Магнитоэлектрические приборы. Принцип действия м/э измерительного механизма с механическим противодействующим моментом.

Общие сведения об электромеханических приборах. Структурная схема. Моменты, действующие в приборе. Классификация измерительных механизмов и приборов на их основе (кратко).

Электромеханические приборы

Под действием измеряемой величины возникает электрическая энергия, которая преобразуется в механическую энергию поворота подвижной части (стрелки, например). В результате получается угол поворота α или, реже, длина линейного перемещения X_ПЕР . В результате получается показания X_П.

ОУ POУ

ИМ PИМ

ИЦ PИЦ

Y* α

X? X_П

q, заряд редко, X_ПЕР

Обозначения:

ИЦ – измерительная цепь; P_ИЦ – параметры измерительной цепи

ИМ – измерительный механизм; P_ИМ – параметры измерительного механизма

ОУ – отсчетное устройство; P_ОУ – параметры отсчётного устройства

ИЦ`ами чаще всего являются делители напряжений, шунты и т.д.

В идеале зависимость показаний и измеряемой величины должна быть такая

X_П = F(X)

т.е. однозначная зависимость.

А на деле всё оказывается совсем по-другому

X_П = F(X, P_ИЦ , P_ИМ, P_ОУ)

Погрешность из-за них

Разумеется при P_ij = var, то появляется погрешность.

Что можно сделать, чтобы этого избежать:

Зафиксировать параметры P_ij = const, что очень трудно

Оставить параметры в покое P_ij = var, но ввести схемы компенсации (от частоты, от температуры, от внешнего напряжения)

Электромеханические приборы не требуют внешнего источника питания, питаясь от самой измеряемой величины, подаваемой на вход. Они простые, дешевые, незатратные, и так далее другие преимущества. Измерительные механизмы отличаются конструкцией, а значит и возможностями. Зарисуем диаграммы, которые закрепляются на передней панели устройства и объясняющие, что делает прибор.

1) А) 6)

Б)

2)

7)

3)

8.1)

4) 8.2)

8.3)

5)

Магнитоэлектрические приборы. Принцип действия м/э измерительного механизма с механическим противодействующим моментом.

Шкала прибора

0 100 Указующая стрелка

В

Подвижная катушка

Постоянный Спиральная Неподвижный (или рамка с током)

магнит пружина сердечник

Ток к подвижной катушке (на рис.) подводится через две спиральные пружины (на рис.), основным назначением которых является создание противодействующего момента. Вторая пружина на данном рисунке находится за площадью чертежа (причина очевидна: рисунок двухмерный, а прибор – трёхмерный). Внутренний конец пружины крепится на оси, проходящей через центр сердечника (на рисунке – горизонтальная линия, разделяющая рисунок на две половины), а внешний – на неподвижной части механизма.

Постоянный магнит (на рис.), являющийся источником магнитного поля, полюсные наконечники (на рис.) и сердечник (на рис.), проводящие магнитный поток, образуют так называемую магнитную систему прибора. Цилиндрическая форма сердечника и расточки полюсных наконечников, а также их концентрическое расположение обеспечивают равномерное радиальное поле в зазоре, т.е. в любой точке рабочего зазора индукция магнитного поля B – величина постоянная. Воздушный зазор имеет радиальную длину от одного до двух миллиметров.

В воздушном зазоре располагается подвижная катушка прямоугольной формы. Она свободно охватывает сердечник и крепится на нём. Обмотка катушки – это медный или алюминиевый провод.

Энергия механизма в данном случае состоит из трёх составляющих, а именно из энергии магнита, энергии катушки и энергии взаимодействия магнита и катушки. В создании вращающего момента участвует только третья составляющая, так как первые две не зависят от угла поворота катушки (а следовательно и стрелки) α, а третья составляющая зависит от него. Например, при горизонтальном расположении катушки поле ПМов не проникает в катушку, а при её вертикальном расположении поле ПМов полностью пронизывает катушку.

При наличии тока i в подвижной катушке энергия электромагнитного поля, сцепляющегося с катушкой, т.е. энергия взаимодействия, определяется выражением

где Ψ – потокосцепление подвижной катушки, Ψ = B*s*w*α ; B – индукция магнитного поля в воздушном зазоре; s – площадь катушки; w – число витков обмотки катушки; α – угол поворота.

Мгновенный вращающий момент определяется выражением

Если говорить, что ток синусоидальный (i=I_m*sin(𝝎*t))? То вращающий момент . При этом в соответствии с формулой для АЧХ подвижной части электромеханического прибора (коим и является исследуемый):

причём - отношение колебаний

работа механизма зависит от соотношений частоты тока 𝝎 и частоты собственных колебаний подвижной части механизма 𝝎₀ . У подобных механизмом период собственных колебаний составляет примерно одну секунду (𝝎₀ = 6, 28 с^-1). Следовательно, отклонение подвижной части измерительного механизма при частоте тока более 10 Гц практически равно нулю. В диапазоне частот до 10 герц подвижная часть колеблется с частотой входного тока, причём амплитуда колебаний зависит от частоты. Поэтому приборы с такими измерительными механизмами применяются в цепях постоянного тока. При протекании через катушку постоянного тока I мгновенный вращающий момент

Если есть момент вращения, то должен быть и момент противодействия. И вот когда они компенсируют друг друга – система находится в равновесии и можно снимать какие-то ни было показания. Противодействующий момент

где W – удельный противодействующий момент, зависящий от свойств упругого элемента.

Уравновесим систему: момент вращения равен моменту противодействия:

Откуда легко можно вывести

Чувствительность

где α – угол поворота стрелки, выходная величина; I – ток в рамке, входная величина; S_I – чувствительность

Из предпоследнего выражения следует, что при постоянной индукции B в зазоре угол отклонения подвижной катушки пропорционален току в катушке, а знак угла отклонения меняется при изменении направления тока.

Прибор, из-за постоянства чувствительности, имеет равномерную шкалу:

ΔI ΔI ΔI

0 1 2 3 4 5 6 А

Итак, подытожим: был изучен высокочувствительный, измеряющий токи от 10^-16 ампер до единиц ампер, измерительный прибор, который является полярным, то есть необходимо строго соблюдать полярность: «плюс» и «минус» и работающий только на постоянном токе.