книги из ГПНТБ / Электрические измерения. Общий курс учебник

торых групп выделяют подгруппы, например магнитоэлектрические приборы делят на приборы с подвижной рамкой и с подвижным маг­ нитом.

В дальнейшем, при рассмотрении различных групп приборов уравнение (51) будет конкретизировано для каждого отдельного случая.

Если бы повороту подвижной части ничто не препятствовало, то она при любом значении измеряемой величины, отличном от нуля, повернулась бы до упора. Для того чтобы угол отклонения а зависел от измеряемой величины, в приборе при повороте подвижной части создается противодействующий момент Ма, направленный навстречу вращающему и зависящий от угла поворота.

По способу создания противодействующего момента приборы делятся на две группы:

а) с механическим противодействующим моментом; б) с электрическим противодействующим моментом — логометры.

В первой группе приборов Ма создается обычно с помощью упру­ гих элементов (спиральных пружинок или тонких нитей — растя­ жек и подвесов), которые при повороте подвижной части закручи­ ваются. При этом

где W зависит только от свойств упругого элемента и называется удельным противодействующим моментом.

В логометрах Ма создается тем же путем, что и вращающий мо­ мент.

При установившемся равновесии вращающий и противодействую­ щий моменты равны между собой, т. е.

Зная аналитические выражения для моментов, из уравнения (53) можно найти зависимость угла поворота подвижной части от изме­ ряемой величины и параметров прибора, что в общем виде можно пред­

где А — параметры прибора.

Выражение (53) является основным уравнением, характеризую­ щим свойства тех или иных приборов.

Общие узлы и детали приборов. Несмотря на то, что приборы разных групп но своему устройству существенно различаются, имеется ряд деталей п узлов, общих для всех электромеханических приборов.

Корпус прибора защищает измерительный механизм от внешних воздей­ ствий и от попадания в него ныли, а в отдельных случаях — воды п газов. Кор­ пуса чаще всего выполняются пз пластмассы. Размеры и форма корпусов весьма разнообразны.

На каждый прибор наносятся следующие обозначения:

а) обозначение единицы измеряемой величины в приборах, имеющих име­ нованную шкалу; на шкалах многопредельных приборов может наноситься пол­ ное наименование прибора (например, «Амперметр»);

б) обозначение класса прибора;

60

в) условное обозначение принципа действия прибора; эти обозначения для

сплошных или штриховых линий соответственно при защите от магнитных или

тельной цепи ио отношению к корпусу в виде пятиконечной звезды, внутри ко­

61

жестко скрепленную с подвижной частью прибора. Применяется также свето­ вой способ отсчета, который заключается в следующем: на осп подвижной части закрепляется зеркальце, освещаемое специальным осветителем; луч света, отраженный от зеркальца, попадает на ш к а л у и фиксируется на ней, например, в виде светового пятна с темной нитью посередине; при повороте подвижной части световой указатель будет перемещаться но шкале .

Световой отсчет позволяет существенно увеличить чувствительность при­ бора, во-первых, -вследствие того, что угол поворота отраженного луча вдвое больше угла поворота зеркальца, а, во-вторых, по­ тому, что длішу луча можно сделать весьма боль­ шой. Например, в приборе нормального габарита вместо стрелки длиной 100—150 мм можно получить за счет многократного отражения от нескольких зеркал световой луч длиной, равной нескольким метрам. Кроме того, при световом отсчете умень­ шается вес и особенно момент инерции подвижной части. Это позволяет расширить пределы измерения в сторону малых величин и улучшает условия ус­

покоения прибора.

образом, что световой указатель при воздействии измеряемой величины с крайнего правого положения верхней строки перехо­ дит в крайнее левое положение нижней строки (при уменьшении измеряемой величины — наоборот). Таким образом, в приборе получаем как бы одну ш к а л у двойной длины. Это позволяет повысить в два раза точность отсчета без увели­ чения габаритов прибора.

Способ установки подвижной части определяется выбором элементов, соз­ дающих противодействующий момент. Применяется установка на опорах (в слу­ чае спиральных пружинок), на растяжках и на подвесе.

Опоры состоят из кернов и подпятника. Керны представляют собой отрезки стальной проволоки длиной 5—7 мм, диаметром 0,5—0,75 мм, заточенные с од­ ной стороны на конус с углом 45—60 и с радиусом закругления 0,01—0,15 мм.

менения оси в виде алюминиевой трубки керн запрессовывается в ось. Камень 4 завальцован в винт 5, укрепленный в неподвижной части 6 измерительного ме­ ханизма. Наличие винта позволяет установить необходимый зазор между кер­ ном и камнем.

