4.2. Уравнение движения подвижной части измерительного механизма
Помимо вращающего и противодействующего моментов в режиме движения на подвижную часть механизма действуют динамический и успокаивающий моменты.
Динамический момент обусловлен инерцией подвижной части (включая указатель и противовесы) и пропорционален угловому ускорению
(4.3)
где J – момент инерции подвижной части.
Успокаивающий момент создается успокоителями с целью снижения времени достижения установившегося положения. При его отсутствии подвижная часть в силу инерции совершала бы довольно продолжительные колебания. Он должен быть направлен в сторону, противоположную движению, и пропорционален угловой скорости
,
(4.4)
где Р – коэффициент успокоения, зависящий от конструкции успокоителя.
При пренебрежении незначительным трением вращающий момент уравновешивается суммой динамического, успокаивающего и противодействующего моментов
M =
+
+ W . (4.5)
Это дифференциальное уравнение называется уравнением движения подвижной части механизма. Его решение при известных J, P,W дает функцию (t), описывающую характер движения указателя. В зависимости от коэффициентов движение может носить колебательный (кривая 1 на рис. 4.2) или апериодический (кривая 2) характер.
Промежуток времени tу от момента изменения измеряемой величины до момента, когда отклонение указателя от установившегося значения не превышает 1.5% длины шкалы, называется временем успокоения.
Рис. 4.2. Характер движения указателя аналогового прибора
4.3. Узлы и детали измерительных механизмов
Несмотря на различие в устройстве механизмов различных групп, имеется ряд узлов и деталей, общих для всех аналоговых приборов.
Опорные устройства. Подвижная часть измерительного механизма должна свободно поворачиваться в пределах определенного угла с минимальным трением. Для этого ее крепят на кернах, растяжках или на подвесе (рис. 4.3).
Рис. 4.3. Варианты крепления подвижной части измерительного механизма
В первом варианте подвижная часть закреплена на двух полуосях, выполненных из твердой стали и заточенных на конус (керны). Подпятники изготовлены из рубина или агата и имеют углубления. Керны входят в углубления подпятников. Достоинством этого способа является механическая стойкость, недостатком – заметное трение. Поэтому его применяют в приборах невысокой точности – технических.
Во втором варианте подвижная часть закреплена на двух растяжках – металлических упругих лентах, изготовленных из бронзы или сплава серебра с платиной. При этом трение практически отсутствует, но снижается механическая стойкость: при толчках или ударах растяжки могут лопнуть.
Подвешивание используется только в высокочувствительных приборах – гальванометрах. В качестве подвеса используют тонкие металлические ленты или нити из упругого материала. Чтобы избежать касания рамки с неподвижной частью, такие приборы устанавливают строго по уровню.
Противодействующий момент у большинства приборов создается упругими элементами. При креплении подвижной части на растяжках он обеспечивается благодаря их упругости. Если подвижную часть крепят на кернах, упругие элементы выполняют в виде одной или двух спиральных пружин. При необходимости упругие элементы используют для подвода тока к подвижной части.
Успокоители необходимы для создания успокаивающего момента. Существуют воздушные, жидкостные и магнитоиндукционные успокоители.
Воздушный успокоитель содержит камеру, в которой перемещается, не касаясь ее стенок, легкое крыло, связанное с подвижной частью механизма. Успокоение достигается за счет разности давлений воздуха, которая возникает при движении.
В магнитоиндукционных успокоителях крыло, представляющее собой пластину из алюминия, связанную с подвижной частью, перемещается в магнитном поле постоянного магнита. Здесь успокоение достигается за счет взаимодействия вихревых токов, индуцированных в крыле при его движении, с магнитным полем магнита.
Жидкостный успокоитель содержит две шайбы, одна из которых закреплена на оси механизма, а вторая неподвижна. В зазор между двумя шайбами вводится капля вязкой жидкости. Такие успокоители практически не занимают места, и их использование целесообразно в малогабаритных приборах.