Электромеханические приборы

Для измерения напряжения и силы тока широко применяются электромеханические приборы.

Общим термином «электромеханические приборы» обозначают средства измерений, структурная схема которых представлена на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Структурная схема электромеханических приборов

Схема включает в себя измерительную схему (ИС) или измерительную цепь, измерительный механизм (ИМ) и отсчетное устройство (ОУ). К электромеханической группе принадлежат измерительные приборы, например, 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.

Измерительная схема представляет собой совокупность сопротивлений, индуктивностей, емкостей и иных элементов электрической цепи прибора и имеет своей основной задачей преобразовать измеряемую физическую величину X в некоторую новую величину Y, под воздействием которой происходит перемещение a подвижной части измерительного механизма, отсчитываемое с помощью отсчетного устройства. Таким образом, если выполняется зависимость a = f (X), 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 a. 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 a 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 рис. 2.4 и представляет собой ось 1 со стрелкой 2, вращающуюся в подпятниках 3. Возможный угол поворота стрелки ограничен упорами 4; шкала прибора – 5.

Рис. 2.4. Подвижная часть механизма электромеханического прибора

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

. (4.1)

Чтобы каждому значению измеряемой величины X соответствовало определенное отклонение стрелки a, необходимо уравновесить вращающий момент M_вр противодействующим моментом M_пр, 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

, (4.2)

где k_пр – коэффициент противодействия, зависящий от свойств материала и размеров пружинки. При совместном воздействии вращающего и противодействующего моментов положение равновесия, т.е. установившееся отклонение стрелки определяется из условия M_вр = M_пр. Учитывая (4.1) и (4.2), получим

. (4.3)

Решение этого уравнения представляет собой градуировочную характеристику прибора. Из (4.3) следует, что характер градуировочной характеристики определяется видом функциональной зависимости (4.1).

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 k_усп – 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.