ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Лекция №5. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ

Электромеханические приборы применяют для измерения тока, напряжения, мощности, сопротивления и других электрических величин в цепях постоянного и переменного тока низкой частоты. Широко используют их в качестве выходных устройств приборов для измерения магнитных величин, параметров радиотехнических сигналов, характеристик электрических цепей.

Электромеханические приборы, как правило, состоят из простейшей схемы преобразования измеряемой величины и измерительного механизма.

Электромеханические приборы классифицируют по принципу действия, степени точности и т. д. Основой их является измерительный механизм (ИМ), имеющий неподвижную и подвижную части, а также отсчетное устройство. В ИМ электромагнитная энергия преобразуется в энергию механического перемещения подвижной части. По принципу действия электромеханические измерительные механизмы и приборы делят на следующие системы:

· магнитоэлектрическую, основанную на взаимодействии рамки, обтекаемой током, с полем постоянного магнита;

· ферродинамическую, основанную на взаимодействии рамки, обтекаемой током, с полем электромагнита;

· электродинамическую, использующую силы взаимодействия между подвижной и неподвижной катушками, обтекаемыми током;

· электромагнитную, основанную на взаимодействии ферромагнитного сердечника с неподвижной катушкой, обтекаемой током;

· электростатическую, использующую силы электрического взаимодействия между подвижными и неподвижными электродами;

· индукционную, основанную на взаимодействии переменных магнитных полей, создаваемых неподвижными катушками, с токами, индуцированными этими полями в подвижной части механизма.

Существуют также измерительные механизмы магнитоиндукционной, вибрационной и тепловой систем, однако они используются редко и интереса не представляют.

Наряду с делением электромеханических приборов по принципу действия их классифицируют и по другим признакам. Например, для измерений в цепях переменного тока широко используют приборы, состоящие из магнитоэлектрического измерительного механизма и схемы преобразования переменного тока в постоянный. В зависимости от принципа действия преобразователя такие приборы называют выпрямительными, термоэлектрическими или электронными.

По степени точности электроизмерительные приборы делят на восемь классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Название измерительного прибора определяется его значением (измеряемой величиной). Различают амперметры, вольтметры, ваттметры, омметры, фазометры. Широко используются комбинированные приборы – ампервольтметры, вольтомметры и др.

Электроизмерительные приборы делят также на показывающие и самопишущие, щитовые и переносные. По размерам корпуса они могут быть миниатюрными, малого, среднего и большого габаритов.

В зависимости от условий эксплуатации, степени защищенности от механических воздействий, влияния внешних полей измерительные приборы разделяют на ряд групп и категорий, которые в рамках данной лекции мы рассматривать не будем.

Конструкции основных узлов. Механизмы электроизмерительных приборов отличаются большим разнообразием конструкций. Однако можно выделить ряд узлов и деталей, характерных для большинства из них.

К таким узлам относятся устройства для установки подвижной части и создания противодействующего момента, успокоители, отсчетные устройства, корпуса.

Устройства для установки подвижной части. Распространены два способа установки подвижной части – на опорах и на растяжках. При первом способе подвижная часть крепится на оси или двух полуосях. Крепление на полуосях характерно для механизмов с подвижной рамкой. Ось устанавливают с помощью опор. Типичная конструкция верхней опоры (рисунок 10) состоит из стального керна, запрессованного в ось, и корундового или рубинового подпятника. Подпятником служит камень, завальцованный в регулировочный винт. Наличие винта позволяет изменять зазор между керном и подпятником.

Опоры являются важнейшим узлом ИМ, во многом определяющим его свойства. Трение в опорах ограничивает точность и чувствительность. ИМ является причиной износа опор. Поэтому при выборе материалов для кернов, подпятников и углов их расточки исходят из требования минимального трения в опорах.

Более совершенным является способ крепления подвижной части на растяжках – двух упругих металлических ленточках, изготовленных из бронзы или специальных сплавов. Одним концом растяжки крепят к рамке, другим – к плоским пружинам, называемым рессорами, которые создают натяжение и поддерживают подвижную часть механизма в рабочем положении.

При таком способе установки подвижной части практически устраняется трение в опорах, что существенно повышает чувствительность и точность измерительного механизма. Преимуществом этой конструкции является также ее высокая износоустойчивость. Поэтому в современных приборах широко применяют этот способ крепления подвижной части.

Устройства для создания противодействующего момента. В ИМ с установкой подвижной части на опорах противодействующий момент создают одной или двумя плоскими спиральными пружинками.

