Аналоговые электроизмерительные приборы

3.1. Общие сведения

Измерительный прибор (ИП) – наиболее распространенный вид средств измерений. Все ИП можно поделить на две большие груп­пы: аналоговые и цифровые.

Аналоговые измерительные приборы (АИП) – это такие прибо­ры, показания которых – являются непрерывной функцией измене­ния входной измеряемой величины (могущей принимать беско­нечное множество значений в определенном диапазоне). Группу АИП можно представить двумя подгруппами: приборы для стати­ческих измерений (вольтметры, амперметры, омметры и др.) и приборы для динамических измерений.

Приборы для динамических измерений, в свою очередь, делят­ся на показывающие АИП (например, электронно-лучевые осцил­лографы, анализаторы спектра) и регистрирующие приборы (на­пример, самопишущие приборы, светолучевые осциллографы).

В данной главе рассмотрим АИП, предназначенные для стати­ческих измерений: электромеханические и электронные ИП.

Электромеханические ИП основаны на преобразовании элект­рической энергии входного сигнала в механическую энергию уг­лового (реже – линейного) перемещения подвижной части отсчетного устройства. Кроме самостоятельного применения, элект­ромеханические ИП используются также в качестве выходных ус­тройств большинства электронных АИП.

Электронные ИП – это такие АИП, в которых энергия для ме­ханического перемещения указателя отсчетного устройства посту­пает не от источника измеряемого сигнала (как в электромехани­ческих приборах), а от вспомогательного источника энергии, на­пример, от электрической сети, питающей прибор.

3.2. Электромеханические измерительные приборы

Большинство используемых сегодня в технологических процес­сах стационарных измерительных приборов – это классические аналоговые электромеханические приборы. Их метрологические и эксплуатационные характери­стики вполне достаточны для решения основных задач техни­ческих измерений. Широко рас­пространены электромеханиче­ские вольтметры, амперметры, омметры, фазометры, ваттмет­ры, счетчики активной и реак­тивной энергии. В электромеха­нических измерительных прибо­рах реализованы различные фи­зические принципы, позволяю­щие преобразовать значение из­меряемой величины в пропорци­ональное отклонение (видимое перемещение) указателя (напри­мер, стрелки прибора). Упро­щенная классификация элект­ромеханических измерительных приборов приведена на рис. 3.1.

Из всего разнообразия конструкций (систем) и схем электро­механических приборов рассмотрим некоторые наиболее распрос­траненные. Эти устройства лежат в основе измерителей самых раз­личных электрических и неэлектрических величин.

Рис. 3.1. Классификация электромеханических измерительных приборов

3.2.1. Приборы магнитоэлектрической системы

Одной из самых простых (и исторически, пожалуй, самых ран­них) систем, используемых при построении электромеханических приборов является магнитоэлектрическая (МЭ).

Конструкция и принцип действия. На рис. 3.2 упрощенно пока­зана конструкция механизма такой системы, которая содержит пре­образователь электрической величины (входного измеряемого тока) в механическую (угол отклонения) и отсчетное устройство (ука­затель и шкалу).

Постоянный магнит 1, магнитопровод 2 и цилиндрический сер­дечник 3 из магнитомягкого материала создают равномерное ра­диальное магнитное поле в воздушном зазоре, в котором располо­жена и может поворачиваться рамка 4 с измеряемым током. Рамка (несколько десятков витков медного провода) жестко связана с осью 5, на которой закреплена стрелка 7. Эти элементы образуют подвижную часть механизма.

Как известно, на проводник с током, находящийся в магнит­ном поле, действует сила. При протекании измеряемого тока I в рамке, находящейся в магнитном поле зазора, возникает вращаю­щий момент М, равный произведению индукции В магнитного поля в зазоре, активной (т.е. находя­щейся в магнитном поле) пло­щади рамки S, числу витков w и току I в рамке:

М = BS wI

Рис.3.2. Конструкция магнитоэлектрического механизма:

1 – постоянный магнит; 2 – магнитопровод; 3 – цилиндрический сердечник из магнитомягкого материала; 4 – рамка с измеряемым током; 5 – ось; 6 – спиральная пружина; 7 – стрелка; 8 – шкала

Отсчетное устройство – стрелка 7 и шкала 8 – преобра­зует угол отклонения (поворо­та) рамки α в показания (отсчет). Спиральная пружина 6 служит для создания противодействую­щего момента М_пр:

М_пр = α Ω,

где α – угол поворота подвиж­ной части; Ω – удельный про­тиводействующий момент.

