Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Метрология, стандартизация и сертификация в инфокоммуникациях. Учебное пособие. Курс лекций
.pdf
51
ИП
1
ИП
2
ИП
n
ОУ
x
8) степень защищенности от внешних полей;
9) устойчивость к механическим воздействиям.
По второму классификационному признаку электроизмерительные
приборы подразделяют на две группы: приборы непосредственной оценки
(прямого действия) и приборы компарирующие.
К приборам непосредственной оценки относятся приборы, показы-
вающие значения измеряемой величины на отсчетном устройстве. Такие
приборы градуируют и поверяют, используя образцовые меры и образцовые измерительные приборы. В процессе измерения ни образцовая мера,
ни образцовый измерительный прибор участия не принимают.
В основу работы компарирующих приборов положен метод измере-
ния, предполагающий сравнение с мерой, т.е. в приборах сравнения выполняется непосредственное сравнение измеряемой величины с одноименной или неодноименной величиной, воспроизводимой мерой. Компарирующий прибор имеет в своем составе меру и измерительный преобразователь сравнения (сравнивающее устройство). Это отличительный признак приборов этой группы.
На pиcунке 4.1 приведена обобщенная структурная схема прибора
прямого действия
Рисунок 4.1-Обобщенная структурная схема измерительного прибора
прямого действия
Прибор содержит цепочку включенных последовательно измеритель-
ных преобразователей ИП1, ИП2, …, ИПn. С последним измерительным
преобразователем связано отсчетное устройство (ОУ), по которому отсчитывается значение измеряемой величины. Количество измерительных преобразователей в приборах прямого действия может быть различным.
Обширная группа приборов прямого действия содержит всего один
измерительный преобразователь электромеханического типа. Это так
называемые электромеханические измерительные приборы: амперметры,
вольтметры, ваттметры и т.п. Эти приборы преобразуют сигнал измерительной информации в угловое или линейное перемещение указателя отсчетного устройства. Часто такие преобразователи называют измерительными механизмами (ИМ).
52
Измерительная
схема
Измерительный
механизм
Отсчетное
устройство
x
x′
α
N(x)
Рисунок 4.2-Структурная схема аналогового
электроизмерительного прибора
Любой аналоговый электроизмерительный прибор в своем составе
имеет измерительную цепь, измерительный механизм и отсчетное устройство (ОУ). Структурная схема такого прибора показана на рис. 4.2
Измерительная схема осуществляет количественное или качествен-
ное преобразование входной величины х в электрическую величину х′, на
которую реагирует измерительный механизм. Последний, в свою очередь
преобразует электрическую величину х′ в механическое угловое или линейное перемещение α, значение которого отражается по шкале отсчет-
ного устройства, проградуированной в единицах измеряемой величины
N(x).
Принцип действия электромеханических измерительных меха-
низмов основан на преобразовании энергии электрического или магнит-
ного поля в механическую энергию. В зависимости от принципа действия
измерительного механизма аналоговые электроизмерительные приборы
принято делить на следующие системы:
- магнитоэлектрическая, в которой принцип действия ИМ основан на
взаимодействии поля постоянного магнита с одной или несколькими рамками с током;
- электромагнитная, в которой принцип действия ИМ основан на вза-
имодействии поля неподвижной катушки с подвижным сердечником из
магнитомягкого материала;
- электромагнитная, в которой принцип действия ИМ основан на вза-
имодействии поля неподвижной катушки с подвижным сердечником из
магнитомягкого материала;
- электродинамическая, в которой принцип действия ИМ основан на
взаимодействии подвижной и неподвижной катушек с током;
- электростатическая, в которой принцип действия ИМ основан на
взаимодействии подвижного и неподвижного электрически заряженных
тел;
53
- индукционная, в которой принцип действия ИМ основан на взаимо-
действии переменных магнитных потоков с индуктированными ими в металлических подвижных частях электрическими токами;
- тепловая, в которой принцип действия ИМ основан на измерении
геометрических размеров тела (рычага, тяги и т.п.) при нагревании его
электрическим током.
По способу создания противодействующего момента ИМ делятся на
две группы:
- измерительные механизмы, в которых противодействующий момент
создается пружиной;
- измерительные механизмы, в которых противодействующий момент
создается другим измерительным механизмом.
ИМ первой группы измеряют физическую величину, ИМ второй груп-
пы измеряют отношение двух физических величин и поэтому называются
логометрами (от греческого слова «лог» - отношение или пропорция).
ИМ состоит из подвижной и неподвижной частей. Подвижная часть
под действием вращающего момента М, пропорционального значению
измеряемой вeличины, совершает угловое перемещение. Чтобы угол поворота α был пропорционален вращающему моменту, необходим противодействующий момент МПР, пропорциональный углу поворота подвижной
части. Иначе, без противодействующего момента, при любом отличном от
нуля значении М подвижная часть будет всегда поворачиваться до упора.
Противодействующий момент создается упругими элементами,
например, пружинками или растяжками. Для упругих элементов подобного типа МПР = МУД ∙ α, где МУД - удельный противодействующий момент,
зависящий только от свойств упругого элемента.
Очевидно, что при действии двух моментов М и МПР подвижная
часть будет неподвижна при условии:
М = МПР = МУД ∙ α (4.1)
откуда получим значение угла поворота:
α = М / М
УД
(4.2)
Так как М определяется измеряемой величиной, то шкала может быть проградуирована в единицах этой величины.
Вращающий момент для любого измерительного механизма может
быть определен из уравнения Лагранжа:
54
,
α
W
M
∂
∂
=
.
α
W
M
1
α
W
М
1
α
k
1i
i
УД
УД
∂
∂
⋅=
∂
∂
⋅=
∑
=
(4.3)
где W - электрокинетическая энергия, т.е. запас энергии электрического и
магнитного полей в измерительном механизме.
Из (4.2) и (4.3 ) находим более конкретное выражение для угла пово-
рота подвижной части:
(4.4)
Здесь учтено, что электрокинетическая энергия в общем случае может
состоять из нескольких компонентов. Такими компонентами, в зависимости от системы ИМ, могут быть:
- энергия взаимодействия между полем постоянного магнита и конту-
ром (рамкой) с током;
- электромагнитная энергия, запасенная в контуре (рамке) с током;
- энергия постоянного магнита;
- энергия взаимодействия между электрически заряженными телами
(стержнями, пластинами и т.п.);
- электромагнитная энергия взаимодействия между контурами (рам-
ками) с током.
Ниже с использованием выражения (4.4) рассматривается принцип
действия измерительных механизмов различных систем.
ВОПРОС 2. Магнитоэлектрические и электромагнитные
измерительные механизмы
Принцип действия магнитоэлектрического ИМ рассмотрим по его
упрощенному изображению, приведенному на рисунке 4.3 ИМ состоит из
неподвижной и подвижной частей.
Подвижная часть укреплена на оси, которая может свободно повора-
чиваться в упорах. С осью связаны указатель (стрелка) и рамка (очень легкая катушка, намотанная на немагнитном каркасе или вообще не имеющая
каркаса).
55
S
N
Рисунок 4.3-Устройство магнитоэлектрического ИМ
Рисунок4.4-Образование равномерного радиального магнитного поля в зазоре между
сердечником и полюсами магнита
N
S
Рамка не имеет электрического контакта с осью. Два конца обмотки
рамки выведены к клеммам ИМ через две спиральные пружины, предназначенные для создания противодействующего момента. Пружинки механически закреплены на неподвижной части ИМ. С осью также связаны
противовесы, служащие для балансировки подвижной части. Кроме того,
подвижная часть может включать успокоитель для демпфирования колебаний подвижной части после подачи измеряемого тока (напряжения).
Неподвижная часть содержит постоянный магнит, между полюсными наконечниками которого находится рамка и упоры для оси подвижной
части. Для уяснения принципа действия
ИМ магнитоэлектрической системы очень
важно обратить внимание на то, что рамка
перемещается в в радиальном магнитном
поле, напряженность которого одинакова
для любого положения рамки. Это достигнуто специальной формой полюсов магнита (рисунок 4.4) и помещением внутри
рамки сердечника цилиндрической формы,
выполненного из магнитомягкого материала (см. рисунок 4.3 и 4.4). В результате си-
ловые линии магнитного поля искривляются. В зазоре между полюсами
магнита и цилиндрическим сердечником силовые линии имеют строго радиальное направление, а напряженность поля не зависит от угла поворота
56
.IψW
P
M⋅=−
.
I
M
S
nB
α
W
М
1
α
УДУД
⋅
⋅⋅
=
∂
∂
⋅
=
.
M
SnB
I
α
S
УД
I
⋅⋅
=
∂
∂
=
рамки. Из курса физики известно, что в этом случае потокосцепление рамки линейно зависит от угла поворота:
Ψ = B ∙ n ∙ S ∙ α, (4.5)
где В - индукция магнитного поля в зазоре магнитной системы;
n, S - соответственно количество витков рамки и ее площадь;
α - угол поворота рамки от положения, при котором она не прони-
зывается ни одной силовой линией.
Известно, что энергия взаимодействия поля постоянного магнита и
рамки с током определяется соотношением:
(4.6)
Значит,
W
Запас электрокинетической энергия измерительного механизма состоит из
двух компонентов
W = WK + W
где WK = L ∙ I2 / 2 - энергия, запасенная в контуре;
W
Так как первое слагаемое в формуле (4.8) от угла поворота рамки не
зависит, то из выражения (4.4) с учетом (4.7), (4.8) можно записать:
Производная от угла поворота по измеряемой величине называется
чувствительностью ИМ (см. п. 3.2). В данном случае чувствительность
- энергия взаимодействия поля магнита и рамки.
M-P
= B ∙ n ∙ S ∙ α ∙I. (4.7)
M-P
, (4.8)
M-P
(4.9)
находим дифференцированием (4.9) по току:
(4.10)
Из анализа (4.9), (4.10) можно сделать следующие выводы:
1.Зависимость α = φ (I) для магнитоэлектрического ИМ линейна, что
определяет линейность шкалы прибора магнитоэлектрической системы.
2.При перемене направления тока (полярности приложенного к рамке
напряжения) отклонение подвижной части меняется на обратное, что тре-
57
бует соблюдения определенной полярности подключения прибора магнитоэлектрической системы к исследуемой цепи.
3.Для высокой чувствительность ИМ необходимо иметь магнит с
очень большой магнитной индукцией в зазоре.
4. При переменном токе подвижная система из-за своей инерционно-
сти может следовать за изменением тока только в случае, если период его
колебаний больше постоянной времени подвижной части ИМ. Это предопределяет соответствие показания прибора магнитоэлектрической системы среднему значению тока в рамке. В частном случае гapмонического
тока показание прибора будет равно нулю (при достаточно большой частоте).
В специальных случаях, когда подвижная часть магнитоэлектрического ИМ очень легкая, выполнена на растяжках и имеет световой указатель,
возможна регистрация высокочастотных (до 10-12 кГц;) процессов. Однако при этом процесс вначале записывается на быстро движущуюся светочувствительную ленту (пленку, бумагу), а потом анализируется оператором. Указанный принцип реализован в светолучевых (шлейфовых) осциллографах. Подвижная часть ИМ в таких приборах должна быть как можно
более легкой, так как именно от этого зависит верхний частотный предел
прибора.
Достоинствами магнитоэлектрических ИМ являются:
-высокая чувствительность (известны микроамперметры с током пол-
ного отклонения 0,01 мкА);
-возможность создания на их основе приборов высокой точности
(классов до 0,05);
-равномерность шкалы;
-независимость показаний от внешних магнитных полей, так как в ра-
бочем зазоре ИМ имеется очень сильное собственное магнитное поле;
-малое собственное потребление энергии (до 10-5...10-6 мкВт).
Недостатками магнитоэлектрического ИМ являются:
-сложность и высокая стоимость;
-применимость только при постоянном токе;
-опасность перегрузок (при перегрузках обычно перегорают противо-
действующие пружины - они же токоподводы).
58
.I
α
L
Mα
W
М
α
УДУД
2
2
11
⋅
∂
∂
⋅
⋅
=
∂
∂
⋅=
.I
α
L
M
1
I
α
S
УД
I
⋅
∂
∂
⋅=
∂
∂
=
,const
α
L
=
∂
∂
IX
Рисунок 4.5-Устройство
электромагнитного ИМ
Применяются магнитоэлектрические ИМ исключительно широко. Их
используют в цепях постоянного тока. В сочетании с дополнительными
измерительными преобразователями их применяют также в цепях переменного тока. Практически все аналоговые электронные электрорадиоизмерительные приборы содержат в качестве регистрирующего устройства
ИМ магнитоэлектрической системы.
