книги из ГПНТБ / Савенко, В. Г. Измерительная техника учеб. пособие

ным преобразователем является цепь, в которой измеряе­ мые величины преобразуются в электрические, удобные для измерения электромеханическими приборами. Они работа­ ют на принципе преобразования энергии электромагнитно­ го поля в механическую энергию перемещения подвижной части прибора. Воздействующие при этом на подвижную часть механические силы зависят от значения измеряемой электрической величины. Обычно эти силы создают момент относительно оси вращения подвижной части, под влияни­ ем которого она совершает угловое перемещение а. Этот момент называется в р а щ а ю щ и м м о м е н т о м , и для всех измерительных механизмов, в которых используются силы электромагнитного поля, он может быть найден из об­ щего уравнения динамики системы

где We— электрокинетическая энергия (запас энергии электрического и магнитного полей измеритель­ ного механизма).

Электрокинетическая энергия We функционально зави­ сит от некоторой величины У (тока, напряжения), которая подводится к измерительному механизму, и от параметров А этого механизма; поэтому и вращающий момент являет­ ся функцией величин У и Л:

M = f{A ,Y ) .

Величина У в свою очередь есть результат функциональ­ ного преобразования искомой величины X в измеритель­ ном преобразователе, т. е.

Y = <f(X).

Следовательно, вращающий момент тоже функциональ­ но связан с искомой (измеряемой) величиной

Воздействие одного вращающего момента на подвиж­ ную часть измерительного механизма не позволяет найти зависимость между значением момента М и а, так как при любом значении М (отличном от нуля), подвижная часть будет поворачиваться до упора. Для того чтобы такую за­ висимость найти, надо создавать момент, противодействую­ щий вращающему и возрастающий с увеличением а.

Противодействующий момент создается механическим или электрическим путем. В первом случае противодейст­

40

вующий момент образуется с помощью плоских спиральных пружинок, или тонких ленточек, или нитей (растяжек и подвесов), один конец которых закреплен в подвижной, другой — в неподвижной части измерительного механизма. При повороте подвижной части на угол а пружинка или растяжка закручивается (или раскручивается) и противо­ действует повороту.

Рис. 1.22. Обобщенная структурная схема показывающего прибора

Величина противодействующего момента для упомяну­ тых упругих элементов пропорциональна углу а:

ется также, как и вращающий, т. е. за счет энергии электро­ магнитного поля. Приборы такого типа называются л о г о ­ ме т р а ми .

Очевидно, что чем больше вращающий момент, тем больше должен быть противодействующий и тем больше будет угол закручивания (или раскручивания) упругих эле­ ментов. Установившееся равновесие подвижной части при­ бора будет только при равенстве моментов

и (1.9), получаем в общем виде зависимость угла а пово­ рота подвижной части от измеряемой величины X и па­ раметров измерительного механизма А

Уравнение (1.11) позволяет характеризовать свойства электромеханического прибора и его отсчетного устрой­ ства.

41

Таким образом, сказанное позволяет представить уст­ ройство большого класса показывающих приборов в виде обобщенной структурной схемы (рис. 1.22), состоящей из измерительного преобразователя (Х->-У) и измерительно­ го механизма, преобразующего У-иж в отсчет.

Общие детали приборов

Несмотря на разнообразие конструкций и типов изме­ рительных механизмов, большое число приборов имеет не­ которые общие детали, отличающиеся между собой конст­ руктивно в зависимости от системы прибора, его назначе­ ния и условий эксплуатации. Такими деталями являются: корпус прибора, отсчетное устройство, приспособления для установки подвижной части и создания противодействую­ щего момента, корректор, успокоитель.

Корпус предназначен для защиты измерительного ме­ ханизма от пыли, влаги и механических воздействий. Кро­ ме этого, для приборов специального назначения создают корпуса, предохраняющие механизм от попадания воды, газов и т. д. Их изготавливают из стали, пластмассы, дере­ ва или из их сочетания.

