Электромеханические приборы применяют для измерения напряжения, тока, мощности и других электрических величин в цепях постоянного и переменного тока низкой частоты. Название электроизмерительного прибора определяется его назначением. Различают вольтметры, амперметры, ваттметры, омметры, фазометры и комбинированные приборы - ампервольтметры, вольтомметры и другие.

Метрологические свойства прибора характеризуют его класс точности. Он обозначается числом на шкале прибора и указывает предел приведенной погрешности прибора, выраженный в процентах.

Основой электромеханического прибора является измерительный механизм, имеющий отсчетное устройство, неподвижную и подвижную части и демпфер для успокоения собственных колебаний последней. Кроме измерительный механизм может содержать шунты и добавочные резисторы, расширяющие пределы измерения и размещенные в том же корпусе. На подвижную часть измерительного механизма действует вращающий момент, возникающий под действием токов и напряжений, функционально связанных с измеряемой величиной. Для его уравновешивания используются спиральные пружинки или растяжки, создающие противодействующий момент, пропорциональный углу поворота подвижной части.

Электромеханические приборы относятся к приборам прямого преобразования. Структурная схема этих приборов показана на Рис 1.

Рис. 1.

Основными функциональными частями этих приборов (рис.1) являются: измерительная цепь ИЦ, измерительный механизм ИМ и отсчетное устройство ОУ. Они размещаются в общем корпусе.

В ИЦ происходит преобразование входного сигнала Х в одну или две промежуточные электрические величины У₁ и У₂ (например, токи I₁ и I₂ или напряжение U), воздействующие на ИМ. ИЦ может также служить для расширения пределов измерений и компенсации погрешностей.

В ИМ происходит преобразование электромагнитной энергии W_e, обусловленной наличием промежуточных величин У₁и У₂, в механическую. ИМ состоит из неподвижной и подвижной частей. 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 : М_ВР=f (X,). Для электромеханических приборов вращающий момент находится как

В зависимости от принципа действия ИМ применяются следующие группы (системы) приборов: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая, ферродинамическая, электростатическая, индукционная. Принадлежность прибора к той или иной системе обозначается условным значком на его шкале.

Принцип действия ИМ различных групп приборов основан на взаимодействии:

1) магнитоэлектрических ИМ - магнитных полей постоянного магнита и проводника стоком;

2) электромагнитных - магнитного поля, создаваемого проводником стоком, и ферромагнитного сердечника;

3) электродинамических (и ферродинамических) - магнитных полей двух систем проводников с токами;

4) электростатических - двух систем заряженных электродов;

5) индукционных - переменного магнитного поля проводника с током и индуцированных этим полем вихревых токов в подвижном элементе (например, в алюминиевом диске счетчика электрической энергии переменного тока). В результате подобного взаимодействия в ИМ и создается вращающий момент М_ВР.

Если бы в ИМ действовал только вращающий момент М_ВР, то подвижная часть ИМ отклонилась бы до упора независимо от значения измеряемой величины. Для того чтобы каждому значению Х соответствовало определенное значение , момент М_ВР уравновешивается противодействующим моментом М_ПР, зависящим от и направленным в сторону, обратную М_ВР. В большинстве приборов момент М_ПР создается спиральными пружинами или растяжками, и в этом случае М_ПР= W:, где W - удельный противодействующий момент пружин или растяжек. В логометрах (приборах для измерения отношения токов) момент М_ПР создается измеряемой величиной Х, и в этом случае М_ПР=f (Х). При установившемся отклонении ₀ подвижной части М_ВР = М_ПР.

Отклонения подвижной части ИМ наблюдают с помощью отсчетного устройства ОУ, т.е. части конструкции прибора, предназначенной для отсчитывания значений измеряемой величины. В электромеханических приборах ОУ состоит из шкалы и указателя (стрелки или светового указателя). По ОУ определяют показание измерительного прибора Х_П, т.е. значение измеряемой величины в принятых единицах этой величины. Номинально Х_П = Х. Для соответствия значения Х определенному значению Х_П необходимо, во-первых, чтобы параметры ИЦ, ИМ и ОУ при определенных внешних условиях были постоянными и, во-вторых, чтобы отклонения этих параметров при различных внешних условиях вызывали малые изменения показаний, допустимые для данного прибора.

При отклонении подвижной части прибора механическим толчком от положения равновесия₀ на угол Дб она снова приходит в положение равновесия под влиянием устанавливающего момента М_У, равного разности моментов М_ВР и |-М_ПР|. Момент М_У всегда направлен в сторону, обратную изменению отклонения подвижной части Дб. Производная от устанавливающего момента по углу отклонения называется удельным устанавливающим моментом М_УУ

.

