Электромеханические приборы
По физическому принципу, положенному в основу построения и конструктивному исполнению, эти приборы относятся к группе аналоговых средств измерения, показания которых являются непрерывной функцией измеряемой величины.
Электромеханические приборы непосредственной оценки измеряемой величины представляют класс приборов аналогового типа, обладающих рядом положительных свойств: просты по устройству и в эксплуатации, обладают высокой надежностью и на переменном токе реагируют на среднее квадратическое значение напряжения. Последнее обстоятельство позволяет измерять наиболее информативные параметры сигнала без методических ошибок. Электромеханические измерительные приборы строят по обобщенной структурной схеме, показанной на рис, 5.2.
Рис. 5.2. Структурная схема электромеханического прибора
Измерительная схема электромеханического прибора состоит из совокупности сопротивлений, индуктивностей, емкостей и других элементов электрической цепи прибора и осуществляет количественное или качественное преобразование входной величины х: в электрическую величинух', на которую реагирует измерительный механизм. Последний преобразует электрическую величину х' в механическое угловое или линейное перемещение α, значение которого отражается на шкале отсчетного устройства, проградуированной в единицах измеряемой величины N(x).Для этого необходимо чтобы каждому значению измеряемой величины соответствовало одно и только одно определенное отклонение α. При этом параметры схемы и измерительного механизма не должны меняться при изменении внешних условий: температуры окружающей среды, частоты питающей сети и других факторов.
Классификацию электромеханических приборов производят на основании типа измерительного механизма. Наиболее распространенными в практике радиотехнических измерений являются следующие системы: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая, электростатическая.
Условное обозначение типа измерительной системы наносится на шкале прибора или средства измерения.
Данные измерительные системы представлены в табл. 5.2, где приведены также формулы передаточной функции (уравнения шкалы) измерительного механизма и ряд его технических характеристик.
В добавление к помещенным в табл. 5.2 сведениям и рисункам сделаем следующие пояснения.
Наименование системы, функциональная схема | Уравнение шкалы, применение | Частотный диапазон, потребление мощности, класс точности |
Магнитоэлектрическая: 1 - рамка с измеряемым током и стрелкой; 2 - неподвижный сердечник; 3 - полюсные наконечники 4 - возвратная пружина | где Ψ0= BSω ; В - индукция в зазоре; S - площадь рамки; ω - число витков рамки; W- удельный противодействующий момент, создаваемый пружиной В основном, используются как: Переносные, лабораторные, многопредельные амперметры, вольтметры постоянного тока | Постоянный ток Класс точности 0,05...0,5 Рсо6 ≈10-5...10-4Вт |
Электромагнитная | L - индуктивность катушки В основном, используются как: Щитовые и лабораторные переносные низкочастотные амперметры; вольтметры | F=0...5 кГц Класс точности 0,5...2,5 Рсо6 ≈1…6 Вт |
Электродинамическая 1 - неподвижная катушка 2 подвижная катушка | где θ - угол между токами; М - коэффициент взаимной индуктивности катушек В основном, используются как: Лабораторные приборы низкочастотные высокого класса точности | F=0...5кГц Класс точности 0,1.:. 0,2 Рсо6 ≈1 Вт |
Электростатическая | С - емкость между пластинами В основном, используются как: Высокочастотные лабораторные и высоковольтные вольтметры | F=0...30 MГц Класс точности 0,5...1,5 Рсо6 < 1 мВт |
Таблица 2. Электромеханические приборы
Магнитоэлектрическая система. В этой системе измерительный механизм состоит из проволочной рамки с протекающим в ней током, помещенной в поле постоянного магнита (магнитопровода). Поле в зазоре, где находится рамка, равномерно за счет особой конфигурации магнитопровода. Под воздействием тока I рамка вращается в магнитном поле, угол поворота α ограничивают специальной пружиной, поэтому передаточная функция (часто называемая уравнением шкалы) линейна:
где Ψ0 — удельное потокосцепление, определяемое параметрами рамки и магнитной индукцией; W — удельный противодействующий момент, создаваемый специальной пружиной.
На основе магнитоэлектрического механизма создаются вольтметры, амперметры, миллиамперметры и другие измерительные приборы, и их структурное построение главным образом определяется измерительной схемой. Измерительные приборы магнитоэлектрической системы имеют достаточно высокую точность, сравнительно малое потребление энергии из измерительной цепи, высокую чувствительность, но работают лишь на постоянном токе.
Для расширения пределов измерения токов амперметрами и напряжений вольтметрами применяют шунты и добавочные сопротивления, которые включают соответственно параллельно и последовательно индикаторам в схемы этих приборов.
