Принципы построения измерительных механизмов

Измерительный механизм имеет подвижную часть, на которую действуют механические силы, зависящие от измеряемой электрической величины.

Вращающий момент. Измерительные механизмы работают на принципе преобразования электромагнитной энергии в механическую, воспринимаемую подвижной частью механизма. Механические силы и вращающий момент М_вр этих сил, действующих на подвижную часть механизма, возникают в результате взаимодействия магнитных или электрических полей, создаваемых током, напряжением, намагниченными или наэлектризованными телами.

По принципу работы измерительные механизмы классифицируются на следующие виды:

§ магнитоэлектрические (в них вращающий момент создается путем взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и контура (рамки) с током; подвижной частью может быть как рамка, так и магнит);

§ ферродинамические (вращающий момент в механизмах возникает в результате взаимодействия магнитного поля, создаваемого электромагнитом, и подвижного контура (рамки) с током);

§ электродинамические (вращающий момент в механизмах создается путем взаимодействия двух контуров (рамок) с током, один из которых – подвижный);

§ электромагнитные (в них вращающий момент создается благодаря действию магнитного поля неподвижной катушки на ферромагнитное тело, являющееся подвижной частью механизма);

§ электростатические (вращающий момент в механизмах возникает путем взаимодействия двух или нескольких заряженных тел, одно из которых является подвижной частью механизма);

§ индукционные (в них используются неподвижные контуры с переменным током, создающие переменные магнитные поля, индуктирующие токи в диске, являющемся подвижной частью механизма).

 

Противодействующий момент. Для работы измерительного механизма необходимо, чтобы каждому значению измеряемой величины и вращающего момента соответствовал только один угол поворота подвижной части. Для этого в измерительном механизме предусмотрено создание противодействующего момента М_пр, направленного навстречу вращающему моменту и являющегося функцией угла отклонения.

Установившееся отклонение. При равенстве вращающего и противодействующего моментов будет иметь место установившееся отклонение.

Противодействующий момент обычно создается механическими силами с помощью спиральных пружин рис. 3.1, а), растяжек (рис.3.1, б) или подвесов (рис.3.1, в). Противодействующий момент М_пр, создаваемый закручиванием пружинок, растяжек и подвесов, пропорционален углу закручивании а поворота подвижной части:

М_пр = W а,

где W – удельный противодействующий момент, зависящий от упругих свойств материала и геометрических размеров ленты (длины, ширины и толщины), из которой выполнена пружина.

Рис.3.1.Способы задания противодействующего момента: а – с помощью спиральных пружин: 1 – ось измерительной системы; 2 – рычаг для установки стрелки в нулевое положение; 3 – стрелка; 4 – балансирующие противовесы; 5 – спиральная пружина, создающая противодействующий момент; 6 – эксцентрик для поворота рычага 2; б – посредством растяжек; в – с помощью подвесов

Рис.3.2. Отсчетные устройства измерительных механизмов: а – обычная шкала и стрелка, имеющая копьевидный конец; б – зеркальная шкала и стрелка, содержащая ножевидный конец; в – прибор с внутренним световым отсчетом: 1 – зеркальце подвижной части; 2 и 5 – линзы; 3 и 9 – зеркала; 4 – лампа; 6 – диафрагма; 7 – шкала; 8 и 10 – зеркала

 

 

Отсчетные устройства. В измерительных механизмах в основном применяются три типа отсчетных устройств:

1) обычная шкала и стрелка, имеющая копьевидный конец (рис.3.2, а);

2) зеркальная шкала и стрелка, содержащая ножевидный конец (рис.3.2, б);

3) световой отсчет с помощью зеркальца (рис.3.2, в).

Рис.3.3. Типы успокоителей: а – воздушный крыльчатый: 1 – ножка; 2 – алюминиевая пластина; 3– камера; 4 –ось подвижной части; б – воздушный поршневой: 1 – ось подвижной части; 2 – алюминиевая пластина; 3 – камера; 4 – ножка; в – магнитоиндукционный: 1 – постоянный магнит; 2 – алюминиевая пластина; 3 – ось подвижной части.

