ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ПРИБОРЫ НА ИХ ОСНОВЕ

Общие сведения об электромеханических измерительных приборах.

Электромеханические приборы составляют большую группу электро­измерительных приборов. Их основными, частями являются электро­измерительная цепь ИЦ и измерительный механизм ИМ (рис. 1.5). Измерительная цепь служит для преобразования измеряемой величи­ны х в некоторую промежуточную электрическую величину у, фун­кционально связанную с величиной х, т.е. у = f(х). Электрическая величина у, например, ток или напряжение, непосредственно воздей­ствует на измерительный механизм; ее называют входной величи­ной. Входные величины создают механические силы, действующие на подвижную часть измерительного механизма и вызывающие ее перемещение (чаще всего угловое). Поэтому измерительный меха­низм рассматривают как преобразователь электрической величины в механическое перемещение и называют электромеханическим преоб­разователем.

Рис 1.5. Структурная схема электромеха­нического прибора.

Общими элементами электромеханических измерительных прибо­ров являются отсчетное устройство, подвижная часть измерительного механизма, устройства для создания вращающего, противодействую­щего и успокаивающего моментов.

Вращающий момент , действующий на подвижную часть, яв­ляется функцией измеряемой величины х (тока или напряжения).

(1.10)

Подвижная часть измерительного механизма под действием  пе­ремещается до тех пор, пока он не уравновесится противодействующим моментом  , создаваемым с помощью растяжек или спиральных пру­жин при их закручивании. Значение противодействующего момента про­порционально углу поворота подвижной части α: , где

k — удельный противодействующий момент растяжки или пружины.

Установившееся отклонение подвижной части и укрепленного на ней указателя характеризуется равенством

                                                                                    (1.11)

В измерительном механизме подвижную часть крепят с помощью опорного устройства, включающего, как правило, керны и подпятники.

Рис.1.6. Подвижная часть электромеханического прибора

На рис. 1.6 представлено устройство подвижной части измерительного механизма, в котором противодействующий момент создается спираль­ными пружинами 5 и 6, выполненными из оловянно-цинковой бронзы. Пружина 6 одним концом крепится к оси 2, а другим — к поводку 4корректора. Корректор служит для установки на нуль стрелки невключен- ного прибора. Он состоит из винта 9 с эксцентрично расположенным пальцем 8, вилки 7 с поводком 4. Для уравновешивания подвижной части служат грузики-противовесы 10. Ось 2заканчивается кернами, опираю­щимися на подпятники 1. Жестко с осью закреплена стрелка 3.

В приборах со спиральными противодействующими пружинами для создания момента успокоения чаще применяют воздушные успокоители. Они представляют собой закрытую камеру, в которую помещается легкое алюминиевое крыло, жестко связанное с подвижной частью измеритель­ного механизма. При перемещении воздуха изодной части камеры в другую через зазор (между камерой и крылом) тормозится движение кры­ла, создавая момент успокоения.

Отсчетное устройство имеет шкалу и указатель На шкалу нанесены отметки в виде коротких черточек, соответствующих определенным зна­чениям измеряемой величины. Интервал между соседними отметками шкалы называют делением.

Шкалы могутбыть равномерными и неравномерными.

Область между начальным и конечным значениями называют диапа­зоном показаний прибора.

Значение измеряемой величины отсчитывается с помощью указа­теля — стрелки, жестко закрепленной с подвижной частью измерительно­го механизма.

В зависимости от характера физических явлений, положенных в осно­ву создания вращающего момента, различают магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, индукционные и электростати­ческие измерительные механизмы или преобразователи. Аналогичное на­звание в зависимости от вида используемого преобразователя имеют электромеханические измерительные приборы.

Основными характеристиками электроизмерительных приборов яв­ляются: погрешность, вариация показаний, чувствительность, потреб­ляемая энергия, время установления показаний и надежность.

Вариация показаний прибора — наибольшая разность показаний прибора при одном и том же значении измеряемой величины. Она определяется при плавном подходе стрелки к выбранной отметке шка­лы и движении стрелки один раз от начальной, а второй раз от конеч­ной отметки. Причиной вариации является в основном трение в опо­рах подвижной части прибора.

Чувствительность S прибора — отношение приращения переме­щения указателя Да к приращению измеряемой величины Δх .

(1.12)

Если чувствительность постоянна (шкала равномерная), то ее мож­но определить как

Величина, обратная чувствительности  называется ценой деления (постоянной) прибора Она равна числу единиц измеряемой величины, приходящихся на одно деление шкалы. Например, при

S=10 дел/В постоянная с = 0,1 В/дел.

Потребляемая энергия — энергия, которую потребляет прибор при включении его в цепь. Она влияет на режим работы цепи, что в ко­нечном счете приводит к увеличению погрешности измерения. Поэто­му малое потребление энергии является достоинством прибора.

Время установления показаний — промежуток времени с момента начала воздействия измеряемой величины до момента, когда указа­тель займет положение, отличающееся от установившегося значения не более, чем на 1,5%. Время установления показаний для большинст­ва аналоговых измерительных приборов не превышает 4 с.

Надежность — способность электроизмерительных приборов со­хранять заданные характеристики при определенных условиях рабо­ты в течение заданного времени Количественной мерой надежности является среднее время безотказной или исправной работы прибора.

Магнитоэлектрические механизмы и приборы. Магнитоэлектричес­кий механизм (рис. 1.7) состоит из цилиндрического постоянного магни­та 3 и магнитопровода 2. В рабочем зазоре между сердечником постоянного магнита и магнитопроводом образуется равномерное ради­альное магнитное поле с магнитной индукцией В. Подвижная катушка 1, выполненная из тонкого изолированного провода, помещена в рабочийзазор и укреплена на осях. Концы обмотки электрически соединены со спиральными пружинами. При наличии тока I в катушке на активную длину l витка катушки действует сила F, равная согласно закону Ампера,

,

где w — число витков катушки.

Рис 1.7. Магнитоэлектрический измерительный механизм.

Под действием пары таких сил, действующих на обе активные сторо­ны катушки, создается вращающий момент

(1.13)

где bus — соответственно ширина и площадь катушки (s = bl): Ф — магнитный поток; ψ — потокосцепление катушки.Из последнего выражения видно, что вращающий момент прямо пропорционален току. С учетом выражения  уголповорота такжепропорционален току I:

, (1.14)

где  — чувствительность измерительного механизма по току — величина постоянная.

Магнитоэлектрические приборы, в которых используются магнитоэлектрические измерительные механизмы, приме­няют для измерения постоянных токов (амперметры), напряжений (вольтметры), сопротивлений (омметры) и т.д.

Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры имеют высокую точность, равномерную шкалу, обладают малым потреблением энергии от объекта измерения.

К недостаткам этих приборов относятся, непригодность к работе в це­пях переменного тока, чувствительность к перегрузкам и зависимость по­казаний от окружающей температуры.

Магнитоэлектрические приборы имеют высокую чувствительность и потому широко используются в качестве нулевых индикаторов при измерениях в мостовых и компенсационных цепях постоянного тока. Их применяют также в качестве лабораторных и щитовых приборов на электростанциях и других электрических предприятиях.

Магнитоэлектрические приборы в сочетании с различными преоб­разователями переменного тока в постоянный служат для измерения в цепях переменного тока. К таким приборам относятся выпрями­тельные и термоэлектрические приборы.

Выпрямительные приборы образованы сочетанием магнитоэлектрического измерительного механизма и выпрямительного ус­тройства (рис. 1.8, а). Они преобразуют переменный ток в пульсирующий. Подвижная часть измерительного механизма обладает, как отмечалось, инерцией и поэтому реагирует на среднее значение пульсирующего тока.

В случае измерения синусоидального тока при использовании двух- полупериодного выпрямителя (рис. 1.8, б) на подвижную часть изме­рительного механизма действует вращающий момент

где I — действующее значение синусоидального тока.

Шкалу выпрямительного прибора градуируют в действующих зна­чениях синусоидального тока I (или синусоидального напряжения U)и уравнение шкалы имеет вид

,                                                                                              (1.15)

где  — коэффициент формы синусоиды.

Действующее значение несинусоидальных токов и напряжений эти­ми приборами измерить нельзя. Можно измерить средние значения, но при этом показание прибора нужно разделить на 1,11 :

 .

Выпрямительные приборы часто выполняют в виде комбиниро­ванных многопредельных приборов: в одном приборе сочетаются ам­перметр и вольтметр, каждый на несколько пределов измерения.

Преимуществами выпрямительных приборов являются высокая чув­ствительность (наименьшие пределы измерения 0,25 — 0,3 мА и 0,3 В), малое собственное потребление энергии, широкий частотный диапа­зон (10 — 20 кГц). К недостаткам следует отнести неравномерность шкалы в начале (до 15% предела измерения), невысокую точность (высший класс точности 1,0), непригодность для измерений в цепях несинусоидального тока.

Рис 1.9. Электрическая схемаРис 1.9. Электрическая схема

выпрямительных приборатермоэлектрического прибора.

Термоэлектрические приборы представляют собой сочетание магнитоэлектрического механизма и одного или нескольких термопреобразователей. На рис. 1.9 показана схема прибора с одним тер­мопреобразователем: в нем измерительный механизм подключен к хо­лодным концам термопары, рабочие концы которой (горячий спай) под­соединены к нагревателю, включаем омл в цепь и теряемого тока I.

ТермоЭДС, образующаяся на холодных концах термопары, пропорци­ональна квадрату действующего значения тока, нагревающего проволоку нагревателя. Шкала термоэлектрического прибора проградуирована не­посредственно в действующих значениях тока или напряжения

Термоэлектрические приборы используют в качестве амперметров и вольтметров в широком частном диапазоне (от 10 Гц до 100 МГц) Пре­муществами термоэлектрических приборов являются независимость по­казаний от формы кривой тока или напряжения, пригодность для измере­ний постоянных и переменных токов. К основным недостаткам относятся небольшой срок службы, большое собственное потребление энергии и малая перегрузочная способность.

Электромагнитные механизмы и приборы.Электромагнит­ный механизм (рис 1.10) состоит из неподвижной катушки 1и укрепленной на оси 4 подвижной пластинки 2 из магнитномягкого мате­риала. При наличии в катушке тока I создается магнитное поле, которое намагничивает ферромагнитную пластинку, и она втягивается внутрь ка­тушки. Возникающий при этом вращающий момент пропорционален квадрату тока . Противодействующий момент  создает­ся спиральной пружиной 3.С учетом равенства

,                                                         (1 16)

где с и  — постоянные коэффициенты. Часто квадратичную шкалу выравнивают, подбирая соответствующую форму ферромагнитной пластинки.

Электромагнитные приборы, построенные на базе электромагнитных измерительных механизмов, применяют для изме­рения в цепях постоянного и переменного тока в качестве ампермет­ров и вольтметров. Они являются одними из самых распространен­ных щитовых приборов для измерений в цепях переменного тока (про­сты по устройству, не имеют токоподвижных частей, сравнительно хорошо переносят перегрузки). Недостатками этих приборов являют­ся невысокая точность, большое собственное потребление энергии, ограниченный частотный диапазон, чувствительность к внешним маг­нитным полям.

Выпускают щитовые амперметры классов 1,0; 1,5; 2,5 на токи до 300 А при прямом включении и до 15 кА с наружными трансформа­торами тока.

Щитовые вольтметры тех же классов точности выпускают на на­пряжении до 600 В с прямым включением и до 750 кВ с трансформа­торами напряжения.

Электродинамические механизмы и приборы. Электродина­мический механизм (рис. 1.11) состоит из неподвижной 1 и подвижной 2 катушек, поршня и камеры. Подвижная катушка мо­жет поворачиваться вокруг оси внутри двух секций неподвижной катушки. При наличии в катушках токов  и  возникают электро­магнитные силы взаимодействия, стремящиеся повернуть катушку 2 со­осно с катушкой 1. В результате возникает вращающий момент

.

Рис 1.10 Электромагнитный измерительный механизм.

При синусоидальных токах и

вращающий момент электродинамического измерительного механизма пропорционален произведению действующих значений токов в катушках и косинусу угла сдвига фаз между ними. Угол отклонения подвижной части измерительного механизма выражается формулой

,                                                                                  (1.17)

где  и — действующие значения токов  и .

Электродинамические приборы, в которых используются вышеописанные механизмы, применяют в цепях постоян­ного и переменного тока для измерения тока, напряжения и мощности. Они отличаются высокой точностью (класс точности 0,1; 0,2 и 0,5), неза­висимостью показаний от формы кривой тока и напряжения.

К недостаткам этих приборов следует отнести сравнительно низкую чувствительность, большое собственное потребление энергии, влияние внешних магнитных полей и ограниченный частотный диапазон.

Индукционные механизмы и приборы. Индукционный механизм (рис. 1.12) состоит из двух неподвижных магнитопроводов 1 и 2 с обмотками и подвижного алюминиевого диска 4, укреплен­ного на оси. Магнитные потоки  и  создаваемые синусоидаль­ными токами  и  и пронизывающие диск, смещены в пространстве. При этих условиях в диске образуется бегущее магнитное поле, под влиянием которого диск приходит во вращение. Магнит 3 служит для создания тормозного момента. Сред­нее значение вращающего момента

                                                                                     (1.18)

Индукционные приборы используют главным образом в качестве однофазных и трехфазных счетчиков энергии переменного тока. Счетчики имеют классы точности 1,0 и 2,5. Промышленность выпускает однофазные счетчики электроэнергии на токи 5 и 10 А и напряжения 127 и 220 В; трехфазные счетчики на токи до 50 А и напряжения 127, 220 и 380 В для непосредственного включения и до 2000 А и 35 кВ для включения через измерительные трансформаторы.

Электростатические механизмы и приборы. Электростати­ческий механизм (рис. 1.13) состоит из двух (и более) металлических изолированных пластин, выполняющих роль электро­дов. На неподвижные пластины I подается потенциал одного знака, а на подвижные

пластины 2 — потенциал другого знака. Подвижная пластина вместе с указателем укреплена на оси и под действием сил электрического поля между пластинами поворачивается. При посто­янном напряжении U между пластинами вращающий момент пропор­ционален зарядам (q = CU) на этих пластинах, где С — емкость между подвижными и неподвижными пластинами.

