Электромехаические измерительные приборы

Электромеханические измерительные приборы отличаются простотой, дешевизной, высокой надежностью, разнообразием применения, относительно высокой точностью.

Любой ЭИП состоит из ряда функциональных преобразователей, каждый из которых решает свою элементарную задачу в цепи преобразований. (вольтметр, амперметр) состоит из трех основных преобразователей: измерительной цепи (ИЦ), измерительного механизма (ИМ)и отсчетного устройства (ОУ) (рис. 2.1).

Измерительная цепь обеспечивает преобразование электрической измеряемой величины X в промежуточную электрическую величину Y (ток или напряжение), функционально связанную с измеряемой величиной и непосредственно воздействующую на измерительный механизм.

Измерительный механизм является электромеханическим пре- образователем, осуществляющим преобразование электрической величины Y в наглядное аналоговое показание α.

На магнитном воздействии электрического тока основаны: магнитоэлектрический, электромагнитный, индукционный, электродинамический и вибрационный ИМ; на тепловом воздействии электрического тока — биметаллический и тепловой ИМ. На взаимодействии заряженных электродов, находящихся под напряжением, основан принцип работы электростатического ИМ.

Отсчетное устройство состоит из указателя, жестко связанного с подвижной частью ИМ, и неподвижной шкалы. Указатели бывают стрелочные (механические) и световые. Шкала — совокупность отметок в виде штрихов, расположенных вдоль линии,по которым определяют числовое значение измеряемой величины. Шкалы градуируют в единицах измеряемой величины (именованная шкала), либо в делениях (неименованная шкала).

В общем случае на подвижную часть ИМ при ее движении воз-действуют вращающий момент М_вр, моменты: противодействующий М_пр и успокоения М_усп.

Вращающий момент для ИМ, использующих силы электромагнитного поля,

М_вр = dWм/dα, (2.1)

где dW _M — изменение запаса энергии магнитного поля; α — угол отклонения подвижной части.

Противодействующий момент в электромеханических приборах необходим для создания соответствия измеряемой величины определенному углу отклонения подвижной части. В аналоговых электромеханических приборах противодействующий момент со-здается либо при помощи спиральных пружин (растяжек и под-весов), либо за счет энергии электромагнитного поля (в лого-метрах). В случае, когда противодействующий момент создается спиральной пружинкой,

где W — удельный противодействующий момент, зависящий от геометрических размеров и материала пружины (растяжек).

Момент успокоения является моментом сил сопротивления дви-жению, направлен всегда навстречу движению подвижной части ИМ и пропорционален угловой скорости отклонения:

где Р — коэффициент успокоения (демпфирования).

В ИМ наиболее часто применяют магнитоиндукционные и воздушные успокоители, а для создания очень большого успокоения — жидкостные успокоители.

Несмотря на большое разнообразие конструкций и типов приборов все они имеют ряд общих узлов и деталей. Такими деталями являются: корпус, шкала, указатель, устройства для установки и уравновешивания подвижной части, создания противодействующего момента и успокоения, корректор и в высокочувствительных приборах — арретир.

Магнитоэлектрические приборы.Магнитоэлектрические приборы (МЭП) состоят из измерительной цепи, измерительного механизма и отсчетного устройства (см. рис. 2.1). Конструктивно измерительный механизм может быть выполнен либо с подвижным магнитом, либо с подвижной катушкой. На рис. 2.2 показана конструкция прибора с подвижной катушкой. Постоянный магнит 1, магнитопровод с полюсными наконечниками 2 и неподвижный сердечник 3составляют магнитную систему механизма. В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником создаётся сильное равномерное радиальное магнитное поле, в котором находится подвижная прямоугольная катушка 9 намотанная медным или алюминиевым проводом на алюминиевый каркас (применяют и бескаркасные рамки). Катушка (рамка) может поворачиваться в зазоре на полуосях 4 и 10. Спиральные пружины 5 и 6 создают противодействующий момент и используются для подачи измеряемого тока от выходных зажимов прибора в рамку (механические и электрические соединения на рисунке не показаны).Рамка жестко соединена со стрелкой 8. Для балансировки подвижной части имеются передвижные грузики 7.

