ЛЕКЦИЯ 5

8

ЛЕКЦИЯ 5.

Электроизмерительные приборы.

Классификация измерительных приборов по обобщенным признакам.

Наиболее распространенными средствами измерений являются измерительные приборы. Они разнообразны вследствие различных измерительных задач и требований, предъявляемых к приборам.

Измерительные приборы представляют собой различное сочетание измерительных преобразователей, выполняющих определенные функции, и отсчетного устройства. Структурная схема приборов показывает функциональное взаимодействие основных его преобразователей.

По физическим явлениям, на которых основана работа приборов, их можно разделить на электромеханические и электронные приборы.

Классификация электромеханических приборов зависит от способа преобразования электромагнитной энергии входного сигнала в механическую энергию углового перемещения подвижной части.

Электронные измерительные приборы представляют собой сложные устройства, содержащие большое число преобразователей, выполняющих функции генерирования, усиления, выпрямления, преобразования электрических сигналов (например, аналогового сигнала в дискретный и наоборот), сравнения и др. Электронные приборы разрабатываются на активных элементах (транзисторах, микросхемах) и на пассивных элементах (резисторах, конденсаторах, катушках индуктивности). В них энергия для механического перемещения указателя поступает не от источника измеряемого сигнала, а от вспомогательного источника энергии.

По виду выдаваемой информации различают аналоговые и цифровые приборы.

Аналоговый прибор – измерительный прибор, показания которого являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. В этих приборах непрерывная измеряемая величина вызывает подобное ей непрерывное отклонение указателя по шкале. К аналоговым приборам относятся приборы, у которых указатель жестко связан с подвижной частью измерительного механизма.

Цифровой прибор – измерительный прибор, автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представлены в цифровой форме.

По схеме преобразования различают структурные схемы измерительных приборов прямого действия и сравнения.

В приборах прямого действия преобразование сигнала измерительной информации происходит только в одном направлении, а в приборах сравнения кроме прямого преобразования используется обратное преобразование (обратная связь).

По способу выдачи измерительной информации измерительные приборы делятся на показывающие и регистрирующие.

Показывающий прибор – измерительный прибор, допускающий отсчитывание показания, регистрирующий – прибор, в котором предусмотрена регистрация показаний. Регистрирующий прибор, в котором предусмотрена запись показаний в форме диаграмм, называют самопишущим, а печатание показаний в цифровой форме – печатающим. Приборы могут либо выдавать информацию о текущем значении измеряемой величины, либо измеряемую величину интегрировать во времени или по другой независимой переменной (интегрирующие приборы), либо суммировать показания двух или нескольких величин, подводимых к ним по различным каналам (суммирующие приборы).

По характеру установки на месте применения приборы могут быть стационарные и переносные; по степени защищенности – обыкновенные, пыле-, водо- и брызгозащищенные, герметические и др.

Аналоговые электромеханические измерительные приборы (АЭМП).

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.

Структурную схему аналогового электромеханического прибора в общем виде можно представить как:

Измерительная цепь обеспечивает преобразование электрической величины Х в промежуточную электрическую величину Y, функционально связанную с величиной Х и пригодную для непосредственной обработки измерительным механизмом (ИМ).

По характеру преобразования измерительная цепь может представлять собой совокупность элементов (резисторов, конденсаторов, выпрямителей, термопар и др.). Различные измерительные цепи позволяют использовать один и тот же ИМ при измерениях разнородных величин, меняющихся в широких пределах.

Измерительный механизм – основная часть прибора, предназначенная для преобразования электромагнитной энергии в механическую, необходимую для создания угла отклонения  его подвижной части относительно неподвижной

 = f(Y) = F(X).

Подвижная часть ИМ представляет собой механическую систему с одной степенью свободы относительно оси вращения. Момент количества движения равен сумме моментов, действующих на подвижную часть.

Дифференциальное уравнение моментов, описывающих работу ИМ, имеет вид

, (5.1)

где - момент инерции подвижной части; α – угол отклонения подвижной части; - угловое ускорение.

На подвижную часть ИМ при ее движении воздействуют:

Вращающий момент М_В, определяемый для всех АЭМП скоростью изменения энергии электромагнитного поля W_Э, сосредоточенной в механизме, по углу отклонения α подвижной части:

. (5.2)

Противодействующий момент М_П, создаваемый механическим путем с помощью спиральных пружин, растяжек, подводящих проводов и пропорциональный углу отклонения α подвижной части:

М_П = -Wα, (5.3)

где W – удельный противодействующий момент на единицу угла закручивания пружины (зависит от материала пружины и ее геометрических размеров).

Момент успокоения М_УСП, т.е. момент сил сопротивления движению, всегда направленный навстречу движению и пропорциональный угловой скорости отклонения:

М_УСП = , (5.4)

где Р – коэффициент успокоения (демпфирования).

