Глава вторая электроизмерительные приборы и измерения электрических величин

2.1. Общие сведения об аналоговых электромеханических приборах

Аналоговыми измерительными приборами называются приборы, показания которых являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. Важным классом аналоговых приборов являются электромеханические показывающие приборы прямого действия. Они просты, надежны, удобны в эксплуатации. Их разнообразие и точностные характеристики удовлетворяют требованиям широкого круга технических измерений.

Структурная схема. Аналоговые электромеханические приборы строятся по структурной схеме, представленной на рис. 2.1. Они состоят из измерительной цепи, измерительного механизма и отсчетного устройства. Измерительная цепь осуществляет количественное или качественное преобразование измеряемой электрической величиныХ в электрическуюХ, удобную для измерения. Измерительный механизм преобразует электрическую величинуХ'в механическое перемещение (угловое или линейное), значение которого отсчитывается по шкале отсчетного устройства, обычно проградуированной в единицах измеряемой величины.

Измерительная цепь содержит резисторы и другие элементы, необходимые для требуемого преобразования измеряемой величины.

Измерительный механизм состоит из подвижной и неподвижной частей. В зависимости от принципа преобразования злектромагнитной энергии в энергию движения подвижной части механизма различают магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические и индукционные приборы. Кроме того, имеются выпрямительные, термоэлектрические и электронные приборы, которые используют магнитоэлектрические механизмы с соответствующими преобразователями рода тока.

Отсчетное устройство состоит из указателя (стрелочного или светового), связанного с подвижной частью прибора, и неподвижной шкалы, представляющей собой совокупность отметок, нанесенных на лицевой стороне (циферблате) прибора. Расстояние между двумя соседними отметками называется длиной деления или просто делением шкалы. Цена деления , называемая такжепостоянной прибора, соответствует изменению измеряемой величины, вызывающему перемещение указателя на одно деление.

Общие узлы и детали. Электромеханические приборы всех систем имеют общие узлы и детали. К ним, в частности, относятся корпус, циферблат, указатель, детали для установки подвижной части, успокоитель, устройство для создания противодействующего момента, корректор.

Корпус защищает измерительный механизм от механических воздействий и от попадания пыли и влаги. Он может быть изготовлен из металла, пластмассы или дерева. Металлический корпус экранирует измерительный механизм от электрических и магнитных полей.

На циферблате обычно кроме шкалы имеется ряд обозначений, при помощи которых указываются единица измеряемой величины, класс точности, символ, соответствующий принципу действия—прибора, рабочее положение, испытательное напряжение изоляции, год выпуска, заводской номер и др. Некоторые из этих обозначений приведены в приложении 1.

Указатели бывают механическими и световыми. Механические указатели представляют собой легкие стрелки, изготовленные из стекла или алюминия. В световых указателях роль стрелки играет световой луч, отражающийся от легкого зеркальца, укрепленного на подвижной части измерительного механизма, и падающий затем на шкалу.

Детали для установки подвижной части должны обеспечивать свободное вращение последней. Используются три способа установки: на кернах, на растяжках, на подвесе.

При установке на кернах ось, вокруг которой вращается подвижная Часть, имеет два стальных острия—керна, которыми она опирается на агатовые или корундовые подпятники. Недостатком такой установки является наличие' трения в опорах, т.е. между кренами и подпятниками.

При установке на растяжках подвижная часть подвешивается между двумя растянутыми ленточками из бронзового сплава. Такой способ крепления свободен от трения в опорах.

При установке на подвесе подвижная часть подвешивается на металлической или кварцевой нити. Такой способ крепления применяется в особо чувствительных приборах.

Противодействующий момент может быть создан упругими силами или теми же электромагнитными силами, что и вращающий. В последнем случае прибор называется логометром.

Устройство для создания упругого противодействующего момента при установке на опорах представляет собой спиральную пружину, внешний конец которой прикреплен к неподвижной части, а внутренний—к оси подвижной части измерительного механизма. Противодействующий момент М_пр возникает из-за закручивания пружины при вращении подвижной части. В других случаяхМ_пр появляется из-за упругости растяжек или подвеса. Если бы противодействующего момента не было, вращающий моментМ_вр , созданный электромагнитными силами при подаче измеряемой величины на вход прибора, нечем было бы уравновесить и стрелка двигалась бы до упора. При наличии пружины стрелка останавливается в положении, при котором вращающий момент уравновешивается противодействующим.

Успокоитель предназначен для того, чтобы в процессе достижения установившегося положения стрелка не испытывала слишком долгих колебаний. Применяются воздушные, жидкостные и магнитоиндукционные успокоители. В воздушных успокоение достигается торможением алюминиевого крылышка или поршенька, жестко связанного с подвижной частью внутри особой воздушной камеры.

Жесткостное успокоение использует эффект трения между различными слоями вязкой жидкости при движении в ней подвижной системы или ее части.

В магнитоиндукционных успокоителях торможение осуществляется взаимодействием магнитных полей магнита и токов, индуцированных в проводящих частях подвижной системы при их движении в поле этого магнита.

Успокоители каждого вида имеют свои достоинства и недостатки. Так, воздушный и жидкостный успокоители не создают электрических или магнитных полей, влияющих на показания приборов, но относительно сложны в изготовлении и настройке, тогда как магнитоиндукционные просты и допускают легкую регулировку, но могут применяться только тогда, когда порождаемые ими поля не сказываются на результатах измерений.

Корректор предназначен для установки стрелки в нулевое положение, из которого по разным причинам она может оказаться смещенной при невключенном приборе.

Уравнение преобразования измерительного механизма электромеханического прибора. Положение подвижной части прибора относительно неподвижной в установившемся режиме можно определить из условия равенства вращающего и противодействующего моментов, действующих на подвижную часть:

(2.1)

Согласно законам механики выражение для вращающего момента имеет вид

(2.2)

где —угол поворота подвижной части;W— электрокинетическая энергия, т.е. запас энергии электромагнитного поля в измерительном механизме.

Значение вращающего момента зависит как от измеряемой величины Х, так и от параметров измерительного механизма, т.е.

(2.3)

Противодействующий момент, создаваемый упругим элементом, описывается выражением

(2.4)

где W—удельный противодействующий момент, характеризующий упругость упругого элемента.

Таким образом, при равновесии имеет место равенство

(2.5)

или

(2.6)

Уравнение (2.6) называется уравнением преобразования механизма прибора, оно связывает показания прибора со значением измеряемой величины и характеризует свойства измерительного прибора в целом. Здесь и далее для простоты не проводится различия между угломи показанием прибора, хотя в действительности отсчетное устройство преобразует уголв пропорциональное ему линейное перемещение.