Часть 2 Измерительная техника

— Однако мы заговорились, дорогой Фагот, а публика начинает скучать. Покажи для начала что-нибудь простенькое.

Тема 4 ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ (ИП)

— Пардон! — Отозвался Фагот, — я извиняюсь, здесь разоблачать нечего, все ясно.

основы теории; магнитоэлектрические; электромагнитные» электродинамические;

электростатические; индукционные ИП

1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ

Назначение ИП - преобразовать входную величину (ток, напряжение, мощность) в численное значение (число делений, число мм)

Принцип действия - Измерительная цепь преобразует измеряемую величину (например, напряжение) в величину, создающую вращающий момент (например, ток).

Измерительный механизм преобразует этот ток в момент вращающий, зависящий от измеряемой величины, поворачивающий указатель (стрелку, луч света).

Измерительный механизм создает (например, пружиной) момент противодействия, зависящий от угла поворота.

Установившееся положение указателя наступит, когда моменты вращающий и противодействия равны.

Оно оценивается количественно отсчетным устройством (шкалой).

Математическая модель

Вращающий моментМ _В =М(х) (например, М _В= k х)

Момент противодействия М_ПР= М(a) (например, М_ПР= сa)

Установившееся положение указателя наступит, когда М_В= М_ПР Þ М(х)= М(a)

Например, k х = сa, Тогда

Прибор, в котором М _ПР создается не пружиной, а также, как и М _В, называется логометр.

2. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ (ИМ)

Назначение – точное измерение постоянных величин

Принцип действия – рамка с током отклоняется моментом сил взаимодействия измеряемого тока и магнитного потока.Момент противодействующий создается пружиной.

Математическая модель

Вращающий момент М _вр =BswI Противодействующий момент М_ПР= c a Þ a= BswI/c =SI.

Здесь В – индукция, Вс/м²; s -площадь рамки, м²; w –число витков; I -ток в рамке, А. c – упругость, Нм/град; S – чувствительность, град/A.

МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЛОГОМЕТР

Принцип действия

Тот же, но противодействующий момент создается не пружиной, а другой рамкой с током.

Математическая модель

Вращающий момент М _В =B ₁(a) s ₁ w ₁ I ₁

Противодействующий момент М _ПР =B ₂(a) s ₂ w ₂ I ₂

Þ a= a (I₁/I₂) –угол отклонения стрелки есть функция отношения токов в рамках.

Особенности

· большая чувствительность,

· малое собственное потребление мощности,

· способность измерять только постоянную составляющую тока.

 

3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ

Назначение – измерение постоянных и переменных электрических величин

Принцип действия – Ферромагнитный якорь втягивается в катушку, по которой протекает измеряемый ток. Противодействующий момент создается пружиной.

Математическая модель

Вращающий момент М _вр =kI ²

Противодействующий момент М_ПР= c a Þ a= a (I ²) – угол отклонения стрелки есть функция квадрата измеряемого тока. Равномерную шкалу получают выбором формы якоря.

 

МВ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ЛОГОМЕТР

Принцип действия

Катушки создают вращающий и противодействующий моменты, зависящие от тока и угла поворота.

Математическая модель

М _В= М _В(I _B,a), М _ПР= М _ПР(I_ПР,a)

a = a(I _B/ I _ПР)

Особенности электромагнитных ИП

· сравнительно низкая чувствительность,

· большое собственное потребление мощности,

· способность измерять переменные и постоянные величины.

· высокая надежность

4.ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ

Назначение – измерение постоянных и переменных величин

Принцип действия – вращающий момент обусловлен силами взаимодействия тока подвижной катушки с током неподвижной. Момент противодействия создает пружина.

Математическая модель

Вращающий момент M =k I ₁ I ₂cosj

Þ Противодействующий момент М_ПР= c a

Þ a º I ₁ I ₂cosj (º - знак «пропорционально»)

здесь j - угол сдвига фаз между токами I ₁ и I ₂ при измерении переменных величин.

 

ЛОГОМЕТРЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ

имеют две подвижные катушки, отклонение стрелки пропорционально отношению токов через подвижные катушки и сдвигу фаз между ними.

Особенности электродинамических ИМ-

· высокая точность на постоянном и переменном токах, это наиболее точный прибор для измерения переменных величин;

· большое собственное потребление мощности.

 

5. ФЕРРОДИНАМИЧЕСКИЙ ИМ

То же, что электродинамический, но неподвижные катушки имеют магнитопровод, позволяющий увеличить магнитный поток при том же измеряемом токе.

 

6. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ИМ

Назначение – измерение напряжения постоянного и переменного

Принцип действия

Вращающий момент обусловлен электрическим полем, созданным между электродами измеряемым напряжением. Момент противодействия – пружиной.

Математическая модель

Вращающий момент M _В= kU ²

Противодействующий момент М _ПР = c a.

Þ a= a (U ²) – угол отклонения стрелки есть функция квадрата измеряемого напряжения.

Равномерную шкалу получают выбором формы электродов.

Особенности

· чувствительность мала

· собственное потребление мощности на постоянном токе отсутствует, на переменном мало.

 

7. ИНДУКЦИОННЫЙ ИМ

Назначение – измерение электрической энергии

Принцип действия

Вращающий момент обусловлен взаимодействием тока в диске, индуктированного обмоткой напряжения, с магнитным потоком обмотки тока.

Противодействующий момент создается постоянным магнитом.