Подставив (5.2)-(5.4) в (5.1), получим дифференциальное уравнение отклонения подвижной части механизма:

,

или

.

В установившемся режиме

и в этом случае установившееся отклонение подвижной части ИМ определяется равенством вращающего и противодействующего моментов, т.е. М_В = М_П.

Подставив в равенство М_В = М_П аналитические выражения моментов, получим уравнение шкалы прибора, показывающее зависимость угла отклонения α подвижной части от значения от значения измеряемой величины и параметров ИМ.

Отсчетное устройство состоит из указателя, связанного с измерительным механизмом и шкалы.

Указатели бывают стрелочные (механические) и световые.

Шкала – совокупность отметок, представляющих ряд последовательных чисел вдоль какой-либо линии. По начертанию шкалы бывают прямолинейные, дуговые и круговые.

Большинство аналоговых электромеханических измерительных приборов являются измерителями электрического тока. Исключение составляют приборы основанные на использовании электростатического эффекта для измерения электрического напряжения. Однако, дополнительные схемные решения позволяют применять их для измерения различных электрических величин и параметров электрических цепей. Кроме того, они находят широкое применение в структурах средств измерения неэлектрических величин.

В зависимости от способа преобразования электромагнитной энергии в механическое угловое перемещение подвижной части электромеханические приборы делятся на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические. Как я уже говорила, все из них, кроме электростатических, являются измерителями электрического тока.

Таблица 5.1

В таблице 5.1 показаны принципы действия и функции преобразования наиболее часто используемых на практике аналоговых электромеханических измерительных приборов. Среди них заслуживает подробного рассмотрения прибор магнитоэлектрической системы, который широко используется в качестве указателя электронных измерительных приборов, систем автоматизации и контроля параметров объекта.

Магнитоэлектрический измерительный механизм.

На рис. в табл.5.1а упрощенно показана конструкция механизма. Он состоит из неподвижной части в виде постоянного магнита и подвижной части в виде рамки с обмоткой с числом витков w, через которую протекает измеряемый ток I. Рамка (несколько десятков витков медного провода) жестко связана с осью, на которой закреплена стрелка. Эти элементы образуют подвижную часть механизма. Отклонение рамки происходит при взаимодействии магнитных полей рамки и постоянного магнита. Измеряемый ток подается в обмотку рамки через две пружины, создающие противодействующий момент.

При протекании измеряемого тока I в рамке возникает вращающий момент М_В

,

где B – индукция магнитного поля в зазоре; S – площадь рамки; w – число витков.

Противодействующий момент создает спиральная пружина

М_П = Wα.

Противодействующий момент направлен навстречу вращающему. В процессе поворота рамки М_П пропорционально растет. Это происходит до тех пор, пока моменты не станут равными.

При М_В = М_П

.

Отсюда, угол поворота имеет вид

.

Поскольку B,S,w,W практически постоянны, можно говорить о линейной зависимости угла поворота α от значения измеряемой величины.

S_I - чувствительность измерит механизма по току.

Зависимость показывает, что магнитоэлектрические приборы применимы только при измерении постоянного тока, т.к. при изменении направления тока изменяется знак α.

При включении ИМ в цепь переменного тока из-за инерционности его подвижной части среднее значение вращающего момента М_в за период будет равно нулю. Высокая чувствительность достигается применением магнитов с большой индукцией В и уменьшением удельного противодействующего момента W. В высокочувствительных приборах пружины заменяются упругими лентами-растяжками или лентой подвеской. Более чувствительные приборы используются в качестве нуль-индикаторов и называются гальванометрами.

Достоинства магнитоэлектрических ИМ:

Высокая чувствительность. Известны приборы с величиной тока полного отклонения по шкале, равным 10^-7 А.

Большая точность. Наилучшие по точности приборы серийного производства нормируются классом точности 0.1.

Незначительное влияние на режим измеряемой цепи, т.к. мощность потребления мала.

Практически отсутствие влияния внешних магнитных полей, так как собственное поле в зазоре значительно.

Хорошее успокоение, равномерность шкалы.

Недостатки: сложность изготовления; плохая перегрузочная способность, обусловленная перегревом пружин; температурное влияние на точность измерения.

Магнитоэлектрические ИМ используют:

В многопредельных магнитоэлектрических амперметрах и вольтметрах для непосредственных измерений в цепях постоянного тока.

В гальванометрах – высокочувствительных измерительных приборах с неградуированной шкалой как для непосредственных измерений малых электрических токов от 10^-5 до 10^-12 А, напряжений менее 10^-4 В, зарядов, так и для обнаружения тока или напряжения в разнообразных мостовых цепях.

В аналоговых омметрах, электронных вольтметрах, термоэлектрических амперметрах, вольтметрах, электронных частотомерах, фазометрах.

В комбинированных аналоговых вольтметрах.

В логометрах.

В осциллографах и др.