Министерство образования и науки Российской Федерации
Российский государственный гидрометеорологический университет
кафедра МИС
факультет ИСиГТ
Реферат на тему
«Устройство измерительных механизмов»
Выполнил: ст.гр. ИС-438
Чаговец Ю.Ю.
Принял: Юдин Ю.А.
Санкт-Петербург
2014 г.
Содержание:
Типы измерительных механизмов
Электроизмерительные механизм
2.1 Магнитоэлектрический механизм
2.2 Электромагнитный механизм
2.3 Электродинамический механизм
2.4 Электростатический механизм
2.5 Ферродинамический механизм
2.6 Индукционный механизм
2.7 Вибрационный (язычковый) механизм
2.8 Биметаллический механизм
3. Задачи стандартизации
4. Принципы стандартизации
5. Организация работ по стандартизации
6. Литература
Типы измерительных механизмов.
Измерительный механизм — совокупность элементов средства измерений, которые обеспечивают необходимое перемещение указателя
Работа магнитоэлектрических ИМ основана на принципе взаимодействия катушки с током и магнитного потока постоянного магнита. Один из взаимодействующих элементов - подвижный - катушка (рамка) с током или постоянный магнит. Наиболее распространены ИМ с подвижной рамкой и внешним магнитом. ИМ состоит из внешнего магнита, магнитопровода и цилиндрического сердечника. Внешний магнит изготовляют из магнитотвердого, а цилиндрический сердечник - из магнитомягкого материалов. В воздушном зазоре между полюсными наконечниками магнита и подвижным цилиндрическим сердечником создается практически равномерное радиальное магнитное поле. В воздушном зазоре помещается рамка из тонкого изолированного медного провода, намотанного на легкий бумажный или алюминиевый каркас прямоугольной формы. К рамке с двух сторон приклеивают алюминиевые буксы, в которых закрепляют полуоси или растяжки. Рамка может поворачиваться вместе с осью и стрелкой вокруг цилиндрического сердечника. Измеряемый ток пропускают в обмотку рамки через две спиральные пружины, создающие противодействующий момент. Для уравновешивания подвижной части служат противовесы - грузики. Алюминиевая стрелка и шкала образуют отсчетное устройство.
При изменении направления тока меняется направление отклонения подвижной части ИМ; при включении ИМ в цепь переменного тока из-за инерционности его подвижной части среднее значение вращающего момента за период будет равно нулю.
В магнитоэлектрических ИМ успокоение подвижной части индукционное и электромагнитное. При отклонении подвижной части в поле постоянного магнита в алюминиевом каркасе рамки, а также в витках обмотки рамки, замкнутой на некоторое внешнее сопротивление, индуцируются токи, создающие совместно с полем постоянного магнита тормозной момент, быстро успокаивающий подвижную часть.
Достоинства магнитоэлектрических ИМ: высокая чувствительность (ИМ обладает сильным собственным магнитным полем, поэтому даже при малых токах создается достаточный вращающий момент); большая точность (из-за высокой стабильности элементов ИМ, незначительного влияния внешних магнитных полей); незначительное влияние на режим измеряемой цепи, так как мощность потребления ИМ мала; хорошее успокоение; равномерность шкалы.
Недостатки ИМ: сложность изготовления; плохая перегрузочная способность, обусловленная легким перегревом пружин и изменением их свойств; температурные влияния на точность измерения.
Магнитоэлектрические ИМ применяют:
● в многопредельных, широко диапазонных магнитоэлектрических амперметрах, вольтметрах для непосредственных измерений в цепях постоянного тока;
● в гальванометрах - высокочувствительных измерительных приборах с неградуированной шкалой как для непосредственных измерений малых электрических токов 10~5-10~12 А, напряжений менее 10~4 В, зарядов, так и для обнаружения тока или напряжения в разнообразных мостовых и компенсационных цепях;
● в светолучевых осциллографах (вибраторах) при наблюдении и записи мгновенных значений тока, напряжения, мощности, частота которых может быть от единиц герц до 10-15 кГц, а также различных неэлектрических величин, преобразованных в электрические;
● в аналоговых омметрах, электронных вольтметрах, термоэлектрических амперметрах, вольтметрах, электронных частотомерах, фазометрах;
● в комбинированных аналоговых вольтметрах, в которых магнитоэлектрические ИМ совместно с выпрямительными преобразователями используются при измерениях переменного тока, напряжения;
● в логометрах (двухрамочных механизмах), используемых в омметрах, частотомерах и т. д.
