Измерит.техника

4

Измерительная цепь обеспечивает преобразование электрической измеряемой величины X в промежуточную электрическую величину Y (ток или напряжение), функционально связанную с измеряемой величиной и непосредственно воздействующую на измерительный механизм. Измерительный механизм является электромеханическим преобразователем, осуществляющим преобразование электрической величины Y в наглядное аналоговое показание α. Отсчетное устройство предназначено для отсчитывания показаний измерительного прибора и состоит из указателя, жестко связанного с подвижной частью измерительного механизма, и неподвижной шкалы.

В общем случае на подвижную часть измерительного механизма при ее движении воздействуют следующие моменты: вращающий Mвр, противодействующий Mпр и успокоения Mусп:

где J d 2 – момент сил инерции; J – момент инерции подвижной dt2

части; α – угол поворота подвижной части; t – время. Вращающий момент возникает и однозначно определяется

измеряемой величиной Х, но в общем случае может зависеть также от угла поворота подвижной части, т. е. Mвр = F(X, α). Вращающий момент для измерительных механизмов, использующих силы электромагнитного поля, определяется из общего уравнения динамики системы:

где Wэм – энергия электромагнитного поля, сосредоточенная в измерительном механизме.

По способу создания вращающего момента, т. е. в зависимости от вида преобразования энергии электромагнитного поля в механическую энергию перемещения подвижной части, электромеханические измерительные механизмы делятся на: магнитоэлектрические, электромагнитные, электростатические, электродинамические, ферродинамические и индукционные.

5

Если бы движению подвижной части измерительного механизма ничего не противодействовало, то она при любом значении измеряемой величины (кроме нуля) доходила бы до упора, что делало бы измерение невозможным. Для того чтобы угол отклонения α однозначно зависел от измеряемой величины, в измерительном механизме создается противодействующий момент Mпр, направленный навстречу вращающему моменту и зависящий от угла поворота. Таким образом, при возникающем динамическом равновесии (Mвр + Mпр = 0) каждому определенному значению измеряемой величины будет соответствовать определенный угол поворота подвижной части.

По способу создания противодействующего момента измерительные механизмы делятся на две группы: с механическим противодействующим моментом и с электрическим противодействующим моментом – логометры.

В измерительных механизмах первой группы противодействующий момент создается с помощью упругого элемента (спиральной пружины, растяжек или подвеса), который при повороте подвижной части закручивается. В таких измерительных механизмах угол α определяется электрической величиной, создающей вращающий момент (ток, напряжение и др.). При этом значение Mпр определяется по формуле:

от свойств упругого элемента.

В логометрах противодействующий момент создается так же, как и вращающий, но один из моментов должен зависеть от угла поворота подвижной части. В этом случае угол поворота будет определяться отношением электрических величин, создающих вращающий и противодействующий моменты (например, отношением токов и т. д.).

Момент успокоения является моментом сил сопротивления движению, направлен всегда навстречу движению подвижной части и пропорционален угловой скорости отклонения:

где P – коэффициент успокоения.

Задачей Mусп является обеспечение плавного и апериодического движения подвижной части измерительного механизма. От него в значительной степени зависит важный эксплуатационный параметр прибора – время успокоения. Момент успокоения создается либо за счет применения специальных устройств, называемых демпферами или успокоителями, либо без них.

2.2. Общие узлы и детали

Несмотря на то, что электромеханические измерительные приборы существенно различаются по своему устройству, имеется ряд узлов и деталей, общих для всех приборов данного типа. Такими деталями являются: корпус, шкала, указатель, устройства для установки и уравновешивания подвижной части измерительного механизма, устройства для создания противодействующего момента и момента успокоения, корректор, а в высокочувствительных приборах также арретир.

в отдельных случаях – от попадания воды, газов) и чаще всего выполняется из пластмассы.

Для определения численного значения измеряемой величины приборы имеют отсчетное устройство, состоящее из шкалы и указателя. Шкала прибора обычно представляет собой пластину белого цвета, на которую нанесены отметки, соответствующие определенным значениям измеряемой величины, и условные обозначения. Номенклатура, изображение и место расположения условных обозначений устанавливаются нормативными документами. В соответствии с ними на шкалу наносят единицу измерения измеряемой величины, класс точности прибора, род тока, товарный знак предприятия-изготовителя, заводской номер, год изготовления или заменяющий его шифр, знак Государственного реестра, испытательное напряжение изоляции, используемое положение прибора (горизонтальное, вертикальное или под углом), символ, указывающий принцип действия прибора (табл. 1).

