. Тому величина напруги між точками А і В схеми дорівнюватиме нулю. У цьому разі ЕРС термопари буде точно компенсовано напругою U_вд, що знімається рухомим контактом реохорда, а положення стрілки приладу і самописного пристрою відповідатимуть дійсному значенню температури, контрольованої термопарою. Коли температура довкілля відхилиться від номінальної, опір резистора R_к змінить свою величину, й величини падіння напруг на резисторах R₀ І Rк вже не будуть однаковими. Електрорушійна сила термопари також відрізнятиметься від попередньої, хоч контрольована температура залишилася незмінною. У цьому разі поява різниці напруг U_АБ і U_БВ має компенсувати зміну ЕРС термопари так, щоб показання на шкалі приладу і положення пристрою для писання лишилися тими самими, що й раніше.

Автоматичні реєструвальні мости дещо простіші за потенціометри, бо не потребують ні нормального елемента, ні точного виставлення робочого струму, ні перетворювача постійного струму на змінний, бо працюють при живленні вимірювального кола змінним струмом при невеликій напрузі (меншій за 10 В). Ці мости розраховано на роботу з термометрами опору, тобто з резисторами, виконаними з дроту, що має значну величину температурного коефіцієнта питомого опору. Звичайно це мідь, нікель чи платина. Мідні термометри опору можуть успішно працювати при температурах, що не перевищують 150 °С, нікелеві — до 300 °С, платинові — до 900 °С.

Схему автоматичного електронного врівноваженого моста наведено на рис. 5, де: R₁, R₂, R₃ — резистори вимірювального моста; R_p — реохорд, R_ш — резистор для початкового підрегулювання величини опору між точками А і Б (наприклад, при встановленні нового реохорда R_p) до необхідної величини; R_л1, R_л2 — резистори для підгонки величин опорів лінії з’єднання моста з термометром опору; R_т — термометр опору; ЕП — електронний підсилювач; РД — ротор реверсивного двигуна; ОУ — обмотка управління реверсивного двигуна; ОЗ — обмотка збудження реверсивного двигуна; С — конденсатор; СДП — синхрон ний двигун обертання паперової діаграми пристрою реєстрації ПР (де запис виконується на стрічці — це двигун механізму протягування паперової стрічки).

В автоматичних мостах механічну передачу від реверсивного двигуна до рухомого контакту реохорда завжди ввімкнено. Її не перемикають на виконання якихось інших функцій (як у потенціометрах).

Кожний міст, випущений із виробництва, налагоджено на певний діапазон вимірювання температури з використанням певного типу термометра опору.

Рисунок 5. Схема автоматичного електронного врівноваженого мосту

При невідповідності показань покажчика мосту дійсній температурі між точками В і Г вимірювального мосту діятиме деяка напруга, яка, після збільшення підсилювачем ЕП, приведе до обертання двигуна РД у напрямі переміщення рухомого контакту реохорда (разом з покажчиком і пристроєм запису) до положення рівноваги мосту. Після врівноважування мосту двигун зупиниться, бо на його обмотку управління ОУ напруга не надходитиме. Далі рух поновлюватиметься лише після зміни величини опору термометра опору Rт при зміні величини температури в місці розташування термометра опору. За безперервного руху паперового носія інформації (паперового диска або паперової стрічки) пристрій для писання викреслюватиме залежність температури від часу.

Електромеханічний осцилограф — це реєструвальний електровимірювальний прилад для спостереження і запису на рухомій фотоплівці чи фотопапері швидкоплинних процесів, що характеризуються величинами електричного струму, напруги чи потужності. Осцилографи можуть записувати залежність від часу яких завгодно фізичних величин (не тільки електричних), якщо вони попередньо були перетворені на електричні. Тому такі осцилографи широко застосовують при дослідженнях у медицині, механіці, геології, будівництві, авіації тощо. Ці осцилографи здатні записувати як періодично змінні величини, так і неповторювані процеси. Швидкодія вимірювальних елементів (вібраторів) надзвичайно велика, що у поєднанні з великою швидкістю протягування фотоплівки чи фотопаперу (а швидкість носіїв запису в них від кількох десятих міліметра до десяти метрів за секунду), дає можливість реєструвати майже всі короткочасні й швидкозмінні процеси в енергетиці. Завдяки тому, що в цих осцилографах є від чотирьох до кількох десятків вібраторів, вони здатні водночас записувати багато різних фізичних величин і після обробки їхніх записів (осцилограм) встановлювати залежність між цими величинами, а не тільки залежність між контрольованими величинами і часом.