Отсчетное устройство служит для наблюдения значе­ ния измеряемой величины и состоит из шкалы и указателя. В самопишущих приборах отсчетное устройство осущест­ вляет запись в виде диаграммы. Шкала прибора представ­ ляет собой совокупность отметок, соответствующих отдель­ ным значениям измеряемой величины. Расстояние между осями двух соседних отметок шкалы называется д е л е н и ­ ем шк а лы, а изменение измеряемой величины, вызываю­ щее перемещение указателя относительно шкалы на од­ но деление, — це ной д е л е н и я . Цена деления обычно вы­ бирается больше погрешности показаний прибора

А п = С > Л,

где А — предел измерений по шкале; п — число делений шкалы;

С— цена деления шкалы;

Л— погрешность показаний прибора в единицах из­ меряемой величины.

Умногих приборов соотношения между С и Д имеют вид С— 2Д или С = 4А.

Шкалы приборов могут быть равномерными и нерав­ номерными, т. е. с практически одинаковыми или неодина-

42

новыми делениями. Приборы с равномерной шкалой более удобны при измерениях и позволяют производить отсчет с большей точностью.

Устройство шкалы должно соответствовать десятичной системе счисления, а цена деления должна быть кратна чи-

Так, например, в приборах для измерения длин приме­ няют цены делений, кратные 1; 2 или 5:0,0001; 0,0002; 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05 и 0,1 мм.

От способа нанесения штрихов, их размеров, окраски шкалы и штрихов, формы указателя и т. д. зависит удобст­ во, быстрота и точность производства отсчетов. У электро­ механических приборов шкалы наносят черной тушью на пластинку из алюминия (основание шкалы), окрашенную белым нитролаком. Иногда для усиления контрастности на черном фоне наносят белые или желтые штрихи.

Кроме штрихов, на лицевой стороне прибора наносятся обозначения. Так, например, на циферблате электроизмери­

прибора; д) степени защищенности от магнитных и элек­ трических влияний; е) испытательногонапряжения изоля­ ции; ж) год выпуска и заводской номер.

Указатели должны быть легкими и достаточно прочны­ ми. Этим условиям удовлетворяют дюралюминиевые стрел­ ки. Форма их определяется назначением прибора. Электро­ механические приборы обычно имеют копьевидные и ноже­ видные стрелки (рис. 1, 23, а, б и в). Точность отсчета зависит от расстояния между шкалой и указателем. При больших расстояниях возникает погрешность от паралла­ кса (parallaxis — уклонение), т. е. получение разных отсче­ тов при неподвижной стрелке в зависимости от изменения точки наблюдения (рис. 1.24). Глаз в точке наблюдения 2 видит отсчет а%, а погрешность б от параллакса зависит от расстояния у. Для уменьшения этой погрешности применя­ ют зеркальные шкалы (рис. 1.25,а), которые позволяют

43

44

Параллакс может быть и при отсчете длин с помощью измерительных линеек, если штрихи на ней нанесены на не­ котором расстоянии от основания. Для уменьшения параллакса линейки изготовляют со скосом и на нем наносят шкалу (рис. 1.25,в).

В некоторых приборах применяют оптическое отсчетное приспособление (рис. 1.26), увеличивающее чувствитель­ ность прибора.

Луч от лампы 1 проходит через диафрагму с нитью или стрелкой и фокусирующую линзу 2 и попадает на зеркаль­ це 3, приклеенное к подвижной части измерительного меха­ низма. Отразившись от зеркальца, луч попадает на шкалу в виде светового пятна 4 с теневым изображением нити или стрелки. Такое оптическое приспособление монтируется внутри корпуса прибора, а шкала может быть расположена и вне его.

Отсчетные устройства для получения показаний в дис­ кретно-цифровой форме разнообразны и имеют различное назначение и применяются в измерительных приборах для определения электрических и неэлектрических параметров. Такие устройства (индикаторы) обычно подекадно подсчи­ тывают количество импульсов в единицу времени, число ко­ торых пропорционально абсолютной величине измеряемого параметра. По способу воспроизведения цифр (знаков) ци­

составляются из комбинации отдельных элементов — точек, полосок и т. п.

Фигурные индикаторы бывают механические, электроме­ ханические светотехнические и электронные.

