Общие узлы и детали приборов.

II. Измерение электрических величин аналоговыми приборами

Как было указано выше, аналоговыми измерительными приборами называют приборы, показания которых являются непрерывными функциями изменений измеряемых величин. Эти приборы отличаются относительной простотой, дешевизной, высокой надежностью, разнообразием применения, высокой точностью и представляют собой важнейшую группу технических средств электрических измерений.

По методу преобразования аналоговые приборы делятся на приборы:

- прямого преобразования (реализуется метод непосредственной оценки);

- компенсационные (реализуется метод сравнения с мерой);

Электромеханические измерительные приборы являются приборами прямого преобразования.

Электромеханические измерительные приборы.

Принцип действия

Электромеханический прибор со­стоит из двух основных частей: измерительной цепи и измеритель­ного механизма.

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

В измерительном механизме, состоящем из подвижной и неподвижной частей, электромагнитная энергия преобразуется в механическую энергию перемещения под­вижной части относительно неподвижной. По способу преобразования электромагнитной энергии, подводимой к прибору, в механическую энергию перемещения под­вижной части, т.е. по способу создания вращающего момента, электромеханические приборы разделяются на сле­дующие основные группы:

- магнитоэлектрические;

- электромагнитные;

- электродинамические;

- электростатические;

- индукционные.

Поскольку обычно применяется угло­вое перемещение, то в дальнейшем будут рассматриваться не силы, действую­щие в приборе, а моменты.

На основании второго закона Ньютона запишем для подвижной части изме­рительного механизма уравнение для вращающихся тел, учитывающее наиболее важные моменты, действующие на подвижную часть:

(1.1)

где

- момент сил инерции;

J— момент инерции подвижной части;

α - угол поворота подвижной части;

t — время;

М_ВР — вращающий момент;

М_ПР — противодействующий момент;

М_УСП — момент успокоения.

Вращающий момент возникает и однозначно определяется измеряемой вели­чиной х, то есть М_ВР = F(x).

Для электромеханических приборов, в которых действуют силы электромаг­нитного поля, М_ВР определяется из общего уравнения динамики системы

(1.2)

где W_ЭМ — энергия электромагнитного поля, которая поступает от измеряемого объекта и создает вращающий момент, вызывающий поворот подвижной части прибора.

Если бы повороту подвижной части ничего не препятствовало, то она при любом значении измеряемой величины, отличном от нуля, повернулась бы до упора. Для того чтобы угол поворота а зави­сел от измеряемой величины, в приборе создается противодействующий момент М_ПР, направленный навстречу вращающему моменту. Этот момент увеличивается при увеличении угла поворота подвижной части и в определенный момент времени в системе возникает динамическое равновесие М_ВР = М_ПР. При этом каждому определенному значению измеряемой величи­ны будет соответствовать определенный угол поворота подвижной части.

По способу создания противодействующего момента приборы делятся на две группы:

а) с механическим противодействующим моментом.

В приборах этой группы противодействующий момент создается с помощью упругого элемента, который при повороте подвижной части закручивается. При этом зна­чение М_ПР определяется из выражения

M_ПР = -W·α (1.3)

где W — удельный противодействующий момент, зависящий от свойств упругого элемента. В таких измерительных механизмах угол α определяется электриче­ской величиной, создающей вращающий момент (электрический ток, напряже­ние, их произведение и т. д.).

б) с электрическим противодействующим моментом — логометры.

В логометрах противодействующий момент создается тем же путем, что и вращающий момент, т.е. за счет электромагнитной энергии измеряемой величины согласно формуле (1.2).

При перемещении подвижной части на нее, кроме указанных моментов, дей­ствуют динамические моменты:

- момент сил инерции;

(1.4)

- момент успокоения, пропорциональный угловой скорости движения подвижной части ,

где Р — коэффициент успокоения. Знак «минус» показывает, что момент успо­коения, так же как и противодействующий, направлен навстречу вращающему моменту. Задачей М_УСП является обеспечение плавного и неколебательного движе­ния подвижной части измерительного механизма. От него в значительной степе­ни зависит важный эксплуатационный параметр прибора — время успокоения.

Если выражения (1.3) и (1.4) подставить в уравнение (1.1) и перенести в ле­вую часть, то получится дифференциальное уравнение второго порядка с посто­янными коэффициентами, описывающее движение подвижной части измери­тельного механизма:

(1.5)

Общие узлы и детали приборов.

Несмотря на то, что электромеханические приборы существенно различаются по своему устройству, имеется ряд деталей и узлов, общих для всех таких приборов.

Корпус прибора защищает измерительный механизм от внешних воздействий (механических повреждений, пыли, в отдельных случаях — воды и газов) и чаще всего выполняется из пластмассы.

