Тема 3.2. Аналоговые измерительные приборы
3.2.1. Общая характеристика аип
Аналоговые измерительные приборы (АИП) достигли высокой степени конструктивного и технологического совершенства и составляют преобладающую массу средств измерений.
К этой группе относят приборы, показания которых являются непрерывными функциями изменений измеряемых величин.
В нашей стране в настоящее время в различных отраслях народного хозяйства количество АИП достигает нескольких сотен миллионов.
Несмотря на интенсивное развитие цифровой измерительной техники, АИП продолжают совершенствоваться, и их выпуск не уменьшается.
Это объясняется тем, что АИП имеют ряд преимуществ:
- относительную простоту,
- низкую стоимость,
- высокую информативность аналогового сигнала.
К недостаткам АИП относится наличие у большинства из них инерционных подвижных частей, снижающих их быстродействие и помехоустойчивость.
АИП классифицируются по следующим признакам.
1. По способу представления показаний различают:
- показывающие АИП и
- регистрирующие АИП.
2. По назначению АИП делятся на приборы для измерения тока, напряжения, мощности, параметров электрических цепей, частоты электрического тока, сдвига фаз, напряжённости поля, зарядов и т.д.
3. По принципу действия их подразделяют на:
- электромеханические (магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, ферродинамические, индукционные, электростатические, выпрямительные, термоэлектрические и т.д.) и
- электронные (осциллографы, электронные вольтметры).
В аналоговых электромеханических измерительных приборах электрическая энергия, подведённая к прибору непосредственно из измеряемой цепи, преобразуется в механическую энергию углового перемещения подвижной части относительно неподвижной.
Угол поворота подвижной части связан с измеряемой величиной уравнением шкалы прибора.
4. По роду тока различают АИП постоянного тока, переменного тока и универсальные.
Кроме перечисленных, в качестве классификационных признаков АИП могут выступать такие характеристики, как:
- условия эксплуатации,
- устойчивость к механическим воздействиям,
- габаритные размеры,
- форма корпуса,
- способ установки и т.д.
Основные характеристики АИП:
- функция преобразования,
- погрешности,
- диапазон измерений,
- область рабочих частот,
- время установления показаний,
- потребляемая мощность,
- надёжность и пр.
3.2.2. Аналоговые электромеханические электроизмерительные приборы
Электромеханические измерительные приборы (ЭИП) отличаются
- простотой,
- дешевизной,
- высокой надежностью,
- разнообразием применения,
- относительно высокой точностью.
Любой ЭИП состоит из ряда функциональных преобразователей, каждый из которых решает свою элементарную задачу в цепи преобразований.
Например, самый простой прибор прямого преобразования (вольтметр, амперметр) состоит из трех основных преобразователей:
- измерительной цепи (ИЦ),
- измерительного механизма (ИМ) и
- отсчетного устройства (ОУ).
Рис.
Структурная схема электромеханического
измерительного прибора
Измерительная цепь обеспечивает преобразование электрической измеряемой величины X в промежуточную электрическую величину Y (ток или напряжение), функционально связанную с измеряемой величиной и непосредственно воздействующую на измерительный механизм.
Измерительный механизм является электромеханическим преобразователем, осуществляющим преобразование электрической величины Y в наглядное аналоговое показание α.
На магнитном воздействии электрического тока основаны:
- магнитоэлектрический,
- электромагнитный,
- индукционный,
- электродинамический и
- вибрационный измерительные механизмы.
На тепловом воздействии электрического тока основаны биметаллический и тепловой ИМ.
На взаимодействии заряженных электродов, находящихся под напряжением, основан принцип работы электростатического ИМ.
Отсчётное устройство состоит из указателя, жестко связанного с подвижной частью ИМ, и неподвижной шкалы.
Указатели бывают стрелочные (механические) и световые.
Шкала - совокупность отметок в виде штрихов, расположенных вдоль линии, по которым определяют числовое значение измеряемой величины.
Шкалы градуируют
- в единицах измеряемой величины (именованная шкала),
- либо в делениях (неименованная шкала).
В общем случае на подвижную часть ИМ при её движении воздействуют:
- вращающий момент Мвр,
- противодействующий момент Мпр и
- момент успокоения Мусп.
Вращающий момент для ИМ, использующих силы электромагнитного поля,
Мвр = dWм/dα, (1)
где dWм - изменение запаса энергии магнитного поля; α - угол отклонения подвижной части.
Противодействующий момент в электромеханических приборах необходим для создания соответствия измеряемой величины определенному углу отклонения подвижной части.
В аналоговых электромеханических приборах противодействующий момент создается
- либо при помощи спиральных пружин (растяжек и подвесов),
- либо за счет энергии электромагнитного поля (в логометрах).
В случае, когда противодействующий момент создается спиральной пружинкой,
Мпр = Wα, (2)
где W - удельный противодействующий момент, зависящий от геометрических размеров и материала пружины (растяжек).
Момент успокоения является моментом сил сопротивления движению, направлен всегда навстречу движению подвижной части ИМ и пропорционален угловой скорости отклонения:
Мусп = Р(dα/dt), (3)
где Р - коэффициент успокоения (демпфирования).
В ИМ наиболее часто применяют магнитоиндукционные и воздушные успокоители, а для создания очень большого успокоения - жидкостные успокоители.
Несмотря на большое разнообразие конструкций и типов приборов, все они имеют ряд общих узлов и деталей.
Такими деталями являются: корпус, шкала, указатель, устройства для установки и уравновешивания подвижной части, создания противодействующего момента и успокоения, корректор и в высокочувствительных приборах - арретир.