Аналоговые электромеханические измерительные приборы

В них непосредственно оценивается электромагнитная энергия, подведенная к прибору непосредственно из измерительной цепи. Она преобразовывается в механическую энергию углового измерения подвижной части относительно неподвижной.

Электромеханические измерительные приборы применяют для измерения тока, напряжения, мощности, сопротивления и других электрических величин на постоянном и переменном токе преимущественно промышленной частоты 50 Гц. Эти приборы относятся к приборам прямого действия.

Эти приборы состоят из:

1) Электрического преобразователя (измерительная цепь).

2) Электромеханического преобразователя (измерительный механизм).

3) Отсчетное устройство.

Измерительная цепь обеспечивает преобразование электрической измеряемой величины Х в некоторую промежуточную величину Y (ток, напряжение), функционально связанную с величиной Х. Величина Y непосредственно воздействует на измерительный механизм. По характеру преобразования измерительная цепь может представлять собой совокупность элементов (резисторов, конденсаторов, выпрямителей, термопар).

Различные измерительные цепи позволяют использовать один и тот же измерительный механизм при измерениях разнородных величин (ток, напряжение, сопротивление), меняющихся в широких пределах.

Измерительный механизм, являясь основной частью конструкции прибора, преобразует электромагнитную энергию в механическую, необходимую для угла поворота его подвижной части относительно неподвижной.

F(X) – функционал.

Подвижная часть измерительного механизма представляет собой механическую систему с одной степенью свободы относительно оси вращения. Момент количества движения равен сумме моментов, действующих на подвижную часть.

- дифференциальное уравнение моментов, описывающее работу измерительного механизма. J – момент инерции подвижной части измерительного механизма, α – угол отклонения подвижной части, - угловое ускорение.

На подвижную часть измерительного механизма при ее движении воздействуют:

1) Вращающий момент (М) – определяющийся для всех электроизмерительных приборов скоростью изменения энергии электромагнитного поля (ω_э), сосредоточенной в в механизме по углу отклонения α подвижной части.

n=1,2

2) Противодействующий момент (М_α).

W – удельный противодействующий момент на единицу закручивания угла пружины.

М_α создается механическим путем с помощью спиральных пружин, растяжек, подводящих проводов, и пропорционален углу отклонения α подвижной части.

W зависит от материала пружины и ее геометрических размеров.

3) Момент успокоения (М_усп) – это момент сил сопротивления движению, всегда направленный навстречу движению и пропорциональный угловой скорости отклонения.

р – коэффициент успокоения (демпфирования).

Установившееся отклонение подвижной части измерительного механизма определяется равенством вращательного и противодействующего моментов (М=М_α). Подставив в это равенство соответствующие значения, получим уравнение шкалы прибора, показывающее зависимость угла отклонения α подвижной части от значения измеряемой величины и параметров измерительного механизма. В зависимости от способа преобразования электромагнитной энергии в механическое угловое перемещение подвижной части электроизмерительные приборы делят на:

1) Магнитоэлектрические

2) Электромагнитные

3) Электродинамические

4) Ферродинамические

5) Электростатические и др.

Отсчетное устройство аналоговых электроизмерительных приборов чаще всего состоит из указателя, жестко связанного с подвижной частью измерительного механизма, и неподвижной шкалы. Указатели бывают:

1) Стрелочные (механические)

2) Световые

Шкала представляет собой совокупность отметок, которые расположены вдоль какой-то линии. Изображают ряд последовательных чисел, соответствующих значениям измеряемой величины.

Шкалы по начертанию бывают:

1) Прямолинейные: а) горизонтальные

б) вертикальные

2) Дуговые

3) Круговые

По характеру расположения отметок различают шкалы:

1) Равномерные

2) Неравномерные

3) Односторонние относительно нуля

4) Двусторонние

5) Безнулевые

Шкалы градуируют либо:

1) В единицах измеряемой величины (именованная шкала)

2) В делениях (неименованная шкала)

Числовое значение измеряемой величины равно произведению числа деления, прочитанного по шкале, на цену (показания прибора). Цена деления – значение измеряемой величины, соответствующее одному делению шкалы.

Так как электроизмерительные приборы являются приборами прямого действия, чувствительность прибора:

- чувствительность измерительной цепи,

- чувствительность измерительного механизма.

Классы точности аналоговых электроизмерительных приборов:

0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Узлы и детали измерительных приборов:

Для большинства электроизмерительных приборов, несмотря на большое разнообразие измерительных механизмов, можно выделить общие узлы и детали. Любой измерительный механизм состоит из:

1) Подвижной и неподвижной частей. Поэтому для обеспечения свободного перемещения свободной части ее устанавливают на опорах, растяжках, подвесе. При транспортировке таких приборов подвижную часть измерительного механизма закрепляют с помощью неподвижного арретира.