Отсчетное устройство служит для определения числового значения измеряемой величины, состоящее из шкалы и указателя. Шкала прибора обычно представляет собой пластину белого цвета, на которую нанесены отметки, соответствующие определенным значениям измеряемой величины и условные обозначения. На шкалу также наносят единицу измерения измеряемой величины, класс точности прибора, род тока, товарный знак предприятия-изготовителя, заводской номер, год изготовления, испытательное напряжение изоляции, используемое положение прибора, символ, указывающий принцип действия прибора.

Указатели применяются стрелочные и световые. В первом случае стрелка, жестко соединенная с подвижной частью измерительного механизма и перемещается над шкалой прибора. При световом способе отсчета на оси подвижной части закрепляется зеркальце, освещаемое специальным осветителем; отраженный от зеркальца световой луч попадает на шкалу и образует на ней световое пятно с темной нитью посередине. Применение светового указателя увеличивает чувствительность прибора, поскольку при этом масса и момент инерции подвижной части существенно уменьшаются, кроме того, меняя расстояние между шкалой и осью подвижной части, можно сделать длину луча довольно большой, что при одном и том же угловом перемещении увеличивает линейное перемещение.

Крепление подвижной части выполняется с помощью опор, растяжек или подвеса. Эти элементы создают противодействующий момент.

Опоры состоят из кернов и подпятников. Керны представляют собой отрезки стальной проволоки, заточенные с одной стороны в виде конуса. Подпятники имеют форму цилиндра с коническим углублением по оси. Чаще всего они изготавливаются из агата или корунда. Закрепленные на подвижной части по оси вращения керны входят в углубления подпятников, расположенных на неподвижной части. Основной недостаток данного способа крепления — трение при вращении, которое приводит к погрешности измерения.

В более чувствительных приборах, например, гальваномет­рах иногда применяют подвесы или растяжки. Подвес обычно представляет собой упругую металлическую ленту 1, на которой свободно подвешена подвижная система прибора 2 (рис. 1.1, а). В таких приборах применяется световой отсчет, и они требуют установки по уровню, поскольку даже небольшое отклонение положения прибора от вертикального вызывает появление дополнительной погрешности измерения. Ток к подвижной части подводится посредством безмоментных токоподводов.

Растяжки 1 представляющих собой упругие металлические ленты, прикрепляемые одним концом к подвижной части, а другим — к неподвижной., но в приборе их две и они имеют предварительное натяжение (рис. 1.1, б). При создании натяжения ленты поддерживают подвижную часть, а при ее повороте закручиваются, создавая противодействующий момент. Растяжки изготавливаются из специальных сортов бронзы. При необходимости растяжки могут использоваться и для подвода тока к обмотке подвижной части.

Рис. 1.1 Схемы крепления подвижной части измерительных механизмов

а) –c помощью подвесов; б) с помощью растяжек.

Необходимая степень успокоения достигается с помощью специальных устройств, называемых демпферами или успокоителями. Применяют магнитоиндукционные, жидкостные и воздушные успокоители.

В магнитоиндукционных успокоителях (рис.1.2, б) демп­фирующий момент создается силами взаимодействия между полем постоянного магнита 1 и вихревыми токами, наводимы­ми этим полем в металлическом диске 2 при его движении. Магнитоиндукционный успокоитель прост конструктивно и применяется в тех случаях, когда поле тормозного магнита не влияет на показания прибора.

В воздушном успокоителе (рис. 1.2, а) демпфирующий момент создается за счет торможения легкого поршенька 2, жестко связанного с подвижной частью прибора и двигающегося внутри закрытой камеры 1. При вращении оси поршень перемещается внутри камеры, в результате чего по обе ее стороны создается разность давлений. Это препятствует свободному перемещению подвижной части и вызывает ее успокоение. Воздушные успокоители не содержат источников электромагнитных полей, что является их достоинством по сравнению с магнитоиндукционными.

Рис. 1.2 Воздушный (а) и магнитоиндукционный (б) успокоители

Жидкостное успокоение достигается тем, что подвижная часть измерительного механизма или ее фрагмент помещаются в вязкую жидкость. При движении подвижной части энергия расходуется на преодоление трения, возникающего между слоями жидкости, вследствие чего и создается необходимое успокоение. Основное достоинство жидкостного успокоения состоит в том, что оно оказывает тормозящее действие при движении подвижной части во всех направлениях, что используется для повышения вибростойкости приборов.

Для установки указателя на требуемую отметку шкалы (например, на ноль) в электромеханических приборах применяют устройство, называемое корректором. Основным элементом корректора является винт, расположенный на корпусе прибора. При его повороте происходит закручивание пружины, растяжек или подвеса, что перемещает подвижную часть и дает возможность установить указатель на нужную отметку шкалы.

Некоторые высокочувствительные приборы снабжены арретиром -устройством для закрепления подвижной части измерительного механизма в неподвижном положении, что необходимо при переноске, транспортировке или хранении. Арретирование осуществляется механическим или электрическим путями. Во втором случае происходит замыкание накоротко обмотки подвижной части.