Опоры являются важнейшим узлом прибора и во многом определяют его качество. Д л я уліеньшения погрешности от трения площадь соприкосновения между керном и подпятником должна быть весьма малой. Это приводит к тому, что, хотя вес подвижной части обычно не превышает нескольких граммов, напря ­ жения в паре керн — подпятник достигают очень больших величин.

62

Общие детали подвижной части на опорах представлены на рис. 21. Ось 1 заканчивается кернадш, опирающимися на подпят­ ники 2. К осп прикреплены одним из своих концов пружинки 6 и 7, которые служат для создания противодействующего момента. Пру­ жинки часто используются также и в качестве токоподводов к об­ мотке подвижной части. Пружинки выполняются из оловянно-цин- ковой и некоторых других сортов бронзы. Пружинка 7 другим кон­ цом прикрепляется к неподвижным частям прибора, а пружинка 6 —' к поводку 5 корректора. Корректор служит для установки стрелки на нуль перед измерениями посредством вращения винта 7/, выведен­ ного на переднюю панель прибора. Ось ,9 корректора расположена

Рис. 21. Общие детали подвижной части па опорах

эксцентрично. Поэтому поворот винта 11 перемещает вилку 8, что вызывает изменение угла закручивания пружинки 6 и перемещение стрелки 3 по шкале 4. Грузики 10 служат для уравновешивания под­ вижной части, т. е. для устранения влияния моментов сил тяжести на положение подвижной части.

Недостатками установки подвижной части на опорах являются: наличие погрешности от трения, недостаточная надежность при воз­ действиях на прибор ударов, тряски и вибраций, большая потреб­ ляемая мощность и, следовательно, малая чувствительность.

Эти недостатки в значительной степени устраняются при крепле­ нии подвижной части на растяжках.

Растяжки представляют собой упругие ленты, прикрепляемые одним концом к подвижной части, а другим — к неподвижным' де­ талям прибора. Если в таких лентах создать натяг, то они будут под­ держивать подвижную часть, заменяя опоры. Растяжки применяются как при горизонтальном, так и при вертикальном креплении оси. В случае необходимости растяжки могут быть использованы и для подвода тока в обмотку подвижной части. Растяжки изготовляются из специальных бронз, а также платино-серебряных и кобальтовых сплавов. Обычно растяяша имеет толщину порядка нескольких со­ тых миллиметра, ширину — несколько десятых миллиметра, длину — не свыше 20 мм.

63

IIa рис. 22 показана подвижная часть магнитоэлектрического при­ бора, установленная на растяжках. Растяжки 3 одним концом при­ паиваются к наконечникам 2. которыми заканчиваются буксы 1, а другим — к плоским пружинам 5. Пружины могут быть выполнены, например, из бериллиевой бронзы и служат для создания необхо­ димого натяга. Во избежание обрыва растя­ жек при механических воздействиях на прибор предусмотрены ограничители в осевого и ра­ диального перемещения. Опыт создания таких приборов показал, что для надежной работы прибора в условиях ударов необходимо иметь также ограничители 4 перемещения концов пружин во внешнюю сторону. Если бы таких ограничителей не было, то могли бы проис­ ходить обрывы растяжек из-за обратного удара

пружины.

Успокоение подвижной части. При работе прибора в динамическом режиме, т. е. при перемещении стрелки по шкале из одного положе­ ния в другое, кроме рассмотренных ранее статических моментов — вращающего и противодействующего, — возникают и дру­ гие моменты. Они обусловливаются мо­ ментом инерции подвижной части, сопро­ тивления окружающей среды и вихревы­ ми токами, возникающими при наличии металлических масс и магнитных полей.

Динамический момент, возникающий в приборе при движении подвижной части и стремящийся успокоить это движение, называется успокаивающим моментом.

Этот момент определяет важный экс­ плуатационный параметр прибора — время успокоения.

Хорошее успокоение в приборах достигается путем применения спе­ циальных устройств, называемых успокоителями. Наибольшее распро­ странение получили воздушные и магнитоиндукционные успокоители. На рис. 23 представлен воздушный успокоитель крыльчатого типа.

64

Успокоитель состоит из легкого, обычно алюминиевого крыла 1, жестко за­ крепленного на опг 2 и находящегося внутри камеры 3. Между крылом н стен­ ками каморы имеется зазор порядка 0,1 —0,2 мм. При вращении оси крыло пе­ ремещается внутри камеры, в которой ввиду малости зазора по обе стороны от крыла создается разность давлений. Это препятствует свободному перемещению подвижной части п вызывает ее быстрое успокоение.

