Аналоговые электромеханические измерительные приборы

Лекция № 11

ТЕМА ЛЕКЦИИ

 

Цель лекции – изучить основы устройства, достоинства и недостатки измерительных приборов различных типов

 

 

План лекции:

 

1 Общие сведения

2 Типы измерительных механизмов

 

Рекомендуемая литература

 

1. А.Г. Сергеев, М.В. Латышев, В.В. Терегеря. Метрология, стандартизация и сертификация. Стр. 13-37.

2. А.С. Сигов, В.И. Нефедов. Метрология, стандартизация и технические измерения. Стр. 14-41

 

 

Вводная часть

 

В целях повышения психологического настроя студентов на восприятие данной дисциплины в начале каждой лекции целесообразно проводить короткий опрос по материалу предыдущей лекции.

Вопросы для контроля:

а) Что понимается под средством измерения?

б) Перечислите виды средств измерений.

в) Назовите разновидности мер.

Требовать от отвечающих студентов представления перед ответом по форме: «Студент Сергеев. Группа ЭП – 1 – 04». Оценки заносить в журнал преподавателя.

После опроса объявить тему и цель лекции.

 

 

Основная часть

 

1. Общие сведения

 

В аналоговых электромеханических измерительных прибо­рах непосредственной оценки электромагнитная энергия, подве­денная к прибору непосредственно из измеряемой цепи, преобра­зуется в механическую энергию углового перемещения подвижной части 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 (измерительной цепи), электро­механического преобразователя (измерительного механизма), отсчетного устройства.

ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ. Обеспечивает преобразование электрической измеряемой величины Xв некоторую промежуточную электриче­скую величину Y(ток или напряжение), функционально связан­ную с измеряемой величиной X. Величина Y непосредственно воз­действует на ИМ.

По характеру преобразования измерительная цепь может пред­ставлять собой совокупность элементов (резисторов, конденсаторов, выпрямителей, термопар и др.). Различные измерительные цепи позволяют использовать один и тот же ИМ при измерениях напря­жения, тока, сопротивления, меняющихся в широких пределах. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ. Являясь основной частью конструкции прибора, он преобразует электромагнитную энергию в механиче­скую, необходимую для отклонения на угол ά его подвижной час­ти относительно неподвижной, т. е.

 

ά = f(Y) = F(X).

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

Дифференциальное уравнение моментов, описывающее рабо­ту ИМ, имеет вид

J(d²α/dt²) =∑М, (10.1)

 

где J — момент инерции подвижной части ИМ; α — угол откло­нения подвижной части; d²α/dt² — угловое ускорение.

На подвижную часть ИМ при ее движении воздействуют:

● вращающий момент М, определяемый для всех ЗИП скоро­стью изменения энергии электромагнитного поля и w э, сосредото­ченной в механизме, по углу отклонения α подвижной части. Вращающий момент является некоторой функцией измеряемой величины X, а следовательно, Y (тока, напряжения, произведе­ния токов) и а:

M = (dwэ/da) = f(a)Y ª (10.2)

где a = 1, 2;

 

● противодействующий момент М_а, создаваемый механиче­ским путем с помощью спиральных пружин, растяжек, подводя­щих проводов и пропорциональный углу отклонения а подвиж­ной части:

 

М_а = -Wа, (10.3)

 

где W — удельный противодействующий момент на единицу уг­ла закручивания пружины (зависит от материала пружины и ее геометрических размеров);

● момент успокоения М _усп, т. е. момент сил сопротивления дви­жению, всегда направленный навстречу движению и пропорци­ональный угловой скорости отклонения:

 

М _усп = - Р(dα/dt) (10.4)

 

 

Где Р — коэффициент успокоения (демпфирования). Подставив (10.2)—(10.4) в (10.1), получим дифференциальное урав­нение отклонения подвижной части механизма:

J(d²α/dt²) + Р(dα/dt) + Wа = М, (10.5)

 

Установившееся отклонение подвижной части ИМ определя­ется равенством вращающего и противодействующего моментов,

 

.т. е. М = М_л, в том случае, если два первых члена левой части дифференциального уравнения (10.5) равны нулю. Подставив в ра­венство М = М_а аналитические выражения моментов, получим уравнение шкалы прибора, показывающее зависимость угла отклонения подвижной части от значения измеряемой величины и параметров ИМ.

В зависимости от способа преобразования электромагнитной энергии в механическое угловое перемещение подвижной части ИМ электромеханические приборы делят на магнитоэлектриче­ские, электродинамические, ферродинамические, электромагнит­ные и др.

ОТСЧЕТНОЕ УСТРОЙСТВО АНАЛОГОВЫХ ЗИП. 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.