Вращающий момент застав­ляет рамку поворачиваться. Противодействующий момент направ­лен навстречу вращающему. В процессе поворота рамки противо­действующий момент М_пр пропорционально растет. Это происхо­дит до тех пор, пока моменты не станут равными. При М= М_пр

B S wI= α Ω .

Следовательно, угол поворота а имеет вид

α = (BS wI) / Ω.

Таким образом, поскольку значения параметров В, S, w, Ω, практически постоянны, можно говорить о линейной зависимос­ти угла поворота α (и, следовательно, показаний) МЭ приборов от значения измеряемой величины (в данном случае тока I).

Амперметры и вольтметры. Для измерения малых токов (до 100 мА) используются непосредственно магнитоэлектрические измерительные механизмы. Если требуется измерять токи, превосхо­дящие ток полного отклонения механизма, то применяются шун­ты (точные резисторы с малым сопротивлением: десятые – ты­сячные доли ома) – рис.3.3,а. При этом через измерительный механизм (ИМ) течет ток I_м, представляющий собой только часть измеряемого тока I. Зная соотношение между сопротивлениями рамки ИМ и шунта R_ш, можно переградуировать шкалу прибора или пересчитать показания в результат измерения.

Схема магнитоэлектрического вольтметра приведена на рис. 3.3,б. Последовательно с ИМ включается резистор R_V с доста­точно большим сопротивлением. Добавочные резисторы R_Д1 и R_Д2 обеспечивают несколько диапазонов измерения напряжения U_V

(U_V3 > U_V2 > U_V1). Ток I через ИМ на любом диапазоне не должен превосходить номинального значения I_ном для механизма.

Рассмотрим пример организации многопредельного вольтмет­ра. Предположим, имеется МЭ механизм с сопротивлением R_ИM = 10 Ом и номинальным током I_ном = 0,001 А. Тогда для организа­ции на базе такого механизма вольтметра с диапазоном измерения U₁ = 1 В необходимо включить последовательно с механизмом ре­зистор R_V с таким сопротивлением, которое обеспечит при изме­ряемом напряжении U₁ = 1 В ток через механизм I_ном =1,0 мА. Найдем значение этого сопротивления:

R_V = (U₁/I_ном) – R_ИМ = (1:0,001) – 10 = 990 Ом.

Если мы теперь имеем МЭ вольтметр с диапазоном измерения U₁ = 1 В и с внутренним сопротивлением R_вн = R_ИM + R_V = 1 кОм, то для расширения предела измерения до U₂ = 10 В необходимо включить последовательно добавочный резистор сопротивлением R_Д1 = 9 кОм. Для расширения предела измерения до U₃ = 100 В (т. е. организации еще одного диапазона) необходимо подключить последовательно с имеющимся резистором R_Д1 еще один добавоч­ный резистор R_Д2= 90 кОм. Таким образом, получаем схему много­предельного вольтметра постоянного тока (см. рис. 2.3,б).

Особенности магнитоэлектрических приборов. Приборы МЭ си­стемы, по сравнению с другими электромеханическими прибора­ми, имеют ряд преимуществ. Это более высокие точность и чув­ствительность; равномерная (линейная) шкала; сравнительно ма­лое собственное потребление энергии от источника сигнала; прак­тическое отсутствие влияния внешних магнитных полей (так как собственное поле в зазоре значительно). Есть и недостатки. Это возможность работы ИМ только на постоянном токе; сравнительная сложность реальной конструкции; заметная чувствительность к пе­регрузкам, механическим воздействиям, ударам, вибрации; изме­нение упругих свойств пружины со временем, а также зависимость показаний от изменения температуры окружающей среды.

Современные реальные конструкции, конечно, сложнее рас­смотренной.

Обозначение МЭ системы на шкалах приборов: