4. Электромеханические измерительные механизмы и приборы.

4.1. Принцип действия

Электромеханические измерительные механизмы и приборы относятся к аналоговым устройствам, показания которых являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. В них изменение измеряемой величины преобразуется в аналог - изменение положения подвижной части измерительного механизма.

Электромеханический прибор состоит из двух основных частей: измерительной цепи и измерительного механизма. Измерительная цепь преобразовывает измеряемую величину в другую величину, непосредственно воздействующую на измерительный механизм. В измерительном механизме, состоящим из подвижной и неподвижной частей, электромагнитная энергия этой величины преобразуется в механическую энергию перемещения подвижной части относительно неподвижной. Поскольку обычно применяется угловое перемещение, то в дальнейшем будут рассматриваться не силы, действующие в приборе, а моменты.

По роду измеряемой величины электроизмерительные приборы делят на амперметры – для измерения тока, вольтметры – для измерения напряжения, ваттметры – для измерения мощности, омметры – для измерения электрического сопротивления и т. п.

Запишем для подвижной части измерительного механизма уравнение на основании второго закона Ньютона для вращающихся тел с учетом наиболее важных моментов, действующих на подвижную часть:

J = M_вр + M_пр + M_усп , (4.1)

где J  момент сил инерции, J – момент инерции подвижной части,  - угол поворота подвижной части, t – время, M_вр – вращающий момент, M_пр – противодействующий момент, M_усп – момент успокоения.

Вращающий момент возникает и однозначно определяется измеряемой величиной х, но в общем случае может зависеть также от угла поворота подвижной части, т. е.

M_вр = F (x, ).

Для электромеханических приборов, в которых действуют силы электромагнитного поля, M_вр определяется из общего уравнения динамики системы

M_вр = , (4.2)

где W_эм – энергия электромагнитного поля, сосредоточенная в измерительном механизме.

В зависимости от способа создания вращающего момента, т. е. в зависимости от вида преобразования энергии электромагнитного поля в механическую энергию перемещения подвижной части, электромеханические измерительные механизмы подразделяются на магнитоэлектрические, электромагнитные, электростатические, электродинамические, ферродинамические и индукционные.

Если бы движению подвижной части ничего не противодействовало, то она при любом значении измеряемой величины (кроме нуля) доходила бы до упора, что делало бы измерение невозможным. Для того, чтобы угол отклонения  однозначно зависел от измеряемой величины, в измерительном механизме создается противодействующий момент M_пр, направленный навстречу вращающему и зависящий от угла поворота. Таким образом, при возникающем динамическом равновесии (M_вр + M_пр = 0) каждому определенному значению измеряемой величины будет соответствовать определенный угол поворота подвижной части.

По способу создания противодействующего момента измерительные механизмы делятся на две группы: с механическим противодействующим моментом и с электрическим противодействующим моментом – логометры.

В измерительных механизмах первой группы противодействующий момент создается с помощью упругого элемента (спиральной пружины, растяжек или подвеса), который при повороте подвижной части закручивается. При этом величина M_пр определяется из выражения

M_пр = - W , (4.3)

где W – удельный противодействующий момент, зависящий от свойств упругого элемента. В таких измерительных механизмах угол  определяется электрической величиной, создающей вращающий момент (электрический ток, напряжение, их произведение и т. д.).

В логометрах противодействующий момент создается так же, как и вращающий, но один из моментов должен зависеть от угла поворота подвижной части. В этом случае угол поворота будет определяться отношением электрических величин, создающих вращающий и противодействующий моменты (например, отношением электрических токов).

При перемещении подвижной части на нее, кроме указанных моментов, действуют динамические моменты: момент сил инерции (J ) и момент успокоения, пропорциональный угловой скорости движения подвижной части d/dt:

M_усп = - P , (4.4)

где P – коэффициент успокоения. Знак минус показывает, что момент успокоения так же, как и противодействующий, направлен навстречу вращающему моменту. Задачей M_усп является обеспечение плавного и апериодического движения подвижной части измерительного механизма. От него в значительной степени зависит важный эксплуатационный параметр прибора – время успокоения. Момент успокоения создается путем применения специальных устройств, называемых демпферами или успокоителями. В зависимости от конструкции приборов в них применяются различные успокоители: магнитоиндукционные, жидкостные или воздушные.

Если подставить выражения (4.3) и (4.4) в уравнение (4.1) и перенести в левую часть, то получим дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами, описывающее движение подвижной части измерительного механизма:

J + P + W = M_вр . (4.5)