5 Электромеханикалық аспаптар. Жалпы мағұлыматтар және олардың жіктелуі

Аналогты өлшеу түрлендіргіштерінің кеңінен қолданылатын бір түрі ол электромеханикалық түрлендіргіштер. Олар тұрақты және айнымалы ток пен кернеулерді немесе басқада электрлік және электрлік емес шамаларды түрлендіру үшін қолданылады. Бұл түрлендіргіштің негізгі ерекшеліктері олардың қарапайымдылығы, жоғары сенімділігі мен нақтылығы.

Барлық электромеханикалық өлшеу аспаптарын 5.1-суретте көрсетілгендей өлшеу тізбегінен, өлшеу механизімінен және есептегіш құрылғыдан құралатын структуралық схема түрінде көрсетуге болады.

Сурет 5.1 -Электромеханикалық өлшеу аспабының структуралық схемасы

Өлшеу тізбегінде кірістегі Х шамасы өлшеу механизіміне әсер ететін Х₁ аралық шамасына түрленеді. Өлшеу тізбегі сондай-ақ өлшеу аралығын кеңейту және қателіктерді теңгеру компенцациялау үшінде арналуы мүмкін.

Өлшеу механизімінде Х₁ аралық шамасының электромагнитті энергиясы айналдырғыш момент туғызатын электромеханикалық энергияға түрлену процессі жүріп нәтижесінде өлшеу механизімінің қозғалмалы бөлігі  бұрышқа орын ауыстырады бұрылады.

Қозғалмалы бөліктің орын ауыстыруы ауытқуы есептегіш құрылғы арқылы анықталады. Электромеханикалық аспаптардың есептегіш құрылғысы шкала және көрсеткіштен стрелка, жарық сәулесі құралады. Оның көмегімен өлшеу аспабының өлшеніп отырған Х шамасына тең болуы керек Ү көрсетуі анықталады.

5.1-кестеде әртүрлі электромеханикалық өлшеу аспаптарының негізгі сипаттамалары көрсетілген.

Ескерту 1 айнымалы ток үшін жазылған формулаларда I және U - әсерлік мәндер, I_ср- орташа мәні,  - ток векторлары арасындағы ығысу бұрышы 2 әсер ететін шамалар t⁰ - температура, f – ток жиілігі, МӨ - магнит өрісі, ЭӨ - электр өрісі, ТФ – аспап арқылы өтетін ток формасы, _т – толық ауытқу.

Электромеханикалық түрлендіргіштердің жіктелуі. Барлық электромеханикалық түрлендіргіштер жұмыс жасау принципіне байланысты, яғни өлшеніп отырған сигналдың электромагнитті энергиясының түрлендіргіштің қозғалмалы бөлігінің орын ауыстыруын туғызатын механикалық энергияға түрлену әдісіне байланысты бірнеше түрге бөлінеді:

5.1 Кесте- Электромеханикалық өлшегіш аспаптардың сипаттамалары

Өлшеу механизм-нің түрі	Түрлендіру теңдеуі	Ток түрі, жиілік диапазо ны Гц	Көрсетуіне әсер ететін шамалар	Кіріс шамасының минималь мәні	Жоғарғы нақтылық класы	т болғанда тұтына- тын қуат Вт
электродинамикалық		­_  4020*103	t0, f, МӨ	10*10-3 А	0,1	0,1
ферродина-микалық		 101,5*103	t0, f	5*10-3 А	0,5	0,025
Магнитті электрлік		_	t0	0,1*10-6 А	0,1	10-9
Электромагниттік		_ 408*103	t0, f, МӨ	10*10-3 А	0,2	0,1
электростатикалық		_  2030*101	t0, ЭӨ	10 В	0,05	Активті қуатты тұтынбайды
Түзеткіш- Тік		 2020*103	t0, f, ТФ	5,0*10-6 А 0,15 В	0,5	10-5

магниттіэлектрлі механизм;

логометрлік магниттіэлектрлі механизм;

электромагнитті механизм;

логометрлік электромагнитті механизм;

полярланған электромагнитті механизм;

электрдинамикалық механизм;

логометрлік электродинамикалық механизм;

ферродинамикалық механизм;

 логометрлік ферродинамикалық механизм;

электростатикалық механизм:

индукциялы өлшеу механизмі.

