Электромехаические измерительные приборы
Электромеханические измерительные приборы отличаются простотой, дешевизной, высокой надежностью, разнообразием применения, относительно высокой точностью.
Любой ЭИП состоит из ряда функциональных преобразователей, каждый из которых решает свою элементарную задачу в цепи преобразований. (вольтметр, амперметр) состоит из трех основных преобразователей: измерительной цепи (ИЦ), измерительного механизма (ИМ)и отсчетного устройства (ОУ) (рис. 2.1).
Измерительная цепь обеспечивает преобразование электрической измеряемой величины X в промежуточную электрическую величину Y (ток или напряжение), функционально связанную с измеряемой величиной и непосредственно воздействующую на измерительный механизм.
Измерительный механизм является электромеханическим пре- образователем, осуществляющим преобразование электрической величины Y в наглядное аналоговое показание α.
На магнитном воздействии электрического тока основаны: магнитоэлектрический, электромагнитный, индукционный, электродинамический и вибрационный ИМ; на тепловом воздействии электрического тока — биметаллический и тепловой ИМ. На взаимодействии заряженных электродов, находящихся под напряжением, основан принцип работы электростатического ИМ.
Отсчетное устройство состоит из указателя, жестко связанного с подвижной частью ИМ, и неподвижной шкалы. Указатели бывают стрелочные (механические) и световые. Шкала — совокупность отметок в виде штрихов, расположенных вдоль линии,по которым определяют числовое значение измеряемой величины. Шкалы градуируют в единицах измеряемой величины (именованная шкала), либо в делениях (неименованная шкала).
|
|
В общем случае на подвижную часть ИМ при ее движении воз-действуют вращающий момент Мвр, моменты: противодействующий Мпр и успокоения Мусп.
Вращающий момент для ИМ, использующих силы электромагнитного поля,
Мвр = dWм/dα, (2.1)
где dW M — изменение запаса энергии магнитного поля; α — угол отклонения подвижной части.
Противодействующий момент в электромеханических приборах необходим для создания соответствия измеряемой величины определенному углу отклонения подвижной части. В аналоговых электромеханических приборах противодействующий момент со-здается либо при помощи спиральных пружин (растяжек и под-весов), либо за счет энергии электромагнитного поля (в лого-метрах). В случае, когда противодействующий момент создается спиральной пружинкой,
где W — удельный противодействующий момент, зависящий от геометрических размеров и материала пружины (растяжек).
Момент успокоения является моментом сил сопротивления дви-жению, направлен всегда навстречу движению подвижной части ИМ и пропорционален угловой скорости отклонения:
|
|
где Р — коэффициент успокоения (демпфирования).
В ИМ наиболее часто применяют магнитоиндукционные и воздушные успокоители, а для создания очень большого успокоения — жидкостные успокоители.
Несмотря на большое разнообразие конструкций и типов приборов все они имеют ряд общих узлов и деталей. Такими деталями являются: корпус, шкала, указатель, устройства для установки и уравновешивания подвижной части, создания противодействующего момента и успокоения, корректор и в высокочувствительных приборах — арретир.
Магнитоэлектрические приборы. Магнитоэлектрические приборы (МЭП) состоят из измерительной цепи, измерительного механизма и отсчетного устройства (см. рис. 2.1). Конструктивно измерительный механизм может быть выполнен либо с подвижным магнитом, либо с подвижной катушкой. На рис. 2.2 показана конструкция прибора с подвижной катушкой. Постоянный магнит 1, магнитопровод с полюсными наконечниками 2 и неподвижный сердечник 3составляют магнитную систему механизма. В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником создаётся сильное равномерное радиальное магнитное поле, в котором находится подвижная прямоугольная катушка 9 намотанная медным или алюминиевым проводом на алюминиевый каркас (применяют и бескаркасные рамки). Катушка (рамка) может поворачиваться в зазоре на полуосях 4 и 10. Спиральные пружины 5 и 6 создают противодействующий момент и используются для подачи измеряемого тока от выходных зажимов прибора в рамку (механические и электрические соединения на рисунке не показаны).Рамка жестко соединена со стрелкой 8. Для балансировки подвижной части имеются передвижные грузики 7.
|
|
Выражение для вращающего момента магнитоэлектрического прибора можно получить из (2.1). Запас электромагнитной энергии в контуре с током I, находящимся в поле постоянного магнита,
где ψ — полное потокосцепление данного контура с магнитным полем постоянного магнита.
Тогда
Полное изменение потокосцепления с рамкой через конструк-тивные параметры рамки
где В — индукция в зазоре; S — площадь рамки; ω — число витков рамки.
Если положить dα = 1 рад, то произведение BSω — величина постоянная для каждого данного прибора, равная изменению по-токосцепления при повороте рамки на 1 рад. Обозначая его через ψ 0, запишем ψ 0 = BSω [Вб/рад]. Тогда
|
|
d ψ = ψ 0 dα. (2.6)
Подставляя (2.6) в (2.5), получим выражение вращающего момента для магнитоэлектрического механизма в следующем виде:
Установившееся положение подвижной части ИМ наступает при равенстве вращающего и противодействующего моментов Мвр= Мпр, т.е. с учетом (2.2) запишем . Следовательно, функция пре-образования для магнитоэлектрического ИМ имеет вид
где чувствительность измерительного механизма по току, рад/А.
Можно записать (2.8) через конструктивные параметры изме-рительного механизма:
Из (2.9) следует, что угол отклонения подвижной части ИМ прямо пропорционален току в катушке, поэтому магнитоэлектрические приборы имеют равномерные шкалы.
В магнитоэлектрических приборах успокоение подвижной части магнитоиндукционное, т.е. создается взаимодействием магнитных полей от вихревых токов в каркасе катушки и поля постоянного магнита.
Достоинства: высокий класс точности — 0,05 и ниже, равно-мерная шкала, высокая и стабильная чувствительность, малое соб-ственное потребление мощности, большой диапазон измерений, на показания МЭП не влияют внешние магнитные и электрические поля.
Недостатки: без преобразователей МЭП используют только в цепях постоянного тока, имеют малую нагрузочную способность, сложны и дороги, на их показания влияют колебания температуры.
Применение: магнитоэлектрические ИМ используют в амперметрах, вольтметрах, гальванометрах (обычных, баллистических и вибрационных) и омметрах.
2 Амперметры магнитоэлектрической системы (МЭС).
Магнитоэлектрический ИМ, включенный в электрическую цепь последовательно с нагрузкой, позволяет измерять силу тока порядка 20...50 мА. Для расширения пределов измерения используют шунты (манганиновый резистор), сопротивление которых мало зависит от температуры. Сопротивление шунта Rш меньше сопротивления прибора Rпр и выбирается из соотношения:
Rш = Rпр/(n-1), (2-10)
где n = I/Iпр — коэффициент шунтирования по току; I — из-меряемая сила тока; Iпр — допустимое значение силы тока рамки прибора.
Шунты
Для расширения пределов измерения измерителей по току приме-няются шунты, представляющие собой резистор, параллельно которому подключается рамка (или катушка) измерителя (рис. 2-10, а).Сопротивление шунта определяется по формуле
Где Rш — сопротивление шунта; rи — сопротивление рамки (катушки)измерителя; Iи — ток полного отклонения измерителя; Iш — ток шунта; n = Iпр/Iи — коэффициент расширения пределов измерения;Iир — рассчитываемый предел измерения амперметра.
Рассчитанное сопротивление шунта должно быть обеспечено между приборными зажимами шунта а и б. В измеряемую цепь амперметр включают токовыми зажимами Т. Подключение измерителя к токовым зажимам приводит к резкому возрастанию погрешностей измерения и может вывести измеритель из строя, так как из-за возможного плохого контакта провода цепи с шунтом через обмотку измерителя может пойти ток, многократно превышающий ток полного отклонения измерителя.
Наряду с однопредельными амперметрами, выполняемыми по схеме на рис. 2-10, а, широко применяют многопредельные амперметры, рис. 2-10, б, в.
Шунты амперметра по схеме рис. 2-10, б рассчитываются по формуле (2-13). Переключение пределов измерения таких амперметров можно делать или безобрывным переключателем, или обычным — после обесточивания измеряемой цепи, иначе возможны многократная перегрузка измерителя и перегорание его рамки (катушки) или токоподводящих пружин.
Многопредельный универсальный шунт (рис. 2-10, в) позволяет переключать пределы измерения без разрыва контролируемой цепи. Сопротивления его резисторов рассчитывают на основании формулы
гДе Iпрi — i-й предел измерения; Rшi-—суммарное сопротивление резисторов, включенных непосредственно между входными зажимами амперметра на i-м пределе измерения; Rдi- — суммарное сопротивление резисторов, включенных последовательно с рамкой (катушкой) измерителя на i-м пределе измерения; R —общее сопротивление контура «измеритель—резисторы».
Для схемы на рис. 2-10, в:Rш1 = R1 + R2 + R3 и Rд1 = 0 на первом пределе измерения; Rш2 = R2 + R3 и Rд2 = R1 – на втором; Rш3 = R3 и Rд3 = R2 + R1 – на третьем.
Рассмотренный способ расширения пределов измерения амперме-тров на практике осуществляется при помощи внутренних и наружных шунтов.
Шунты, помещаемые внутри корпуса амперметра, называются внутренними. К этой группе относятся шунты, монтируемые на задней наружной стенке корпуса прибора и представляющие с прибором общую конструкцию.
Шунты, монтируемые вне корпуса прибора, называются наружными и подразделяются на индивидуальные и взаимозаменяемые (калибро-ванные). Индивидуальные шунты применяются только с теми прибо-рами, с которыми они непосредственно градуируются. В настоящее время приборы с индивидуальными шунтами не изготовляются, так как подгонка шунтов при массовом выпуске приборов затруднительна. Взаимозаменяемые калиброванные шунты пригодны для подключения к любому прибору с номинальным падением напряжения на его зажимах, равным номинальному падению напряжения на шунте.
Взаимозаменяемые калиброванные шунты изготовляются с номи-нальным падением напряжения 60 и 75 мВ. В эксплуатации находятся также шунты со следующими номинальными падениями напряжения: 30, 45, 100, 150, 200 и 300 мВ. Номинальное падение напряжения вместе с номинальной величиной тока указывается на шунте, например «75 мВ 500 А».
Наружные шунты обычно присоединяются к приборам двумя ка- либрованными проводниками, общее сопротивление которых равно 0,035 Ом.
По точности шунты разделяются на классы: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2 и 0,5.
Класс точности показывает допустимое отклонение сопротивления шунта от номинального значения, выраженное в процентах.
На приборах, предназначенных для работы с взаимозаменяемым калиброванным шунтом, делается надпись, например «С нар. Шунтом 75 mV'».
В любительских условиях часто приходится изготовлять индиви-дуальные шунты под имеющиеся измерители или амперметры. Для шунтов используется манганин круглого или прямоугольного сече-ния. Подгонка нужного сопротивления шунта производится при гра-дуировке амперметра методом последовательного уменьшения сечения шунта надфилем (увеличение сопротивления шунта с целью увеличе-ния отсчета прибора) или напаиванием олова на поверхность шунта (уменьшение сопротивления шунта).
Шунты миллиамперметров могут иметь значительное сопротивление и поэтому выполняются из сравнительно тонкого манганинового провода или могут быть непроволочными.
Вольтметры. Магнитоэлектрический механизм, включенный параллельно нагрузке, может использоваться в качестве милливольтметра.
Для расширения пределов измерения по напряжению последовательно с ИМ включают добавочный резистор Rд, сопротивление которого больше сопротивления Rпр:
Rд = Rпр (m-1). (2/11)
где m = U/Unp — коэффициент шунтирования по напряжению.
Дата добавления: 2016-01-03; просмотров: 19; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!