Запитання

1. Дайте визначення засобам вимірювальної техніки (ЗВТ).

2. Як розділяються засоби вимірювань за призначенням?

3. Як поділяються міри фізичних величин?

4. Наведіть приклади багатозначних мір фізичних величин.

5. Дайте визначення вимірювальним перетворювачам.

6. Що таке первинні вимірювальні перетворювачі?

7. Що таке вторинні вимірювальні перетворювачі?

8. Що таке масштабні вимірювальні перетворювачі?

9. Дайте визначення вимірювальним приладам.

10. Навести приклади аналогових вимірювальних приладив.

11. Що являє собою цифровий вимірювальний прилад?

12. Дайте визначення регулюючим вимірювальним приладам.

13. Як поділяються електровимірювальні прилади по родом вимірювальних величин?

14. Дайте визначення вимірювальним установкам.

15. Дайте визначення вимірювальним системам.

16. Що являє собою інформаційна-вимірювальна система?

17. Як поділяються засоби вимірювань за виконуваними мет-рологічними функціями?

18. Дайте визначення робочим засобам вимірювань.

19. Які існують міри індуктивності і взаємоіндуктивності?

20. Що являє собою Державна система промислових приладів і засобів автоматизації (ДСП)?

21. Що складає методологічну основу ДСП?

22. Чим забезпечується інформаційна сумісність в ДСП?

23. Що представляють собою електронні вимірювальні прилади?

24. Що таке метрологічні характеристики засобів вимірювань?

25. Що являє собою функція перетворення вимірювального приладу?

26. Як визначається чутливість вимірювального приладу?

27. Що являє собою варіація показів вимірювального приладу?

28. Що представляє собою область робочих частот вимірюваль-ного приладу?

29. Як визначається швидкодія для цифрових приладів?

30. Що таке надійність засобів вимірювань?

Лекція 2. Різновиди вимірювальних механізмів елекричних вимірювальних засобів

План

2. 1. Загальні відомості

   2. Загальні відомості до вимірювальних приладів прямого перетворення

   3. Основні види вимірювальних механізмів

2. 1. Загальні відомості

Вимірювальний механізм (ВМ) – це пристрій, призначений для перетворення вхідної електричної величини в переміщення рухомої частини (кутове, лінійне).

Залежно від виду енергії, яка використовується для утворення рушійних зусиль (сил), а також конструктивних особливостей ВМ останні поділяються на магніто-електричні, електромагнітні, електро- та феродинамічні, індукційні, електростатичні, теплові та біметалеві. Різноманітні типи і конструкції вимірювальних механізмів складаються з багатьох подібних деталей, які залежно від принципу дії ВМ, їх призначення і умов експлуатації мають лише конструктивні відмінності. Усі ці деталі утворюють рухому та нерухому частини ВМ.

Електромагнітна енергія вхідної величини витрачається у ВМ на переміщення (переважно кутове) рухомої частини. Робота , виконана при повороті рухомої частини на кут , визначається співвідношенням:

, (2.1)

де М_о – обертаючий момент;

– зміна електромагнітної енергії ВМ.

Вираз для енергії електромагнітного поля матиме вигляд:

, (2.2)

в свою чергу:

; (2.3)

, (2.4)

де W_ел – енергія електричного поля; W_магн – енергія магнітного поля; С_k,p, U_k,p – ємність і напруга між k-м та р-м тілами; I_k, І_р – струми в k-му та р-му контурах; L_k – індуктивність k-го контуру; M_k,p – взаємоіндуктивність між k-м та р-м контурами.

Практично в кожному ВМ використовується лише певний вид енергії.

Зокрема, в електростатичних ВМ обертаючий момент утворюється енергією електричного поля, в електро-магнітних – енергією, нагромадженою в магнітному полі котушки індуктивності L_k, в електродинамічних (феродинамічні, індукційні та магнітоелектричні ВМ можна розглядати як різновиди електродинамічних) – енергією індуктивно-зв'язаних кіл.

Отже, обертаючий момент визначається як похідна енергії електромагнітного поля за геометричною координатою:

. (2.5)

Узагальнений вираз для обертаючого моменту має вигляд:

(2.6)

або

, (2.7)

де k – коефіцієнт пропорційності; Y, Y₁, Y₂ – вхідні електричні величини ВМ;

– функція кута повороту рухомої частини.