Басқада ерекшеліктеріне, мысалы кері әсер етуші моменттің пайда болуына байланысты механикалық кері әсер етуші моментті және электрлі кері әсер етуші моментті (логометрлі) болып екіге бөлінеді.

Қолданылатын есептегіш құрылғының түріне байланысты көрсеткіші механикалы- тілшелі (стрелочный) және көрсеткіші жарықық пен көрсететін.

Нақтылық класына байланысты: 0,05; 0,1; 0,2;:0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 5,0. нақтылық класты.

Өлешенетін шама түріне байланысты электромеханикалық аспаптар амперметрлер, вольтметрлер, ваттметрлер, омметрлер, фазометрлер, частотомерлер, гальванометрлер және т.б болып жіктеледі.

Магниттіэлектрлі аспаптар. Бұл жүйе аспаптарының құрылысы 5.2 – суретте көрсетілген, негізгі құрамды бөліктері 1- тұрақты магнит және оған бекітілген 2-полюстер, полюстер арасына 3-болаттан жасалған цилиндр және оған жапсырылған 4-рамка, рамкаға ток екі спираль тәрізді 5-серіппелер арқылы беріледі.

Сурет 5.2 – Магниттіэлектрлі жүйе аспабының құрылысы

Бұл жүйедегі аспаптардың жұмыс жасау принципі рамкадағы ток пен полюстердің магнит өрісінің өзара әсерлесуіне негізделген. Бұл әсердің нәтижесінде айналдырғыш момент пайда болып рамка және ол бекітілген цилиндр бірге қозғалысқа келеді. Спираль тәрізді серіппе бұл қозғалысқа кері әсер моментін туғызады. Айналдырғыш момент токқа пропорционал ал кері әсер моменті серіппенің бұралу бұрышына пропорционал болғандықтан: деп жазуға болады, мұндағы k және D – пропорционалдық коэффициенттері

Ендеше рамканың бұрылу бұрышы:

(5.1)

ал орамдағы ток

(5.2)

мұндағы - шкаланың бөліну санымен анықталатын токтың өлшем бірлігіне сәйкес келетін аспаптың сезімталдылығы; C_I – аспатың ток бойынша тұрақтылығы.

Олай болса өлшенетін токты бұрылу бұрышы мен ток бойынша тұрақтылық коэффициенттерінің көбейтіндісі ретінде анықтауға болады.

Электромагнитті жүйе аспаптары. Электромагниті өлшеу механизмдерде айналдыру моменті тогы бар орамның магнит өрісі мен қозғалмалы ферромагнитті табақшаның өзара ісерлесуі негізінде пайда болады. Электромагнитті өлшеу механизмінің құрылысы 5.3- суретте көрсетілген.

Сурет 5.3 – Электромагнитті жүйе аспабының құрылысы

Бұл жүйе аспатарының негізгі бөліктері қозғалмайтын орам- 1, болаттан жасалған қозғалмалы өзекше-2, өзекшеге көрсеткіш тіл -3 және кері әсер моментін туғызатын серіппе -4 бекітілген. Айналдыру моменті мен кері әсер моменті бір-біріне теңескенде жүйе тынышталады. Қозғалмалы бөліктің бұрылу бұрышына сәйкес өлшенетін ток анықталады.

Айналдыру моментінің орташа мәні өлшенетін токтың квадратына пропорционал:

(5.3)

Спираль тәрізді серіппе туғызатын кері әсер моменті қозғалатын бөліктің бұрылу бұрышына пропорционал болғандықтан, шкала теңдеуін мына түрде жазуға болады:

(5.4)

яғни қозғалатын бөліктің бұрылу бұрышы айнымалы токтың әсерлік мәнінің квадратына пропорционал.

Айналдырғыш момент мына теңдікпен анықталады:

, (5.5)

мұндағы - энергияның өзекшенің орынауыстыру бұрышы бойынша туындысы; I - өлшенетін ток; - орам индуктивтілігінің өзекшенің орынауыстыру бұрышы бойынша туындысы.

Аспапты айнымалы ток көзіне қосқан кезде айналдыру моментінің период ішіндегі орташа мәні:

(5.6)

мұндағы m(t)- айналдыру моментінің ілездік мәні; I_m – орамнан өтетін токтың максималь мәні.

Аспап шкаласының теңдеуі:

(5,7)

Бұл теңдіктен шкала біркелкі емес, яғни квадраттық сипатта. Шкаланың біркелкі еместігін төмендету үшін аспаптың сезімталдылығы да қозғалатын бөліктің бұрылу бұрышына байланысты біркелкі болмау керек, оны табақшаның формасын таңдау арқылы іске асыруға болады.

Электромагнитті механизмнің сезімталдылығы:

. (5.8)

Электромагнитті аспаптардың артықшылықтары: айнымалы және тұрақты ток тізбектерінде өлшеу жүргізе алатындығы, асқын жүктемеге төзімділігі, ток пен кернеудің үлкен мәндерін тікелей өлшеуге қолдануға болатындығы, құрылысының қарапайымдылығы.

Электромагнитті аспаптардың кемшіліктері:

Шкаласының біркелкі еместігі, сезімталдығының жоғары еместігі, өлшеу тізбегінен айтарлықтай қуат тұтынатындығы және сыртқы магнит өрісі мен қоршаған орта температурасының әсеріне төзімсіздігі.

Негізгі артықшылықтары мыналар: құрылысының қарпайымдылығы, сенімділігі және асқын жүктемеге төзімділігі.

Электродинамикалық механизмдер. Электр қуатын өлшеу үшін электродинамикалық жүйе өлшеу аспабын 5.4-сурет қолданған тиімді, электр қуатын тура өлшеуге арналған өлшеу аспабы ваттметр, ол екі орамнан құралатын өлшегіш элементтерден құралады оның бірі өлшеу тізбегіне тізбектей жалғанатын болса, екіншісі параллель жалғанады. Өлшеу аспабын өлшеу тізбегіне жалғаған кезде тізбектей жалғанатын орамнан жүктемеге пропорциональ ток өтетін болса, параллель жалғанатын орамнан ток көзі кернеуіне пропорциональ кернеу өтеді.

Электродинамикалық жүйедегі өлшеу аспабын айнымалы ток көзіне қосатын болсақ, онда 1 - қозғалмайтын орамнан ал, 2 - қозғалатын орамнан токтар өтеді.

Айналдырғыш моменттің ілездік мәні

. (5.9)

Период ішіндегі орташа мәні

, (5.10)

мұндағы - ток векторларының арасындағы ығысу бұрышы векторлық диаграммаға қараңыз. Ендеше көрсеткіш механизмнің шкаласы мынаған тең

(5.11)

егер аспаптың сезімталдығын төмендегіше өрнектесек

(5.12)

онда шкала теңдігі мынаған тең болады

. (5.13)

1-қозғалмайтын орам 2- қолзғалатын орам.

Сурет 5.4 -Электродинамикалық жүйе аспабының құрылысы мен вектролық диаграммасы

Соңғы теңдіктен екенін көреміз, яғни мұндай жүйедегі аспап тізбектегі активті қуатты өлшеуге мүмкіндік береді және ваттметрлердің жұмыс жасау принципі осы принципке негізделген.

Электродинамикалық жүйе аспаптарының сезімталдығы төмен және өлшеу тізбегінен айтарлықтай қуат тұтынады, олар негізінен 0,1... 10 А ток және 300 В дейінгі кернеулер үшін қолданылады.

Электординамикалық жүйедегі ваттметрдің көрсеткіш құрылғысының бұрылу бұрышы өлшегіш орамдардан өтетін ток пен кернеу шамасына пропорциональ мына өрнекпен анықталады:

, (5.14)

Сурет 5.5 - Ваттметрдің бір фазалы айнымалы ток көзіне жалғану схемасы

Аспаптардың артықшылықтарына мыналар жатады:

- тұракты және айнымалы ток тізбектерінде жүмыс істеуге жарамдылығы:

- тұрақты токты өлшеудің жоғары дәлдігі (дәлдік класы 0,1, ал керек болса 0,05);

- айнымалы ток және кернеу өлшеудің жоғары дәлдігі (дәлдік класы 0,2, ал керек болса 0,1);

- тұракты және айнымалы токтың қуатын өлшегенде біркелкі және бірдей белгіленуі.