В приборах с креплением подвижной части на кернах этот момент является важной характеристикой, определяющей степень нечувствительности прибора к затираниям. Чем больше у прибора М_УУ, тем меньше у него вариация показания. В магнитоэлектрическом приборе М_УУ остается постоянным вдоль всей шкалы прибора и равен удельному противодействующему моменту W. На подвижную часть ИМ кроме М_ВР и М_ПР действуют и другие моменты: успокоения М_УСП, трения М_ТР (в приборах на кернах), инерции М_ИН=J (d²б/dt²).

Момент успокоения М_УСП действуют только при движении подвижной части, создается успокоителем и направлен навстречу этому движению.

Все средства измерений можно характеризовать некоторыми общими свойствами - метрологическими характеристиками.

Метрологическими характеристиками средств измерений называются такие характеристики их свойств, которые оказывают влияние на результаты и погрешности измерений и предназначены для оценки технического уровня и качества средств измерений, для определения результатов измерений и расчетной оценки характеристик инструментальной и методических составляющих погрешности измерений.

Основными характеристиками электромеханических приборов являются: точность, чувствительность, диапазон измерений, собственное потребление мощности, время успокоения, устойчивость к перегрузкам (электрическим и механическим), надежность и др.

Свойства электромеханического прибора в отношении точности характеризуется классом точности и другими свойствами прибора, влияющими на его точность, значения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды приборов.

Класс точности - обобщенная характеристика прибора, определяемая пределами допускаемой основной и дополнительных погрешностей (т.е. наибольшими погрешностями, при которых прибор по техническим требованиям может быть допущен к применению).

Диапазон измерений - область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений.

Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно "нижним пределом измерений прибора" или "верхним пределом измерений прибора".

Нижний предел измерения реально не бывает равным нулю, так как он ограничивается обычно порогом чувствительности, помехами или погрешностями измерений. Поэтому для многих измерительных приборов, на шкале которых имеется отметка " 0", нижний предел измерения в действительности не равен нулю.

Различают полный и рабочий диапазоны измерения измеряемой величины.

Диапазон, в котором относительная погрешность не превышает 100 %, называется полным диапазоном. Полный диапазон ограничивается снизу порогом чувствительности _ПОР., а сверху - конечным значением X_К, т.е. Х_П = _ПОР … X_К или Д_П = X_К/_ПОР.

Под порогом чувствительности понимается минимальное значение входной величины, которое можно обнаружить с помощью данного средства измерения без каких либо дополнительных устройств, погрешность её измерения = 100 %. Порог чувствительности выражается в единицах измеряемой величины. В электромеханических измерительных приборах порог чувствительности не равен нулю вследствие трения подвижной части.

Диапазон, в котором относительная погрешность не превышает некоторого заранее заданного значения _З, называется рабочим диапазоном изменения измеряемой величины. Рабочий диапазон ограничивается снизу значением Х=Х_З, при котором = _З, а сверху - конечным значением X_К, т.е. Х_Р = Х_З … Х_К или Д_р = Х_K/ Х_З. Рабочий диапазон всегда представляет часть полного диапазона.

Чувствительность определяется как отношение приращения выходного сигнала Х_П на выходе измерительного прибора к вызвавшему это приращение изменению входного сигнала Х. В общем случае чувствительность определяется как

и называется абсолютной чувствительностью. Эта величина является размерной и зависит от единиц, в которых выражаются X и Y. Для линейной градуировочной характеристики чувствительность S = const, для нелинейных характеристик чувствительность является переменной величиной, различной для разных значений Х.

В практике пользуются относительной чувствительностью

,

где X/X - относительное изменение входной величины, выражаемое чаще всего в процентах. Относительная чувствительность S₀ имеет размерность выходной величины на 1% изменения входной величины.

Для стрелочных приборов . Поэтому измеряемая величина

,

где - показание прибора; 1/S - постоянная прибора или цена деления.

В приборах с линейной градуировочной характеристикой цена деления постоянна в диапазоне измерений и носит название - постоянная прибора. Для получения значения величины в соответствующих единицах надо отсчет в делениях умножить на постоянную прибора.

Измеряемый объект и средство измерений связаны и взаимодействуют между собой. Такое взаимодействие необходимо для проведения измерения.

Для приведения в действие измерительного прибора необходима энергия, которая потребляется от объекта измерения. Естественно, эта энергия должна быть небольшой, чтобы измерительный прибор не вносил заметного искажения в измеряемый процесс. Поскольку мощность, потребляемая входной цепью прибора, конечна, ее значение является важным показателем средства измерения.