Выражение для вращающего момента магнитоэлектрического прибора можно получить из (2.1). Запас электромагнитной энергии в контуре с током I, находящимся в поле постоянного магнита,

где ψ — полное потокосцепление данного контура с магнитным полем постоянного магнита.

Тогда

Полное изменение потокосцепления с рамкой через конструк-тивные параметры рамки

где В — индукция в зазоре; S — площадь рамки; ω — число витков рамки.

Если положить dα = 1 рад, то произведение BSω — величина постоянная для каждого данного прибора, равная изменению по-токосцепления при повороте рамки на 1 рад. Обозначая его через ψ ₀, запишем ψ ₀ = BSω [Вб/рад]. Тогда

d ψ = ψ ₀ dα. (2.6)

Подставляя (2.6) в (2.5), получим выражение вращающего момента для магнитоэлектрического механизма в следующем виде:

Установившееся положение подвижной части ИМ наступает при равенстве вращающего и противодействующего моментов Мвр= Мпр, т.е. с учетом (2.2) запишем . Следовательно, функция пре-образования для магнитоэлектрического ИМ имеет вид

где чувствительность измерительного механизма по току, рад/А.

Можно записать (2.8) через конструктивные параметры изме-рительного механизма:

Из (2.9) следует, что угол отклонения подвижной части ИМ прямо пропорционален току в катушке, поэтому магнитоэлектрические приборы имеют равномерные шкалы.

В магнитоэлектрических приборах успокоение подвижной части магнитоиндукционное, т.е. создается взаимодействием магнитных полей от вихревых токов в каркасе катушки и поля постоянного магнита.

Достоинства: высокий класс точности — 0,05 и ниже, равно-мерная шкала, высокая и стабильная чувствительность, малое соб-ственное потребление мощности, большой диапазон измерений, на показания МЭП не влияют внешние магнитные и электрические поля.

Недостатки: без преобразователей МЭП используют только в цепях постоянного тока, имеют малую нагрузочную способность, сложны и дороги, на их показания влияют колебания температуры.

Применение: магнитоэлектрические ИМ используют в амперметрах, вольтметрах, гальванометрах (обычных, баллистических и вибрационных) и омметрах.

2 Амперметры магнитоэлектрической системы (МЭС).

Магнитоэлектрический ИМ, включенный в электрическую цепь последовательно с нагрузкой, позволяет измерять силу тока порядка 20...50 мА. Для расширения пределов измерения используют шунты (манганиновый резистор), сопротивление которых мало зависит от температуры. Сопротивление шунта R_ш меньше сопротивления прибора R_пр и выбирается из соотношения:

R_ш = Rпр/(n-1), (2-10)

где n = I/Iпр — коэффициент шунтирования по току; I — из-меряемая сила тока; I_пр — допустимое значение силы тока рамки прибора.

Шунты

Для расширения пределов измерения измерителей по току приме-няются шунты, представляющие собой резистор, параллельно которому подключается рамка (или катушка) измерителя (рис. 2-10, а).Сопротивление шунта определяется по формуле

Где R_ш — сопротивление шунта; r_и — сопротивление рамки (катушки)измерителя; I_и — ток полного отклонения измерителя; I_ш — ток шунта; n = Iпр/Iи — коэффициент расширения пределов измерения;Iир — рассчитываемый предел измерения амперметра.

Рассчитанное сопротивление шунта должно быть обеспечено между приборными зажимами шунта а и б. В измеряемую цепь амперметр включают токовыми зажимами Т. Подключение измерителя к токовым зажимам приводит к резкому возрастанию погрешностей измерения и может вывести измеритель из строя, так как из-за возможного плохого контакта провода цепи с шунтом через обмотку измерителя может пойти ток, многократно превышающий ток полного отклонения измерителя.

