2. Электромеханические преобразователи

Электромеханические измерительные преобразователи – это приборы прямого преобразования, в которых электрическая измеряемая величина Х непосредственно преобразуется в показания отсчетного устройства.

Любой электромеханический преобразователь состоит из следующих главных частей:

- неподвижной, соединенной с корпусом прибора;

- подвижной, механически или оптически связанной с отсчетным устройством.

Отсчетное устройство (ОУ) предназначено для наблюдения значений измеряемой величины. ОУ состоит из шкалы и указателя, располагается на лицевой стороне прибора. Указатели могут быть стрелочными или оптическими.

Электромеханический преобразователь содержит следующие узлы:

- узел, создающий вращающий момент M_В;

- узел, создающий противодействующий момент М_П;

- успокоитель.

Величину M_В можно определить из уравнения Лагранжа II рода:

,

где – электромагнитная энергия, которая поступает от измеряемого объекта в узел, создающий вращающий момент.

Противодействующий момент М_П, направленный навстречу вращающему, может быть создан за счет:

1) механических сил:

,

где W – удельный противодействующий момент, зависящий от свойств упругого элемента; α – угол поворота. При М_В= М_П движение подвижной части прекращается. Значение α можно определить как ;

2. электрических сил:

М_П создается из электромагнитной энергии измеряемой величины. Движение прекращается в момент достижения равенства двух моментов М₁ и М₂ противоположного направления:

,

где х₁ и х₂ – электрические измеряемые величины, a₁, a₂ и a – константы.

Успокоитель служит для убыстрения процесса затухания колебаний подвижной части прибора, выведенной из равновесия. Момент успокоения М_У может быть определен как

,

где Р – коэффициент успокоения, зависящий от типа и конструкции успокоителя; – угловая скорость перемещения подвижной части. Наиболее часто используют воздушные и магнитоиндукционные успокоители. Принцип действия первых основан на сопротивлении воздуха возникшим колебаниям измерительного механизма. В случае магнитоиндукционного успокоителя используется взаимодействие магнитного поля постоянного магнита и магнитных полей, индуцированных токами Фуко в алюминиевом лепестке, прикрепленном к измерительному механизму и синхронно с ним колеблющимся.

2.1. Магнитоэлектрические приборы

Узел для создания вращающего момента М_В состоит из сильного постоянного магнита и легкой подвижной катушки, по которой протекает измеряемый ток. Принцип работы магнитоэлектрических приборов заключается во взаимодействии поля постоянного магнита с проводником (катушкой), по которому протекает измеряемый ток. При этом возникает пара сил F, создающая М_В.

Вся энергия, сосредоточенная в узле, вызывающем вращающий момент:

,

где – энергия поля магнита; – энергия катушки с током; – потокосцепление; а произведение – энергия взаимодействия поля магнита и катушки с током. При этом вращательный момент может быть определен как

.

Тогда угол поворота будет

,

где – чувствительность прибора по току.

Выражение для угла поворота α представляет собой уравнение шкалы прибора магнитоэлектрической системы. Из уравнения следует, что отклонение указателя пропорционально измеряемому току. Шкала равномерна (линейна), при включении следует соблюдать полярность, так как прибор чувствителен к направлению постоянного тока. При включении прибора в цепь, по которой протекает пульсирующий или импульсный ток, отклонение указателя будет пропорционально постоянной составляющей (среднему значению) указанных токов.

Время установления показаний сокращается с помощью электромагнитного успокоения, возникающего за счет индуцированного тока в катушке, возбуждаемого при пересечении ею магнитного поля: , где е – индуцированная ЭДС, – сумма сопротивлений подвижной катушки и внешней цепи, на которую она замкнута. Тогда

;

– момент электромагнитного успокоения, а – коэффициент успокоения.

Достоинства магнитоэлектрических приборов:

- высокая чувствительность (до 10^-11А);

- высокая точность (до класса 0,05);

- малое потребление мощности от измеряемой цепи (10^-5-10^-6 Вт).

Недостатки:

- сравнительная сложность изготовления и ремонта;

- недопустимость даже кратковременных перегрузок (обычно деформируются или перегорают токоподводящие пружины, нити растяжек и подвесов).