                                          

 

                                            

На рис.3.2, в показан прибор с внутренним световым отсчетом. Луч света от лампы 4 через линзу 5, диафрагму 6, зеркал 3 и 9 и линзу 2 направлен на зеркальце 1 подвижной части, отразившись от которого, через зеркала 8 и 10 попадает на шкалу 7. На шкале получается изображение нити лампы в виде круглого светового пятна с чертой посередине.

Многократное отражение позволяет удлинить расстояние от зеркальца до шкалы и получить значительно большеи перемещение светового пятна по шкале.

Успокоители. Подвижная части механизма представляет собой массу, соединенную с упругим элементом, т.е.является колебательной системой. Для успокоения колебательной подвижной системы предусмотрены успокоители (демпферы). В измерительных механизмах применяются воздушные и магнитоиндукционные успокоители.

Воздушные успокоители обычно выполняются в виде крыльчатых (рис.3.3, а) и поршневых (рис.3.3, б) успокоителей. Крыльчатые успокоители представляют собой алюминиевую пластинку 2, перемещающуюся в камере 3 и укрепленную на ножке 1, сидящей на оси 4 подвижной части. Зазоры между крылом и камерой малы (0,3…0,5 мм), поэтому сопротивление воздуха в камере движения подвижной части велико. Аналогично работает и поршневый успокоитель.

Магнитоиндукционный успокоитель показан на рис.3.3, в. Момент успокоения создается силами взаимодействия поля постоянного магнита 1 и токов, которые индуктируются в алюминиевой пластинке 2, перемещающейся в камере. Закрепленной на оси 3 подвижной части, при ее движении в поле магнита.

4.2.Конструктивные элементы электромеханических измерительных приборов. Основные понятия и определения.

Электрические величины – напряжение, ток, сопротивление, мощность –не воспринимаются непосредственно органами чувств человека. Как же судить о работе той или иной электрической установки, как предвидеть поведение той или иной системы и определить вход параметров за допустимые границы? Для этого необходимо использовать специальные измерительные средства – электроизмерительные приборы (ЭИП). Практические любая физическая величина (перемещение, скорость, давление, температура, и др.) сравнительно сравнительно просто с помощью соответствующих преобразователей может быть преобразована в электрическую, а значит, ЭИП способны отображать поведение самой физической величины.       

В подразделение приведены методы измерения напряжения, тока, мощности и сопротивления, основные показатели электроизмерительных приборов, определены понятием их систем. В данной главе рассмотрим конструктивные схемы и принцип действия ЭИП различных систем, познакомимся со структурными схемами основных электронных приборов, методами измерения неэлектрических величин 

Измерение - это определение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Все технические средства можно подразделить на меры и измерительные приборы.

Меры служат для воспроизведения величины заданного размера(эталонные сопротивление, емкость, индуктивность).

Измерительные приборы – Это средство измерения, которое предназначено для выработки информации в форме, допустимой для непосредственного восприятия. Это может быть отклонение стрелки, положение луча осциллографа или же сигнал на соответствующие, регулирующие устройство.

Приборы, используемые для измерения электрических величин (тока, напряжения, мощности, энергии, сопротивления), называются электрическими приборами.

Измерительные приборы (ИП) подразделяться на аналоговые и цифровые.

Аналоговые ИП – это приборы, в которых показания являются непрерывной функцией измеряемой величины (стрелочные, лаповые вольтметры, электронно-лучевые и электромеханические осциллографы).

Цифровые ИП – это приборы, вырабатывающие дискретные сигналы измеряемой информации, показания которых представлены в цифровой форме.

По виду измерительной информации приборы подразделяются на следующие:

· Показывающие (допускается только отсчет показаний);

· Регистрирующие (имеет место регистрация показаний);

· Самопишущие (запись на диаграммах);

· Печатающие (запись с помощью печатанья);

· Интегрирующие (счетчик энергии).

