Электромеханические измерительные приборы

Электромеханический измерительный прибор прямого действия представляет собой прибор, в котором положение подвижной части зависит от значения измеряемой величины. В таком приборе происходит одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации от входа к выходу без применения обратной связи. Независимо от назначения и принципа действия такие приборы состоят из измерительной цепи, измерительного механизма и отсчетного устройства(рис. 19.1).

Рис. 19.1

Измерительная цепь – совокупность элементов измерительного прибора, образующих непрерывный путь прохождения измеряемого сигнала одной физической величины от входа к выходу. В измерительной цепи происходит одно из ряда преобразований измеряемой величины х в функционально связанную с ней электрическую величину у.

Измерительный механизм – часть прибора, которая вызывает необходимое перемещение его указателя (стрелки, светового пятна и др.). В измерительном механизме магнитная энергия, пропорциональная измеряемой величине, преобразуется в механическую энергию, вызывающую перемещение подвижной части на угол .

Отсчетное устройство – часть прибора, показывающая значение измеряемой величины.

Общими элементами аналоговых электромеханических приборов являются: корпус (из металла или пластмассы), неподвижная и подвижная части (катушка, ферромагнитный магнитопровод или алюминиевый вращающийся диск), противодействующее устройство (спиральная или ленточная пружина), успокоитель (жидкостный или магнитоиндукционный), корректор нулевого положения и отсчетное устройство (шкала и указатель).

При включении прибора на его подвижную часть действуют два момента:

вращающий (возникающий в результате взаимодействия электромагнитных полей, возбуждаемых подвижной и неподвижной частями)

, (19.1)

где – производная электромагнитной энергии по углу перемещения подвижной части ;

противодействующий (обусловлен противодействием закручивающейся пружины)

, (19.2)

где – удельный момент пружины, зависящий от ее размеров и материала.

Под действием вращающего момента закручивается (или раскручивается) противодействующая пружина. В этом случае подвижная часть (и указатель) под действием разности моментов будет перемещаться в ту или иную сторону до их равенства.

Рис. 19.2

Магнитоэлектрические приборы. Принцип действия магнитоэлектрических приборов основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и поля контура с током. Возникающий момент вызывает перемещение подвижной части (катушки с током или постоянного магнита) относительно неподвижной. Механизмы таких приборов выполняют с подвижной катушкой (рамкой) или подвижным магнитом. Большое распространение вследствие высокой точности и чувствительности получили магнитоэлектрические приборы с подвижной катушкой (с внешним постоянным магнитом). Механизм такого прибора состоит (рис. 19.2) из указателя (стрелки), подвижной катушки (рамки), в полости которой помещен неподвижный постоянный магнит. Катушка укреплена на полуосях, с которыми соединены две спиральные пружины, используемые для создания противодействующего момента.

При включении прибора по его подвижной катушке протекает ток, который, взаимодействуя с полем постоянного магнита, создает вращающий момент

, (19.3)

где В – магнитная индукция в зазоре; s – площадь катушки; – число витков катушки.

Установившееся состояние подвижной части механизма наступит при равенстве вращающего и противодействующего моментов. Поэтому угол отклонения (установившееся положение) указателя отсчетного устройства прибора пропорционален току

, (19.4)

где S – чувствительность (конструктивный параметр) прибора.

Разновидностью магнитоэлектрических приборов является магнитоэлектрический логометр (рис. 19.3). Его подвижная часть представляет собой две катушки, укрепленные на одной оси и помещенные в поле постоянного магнита. Направления токов в катушках I1 и I2 выбирают такими, чтобы создаваемые ими вращающие моменты М1 и М2 были направлены в противоположные стороны. При включении прибора его подвижная часть перемещается в сторону действия большего момента до их равенства. Поэтому угол отклонения (установившееся положение) указателя пропорционален отношению токов в подвижных катушка

, (19.5)

где – чувствительность логометра.

Логометры широко применяют в приборах для измерения сопротивлений – омметрах и мегомметрах, а также для измерений и регистрации температуры, влажности, давлений, расходов жидкостей и др.

Другой разновидностью магнитоэлектрических приборов являются гальванометры – приборы высокой чувствительности. Повышенной чувствительности в гальванометрах по сравнению с ранее рассмотренной конструкцией механизма достигают за счет подвеса подвижной части или удлинения указателя (применения светового отсчета).

Для использования магнитоэлектрических приборов в цепях переменного тока их комплектуют различными преобразователями переменного тока в постоянный. В зависимости от вида преобразователя, используемого в приборе, различают тепловые и электронные приборы (рассмотрены в разделе 19.3).

Схема теплового измерительного прибора представляет собой сочетание теплового преобразователя и магнитоэлектрического прибора. В качестве теплового преобразователя в таких приборах применяют термопары – соединение двух однородных металлов (в виде стержней или проводников), спаянных (или сваренных) одними концами и со свободными противоположными концами. При воздействии на соединенные концы термопары температуры проводника, нагретого вследствие протекания измеряемого тока, между свободными концами возникает термо-ЭДС. Значение этой термо-ЭДС пропорционально разности температур соединенных и свободных концов термопары. Перемещение подвижной части механизма магнитоэлектрического прибора, включенного между свободными концами термопары, пропорционально квадрату измеряемого тока

, (19.5)

где – коэффициент, зависящий от свойств термопары и измерительного механизма прибора.

Тепловые измерительные приборы имеют высокую точность измерений в большом частотном диапазоне. Их показания не зависят от формы измеряемого тока, однако чувствительность и перегрузочная способность невысока. Используют такие приборы в основном в качестве амперметров и (реже) вольтметров в цепях с несинусоидальной формой тока промышленной и повышенной частот.

Магнитоэлектрические приборы имеют высокую точность и чувствительность, большой вращающий момент при малых измеряемых величинах (токах), высокую стабильность элементов, что позволяют создавать приборы классов точности до 0,1.

Рис. 19.4

Магнитоэлектрические приборы широко применяют в качестве амперметров и вольтметров постоянного тока. Так как приборы вибро- и ударопрочные, их устанавливают в распределительных щитах передвижных электростанций, приборных панелях автомобилей, сельскохозяйственных машин и тракторов.

Измерительные системы.

При изготовлении и налаживании даже несложной радиоаппаратуры необходимо измерять токи, напряжения, сопротивления резисторов, индуктивности катушек и т.д. При этом единицами измерения служат: для силы тока – ампер, напряжение – вольт, сопротивление – ом, индуктивности – генри и т.д. Измерение осуществляют с помощью стрелочных приборов: амперметров, вольтметров, омметров, ваттметров и т.д. Основой этих приборов является электроизмерительных механизм, который преобразует электрические величины (ток или напряжение) в механическую силу ( вращающий момент), под действием которой подвижная часть механизма и связанная с ней стрелка отклоняется. Шкала измерительного прибора проградуирована в значениях измеряемой величины таким образом, что по углу отклонения стрелки можно судить о значении измеряемой величины в настоящий момент. Различают следующие типы электроизмерительных приборов: магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, ферродинамические, электростатические, термоэлектрические, тепловые и электронные.