3.1. Обобщенное уравнение шкалы электромеханических приборов
К простейшим аналоговым приборам относятся приборы непосредственной оценки электромеханической группы, основанные на преобразовании электрической энергии в угол отклонения подвижной части измерительного механизма.
Простейший аналоговый прибор по своей сути есть электромеханический преобразователь (электрический двигатель).
С
остав
структурных схем таких приборов (рис.
3.1):
1 – измерительный преобразователь, предназначенный для согласования измеряемой величины X по масштабу (делитель, шунт) или роду (выпрямитель);
2 – измерительный механизм, суть электромеханический преобразователь, состоящий из неподвижной и подвижной частей.
Полная чувствительность звеньев такого прибора (см. §1.5) вычисляется по формуле
.
Следует различать чувствительность по току и чувствительность по напряжению.
Для конструирования измерительных механизмов применяются следующие виды электромеханических преобразователей (2), отличающихся по принципу преобразования электрической энергии в механическую (угол поворота):
- магнитоэлектрические,
электромагнитные,
электро(ферро)-динамические,
индукционные,
электростатические.
В качестве предварительных преобразователей (1) применяются: добавочные и шунтирующие резисторы, делители напряжения, полупроводниковые и вакуумные диоды, электронные усилители, термопары с нитью подогрева и другие.
Подвижная часть измерительного механизма (2) имеет одну степень свободы, которая позволяет ей вращаться или отклоняться на какой-то угол α.
В общем случае на такую подвижную систему действует сумма следующих механических моментов:
Момент инерции (Ми) позволяет измерять средние значения переменных и пульсирующих токов, благодаря усредняющей реакции инерционной подвижной части на мгновенные изменения момента вращения Мвр. Вместе с тем наличие Ми ухудшает динамические свойства приборов, вызывая длительные переходные процессы и запаздывание показаний за счет существования определенной массы подвижной части измерительного механизма (2).
Момент успокоения (Му) создается специально сконструированными успокоителями с целью улучшения динамических свойств приборов. Для этих целей применяют пневматические, гидравлические или электрические успокоители.
В современных стрелочных приборах время успокоения не должно превышать 4 с.
Момент трения (Мт) возникает в местах механических контактов подвижных и неподвижных частей измерительного механизма (в подпятниках, в опорах), а также за счет наличия трения о воздух. Приборы конструируют таким образом, чтобы момент трения был бы по возможности незначительным и не препятствовал возвращению подвижной части в начальное положение при отключении прибора.
Противодействующий момент (Мпр) предназначен для уравновешивания вращающего момента Мвр. Создается электрическим путем в так называемых логометрах с помощью дополнительной рамки с током или механическим путем с помощью специальных пружин из бериллиевой бронзы по типу спирали Архимеда.
Вращающий момент (Мвр) создается токами, протекающими по измерительному механизму, и есть функция, зависящая от электромагнитного поля, связанного с током, протекающим через прибор, т.е. – функция от измеряемой величины X.
Через некоторое время после включения прибора, т.е. при установившемся режиме (после окончания переходных процессов) момент инерции Ми уравновешивается моментом успокоения Му, поэтому равновесие подвижной части будет определяться уравнением
При статическом равновесии моментом трения можно пренебречь, тогда
(3.1)
и подвижная часть прибора будет неподвижна и отклонена на определенный угол от своего начального положения.
Противодействующий момент удобно представить в виде произведения удельного момента на угол закручивания
Вращающий момент есть изменение электромагнитной энергии по углу
.
Подставим в уравнение статического равновесия (3.1) значения Мпр и Мвр, получим обобщенное уравнение шкалы для приборов электромеханической группы
.
(3.2)
Следовательно, отклонение подвижной части прибора можно градуировать в значениях измеряемой физической величины.