Електромеханічний осцилограф складається з таких ос-новних частин:

• вібраторів;
• оптичного пристрою формування світлового променя;
• оптичного пристрою для візуального спостереження періодичних процесів і для налагодження осцилографа;
• оптичного пристрою для фотографічного запису досліджуваного процесу;
• механізму для протягування фотоплівки чи фотопаперової стрічки і пристрою для зміни швидкості протягування;
• пристрою для запису на плівці чи на фотопапері позначок часу.

Рисунок 6. Будова електромеханічного осцилографа

Схематично будову електромеханічного осцилографа зображено на рис. 6. На цій схемі світло від лампи з точковою ниткою розжарювання 1 крізь лінзу конденсора 2 і діафрагму 3 напрямлене променем через дзеркало 4 на дзеркальце вібратора 18, від якого відбивається і крізь Циліндричну лінзу 16 потрапляє на фотоплівку (чи фотопапір) 15, що витягується зубчастим циліндром 13 з давальної касети 12 у приймальну касету 14. Іноді буває доцільно приймальну касету робити у вигляді коробки з ножем, яким можна відрізати експонований шматок фотоплівки чи фотопаперу.

Крім того, частина відбитого від дзеркальця 18 променя призмою 17 спрямовується дзеркалом 5 на багатогранник 6, з закріпленими на ньому дзеркальцями, які при обертанні багатогранника відбиватимуть промінь на матове скло 7, переміщуючи світлову крапку, проектовану на це скло відбитим променем, у поздовжньому напрямку і створюючи розгортку зображення досліджуваного процесу на склі. До обертання багатогранник з дзеркальцями приводиться двигуном 9 через зубчасту передачу та регулювальну муфту 8. За допомогою цієї муфти встановлюють швидкість обертання дзеркального багатогранника, яка забезпечує нерухомість зображення періодичного процесу на матовому склі. Від того ж електродвигуна 9, через коробку передач зі ступінчасто-змінюваним передавальним числом 11 та електромагнітну муфту зчеплення 10, обертання передається й зубчастому стрічкопротяжному барабанові 13, який приводить у рух фотоплівку чи фотопапір.

При відхиленні дзеркальця 18 у вібраторі світловий промінь відхиляється від нейтрального положення і за наявності руху плівки і розгортки викреслює графік зміни контрольованої даним вібратором величини як на матовому склі, так і на фотоплівці.

Швидкість протягування плівки, залежно від очікуваної швидкості досліджуваного процесу, встановлюють попередньо, змінюючи передавальне число коробки передач 11.

Вібратори, які є саме вимірювальними вузлами осцилографа, можуть бути петльовими, чи рамочними. Найбільш поширені конструкції вібраторів зображено на рис. 7.

У петльовому вібраторі (рис. 7, а) між полюсами постійного магніту 4 розташовано петлю 2, виготовлену з бронзової стрічки. Петля спирається на дві призми 1, зроблені з електроізоляційного матеріалу. З самого низу петлю натягують силою пружини 5. У середній частині петлі до неї приклеєне дзеркальце 3. Верхні кінці петлі 2 приєднано до нерухомих контактів. При проходженні струму стрічкою, з якої сформовано петлю, завдяки взаємодії струму з магнітним полем магніта петля трохи повертається разом із дзеркальцем 3, яке відхиляє промінь на фотоплівці чи на матовому склі (див. рис. 6). Якщо фотоплівка при цьому рухається, а дзеркальний багатогранник 6 обертається, то на плівці світловою точкою записується хід досліджуваного процесу (потім плівку для появи видимого зображення необхідно проявити і зафіксувати), а на матовому склі хід процесу вимальовується променем, але ніяк не фіксується.

Рисунок 7. Вібратори електромеханічних осцилографів: а – петльовий; б – рамковий; в – потужності

Петльові вібратори, через малий власний момент інерції, мають досить високі власні частоти коливань (1000... ...10 000 Гц) і здатні відтворювати без спотворень процеси, що проходять у колах, де частота дорівнює частоті мережі (50 Гц), а то й вище. Номінальні струми петльових вібраторів становлять десь від 1 до 100 мА.