Так как ЗИП 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.

УЗЛЫИ 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.

 

 

2. Типы измерительных механизмов

 

Работа магнитоэлектрических ИМ основана на принципе взаимодействия катушки с током и магнитного потока постоян­ного магнита. Один из взаимодействующих элементов — под­вижный — катушка (рамка) с током или постоянный магнит. Наиболее распространены ИМ с подвижной рамкой и внешним магнитом. ИМ состоит из внешнего магнита, магнито-провода и цилиндрического сердечника. Внешний магнит из­готовляют из магнитотвердого, а цилиндрический сердечник — из магнитомягкого материалов. В воздушном зазоре между по­люсными наконечниками магнита и подвижным цилиндриче­ским сердечником создается практически равномерное радиаль­ное магнитное поле. В воздушном зазоре помещается рамка из тонкого изолированного медного провода, намотанного на лег­кий бумажный или алюминиевый каркас прямоугольной формы. К рамке с двух сторон приклеивают алюминиевые буксы, в кото­рых закрепляют полуоси или растяжки. Рамка может поворачи­ваться вместе с осью и стрелкой вокруг цилиндрического сер­дечника. Измеряемый ток пропускают в обмотку рамки через две спиральные пружины, создающие противодействующий момент. Для уравновешивания подвижной части служат проти­вовесы — грузики. Алюминиевая стрелка и шкала образуют отсчетное устройство.

При изменении направления тока меняется направление отклонения подвижной части ИМ; при включении ИМ в цепь переменного тока из-за инерционности его подвижной части среднее значение вращающего момента за период будет равно нулю.

В магнитоэлектрических ИМ успокоение подвижной части ин- дукционное и электромагнитное. 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, создающие совместно с полем постоянного магнита тормозной момент, быстро успокаивающий подвижную часть.

Достоинства магнитоэлектрических ИМ: высокая чувствительность (ИМ обладает сильным собственным магнитным полем, поэтому даже при малых токах создается достаточный вращающий момент); большая точность (из-за высокой стабильности элементов ИМ, незначительного влияния внешних магнитных полей); незначительное влияние на режим измеряемой цепи, так как мощность потребления ИМ мала; хорошее успокоение; рав­номерность шкалы.

Недостатки ИМ: сложность изготовления; плохая перегру­зочная способность, обусловленная легким перегревом пружин и изменением их свойств; температурные влияния на точность из­мерения.

Магнитоэлектрические ИМ применяют:

● в многопредельных, широко диапазонных магнитоэлектриче­ских амперметрах, вольтметрах для непосредственных измерений в цепях постоянного тока;

● в гальванометрах — высокочувствительных измерительных приборах с неградуированной шкалой как для непосредственных измерений малых электрических токов 10~^5-10~¹² А, напряжений менее 10~⁴ В, зарядов, так и для обнаружения тока или напряже­ния в разнообразных мостовых и компенсационных цепях;

● в светолучевых осциллографах (вибраторах) при наблюдении и записи мгновенных значений тока, напряжения, мощности, частота которых может быть от единиц герц до 10—15 кГц, а также различ­ных неэлектрических величин, преобразованных в электрические;

● в аналоговых омметрах, электронных вольтметрах, термоэлект­рических амперметрах, вольтметрах, электронных частотомерах, фазометрах;

● в комбинированных аналоговых вольтметрах, в которых маг­нитоэлектрические ИМ совместно с выпрямительными преобра­зователями используются при измерениях переменного тока, на­пряжения;

● в логометрах (двухрамочных механизмах), используемых в омметрах, частотомерах и т. д.

 

Измерительные механизмы электродинамических приборов основаны на принципе взаимодействия магнитных по­токов двух катушек, по которым протекают токи. Измерительные механизмы состоят из пары неподвиж­ных катушек (круглой или прямо­угольной формы), соединенных после­довательно. Внутри этих катушек на оси находится бескаркасная подвиж­ная катушка (рамка). Для подвода тока в подвижную катушку и создания противодействующего момента приме­няют спиральные пружины.

Чтобы получить вращающий мо­мент, используют электромагнит­ную энергию системы из двух кату­шек, по которым протекают постоян­ные токи.

Достоинства электродинамических ИМ — высокая точность и возможность использования их в цепях постоянного и перемен­ного токов.

Недостатки— малая чувствительность, влияние внешних магнитных полей на показания ИМ (слабое собственное магнит­ное поле), большая мощность потребления, ограниченный час­тотный диапазон (до 1,5 кГц).

Электродинамические ИМ используют в амперметрах, вольт­метрах, ваттметрах при лабораторных измерениях в цепях посто­янного и переменного токов промышленной частоты.

