2.5. Синтез измерительных приборов

Измерительные приборы по своему устройству представляют собой совокупность (в определенном сочетании) измерительных преобразователей, что характеризуется структурой прибора. Условным изображе­нием структуры является структурная схема.

В основу синтеза измерительных приборов положим следующие факторы;

1. Любой измерительный прибор содержит контур уравновешива­ния обобщенных сил или узел уравновешивания обобщенных скоростей.

2. Сумма обобщенных сил в контуре уравновешивания их равна сумме реакций

3. Сумма обобщенных скоростей в узле их уравновешивания равна нулю

В качестве обобщенных сил и скоростей принципиально могут быть выбраны любые активные величины, но на практике, с точки зре­ния удобства сравнения, наибольшее распространение получили при уравновешивании следующие виды обобщенной силы: механическая сила, механический момент, ЭДС и напряжение. Наиболее распространен­ными видами обобщенной скорости являются электрический ток, маг­нитный поток, реже расход жидкости или газа.

Исходя из сказанного, измерительные приборы можно разделить на следующие группы по виду сравниваемых обобщенных сил: с уравно­вешиванием механических сил, с уравновешиванием механических мо­ментов, с уравновешиванием напряжений и ЭДС, с уравновешивани­ем электрических токов, с уравновешиванием магнитных потоков и другие.

Измерительный прибор содержит как минимум два ИП. Один из них преобразует измеряемую величину в одну из указанных выше величин, а другой (или несколько других) преобразуют образцовую величину в уравновешивающую. Процесс формирования уравновешиваю­щей величины может осуществляться автоматически или вручную опера­тором.

Группы измерительных приборов, как правило, называют по изме­ряемой величине и виду обобщенных сил (или скоростей). По указан­ным признакам измерительные приборы делят на следующие наиболее представительные группы: механические приборы для измерения меха­нических величин; электромеханические приборы; приборы с уравнове­шиванием напряжений и токов для измерения электрических величин; приборы для измерения неэлектрических величин электрическими при­борами уравновешивания (в том числе и цифровые электроизмеритель­ные приборы).

2.6. Приборы с уравновешиванием механических сил и моментов

Их отличительной особенностью является наличие контура уравновешивания механических сил или моментов.

Измеряемая величина электрическая или неэлектрическая преобра­зуется одним или совокупностью ИП в механический момент, реже в механическую силу, воздействующую на элемент сравнения, на второй вход которого подается сформированный уравновешивающий (противо­действующий) момент (или сила).

У большинства элементов сравнения подвижная часть имеет толь­ко одну степень свободы, т.е. может поворачиваться вокруг непод­вижной оси или (значительно реже) совершать линейное перемещение. Положение подвижной части по отношению к неподвижной определяется ее углом поворота, отсчитываемым от некоторого начального положения.

Конструктивно элементы сравнения выполняются в виде оси, за­крепленной в опорах, в виде растяжек или подвесов (рис. 2.3).

a b c

Рис. 2.3

В первом случае подвижная часть состоит из оси - лёгкой алю­миниевой трубки I диаметром 1-1,5 мм, в концы которой запрессова­ны керны 2 — стальные отрезки длиной 2,5-6 мм и диаметром 0,5-0,75 мм, заточенные на конце и заканчивающиеся закруглением с ра­диусом 0,01-0.15 мм. Керны располагаются между двумя подпятника­ми 3 – камнями из твердых синтетических и естественных материалов: агата, корунда, рубина или специальных сортов стекла, стали или бронзы. Подпятники имеют углубления, в которые упираются керны. Указанный способ крепления требует сравнительно больших вращающе­го M_вр и противодействующего M_np моментов, чтобы уменьшить пог­решность, связанную с трением в опорах. Естественно, требуются ИП, создающие M_вр 4 и M_np 5 с повышенным потреблением энергии.

Уменьшить влияние трения позволяет крепление подвижной части на растяжках 6 – двух металлических нитях прямоугольного, круглого или иного сечения.

У приборов самой высокой чувствительности (гальванометров) подвижная часть подвешивается на конце упругой металлической (ино­гда кварцевой) нити 7. Такие приборы устанавливают в строго верти­кальном положении, для чего они снабжаются уровнем.

Противодействующий момент М_np (или сила F_np) создается либо механическим путем, используя упругие свойства пружин, растяжек или подвесов, либо при помощи ИП электрических величин в механи­ческие.

Механический противодействующий момент определяется как

(2.12)

где w - удельный противодействующий момент;  - угол отклоне­ния подвижной части.

Вращающий момент М_вр или силу F для электромеханических преобразователей можно найти как производную электромагнитной энергии Э_эм, сосредоточенной в ИП, соответственно по углу пово­рота  или линейному перемещению l подвижной части- преобразова­теля (2.9):

(2.13)

К электромеханической группе, в зависимости от физических явлений, использованных для создания вращающего момента, относят­ся следующие преобразователи:

а) магнитоэлектрические, основанные на взаимодействии тока и магнитного потока постоянного магнита;

б) электромагнитные, основанные на взаимодействии тока в об­мотке с сердечниками из магнитомягкого материала;

в) электростатические, основанные на взаимодействии двух или нескольких электрически заряженных проводников (или диэлектриков);

г) электродинамические, основанные на взаимодействии двух или больше контуров с токами;