4.Аналоговые электромеханические измерительные

приборы и преобразователи.

В налоговых электромеханических приборах прямого измерения электромагнитная энергия , подведенная к прибору непосредственно из измеряемой цепи , преобразуемая в механическую энергию углового перемещения подвижной части прибора относительно неподвижной. Электромеханические измерительные приборы (ЭИП) применяют для измерения тока , напряжения , мощности , сопротивлений и других электрических величин на постоянном и переменном токах преимущественно промышленной частоты 50 Гц . Эти приборы относят к приборам прямого действия. Они состоят из электрического преобразователя , электромеханического преобразователя , отсчетного устройства (рис. 15).

Измерительная цепь. Она обеспечивает преобразование электрической измеряемой величины Х в некоторую промежуточную электрическую величину Y (ток или напряжение) , функционально связанную с измеряемой величиной Х. Величина Y непосредственно воздействует на измерительный механизм (ИМ). По характеру преобразования измерительная цепь может представлять собой совокупность элементов.

Различные измерительные цепи позволяют использовать один и тот же ИМ при измерениях разных величин : напряжения , тока , сопротивления , меняющихся в широких пределах.

Измерительный механизм является основной частью конструкции прибора и преобразует электромагнитную энергию в механическую энергию, необходимую для отклонения его подвижной части на угол α относительно неподвижной. По способу создания вращающего момента ИМ подразделяются на типы :

1. магнитоэлектрический

2. электромагнитный

3. электродинамический

4. электростатический

5. индукционный

Подвижная часть ИМ представляет собой механическую систему с одной степенью свободы относительно оси вращения. Момент количества движения равен сумме моментов , действующих на подвижную часть в соответствии с дифференциальным уравнением

,

где – момент инерции массы подвижной части , α – угол отклонения подвижной части;

–угловое ускорение, а - момент сил инерции.

На подвижную часть ИМ при её движении воздействует :

Вращающий момент Мвр , определяемый для всех ЭИП скоростью изменения энергии электромагнитного поля Wэм , сосредоточенной в механизме по углу отклонения α подвижной части.

, (56)

где n=1; 2.

Вращающий момент является некоторой функцией измеряемой величины Х, а следовательно, Y (тока, напряжения , произведения токов и т. д. ) и α . Чтобы подвижная часть не доходила всякий раз до упора при любом значении измерительной величины Х, а поворачивалась на угол , однозначно зависящий от измеряемой величины , на подвижную часть должен действовать момент , направленный навстречу вращающему и зависящий от угла поворота подвижной части , этот момент - противодействующий момент Мпр , создаваемый механическим путем с помощью спиральных пружин , растяжек , подводящих проводов и пропорциональный углу отклонения α подвижной части:

Мпр=-Wα , (57)

Где W- удельный противодействующий момент на единицу угла закручивания пружины (зависит от материала пружины и его геометрических размеров).

Момент успокоения Мусп , т. е. момент сил сопротивления движению , всегда направленный навстречу движению и пропорциональный угловой скорости отклонения :

, (58)

где Р - коэффициент успокоения (демпфирования). Подставив (56), (57), (58) в (55) получим дифференциальное уравнение отклонения подвижной части механизма:

(59)

Установившееся отклонение подвижной части ИМ определяется равенством вращающего и противодействующего моментов, т. е. Мвр= Мпр , в том случае, если два первых члена левой части дифференциального уравнения (59) равны нулю. Это равенство позволяет вывести уравнение шкалы, показывающее зависимость угла отклонения α подвижной части от значения измеряемой величины Х и параметров ИМ.

Быстрота успокоения подвижной части зависит от частотных свойств подвижной части ИМ.

Частотную характеристику системы можно получить на основе передаточной функции.

Представим (59) в операторной форме

(60)

На основании этого вспомогательного уравнения можно записать передаточную функцию ИМ в операторной форме (61)

Заменой оператора получаем комплексный коэффициент передачи ИМ

(62)

Модуль комплексного коэффициента передачи имеет вид

Если ввести обозначения : - собственная резонансная частота ИМ,- степень успокоения ,- приведенная или относительная частота изменения измеряемой величины Х, то формула (63) принимает вид(64)

График зависимости (64) дан на рис.16

Если q=0, то K=1/W

q=1, то K=1/(2βW)

q=2, β=1, то k=1/(5W)

Здесь показали режимы β<1-колебательный

β=1-критический

β>1-апериодический

Период собственных колебаний ИМ примерно 1 секунда . Следовательно отклонение подвижной части ИМ при частотах более 10Гцпрактически равна нулю. Поэтому приборы с такими ИМ применяют в цепях постоянного тока. Рабочий диапазон частот ∆q прибора , где K(q)=const , при f<1Гц.

