Электромеханические приборы

Для измерения напряжения и силы тока широко применяются элек­тромеханические приборы. Общим термином электромеханические при­боры обозначают средства измерений, структурная схема которых пред­ставлена на рисунке 4. Эта схема включает в себя измерительную схему ИС, измерительный механизм ИМ и отсчетное устройство ОУ. К элек­тромеханической группе принадлежат измерительные приборы магни­тоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, электроста­тической и индукционной систем. Приборы этих систем часто входят в состав и других, более сложных, средств измерений. По физическому принципу, положенному в основу построения и конструктивному испол­нению, эти приборы относятся к группе аналоговых средств измерения, т.е. средств измерения, показания которых являются непрерывной функ­цией измеряемой величины.

Измерительная схема представляет собой совокупность сопротивлений, индуктивностей, емкостей и иных элементов электрической цепи прибора и имеет своей основной задачей преобразовать измеряемую физическую ве­личину в некоторую новую величину , под воздействием которой проис­ходит перемещение подвижной части измерительного механизма, отсчитываемое с помощью отсчетного устройства. Таким образом, если выполняется зависимость , то прибор может быть проградуирован в единицах измеряемой величины. Понятно, что для этого необхо­димо, чтобы каждому значению измеряемой величины соответствовало одно, и только одно, определенное отклоне­ние . Не менее важно, чтобы параметры схемы и измерительного механизма не изме­нялись при изменении внешних условий, на­пример, температуры окружающей среды, частоты питающего схему тока и других факторов.

В большинстве электромеханичес­ких приборов выходным перемещени­ем является угловое перемещение стрелки. Реже встречаются конструк­ции приборов с линейным перемеще­нием указателя. Рассмотрим работу электромеханического прибора с уг­ловым перемещением стрелки. Под­вижная часть измерительного меха­низма с угловым перемещением изо­бражена на рисунке 5 и представляет собой ось 1 со стрелкой 2, вращаю­щуюся в подпятниках 3. Возможный угол поворота стрелки ограничен упорами 4; шкала прибора – 5.

При подаче на вход измерительной схемы прибора измеряемой ве­личины возникает вращающий момент, описываемый выражением:

. (1)

Чтобы каждому значению измеряемой величины соответствовало определенное отклонение стрелки необходимо уравновесить вращаю­щий момент противодействующим моментом , противополож­ным вращающему и возрастающим по мере увеличения угла поворота подвижной части.

В большинстве электроизмерительных приборов про­тиводействующий момент создается плоской спиральной пружинкой 6, для которой справедливо соотношение:

, (2)

где – коэффициент, зависящий от свойств материала и размеров пружинки. При совместном воздействии вращающего и противодейст­вующего моментов положение равновесия, т.е. установившееся отклоне­ние стрелки, определяется из условия . Учитывая (1) и (2), получим:

. (3)

Решение этого уравнения представляет собой градуировочную ха­рактеристику прибора. Из (3) следует, что характер градуировочной характеристики определяется видом функциональной зависимости (2).

Подвижная часть измерительного механизма представляет собой ко­лебательную систему. Для того чтобы в процессе достижения устано­вившегося положения стрелка прибора не испытывала слишком долгих колебаний в электромеханических приборах, применяются успокоители, создающие момент успокоения, пропорциональный скорости перемеще­ния стрелки:

,

где – коэффициент успокоения.

Различают воздушные, жидкостные и магнитоиндукционные успо­коители. В воздушных и жидкостных успокоителях успокоение достига­ется торможением специального элемента подвижной части (лепестка, поршня) за счет трения о воздух или жидкость.

В магнитоиндукционных успокоителях торможение осуществляется за счет взаимодействия магнитных полей магнита и токов, индуцированных в проводящих элементах подвижной части при их движении в поле этого маг­нита.

Наиболее распространенными в практике технических измерений являются электромеханические приборы магнитоэлектрической и элек­тромагнитной систем.

Приборы магнитоэлектрической системы. Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы основан на использовании взаимодействия поля постоянного магнита и катушки (рамки), по ко­торой протекает ток.

Устройство прибора схематически изображено на рисунке 5. Между полюсами постоянного магнита NS с помощью полюсных наконечников 3 и цилиндриче­ского сердечника 2 создается воздушный зазор такой формы, что силовые линии магнитного поля при любом положении рамки 1 перпендикулярны ее проводникам.

Сила, действующая на одну сторону рамки в маг­нитном поле (рисунок 6), определяется законом Ампера: ,где – ток в проводниках рамки, – длина той части стороны рамки, которая находится в магнитном поле (активная длина), – магнитная индукция в воздуш­ном зазоре, – число витков рамки.

