 |
Измерительные механизмы электромеханических измерительных приборов.
|
|
|
|
Измерительный механизм является преобразователем подведенной к нему электрической энергии в механическую энергию, необходимую для перемещения его подвижной части. Как правило, подвижная часть имеет одну степень свободы – может вращаться вокруг оси или, значительно реже, совершать линейное перемещение. Вращающий момент, поворачивающий подвижную часть измерительного механизма, является некоторой функцией измеряемой величины х и угла поворота α:
М = f1(x,α).
Общее выражение вращающего момента можно представить как производную энергии электромагнитного поля по углу поворота подвижной части:
М=dW/dα
Под действием вращающего момента подвижная часть будет поворачиваться до тех пор, пока он не уравновесится противодействующим моментом Мпр. Противодействующий момент также является функцией угла поворота:
Мпр=f2 (α)
Таким образом. угол поворота α зависит от измеряемой величины х. Уравнение α=f(x) является уравнением преобразования измерительного механизма прибора.
Магнитоэлектрические механизмы.
Механизмы этого типа основаны на взаимодействии поля постоянного тока, проходящего через катушку, с полем постоянного магнита, подвижная часть механизма представляет собой рамку (катушку) прямоугольной формы на алюминиевом каркасе либо без каркаса. Рамка может поворачиваться вокруг оси. Рамка крепится на жестких полуосях, вращающихся в опорах или на растяжках. К рамке подвешивается стрелка, уравновешиваемая грузиками. Магнитная цепь состоит из постоянного магнита с полюсными наконечниками, имеющими цилиндрическую расточку, цилиндрического сердечника и магнитопровода. Рамка вращается в зазоре между сердечником и полюсными наконечниками. В зазоре существует сильное, практически равномерное радиальное поле с индукцией В=μН, где Н – напряженность поля магнита, а μ - магнитная проницаемость воздуха. Энергия электромагнитного поля в зазоре определяется произведением:
|
|
|
We= ФI,
Где Ф – поток, сцепляющийся с рамкой; I - ток в рамке.
Активными сторонами рамки являются стороны длиной l- рис. 5.1. Эти стороны при вращении рамки пересекают силовые линии поля магнита.
Ток в цепи измерительного механизма:
U
I ═ ——————.
r1 + r2 + Rg
следовательно, угол поворота:
1 dM U2
α ═ —— —— ——————.
W dα (r1+r2+Rg)2
Обычно Rg >>(r1+r2), тогда
U2 dM
Α ═ ——— ———.
WRg2 dα
На переменном токе берут значение не активного, а полного сопротивления цепи. В связи с тем, что дополнительный резистор Rg выполняется из манганина, общая температурная погрешность вольтметров невелика и тем меньше, чем больше предел измерения.
Для уменьшения частотной погрешности из-за увеличения индуктивного сопротивления катушек с частотой применяют шунтирование всего или части дополнительного резистора конденсатором. Уменьшение емкостного сопротивления компенсирует увеличение индуктивного сопротивления катушек. Вольтметры изготавливаются на пределы измерения от 1.5 до 600 В на частоты до 5 кГц классов точности от 0,2 до 2,5.
На базе электродинамических измерительных механизмов выпускаются ваттметры. В них обе секции неподвижной катушки включены последовательно в цепь нагрузки – рис. 5.12, а подвижная катушка подключена к напряжению через дополнительный резистор Rg.
Ток в подвижной катушке:
U U
In ═ ———— ═ —— Rn
Rn + Rg Rпр
Угол поворота на постоянном токе: In I
I UI dM
Α ═ —— —— ——— C Rg Zн
W Rпр dα
Рис.5.12.Электродинамический
ваттметр, схема включения.
Шкала ваттметра будет равномерной, если dM/dα=const.
В цепи переменного тока ток подвижной части отстает от напряжения на фазовый угол δ из-за наличия индуктивности в параллельной цепи – рис.5.13. Угол поворота подвижной части ваттметра на переменном токе:
|
|
|
К U δ In I
α ═ —— UIcos(φ—δ) α
W
Рис. 5.13. 45
(самая высокая среди всех систем), малое собственное потребление, малое влияние внешних электромагнитных полей, равномерная шкала, слабое влияние переменных высокочастотных помех.
Недостатками приборов считают их сложность, высокую стоимость и чувствительность к электрическим и механическим перегрузкам.
сердечник
N S магнит
рамка
Рис. 5.2. Принцип реализации магнитоэлектрического механизма.
Магнитоэлектрические измерительные механизмы являются основой амперметров и вольтметров постоянного тока.
При токах до 100 mА амперметр включают в цепь непосредственно, так, что весь ток проходит через обмотку рамки —
рис. 5.3:
Rс Rн При этом чувствительность
прибора равна чувствитель- ности измерительного механи-
I зма. Изменение температуры
среды сказывается на погреш-
ности измерения незначительно, т.к. при любом сопротивлении рамки прибор показывает реальный ток, проходящий по ней. Температура сказывается только на жесткости пружин противодействующего механизма.
В амперметрах на большие токи измерительный механизм включают через шунт – рис. 5.4. Чувствительность амперметра с шунтом:
S = S′/(Rн / Rш+1)
Rш Rн
 |
І0
I
Rc
Рис. 5.4. Включение амперметра через шунт.
Наличие шунта ухудшает температурную стабильность показаний за счет перераспределения токов между шунтом и измерительным механизмом.
Для ее уменьшения используют дополнительное сопротивление из манга-нина, имеющего малый ТКС, включаемое последовательно с рамкой R0.
Характер шкалы принципиально неравномерный и зависит от изменения взаимоиндуктивности. Конструктивными мероприятиями удается линиаризовать шкалу в значительной ее части.
Достоинствами электродинамических приборов являются возможность работы на постоянном и переменном токах, стабильность показаний, а недостатками – невысокая чувствительность, большое собственное потребление и чувствительность к перегрузкам. Приборы этой системы могут работать в области частот до 10 кГц.
|
|
|
Ферродинамические приборы отличаются тем, что неподвижная катушка имеет магнитопровод из магнитомягкого материала. Наличие магнитопровода резко увеличивает магнитный поток, а следовательно, и вращающий момент. Ферромагнитные приборы обладают большей чувствительностью, но меньшей точностью (из-за потерь от гистерезиса и вихревых токов). Ферромагнитные приборы, как правило, используются на низких промышленных частотах.
Электродинамические логометры содержат две подвижные катушки, закрепленные под углом на одной оси. Если обозначить токи в подвижных катушках через i1 и i2, а сдвиги фаз этих токов относительно тока неподвижной катушке через ψ1, ψ2, то угол поворота подвижной части логометра можно выразить в виде:
α=f (I1cos ψ1/ I2cos ψ2).
Следовательно, показания логометра зависят от соотношения токов в подвижных катушках.
Электродинамические миллиамперметры и амперметры с током до 0.5А образуются путем последовательного соединения неподвижной и подвижной катушек - рис. 5.9. В этом случае прибор реагирует на реальный ток, и показания слабо зависят от изменения сопротивления катушек с температурой. Угол поворота подвижной части такого амперметра
α=I2 dM/dα/W
 |
I
I
Рис. 5.9. Электродинамический миллиамперметр, схема включения
Конструктивно, изменяя форму и взаимное положение катушек, стремятся выполнить условие линеаризации шкалы:
I dM/dα = const.
При этом угол поворота будет пропорционален действующему значению тока.
Существуют магнитоэлектрические приборы с неподвижной катушкой и подвижным магнитом. Такие приборы обладают невысокой точностью, но очень надежны в тяжелых условиях эксплуатации. Область их применения - устройства самолетной и автотракторной техники.
|
|
|
