Решением этого уравнения является зависимость

Частота изменения вращающего момента магнитоэлектрического измерительного механизма равна частоте входной электрической величины, а для остальных измерительных механизмов вращающий момент имеет постоянную и переменную составляющие, причем частота переменной составляющей равна удвоенной частоте входной величины.

Поэтому в обычных приборах при использовании их в цепях с частотой 50 Гц и выше, угол поворота подвижной части измерительного механизма определяется средним значением вращающего момента за период изменения электрической величины:

где - мгновенное значение вращающего момента.

11.3.2 Электромеханические приборы

Общие сведения. Электромеханический прибор включает в себя измерительную цепь, измерительный механизм и отсчетное устройство.

Измерительная цепь служит для преобразования измеряемой электрической величины в другую электрическую величину, непосредственно воздействующую на измерительный механизм. Измерительный механизм преобразует электрическую величину в угол поворота подвижной части. Отсчетное устройство служит для визуального отсчитывания значений измеряемой величины в зависимости от угла поворота подвижной части.

Несмотря на различие приборов с различными измерительными механизмами, имеется ряд деталей и узлов, общих для всех электромеханических приборов.

Корпус прибора защищает прибор от внешних воздействий, например от попадания в него пыли.

Отсчетное устройство электромеханического прибора состоит из шкалы и указателя. Шкала прибора обычно представляет собой пластину, на которой нанесены отметки, соответствующие определенным значениям измеряемой величины.

Указатель представляет собой перемещающуюся вдоль шкалы стрелку, жестко скрепленную с подвижной частью измерительного механизма прибора. В качестве указателя применяют также световой луч, отраженный от зеркальца, укрепленного на оси подвижной части. Луч света попадает на шкалу и образует на ней световое пятно, например, с темной нитью посередине. При повороте подвижной части световой указатель перемещается по шкале.

Крепление подвижной части осуществляется с помощью опор, растяжек или подвеса. Опоры состоят из кернов и подпятников. Керны представляют собой отрезки стальной проволоки, заточенные с одной стороны на конус. Подпятники имеют вид цилиндра с коническим углублением по оси. Они чаще всего изготавливаются из агата или корунда. Керны, укрепленные на подвижной части по оси вращения, входят в углубления подпятников, расположенных на неподвижной части. Недостаток установки на опорах – трение, которое вызывает погрешность.

Подвижная часть может быть подвешена на двух растяжках, представляющих собой упругие металлические ленты, прикрепляемые одним концом к подвижной части, а другим – к неподвижным деталям прибора. В случае необходимости растяжки могут быть использованы и для подвода тока в обмотку подвижной части.

Подвешивание на подвижной части на подвесе применяется в приборах высокой чувствительности – гальванометрах. Подвес – тонкая, упругая лента. Приборы, в которых применен подвес, требуют установки по уровню, поскольку подвижная часть висит свободно и отклонение положения прибора от вертикального может вызывать ее касание с неподвижной частью.

Необходимая степень успокоения (требуемое время успокоения) достигается в приборах путем применения устройств, называемых успокоителями. Применяют магнитоиндукционные, жидкостные и воздушные успокоители. Магнитоиндукционное успокоение создается при движении металлических деталей подвижной части в магнитном поле. Момент успокоения возникает в результате взаимодействия магнитных полей и наводимых токов, возникающих в движущихся металлических деталях. Магнитоиндукционный успокоитель состоит из постоянного магнита и перемещающийся в его рабочем зазоре металлической пластины (из алюминия), укрепленной на подвижной части. Роль успокоителя может играть также короткозамкнутый виток подвижной части, перемещающийся в поле магнита.

Жидкостное успокоение достигается тем, что подвижная часть измерительного механизма или её отдельные детали помещаются в вязкую жидкость. Поэтому при колебаниях подвижной части расходуется энергия колебаний подвижной части, т.е создается необходимое успокоение. В осциллографических гальванометрах с жидкостным успокоением в жидкость помещают либо всю подвижную часть, либо только часть растяжки.

Воздушный успокоитель состоит из камеры и находящейся внутри её пластины, скрепленной с подвижной частью. При колебаниях подвижной части в камере создается разность давлений по обе стороны пластины. Эта разность давлений препятствует свободному перемещению подвижной части и вызывает её успокоение.

Для установки указателя на требуемую отметку в электромеханических приборах применяют устройство, называемое корректором. Корректор содержит винт, укрепленный на корпусе прибора, поворачивая который, можно закручивать пружинки, растяжки или подвес и тем самым поворачивать подвижную часть прибора и устанавливать указатель на требуемую отметку.

Некоторые приборы снабжают арретиром – устройством, затормаживающим подвижную часть прибора.

На каждый прибор наносят условные обозначения. Как правило, на приборе обозначают: единицу измеряемой величины, класс точности, род тока, используемое положение прибора (горизонтальное или под углом), если это положение имеет значение. На шкале прибора указывают также условное обозначение типа измерительного механизма.

Магнитоэлектрические приборы

Общие сведения. Магнитоэлектрические приборы состоят из магнитоэлектрического механизма с отчетным устройством и измерительной цепи. Эти приборы применяют для:

1. Измерения постоянных токов и напряжений (амперметры и вольтметры).

2. Сопротивлений (омметры).

3. Количества электричества (баллистические гальванометры и кулонметры).

4. Магнитоэлектрические приборы применяют также: для измерения или индикации малых токов и напряжений (гальванометры).

5. Кроме того, магнитоэлектрические приборы используются: для регистрации электрических величин (самопишущие приборы и осциллографические гальванометры).

Измерительный механизм. Вращающий момент в измерительном механизме магнитоэлектрического прибора возникает в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля катушки с током. Применяют магнитоэлектрические механизмы с подвижной катушкой и с подвижным магнитом. Наиболее распространен механизм с подвижной катушкой.

При протекание через катушку постоянного тока вращающий момент

Если противодействующий момент создается упругими элементами, то, использовав соотношение (11.1), получим

где - чувствительность измерительного механизма к току.

Из выражения следует, что при постоянной индукции в зазоре угол отклонения подвижной катушки пропорционален току в катушке, а знак угла отклонения меняется при изменения направления тока.

В магнитоэлектрических логометрических измерительных механизмах подвижная часть выполняется в виде двух жестко скрепленных между собой катушек, по обмоткам которых протекают токи и . Ток к катушкам подводится с помощью металлических лент, практически не имеющих противодействующего момента. Моменты и , создаваемые взаимодействием магнитного поля постоянного магнита и токов катушек, направлены на встречу друг другу. Так как хотя бы один из моментов должен зависеть от угла поворота подвижной части, то для этого, например, зазор выполняют неравномерным.

В этом случае при равенстве моментов , получаем

Магнитоэлектрические измерительные механизмы имеют некоторые особенности, которые придают магнитоэлектрическим приборам определенные положительные свойства. Магнитоэлектрические измерительные механизмы:

1. Имеют высокую чувствительность.

2. Имеют малое собственное потребление энергии.

3. Имеют линейную и стабильную номинальную статистическую характеристику преобразования , что объясняется стабильностью свойств применяемых материалов.

4. У этих механизмов: отсутствует влияние электрических полей и мало влияние магнитных полей из – за достаточно сильного поля в воздушном зазоре (0,2 – 1,2 Тл)

Однако эти механизмы:

1. Имеют малую перегрузочную способность по току.

2. Относительно сложны.

3. Дороги.

4. Недостаток их также в том, что обычные механизмы реагируют только на постоянный ток.

Электродинамические и ферродинамические приборы

Общие сведения. Электродинамические (ферродинамические) приборы состоят из электродинамического (ферродинамического) измерительного механизма с отчетным устройством в измерительной цепи. Эти приборы применяют для измерения:

1. Постоянных и переменных токов и напряжений.

2. Мощности в цепях постоянного и переменного тока.

3. Угла фазового сдвига между переменными токами и напряжениями.

Электродинамические приборы являются наиболее точными электромеханическими приборами для цепей переменного тока.

Измерительный механизм. Вращающий момент в электродинамических и ферродинамических измерительных механизмах возникает в результате взаимодействия магнитных полей неподвижных и подвижных катушек с токами.

Электродинамический измерительный механизм имеет две последовательно соединенные неподвижные катушки, разделенные воздушным зазором, и подвижную катушку. ток к подвижной катушке подводится через пружинки, создающие противодействующий момент.

Если противодействующий момент создается упругими элементами, то при постоянных токах угол отклонения подвижной части

где - удельный противодействующий момент.

При переменных токах

где - угол фазового сдвига между токами в неподвижных и подвижных катушках.

На работу электродинамических измерительных механизмов сильное влияние оказывает внешние магнитные поля, так как собственное поле механизма невелико. Для защиты от внешних магнитных полей применяют магнитное экранирование. Иногда применяют так называемые астатистические измерительные механизмы, на которые внешние поля действуют значительно слабее.

Особенности электродинамических измерительных механизмов придают электродинамическим приборам определенные положительные свойства. Электродинамические измерительные механизмы:

1. Работают как на постоянном, так и на переменном токе (примерно до 10кГц) с высокой точностью.

