- •1.Основы метрологии
- •1.1.Основные метрологические термины и определения.
- •1.2.Средства измерений.
- •1.2.1.Классификация измерительных приборов
- •I II III IV
- •1.2.1. Метрологические характеристики си.
- •4.Аналоговые электромеханические измерительные
- •4.2. Электромагнитные измерительные приборы.
- •4.3. Электростатические измерительные приборы.
- •4.5. Индукционные измерительные приборы.
- •5.Измерение переменного напряжения
- •6.Осциллографические измерения электрических величин Структура измерительного устройства
- •3.12.Основные применения осциллографа как измерительного прибора.
- •1.Измерение амплитуды напряжения исследуемых сигналов.
- •2.Измерение частоты методом сравнения двух колебаний.
- •3.Измерение разности фаз.
- •4.Применение осциллографа в качестве характериографа
- •2.1.Аналоговые методы измерения частоты [1,стр.198-209, 2,стр.111-116].
- •2.1.1.Методы сравнения.
- •2.2.Цифровые измерители частоты и интервалов времени.
- •2.2.1.Цифровые частотомеры, основанные на методе прямого счета.
- •2.2.2.Цифровой метод измерения интервалов времени.
- •2.3.Аналоговые измерители фазы [1,стр.216-224, 2,стр.119-123].
- •2.4.Цифровые измерители фазы.
- •Рассмотрим реализацию метода дискретного счета в фазометре (рис.12), в состав
- •9.Основные сведения по мостовым методам измероения параметров элементов электрических цепей
- •Записав (2) в показательной форме, получим равенство
- •Уравнения связи для схем замещения
- •10. Государственная система стандартизации
4.Аналоговые электромеханические измерительные
приборы и преобразователи.
В налоговых электромеханических приборах прямого измерения электромагнитная энергия , подведенная к прибору непосредственно из измеряемой цепи , преобразуемая в механическую энергию углового перемещения подвижной части прибора относительно неподвижной. Электромеханические измерительные приборы (ЭИП) применяют для измерения тока , напряжения , мощности , сопротивлений и других электрических величин на постоянном и переменном токах преимущественно промышленной частоты 50 Гц . Эти приборы относят к приборам прямого действия. Они состоят из электрического преобразователя , электромеханического преобразователя , отсчетного устройства (рис. 15).
Измерительная цепь. Она обеспечивает преобразование электрической измеряемой величины Х в некоторую промежуточную электрическую величину Y (ток или напряжение) , функционально связанную с измеряемой величиной Х. Величина Y непосредственно воздействует на измерительный механизм (ИМ). По характеру преобразования измерительная цепь может представлять собой совокупность элементов.
Различные измерительные цепи позволяют использовать один и тот же ИМ при измерениях разных величин : напряжения , тока , сопротивления , меняющихся в широких пределах.
Измерительный механизм является основной частью конструкции прибора и преобразует электромагнитную энергию в механическую энергию, необходимую для отклонения его подвижной части на угол α относительно неподвижной. По способу создания вращающего момента ИМ подразделяются на типы :
магнитоэлектрический
электромагнитный
электродинамический
электростатический
индукционный
Подвижная часть ИМ представляет собой механическую систему с одной степенью свободы относительно оси вращения. Момент количества движения равен сумме моментов , действующих на подвижную часть в соответствии с дифференциальным уравнением
,
где – момент инерции массы подвижной части , α – угол отклонения подвижной части;
–угловое ускорение, а - момент сил инерции.
На подвижную часть ИМ при её движении воздействует :
Вращающий момент Мвр , определяемый для всех ЭИП скоростью изменения энергии электромагнитного поля Wэм , сосредоточенной в механизме по углу отклонения α подвижной части.
, (56)
где n=1; 2.
Вращающий момент является некоторой функцией измеряемой величины Х, а следовательно, Y (тока, напряжения , произведения токов и т. д. ) и α . Чтобы подвижная часть не доходила всякий раз до упора при любом значении измерительной величины Х, а поворачивалась 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 - противодействующий момент Мпр , создаваемый механическим путем с помощью спиральных пружин , растяжек , подводящих проводов и пропорциональный углу отклонения α подвижной части:
Мпр=-Wα , (57)
Где W- удельный противодействующий момент на единицу угла закручивания пружины (зависит от материала пружины и его геометрических размеров).
Момент успокоения Мусп , т. е. момент сил сопротивления движению , всегда направленный навстречу движению и пропорциональный угловой скорости отклонения :
, (58)
где Р - коэффициент успокоения (демпфирования). Подставив (56), (57), (58) в (55) получим дифференциальное уравнение отклонения подвижной части механизма:
(59)
Установившееся отклонение подвижной части ИМ определяется равенством вращающего и противодействующего моментов, т. е. Мвр= Мпр , в том случае, если два первых члена левой части дифференциального уравнения (59) равны нулю. Это равенство позволяет вывести уравнение шкалы, показывающее зависимость угла отклонения α подвижной части от значения измеряемой величины Х и параметров ИМ.
Быстрота успокоения подвижной части зависит от частотных свойств подвижной части ИМ.
Частотную характеристику системы можно получить на основе передаточной функции.
