2 Электромеханические приборы

Она включает в себя измерительную цепь, измерительный механизм и отсчетное устройство. Измерительная цепь служит для преобразования входного сигнала в промежуточную величину, непосредственно воздействующую. на измерительный механизм. Использование в качестве измерительной цепи преобразователей рода величин (выпрямительного, термоэлектрического и др.) определяет название прибора. Измерительный механизм преобразует входной электрически сигнал в механическую энергию перемещения подвижной части. Перемещение, как правило, представляет собой поворот подвижной части относительно неподвижной оси на угол альфа. Отсчетное устройство состоит из указателя, жестко связанного с подвижной частью измерительного механизма, и неподвижной шкалы. Подвижная часть преобразует угловое перемещение механизма в перемещение указателя, при этом величина ? отсчитывается в единицах деления шкалы. Вращающий момент Мвр, действующий на подвижную систему, определяется производной от энергии поля по углу отклонения подвижной части В зависимости от характера явления, используемого для создания вращающего момента, различают следующие системыэлектромеханических измерительных механизмов и приборов: " магнитоэлектрическую; " электромагнитную; " электродинамическую; " ферродинамическую; " электростатичсекую; " индукционную; В любом электромеханическом преобразователе действует также уравновешивающий противодействующий момент М, зависящий от и направленный в сторону, обратную Мвр. В зависимости от способа создания противодействующего момента электромеханические преобразователи (приборы) подразделяют на две группы: " с механическим противодействующим моментом; " с электрическим противодействующим моментом (логометры); В приборах первой группы механический противодействующий момент создается с помощью спиральных пружинок и тонких нитей - растяжек и подвесов. При повороте подвижной части эти упругие элементы закручиваются и создают противодействующий момент В приборах второй группы противодействующий момент создается Также, как и вращающий момент. При установившемся отклонении подвижной части вращающий и противодействующий моменты оказываются равны между собой: Кроме указанных моментов на подвижную часть измерительного механизма действуют моменты, обусловленные трением в опорах, трением подвижной части о воздух и вихревыми токами, возникающими от взаимодействия металлических масс и магнитных полей. Для уменьшения времени успокоения подвижной части в измерительный механизм вводят успокоитель, создающий момент успокоения. Этот момент направлен в сторону, противоположную направлению движения подвижной части, и равен нулю в момент равновесия. Момент успокоения пропорционален коэффициенту успокоения и угловой скорости движения подвижной части.  Кроме перечисленных электротехнических приборов применяются также тепловые, вибрационные и др.. Рассмотрим особенности и принципы действия Электротехнических, измерительных механизмов.

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

Рисунок - Структурная схема электромеханического прибора

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

Измерительный механизм – основная часть прибора, предназначенная для преобразования электромагнитной энергии в механическую, необходимую для создания угла поворота a.

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

Чаще всего оно состоит из указателя, жестко связанного с подвижной частью ИМ, и неподвижной шкалы. 

Указатели бывают стрелочные (механические) и световые. 

Шкала представляет собой совокупность отметок, которые расположены вдоль какой-либо линии и изображают ряд последовательных чисел, соответствующих значениям измеряемой величины. Отметки имеют вид штрихов, черточек, точек и т. п.

По начертанию шкалы бывают прямолинейные (горизонтальные или вертикальные),

дуговые (при дуге до 180° включительно) и круговые (при дуге более 180°).

По расположения отметок различают шкалы равномерные и неравномерные,

односторонние относительно нуля, двусторонние и безнулевые. Шкалы градуируют либо

в единицах измеряемой величины (именованная шкала), либо в делениях (неименованная шкала). 

Числовое значение измеряемой величины равно произведению числа делений, прочитанных по шкале,

на цену (постоянную) прибора.Цена деления - значение измеряемой величины, соответствующее

одному делению шкалы.

Цена деления шкалы определяются как:

 

где: Х – конечное значение шкала на данном пределе измерения,

N . число отметок шкалы.

Так как ЭИП являются приборами прямого действия, то чувствительность прибора S_П

 определяется чувствительностью цепи Sц и чувствительностью измерительного механизма Sмех:

S_П = S_цS_нех. Классы точности аналоговых ЭИП: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Рассмотрим общий принцип действия измерительного механизма.

Обобщенная механическая схема измерительного механизма представлена на рисунке.

1 – ось, 2 – электромеханический преобразователь, приведенный к общему центру масс, 3 – стрелка, 4 – пружина, 5 – подшипниковые опоры.

Рисунок - Принципиальная схема измерительного механизма

Дифференциальное уравнение моментов, описывающее работу измерительного механизма, имеет вид:

где J – момент инерции подвижной части измерительного механизма,

- угол отклонения подвижной части,

  - угловое ускорение.