Аспаптардың кемшіліктеріне мыналар жатады:

- токтар мен кернеулерін өлшегенде шкаланың біркелкі еместігі, әсіресе шкаланың бас жағында;

- сыртқы магнит өрістерден аспап көрсеткіштерінің тәуелділігі;

- айнымалы ток жиілігінен аспап көрсіткештерінің тәуелділігі.

Электродинамикалык аспаптар қалқалық және лабораториялық вольтметр, амперметр және вольтметр ретінде қолданады.

Аспаптарда электродинамикалык механизм фазометрлерде фазалар бұрыштарының ығысуын өлшеуге пайдаланады.

Ферродинамикалық аспаптар. Ферродинамикалық жүйе аспабының электродинамикалықтан өзгешелігі олардың қозғайлмайтын орамы магнитөкізгішке оралады. Бұл сыртқы электромагнитті өрістерден қоғайды және үлкен айналдыру моментінің пайда болуына септігін тигізеді. Жұмыс жасау принципі бойынша олардың электродинамикалықтан айырмашылығы жоқ.

Негізгі ерекшелігі сыртқы магнит өрістеріне төзімділігі.сезімталдығы жоғары және өлшеу тізбегінен аз қуат тұтынады.

Электростатикалық жүйесінің аспаптары. Электростатикалық аспаптардың жұмыс істеу негіздері электрлі зарядталған электродтардың өзара әрекетіне негізделген. Түзіліс жағынан электростатикалық аспаптар жазық конденсатордың бір түрі деп көрсетуге болады, өйткені қозғалатын бөлігінің орын ауыстыруы нәтижесінде сыйымдылық өзгереді. Қозғалмайтын 1 және қозғалатын 2 электродтардан кұралған аспап 5.6-суретте көрсетілген.

Сурет 5.6 - Электростатикалық аспатың құрылысы

Зарядталған электродтардың өзара әрекетті электростатикалық күштер айналдыру моментін туғызады.

Бұл моментің әсерімен козғалатын электродтар бос кеңістікке тартылады да электродтардың арасындағы активтік аудан өзгереді, яғни сыйымдьшык С өзгереді.

Аспаптың шкаласының тендеу түрі мынадай болады:

(5.15)

Аспаптың шкаласы квадратты болғандықтан қосылған кернеудің қарама-карсылығы өзгерген кезде айналу бағыт өзгермейді.

Басқаларға қарағанда, электростатикалық жүйенің аспаптары тек кернеуді ғана өлшейді.

Электростатикалық жүйесінің аспаптарының артықшылықтары:

- жоғары кіру кедергісі (10¹⁰) Ом;

- өте аз тұтыну қуаты;

- көрсеткіштердің кернеу қисығының түріне тәуелсіздігі;

- жиілік диапазонының кеңдігі.

Аспаптардың кемшілігіне мыналар жатады:

- шкаланың квадратты сипаты;

- айналдыру моменттің аздығы, ал сол себептен кіші кернеулі аспаптардың жоқтығы (минималды - 30 В);

- көрсеткіштердің сыртқы электростатикалық өрістерден тәуелділігі;

- салыстырмалы дәлдіктің төменділігі.

Электростатикалық жүйенің аспаптары жоғары вольтты сынау құрылғыларында үлкен кернеулерді өлшеуге қолданалады (киловольтметрлер).

Электронды күшейткішпен бірге оларды жоғары әсерлі айнымалы токтың электрометрлері және вольтметрлері ретінде қолданады.

Индукциялы жүйе аспатары. Индукциялы жүйе аспабының құрылысы мен векторлық диаграммасы 5.7 -суретте көрсетілген.