Измерительные механизмы электродинамических приборов основаны на принципе взаимодействия магнитных потоков двух катушек, по которым протекают токи. Измерительные механизмы состоят из пары неподвижных катушек (круглой или прямоугольной формы), соединенных последовательно. Внутри этих катушек на оси находится бескаркасная подвижная катушка (рамка). Для подвода тока в подвижную катушку и создания противодействующего момента применяют спиральные пружины.
Чтобы получить вращающий момент, используют электромагнитную энергию системы из двух катушек, по которым протекают постоянные токи.
Достоинства электродинамических ИМ - высокая точность и возможность использования их в цепях постоянного и переменного токов.
Недостатки- малая чувствительность, влияние внешних магнитных полей на показания ИМ (слабое собственное магнитное поле), большая мощность потребления, ограниченный частотный диапазон (до 1,5 кГц).
Электродинамические ИМ используют в амперметрах, вольтметрах, ваттметрах при лабораторных измерениях в цепях постоянного и переменного токов промышленной частоты.
Для уменьшения влияния внешних магнитных полей на показания приборов применяют магнитное экранирование измерительного механизма, или астазирование. При астатическом исполнении имеются два измерительных механизма с общей осью. Собственные магнитные поля ИМ направлены в противоположные стороны. Внешнее равномерное магнитное поле, усиливая поле одного измерительного механизма на какое-то значение, на это же значение ослабляет поле другого, но не изменяет их суммарного вращающего момента.
В электромагнитных ИМ для создания вращающего момента используют действие магнитного поля катушки с током на подвижный пермаллоевый лепесток, эксцентрично насаженный на оси прибора. Противодействующий момент создается спиральной пружиной. При прохождении по неподвижной плоской катушке измеряемого тока возникает магнитное поле, которое, воздействуя на лепесток, стремится расположить его так, чтобы энергия магнитного поля была наибольшей, т. е. втянуть лепесток внутрь катушки. Подвижная часть ИМ поворачивается до тех пор, пока вращающий момент не станет равным противодействующему моменту.
Достоинства электромагнитных приборов - простота и надежность, хорошая перегрузочная способность и одинаковая пригодность для измерений в цепях постоянного и переменного токов.
Недостатки- большое собственное потребление энергии, невысокая точность (при измерениях в цепях постоянного тока сказывается явление гистерезиса в ферромагнитном лепестке), малая чувствительность, влияние внешних магнитных полей из-за слабого собственного магнитного поля.
Электромагнитные приборы применяют в качестве измерителей тока и напряжения преимущественно в цепях переменного тока промышленной частоты в виде щитовых приборов классов 1,0 и 1,5 и многопредельных лабораторных классов 0,5 и 1,0. Использование их в цепях повышенной и высокой частот недопустимо из-за больших дополнительных частотных погрешностей.
Принцип работы электростатических измерительных приборов основан на взаимодействии электрически заряженных электродов, разделенных диэлектриком. Конструктивно электростатические приборы представляют собой разновидность плоского конденсатора, так как в результате перемещения подвижной части изменяется емкость системы. Практическое применение нашли приборы с поверхностным механизмом (изменение емкости осуществляется за счет изменения активной площади электродов) и с линейным механизмом (изменение емкости осуществляется за счет изменения расстояния между электродами).
Достоинства электростатических приборов - высокое входное сопротивление; малая, но переменная входная емкость; малая мощность потребления; возможность использования в цепи как постоянного, так и переменного токов; широкий частотный диапазон; независимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения. Показания прибора соответствуют среднеквадратическому значению измеряемого напряжения.
Недостатки - квадратичная шкала; малая чувствительность из-за слабого собственного электрического поля; невысокая точность; возможность пробоя между электродами; необходимость экрана.
Электростатические вольтметры применяют для измерения в цепях с маломощными источниками и при лабораторных исследованиях в цепях высокого напряжения. В совокупности с электронными усилителями их используют как высокочувствительные электрометры и вольтметры переменного тока.
Логометры - приборы электромеханической группы, измеряющие отношение двух электрических величин Y1 и Y2:
а = F(Y1/Y2)ª,
где a - коэффициент, зависящий от системы ИМ.