На другую сторону рамки действует такая же сила, но противоположно направлен­ная.

Момент сил определяется как произведение силы на плечо. Следовательно, , где –ширина рамки, – пло­щадь рамки.

Значения , , для каждого прибора постоянны, поэтому последнюю формулу можно записать в виде , где – постоянный коэффициент.

Ток к рамке подводится через две спиральные пружины, которые одновременно служат для создания противодействующего момента. Момент, создаваемый пружиной, пропорционален углу закручивания, по­этому , где – постоянный коэффициент, – угол поворота рамки (равный углу закручивания пружины).

Учитывая, что в момент отсчета, когда стрелка неподвижна, , получаем . Из этого равенства находим

.

Таким образом, угол поворота рамки и стрелки-указателя пропорционален току, т.е. прибор может быть отградуирован как амперметр.

На основании закона Ома имеем , где – напряжение на зажимах прибора, – электри­ческое сопротивление рамки прибора.

После подстановки получаем:

.

Поскольку отношение для данного прибора – величина постоянная, последнее выражение показы­вает, что прибор может быть отградуирован как вольтметр.

Демпфирующий момент в магнитоэлектрических приборах создается за счет вихревых токов, возни­кающих в алюминиевом каркасе рамки при перемеще­ниях подвижной системы.

Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры являются основными измерительными приборами в цепях постоянного тока.

Приборы магнитоэлектрический системы обладают высокими точностью и чувствительностью, малым собственным потреблением энергии. Они имеют равно­мерную шкалу (угол отклонения стрелки пропорцио­нален току), их показания почти не зависят от влия­ния внешних магнитных полей. Основной недостаток этих приборов – невозможность измерений в цепях переменного тока.

Для измерений в цепях переменного тока магнито­электрические приборы включают через выпрямители. Высокочувствительный магнитоэлектрический прибор, соединенный с выпрямительной схемой, называют при­бором выпрямительной системы. Выпрямительные эле­менты (диоды) монтируют в корпусе прибора и обес­печивают одно- или двухполупериодное выпрямление переменного тока.

Приборы выпрямительной системы находят широ­кое применение. Обычно их изготовляют комбиниро­ванными, т.е. предназначенными для измерения тока, напряжения, сопротивления в цепях постоянного и переменного тока с различными пределами измерения.

Выпрямительные схемы вносят дополнительные по­грешности в измерения, поэтому класс точности прибо­ров выпрямительной системы относительно невысок и обычно составляет 1,5–2,5.

Приборы электромагнитной системы. В основе работы приборов электромагнитной систе­мы лежит принцип механического взаимодействия магнитного поля и ферромагнитного материала.

Устройство прибора схематически изображено на рисунке 7. Сердечник 3 из магнитомягкого (для умень­шения потерь на гистерезис) материала втягивается в катушку 1 при прохождении тока по ее обмотке. Противодействующий момент создается пружиной 2. Демпфирование осуществляется воздушным демпфе­ром 4, представляющим собой гильзу, в которой может перемещаться легкий поршень, связанный со стрелкой.

Вращающий момент пропорционален квадрату тока, так как магнитные поля катушки и сердечника создаются одним и тем же измеряемым током, про­ходящим по катушке:

;

Последнее выражение показывает, что угол откло­нения стрелки пропорционален квадрату тока или напряжения. Шкала прибора квадратичная, сжатая вначале.

Приборы электромагнитной системы широко применяют для измерений в цепях постоянного и перемен­ного токов. Они просты и надежны, обладают высокой перегрузочной способностью и механической прочностью. Однако этим приборам при­сущ ряд недостатков, основ­ными из которых являются низкая чувствительность, невысокая точность, значительное собственное потребление энергии, неравномерность шкалы, влияние внешних магнитных полей на показа­ния приборов.

Приборы электродинамической системы. Приборы электродинамической системы основаны на принципе механического взаимодействия проводни­ков, по которым проходит ток.

Устройство прибора поясняется рисунке 8. Катушка 2 неподвижна, катушка 3 помещается на оси и может поворачиваться вместе с закрепленной на ней стрел­кой. Ток к подвижной катушке подводится с помощью пружин 1, которые одновременно служат для создания противодействующего момента. Успокоение подвижной системы осуществляется воздушным демпфером 4.

Амперметры и вольтметры электродинамической системы имеют квадратичную шкалу.

Широко распространены электродинамические ват­тметры – приборы для изме­рения электрической мощ­ности в цепях постоянного и переменного токов. Элект­родинамические ваттметры имеют равномерную шкалу.

