1.2 Характеристики измерительных приборов

Основными характеристиками являются:

1. Уравнения преобразования (градуировочная характеристика).

2. Чувствительность.

3. Порог чувствительности.

4. Диапазон измерений.

5. Область рабочих частот.

6. Статический и динамические погрешности.

7. Собственная мощность потребляемая прибором.

8. Быстродействие.

9. Надежность.

Градуировочная характеристика отражает функциональную зависимость между выходным сигналом и входным .

Чувствительность характеризует способность прибора реагировать на изменения входного сигнала, отражает зависимость по выражению:

Порог чувствительности отражает изменения входного сигнала, вызывающего наименьшие изменения выходного сигнала, которые могут быть обнаружены наблюдателем с помощью данного прибора без дополнительных устройств.

Диапазон измерений - это область значений измеряемого сигнала для которой нормированы допускаемые погрешности.

Область рабочих частот - полоса частот, в пределах которой погрешность прибора, вызванная изменением частоты, не превышает допускаемого предела.

По способу выражения различают абсолютную, относительную, приведенную, основную и дополнительную погрешности самого прибора.

Абсолютная погрешность прибора ( ) отражает разность между показаниями прибора и истинным значением измеряемой физической величиной. Эта погрешность взятая с обратным знаком называется поправкой ( ).

Относительная погрешность ( ) отражает отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины и выражается в процентах.

Относительная погрешность обычно существенно изменяется вдоль шкалы прибора. С уменьшением значения измеряемой величины- увеличивается.

Приведенная погрешность ( )- отношение абсолютной погрешности прибора к нормированному значению и выражается в процентах.

Дополнительная погрешность прибора - погрешность вызываемая действием отдельных влияющих величин вследствие отклонения их от нормальных.

Класс точности - обобщенная характеристика определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей. Он характеризует свойства приборов в отношении точности измерений, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих приборов.

2 Аналоговые электромеханические измерительные приборы

2.1 Общие сведения

В аналоговых электромеханических измерительных приборах непосредственной оценки электромагнитная энергия, подведенная к прибору непосредственно из измеряемой цепи, преобразуется в механическую энергию углового перемещения подвижной части относительно неподвижной.

Электромеханические измерительные приборы (ЭИП) применяет для измерения тока, напряжения, мощности, частоты, фазовых сдвигов, сопротивлений и других электрических величин на по­стоянном и переменном токе преимущественно промышленной ча­стоты 50 Гц. Эти приборы относят к приборам прямого преобразо­вания. Они состоят из электрического преобразователя (измери­тельной цепи), электромеханического преобразователя (измеритель­ного механизма), отсчетного устройства (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 – Схема электромеханического аналогового измерительного прибора

Измерительная цепь прибора обеспечивает преобразование элект­рической измеряемой величины X в некоторую промежуточную электрическую величину Y (ток или напряжение), функционально связанную с измеряемой величиной X. Величина Y непосредственно воздействует на измерительный механизм ИМ.

В зависимости от характера преобразо­вания измерительная цепь может представлять собой совокуп­ность преобразовательных элементов (резисторов, конденсаторов, выпрямителей, термопар и др.).

Различные измерительные цепи позволяют использовать один и тот же измерительный механизм при измерениях разнородных величин, напряжения, тока, сопротивления, меняющихся в широ­ких пределах.

Измерительный механизм, являясь основной частью конструк­ции прибора, преобразует электромагнитную энергию в механическую энергию, необходимую для угла отклонения α его подвиж­ной части относительно неподвижной, т. е. .

Подвижная часть измерительного механизма ИМ представляет собой механическую систему с одной степенью свободы относительно оси вращения.

Дифференциальное уравнение моментов, описывающее работу ИМ, имеет вид:

(2.1)

т. е. момент количества движения равен сумме моментов, действую­щих на подвижную часть.

В (2.1) J - момент инерции подвижной части ИМ; α - угол отклонения подвижной части; - угловое ускорение.

На подвижную часть измерительного механизма при ее движении воздействуют:

вращающий момент М, определяемый для всех ЭИП скоростью изменения энергии электромагнитного поля , сосредоточенной в механизме, по углу отклонения α подвижной части. Вращающий момент является некоторой функцией измеряемой величины X, а следовательно, Y (тока, напряжения, произведения токов) и α:

(2.2)

где п = 1, 2;

противодействующий момент , создаваемый механическим путем с помощью спиральных пружин, растяжек, подводящих проводов и пропорциональный углу отклонения а подвижной части

(2.3)

где W — удельный противодействующий момент на единицу угла закручивания пружины (зависит от материала пружины и ее гео­метрических размеров);

момент успокоения , т. е. момент сил сопротивления движе­нию, всегда направленный навстречу движению и пропорциональ­ный угловой скорости отклонения:

(2.4)

где Р - коэффициент успокоения (демпфирования).

После подстановки (2.2) - (2.4) в (2.1) получают дифференци­альное уравнение отклонения подвижной части механизма:

(2.5)

или

(2.6)

Установившееся отклонение подвижной части механизма определяется равенством вращающего и противодействующего моментов, т. е. , что бывает, когда два первых члена левой части, дифференциального уравнения (2.6) равны нулю. Подстановкой в равенство аналитических выражений моментов получают уравнение шкалы прибора, показывающее зависимость угла отклонения α подвижной части от значения измеряемой величины и параметров измерительного механизма.

В зависимости от способа преобразования электромагнитной энергии, в механическое угловое перемещение подвижной части измерительного механизма приборы делят на магнитоэлектрические, электродинамические, ферродинамические, электромагнитные, элек­тростатические и др.

