Загальні відомості

АНАЛОГОВІ Електромеханічні вимірювальні прилади

ЛЕКЦІЯ №4.

ТЕМА ЛЕКЦІЇ:

В аналогових електромеханічних вимірювальних приладах (ЕМВП) з безпосередніми вимірюваннями енергія, що підводиться до вимірювального приладу безпосередньо із вимірюваного кола, перетворюється в механічну енергію, як правило, кутового переміщення рухомої частини вимірювального приладу відносно нерухомої його частини.

ЕМВП застосовують для вимірювання струму, напруги, потужності, частоти, фазових зсувів, опорів і інших електричних величин на постійному і змінному електричному струмі (переважно промислової частоти 50 Гц). Ці прилади відносяться до приладів прямого перетворення. Вони складаються із вимірювального перетворювача (вимірювального кола), електромеханічного перетворювача (вимірювального механізму) і відлікового пристрою (рис. 4.1)

Вимірювальне коло приладу перетворює електричну вимірювану величину Х в деяку проміжну електричну величину Y (струм або напругу), яка є функціонально пов’язаною з вимірюваною величиною.

Залежно від характеру перетворювання вимірювальне коло може являти собою сукупність різних перетворювальних елементів (резисторів, конденсаторів, випрямлячів, термопар і т.п.).

Наявність різних вимірювальних кіл дозволяє використовувати один і той же вимірювальний механізм для вимірювання кількох різнорідних величин (напруг, струмів, опорів і т.д.), значення яких можуть змінюватися в широких межах.

Вимірювальний механізм (ВМ), котрий є основною частиною конструкції приладу, перетворює електромагнітну енергію вимірюваної величини в механічну енергію, необхідну для виконування роботи по відхиленню його рухомої частини відносно нерухомої на певний кут a, тобто, a = f(X) = F(Y).

Рухома частина ВМ являє собою механічну систему, що має, зазвичай, один ступінь свободи відносно осі обертання.

Диференціальне рівняння, що описує роботу ВМ, має вигляд (за своєю суттю це рівняння є другим законом Ньютона, записаним для випадку обертального руху):

, (4.1)

тут - момент інерції рухомої частини ВМ; - кутове прискорення рухомої частини ВМ; - кут відхилення рухомої частини.

Права частина рівняння є сумою всіх обертальних моментів, що діють на рухому частину ВМ під час її руху. Це, зокрема:

· обертальний момент , який визначається для всіх ЕМВП похідною від енергії електромагнітного поля w_е, яка зосереджена в механізмі, по куту відхилення рухомої частини. Обертальний момент є певною функцією вимірюваної величини Х, а отже Y (струму, напруги, добутку струмів, тощо) і a:

, (4.2)

де n =1, 2;

· момент протидії М_a, за своєю суттю є пружним моментом Гука; він створюється за допомогою спіральних пружин, розтяжок, пружних провідників, що підводять струм до рухомої частини ВМ і пропорційний куту її відхилення a:

М_a = - ka, (4.3)

де k - питомий момент протидії, обумовлений закручуванням пружних елементів (залежить від матеріалу пружних елементів та їх геометричних розмірів);

· момент заспокоювання М_сп, є моментом сил опору рухові; він завжди спрямований проти руху і пропорційний кутовій швидкості відхилення рухомої частини ВМ:

(4.4)

де β - коефіцієнт заспокоювання (демпфування). Як видно з рис.4.2, при β >1 демпфування є занадто сильним і показчик (стрілка) дуже повільно набуває усталеного значення кута

відхилення. При β < 1 демпфування занадто слабке і показчик (стрілка) разом з пружним елементом протидії утворюють коливальну систему і тоді стрілка може кілька разів проскакувати усталене значення кута, коливаючись навколо. Врешті стрілка, певне, ж заспокоюється, але на це може піти значний час. Оптимальною умовою швидкого встановлення стрілки на потрібну відмітку шкали є рівність β = 1.

Після підстановки (4.2.) - (4.4) в (4.1) отримуємо диференціальне рівняння відхилення для рухомої частини механізму:

,

або в такому вигляді:

. (4.5)

Після заспокоювання рухомої частини механізму (коли два перших члени лівої частини рівняння (4.5) стають нульовими) його відхилення визначається рівністю обертального моменту і моменту протидії:

М_об = М_a, (4.6)

Підстановкою в (4.6) аналітичних виразів для обертальних моментів отримують рівняння шкали приладу, яке пов’язує кут відхилення a рухомої частини приладі зі значенням вимірюваної величини і параметрами вимірювального механізму.

Залежно від способу перетворення електромагнітної енергії вимірюваного сигналу в роботу по відхиленню рухомої частини вимірювального механізму, ЕМВП поділяють на:

· магнітоелектричні;

· електромагнітні;

· електродинамічні;

· феродинамічні;

· електростатичні та ін.

Відліковий пристрій аналогових електромеханічних приладів, як правило, складається із покажчика, жорстко зв’язаного з рухомою частиною вимірювального механізму, та нерухомої шкали. Шкала являє собою сукупність позначок відліку, які розташовані вздовж деякої лінії і зображують ряд послідовних чисел, що відповідають значенням вимірюваної величини. Позначки для відліку виконують у вигляді штрихів, рисочок, точок і т.п. Покажчиком може бути механічним (наприклад, стрілка) або оптичним (наприклад, світловий «зайчик»).

За конструктивним виконанням шкали бувають прямолінійними (горизонтальними або вертикальними), у вигляді відрізків дуг (при кутових величинах дуг до 180^о включно) та круговими (при дугах більших, ніж 180^о).

За характером розташування позначок шкали бувають рівномірні і нерівномірні, однобічні відносно розташування нульової поділки, двохбічні або безнульові. Шкали градуюють або в одиницях вимірюваної величини (іменовані шкали), або просто в поділках (неіменовані шкали).

Числове значення вимірюваної величини дорівнює добутку числа поділок, зчитаних зі шкали, на ціну поділки.

Ціна поділки - значення вимірюваної величини, що відповідає одній поділці шкали.

Аналогові ЕМВП можуть мати різні класи точності. Поняття «клас точності» є узагальненою характеристикою засобів вимірювань, яка визначається межами допустимих основних і додаткових похибок, а також низкою інших властивостей, що впливають на похибку здійснюваних за їх допомогою вимірювань. Клас точності вимірювального приладу визначається як виражене у відсотках відношення допустимої основної абсолютної похибки вимірювального приладу в робочій частині шкали до верхньої межі діапазону вимірювань. ЕМВП, межі допустимої основної похибки котрих визначаються відносною похибкою за формулою , присвоюють класи точності, які вибираються із ряду чисел р і дорівнюють відповідним межам в процентах, де число р = 1^.10 ^п, 1,5 10 ^п, 2 10 ^п, 2,5 10 ^п, 4 10 ^п, 5 10 ^п, 6 10 ^п (n = 1, 0, -1, -2…). Так, для вимірювального пристрою з δ = 0,002 клас точності позначається як.

Аналогові ЕМВП мають такі класи точності: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Дата добавления: 2014-01-07