Обобщенное уравнение шкалы электромеханических приборов

 

К простейшим аналоговым приборам относятся приборы непосредственной оценки электромеханической группы, основанные на преобразовании электрической энергии в угол отклонения подвижной части измерительного механизма.

Простейший аналоговый прибор по своей сути есть электромеханический преобразователь (электрический двигатель).

Состав структурных схем таких приборов (рис. 3.1):

1 – измерительный преобразователь, предназначенный для согласования измеряемой величины X по масштабу (делитель, шунт) или роду (выпрямитель);

2 – измерительный механизм, суть электромеханический преобразователь, состоящий из неподвижной и подвижной частей.

Полная чувствительность звеньев такого прибора (см. §1.5) вычисляется по формуле

.

Следует различать чувствительность по току и чувствительность по напряжению.

Для конструирования измерительных механизмов применяются следующие виды электромеханических преобразователей (2), отличающихся по принципу преобразования электрической энергии в механическую (угол поворота):

- магнитоэлектрические,

- электромагнитные,

- электро(ферро)-динамические,

- индукционные,

- электростатические.

В качестве предварительных преобразователей (1) применяются: добавочные и шунтирующие резисторы, делители напряжения, полупроводниковые и вакуумные диоды, электронные усилители, термопары с нитью подогрева и другие.

Подвижная часть измерительного механизма (2) имеет одну степень свободы, которая позволяет ей вращаться или отклоняться на какой-то угол α.

В общем случае на такую подвижную систему действует сумма следующих механических моментов:

Момент инерции (М_и) позволяет измерять средние значения переменных и пульсирующих токов, благодаря усредняющей реакции инерционной подвижной части на мгновенные изменения момента вращения М_вр. Вместе с тем наличие М_и ухудшает динамические свойства приборов, вызывая длительные переходные процессы и запаздывание показаний за счет существования определенной массы подвижной части измерительного механизма (2).

Момент успокоения (М_у) создается специально сконструированными успокоителями с целью улучшения динамических свойств приборов. Для этих целей применяют пневматические, гидравлические или электрические успокоители.

В современных стрелочных приборах время успокоения не должно превышать 4 с.

Момент трения (М_т) возникает в местах механических контактов подвижных и неподвижных частей измерительного механизма (в подпятниках, в опорах), а также за счет наличия трения о воздух. Приборы конструируют таким образом, чтобы момент трения был бы по возможности незначительным и не препятствовал возвращению подвижной части в начальное положение при отключении прибора.

Противодействующий момент (М_пр) предназначен для уравновешивания вращающего момента М_вр. Создается электрическим путем в так называемых логометрах с помощью дополнительной рамки с током или механическим путем с помощью специальных пружин из бериллиевой бронзы по типу спирали Архимеда.

Вращающий момент (М_вр) создается токами, протекающими по измерительному механизму, и есть функция, зависящая от электромагнитного поля, связанного с током, протекающим через прибор, т.е. – функция от измеряемой величины X.

Через некоторое время после включения прибора, т.е. при установившемся режиме (после окончания переходных процессов) момент инерции М_и уравновешивается моментом успокоения М_у, поэтому равновесие подвижной части будет определяться уравнением

При статическом равновесии моментом трения можно пренебречь, тогда

(3.1)

и подвижная часть прибора будет неподвижна и отклонена на определенный угол от своего начального положения.

Противодействующий момент удобно представить в виде произведения удельного момента на угол закручивания a

Вращающий момент есть изменение электромагнитной энергии по углу

.

Подставим в уравнение статического равновесия (3.1) значения М_пр и М_вр, получим обобщенное уравнение шкалы для приборов электромеханической группы

. (3.2)

Следовательно, отклонение подвижной части прибора можно градуировать в значениях измеряемой физической величины.