Рис 1.12. Индукционный измерительный        Рис 1.13. Электростатический

механизм.                                                            измерительный механизм.

При синусоидальном напряжении  подвижная часть механизма реагирует на среднее значение момента, равного ,где U — действующее значение напряжения.

Электростатические приборы, в которых используются электростатический механизм, применяют исключи­тельно в качестве вольтметров для измерения постоянного и перемен­ного напряжений. Из выражения (1.19) следует, что угол отклонения указателя электростатического прибора пропорционален квадрату напряжения, т.е. шкала является квадратичной. Часто подбором фор­мы электродов (пластин) получают практически равномерную шкалу (в пределах 10 - 100%  ).

Электростатические вольтметры отличаются малым собственным потреблением энергии, широким частотным диапазоном (до 10 МГц), нечувствительностью к внешним магнитным полям и колебаниям тем­пературы, их показания не зависят от формы кривой измеряемого напряжения

К недостаткам этих приборов следует отнести сравнительно низкую чувствительность — без предварительных усилителей сигналов их нижний предел измерения составляет 10 В

Эти приборы изолированы от внешних электрических полей элек­тростатическими экранами.

Принцип действия прибора, возможность его работы в тех или иных условиях, возможные предельные погрешности прибора могут быть оп­ределены по условным обозначениям, нанесенным на шкалу прибора. Так, электроизмерительному прибору, шкала которого изображена на рис 1.14, можно дать следующую техническую характеристику: воль­тметр для измерения переменного напряжения в пределах от 0 до 150 В, электромагнитной системы вертикального положения класса точности 1,0. Изоляция прибора испытана на напряжение 2 кВ.

Рис 1.14 Шкала электроизмерительного прибора.

Задача 1.6. Предел измерения многопредельного прибора равен 0,6 А. Положение стрелки прибора (рис. 1.15), включенного в цепь для из­мерения тока, соответствует 25 дел. при (класс точности К=1,0). Определить значение измеренного тока  относительную пог­решность измерения тока . Записать результат измерения неизвес­тного тока  с учетом относительной погрешности измерения.

Решение. Цена деления шкалы

 А/дел.

Измеренное значение тока

 А

 (а — число делений, на которое отклонилась стрелка).

Относительная погрешность измерения

%.

Ответ: Результат измерении

 А.

Задача 1.7. Для измерения мощности в цепи постоянного тока исполь­зован ваттметр с верхними пределами измерения: по току  А,по на­пряжению  В. Сопротивление последовательной цепи ваттметра  Ом, сопротивление параллельной цепи ваттметра  Ом По какой схеме (рис. 1.16) следует включить обмотки ваттметра, чтобы при токе в нагрузочном резисторе  А и напряжении на нем  В получить наименьшую возможную относительную погрешность результата изме­рения мощности?

Рис.1.15. К задаче1.6.                 Рис 1.16. К задаче 1.7.

Решение. При включении по схеме рис. 1,16, а мощность

 Вт,

где — падение напряжения в токовой цепи ваттметра.

При включении по схеме рис 1.16,б мощность

 Вт.

Принимая  Вт за истинное значение, для относительной погрешности результата измерения мощности имеем: при включении по схеме рис. 1.16, а.

при включении по схеме рис. 1.16, б.

Ответ: Надо включать ваттметр по схеме рис 1 16,а.

Задача 1.8*. На рис. 1.17, 1.18 представлены электрические сигна­лы несинусоидальной формы. Определить результаты измерения на­пряжения и тока приборами магнитоэлектрической, электромагнит­ной и выпрямительной систем без учета погрешностей. Исходные дан­ные и ответы приведены в табл 1.3

Таблица1.3

Рис 1.17. К задаче 1.8*.

       Рис 1.18. К задаче 1.8*.

Задача 1.9. Электродинамический ваттметр Д5016/2 имеет два предела измерения по току ( ) и шесть — по напряжению

(  =30;75;150;300;450;600 В). Шкала ваттметра односторонняя с чис­лом делений . Определить цену деления ваттметра  .

Ответ приведен в табл. 1.4

Таблица 1.4.

		2,5						5
		30	75	150	300	450	600	30	75	150	300	450	600
		0,5	1,25	2,5	5	7,5	10	1,0	2,5	5	10	15	20

Задача 1.10. Определите входное сопротивление электростатичес­кого вольтметра при частотах 50,1000, 5000, 10000, 50000 и 100000 Гц, если входная емкость его равна  .

Ответ приведен в табл. 1.5.

f, Гц	50	1000	5000	10000	50000	100000
, МОм вх’	106	5,3	1,06	0,53	0,106	0,053