Магнптоиндукционное успокоение создается при движении металлических деталей подвижной части в магнитном поле постоянного магнита. При этом в ре­

покоитель может быть выполнен так, как показано на рис. 24, где 1 — крыло успокоителя, выполненное нз неферромагнитного металла, обычно из алюминия; 2 — постоянный магнит.

В осциллографических гальванометрах (§ 24) в жидкость помещается вся подвижная система. Д л я ряда приборов на растяжках в жидкости находится только часть растяжки, которая на определенном участке охватывается, напри­ мер, спиралькой, заполненной жидкостью с большой вязкостью (полнметилсплоксановой). В некоторых электромагнитных приборах жидкостный успокои­ тель представляет собой два диска (один движется вместо с ПОДВИЖНОЙ частью, второй — неподвижный) с отверстиями в центре для растяжки. Поверхности, дисков тщательно полируют и располагают относительно друг друга на расстоя­ нии порядка 0,1 мм. Зазор между дисками заполняют жидкостью.

Следует отметить, что жидкостное успокоение обладает известными преиму­ ществами перед другими способами успокоения. Одно из главных его преимуществ состоит в том, что жидкостное успокоение оказывает тормозящее действие при движении подвижной части во всех направлениях, что используется для повы­ шения виброустойчивости ряда приборов.

12. Принцип действия, устройство и основы теории электромеханических измерительных механизмов

Магнитоэлектрические измерительные механизмы. В магнито­ электрических измерительных механизмах вращающий момент соз­ дается в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля проводника с током, выполняемого обычно в виде катушки. Применяются как измерительные механизмы с под­ вижной катушкой и неподвижным магнитом, так и измерительные

механизмы с неподвижной катушкой и подвижным магнитом. Больше распространены измерительные механизмы с подвижной катушкой, которые мы и будем рассматривать.

Основными узлами магнитоэлектрического измерительного ме­ ханизма являются магнитная система и подвижная часть. В зави­ симости от взаимного расположения постоянного магнита и подвиж­ ной катушки различают измерительные механизмы с внешним маг­ нитом и с внутрирамочным магнитом.

Магнитная система с внешним магнитом (рис. 25) состоит из постоянного

.магнита 1. магннтопронода 4 (в некоторых конструкциях, например в случае применения кольцеобразного магнита, магнптопровод может отсутствовать), полюсных наконечников 5 и неподвижного сердечника 7. Магнит выполняется

3 4

Рис. 25. Устройство магнитоэлектрического при­ бора с подвижной рамкой

из материалов с большой коэрцитивной силой, чаще всего из железоникельалюмшгаевых сплавов, и является источником магнитного потока. Магнптопровод, полюсные наконечники и сердечник проводят магнитный поток и изготовляются из магнптномягких материалов с возможно меньшим магнитным сопротивлением. Цилиндрическая форма сердечника и расточки полюсных наконечников, а также их концентрическое расположение обеспечивают создание радиального равно­ мерного магнитного поля в воздушном зазоре. В любой точке рабочей части воз­ душного зазора магнитная индукция В = const. Воздушный зазор имеет ра­ диальную длину порядка 1—2 мм.

Ввоздушном зазоре располагается рамка 6. Она. свободно охватывает сер­ дечник H жестко крепится па полуосях, поворот которых вызывает перемещение стрелки 3 над шкалой 2. Рамка имеет обмотку из медного пли алюминиевого изо­ лированного провода диаметром от 0,03 до 0,2 мм и чаще всего бывает прямоуголь­ ной формы. Применяются бескаркасные и каркасные рамки.

Вбескаркасной рамке необходимая жесткость катушки обеспечивается пу­ тем склеивания ее витков бакелитовым лаком. В каркасных рамках обмотка на­ матывается на каркас, выполняемый из алюминия, толщиной порядка 0,1—0,2 мм.

Каркас необходим для того, чтобы увеличить механическую прочность рамки, но также и для получения нужного успокоения подвижной части. В магнито­ электрических измерительных механизмах используется магнитонндукционное успокоение, но без применения специальных успокоителей. При движении рамки в поле постоянного магнита момент успокоения создается за счет взаимодействия вихревых токов, возникающих в цепи обмотки рамки, с полем магнита. Этот мо­ мент зависит от величины внешнего сопротивления, на которое включена обмотка

66

рамки, и имеет незначительную величину. Д л я увеличения момента успокоения на рамку наматывается несколько короткознмкнутых витков. Если же этого не­ достаточно, то применяется металлический каркас, представляющий собой в электрическом отношении как бы один короткозамкнутыіі виток.