Для уменьшения влияния внешних магнитных полей на по­казания приборов применяют магнитное экранирование измери­тельного механизма, или астазирование. При астатическом ис­полнении имеются два измерительных механизма с общей осью. Собственные магнитные поля ИМ направлены в противополож­ные стороны. Внешнее равномерное магнитное поле, усиливая поле одного измерительного механизма на какое-то значение, на это же значение ослабляет поле другого, но не изменяет их сум­марного вращающего момента.

 

В электромагнитных ИМ для создания вращающе­го момента используют действие магнитного поля катушки с током на подвижный пермаллоевый лепесток, эксцентрично насаженный на оси прибора. Противодействующий момент со­здается спиральной пружиной. При прохождении по непо­движной плоской катушке измеряемого тока возникает магнит­ное поле, которое, воздействуя на лепесток, стремится располо­жить его так, чтобы энергия магнитного поля была наибольшей, т. е. втянуть лепесток внутрь катушки. Подвижная часть ИМ по­ворачивается до тех пор, пока вращающий момент не станет рав­ным противодействующему моменту.

Достоинства электромагнитных приборов — простота и на­дежность, хорошая перегрузочная способность и одинаковая при­годность для измерений в цепях постоянного и переменного то­ков.

Недостатки— большое собственное потребление энергии, невысокая точность (при измерениях в цепях постоянного тока сказывается явление гистерезиса в ферромагнитном лепестке), малая чувствительность, влияние внешних магнитных полей из-за слабого собственного магнитного поля.

Электромагнитные приборы применяют в качестве измерите­лей тока и напряжения преимущественно в цепях переменного тока промышленной частоты в виде щитовых приборов классов 1,0 и 1,5 и многопредельных лабораторных классов 0,5 и 1,0. Ис­пользование их в цепях повышенной и высокой частот недопус­тимо из-за больших дополнительных частотных погрешностей.

Принцип работы электростатических измерительных прибо­ров основан на взаимодействии электрически заряженных элект­родов, разделенных диэлектриком. Конструктивно электростати­ческие приборы представляют собой разновидность плоского конденсатора, так как в результате перемещения подвижной час­ти изменяется емкость системы. Практическое применение на­шли приборы с поверхностным механизмом (изменение емкости осуществляется за счет изменения активной площади электро­дов) и с линейным механизмом (изменение емкости осуществля­ется за счет изменения расстояния между электродами).

Достоинства электростатических приборов — высокое вход­ное сопротивление; малая, но переменная входная емкость; малая мощность потребления; возможность использования в цепи как постоянного, так и переменного токов; широкий частотный диа­пазон; независимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения. Показания прибора соответствуют среднеквадратическому значению измеряемого напряжения.

Недостатки — квадратичная шкала; малая чувствительность из-за слабого собственного электрического поля; невысокая точ­ность; возможность пробоя между электродами; необходимость экрана.

Электростатические вольтметры применяют для измерения в цепях с маломощными источниками и при лабораторных иссле­дованиях в цепях высокого напряжения. В совокупности с элек­тронными усилителями их используют как высокочувствитель­ные электрометры и вольтметры переменного тока.

Логометры — приборы электромеханической группы, изме­ряющие отношение двух электрических величин Y1 и Y₂:

а = F(Y1/Y2) ª,

где a — коэффициент, зависящий от системы ИМ.

Особенность логометров заключается в том, что вращающий и противодействующий моменты в них создаются электрическим путем, поэтому логометр имеет два воспринимающих элемента, на которые воздействуют величины, составляющие измеряемое отношение. Направления величин Y1 и Y₂ должны выбираться та­кими, чтобы моменты, действующие на подвижную часть, были направлены навстречу друг другу, при этом подвижная часть будет поворачиваться под действием большего момента. Для выпол­нения этих условий моменты должны по-разному зависеть от угла отклонения подвижной части прибора.

Источниками погрешности логометра служат неидентичное выполнение двух воспринимающих элементов, особенно при на­личии ферромагнитных материалов; наличие в логометре допол­нительных моментов (от трения в опорах, безмоментных подводок, неуравновешенности подвижной части).

Присутствие дополнительного момента делает показа­ния логометра зависящими от побочных факторов (например, на­пряжения). Поэтому на шкале логометра указывают рабочий диапазон напряжения, в пределах которого градуировка шкалы справедлива. Верхний предел напряжения оп­ределяется максимальной мощностью, выделяемой в цепях логометра, а нижний величиной дополнительного момента. Стрелка невключенного логометра из-за от­сутствия механического противодействую­щего момента занимает безразличное поло­жение.

 

3. Заключительная часть

 

Общие замечания, контроль присутствия.