7

8

Продолжение табл. 1

Указатели применяются стрелочные и световые. В первом случае стрелка, жестко соединенная с подвижной частью измерительного механизма, перемещается над шкалой прибора. При световом способе отсчета на оси подвижной части закрепляется зеркальце, освещаемое специальным осветителем. Отраженный от зеркальца световой луч попадает на шкалу прибора и образует на ней световое пятно с темной нитью посередине. Применение светового указателя увеличивает чувствительность прибора, поскольку при этом масса и момент инерции подвижной части существенно уменьшаются. Кроме того, меняя расстояние между шкалой и осью подвижной части, можно сделать длину луча довольно большой, что при одном и том же угловом перемещении увеличивает линейное перемещение.

Крепление подвижной части измерительного механизма осуществляется элементом, создающим противодействующий момент, и выполняется с помощью опор (при использовании спиральных пружин), растяжек или подвеса.

Необходимая степень успокоения достигается с помощью специальных устройств – демпферов или успокоителей. В элек-

9

тромеханических измерительных приборах применяются магнитоиндукционные, жидкостные и воздушные успокоители.

Магнитоиндукционный момент успокоения создается в результате взаимодействия поля постоянного магнита и вихревых токов, наводимых либо в металлических (неферромагнитных) деталях подвижной части измерительного механизма, либо в закрепленной на подвижной части алюминиевой пластине, перемещающейся в рабочем зазоре постоянного магнита. Вместо пластины может использоваться короткозамкнутый виток. Магнитоиндукционный успокоитель отличается простотой конструкции и применяется в тех случаях, когда поле тормозного магнита не влияет на показания прибора.

Жидкостное успокоение достигается тем, что подвижная часть измерительного механизма или ее фрагмент помещаются в вязкую жидкость. При движении подвижной части энергия расходуется на преодоление трения, возникающего между слоями жидкости благодаря наличию градиента скорости между ними, вследствие чего и создается необходимое успокоение. Основное достоинство жидкостного успокоения состоит в том, что оно оказывает тормозящее действие при движении подвижной части измерительного механизма во всех направлениях, что используется для повышения вибростойкости приборов.

Воздушный успокоитель состоит из камеры и находящейся внутри нее легкой пластины, жестко закрепленной на оси подвижной части. При вращении оси пластина перемещается внутри камеры, в результате чего по обе ее стороны создается разность давлений. Это препятствует свободному перемещению подвижной части и вызывает ее успокоение. Воздушные успокоители не содержат источников электромагнитных полей, что является их достоинством по сравнению с магнитоиндукционными.

Для установки указателя на требуемую отметку шкалы (например, на нуль) в электромеханических приборах применяют устройство, называемое корректором. Основным элементом корректора является винт, расположенный на корпусе прибора. При его повороте происходит закручивание пружины, растяжек или подвеса, что перемещает подвижную часть и дает возможность установить указатель на нужную отметку шкалы.

10

Некоторые приборы (как правило, гальванометры) снабжены арретиром – устройством для закрепления подвижной части измерительного механизма в неподвижном положении, что необходимо при переноске, транспортировке или хранении высокочувствительных приборов. Арретирование осуществляется механическим или электрическим путями. Во втором случае происходит замыкание накоротко обмотки подвижной части.

2.3. Магнитоэлектрические измерительные приборы

Магнитоэлектрические измерительные приборы (МЭП) состоят из измерительной цепи, измерительного механизма и отсчетного устройства (рис. 2).

Рис. 2. Схема устройства магнитоэлектрического прибора: 1 – постоянный магнит; 2 – полюсные наконечники;

3 – неподвижный сердечник; 4 – прямоугольная катушка; 5, 6 – полуоси; 7, 8 – спиральные пружины; 9 – стрелка; 10 – передвижные грузики

Конструктивно измерительный механизм может быть выполнен либо с подвижным магнитом, либо с подвижной катушкой. На рис. 2 показана конструкция прибора с подвижной катушкой. Постоянный магнит 1, магнитопровод с полюсными наконечниками 2 и неподвижный сердечник 3 составляют магнит-