Отсчетное устройство аналоговых электромеханических прибо­ров чаще всего состоит из указателя, жестко связанного с подвиж­ной частью измерительного механизма, и неподвижной шкалы. Шкала представляет собой совокупность отметок, которые распо­ложены вдоль какой-либо линии и изображают ряд последователь­ных чисел, соответствующих значениям измеряемой величины. От­метки имеют вид штрихов, черточек, точек и т. п. Указатели бы­вают стрелочные (механические) и световые.

По начертанию шкалы бывают прямолинейные (гори­зонтальные или вертикальные), дуговые (при дуге до 180° включи­тельно) и круговые (при дуге более 180°).

По характеру расположения отметок раз­личают шкалы равномерные и неравномерные, односторонние отно­сительно нуля, двусторонние и безнулевые. Шкалы градуируются либо в единицах измеряемой величины (именованная шкала), либо в делениях (неименованная шкала).

Числовое значение измеряемой величины равно произведению числа делений прочитанных по шкале, на цену (постоянную) при­бора.

Цена деления - значение измеряемой величины, соответствую­щее одному делению шкалы.

Поскольку электромеханические измерительные приборы яв­ляются приборами прямого преобразования, чувствительность при­бора в целом определяется чувствительностью цепи и чувст­вительностью измерительного механизма :

(2.7)

Классы точности аналоговых, электромеханических измеритель­ных приборов следующие: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; .1 0; 1,5; 2,5; 4,0.

Узлы и детали измерительных приборов. Для большинства электромеханических измерительных приборов (ЭИП), несмотря на разнообразие измерительных механизмов, можно выделить общие узлы и детали - устройства для установки подвижной части измерительного механизма, создания противодействующего момента, уравновешивания; успокоители; арретир; корректор и др.

Так как любой измерительный механизм электромеханического прибора состоит из подвижной и неподвижной частей, то для обес­печения свободного перемещения подвижной части последнюю уста­навливают на опорах (рисунок 2.2, а), растяжках (рисунок 2.2, б), подвесе (рис. 2.2, в).

Рисунок 2.2 – Установка подвижной части измерительного механизма

При установке подвижной части измерительного механизма на опорах последние пред­ставляют собой легкую алюминиевую трубку, в которую запрессовывают керны (остальные отрезки). Концы кернов затачивают и шлифуют на конус с закруглением. Опираются керны на агатовые или корундовые подпятники. При установке подвижной части измерительного механизма на кернах между керном и подпятником возникает трение, что вносит погрешность в показания прибора. В приборах высокого класса точности (лабораторных) для умень­шения трения шкала устанавливается горизонтально, а ось вер­тикально. При этом нагрузка сосредоточена в основном на нижней опоре.

Установка подвижной части измеритель­ного механизма на растяжках наиболее распрост­ранена в приборах. Растяжки представляют собой две тонкие ленты из бронзового сплава, на ко­торых подвешивается подвиж­ная часть измерительного ме­ханизма. Их наличие обеспе­чивает отсутствие трения в опорах, облегчает подвижную систему, повышает вибро­устойчивость. Растяжки ис­пользуются также для подве­дения тока к обмотке рамки и создания противодействую­щего момента.

Установку под­вижной части изме­рительного меха­низма на подвес используют в особо чувствительных приборах. Подвижную часть, измерительного механизма подвешивают на тонкой металлической (иногда кварцевой) нити. Ток в рамку подвижной части подводят через нить подвеса и специальный безмоментный токоподвод из золота или серебра.

При транспортировке подвижную часть измерительного меха­низма закрепляют неподвижно с помощью арретира.

Противодействующий момент в измерительном механизме с установкой подвижной части на опорах (рисунок 2.3) создается одной или двумя плоскими спиральными пружинами 5, 6,выполненными из оловянно-цинковой бронзы. Пружины используются также и в качестве токоподводов к обмотке рамки подвижной части. Одним концом пружина крепится к оси или полуоси, а другим - к поводку 4 корректора. Корректор служит для установки на нуль стрелки невключенного прибора; состоит из винта 9 с эксцентрично расположенным пальцем 8, вилки 7 с поводком. Винт 9 корректора выводится на переднюю, панель корпуса прибора, вращаясь, он движет вилку 7, что вызывает закручивание пружины и соответственно перемещение стрелки 5. Ось 2 заканчивается кернами, опирающимися на подпятники 1.

Рисунок 2.3 - Общие детали подвижной части измерительного механизма на опорах

Для уравновешивания подвижной части служат грузики противовесы 10. Измерительный механизм считается уравновешенным, когда центр тяжести подвижной части совпадает с осью вращения. Хорошо уравновешенный измеритель­ный механизм показывает при различных положениях одно и то же значение измеряемой величины.

Для создания необходимого успокоен и я измерительные механизмы снабжают успокоителями, развивающими момент направленный на­встречу движению (время успокоения не более 4 с). В измерительных механиз­мах наиболее часто приме­няются магнитоиндукционные и воздушные успокои­тели и реже жидкостные (когда требуется очень большое успокоение).

Магнитоиндукционный успокоитель (рис. 2.4, а) состоит из постоянного магнита 1 алюминиевого диска 2, жестко связанного с подвижной частью механизма и свободно перемещающегося в поле постоянного магнита. Успокоение создается за счет взаимодейст­вия токов, индуктированных в диске при его перемещении в маг­нитном поле постоянного магнита с потоком этого же магнита.

Рисунок 2.4 – Типы успокоителей

Воздушный успокоитель (рис. 2.4, б) представляет собой камеру 1, в которой перемещается легкое алюминиевое крыло (или поршенек) 2, жестко связанное с подвижной частью измерительного механизма. При перемещении воздуха из одной части камеры в другую через зазор (между камерой и крылом) тормозится движение крыла и колебания подвижной части быстро затухают.

Воздушные успокоители слабее магнитоиндукционных.