Устройство для установки подвижной части на опорах. Они представляют собой легкую алюминиевую трубочку, в которую запрессованы керны (металлические отрезки). Концы кернов затачивают и шлифуют на конус с закруглением. Керны опираются на агатовые или корундовые подпятники. В приборах высокого класса точности (лабораторных приборах) для уменьшения трения сама шкала у прибора располагается горизонтально, а ось вертикально. При этом нагрузка сосредоточена в подпятнике.

2) Устройства для установки подвижной части на растяжках представляют собой две тонких ленты из бронзового сплава, на которых подвешивается подвижная часть. Их наличие обеспечивает отсутствие трения в опорах, облегчает подвижную систему, повышает виброустойчивость. Также растяжки используют для подведения тока к обмотке рамки и создания противодействующего момента.

3) Устройства для установки подвижной части на подвесах используют в особо чувствительных приборах. Подвижная часть измерительного механизма подвешивается на тонкой (иногда кварцевой) нити. Ток в рамку подвижной части подводят через нить подвеса и специальный безмоментный токоподвод из золота или серебра.

Узлы для создания противодействующего момента.

В измерительных механизмах с установкой подвижной части на опорах используют одну или две плоские спиральные пружины, выполненные из оловянно-цинковой бронзы. Пружины также служат в качестве токоподводов подвижной части.

Измерительные механизмы магнитоэлектрической системы.

Работа магнитоэлектрических измерительных механизмов основана на принципе взаимодействия катушки с током и магнитного потока постоянного действия.

Есть рамка с током и сердечник, который локализует магнитное поле в определенной области пространства.

Один из взаимодействующих элементов подвижный – катушка (рамка с током), а второй – постоянный магнит.

Измерительные механизмы магнитоэлектрической системы состоят из:

1) Внешний магнит

2) Магнитопровод

3) Рамка стоком

4) Пружина

5) Грузики

Внешний магнит изготавливается из магнитотвердого материала. Для усиления магнитного поля рамки с током помещается внутрь рамки на оси сердечник в виде цилиндра, изготавливающийся из магнитомягкого материала. В воздушном зазоре между полюсными наконечниками создается равномерное радиальное магнитное поле. В воздушном зазоре помещается рамка с током из тонкого изолированного медного провода, намотанного на бумажный или алюминиевый каркас прямоугольной формы. К рамке с двух сторон приклеиваются алюминиевые буксы, в которые закрепляются полуоси или растяжки. Рамка может поворачиваться вместе с осью и стрелкой вокруг цилиндрического сердечника. Измеряемый ток I пропускают в обмотку рамки через две спиральные пружины, создающие противодействующий момент. Для уравновешивания подвижной части служат противовесы (грузики). Алюминиевая стрелка и шкала образуют отсчетное устройство. Данный измерительный механизм магнитоэлектрической системы предназначен только для измерения постоянных токов. При протекании по обмотке рамки постоянного тока на активные стороны обмотки действует пара сил F, создающая вращающий момент М:

- энергия магнитного потока в поле системы, состоящей из постоянного магнита и рамки с током.

- поток постоянного магнита, сцепленного с обмотками рамки, по которой течет I.

- индукция магнитного потока в воздушном зазоре.

- активная длина рамки.

- ширина рамки.

- число обмоток рамки.

- площадь рамки.

- поток сцепления обмотки рамки при повороте ее на угол α = 1 рад.

Вращающийся момент измерительного механизма с радиально равномерным магнитным полем в воздушном зазоре не зависит от угла отклонения α подвижной части. Под действием момента подвижная часть поворачивается вокруг оси, тем самым закручивая пружины, создающие противодействующий момент. При отклонении рамки на некоторый угол α: . Дальнейшее отклонение рамки прекращается.

W – удельный противодействующий момент, определяющийся спиральными пружинами.

- чувствительность измерительного механизма по току.

Из данного уравнения следует, что отклонение α подвижной части измерительного механизма линейно, то есть шкала прибора равномерная.

Повышение чувствительности измерительного механизма может быть достигнуто за счет увеличения индукции В в зазоре, числа витков в рамке, уменьшения удельного противодействующего момента пружин.

Увеличение индукции В можно осуществить, применяя новые специальные сплавы (альнико, альни, магнико). При изготовлении постоянных магнитов также используются различные специальные сплавы, которые обеспечивают индукцию в зазоре 0,2 – 0,5 Тл. При изменении направления протекания тока в рамке изменяется направление отклонения подвижной части измерительного механизма. При включении измерительного механизма в цепь переменного тока из-за инерционности его подвижной части среднее значение за период.