Представим (59) в операторной форме
(60)
На основании этого вспомогательного уравнения можно записать передаточную функцию ИМ в операторной форме (61)
Заменой оператора получаем комплексный коэффициент передачи ИМ
(62)
Модуль комплексного коэффициента передачи имеет вид
Если ввести обозначения : - собственная резонансная частота ИМ,- степень успокоения ,- приведенная или относительная частота изменения измеряемой величины Х, то формула (63) принимает вид(64)
График зависимости (64) дан на рис.16
Если q=0, то K=1/W
q=1, то K=1/(2βW)
q=2, β=1, то k=1/(5W)
Здесь показали режимы β<1-колебательный
β=1-критический
β>1-апериодический
Период собственных колебаний ИМ примерно 1 секунда . Следовательно отклонение подвижной части ИМ при частотах более 10Гцпрактически равна нулю. Поэтому приборы с такими ИМ применяют в цепях постоянного тока. Рабочий диапазон частот ∆q прибора , где K(q)=const , при f<1Гц.
4.1. Магнитоэлектрические измерительные приборы
Работа магнитоэлектрических ИМ основана на принципе взаимодействия катушки с током и магнитного потока постоянного магнита. Наиболее распространены ИМ с подвижной рамкой (катушкой 5) и внешним магнитом 1 (рис.18). ИМ состоит из внешнего магнита 1, магнитопровода 2, цилиндрического сердечника из магнитомягкого железа 4, полюсных наконечников 3. В воздушном зазоре между полюсными наконечниками магнита и цилиндрическим сердечником создается практически равномерное радиальное магнитное поле.
В воздушном зазоре помещается рамка 5 из тонкого изолированного медного провода, намотанного на легкий бумажный или алюминиевый каркас прямоугольной формы.
К рамке с двух сторон приклеивают алюминиевые буксы 6, в которых закрепляют полуоси 7 или растяжки. Рамка может поворачиваться вместе с осью и стрелкой 8. Измеряемый ток I пропускают в обмотку рамки через две спиральные пружины 9, создающие противодействующий момент. Для уравновешивания подвижной части служат противовесы – грузики 10. Алюминиевая стрелка и шкала образуют отсчетное устройство.
Полуоси представляют собой легкую алюминиевую трубку, в которую запрессовывают керны (стальные отрезки). Концы кернов затачивают и на конус с полусферическим закруглением. Опираются керны на агатовые подпятники 11.
Одним концом пружину противодействующего момента 9 крепят к полуоси, а другим к поводку 12 корректора . Корректор , устанавливающий на ноль стрелку 8 не включенного прибора , состоит из винта 13 с эксцентрично расположенным пальцем 14 и вилки с поводком 15. Винт корректора выводится на переднюю панель корпуса прибора, вращаясь, он двигает вилку 12, что вызывает закручивание пружины и соответственно перемещение стрелки 8. Ток в рамке создает вращающий момент
(65)
где -энергия магнитного поля системы, состоящей из постоянного магнита и рамки с током;
- поток постоянного магнита , сцепленный с обмоткой рамки , по которой протекает ток I;
В - магнитная индукция в воздушном зазоре;
S – площадь рамки или среднего витка рамки;
n – число витков обмотки рамки.
Вращающий момент ИМ с радиальным равномерным магнитным полем в воздушном зазоре не зависит от угла отклонения α подвижной части. Под действием момента подвижная часть поворачивается вокруг оси , тем самым закручивая спиральные пружины , создающие противодействующий момент. При отклонении рамки на некоторый угол α вращающий и противодействующий моменты станут равными по значению и дальнейшее отклонение рамки прекратится. Из условия равенства моментов=и из (65),(57) следует
(66)
Откуда угол отклонения подвижной части механизма
(67)
где - чувствительность измерительного механизма по току.
Из (67) следует, что отклонение α подвижной части ИМ линейно растет с увеличением тока I , т. е. шкала прибора равномерная.
Повышение чувствительности ИМ может быть достигнуто за счет увеличения индукции В в зазоре, числа витков n рамки или уменьшения удельного противодействующего момента W пружин.
При изменении направления тока I изменяется направление отклонения подвижной части ИМ;
при включении ИМ в цепь переменного тока из-за инерционности его подвижной части среднее значение вращающего момента за период переменного тока будет равен нулю.
В магнитоэлектрических ИМ успокоение подвижной части магнитоиндукционного принципа : при отклонении подвижной части в поле постоянного магнита в алюминиевом каркасе рамки , а также в витках обмотки рамки , замкнутой на некоторое внешнее сопротивление , индуцируются токи , создающее совместно с полем постоянного магнита тормозящий момент , быстро успокаивающий подвижную часть (время упокоения не более 4 секунд).
Достоинства МЭ ИМ :
высокая чувствительность , удается создать приборы с отклонением на всю шкалу при токе 0,01мкА(10нА);
большая точность;
высокий класс точности прибора 0,2 , 0,1 и даже 0,05;
очень малое потребление тока от внешней цепи ( можно снизить потребляемую мощность до , т. е. до 1нВт);
высокая устойчивость на воздействие внешних магнитных полей ( т. к. высока индукция в зазоре собственного магнита ).
Недостатки:
сложность изготовления;
плохая перегрузочная способность, обусловленная лёгким перегревом противодействующих пружин и изменение их упругих свойств ( отсюда изменение градуировки шкалы );
температурные влияния на точность измерения .
Применение магнитоэлектрических ИМ:
в многопредельных и широкодиапазонных амперметрах , вольтметрах для непосредственного измерения в цепях постоянного тока;
в гальванометрах – высокочувствительных измерительных приборах с неградуированной шкалой для измерения малых токов , напряжений менее, зарядов и для обнаружения тока и напряжения ( индикаторы нуля ) в мостовых и компенсационных цепях;
в аналоговых омметрах , термоэлектрических амперметрах и в комбинированных вольтметрах с выпрямительными преобразователями при измерениях переменного тока и напряжения.