У электромеханических приборов потребляемая мощность определяется входным сопротивлением прибора. Для приборов, реагирующих на напряжение (включаемых параллельно участку цепи), входное сопротивление должно быть большим, тогда входная мощность Р = U²/R_ВХ будет невелика. У приборов, чувствительных к току (включаемых последовательно в электрическую цепь), входное сопротивление, наоборот, должно быть минимальным (по крайней мере, намного меньшим, чем сопротивление участка цепи).

Входное сопротивление является важным параметром средства измерений. Оно показывает степень приспособленности данного средства к измерениям в маломощных измерительных цепях. Если мощность, потребляемая входной цепью прибора, одного порядка с мощностью входного сигнала, приходится вводить поправки или обеспечивать согласование прибора с источником измерительного сигнала.

Динамические характеристики средства измерений описывают инерционные свойства средств измерений и определяют зависимость выходного сигнала средств измерений от меняющихся во времени величин: входного сигнала, нагрузки, влияющих величин.

При изменении измеряемого значения подвижная часть ИМ, обладающая определенным моментом инерции, не сразу устанавливается в положение равновесия, а совершает во время переходного процесса колебательное, или апериодическое, движение.

Временем успокоения подвижной части ИМ называется промежуток времени, прошедший с момента изменения измеряемой величины до момента, когда отличие показания прибора от установившегося его показания не превысит ±1% от длины шкалы.

Время успокоения t_У отсчитывают от начала перемещения указателя до того момента, когда положение указателя будет отличаться от установившегося не более чем на ±1% от угла шкалы (? 0,01б_Ш).

Для измерительных приборов обычно указывается время установления показания: промежуток времени с момента начала измерения до момента установления показаний (т.е. когда переходный процесс закончился). Значение t_У для большинства электромеханических приборов не должно превышать 4 с (для электростатических и термоэлектрических приборов 6 с).

Отношение первого отброса б₁ указателя (размаха первого колебания подвижной части при внезапном изменении измеряемой величины) к установившемуся отклонению б₀ для показывающих приборов не должно превышать 1,5 (е = б₁/б₀ ? 1,5). Это отношение является характеристикой переходного процесса в рассматриваемых приборах.

Несмотря на разнообразие электромеханических приборов, в их конструкциях можно выделить много общих элементов и сборочных единиц.

Каждый прибор состоит из одинаковых по назначению основных частей: корпуса, измерительного механизма, отсчетного устройства, элементов измерительной цепи. Измерительный механизм также содержит несколько общих частей: подвижную и неподвижную части, участвующие в создании момента М_ВР, неподвижную соединительную часть (обойму или стойку) с установленными на ней деталями опор, успокоителя и др. Некоторые детали подвижной части ИМ выполняют свое назначение совместно с деталями, входящими в неподвижные части ИМ. К ним относятся: опоры подвижной части, успокоители, отсчетные устройства и элементы, служащие для создания М _ВР.

Установка подвижной части ИМ осуществляется разными способами: а) на кернах-подпятниках;

б) на растяжках;

в) на подвесе.

Опора керн-подпятник характеризуется наличием трения, уменьшающим чувствительность прибора и увеличивающим его погрешность и собственное потребление. Из-за трения в опорах появляется вариация показаний. Расчет опоры на керн-подпятник сводится к определению минимального радиуса закругления керна по максимальному напряжению в опоре или же к проверке прочности опор по выбранным размерам и материалам их деталей.

Опора на растяжке характеризуется отсутствием трения, поэтому приборы на растяжках имеют более высокую чувствительность и меньшее собственное потребление мощности по сравнению с приборами на кернах. Опоры на растяжках применяются в ИМ не только в качестве упругих опор; они создают противодействующий момент, а в ИМ с подвижной рамкой служат также для подвода тока в обмотку рамки. Недостатком растяжек является наличие остаточной деформации, так называемое упругое последствие, вызывающее невозвращение указателя к нулевой отметке. Приборы на растяжках не имеют достаточной надежности при воздействии ударов и тряски, и тогда по-прежнему применяют приборы на кернах. При горизонтальном расположении подвижной части образуется ее провисание Д.

Опора на подвесе применяется в самых чувствительных электромеханических приборах - магнитоэлектрических зеркальных гальванометрах, устанавливаемых на капитальной стене. Подвес служит также токоподводом. В качестве второго токоподвода применяется безмоментная лента - пружинка.

1 - керн; 2 - букса; 3 - подпятник; 4 - винт.

Рис. 2

1 - растяжка; 2 - держатель; 3 - пружина; 4 - втулка.

Рис. 3

1 - подвес; 2 - зеркало; 3 - рамка; 4 - пружинка; 5 - обойма.

Рис. 4

Для получения требуемого времени успокоения в ИМ имеется специальный конструктивный элемент - успокоитель, создающий момент успокоения:

,

где С - коэффициент успокоения, З^. м^. с/рад.

В электромеханических приборах применяются воздушные, магнитоиндукционные и жидкостные успокоители.

Из воздушных успокоителей распространены крыльчатые успокоители (Рис. 5, а), которые применяются в тех приборах, в которые нежелательно вводить магнитное поле, например в переносных электромагнитных и электродинамических.

В магнитоиндукционных успокоителях момент успокоения создается за счет взаимодействия магнитного потока постоянного магнита с вихревыми токами, индуцированными в секторе успокоителя или каркасе рамки при их движении в магнитном поле магнита. Примером таких успокоителей является секторный магнитоиндукционный успокоитель (Рис. 5, б).

а) б)

1 - крыло; 2 - камера; 3 - крышка 1 - алюминиевый сектор;

2 - магнит; 3 - скоба

Рис. 5.

В магнитоэлектрических приборах момент успокоения возникает от токов, индуцированных в обмотке рамки и в алюминиевом каркасе (для каркасной рамки). Для ИМ с каркасными рамками основная часть успокоения приходится за счет каркаса рамки.

Отсчетные устройства служат для визуального отсчитывания значений измеряемой величины. В электромеханических показывающих приборах они состоят из шкалы и указателя.

Шкалы по форме делятся на прямолинейные, дуговые и круговые (угол дуги более 180°), а по соотношению длин делений в пределах одной шкалы - на равномерные и неравномерные. В равномерных шкалах деления (промежутки между соседними отметками) имеют одинаковую длину. В неравномерных отношение длины наибольшего деления к наименьшему (коэффициент неравномерности шкалы) превышает 1,3.

В современных приборах для повышения точности отсчета широко используют многошкальные отсчетные устройства, позволяющие увеличить длину шкалы, число ее делений, длину деления, уменьшить цену деления.

Указателем называется часть ОУ, положение которой относительно отметок шкалы определяет показание прибора. В зависимости от конструкции указателя приборы разделяются на стрелочные и со световым указателем.

Стрелочные просты по конструкции, но имеют малую чувствительность из-за малой длины стрелки и меньшую точность отсчета. В переносных приборах для устранения погрешности от параллакса применяют зеркальные шкалы и трубчатые стрелки с ножевидным концом.

Световой указатель - это указатель в виде луча света, образующий на шкале световое пятно с индексом, по которому производят отсчет показаний. Путем многократного отражения от зеркал можно получить большую длину светового луча и этим увеличить чувствительность прибора. В ОУ со световым указателем погрешность от параллакса отсутствует.

Корпуса служат для размещения элементов и деталей ИЦ, ИМ и ОУ и для защиты их от внешних воздействий (механических повреждений, загрязнений и т.п.). По конструкции корпуса электромеханических приборов можно разделить на две основные группы: корпуса щитовых и корпуса переносных приборов. Большинство из них изготовляется из пластмассы. Применяются также стальные, алюминиевые и комбинированные конструкции корпусов.

Условные обозначения электромеханических приборов.

В таблице приведены условные обозначения некоторых типов приборов.

На шкалах электромеханических приборов наносятся следующие условные обозначения: а) обозначение рода тока (например, " ^__ " - ток постоянный; " ~ " - ток переменный; " " - ток постоянный и переменный; б) обозначение единицы измеряемой величины (например, mA, B); в) обозначение рабочего положения прибора: - для горизонтального положения шкалы; - прибор применять в вертикальном положении шкалы; ⁰ - для установления под углом ⁰; г) обозначение класса точности (например, 1,5; 2,5; 1,5); обозначение испытательного напряжения изоляции измерительной цепи по отношению к корпусу, например, - испытательное напряжение, например, 2 кВ. Кроме этого на шкале приводится условное изображение принципа действия и буквенное обозначение прибора.

На шкалах измерительных приборов бывают следующие условные обозначения:

1. группа;

2. подгруппа;

3. условные обозначения системы прибора;

4. род потребляемого и измеряемого тока;

5. рабочее положение прибора;

6. класс точности;

7. испытательное напряжение изоляции;

8. год выпуска и заводской номер.

Список литературы

1. Панев Б.И. Электрические измерения: Справочник (в вопросах и ответах) - М.: Агропромиздат, 1987.

2. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин - издательство "ДРОФА", 2005.

3. Панфилов В.А. Электрические измерения - издательство "Академия", 2008.

4. Полищук Е.С. Электрические измерения электрических и неэлектрических величин, 2003.

Размещено на Allbest.ru