На подвижную часть (при движении) воздействуют следующие составляющие моментов:

Вращающий момент – М- определяется скоростью изменения энергии электромагнитного поля  , сосредоточенной в механизме, по углу отклонения  .

Противодействующий момент - М - создается, как правило, при помощи спиральных пружин и растяжек

где: W – удельный противодействующий момент на единицу угла закручивания пружины (определяется её материалом, длиной и т.д.).

Момент успокоения – М_усп- момент сил сопротивления движению. Всегда направлен встречно вращающему моменту.

р- коэффициент успокоения (демпфирования) подвижной части.

После подстановки всех составляющих момента в основное уравнение получим:

     или    

В статическом режиме, т.е когда стрелка прибора находится в неподвижном состоянии при каком то угле отклонения a, можно записать:

М=Мa.

По типу измерительного механизма приборы делятся на:

 магнитоэлектрический механизм;

 магнитоэлектрический механизм логометрического типа;

 электромагнитный механизм;

 электромагнитный механизм логометрического типа;

 электромагнитный поляризованный механизм;

 электродинамический механизм;

 электродинамический механизм логометрического типа;

 ферродинамический механизм;

  ферродинамический механизм логометрического типа;

 электростатический механизм:

 измерительный механизм индукционного типа.

Общие технические требования ко всем электроизмерительным приборам нормируются ГОСТ 22261-82.

Условные обозначения определены в ГОСТ 23217-78.

2.1 Узлы и детали измерительных приборов

Для большинства ЭИП, несмотря на разнообразие ИМ, можно выделить общие узлы и детали-устройства для установки подвижной части ИМ, для создания противодействующего момента, уравновешивания и успокоения. Так как любой измерительный механизм ЭИП состоит из подвижной и неподвижной частей, то для обеспечения свободного перемещения подвижной части последнюю устанавливают на опорах, растяжках и подвесе. При транспортировке подвижную часть ИМ закрепляют неподвижно с помощью арретира. Устройства для установки подвижной части на опорах представляют собой легкую алюминиевую трубку, в которую запрессовывают керны (стальные отрезки). Концы кернов затачивают и шлифуют на конус с закруглением. Опираются керны на агатовые или корундовые подпятники. При установке подвижной части ИМ на кернах между керном и подпятником возникает трение, что вносит погрешность в показания прибора. В приборах высокого класса точности (лабораторных) для уменьшения трения шкала устанавливается горизонтально, нагрузка сосредоточена в основном на нижней опоре. Устройства для установки подвижной части на растяжках представляют собой две тонкие ленты из бронзового сплава, на которых подвешивается подвижная часть ИМ. Их наличие обеспечивает отсутствие трения в опорах, облегчает подвижную систему, повышает виброустойчивость. Растяжки используют для подведения тока к обмотке рамки и создания противодействующего момента. Устройства для установки подвижной части на подвесах используют в особо чувствительных приборах. Подвижную часть ИМ подвешивают на тонкой металлической (иногда кварцевой) нити. Ток в рамку подвижной части подводят через нить подвеса и специальный безмоментный токоподвод из золота или серебра. Для создания противодействующего момента используют одну или две плоские спиральные пружины и, вы полненные из оловянно-цинковой бронзы. Пружины служат также в качестве токоподводов к обмотке рамки подвижной части. Одним концом пружину крепят к оси или полуоси, а другим - к поводку корректора. Корректор, устанавливающий на нуль стрелку невключенного прибора, состоит из винта с эксцентрично расположенным пальцем и вилки с поводком. Винт корректора выводится на переднюю панель корпуса прибора, вращаясь, он движет вилку , что вызывает закручивание пружины и соответственно перемещение стрелки. Ось заканчивается кернами, опирающимися на подпятники. Для уравновешивания подвижной части служат грузики-противовесы. Измерительный механизм считается уравновешенным, когда центр тяжести подвижной части совпадает с осью вращения. Хорошо уравновешенный измерительный механизм показывает при различных положениях одно и то же значение Для создания необходимого успокоения ИМ снабжают успокоителями, развивающими момент, направленный навстречу движению (время успокоения не более 4 с). В ИМ наиболее часто применяют магнитоиндукционные и воздушные успокоители, реже - жидкостные (когда требуется очень большое успокоение). Магнитоиндукционный успокоитель состоит из постоянного магнита и алюминиевого диска,  жестко связанного с подвижной частью механизма и свободно перемещающегося в поле постоянного магнита. Успокоение создается за счет взаимодействия токов, индуцированных в диске при его перемещении в магнитном поле постоянного магнита с потоком этого же магнита. Воздушный успокоитель представляет собой камеру, в которой перемещается легкое алюминиевое крыло (или поршенек), жестко связанное с подвижной частью ИМ. При перемещении воздуха из одной части камеры в другую через зазор колебания подвижной части затухают.