3.1.3 Измерение тока и напряжения с помощью электромеханических приборов Общие сведения об электромеханических приборах

Электромеханические приборы используются, в основном, для измерения постоянных токов и напряжений, а также переменных токов и напряжений низкой частоты. Кроме того, такие приборы могут использоваться в качестве встраиваемых индикаторов электронных приборов и различных радиотехнических устройств.

Электромеханические приборы являются приборами прямого преобразования. В них электрическая энергия измеряемого сигнала преобразуется в механическую энергию перемещения подвижной части относительно неподвижной. Чаще всего такое перемещение является угловым, поэтому при изучении принципа действия таких приборов рассматриваются не силы, действующие в приборах, а моменты сил.

Рис. 3.1. Структурная схема электромеханического прибора

Структурная схема электромеханического прибора изображена на рис. 3.1. Работает такая схема следующим образом. Измеряемая величина X поступает на вход измерительного преобразователя (ИП), который преобразует ее в промежуточную величину Y. Кроме того, ИП может выполнять такие функции, как расширение предела измерений прибора, улучшать метрологические характеристики. Промежуточная величина Y воздействует на измерительный механизм (ИМ), который приводится в действие и поворачивает подвижную часть на некоторый угол α. Измерительный механизм является основной частью прибора. Именно здесь электромагнитная энергия измеряемого сигнала превращается в механическую энергию углового перемещения подвижной части отсчетного устройства (ОУ). ОУ представляет собой сочетание указателя, жестко связанного с подвижной частью ИМ. Подвижная часть ИМ поворачивается под воздействием вращающего момента Мв, определяемого как скорость изменения энергии электромагнитного поля W, сосредоточенной в ИМ, по углу поворота α подвижной части

Мв = (3.4)

Если бы на подвижную часть воздействовал только вращающий момент Мв, то она поворачивалась бы до упора при любом значении измеряемой величины X. Поэтому в каждом ИМ создается противодействующий момент М_П, пропорциональный α и противоположный по направлению Мв. По способу создания противодействующего момента все электромеханические приборы подразделяются на две группы:

приборы с механическим противодействующим моментом, который создается с помощью упругих элементов, закручиваемых при повороте подвижной части, причем

М_П = k_П α (3.5)

где k_П– удельный противодействующий момент, определяемый упругими свойствами пружин или нитей;

приборы с электрическим противодействующим моментом – логометры, в которых противодействующий момент создается с помощью электромагнитных сил.

При равенстве моментов Мв = М_П наступает равновесие подвижной части и производится отчет показаний по шкале прибора. Зная аналитические выражения для Мв и М_П можно найти в общем случае зависимость α от параметров приборов.

α = f(X, A1,A2,…, An). (3.6)

где X – измеряемая величина;

A1,A2,…, An – параметры прибора.

Выражение 3.6 является основным уравнением, характеризующим свойства прибора, и называется градуировочной характеристикой или уравнением шкалы прибора.

В процессе измерения подвижная часть ИМ требует некоторого времени для своего успокоения, т.к. она совершает колебания около положения равновесия – так называемый переходной колебательный процесс.

Для сведения этого эффекта к минимуму применяют специальные устройства-успокоители и момент, создаваемый ими, называется моментом успокоения. Момент успокоения Му всегда направлен навстречу движению и пропорционален угловой скорости отклонения:

Му = k_у (3.7)

Где k_у – коэффициент успокоения. В электромеханических приборах применяют воздушные и магнитоиндукционные успокоители (иногда используются жидкостные).

Для измерения тока и напряжения применяют приборы четырех видов.

Каждый вид имеет свое буквенное обозначение:

М – магнитоэлектрические;

Д – электродинамические;

Э – электромагнитные;

С – электростатические.

Рассмотрим принцип действия измерительных приборов в соответствии с последовательностью перечисления.