На жаль, без застосування проміжних електронних підсилювачів чутливість петльових вібраторів часто буває недостатньою для вимірювань дуже малих струмів і напруг (наприклад, напруг термопар).

Прямі виміри дуже малих струмів і напруг виконують за допомогою >рамкових вібраторів (рис. 7, б). У цих вібраторів на жорсткій основі 6, що зроблена з латунної трубки з вирізами, за допомогою двох розтяжокструмопідводів 2 підвішено рамку 4, намотану багатьма витками тонкого дроту. До рамки жорстко прикріплено дзеркальце 5. Розтяжки натягнуто за допомогою пружинного пристрою 1. Вздовж рамки в основу вібратора 6 вмонтовано пластини 3 з магнітом’якого матеріалу для концентрації в місці розташування рамки магнітного потоку, створеного постійним магнітом, встановленим у самому осцилографі. Цей магніт не входить до складу вібратора, а є спільним для групи з кількох вібраторів (на рисунку його не показано).

Струм до вібратора підходить через контакти 7 і 8, що розташовані зверху вібратора.

Коливання вібратора заспокоюють підминанням паралельно з рамою (ззовні, до контактів 7 і 8) резистора відповідної величини або намотуванням рамки на алюмінієву пластину. Використовуючи алюмінієву пластину, заспокоєння одержують за рахунок струмів, що виникають у цій пластині при її русі у магнітному полі.

Вібратори потужності (рис. 7, в) виготовляють у вигляді петльових вібраторів, де постійний магніт замінено на електромагніт 4, обмотка 3 якого живиться струмом, пропорційним струмові кола, де вимірюють потужність. Петлю ж 1 через додатковий резистор живлять струмом, пропорційним величині напруги кола, потужність у якому необхідно реєструвати.

При вимірюваннях потужності у колах постійного струму кут повороту дзеркальця 2, а отже, й відхилення світлової точки від нульового положення на плівці, буде пропорційним потужності, споживаної у контрольованому колі. Графік залежності потужності від часу викреслюватиметься суцільною лінією.

Щодо вимірювання величини потужності у колах змінного струму, то залежність величини потужності від часу буде викреслено синусоїдою подвійної частоти, порівняно з частотою напруги, що живить контрольоване коло, зсунутої відносно своєї нульової лінії, як показано на рис. 8.

Вібратор потужності має чотири контакти для приєднання його до кола, де необхідно проводити вимірювання і запис величини потужності.

Рисунок 8. Запис величини потужності на змінному струмі

Для точного визначення масштабу часу на плівці чи папері, де ведеться запис осцилограми, користуються відмітниками часу, які генерують періодичний синусоїдальний чи імпульсний сигнал певної частоти. Цей сигнал записується одним з вібраторів осцилографа на тій самій плівці, на якій ведеться запис всіх вимірюваних величин. Масштаб часу визначається з відстані між сусідніми максимумами записаних сигналів генератора відомої частоти.

Якщо швидкість протягування плівки в осцилографі становить десь 25...500 мм/с, то часто за відмітник часу застосовують вібратор, увімкнений через достатньо великий опір до мережі, приєднаної до енергосистеми, вважаючи, що величина частоти в енергосистемі майже не відрізнятиметься від 50 Гц. У цьому разі треба вважати, що відстань між однозначними максимумами синусоїди відповідає часові 0,02 с.

Для запису аварійних режимів на енергетичних підприємствах, крім осцилографів, використовують реєструвальні прилади, які на малій швидкості протягування паперової стрічки (20...60 мм/год) ведуть запис напруги, струму або частоти при їхніх величинах, близьких до нормальних значень, а після появи аварійного режиму, за сигналом, одержаним від пристроїв релейного захисту, працюють деякий час на швидкості, у кілька сотень раз більшій (до 30... ...40 м/с). Звичайно, час роботи на такій великій швидкості обмежений, про 17 це дбає механізм обмеження часу, що є у приладі. Зауважимо, що вимірювання, зроблені під час швидких змін контрольованих величин, матимуть обмежену точність, зумовлену інерційністю вимірювальних механізмів цих приладів.