Одним концом пружинка крепится к оси или полуоси, другим – к поводку корректора (рисунок 11). Корректор служит для установки на нуль стрелки прибора перед началом измерений. Он состоит из винта с эксцентрично расположенным пальцем и поводка. При вращении винта поводок поворачивается, меняя в некоторых пределах угол закручивания пружинки, что вызывает перемещение стрелки. Показанные на рисунке 11 противовесы служат для уравновешивания стрелки.

В механизмах с креплением подвижной части на растяжках для создания противодействующего момента используют упругие свойства растяжек. При повороте рамки растяжки закручиваются; возникающие при этом силы создают момент, пропорциональный углу поворота подвижной части ИМ. Спиральные пружинки и растяжки используют также для подведения тока к обмотке рамки.

Успокоители. В электромеханических приборах применяют успокоители двух типов – магнитоиндукционные и воздушные.

Магнитоиндукционный успокоитель (рисунок 12, а) состоит из постоянного магнита с узким зазором и алюминиевого сектора, установленного на оси. При движении сектора в нем индуцируются вихревые токи, сила взаимодействия которых с полем магнита всегда направлена в сторону, противоположную движению. Поэтому колебания подвижной части быстро затухают.

В магнитоэлектрических ИМ роль успокоителя выполняет алюминиевый каркас рамки.

Воздушный успокоитель изображен на рисунке 12, б. Он состоит из камеры, оси и алюминиевого крыла, жестко скрепленного с подвижной частью механизма. Вследствие малого зазора между крылом и внутренними стенками камеры при движении крыла появляется тормозящий момент, обусловленный разностью давлений в левой и правой частях камеры.

Отсчетные устройства. Они служат для визуального определения числового значения измеряемой величины. Отсчетное устройство стрелочного прибора (рисунок 13) состоит из стрелки (указателя), жестко скрепленной с подвижной частью механизма, и циферблата с нанесенной на его лицевую сторону шкалой. Шкалой называется совокупность отметок (штрихов), расположенных в определенной последовательности, и проставленных у некоторых из них чисел отсчета, соответствующих ряду последовательных значений измеряемой величины. В измерительных приборах обычно используют, металлические стрелки – плоские или трубчатые. Конец стрелки может иметь копьевидную или ножевидную форму. Последняя применяется в приборах с зеркальным отсчетом (рисунок 13, б).

Шкалы бывают равномерные и неравномерные (квадратичными, логарифмическими и др.). Расстояние между двумя соседними штрихами называется делением шкалы. Разность значений измеряемой величины, соответствующая двум соседним отметкам, называется ценой деления. Цена деления Ц равномерной шкалы равна конечному значению измеряемой величины на шкале А_к, деленному на число делений n: . Цену деления обычно выбирают кратной погрешности прибора: Ц = 2D или Ц = 4D. Таким образом, по цене деления можно получить представление об абсолютной погрешности прибора.

Шкала называется односторонней, если нулевая отметка помещена у ее начала, и двусторонней – при нуле посередине. Шкалу наносят на циферблат прибора; на нем же помещают название прибора и условные обозначения, характеризующие тип прибора и условия его эксплуатации (см. табл. 1).

Указатели бывают также оптическими. Оптические указатели состоят из источника света, зеркальца, расположенного на подвижной части, и системы зеркал, удлиняющих путь луча света и направляющих его на полупрозрачную шкалу. Оптические указатели обеспечивают большую чувствительность прибора и меньшую погрешность отсчета по сравнению со стрелочными.

Корпуса. Они предназначены для защиты прибора от пыли, влаги и механических воздействий, иногда выполняют также роль экрана. Корпуса разделяют на обыкновенные (защищающие только от загрязнений и механических повреждений), пылезащищенные, водозащищенные, газозащищенные. Их делают из пластмассы, металла и других материалов.

Таблица 1. Условные обозначения на циферблате приборов

Наименование	Обозначение
Принцип действия	Прибор	Логометр
магнитоэлектрический с подвижной рамкой
магнитоэлектрический с подвижным магнитом
электромагнитный
электродинамический
ферродинамический
индукционный
электростатический		нет
термоэлектрический		нет
выпрямительный		нет
электронный		нет
Род тока
постоянный
переменный 50 Гц
трехфазный
постоянный и переменный
переменный 400 Гц
Положение шкалы
вертикальное
горизонтальное
наклонное под углом к горизонту
Класс точности при нормировании погрешности в процентах
от диапазона измерения	1,5
от длины шкалы
Категория (первая) защищенности от влияния внешних магнитных полей
Категория (первая) защищенности от влияния внешних электрических полей
Измерительная цепь изолирована от корпуса и испытана напряжением (например, 2кВ)
Положение прибора относительно земного магнитного поля
Внимание! Смотри дополнительные указания в паспорте и инструкции по эксплуатации