Өлшеу механизмі бос кеңістікпен бөлініп тұрған қозғалмайтын екі магнит өткізгіштерден бірі Ш - тәрізді екіншісі П- тәрізді индуктролардан құралады. Магнит өткізгіштер арасындағы бос кеңістікте қозғалатын алюминий диск орналастырылған. Магнит өткізгіштерге Ф₁ және Ф₂ магнит ағындарын туғызатын сәйкесінше I₁  және I₂ қоздырғыш токтары өтетін орамдар оралған. Дискінің айналым санын есептегіш механизм диск осімен байланысып тұр. Дискінің бос жүрісін болдырмау үшін тұрақты магниттер қарастырылған.

Өлшеу аспабын айнымалы ток көзіне қосқан кезде I₁  және I₂ токтарымен фазасы бойынша сәйкес келетін Ф₁ және Ф₂ магнит ағындары пайда болады векторлық диаграммаға қараңыз. Магнит ағындары дискіні қиып өткенде олардың бойна өздерінің магнит ағындарынан бұрышқа қалып жүретін Е₁ және Е₂ электр қозғағыш күштерін енгізеді индукциялайды, дискіде сәйкесінше ЭҚК фаза бойынша дәл келетін екі I_д1 және I_д2 құйынды токтары пайда болады дискі кедергісін активті деп есептейміз.

Сурет 5.7 - Индукциялы жүйе аспабының құрылысы мен векторлық диаграммасы

I_д1 тогы контуры мен Ф₂ магнит ағынының тартылысы және I_д2 тогы контуры мен Ф₁ магнит ағынының тебіліс күштерінің әсерінен дискіге бір-біріне қарсы бағытталған екі момент әсер етеді, моменттердің ілездік мәндері

 (5.16)

мұндағы к₁ және к₂- пропорционалдық коэффициенттер.

Магнит ағындарының теңдіктері:

(5.17)

Магнит ағындарының дискіге енгізетін құйынды токтарының теңдіктері:

(5.18)

Моменттердің орташа мәндерін мына формулалармен есептеуге болады:

(5.19)

мұндағы , ал  болғандықтан дискіге әсер ететін айналдырғыш моменттің толық мәні:

(5.20)

Дискіге енгізілген токтарды мына формуламенде анықтауға болады:

 және , (5.21)

мұндағы f- ток көзі жиілігі, к₃ и к₄- пропорционалдық коэффициенттер.

Ендеше:

(5.22)

немесе:

; (5.23)

мұндағы К=k₁k₄+k₂k₃.

болғанда айналдырғыш момент максималь мәнге жетеді.

Дискінің бір қалыпты айналуын қамтамасыз ету және тежегіш момент туғызу үшін аспап құрылысында тұрақты тежегіш магнит қарастырылған.

Дискінің айналуы мен тұрақты магнит ағынының әсерлесуі нәтижесінде құйынды ток пайда болады:

. (5.24)

мұндағы - дискінің бұрыштық айналу жылдамдығы, к₅- пропорционалдық коэффициент.

i_в тогы мен Ф_n магнит ағынының өзара әсерлесуі нәтижесінде тежегіш момент пайда болады:

(5.25)

немесе

. (5.26)

мұндағы К_т=К₅К₆.

Индукциялы жүйе аспаптарының айналдырғыш моменті жоғары, олардың көрсетіміне сыртқы магнит өрісінің әсері аз және асқын жүктемелену қабілеті жоғары  большая перегрузочная способность  бұл қасиеттер мұндай жүйедегі аспаптардың артықшылығы болып табылады.

Кемшіліктері ретінде нақтылығының төмендігін, өлшеу тізбегінен үлкен қуат тұтынатындығын және олардың көрсетіліміне ток жиілігі мен температураның әсер ететіндігін атап өтуге болады.

Электр энергиясын санауыштардың көпшілігінің өлшегіш механизмі индукциялық жүйе негізінде жасалады.

Әдебиеттер:

1 [113-147]

Бақылау сқрақтары

1.Электродинамикалық жүйе аспабының құрылысын және жұмыс жасау принципін түсіндіріп беріңіз

2. Электрмеханикалық түрлендіргіштер қалай жіктеледі?

3. Электрмагнитті жүйе аспабының негізгі ерекшеліктерін айтңыз?

4. Магниттіэлектрлі аспаптарда айналдыру моменті қалай пайда болады?

5.Ферродинамикалық және электродинамикалық аспатардың бір-бірінен қандай айырмашылықтары бар?