4.1. Магнитоэлектрические измерительные приборы

Работа магнитоэлектрических ИМ основана на принципе взаимодействия катушки с током и магнитного потока постоянного магнита. Наиболее распространены ИМ с подвижной рамкой (катушкой 5) и внешним магнитом 1 (рис.18). ИМ состоит из внешнего магнита 1, магнитопровода 2, цилиндрического сердечника из магнитомягкого железа 4, полюсных наконечников 3. В воздушном зазоре между полюсными наконечниками магнита и цилиндрическим сердечником создается практически равномерное радиальное магнитное поле.

В воздушном зазоре помещается рамка 5 из тонкого изолированного медного провода, намотанного на легкий бумажный или алюминиевый каркас прямоугольной формы.

К рамке с двух сторон приклеивают алюминиевые буксы 6, в которых закрепляют полуоси 7 или растяжки. Рамка может поворачиваться вместе с осью и стрелкой 8. Измеряемый ток I пропускают в обмотку рамки через две спиральные пружины 9, создающие противодействующий момент. Для уравновешивания подвижной части служат противовесы – грузики 10. Алюминиевая стрелка и шкала образуют отсчетное устройство.

Полуоси представляют собой легкую алюминиевую трубку, в которую запрессовывают керны (стальные отрезки). Концы кернов затачивают и на конус с полусферическим закруглением. Опираются керны на агатовые подпятники 11.

Одним концом пружину противодействующего момента 9 крепят к полуоси, а другим к поводку 12 корректора . Корректор , устанавливающий на ноль стрелку 8 не включенного прибора , состоит из винта 13 с эксцентрично расположенным пальцем 14 и вилки с поводком 15. Винт корректора выводится на переднюю панель корпуса прибора, вращаясь, он двигает вилку 12, что вызывает закручивание пружины и соответственно перемещение стрелки 8. Ток в рамке создает вращающий момент

(65)

где -энергия магнитного поля системы, состоящей из постоянного магнита и рамки с током;

- поток постоянного магнита , сцепленный с обмоткой рамки , по которой протекает ток I;

В - магнитная индукция в воздушном зазоре;

S – площадь рамки или среднего витка рамки;

n – число витков обмотки рамки.

Вращающий момент ИМ с радиальным равномерным магнитным полем в воздушном зазоре не зависит от угла отклонения α подвижной части. Под действием момента подвижная часть поворачивается вокруг оси , тем самым закручивая спиральные пружины , создающие противодействующий момент. При отклонении рамки на некоторый угол α вращающий и противодействующий моменты станут равными по значению и дальнейшее отклонение рамки прекратится. Из условия равенства моментов=и из (65),(57) следует

(66)

Откуда угол отклонения подвижной части механизма

(67)

где - чувствительность измерительного механизма по току.

Из (67) следует, что отклонение α подвижной части ИМ линейно растет с увеличением тока I , т. е. шкала прибора равномерная.

Повышение чувствительности ИМ может быть достигнуто за счет увеличения индукции В в зазоре, числа витков n рамки или уменьшения удельного противодействующего момента W пружин.

При изменении направления тока I изменяется направление отклонения подвижной части ИМ;

при включении ИМ в цепь переменного тока из-за инерционности его подвижной части среднее значение вращающего момента за период переменного тока будет равен нулю.

В магнитоэлектрических ИМ успокоение подвижной части магнитоиндукционного принципа : при отклонении подвижной части в поле постоянного магнита в алюминиевом каркасе рамки , а также в витках обмотки рамки , замкнутой на некоторое внешнее сопротивление , индуцируются токи , создающее совместно с полем постоянного магнита тормозящий момент , быстро успокаивающий подвижную часть (время упокоения не более 4 секунд).

Достоинства МЭ ИМ :

1. высокая чувствительность , удается создать приборы с отклонением на всю шкалу при токе 0,01мкА(10нА);

2. большая точность;

3. высокий класс точности прибора 0,2 , 0,1 и даже 0,05;

4. очень малое потребление тока от внешней цепи ( можно снизить потребляемую мощность до , т. е. до 1нВт);

5. высокая устойчивость на воздействие внешних магнитных полей ( т. к. высока индукция в зазоре собственного магнита ).

Недостатки:

1. сложность изготовления;

2. плохая перегрузочная способность, обусловленная лёгким перегревом противодействующих пружин и изменение их упругих свойств ( отсюда изменение градуировки шкалы );

3. температурные влияния на точность измерения .

Применение магнитоэлектрических ИМ:

1. в многопредельных и широкодиапазонных амперметрах , вольтметрах для непосредственного измерения в цепях постоянного тока;

2. в гальванометрах – высокочувствительных измерительных приборах с неградуированной шкалой для измерения малых токов , напряжений менее, зарядов и для обнаружения тока и напряжения ( индикаторы нуля ) в мостовых и компенсационных цепях;

3. в аналоговых омметрах , термоэлектрических амперметрах и в комбинированных вольтметрах с выпрямительными преобразователями при измерениях переменного тока и напряжения.