3. Измерительные приборы

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия человеком (оператором).

3.1. Электромеханические приборы (ЭМП)

Структурная схема электромеханического прибора:

Назначение ЭМП - преобразовать входную величину (ток, напряжение, мощность) в численное значение (число делений, число мм)

Принцип действия - Измерительная цепь преобразует измеряемую величину (например, напряжение) в величину, создающую вращающий момент (например, ток).

Измерительный механизм преобразует этот ток в момент вращающий, зависящий от измеряемой величины, поворачивающий указатель (стрелку, луч света).

Измерительный механизм создает (например, пружиной) момент противодействия, зависящий от угла поворота.

Установившееся положение указателя наступит, когда моменты вращающий и противодействия равны. Оно оценивается количественно отсчетным устройством (шкалой)

Математическая модель: перемещение подвижной части ИМ состоит в ее повороте на угол , пропорциональный измеряемой величине:

Вращающий момент: М_В =М(х): ,

Где - энергия электромагнитного поля, сосредоточенная в измерительном механизме.

Момент противодействия:

,

Где - удельный противодействующий момент, зависящий от свойств упругости элемента.

Установившееся положение указателя наступит, когда М_В=- М_ПР  М(х)= М()

Таким образом, уравнение преобразования электромеханических приборов в общем виде может быть представлено выражением:

.

По способу создания вращающего момента различают системы электромеханических приборов:

1. магнитоэлектрическая (МЭ);

2. электромагнитная (ЭМ);

3. электродинамическая (ЭД);

4. ферродинамическая (ФД);

5. электростатическая (ЭС);

6. индукционная (И).

По способу создания противодействующего момента:

1. с механическим противодействующим моментом (спиральные пружины, упругие растяжки, подвес)

2. с электрическим противодействующим моментом (логометры)

1. Магнитоэлектрические приборы

Принцип действия основан на взаимодействии тока катушки с магнитным полем постоянного магнита.

(1 - Рамка с током, вращающаяся вокруг оси в равномерном

магнитном поле).

Математическая модель (при измерении постоянного тока I).

Полная электромагнитная энергия, запасенная в механизме, равна:

Здесь первое слагаемое энергия поля постоянного магнита;

(L – индуктивность подвижной катушки; =Bsn - потокосцепление постоянного магнита с катушкой (проводниками с протекающим током)).

Вращающий момент М_вр=BsnI =. = BsnI/W =SI.

Здесь В – индукция, Вс/м²; s-площадь рамки, м²; n –число витков; I -ток в рамке, А.; W – упругость, Нм/град; S – чувствительность, град/A.

– уравнение преобразования магнитоэлектрических приборов

Математическая модель (при измерении переменного тока)

Если измеряемый ток является переменным =, то и вращающий момент будет изменяться по такому же закону, т.е. будет функцией времени.

Магнитоэлектрические механизмы обладают большим моментом инерции, поэтому на сравнительно высоких частотах (более 10-20 Гц) при подаче на вход переменного синусоидального тока мы получим для вращающего момента его среднее значение за период, т.е. интегральное значение

.

Следовательно, при измерении синусоидальных токов показания прибора будет нулевым. В случае измерения сигнала сложной формы с постоянной составляющей отличной от нуля, показание прибора будет равно его среднему значению: .

Магнитоэлектрический прибор реагирует на среднее значение тока. При синусоидальном токе его показания равны нулю!

Если на прибор подать выпрямленный ток (после мостиковой схемы) , то его показания равны:

ВЫВОД: при подаче на магнитоэлектрический прибор выпрямленного (по модулю) переменного тока, его показания пропорциональны среднему значению этого тока (средневыпрямленному).

МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИБОР ЯВЛЯЕТСЯ ИДЕАЛЬНЫМ ИНТЕГРАТОРОМ!

Выпрямительный прибор – магнитоэлектрический механизм с полупроводниковым мостиковым выпрямителем.

-для двухполупериодного выпрямления,

здесь - коэффициент формы

синусоидального сигнала

Коэффициент формы сложного периодического сигнала (сигнала, отличающегося по форме от синусоидального) равен: . Здесь в числителе – среднеквадратические, а в знаменателе – средневыпрямленные значения напряжения или тока. В большинстве приборов шкалы или дисплеи градуируются в среднеквадратических (действующих) значениях синусоидального тока (напряжения).

Тогда , т.е. в градуировку входит коэффициент формы (!)

Если форма сигнала отличается от синусоидальной – то появляется систематическая ошибка.