2. Электромеханические приборы

2.1 Принципы построения

Рассмотрим устройство и принцип действия простейших измерительных приборов, которые получили название электромеханические (электроизмерительные). Первое название отражает принципиальную сущность прибора, а второе – рабочий диапазон частот. Такие приборы широко распространены на практике и применяются в виде вольтметров, амперметров, ваттметров, гальванометров и т.д. Эти приборы могут иметь различное конструктивное исполнение:

1. в виде самостоятельных приборов;

2. в виде приборов, встроенных в другие измерительные приборы.

Встроенные электромеханические приборы называются щитовыми и выполняют функцию измерительного устройства.

По принципу действия электромеханические ИП относятся к приборам прямого действия, построены по разомкнутой схеме и в них реализуется метод измерения, который называется методом непосредственного отсчёта. Обычно эти приборы работают на частоте питающей сети. В целом, рабочий диапазон частот не превышает единиц килогерц.

Обобщённая структурная схема, по которой реализуются такие приборы, имеет вид:

Рис.4

В составе выделяют входное устройство, один или несколько промежуточных измерительных преобразователей, измерительный механизм и отсчётное устройство.

Рассмотрим назначение функциональных узлов в структурной схеме электромеханических измерительных приборов.

Входное устройство (входной измерительный преобразователь) обычно изменяет значение измеряемой физической величины, то есть является масштабным измерительным преобразователем. Этот узел обеспечивает заданное входное сопротивление прибора и его многопредельность. В качестве входного устройства могут использоваться измерительные усилители напряжения или тока, измерительные делители напряжения, аттенюаторы.

Измерительная цепь в составе одного или нескольких измерительных преобразователей предназначена для преобразования измеряемой величины Х в другую физическую величину Y, на которую реагирует измерительный механизм.

Измерительный механизм представляет собой измерительный преобразователь, в котором энергия, в общем случае, электромагнитного поля измеряемой величины Х преобразуется в механическую энергию поворота подвижной части измерительного механизма.

Название измерительного механизма определяет название электромеханического прибора в целом. Измерительный механизм имеет подвижную и неподвижную части, причём подвижная часть совершает вращательные движения и представляет собой систему с одной степенью свободы. Поэтому уравнение движения подвижной части описывается неоднородным дифференциальным уравнением второго порядка на основе второго закона Ньютона для вращающихся тел:

, где

- момент инерции подвижной части;

- угол поворота подвижной части;

- угловая скорость поворота подвижной части;

- угловое ускорение поворота подвижной части;

- i-тый момент, воздействующий на подвижную часть

Физический смысл этого уравнения таков: момент количества движения равен сумме моментов, воздействующих на подвижную часть.

Рассмотрим моменты, воздействующие на подвижную часть измерительного механизма:

1. момент вращения;

2. уравновешивающий (противодействующий) момент;

3. момент успокоения;

4. момент трения.

Момент вращения обусловлен скоростью изменения энергии электромагнитного поля, создаваемого в измерительном механизме. Если на подвижную часть измерительного механизма воздействует только момент вращения, то подвижная часть вне зависимости от значения измеряемой физической величины всегда поворачивается до механического упора. А поскольку с подвижной частью соединяется стрелочный указатель, перемещающийся над шкалой отсчётного устройства, то поворот подвижной части до упора приводит к отклонению стрелки на всю шкалу и, следовательно, получить значение измеряемой физической величины невозможно.

Поэтому для того, чтобы определить значение измеряемой физической величины, соответствующее конкретному углу поворота подвижной части, на неё воздействуют так называемым уравновешивающим моментом. Из названия следует, что этот момент направлен на встречу момента вращения и может создаваться двумя путями:

1. с помощью упругих элементов, к которым относят пружинки, растяжки или подвес;

2. электрическим путём, создавая встречное магнитное поле (приборы - логометры).

В момент равенства момента вращения и уравновешивающего момента стрелочный указатель устанавливается около конкретного значения измеряемой физической величины. Это и есть результат измерений. Однако подвижная часть измерительного механизма, как система с одной степенью свободы, не сразу переходит в установившийся режим, а совершает колебательные апериодические движения около установившегося значения, что обусловлено инерционностью измерительного механизма.

Для обеспечения плавного движения подвижной части на неё воздействуют моментом успокоения, который существует только во время движения подвижной части. Этот момент создаётся с помощью специальных устройств, которые называются успокоители или демпферы.

Успокоители бывают:

1. воздушные;

2. жидкостные;

3. магнитоиндукционные.

Помимо вышеназванных моментов в любом измерительном механизме присутствует нежелательный момент трения. Его значение всегда стремятся уменьшить. Он определяется:

1. качеством обработки поверхности (шероховатостью);

2. степенью чистоты поверхностей;

3. массой подвижной части.

Наличие момента трения в измерительном механизме проявляется в вариации показаний.

Уравнение движения подвижной части измерительного механизма:

, где

. - удельный момент, обусловленный конструктивными особенностями измерительного механизма;

. - коэффициент успокоения (демпфирования). Его значение связано с типом применяемого успокоителя.

В установившемся режиме подвижная часть неподвижна, то есть и уравнение движения имеет вид - номинальная статическая характеристика преобразования (НСХП).

Электромеханические измерительные приборы делятся на различные типы в зависимости от способа создания момента вращения.