Электромеханические измерительные приборы

Общие сведения.

Электромеханические приборы – это приборы, в измерительном механизме которого электрическая энергия преобразуется в механическую энергию перемещения подвижной части. К ним относятся приборы непосредственной оценки, состоящие из трёх основных частей: измерительной цепи, измерительного механизма и отсчетного устройства.

Измерительная цепь служит для преобразования измеряемой электрической величины в другую электрическую величину, непосредственно воздействующую на измерительный механизм. В измерительном механизме электрическая энергия преобразуется в механическую энергию, что приводит к перемещению (повороту) подвижной части. Отсчетное устройство служит для визуального отсчитывания значений измеряемой величины в зависимости от угла поворота подвижной части.

Так как в измерительных механизмах обычно имеет место угловое перемещение подвижной части, то при анализе их работы рассматривают моменты, действующие на подвижную часть. Эти моменты делят на статические и динамические. Статическими являются моменты, действующие в механизме всегда при наличии измеряемой величины. Динамические моменты действуют на подвижную часть только во время ее движения. К статическим относят вращающий и противодействующий моменты.

Момент, возникающий в механизме под действием измеряемой величины и поворачивающий подвижную часть в сторону возрастающих показаний, называют вращающим. Этот момент должен однозначно определяться измеряемой величиной х и может также зависеть от угла поворота подвижной части , т. е. вращающий момент M = F (x, ).

При повороте подвижной части на угол d  изменение механической энергии dA равно изменению энергии электромагнитного поля dW _ЭМ в измерительном механизме, т. е. dA = dW _ЭМ. При угловом перемещении подвижной части изменение механической энергии dA = Md . Отсюда

,                                                   (6.1)

где W_ЭМ — энергия электромагнитного поля измерительного механизма.

Чтобы подвижная часть не доходила до упора при любом значении измеряемой величины х, а поворачивалась бы на угол, однозначно зависящий от измеряемой величины, на подвижную часть должен действовать момент, направленный навстречу вращающему и зависящий от угла поворота подвижной части. Этот момент, называемый противодействующим,

                                                     (6.2)

 

При некотором угле поворота наступает равенство M и M_α, т. е. М = M _α, или

 М + M _α  = 0.                                                          (6.3)

С учетом (6.1), (6.2) и (6.3) уравнение преобразования (статическая характеристика преобразования) измерительного механизма может быть записано в таком виде:

= Ф (x,A₁,...,A_i,...,A_n),

где A _i – i -й параметр механизма (i = 1 n).

Находят применение шесть типов измерительных механизмов, отличающихся способом создания вращающего момента, а именно: магнитоэлектрический, электромагнитный, электродинамический, ферродинамический, электростатический и индукционный (см. табл. 6.1).

По способу создания противодействующего момента измерительные механизмы бывают с механическим противодействующим моментом и с электрическим противодействующим моментом – логометрические измерительные механизмы.

Таблица 6.1

Наименование прибора	Условное обозначе-ние	Наименование прибора	Условное обозначе-ние
Прибор магнито­электрический с по­движной катушкой		Прибор электроди­намический
Логометр магнито­электрический		Логометр электро­динамический
Прибор магнито­электрический с по­движным магнитом		Прибор ферродинамический
Логометр магнито­электрический с по­движным магнитом		Логометр ферродинамический
Прибор электро­магнитный		Прибор индукци­онный
Логометр электро­магнитный		Прибор электро­статический

В измерительных механизмах первой группы противодействующий момент создается упругими элементами (спиральными пружинами, растяжками

или подвесом), которые при повороте подвижной части закручиваются. При этом

M _α = - W α,                                                           (6.4)

где W – удельный противодействующий момент, зависящий от свойств упругого элемента. Упругие элементы используют в ряде приборов также в качестве токоподводов к подвижной части.

В логометрических механизмах противодействующий момент создается так же, как и вращающий, но один из моментов должен зависеть от угла поворота подвижной части. Если момент, создаваемый величиной x ₁  – вращающий, а момент, создаваемый величиной x ₂ – противодействующий, то M = F ₁(х ₁), M _α= F ₂(x ₂, ), а = Ф (x ₁/ x ₂), т. е. в этом случае угол поворота подвижной части определяется отношением электрических величин x₁ и x₂.

При перемещении подвижной части на нее действуют также динамические моменты: момент сил инерции и момент успокоения.

Момент сил инерции  равен произведению момента инерции J на угловое ускорение, т.е. 

.                                                  (6.5)

Момент успокоения M_P определяется как произведение коэффициента успокоения P на угловую скорость, т.е.

 .                                        (6.6)

Знак “минус” в выражениях для моментов сил инерции и успокоения означает, что эти моменты направлены навстречу вращающему.

Из теоретической механики известно, что при движении тела, вращающегося (поворачивающегося) вокруг своей оси, момент сил инерции равен сумме всех остальных моментов, действующих на тело относительно оси вращения, т.е.

                                               (6.7)

Подставив в (6.7) выражения (6.4), (6.5), (6.6), получим дифференциальное уравнение движения подвижной части

.

Передаточная функция подвижной части прибора в операторной форме имеет вид: 

Заменив , после соответствующих преобразований получим амплитудно-частотную характеристику подвижной части электромеханического прибора:

,                                      (6.8)

где ; ω – частота изменения вращающего момента; –частота собственных колебаний подвижной части измерительного механизма, т.е. колебаний при отсутствии момента успокоения;  – степень успокоения подвижной части.