2. Обладают высокой стабильностью своих свойств.

Однако электродинамические измерительные механизмы имеют:

1. Низкую чувствительность по сравнению с магнитоэлектрическими механизмами.

2. Поэтому приборы с электродинамическими механизмами: обладают большим собственным потреблением мощности.

3. Электродинамические измерительные механизмы имеют: малую перегрузочную способность по току.

4. Относительно сложны и дороги.

Ферродинамический измерительный механизм отличается от электродинамического механизма тем, что его неподвижные катушки имеют магнитопровод из магнитомягкого листового материала, позволяющий существенно увеличивать магнитный поток, а следовательно, и вращающий момент. Однако использование ферромагнитного сердечника приводит к появлению погрешностей, вызванных его влиянием, например погрешностей от нелинейности кривой намагничивания, от гистерезиса при работе на постоянном токе и т.д. Ферродинамические измерительные механизмы мало подвержены влиянию внешних магнитных полей, так как имеют достаточно сильные собственные поля.

Электромагнитные приборы

Общие сведения. Электромагнитные приборы состоят из электромагнитного механизма с отчетным устройством и измерительной цепи. Они применяются:

1. Для измерения переменных и постоянных токов и напряжений.

2. Для измерения частоты и фазового сдвига между переменным током и напряжением.

Из – за относительно низкой стоимости и удовлетворительных

характеристик электромагнитные приборы составляют большую часть всего парка щитовых приборов.

Измерительный механизм. Вращающий момент в этих механизмах возникает в результате взаимодействия одного или нескольких ферромагнитных сердечников подвижной части и магнитного поля катушки, по обмотке которой протекает ток. В настоящее время наибольшее применение получили конструкции измерительных механизмов с плоской катушкой, с круглой катушкой и с замкнутым магнитопроводом.

Если противодействующий момент создается упругими элементами, то угол поворота подвижной части

Электромагнитные измерительные механизмы:

1. Просты по конструкции и как следствие дешевы и надёжны в работе.

2. Способны выдержать большие нагрузки, что объясняется отсутствием токоподводов к подвижной части.

3. Электромагнитные измерительные механизмы могут работать, как в цепях постоянного, так и переменного тока (примерно до 10 кГц).

Малая точность и низкая чувствительность этих механизмов отрицательно сказывается на точности и чувствительности электромагнитных приборов. На работу электромагнитных измерительных механизмов. Сильное влияние оказывает внешние магнитные поля. Для устранения их влияния применяют магнитное экранирование. Иногда применяют так называемые астатистические измерительные механизмы, на которые внешние поля действуют значительнее слабее, чем на обычные механизмы.

Электростатические приборы

Общие сведения. Основой электростатических приборов является электростатический измерительный механизм с отчетным устройством. Они применяются, главным образом:

1. Для измерения напряжений переменного и постоянного тока.

2. Находят применение также электрометры – электростатические приборы специальной конструкции, требующие вспомогательных источников питания. Электрометры обладают повышенной чувствительностью к напряжению.

Измерительный механизм. Вращающий момент в электростатических механизмах возникает в результате взаимодействия двух систем заряженных проводников, одна из которых является подвижной.

Если противодействующий момент создается упругими элементами, то угол поворота подвижной части

.

Следующие особенности электростатических измерительных механизмов придают электростатическим приборам положительные свойства. Электростатические измерительные механизмы:

1. Имеют малое собственное потребление мощности от измеряемой цепи; на постоянном токе это потребление равно нулю.

2. На эти механизмы малое влияние оказывает температура окружающей среды, частота и форма измеряемого напряжения.

3. Отсутствует влияние магнитных полей.

4. К достоинствам следует отнести: возможность изготовления вольтметров для высоких напряжений до сотен киловольт без громоздких, дорогих и потребляющих большую мощность добавочных резисторов и измерительных трансформаторов.

Однако электростатические измерительные механизмы:

1. Имеют малую чувствительность.

2. На них сильно влияют внешние электростатические поля.

Для защиты от внешних электростатических полей применяют металлические экраны.

Индукционные приборы

Общие сведения. Индукционные приборы состоят из индукционного измерительного механизма с отчетным устройством и измерительной цепи.

Принцип действия индукционных измерительных механизмов основан на взаимодействии магнитных потоков электромагнитов и вихревых токов, индуктированных магнитными потоками в подвижной части, выполненной в виде алюминиевого диска.

В настоящее время из индукционных приборов: находят применение счетчики электрической энергии в цепях переменного тока.