По способу сравнения с мерой Измерительные приборы подразделяются на приборы прямого действия и приборы сравнения.

Рис.1. Магазин сопротивлений Р33

В приборе прямого действия (рис.2,а)имеет место преобразование измеряемой величины в одном направлении, схема преобразования разомкнута. Например, измеряемое напряжение X преобразуется преобразователем П1 вэлектрический ток Y 1. Этот ток в измерительном приборе преобразуется в электромагнитный момент Y 2, под действием которого подвижны элемент вместе с указателем (стрелкой) перемешается на определённый угол Y 3, пропорциональный величине напряжения X. К приборам прямого действия относиться стрелочные амперметры, вольтметры, ваттметры, омметры.

Приборы сравнения осуществляет сравнение измеряемой величины с заранее известной  (рис.2,б) Величина измеряется до тех пор, пока и соответственно угол отклонения указателя α не станут равные нулю. В этом случае 

По такому принципу работает магазин сопротивлений (рис.1)

Рис. 2. Прибор прямого действия (а) и прибор сравнения (б); П1, П2, П3- Преобразователи

Для электромеханических измерительных механизмов всех систем вращающий момент Мвр возникает при протекании тока по обмоткам механизма или при включении его под напряжение.

Под действием момента подвижная часть стремиться повернуться до упора. Если же за счет, например, пружин, растяжек создать противодействующий момент Мпр, то подвижная часть остановиться, когда Мвр=Мпр. Чем больше измеряемая величина (ток), тем больше вращающий момент Мвр и больше угол отклонения α подвижной части. При этом Мпр = α, где  – жёсткость пружины.

Приборы, в которых момент Мпр создаться не механической пружиной, а за счет электрического противодействующего момента, называется логометрами.

Логометр представляет собой совмещение двух приборов, один из которых создает вращающий момент, а второй – противодействующий. Поэтому в обозначении логометра присутствует изображение двух подвижных элементов (например,

x – магнитоэлектрический логометр).

Конструктивные элементы

Все электромеханические приборы несмотря на конструктивные отличия имеют ряд общих узлов и деталей: опоры подвижной части, отсчетные устройства, корректоры, успокоители, балансирующие нагрузки, корпусы.

Подвижная часть (рамка, магнит или стальной сердечник) может быть установлена на растяжках (рис.3,а), подвесе(рис.3,б) или кернах (рис.3,в).

Отсчетное устройство состоит из шкалы с делениями и указателя – легкой алюминиевой стрелки. В зеркальных гальванометрах роль указателя выполняет световой луч.

Корректор служит для установки указателя на нуль перед началом измерения и представляет собой винт, выведенный на переднюю панель прибора. Обычно он связан со вторым концом спиральной пружины.

Успокоитель служит для гашения колебаний подвижной части. Он может быть воздушным, жидкостным и магнитоиндукционным. В воздушном успокоители, как правило, вмести с под    

Рис.3.Виды опор подвижной части

 

Рис.4.Прибор с воздушным успокоителем:

системой в закрытой воздушной камере 1 (рис.4) перемещается легкое алюминиевое крыло 2, которое создаёт тормозящую силу. В жидкостном успокоителе между подвижной и неподвижной алюминиевыми пластинами, расстояние между которыми не более 0,1 мм, помещается капля вязкой жидкости, создающая сильное успокаивающее действие. Магнитоиндукционное успокоение основано на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с вихревыми токами, наводимыми в элементах подвижной части при её движении.                  

 

Рис.5. Передняя панель электромеханического прибора

                                                        

Балансирующие грузики предназначены для балансировки подвижной части, т.е. для совмещения её центра тяжести с осью вращения. Грузики выполняются в виде навинчивающихся цилиндров 3 (см. рис.4)

Корпус прибора служит для защиты измерительного механизма от механических воздействий. На передней панели прибора наносится ряд обозначений (рис.5)

 

 

4.4.Конструктивные схемы и принцип действия электроизмерительных приборов магнитоэлектрической и электромагнитной систем.