Математическая модель

Вращающий момент M _В=kUIcosj= P

Противодействующий момент М _ПР = c da/dt

M _В= М _ПР Þ a = (k/c)ò Pdt = (k/c)W

Погрешность счетчика d=D_w/W=(C_н-С)/C

С_н и С – номинальная и действительная постоянные счетчика (кВт-ч/оборот диска)

Особенности

o компенсация сопротивления механизма дополнительным моментом, не зависящим

от измеряемой величины.

o при напряжении, отличающемся от номинального, возможно вращение диска при отсутствии тока - «самоход». Его не должно быть при напряжениях 0,8¸1,1U_н

Принцип действия к.з. кольцо создает составляющую магнитного потока, отстающую по фазе. В результате в диске возникает момент, не зависящий от мощности, а только от напряжения. Этот момент компенсирует сопротивления механизма.

 

КЛАССИКА (избранное из учебников)

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Общие сведения. Электромеханический прибор включает в себя измерительную цепь, измерительный механизм и отсчетное устройство.

Измерительная цепь служит для преобразования измеряемой электрической величины в другую электрическую величину, непо­средственно воздействующую на измерительный механизм.

Из­мерительный механизм преобразует электрическую величину в угол поворота подвижной части.

Отсчетное устройство служит для визуального отсчитывания значений измеряемой величины в зависимости от угла поворота подвижной части.

Несмотря на различие приборов с различными измерительными механизмами, имеется ряд деталей и узлов, общих для всех электромеханических приборов.

Корпус прибора защищает прибор от внешних воздействий, например, от попадания в него пыли.

Отсчетное устройство электромеханического прибора состоит из шкалы и указателя.

Шкала прибора обычно представляет собой пластину, на которой нанесены отметки, соответствующие определенным значениям измеряемой величины.

Указатель представляет собой перемещающуюся вдоль шка­лы стрелку, жестко скрепленную с подвижной частью измери­тельного механизма прибора. В качестве указателя применяют также световой луч, отраженный от зеркальца, укрепленного на оси подвижной части. Луч света попадает на шкалу и образует на ней световое пятно, например, с темной нитью посередине. При повороте подвижной части световой указатель перемещается по шкале.

Крепление подвижной части осуществляется с помощью опор, растяжек или подвеса.

Опоры состоят из кернов и подпят­ников.

Керны представляют собой отрезки стальной проволоки, заточенные с одной стороны на конус.

Подпятники имеют вид цилиндра с коническим углублением по оси. Они чаще всего изготовляются из агата или корунда. Керны, укрепленные на подвижной части по оси вращения, входят в углубления подпят­ников, расположенные на неподвижной части. Недостаток уста­новки на опорах — трение, которое вызывает погрешность.

Подвижная часть может быть подвешена на двух растяжках, представляющих собой упругие металлические ленты, прикреп­ляемые одним концом к подвижной части, а другим — к непо­движным деталям прибора. В случае необходимости растяжки могут быть использованы и для подвода тока в обмотку подвиж­ной части.

Подвешивание подвижной части на подвесе применяется в приборах высокой чувствительности — гальванометрах. Под­вес — тонкая, упругая лента. Приборы, в которых применен под­вес, требуют установки по уровню, поскольку подвижная часть висит свободно и отклонение положения прибора от вертикально­го может вызвать ее касание с неподвижной частью.

Необходимая степень успокоения (требуемое время успокое­ния) достигается в приборах путем применения устройств, назы­ваемых успокоителями. Применяют магнитоиндукционные, жид­костные и воздушные успокоители. Магнитоиндукционное успо­коение создается при движении металлических деталей подвиж­ной части в магнитном поле. Момент успокоения возникает в результате взаимодействия магнитных полей и наводимых то­ков, возникающих в движущихся металлических деталях.

Магнитоиндукционный успокоитель состоит из постоянного магнита и перемещающейся в его рабочем зазоре металлической пластины (из алюминия), укрепленной на подвижной части. Роль успо­коителя может играть также короткозамкнутый виток подвижной части, перемещающийся в поле магнита.

Жидкостное успокоение достигается тем, что подвижная часть измерительного механизма или ее отдельные детали поме­щаются в вязкую жидкость. Поэтому при колебаниях подвижной части расходуется энергия колебаний подвижной части, т. е. со­здается необходимое успокоение. В осциллографических гальва­нометрах с жидкостным успокоением в жидкость помещают либо всю подвижную часть, либо только часть растяжки.

Воздушный успокоитель состоит из камеры и находящейся внутри нее пластины, скрепленной с подвижной частью. При колебаниях подвижной части в камере создается разность давле­ний по обе стороны пластины. Эта разность давлений препятству­ет свободному перемещению подвижной части и вызывает ее успокоение.

Для установки указателя на требуемую отметку в электроме­ханических приборах применяют устройство, называемое коррек­тором. Корректор содержит винт, укрепленный на корпусе прибора, поворачивая который, можно закручивать пружинки, растяж­ки или подвес и тем самым поворачивать подвижную часть прибора и устанавливать указатель на требуемую отметку.

Некоторые приборы снабжают арретиром — устройством, за­тормаживающим подвижную часть прибора.

На каждый прибор наносят условные обозначения. Как пра­вило, на приборе обозначают: единицу измеряемой величины, класс точности, род тока, используемое положение прибора (го­ризонтальное или под углом), если это положение имеет значе­ние. На шкале прибора указывают также условное обозначение типа измерительного механизма.