Электромеханические измерительные преобразователи и приборы Принцип действия

Электромеханические измерительные преобразователи (измерительные механизмы) и приборы относятся к аналоговым устройствам, показания которых являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. Электромеханический прибор состоит из двух основных частей: измерительной цепи и электромеханического измерительного преобразователя (измерительного механизма). Измерительная цепь, обычно представляющая собой масштабный измерительный преобразователь, преобразует измеряемую величину в другую величину, непосредственно воздействующую на измерительный механизм. В измерительном механизме, состоящем из подвижной и неподвижной частей, электромагнитная энергия этой величины преобразуется в механическую энергию перемещения подвижной части относительно неподвижной. Поскольку обычно применяется угловое перемещение, то в дальнейшем будут рассматриваться не силы, действующие в приборе, а моменты.

На основании второго закона Ньютона запишем для подвижной части измерительного механизма уравнение для вращающихся тел, учитывающее наиболее важные моменты, действующие на подвижную часть:

где момент сил инерции; J – момент инерции подвижной части; α – угол поворота подвижной части; t – время; М_вр – вращающий момент; М_пр – противодействующий момент; М_усп – момент успокоения.

Вращающий момент возникает и однозначно определяется измеряемой величиной х, но в общем случае может зависеть также от угла поворота подвижной части, то есть М_вр= F(x, а).

Для электромеханических приборов, в которых действуют силы электромаг­нитного поля, М_вр определяется из общего уравнения динамики системы

где W_эм – энергия электромагнитного поля, сосредоточенная в измерительном механизме.

В зависимости от способа создания вращающего момента, то есть в зависимости от вида преобразования энергии электромагнитного поля в механическую энергию перемещения подвижной части, электромеханические измерительные механизмы (преобразователи) подразделяются на магнитоэлектрические, электромагнитные, электростатические, электродинамические, ферродинамические и индукционные.

Если бы движению подвижной части ничего не противодействовало, то она при любом значении измеряемой величины (кроме нуля) доходила бы до упора, что делало бы измерение невозможным. Для того чтобы угол отклонения а однозначно зависел от измеряемой величины, в измерительном механизме создается противодействующий момент М_пр, направленный навстречу вращающему и зависящий от угла поворота. Таким образом, при возникающем динамическом равновесии (М_вр + М_пр = 0) каждому определенному значению измеряемой величи­ны будет соответствовать определенный угол поворота подвижной части.

По способу создания противодействующего момента измерительные механизмы делятся на две группы: с механическим противодействующим моментом и с электрическим противодействующим моментом – логометры.

В измерительных механизмах первой группы противодействующий момент создается с помощью упругого элемента (спиральной пружины, растяжек или подвеса), который при повороте подвижной части закручивается. При этом значение М_пр определяется из выражения

где W – удельный противодействующий момент, зависящий от свойств упругого элемента. В таких измерительных механизмах угол α определяется электрической величиной, создающей вращающий момент (электрический ток, напряжение, их произведение и т. д.).

В логометрах противодействующий момент создается так же, как и вращающий, но один из моментов должен зависеть от угла поворота подвижной части. В этом случае угол поворота будет определяться отношением электрических величин, создающих вращающий и противодействующий моменты (например, отношением электрических токов).

При перемещении подвижной части на нее, кроме указанных моментов, действуют динамические моменты: момент сил инерции | и момент успокоения, пропорциональный угловой скорости движения подвижной части :

где Р – коэффициент успокоения. Знак «минус» показывает, что момент успокоения, так же как и противодействующий, направлен навстречу вращающему моменту. Задачей М_усп является обеспечение плавного и апериодического движения подвижной части измерительного механизма. От него в значительной степе­ни зависит важный эксплуатационный параметр прибора – время успокоения. Момент успокоения создается либо применением специальных устройств, называемых демпферами, или успокоителями, либо без них. В зависимости от конструкции приборов в них применяются магнитоиндукционные, жидкостные или воздушные успокоители.

Если выражения (8.3) и (8.4) подставить в уравнение (8.1) и перенести в ле­вую часть, то получится дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами, описывающее движение подвижной части измерительного механизма: