Электромеханические приборы прямого преобразования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки российской федерации

Чайковский филиал

федерального государственного бюджетного

образовательного учреждения высшего профессионального образования

"Пермский национальный исследовательский политехнический университет"

Кафедра гуманитарных и естественнонаучных дисциплин

Реферат на тему

«Электромеханические приборы прямого преобразования»

Выполнил: студент гр. ЭС-13-1Б

Прядеин Матвей

Проверил: Санников Л.П

2014 год



Введение

Электромеханический прибор состоит из измерительной цепи, измерительного механизма и отсчетного устройства.

В электромеханическом приборе измеряемая величина Xпреобразуется в промежуточную электрическую величину Y (ток, напряжение), а затем во вращающий момент, действующий на подвижную часть, выполненную в виде рамки, сердечника или диска.

Под действием этого момента подвижная часть поворачивается относительно неподвижной части. По углу отклонения подвижной части ^a, отмечаемому по шкале указателем, судят о числовом значении измеряемой величины.

Уравнение преобразования электромеханического прибора:

На подвижную часть при движении воздействуют следующие составляющие моментов:

Вращающий момент определяется скоростью изменения энергии электромагнитного поля, сосредоточенной в механизме, по углу отклонения ^a:

Противодействующий момент создается при помощи спиральных пружин и растяжек:

Момент успокоения - момент сил сопротивления движению, пропорционален скорости перемещения стрелки:

К электромеханической группе принадлежат измерительные приборы магнитоэлектрической, электромагнитной, электродина-мической, ферродинамической, электростатической и индук-ционной систем.

Электромеханические приборы прямого преобразования

Структурная схема и уравнение преобразования

В общем случае электромеханические приборы состоят из измерительной цепи, измерительного механизма, отсчетного устройства и строятся по структурной схеме прямого преобразования, представленной на рис. 4.1.

Измерительная цепь преобразует измеряемую величину Х в электрическую величину Х₁, непосредственно воздействующую на измерительный механизм.

Измерительный механизм (ИМ) состоит из неподвижной и подвижной частей. В ИМ электромагнитная энергия преобразуется в механическую энергию перемещения подвижной части. Под действием измеряемой величины в измерительном механизме создается вращающий момент М_ВР, поворачивающий подвижную часть ИМ. В общем случае вращающий момент зависит от измеряемой величины Х и угла поворота подвижной части a: М_ВР = f(X, a). Для электромеханических приборов вращающий момент находится как

М_ВР = dW_e /da, (4.1)

где W_e - энергия электромагнитного поля, сосредоточенная в измерительном механизме.

Для того чтобы каждому значению измеряемой величины соответствовало определенное значение угла отклонения a подвижной части, в измерительном механизме при повороте подвижной части создается противодействующий момент М_ПР, направленный навстречу вращающему и зависящий от угла поворота. При механическом создании противодействующего момента М_ПР = Wa, где W - удельный противодействующий момент. Из условия установившегося равновесия

М_ВР = М_ПР = dW_e /da = Wa, (4.2)

получим, что угол поворота подвижной части зависит от измеряемой величины, параметров прибора и может быть найден как

a = F(X, A) = [dW_e /da]/ W, (4.3)

где А - параметры измерительного механизма.

Уравнение (4.3) называется уравнением преобразования измерительного механизма электромеханического прибора [8].

Противодействующий момент в измерительных механизмах может создаваться не только механическим путем (пружинами, растяжками), но и самой измеряемой величиной. Механизмы, в которых противодействующий момент создается измеряемой величиной, называются логометрами.

Отсчетное устройство служит для визуального отсчитывания значений измеряемой величины и состоит из шкалы и указателя.

По форме шкалы делятся на: прямолинейные, дуговые и круговые (угол дуги больше 180⁰); по соотношению длин делений в пределах одной шкалы они разделяются на: равномерные и неравномерные, когда отношение длины наибольшего деления к наименьшему (коэффициент неравномерности шкалы) превышает 1,3; по числу шкал: одношкальные и многошкальные [6].

Шкалы и все надписи, характеризующие прибор, наносятся на основание (циферблат) и нормируются ГОСТ 5365- 83.

Для определения показаний прибора по отметкам шкалы используются стрелочные и световые указатели.

При работе электромеханического прибора в динамическом режиме, кроме вращающего и противодействующего моментов возникают моменты, обусловленные инерцией, сопротивлением окружающей среды, вихревыми токами. При движении подвижной части в приборе возникает динамический момент, стремящийся успокоить это движение и называющийся успокаивающим моментом. Этот момент определяет время успокоения прибора. Для получения требуемого времени успокоения в измерительном механизме выполняется специальный конструктивный элемент - успокоитель. В электромеханических приборах применяют воздушные, жидкостные и магнитоиндукционные успокоители [8].

В зависимости от принципа действия измерительного механизма электромеханические приборы разделяются на следующие группы: магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, ферродинамические, электростатические, индукционные.

Основные характеристики электромеханических приборов

К основным характеристикам электромеханических приборов относятся: точность, диапазон измерений, чувствительность, время успокоения, надежность, собственное потребление мощности и др.

Показателями точности электромеханических приборов кроме основной погрешности являются также вариация показаний и невозвращение указателя к отметке механического нуля.

Вариация показаний определяется как разность показаний прибора (при одном и том же значении измеряемой величины) при плавном подходе указателя к испытуемой отметке сначала со стороны начальной, а затем конечной отметки шкалы. Причиной появления вариации может служить трение в опорах подвижной части. Для большинства приборов вариация не должна превышать абсолютного значения допускаемой основной погрешности.

Невозвращение указателя к отметке механического нуля определяется при плавном подводе указателя к этой отметке от наиболее удаленной от нее отметки шкалы. Причиной невозвращения к нулю является упругое последействие растяжек или спиральных пружин.

Временем успокоения подвижной части измерительного механизма называется промежуток времени, прошедший с момента изменения измеряемой величины до момента, когда отличие показаний прибора от установившегося его показания не превысит ±1 % от длины шкалы. Значение времени успокоения для большинства электромеханических приборов не должно превышать 4 с (для электростатических и термоэлектрических - 6 с).

Магнитоэлектрические приборы

электромеханический прибор измерительный механизм

Основной функциональной частью магнитоэлектрического прибора является измерительный механизм.

Устройство и принцип действия магнитоэлектрического ИМ

Принцип действия магнитоэлектрических механизмов основан на взаимодействии магнитных полей постоянного магнита и катушки (рамки), по которой протекает ток.

Рассмотрим устройство и работу магнитоэлектрического механизма с механическим противодействующим моментом. Конструктивно магнитоэлектрический механизм выполняется либо с подвижной катушкой, либо с подвижным магнитом. Конструкция с подвижной катушкой показана на рис. 4.2.

Магнитная система измерительного механизма состоит из постоянного магнита 1, магнитопровода с полюсными наконечниками 4, сердечника 3. Между полюсными наконечниками находится катушка (рамка) 2, по которой протекает ток I. Рамка соединена со стрелкой 5, перемещающейся по шкале 6. При прохождении тока I по рамке 2, помещенной в равномерное, постоянное магнитное поле с индукцией В, создается вращающий момент М_ВР, действующий на подвижную часть магнитоэлектрического механизма. Выражение для определения вращающего момента представляется как

М_ВР = dW_e/da = d(YI)/da = d(BnSaI) /da = BnSI, (4.4)

где Y - потокосцепление магнитного поля постоянного магнита с рамкой; В - магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсными наконечниками; n - число витков рамки; S - активная площадь рамки; a - угол поворота рамки.

Противодействующий момент создается пружинками (на рис. 4.2 не показаны). Из равенства М_ВР = М_ПР можно получить следующее уравнение преобразования магнитоэлектрического измерительного механизма [8]:

a = BnSI/W = S_I I, (4.5)

где S_I = BnS/W - чувствительность магнитоэлектрического механизма к току.

Рассмотрим магнитоэлектрический логометрический измерительный механизм, в котором противодействующий момент создается электрическим способом. В таком механизме подвижная часть выполняется в виде двух жестко скрепленных между собой рамок 1 и 2, как показано на рис. 4.3. По обмоткам рамок протекают токи I₁ и I₂, которые создают моменты М₁ и М₂. Направления токов выбираются таким образом, чтобы моменты М₁ и М₂ действовали навстречу друг другу. Записав выражения для моментов в виде М₁ = S₁n₁F₁(a)I₁; М₂ = S₂n₂F₁(a)I_2.. Считая один из моментов вращающим, например, М₁, а второй М₂ - противодействующим, при установившемся равновесии выражение для угла отклонения подвижной части можно представить в виде

a = F(I₁/I₂). (4.6)

Рис. 4.2 Рис. 4.3

Из данного выражения видно, что магнитоэлектрический логометр измеряет отношение токов. Логометрические измерительные механизмы очень часто используются в приборах для измерения сопротивления. Показания таких приборов не зависят от напряжения питания.

Области применения, достоинства и недостатки

Магнитоэлектрические механизмы используется для построения различных приборов: 1) амперметров и вольтметров для измерения тока и напряжения в цепях постоянного тока; 2) омметров; 3) гальванометров постоянного тока, используемых в качестве нулевых индикаторов, для измерения малых токов и напряжений; 4) баллистических гальванометров, применяемых для измерений малых количеств электричества; 5) приборов для измерения в цепях переменного тока: а) выпрямительных, термоэлектрических и электронных приборов с преобразователями переменного тока в постоянный; б) осциллографических гальванометров; в) вибрационных гальванометров, используемых в качестве нулевых индикаторов переменного тока.

Достоинствами магнитоэлектрических приборов являются: 1) высокая чувствительность; 2) высокая точность; 3) малое собственное потребление мощности; 4) равномерная шкала; 5) малое влияние внешних магнитных полей.

К недостаткам магнитоэлектрических приборов можно отнести: 1) невысокую перегрузочную способность; 2) сравнительно сложную конструкцию; 3) применение, при отсутствии преобразователей, только в цепях постоянного тока.

Магнитоэлектрические приборы занимают первое место среди других электромеханических приборов. Они выпускаются вплоть до класса точности 0,05 [9].

Погрешности магнитоэлектрических приборов

Одной из основных причин возникновения погрешности является отклонение температуры от градуировочной (температурная погрешность). При повышении температуры уменьшаются магнитная индукция в рабочем зазоре (индукция уменьшается примерно на 0,2 % на 10 ⁰С) и удельный противодействующий момент (удельный противодействующий момент уменьшается примерно на 0,2-0,4 % на 10 ⁰С), увеличивается электрическое сопротивление обмотки рамки и токоподводов (пружинок или растяжек).

Следует отметить, что при уменьшении магнитной индукции показания магнитоэлектрического прибора уменьшаются, а при уменьшении удельного противодействующего момента показания увеличиваются. Таким образом, эти два фактора взаимно компенсируют друг друга.

Для уменьшения температурной погрешности, обусловленной изменением электрического сопротивления обмотки рамки и растяжек (или пружинок), в магнитоэлектрических приборах применяются различные схемные решения, например, включение последовательно с рамкой добавочного сопротивления с малым температурным коэффициентом сопротивления. Подобная схема компенсации позволяет уменьшить температурную погрешность магнитоэлектрических вольтметров до значений, соответствующих классу точности 0,1. Для милливольтметров и амперметров с шунтами более выгодно использование последовательно-параллельной схемы температурной компенсации, представленной на рис. 4.4. В этой схеме R₀ - сумма сопротивлений обмотки рамки и "медной" части упругих элементов; R₁ - сумма "манганиновой" части сопротивления упругих элементов и добавочного сопротивления из манганина; R₂ - добавочное сопротивление из манганина; R₃ - сопротивление шунта (обычно из меди или никеля).

Из анализа данной схемы следует, что при соответствующем выборе сопротивлений R_O, R₁, R₂, R₃ можно существенно уменьшить температурную погрешность. Для компенсации температурной погрешности необходимо выполнить соотношение R₂ /(R₂ +R₃) = a_R01/a_R3 (a_R01 - результирующий температурный коэффициент сопротивления цепи, состоящей из двух последовательно включенных резисторов R₀ и R₁, a_R3 - температурный коэффициент сопротивления резистора R₃), т. е. добавочное сопротивление R₂ должно быть меньше суммы этого сопротивления и сопротивления шунта R₃ во столько раз, во сколько раз температурный коэффициент сопротивления цепи рамки меньше температурного коэффициента сопротивления шунта.

Недостатком представленной схемы компенсации температурной погрешности является большое собственное потребление. Для устранения этого недостатка может использоваться схема с полупроводниковым терморезистором, показанная на рис. 4.5. Так как терморезистор обладает сравнительно малой воспроизводимостью свойств и пониженной стабильностью, данная схема применяется только в приборах класса точности не выше 0,5 [6]. Для температурной компенсации применяют также мостовые схемы, термогнитные шунты и др.

Электромагнитные приборы

Устройство и принцип действия электромагнитного ИМ

Принцип действия электромагнитного измерительного механизма основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого проводником с током, и ферромагнитного сердечника.

В настоящее время чаще других применяют электромагнитные измерительные механизмы с прямоугольными и круглыми намагничивающими катушками, призматическими и цилиндрическими сердечниками [6].

На рис. 4.6 показана конструкция электромагнитного измерительного механизма втяжного действия. При прохождении тока I по намагничивающей катушке 1 создается магнитное поле. Ферромагнитный сердечник 2, закрепленный на оси 3, при этом стремится расположиться в месте с наибольшей напряженностью поля, т. е. втягивается в зазор катушки. В электромагнитном приборе с осью 3 связана стрелка 4, которая перемещается по шкале 5. Электромагнитная энергия, создаваемая катушкой с током, определяется следующим

образом: W_e = LI²/2, где L - индуктивность катушки 1, зависящая от положения ферромагнитного сердечника 2. Выражение для вращающего момента представляется как

При создании противодействующего момента с помощью пружинок получим уравнение преобразования электромагнитного прибора.

Из выражения (4.8) следует, что угол отклонения подвижной части электромагнитного механизма не зависит от направления тока, и эти ИМ могут использоваться в цепях постоянного и переменного тока. В цепи переменного тока угол отклонения подвижной части ИМ зависит от квадрата действующего значения тока.

Области применения, достоинства и недостатки

Приборы на основе электромагнитного измерительного механизма применяются для измерения тока и напряжения в цепях постоянного и переменного тока. Наиболее просто реализуются однопредельные электромагнитные амперметры и миллиамперметры. В однопредельном амперметре катушка включается непосредственно в цепь тока, как показано на рис. 4.7 а, в вольтметре последовательно с катушкой включается добавочный резистор (рис. 4.7 б).

В многопредельных амперметрах рабочую катушку выполняют из нескольких секций, которые соединяются между собой с помощью переключателя различным образом. На рис. 4.8 показана схема трехпредельного амперметра. В многопредельных вольтметрах последовательно включаются несколько добавочных резисторов, которые переключаются в зависимости от предела.

Промышленностью выпускаются электромагнитные амперметры с номинальным током от долей ампера до двухсот ампер. Большое распространение получили щитовые амперметры и вольтметры переменного тока промышленной частоты класса точности 1,5 и 2,5. В некоторых случаях они могут использоваться на повышенных частотах (амперметры до 8 кГц). Лабораторные приборы выпускаются классов точности 0,5 и 1,0 [6]. Кроме рассмотренных измерительных механизмов, применяют также и электромагнитные логометрические механизмы.

Электромагнитный логометр содержит две катушки и два ферромагнитных сердечника, укрепленных на одной оси. Конструкция выполнена так, что при протекании токов I₁ и I₂ по катушкам движение одного из сердечников увеличивает индуктивность соответствующей катушки, а второго - уменьшает. Это приводит к тому, что вращающие моменты будут направлены в противоположные стороны, т. е. один момент будет вращающим, а второй - противодействующим. Уравнение преобразования электромагнитного логометрического измерительного механизма можно записать как:

Электромагнитные логометры применяются в фазометрах, фарадомерах, частотомерах [4].

Электромагнитные приборы обладают рядом достоинств, к которым можно отнести:

1) возможность использования как на постоянном, так и на переменном токе;

2) простоту конструкции и дешевизну;

3) надежность в эксплуатации;

4) широкий диапазон пределов измерений;

5) способность выдерживать большие перегрузки и др. [8].

Недостатками являются:

1) большое собственное потребление энергии;

2) малая чувствительность;

3) сильное влияние внешних магнитных полей;

4) неравномерность шкалы.

Следует отметить, что изменяя форму сердечника и его расположение в катушке, можно получить практически равномерную шкалу, начиная с 20-25 % верхнего предела измеряемой величины.

Погрешности электромагнитных приборов

Погрешности электромагнитных приборов обусловлены следующими причинами: трением в опорах, гистерезисом материала сердечника, нагревом рабочей катушки, проходящим по ней током, изменением температуры окружающей среды и др. Рассмотрим погрешности, характерные для электромагнитных приборов.

Погрешность от гистерезиса материала сердечников проявляется при работе на постоянном токе.

Погрешность от нагрева рабочей катушки проходящим по ней током обусловлена изменением сопротивления катушки и пружин.

Температурная погрешность обусловлена изменением температуры окружающей среды и характерна для вольтметров, и определяется изменением сопротивления цепи катушки и упругости пружин (или растяжек).

Для компенсации температурной погрешности используются различные компенсационные схемы.

Электродинамические приборы

Устройство и принцип действия электродинамического ИМ

Принцип действия электродинамического измерительного механизма основан на взаимодействии магнитных полей двух систем проводников с током.

На рис. 4.9 схематически показано устройство электродинамического измерительного механизма, который состоит из подвижной 1 и неподвижной 2 катушек (рамок). Применяют круглые или прямоугольные катушки. Обычно неподвижная катушка состоит из двух одинаковых частей, разделенных воздушным зазором. Вращающий момент создается при взаимодействии магнитного поля, создаваемого током I₁, проходящим по катушке 1, и магнитным полем, создаваемым током, проходящим через катушки возбуждения 2. Электромагнитная энергия W_e двух контуров с токами

где L₁, L₂- индуктивность подвижной и неподвижной катушек; M_1,2 - взаимная индуктивность катушек9.

Так как индуктивность катушек не зависит от угла поворота, поэтому вращающий момент, действующий на подвижную катушку 1

M_ВР = I₁I₂ (dM_1,2/da). (4.10)

При механическом создании противодействующего момента угол отклонения подвижной может быть определен по формуле

a = I₁I₂ (dM_1,2/da)/W. (4.11)

При включении электродинамического механизма в цепь переменного тока угол отклонения

a = I₁I₂ cosy (dM_1,2/da)/W, (4.12)

где I₁ и I₂ - действующие значения токов; y - угол сдвига фаз между векторами токов I₁ и I₂.

В электродинамических логометрических измерительных механизмах противодействующий момент создается электрическим способом. Подвижная часть такого механизма состоит из двух жестко закрепленных между собой под определенным углом g катушек. Угол отклонения a зависит от отношения токов I₁/I₂.

Области применения, достоинства и недостатки

Приборы электродинамической системы могут применяться как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока. Шкала приборов неравномерная. Характер шкалы зависит от формы катушек и их взаимного расположения. Изменяя множитель dM_1,2/da, можно улучшить шкалу так, что в начале шкалы будет иметь место неравномерность, а далее шкала будет практически равномерной. Электродинамические ваттметры имеют практически равномерную шкалу, амперметры и вольтметры - равномерную шкалу, начиная с 15-20 % ее номинального значения.

Электродинамические приборы применяют в качестве: ваттметров постоянного тока и однофазных, трехфазных, малокосинусных ваттметров переменного тока, амперметров и вольтметров переменного и постоянного токов. Электродинамические логометрические измерительные механизмы применяются в фазометрах, частотомерах, фарадомерах. Выпускаются комбинированные приборы - ампервольтваттметры [6].

Электродинамические амперметры выполняются по двум схемам, показанным на рис. 4.10 а и 4.10 б.

Последовательное соединение катушек (рис. 4.10 а) используется в амперметрах, предназначенных для измерения малых токов (до 0,5 А). Так как y = 0 и I₁ = I₂ = I, уравнение преобразования амперметра сводится к виду

a = I²(dM_1,2/da)/W. (4.13)

В параллельной схеме (рис. 4.10 б), которая используется при больших токах (до 10 А), подбором индуктивностей L₁, L₂ и резистора R в цепях катушек задаются токи I₁ = k₁I; I₂ = k₂I и разность фаз y =0. Уравнение преобразования амперметра будет иметь вид

a = k₁ k₂.I²(dM_1,2/da)/W. (4.14)

Для выполнения электродинамического вольтметра последовательно с катушками, соединенными по схеме (рис. 4.10 а), включается добавочный резистор R_Д, как показано на рис. 4.10 в. Уравнение преобразования вольтметра имеет вид

a= [U²/(R²W)](dM_1,2/da), (4.15)

где R = R_Д + R_V - общее сопротивление цепи.

Наиболее важной группой электродинамических приборов являются ваттметры. На рис. 4.12 г представлена простейшая схема однопредельного электродинамического ваттметра.

Учитывая, что I₁= I_Н и I₂ = U/(R₂ + R_Д), уравнение преобразования электродинамического ваттметра постоянного тока может быть записано в виде

a= [1 /W(R₂ + R_Д)] I_H U dM_1,2/da) = [1 /W(R₂ + R_Д)] P dM_1,2/da. (4.16)

На переменном токе уравнение преобразования

a= [1 /(W(R₂ + R_Д))] I_H Ucosj dM_1,2/da = [1 /(W(R₂ + R_Д))]^. Р_аdM_1,2/da, (4.17)

где j - угол сдвига фаз между приложенным напряжением U и током I_H в нагрузке R_Н; R₂ - сопротивление параллельной катушки; Р_а - активная мощность нагрузки.

Из выражений (4.16), (4.17) видно, что шкала ваттметров равномерная.

Основными достоинствами электродинамических приборов являются: возможность использования в цепях как постоянного, так и переменного токов; возможность градуировки на постоянном токе; высокая стабильность показаний во времени; высокий класс точности (например, выпускаются электродинамические амперметры и миллиамперметры, вольтметры, однофазные ваттметры класса точности 0,05, частотомеры - класса 0,5). Высокая точность приборов обусловлена отсутствием в них, в отличие от других электромеханических приборов, ферромагнитных элементов.

В качестве недостатков таких приборов можно отметить следующие: влияние внешних магнитных полей и механических воздействий; большую мощность потребления. По чувствительности электродинамические приборы уступают магнитоэлектрическим. Однако применение растяжек и светового указателя позволяют уменьшить собственное потребление мощности (имеются миллиамперметры с током полного отклонения 1 мА).

Погрешности электродинамических приборов

Погрешностями электродинамических приборов являются: температурная и частотная погрешности; погрешность из-за влияния внешних магнитных полей и др.

Температурная погрешность g_t возникает вследствие изменения сопротивления обмоток рамок (катушек) и изменения упругих свойств растяжек или пружинок при изменении температуры. Для компенсации температурной погрешности применяют специальные схемы, например, последовательно-парал-лельная схема, подобная схеме, приведенной на рис 4.4, позволяет снизить температурную погрешность многопредельного электродинамического ваттметра до g_t Ј 0,1 %

Частотная погрешность обусловлена зависимостью полного сопротивления катушек от частоты, изменением фазовых соотношений электродинамического прибора, взаимной индуктивностью катушек. Для уменьшения частотной погрешности в параллельную цепь последовательно с обмоткой рамки может быть включен конденсатор С @ L₀ /R₁ (L₀ и R₁ - индуктивность и сопротивление подвижной катушки).

Погрешность от влияния внешних магнитных полей уменьшается с помощью магнитных экранов [6].



Список использованной литературы

1. http://gavoronkova.professorjournal.ru/student/baza/tem5.

2. http://worldtek.ru/metrology-energetica/102-metrologiya-i-radioizmereniya-part9.html.

Размещено на Allbest.ru