На рис. 6.3 показан график зависимости  от q при некоторой степени успокоения . Как видно из графика, коэффициент передачи подвижной части измерительного механизма зависит от частоты изменения вра­щающего момента, которая, в свою очередь, зависит от частоты входной электрической величины и от способа преобразования входной величины в момент.

Рисунок 6.3

Частота изменения вращающего момента магнитоэлектриче­ского измерительного механизма равна частоте входной электрической величины, а для остальных измерительных механизмов вращающий момент имеет постоянную и переменную составляющие, причем частота переменной составляющей равна удвоенной частоте входной величины.

Таким образом, при постоянной входной электрической величине для всех измерительных механизмов, кроме индукционных, коэффициент передачи подвижной части постоянен и равен 1/ W. При периодическом изменении входной электрической величины коэффициент передачи зависит от q.

Для измерительных механизмов обычных электромеханических приборов коэффициент передачи подвижной части практически равен нулю уже при частотах электрической величины порядка нескольких герц. Поэтому в этих приборах при использовании их в цепях с частотой 50 Гц и выше коэффициент передачи измерительного механизма определяется постоянной составляющей вращающего момента.

У осциллографических гальванометров, предназначенных для регистрации мгновенных значений электрической величины, коэффициент передачи не должен зависеть от частоты электрической величины. Поэтому конструкцию этих гальванометров делают такой, чтобы мгновенное значение вращающего момента определялось мгновенным значением электрической величины и при этом q < 1. В этом случае коэффициент передачи, а следовательно, и чувствительность гальванометра мало зависят от частоты.

Известны так называемые резонансные гальванометры, предназначенные для работы в качестве нуль-индикаторов в измерительных цепях переменного тока. Они должны обладать максимальной чувствительностью при частоте напряжения, питающего цепь. Поэтому конструкция их измерительного механизма позволяет настраивать их в резонанс при q = 1.

Несмотря на разные принципы действия измерительных механизмов, имеется ряд деталей и узлов, общих для всех электромеханических приборов.

Отсчетное устройство электромеханического прибора состоит из шкалы и указателя. Шкала прибора обычно представляет собой пластину, на которой нанесены отметки, соответствующие определенным значениям измеряемой величины. Указатель представляет собой перемещающуюся вдоль шкалы стрелку, жестко скрепленную с подвижной частью измерительного механизма.

В качестве указателя применяют также световой луч, отраженный от зеркальца, укрепленного на оси подвижной части. Луч света попадает на шкалу и образует на ней световое пятно, например, с темной нитью посередине. При повороте подвижной части световой указатель перемещается по шкале.

Крепление подвижной части осуществляется с помощью опор, растяжек или подвеса. Опоры состоят из кернов и подпятников. Керны представляют собой отрезки стальной проволоки, заточенные с одной стороны на конус. Подпятники имеют вид цилиндра с коническим углублением по оси. Они чаще всего изготовляются из агата или корунда. Керны, укрепленные на подвижной части по оси вращения, входят в углубления подпятников, расположенные на неподвижной части. Недостаток установки на опорах - трение, которое вызывает погрешность.

Подвижная часть может быть подвешена на двух растяжках, представляющих собой упругие металлические ленты, прикрепляемые одним концом к подвижной части, а другим - к неподвижным деталям прибора. В случае необходимости растяжки могут быть использованы и для подвода тока в обмотку подвижной части.

Подвешивание подвижной части на подвесе применяется в приборах высокой чувствительности - гальванометрах. Подвес - тонкая, упругая лента. Приборы, в которых применен подвес, требуют установки по уровню, поскольку подвижная часть висит свободно и отклонение положения прибора от вертикального может вызвать ее касание с неподвижной частью.  

Необходимая степень успокоения (требуемое время успокоения) достигается в приборах путем применения устройств, называемых успокоителями. Применяют магнитоиндукционные, жидкостные и воздушные успокоители. Магнитоиндукционное успокоение создается при движении металлических деталей подвижной части в магнитном поле. Магнитоиндукционный успокоитель состоит из постоянного магнита и перемещающейся в его рабочем зазоре металлической пластины (из алюминия), укрепленной на подвижной части. Роль успокоителя может играть также короткозамкнутый виток подвижной части, перемещающийся в поле магнита.

Жидкостное успокоение достигается тем, что подвижная часть измерительного механизма или ее отдельные детали помещаются в вязкую жидкость. Поэтому при колебаниях подвижной части расходуется энергия колебаний подвижной части, т. е. создается необходимое успокоение. В осциллографических гальванометрах с жидкостным успокоением в жидкость помещают либо всю подвижную часть, либо только часть растяжки.

Воздушный успокоитель состоит из камеры и находящейся внутри нее пластины, скрепленной с подвижной частью. При колебаниях подвижной части в камере создается разность давлений по обе стороны пластины. Эта разность давлений препятствует свободному перемещению подвижной части и вызывает ее успокоение.

Для установки указателя на требуемую отметку в приборах применяют корректор. Корректор содержит винт, укрепленный на корпусе прибора, поворачивая который, можно закручивать пружинки, растяжки или подвес и тем самым поворачивать подвижную часть прибора.

Некоторые приборы снабжают арретиром - устройством, затормаживающим подвижную часть прибора.

На каждый прибор наносят условные обозначения. Как правило, на приборе обозначают: единицу измеряемой величины, класс точности, род тока, используемое положение прибора (горизонтальное или под углом), если это положение имеет значение. На шкале прибора указывают также условное обозначение типа измерительного механизма (см. табл. 6.1).