Для однозначної взаємовідповідності між вхідною та вихідною величинами у ВМ необхідно зрівноважити обертаючий момент протидіючим М_п, тобто виконати умову статичної рівноваги. Протидіючий момент, спрямований назустріч обертаючому, зростає із збільшенням кута повороту рухомої частини. В загальному випадку:

. (2.8)

Такий протидіючий момент у механізмах з керованими опорами (коли вісь 1 рухомої частини закінчується кернами (рис. 10.1,а), які опираються на підп'ятники 3, утворюється з допомогою спіральних пружин 2; у приладах з рухомою частиною на розтяжках чи підвісі 5 (рис.10.1,б,в) – закрученням відповідно розтяжок чи підвісу. В усіх цих випадках протидіючий момент:

, (2.9)

де W – питомий протидіючий момент; – кут закручення пружини (повороту рухомої частини).

Рис. 2.1. Різновиди опор

Рис. 2.2. Графіки обертаючого і протидіючого моментів

Статична рівновага рухомої частини ВМ, якщо нехтувати тертям в опорах, матиме місце при рівності обертаючого та протидіючого моментів (рис. 2.2):

. (2.10)

Отже, рівняння перетворення (зв'язок між кутом повороту і значенням вимірюваної величини) матиме вигляд:

(2.11)

або

. ( 2.12)

На рухому частину, виведену з положення статичної рівноваги на деякий кут (рис.2.2), буде діяти встановлюючий момент , зна­чення якого визначається різницею між обертаючим та протидіючим моментами.

Рис. 2.3. Графік моментів і похибка від тертя

Рис. 2.4. Види заспокоювачів

Питомий встановлюючий момент М_в – це похідна від встановлюючого моменту за кутом повороту:

. (2.13)

У загальному випадку обертаючий, а отже, і питомий встанов-люючий моменти є деякою функцією кута повороту рухомої частини.

Рівність М_о=М_п має місце лише у випадках, коли відсутнє тертя в опорах, наприклад, коли рухома частина закріплена на розтяжках або підвісі. В приладах з опорами на кернах в результаті тертя між керном і підп'ятником виникає момент тертя М_т, напрямлений проти напрямку руху. Внаслідок дії цього моменту виникає деяка невизначеність (варіація) відхилень рухомої частини (рис. 2.3), бо при зростанні вхідної величини до значення _сp рівновага настане при відхиленні:

, (2.14)

а при спаданні вхідної величини до значення _ср:

, (2.15)

де – відхилення рухомої частини при відсутності тертя; – похибка, зумовлена тертям у опорах.

Для зменшення тривалості або одержання бажаного характеру перехідного процесу, який є при встановленні статичної рівноваги, вводяться заспокоювачі (рис. 2.4). Найчастіше застосовуються маг-нітоіндукційні або повітряні заспокоювачі, в окремих випадках – рідинні.

Магнітоіндукційний заспокоювач (рис. 2.4,а) складається з постійного магніту 1, рухомого сектора 2 із неферомагнітного провід­никового матеріалу та магнітопроводу 3. Електрорушійна сила, що наводиться в рухомому секторі при його переміщенні в колі постійного магніту:

, (2.16)

де Ф – магнітний потік;

– швидкість кутового переміщення сектора.

Струм і_с, який при цьому виникає в секторі, взаємодіє з потоком Ф, в результаті чого виникає момент заспокоєння:

(2.17)

де – коефіцієнт заспокоєння; r_с – опір диска струмові і_с; k – коефіцієнт пропорційності.

Елементами повітряного заспокоювача (рис. 2.4,б) є легке рухоме крило 7, закріплене на осі рухомої частини, і камера заспокоювача 2.

Рідинні заспокоювачі бувають двох видів. У тих випадках коли треба забезпечити значне заспокоєння або коли введення додаткової деталі у формі крила повітряного заспокоювача приводить до недопустимого збільшення моменту інерції рухомої частини, всю рухому частину ВМ поміщають у футляр з рідиною (олією, спиртом). З появою невисихаючих кремнійорганічних рідин (час 50%-ного висихання – до 50 років) почали застосовувати крапельні рідинні заспокоювачі (рис.2.4,в). У вузькій щілині між нерухомим 1 і рухомим 2 кільцями крапля 3 кремнійорганічної рідини надійно утримується силами поверхневого натягу. Залежно від в'язкості рідини можна досягти різного ступеня заспокоєння.

У повітряних та рідинних заспокоювачах момент заспокоєння виникає внаслідок втрат на в'язке тертя. Вираз для їх моменту заспо-коєння в першому наближенні такий самий, які для магнітоіндукційних (інша лише формула для коефіцієнта заспокоєння).