Электромагнитные измерительные механизмы содержат непо-
движную катушку, по которой протекает измеряемый ток, и подвижную
часть (рисунок 4.5). Подвижная часть содержит закрепленную в упорах
ось, с которой связаны указатель, фигурная пластина и противодействую-
щие пружины. Важно отметить, что подвижная часть ИМ не имеет токоподводов, что упрощает конструкцию. Фигурная пластина выполнена из магнитомягкого материала и может втягиваться
внутрь катушки, поворачивая при этом
ось на угол, зависящий от тока в катушке.
Для рассмотренной системы запас
энергии определяется только индуктивностью катушки и током:
W = L ∙ I2 / 2. (4.11)
Подставив W в выражение (4.4), по-
лучим:
(4.12)
то есть угол поворота подвижной части пропорционален квадрату тока.
Отсюда найдем также чувствительность ИМ по току:
Из выражений (4.12), (4.13) видно, что электромагнитный ИМ нечув-
ствителен к полярности тока в катушке, т.е. пригоден в цепях переменного
и постоянного тока. Чувствительность ИМ току зависит от тока и угла по-
ворота. Если
(4.13)
то прибор имеет квадратическую шкал у.
59
.
constI
α
L
=
⋅
∂
∂
)t(i
2
Поскольку реально L = φ (α), то появляется возможность несколько
линеаризовать шкалу. При конструировании приборов стремятся так вы-
брать форму фигурной пластины, чтобы иметь
При этом
чувствительность прибора в небольших пределах может быть не зависящей от значений I и α, как это имеет место в магнитоэлектрическом ИМ.
Чаще всего приборы электромагнитной системы имеют резко выраженную
нелинейность в начале шкалы и удовлетворительную линейность в ее
средней и правой части. Начальный участок шкалы по точности не нормирован, и им нельзя пользоваться при измерениях (этот участок на шкале
отделен точкой).
Ввиду инерционности электромагнитный измерительный механизм
не успевает отслеживать квадрат тока
, и поэтому на переменном то-
ке отклонение пропорционально среднему значению квадрата тока в катушке.
С повышением частоты выше 50 Гц быстро увеличивается дополнительная погрешность, связанная с зависимостью индуктивности катушки
от частоты. Поэтому электромагнитные ИМ применяют в приборах для
измерения тока и напряжения в основном на частоте 50 Гц.
К достоинствам приборов электромагнитной системы относятся: простота конструкции, низкая стоимость, применимость в цепях постоянного
и переменного токов, устойчивость к перегрузкам.
К недостаткам относятся: нелинейность шкалы и невысокая точность
(класс точности лучших приборов 0,5).
ВОПРОС 3. Электродинамические и логометрические
измерительные механизмы
Электродинамические ИМ содержат две катушки (рисунок 4.6), из
которых одна неподвижна, а вторая расположена на подвижной оси внутри
первой катушки. Ось находится в упорах и имеет противодействующие
пружины, используемые в качестве токоподводов к подвижной катушке. С
осью связан указатель, а также магнитный успокоитель. Для такого ИМ
полная злектрокинетическая энергия состоит из трех компонентов:
W = WА + WВ + W
, (4.14)
А-В
60
.II
α
М
M
1
α
W
М
1
α
BA
ВА
УДУД
⋅⋅
∂
∂
⋅=
∂
∂
⋅=
−
.I
α
М
M
1
α
2
ВА
УД
⋅
∂
∂
⋅=
−
Рисунок 4.6-Устройство электродинамического
где - WА , WВ - -соответственно энергия, запасенная в катушках А и В;
W
- -энергия взаимодействия между обеими катушками.
А-В
Известно, что
WА = LА ∙ I
2
/ 2; WВ = LВ ∙ I
А
2
/ 2; W
В
А-В
= М
∙ IA ∙ IB,
А-В
где LA, LB - индуктивность катушек соответственно А и В;
IA, IB - ток в катушке соответственно A и В;
М
- взаимная индуктивность катушек.
А-В
Подставим (4.14) в выражение (4.4), имея в виду, что от угла поворота подвижкой части ИМ зависит только взаимная индуктивность.
(4.15)
Отсюда видно, что электродинамический ИМ обладает cвойством перемножать токи. Это свойство делает его очень универсальным в применении.
Например, если в цепи постоянного тока одну из катушек подключить
параллельно, а другую - последовательно с нагрузкой, то отклонение подвижной части будет пропорционально потребляемой мощности, что следует из выражения Р = U ∙ I. На таком включении ИМ основаны электро-
динамические ваттметры.
Если катушки включить последовательно, то IA = IB = I, и поэтому
выражение (4.15) примет вид
(4.16)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]