Гальванометры. Особую группу измерителей тока составляют высокочувствительные магнитоэлектрические приборы — нуль-индикаторы, схемы сравнения, или указатели равновесия, называемые гальванометрами. Их задача показать наличие или отсутствие тока в цепи, поэтому они работают в начальной точке шкалы и должны обладать большой чувствительностью. Гальванометры снабжают условной шкалой и не нормируют по классам точности.
Чувствительность гальванометров выражается в мм или делениях (например, Si≈109 мм/А). Такая высокая чувствительность достигается за счет особой конструкции прибора.
Поскольку чувствительность гальванометров очень высока, их градуировочная характеристика нестабильна и зависит от совокупности внешних влияющих факторов. Поэтому при выпуске на производстве чувствительные гальванометры не градуируют в единицах измеряемой физической величины и им не присваивают классы точности. В качестве же метрологических характеристик гальванометров обычно указывают их чувствительность к току или напряжению и сопротивление рамки.
Современные гальванометры позволяют измерять токи 10-5...10-12 А и напряжения до 10-4 В.
Электромагнитная система. Принцип действия электромагнитной системы основан на взаимодействии катушки с ферромагнитным сердечником. Ферромагнитный сердечник втягивается в катушку при любой полярности протекающего по ней тока. Это обусловлено тем, что ферромагнетик располагается в магнитном поле катушки так, что поле усиливается. Следовательно, прибор электромагнитной системы может работать на переменном токе. Однако электромагнитные приборы являются все-таки низкочастотны- ми, так как с ростом частоты сильно возрастает индуктивное сопротивление катушки.
Достоинствами приборов электромагнитной системы являются простота конструкции, способность выдерживать значительные перегрузки, возможность градуировки приборов, предназначенных для измерений в цепях переменного тока, на постоянном токе. К недостаткам приборов этой системы можно отнести большое собственное потребление энергии, невысокую точность, малую чувствительность и сильное влияние магнитных полей.
На практике применяют амперметры электромагнитной системы с пределами измерения от долей ампера до 200 А, и вольтметры — от долей вольта до сотен вольт.
Приборы электромагнитной системы применяют в основном как щито|вые амперметры и вольтметры переменного тока промышленной частоты. Класс точности щитовых приборов 1,5 и 2,5. В некоторых случаях они используются для измерений на повышенных частотах: амперметры до 8000 Гц, вольтметры до 400 Гц.
Пример 1.Класс точности большинства электромеханических приборов обозначен одной цифрой ±р. Покажем, как пользоваться указанным значением класса точности на примере задачи.
При измерении напряжения сети вольтметром электромагнитной системы класса точности 1,5 со шкалой, максимальное значение которой UN=300 В (номинальное значение), показания прибора составляли 220 В. Чему в действительности может быть равна измеренная величина напряжения?
Решение. Полагая, что наибольшая приведенная основная погрешность составляет р = ± 1,5 %, определяем допускаемую абсолютную погрешность:
Следовательно, истинное значение измеряемого напряжения лежит в границах: (220 - 4,5) В < иист < (220 + 4,5) В. Данное неравенство указывает на то, что истинное значение не может отклоняться от измеренного на величину более, чем ±4,5В. В действительности это отклонение, как правило, оказывается меньшим, так как при установлении класса точности учитывается наихудшая комбинация факторов влияющих на инструментальную погрешность прибора.
Электродинамическая система — измерительный механизм содержит две измерительные катушки: неподвижную и подвижную. Принцип действия основан на взаимодействии катушек, электромагнитные поля которых взаимодействуют в соответствии с формулой:
где Мвр — вращающий момент; I1 — ток через неподвижную катушку; I2 — ток через подвижную катушку; θ — фазовый сдвиг между синусоидальными токами; М— коэффициент взаимной индуктивности катушек.
На основе электродинамического механизма в зависимости от схемы соединения обмоток могут выполняться вольтметры, амперметры, ваттметры. Достоинством электродинамических вольтметров и амперметров является высокая точность на переменном токе. Предел основной приведенной погрешности может быть 0,1...0,2 %, что является наилучшим достижимым показателем для измерительных приборов переменного тока. По другим показателям электродинамические приборы близки к электромагнитным. Электродинамические приборы используются как образцовые лабораторные измерительные приборы.
Электростатические приборы —принцип действия электростатического механизма основан на взаимодействии электрически заряженных проводников. Подвижная алюминиевая пластина, закрепленная вместе со стрелкой, перемещается, взаимодействуя с неподвижной пластиной. Ограничение движения (как и в других электромеханических системах) осуществляется за счет пружинки. Электростатические приборы по принципу действия механизма являются вольтметрами. Достоинства этих приборов: широкий частотный диапазон (до 30 МГц) и малая мощность, потребляемая из измерительной цепи. Приборы измеряют среднее квадратическое значение напряжения.
Дата добавления: 2016-03-15; просмотров: 8919;