Влияние трения рамкіт о воздух на ве­ личину успокоения незначительно.

На рис. 26 представлена магнитная си­ стема с внутрирамочным магнитом. Она со­ стоит из магнита 1, полюсных наконечников 2, служащих для получения равномерного ради­ ального поля в рабочем воздушном зазоре, и ярма 3, являющегося одновременно магнит­ ным экраном,

точности n чувствительности приборы с внутрирамочным магнитом пока усту­ пают приборам с внешним магнитом.

Обратимся к рассмотрению принципа действия магнитоэлектри­ ческих измерительных механизмов.

На рис. 27 показана подвижная рамка измерительного механизма, находящаяся в радиальном магнитном поле. При протекании по об­ мотке рамки тока возникают силы F, стремящиеся повернуть рамку так, чтобы ее плоскость стала перпендикулярной к направлению магнитных силовых линий-. При равенстве вращающего и противодействующего мо­ ментов подвижная часть останавливается.

Для получения зависимости между углом отклонения и силой постоянного тока в рамке воспользуемся основными положениями, изложенными в § 11.

Применительно к нашему случаю вы­ ражение (51) для вращающего момента представляется так:

где Ф — поток, сцепляющийся с обмоткой рамки; / — ток в обмотке рамки.

Величина Ф может быть подсчитана как произведение индукции В в воздушном зазоре, числа витков w обмотки рамки и суммы двух боковых поверхностей, описанных активными сторонами подвиж­ ной катушки при ее повороте на угол а от нейтрального положения.

В соответствии с рис. 27 активными сторонами обмотки рамки будут являться стороны, расположенные в плоскости, перпендикулярной рисунку. Стороны рамки, находящиеся в плоскости рисунка, при своем движении скользят вдоль силовых линий, не пересекая их, и поэтому не будут участвовать в создании вращающего момента. Следовательно,

Так как противодействующий момент создается пружинками, то можно воспользоваться формулой (52) и для режима установившегося

ходимо при включении прибора в сеть соблюдать указанную на при­ боре полярность.

ческого прибора не зависит от угла отклонения и постоянна по всей шкале; отсюда следует, что магнитоэлектрические приборы имеют равномерную шкалу. Это позволяет выпускать их комбинирован­ ными и многопредельными.

"Магнитоэлектрические приборы относятся к числу наиболее точ­ ных. Они изготовляются вплоть до классов 0,1 и 0,2. Высокая точ­ ность этих приборов объясняется рядом причин. Наличие равномер­ ной шкалы уменьшает погрешности градуировки и отсчета. Благо­ даря сильному собственному магнитному полю (порядка 0,2—0,3 т) влияиие посторонних полей на показания приборов весьма незначиіельно. Внешние электрические поля на работу приборов практиче-

68

ски не влияют. Температурные погрешности могут быть скомпенси­ рованы с помощью специальных схем.

Большим достоинством магнитоэлектрических приборов является высокая чувствительность и малое собственное потребление мощ­ ности. В этом отношении магнитоэлектрические приборы не имеют себе равных. Известны магнитоэлектрические микроамперметры с током полного отклонения 0,1 мкА (например, тина М-95, класса 1,0).

Благодаря этим достоинствам магнитоэлектрические приборы могут применяться с различного рода преобразователями неремен­ ного тока в постоянный для измерений в цепях переменного тока (см. § 17).

метрах и гальваноігетр-ах;~""а~также в некоторых типах омметров. Рассмотрим особенности устройства измерительных механизмов

магнитоэлектрических логометров.

Как было указано в § 11, в логометрах противодействующий момент создается не механическим путем, а электрическим. Для этого в магнитоэлектрическом логометре (рис. 28) подвижная часть выполняется в виде двух жестко скрепленных между собой рамок 1 и 2, но обмоткам которых протекают токи 1г и І2- Пружинки для соз­ дания механического противодействующего момента не ставятся, а ток к обмоткам подводится с помощью безмоментных токонодводов, выполняемых в виде тонких неупругих ленточек.

Направления токов в обмотках выбираются так, чтобы моменты Мі и М2, создаваемые рамками, действовали навстречу друг другу. Один из моментов может считаться вращающим, а второй — проти­ водействующим. Кроме того, хотя бы один из моментов должен за­

Технически наиболее просто сделать зависящей от угла поворота индукцию В. Для этого магнитное ноле в зазоре должно быть нерав­ номерным, что достигается неравномерностью зазора (с этой целью сердечник на рис. 28 сделан эллипсоидальным). В общем виде

69