Наряду с однопредельными амперметрами, выполняемыми по схеме на рис. 2-10, а, широко применяют многопредельные амперметры, рис. 2-10, б, в.

Шунты амперметра по схеме рис. 2-10, б рассчитываются по формуле (2-13). Переключение пределов измерения таких амперметров можно делать или безобрывным переключателем, или обычным — после обесточивания измеряемой цепи, иначе возможны многократная перегрузка измерителя и перегорание его рамки (катушки) или токоподводящих пружин.

Многопредельный универсальный шунт (рис. 2-10, в) позволяет переключать пределы измерения без разрыва контролируемой цепи. Сопротивления его резисторов рассчитывают на основании формулы

^гД^е Iпрi — i-й предел измерения; R_шi-—суммарное сопротивление резисторов, включенных непосредственно между входными зажимами амперметра на i-м пределе измерения; R_дi- — суммарное сопротивление резисторов, включенных последовательно с рамкой (катушкой) измерителя на i-м пределе измерения; R —общее сопротивление контура «измеритель—резисторы».

Для схемы на рис. 2-10, в:Rш1 = R1 + R2 + R3 и Rд1 = 0 на первом пределе измерения; Rш2 = R2 + R3 и Rд2 = R1 – на втором; Rш3 = R3 и Rд3 = R2 + R1 – на третьем.

Рассмотренный способ расширения пределов измерения амперме-тров на практике осуществляется при помощи внутренних и наружных шунтов.

Шунты, помещаемые внутри корпуса амперметра, называются внутренними. К этой группе относятся шунты, монтируемые на задней наружной стенке корпуса прибора и представляющие с прибором общую конструкцию.

Шунты, монтируемые вне корпуса прибора, называются наружными и подразделяются на индивидуальные и взаимозаменяемые (калибро-ванные). Индивидуальные шунты применяются только с теми прибо-рами, с которыми они непосредственно градуируются. В настоящее время приборы с индивидуальными шунтами не изготовляются, так как подгонка шунтов при массовом выпуске приборов затруднительна. Взаимозаменяемые калиброванные шунты пригодны для подключения к любому прибору с номинальным падением напряжения на его зажимах, равным номинальному падению напряжения на шунте.

Взаимозаменяемые калиброванные шунты изготовляются с номи-нальным падением напряжения 60 и 75 мВ. В эксплуатации находятся также шунты со следующими номинальными падениями напряжения: 30, 45, 100, 150, 200 и 300 мВ. Номинальное падение напряжения вместе с номинальной величиной тока указывается на шунте, например «75 мВ 500 А».

Наружные шунты обычно присоединяются к приборам двумя ка- либрованными проводниками, общее сопротивление которых равно 0,035 Ом.

По точности шунты разделяются на классы: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2 и 0,5.

Класс точности показывает допустимое отклонение сопротивления шунта от номинального значения, выраженное в процентах.

На приборах, предназначенных для работы с взаимозаменяемым калиброванным шунтом, делается надпись, например «С нар. Шунтом 75 mV'».

В любительских условиях часто приходится изготовлять индиви-дуальные шунты под имеющиеся измерители или амперметры. Для шунтов используется манганин круглого или прямоугольного сече-ния. Подгонка нужного сопротивления шунта производится при гра-дуировке амперметра методом последовательного уменьшения сечения шунта надфилем (увеличение сопротивления шунта с целью увеличе-ния отсчета прибора) или напаиванием олова на поверхность шунта (уменьшение сопротивления шунта).

Шунты миллиамперметров могут иметь значительное сопротивление и поэтому выполняются из сравнительно тонкого манганинового провода или могут быть непроволочными.

Вольтметры. Магнитоэлектрический механизм, включенный параллельно нагрузке, может использоваться в качестве милливольтметра.

Для расширения пределов измерения по напряжению последовательно с ИМ включают добавочный резистор Rд, сопротивление которого больше сопротивления R_пр:

Rд = R_пр (m-1). (2/11)

где m = U/U_np — коэффициент шунтирования по напряжению.