Основное достоинство приборов электродинамиче­ской системы – большая точность измерений в цепях постоянного и переменного тока. К недостаткам этих приборов следует отнести значительное собственное потребление энергии и под­верженность воздействию внешних магнитных полей.

Разновидностью приборов электродинамической системы являются ферродинамические приборы, у ко­торых для повышения вращающего момента магнит­ный поток неподвижной катушки создается в спе­циальном магнитопроводе.

Конструкция ферродинамического прибора анало­гична конструкции прибора магнитоэлектрической системы, у которого постоянный магнит заменен элект­ромагнитом. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод ферродинамического прибора изготов­ляют из тонких листов электротехнической стали или прессуют из ферромагнитного порошка с электроизо­ляционным наполнителем.

Ферромагнитный сердечник вносит дополнительные погрешности в измерения, однако, применение высоко­качественных материалов и совершенной технологии изготовления позволяет получить ферродинамические ваттметры класса точности 0,2.

Существенным недостатком приборов ферродинамической системы является зависимость их параметров от частоты измеряемого тока.

Кроме рассмотренных выше систем существует еще целый ряд других систем. Например, электростатическая система, в осно­ве которой лежит взаимодействие двух систем заряженных проводников, одна из которых является подвижной; индукционная система, в основе которой лежит взаимодействие магнитных по­токов электромагнитов и вихревых токов, индуцированных маг­нитными потоками в подвижной части, выполненной в виде алюминиевого диска; тепловая система, основанная на изменении длины проводника, по которой протекает измеряемый ток.

Термоэлектрические приборы используются для измерения токов в диапазоне высоких частот. Термоэлектрический прибор состоит из термоэлектрического преобразова­теля и прибора магнитоэлек­трической системы. Простейший тер­мопреобразователь (рисунок 9) содер­жит нагреватель Н, по которому протекает измеряемый ток и связанную с ним термопару ТП. Рабочий спай термопары а находится в тепловом контакте с нагревателем. Нагреватель представляет собой тонкую проволоку из сплава с высоким удельным сопротивлением (нихром, манганин). Еще более тонкие проволочки из термоэлектродных материалов применяют для изготовления термопары. При прохождении измеряемого тока через нагреватель место контакта нагревателя и тер­мопары нагревается до температуры а холодный спай b остается при температуре окружающей среды . В установившемся тепловом режиме мощность, выделяемая в нагревателе и мощность, рассеиваемая на­гревателем в окружающую среду , равны. Если учесть, что:

, а ,

где – коэффициент теплоотдачи от нагревателя к окружающей сре­де, – площадь теплоотдающей поверхности нагревателя, – перегрев рабочего спая термопары над температурой окружающей среды ( ), – сопротивление нагревателя, то:

.

При перегреве рабочего спая термопары на величину в цепи тер­мопары возникает термоэлектродвижущая сила:

,

где – коэффициент пропорциональности.

Таким образом, при прохождении измеряемого тока через нагрева­тель в цепи магнитоэлектрического прибора возникает постоянный ток – пропорциональный квадрату среднего квадратического значения из­меряемого тока.

,

где – сопротивление магнитоэлектрического прибора.

Так как действие прибора основано на тепловом действии тока, то понятно, что магнитоэлектрический прибор с термоэлектрическим пре­образователем измеряет среднее квадратическое значение переменного тока любой формы. Шкала термоэлектрического прибора близка к квадратичной.

Термоэлектрические преобразователи разделяются на контактные (рисунок 9) и бесконтактные (рисунок 10). В контактном преобразова­теле имеется гальваническая связь между нагревателем и термопарой, т.е. между входной и выходной цепями, что не всегда допустимо. В бес­контактном преобразователе нагреватель отделен от термопары изоля­тором из стекла или керамики, либо воздушной прослойкой.

Термоэлектрические приборы получили распространение преимуще­ственно для измерения токов. В качестве вольтметров они практически не применяются, так как их входное сопротивление чрезвычайно мало.

К достоинствам приборов термоэлектрической системы можно отнести высокую чувствительность к измеряемому току, широкий диапазон частот, а также возможность измерения средних квадратических значений токов про­извольной формы. Недостатком термоэлектрических приборов является не­равномерность шкалы, зависимость показаний от температуры окружаю­щей среды и большая инерционность термопреобразователей. Термоэлек­трические приборы очень чувствительны к перегрузкам.

В зависимости от назначения термоэлектрические приборы имеют различные пределы измерения (от 1 мА до 50 А), классы точности (от 1,0 до 2,5) и частотный диапазон (от 45 Гц до сотен мегагерц).