Механические цифровые индикаторы чаще всего изго­ товляют в виде роликового счетного механизму (рис. 1.27)

— счетчика оборотов с системой барабанчиков (роликов), на которых нанесены изображения цифр от 0 до 9. Число роликов определяется числом десятичных разрядов изме­ ряемой величины. Ролики свободно надеты на ось 2. Пер­ вый ролик 4, жестко скрепленный с шестеренкой 3, приво­ дится во вращение от ведущей оси 1. Один оборот ролика 4 вызывает поворот ролика 5 на !/ю часть оборота, а пол­ ный оборот ролика 5 выбывает поворот на '/іо последующе­ го ролика, и т. д. Ролики прикрытыкорпусом с отверстиями для наблюдения одной цифры каждой декады. В электро­ механических цифровых индикаторах изображение цифр устанавливается в вырезах для наблюдения с помощью

45

6)

Рис. 1.28. Светотехнические цифровые индикаторы

46

включении лампочки. Декадное оптическое проекционное устройство (рис. 1.28,6) содержит плату с концентрирован­ но расположенными освещающимися индикаторами и сис­ тему штор и линз, дающих на экране увеличенное изобра­ жение цифры от светящегося индикатора. Источники све-

Рис. 1.29. Цифровые газоразрядные лампы:

а — расположение анодов и катодов; б — изобра­

жение цифры и знака « + *

та — лампы накаливания. Получается однорядное отсчетное устройство. Устройство декадного индикатора со световодными пластинками изображено на рис. 1.28, в. На плас­ тинках выгравированы изображения цифр. Нужная для от­ счета пластина подсвечивается в торец своей отдельной лампочкой.

Широко применяются цифровые многоэлектродные га­ зоразрядные лампы (декатроны), лампы с фигурными

47

электродами, преобразующие электрические напряжения в цифры Конструктивно они выполняются в виде стеклянно­ го баллона (рис. 1.29,а и б), заполненного нейтральным газом, в котором расположены сетчатый анод и десять не­ зависимых проволочных катодов, выполненных в форме арабских цифр от 0 до 9 или знаков ^ При подаче напряжения между анодом и одним из катодов воз­ никает газовый разряд и на торце или стенке лам­ пы изображается одна из десяти цифр (рис. 1.29,6).

Мозаичные изображения цифр получают синтезом светя­ щихся полосок или точечных элементов. В простейшем слу­ чае изображения всех десяти цифр получают созданием различных комбинаций из восьми элементных индикаторов (рис. 1.30,а). Каждый элемент изготавливают в виде поло­ сок (газонаполненные трубки, электролюминесцентные полоски). Более качественное изображение цифр получают при многоточечной мозаике (рис. 1.30,6).

В качестве индикаторных устройств используются так­ же электронно-лучевые трубки. Цифры на экране воспро­ изводятся мозаичным способом — в виде точек, способом развертки и т. д. [7].

Приспособление для установки подвижной части прибо­ ра обеспечивает ее поворот вокруг оси вращения. Для это­ го подвижная часть устанавливается на опорах, растяж­ ках или подвесе. Опоры содержат подпятники, закреплен­ ные в стойках, между которыми располагаются оси (полуо­

48

си) с кернами. Керны 3 (рис. 1.31) изготавливают из стали концы их затачиваются и шлифуются на конус с закру­ глением на конце. Керн опирается на агатовые, рубиновые или корундовые подпятники 2, выдерживающие большие давления. Подпятник завальцовывается в опорный винт 4 с донкой резьбой для плавной регулировки положения

Рис. 1.32. Оси показывающих приборов:

(рис. 1.32). Подвижная часть на растяжках устанавливается с помощью двух ленточек или нитей, которые одним кон­ цом прикрепляются к неподвижной части прибора, а дру­ гим— к подвижной. На рис. 1.33 показана установка рам­ ки 1 электромеханического прибора на растяжках 2. С од­ ной стороны растяжки прикрепляют к рамке / с помощью букс 3, а с-другой — к пружинам 4, создающим необходи­ мое натяжение. При таком способе крепления повышается чувствительность механизма, устраняется механическое трение в опорах, улучшается устойчивость к тряске и виб­ рации. Ток к рамке 1 подается через пружины 4 и растяж­ ки 2.

У высокочувствительных приборов — гальванометров легкая подвижная часть подвешивается на конце нити — подвесе. Гальванометры устанавливаются для работы точно горизонтально по уровню. Растяжки и подвесы из­ готавливают из различных бронзовых или платиновых сплавов.