3. Методы и приборы электрических измерений

3.1. Аналоговые электроизмерительные приборы

3.1.1. Общие сведения

Измерительный прибор (ИП) – наиболее распространенный вид средств измерений. Все ИП можно поделить на две большие груп­пы: аналоговые и цифровые.

Аналоговые измерительные приборы (АИП) – это такие прибо­ры, показания которых – являются непрерывной функцией измене­ния входной измеряемой величины (могущей принимать беско­нечное множество значений в определенном диапазоне). Группу АИП можно представить двумя подгруппами: приборы для стати­ческих измерений (вольтметры, амперметры, омметры и др.) и приборы для динамических измерений.

Приборы для динамических измерений, в свою очередь, делят­ся на показывающие АИП (например, электронно-лучевые осцил­лографы, анализаторы спектра) и регистрирующие приборы (на­пример, самопишущие приборы, светолучевые осциллографы).

В данной главе рассмотрим АИП, предназначенные для стати­ческих измерений: электромеханические и электронные ИП.

Электромеханические ИП основаны на преобразовании элект­рической энергии входного сигнала в механическую энергию уг­лового (реже – линейного) перемещения подвижной части отсчетного устройства. Кроме самостоятельного применения, элект­ромеханические ИП используются также в качестве выходных ус­тройств большинства электронных АИП.

Электронные ИП – это такие АИП, в которых энергия для ме­ханического перемещения указателя отсчетного устройства посту­пает не от источника измеряемого сигнала (как в электромехани­ческих приборах), а от вспомогательного источника энергии, на­пример, от электрической сети, питающей прибор.

Структурную схему аналогового электромеханического прибора в общем виде можно представить как:

Измерительная цепь – обеспечивает преобразование электрической величины Х в промежуточную электрическую величину Y, функционально связанную с величиной Х и пригодную для непосредственной обработки измерительным механизмом.

Измерительный механизм – основная часть прибора, предназначенная для преобразования электромагнитной энергии в механическую, необходимую для создания угла поворота a.

Отсчетное устройство – состоит из указателя, связанного с измерительным механизмом и шкалы.

Указатели – бывают стрелочные (механические) и световые.

Шкала – совокупность отметок, представляющих ряд последовательных чисел вдоль какой либо линии.

По начертанию шкалы бывают прямолинейные (горизонтальные или вертикальные), дуговые (при дуге 180°) и круговые (при дуге > 180°).

Цена деления шкалы определяются как:

где: Х – конечное значение шкала на данном пределе измерения,

N . число отметок шкалы.

Рассмотрим общий принцип действия измерительного механизма.

Обобщенная механическая схема измерительного механизма представлена на рисунке.

1 – ось, 2 – электромеханический преобразователь, приведенный к общему центру масс, 3 – стрелка, 4 – пружина, 5 – подшипниковые опоры.

Дифференциальное уравнение моментов, описывающее работу измерительного механизма, имеет вид:

где J – момент инерции подвижной части измерительного механизма,

- угол отклонения подвижной части,

 - угловое ускорение.

На подвижную часть (при движении) воздействуют следующие составляющие моментов:

Вращающий момент – М- определяется скоростью изменения энергии электромагнитного поля , сосредоточенной в механизме, по углу отклонения .

Противодействующий момент - М - создается, как правило, при помощи спиральных пружин и растяжек

где: W – удельный противодействующий момент на единицу угла закручивания пружины (определяется её материалом, длиной и т.д.).

Момент успокоения – М_усп- момент сил сопротивления движению. Всегда направлен встречно вращающему моменту.

р- коэффициент успокоения (демпфирования) подвижной части.

После подстановки всех составляющих момента в основное уравнение получим:

    или   

В статическом режиме, т.е когда стрелка прибора находится в неподвижном состоянии при каком то угле отклонения a, можно записать:

М=Мa.