Достоинства магнитоэлектрической системы:

1) Высокая чувствительность (измерительный механизм обладает сильным собственным магнитным полем, поэтому при малых токах создается достаточный подвижной части).

2) Большая точность (из-за высокой стабильности элементов, незначительного влияния внешних магнитных полей)

3) Незначительное влияние на режим измерительной цепи, так как мощность, потребляемая измерительным механизмом мала.

4) Хорошее успокоение.

5) Равномерность шкалы.

Недостатки магнитоэлектрической системы:

1) Сложность конструкции (трудоемкость изготовления и т.д.)

2) Плохая перегрузочная способность.

3) Температурное влияние на точность измерений.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы используют:

1) В многопредельных широкодиапазонных магнитоэлектрических амперметрах, вольтметрах для непосредственного измерения в цепях постоянного тока.

2) В гальванометрах (высокочувствительных измерительных приборах с неградуированной шкалой, применяемых как для непосредственного измерения малых электрических токов (10^-5 – 10^-12), напряжений менее 10^-4, зарядов, так и для обнаружения тока или напряжения в разнообразных мостовых и компенсационных цепях).

3) В светолучевых осциллографах вибраторах при наблюдении и записи мгновенного значения и мощности тока, частота которого может быть 1 Гц – 15 кГц, а также различных неэлектрических величин, преобразованных в электрические.

4) В аналоговых омметрах, электронных вольтметрах, термоэлектрических амперметрах (вольтметрах), электронных частотомерах, фазометрах.

5) В комбинированных аналоговых вольтметрах, в которых магнитоэлектрический измерительный механизм совместно с выпрямительными усилителями по входу используют при измерении переменного тока и напряжения.

6) В логометрах (двухрамочные механизмы), используемые в амперметрах, частотомерах и т.д.

Электродинамические измерительные механизмы.

Электродинамические измерительные механизмы работают на принципе взаимодействия магнитных потоков двух катушек, по которым протекают токи.

Измерительный механизм состоит из пары неподвижных катушек круглой или прямоугольной формы, соединенных последовательно. Внутри этих катушек на оси находится бескаркасная подвижная катушка или рамка, для подвода тока в которую и создания противодействующего момента применяются спиральные пружины. Чтобы получить вращающий момент, используют электромагнитную энергию из системы из двух катушек, по которым протекает постоянный ток.

- индуктивности, М – взаимоиндуктивность.

Если потоки подвижной и неподвижной катушек совпадают, то М положительна, если нет – отрицательна. При повороте подвижной катушки на угол α изменяется М, зависящая от формы и взаимного расположения катушек, а =const.

При некотором определенном соотношении размеров под

При некоторых определенных соотношениях размеров под­вижной и неподвижных катушек можно получить в пределах рабочей части шкалы.

Под действием вращающего момента подвижная катушка стре­мится занять такое положение, при котором направление ее маг­нитного поля совпадало бы с направлением магнитного поля непод­вижных катушек. При этом она будет поворачиваться до тех пор, пока вращающий и противодействующий моменты не сравняются, т. е. . Следовательно, угол отклонения подвижной части механизма:

При включении электродинамического механизма в цепь пере­менного тока мгновенное значение вращающего момента:

где |

| — мгновенные значения токов в катушках,

— начальные углы сдвига фаз. Среднее значение вращающего момента за период, на который реагирует подвижная часть механизма:

где I₁, I₂ - среднеквадратичные значения токов в катушках; - угол сдвига фаз между векторами токов I₁ и I₂. Угол отклонения подвижной части механизма

показывает, что при несовпадении по фазе токов отклонение под­вижной части а пропорционально произведению среднеквадратич­ных значений этих токов на косинус угла сдвига фаз между ними.

, - среднеквадратичные значения.

Электродинамические механизмы содержат две цепи тока, по­этому являются множительным устройством и обладают фазочувствительностью. Данная особенность позволяет применять их не только в амперметрах, вольтметрах, но и в ваттметрах, фазо­метрах и др.

К достоинствам электродинамических механизмов относят высо­кую точность и возможность использования их как в цепях посто­янного тока так и в цепях. переменного тока.

К недостаткам — малую чувствительность; влияние внешних магнитных полей на по­казания ИМ (слабое собственное магнитное поле); большую мощ­ность потребления; ограниченный частотный диапазон (до 1,5 кГц).

Электродинамические механизмы используют в амперметрах, вольтметрах, ваттметрах при лабораторных измерениях в цепях постоянного и переменного токов промышленной частоты, фазо-метрах. Для уменьшения влияния внешних магнитных полей на показания приборов применяют магнитное экранирование измерительного механизма.

Дата добавления: 2014-01-20