Особенность логометров заключается в том, что вращающий и противодействующий моменты в них создаются электрическим путем, поэтому логометр имеет два воспринимающих элемента, на которые воздействуют величины,составляющие измеряемое отношение. Направления величин Y1 и Y2 должны выбираться такими, чтобы моменты,действующие на подвижную часть, были направлены навстречу друг другу, при этом подвижная часть будет поворачиваться под действием большего момента. Для выполнения этих условий моменты должны по-разному зависеть от угла отклонения подвижной части прибора.
Источниками погрешности логометра служат неидентичное выполнение двух воспринимающих элементов, особенно при наличии ферромагнитных материалов; наличие в логометре дополнительных моментов (от трения в опорах, безмоментных подводок, неуравновешенности подвижной части).
Присутствие дополнительного момента делает показания логометра зависящими от побочных факторов (например, напряжения). Поэтому на шкале логометра указывают рабочий диапазон напряжения, в пределах которого градуировка шкалы справедлива. Верхний предел напряжения определяется максимальной мощностью, выделяемой в цепях логометра, а нижний величиной дополнительного момента. Стрелка невключенного логометра из-за отсутствия механического противодействующего момента занимает безразличное положение.
.
Электроизмерительные механизмы
Магнитоэлектрический механизм
Магнитоэлектрический механизм состоит из цилиндрического постоянного магнита и магнитопровода. В рабочем зазоре между сердечником постоянного магнита и магнитопроводом образуется равномерное радиальное магнитное поле с магнитной индукцией. Подвижная катушка, выполненная из тонкого изолированного провода, помещена в рабочий зазор и укреплена на осях. Концы обмотки электрически соединены со спиральными пружинами. При наличии тока в катушке, на обе её стороны действуют силы, создающие вращательный момент прямо пропорциональный силе тока (согласно закону Ампера), который по мере поворота рамки уравновешивается механическим противодействующим моментом, создаваемым токоподводящими растяжками или пружинами. М. и. м. обладает высокой точностью и чувствительностью (ток, соответствующий максимальному отклонению рамки, в зависимости от конструкции механизма составляет от нескольких мкА до десятков мА), линейностью преобразования (шкалы приборов с М. и. м. равномерны), малой чувствительностью к изменениям температуры окружающей среды и к внешним магнитным полям.
Электромагнитный механизм
Электромагнитный механизм состоит из неподвижной катушки и укрепленной на оси подвижной пластинки из магнитномягкого материала. При наличии в катушке тока создается магнитное поле, которое намагничивает ферромагнитную пластинку, и она втягивается внутрь катушки. Возникающий при этом вращающий момент пропорционален квадрату тока. Часто квадратичную шкалу выравнивают, подбирая соответствующую форму ферромагнитной пластинки.
Электродинамический механизм
Электродинамический механизм состоит из неподвижной и подвижной катушек, поршня и камеры. Подвижная катушка может поворачиваться вокруг оси внутри двух секций неподвижной катушки. При наличии в катушках токов возникают электромагнитные силы взаимодействия, стремящиеся повернуть подвижную катушку по одной оси с неподвижной. В результате возникает вращающий момент. При синусоидальных токах вращающий момент электродинамического измерительного механизма пропорционален произведению действующих значений токов в катушках и косинусу угла сдвига фаз между ними.
Электростатический механизм
Электростатический механизм состоит из двух (и более) металлических изолированных пластин, выполняющих роль электродов. На неподвижные пластины подается потенциал одного знака, а на подвижные пластины — потенциал другого знака. Подвижная пластина вместе с указателем укреплена на оси и под действием сил электрического поля между пластинами поворачивается. При постоянном напряжении между пластинами вращающий момент пропорционален зарядам на этих пластинах, при синусоидальном напряжении подвижная часть механизма реагирует на среднее значение момента.
Ферродинамический механизм
Принцип действия ферродинамического измерительного механизма так же как и электродинамического основан на взаимоиндукции двух магнитных потоков, созданных токами, протекающими по обмоткам подвижной и неподвижной катушек. Ферродинамические механизмы отличаются от электродинамических тем, что неподвижная катушка имеет магнитопровод из магнитомягкого материала, в результате магнитный поток, а значит и вращающий момент существенно возрастают.