Электромеханический измерительный прибор устройство

Электромеханические измерительные приборы.

Устройство электромеханических приборов

Электромеханические измерительные приборы (ЭИП) 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. Так, самый простейший измерительный электромеханический прибор прямого преобразования (вольтметр, амперметр) состоит из трех основных преобразователей: измерительной цепи (ИЦ), измерительного механизма (ИМ) и отсчетного устройства (ОУ) (рис. 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 преобразователем, осуществляющим преобразование электрической величины Y в наглядное аналоговое показание а. На магнитном воздействии электрического тока основаны магнитоэлектрический, электромагнитный, индукционный, электродинамический и вибрационный измерительные механизмы. Тепловое воздействие электрического тока используют биметаллический и тепловой измерительные механизмы. На взаимодействии заряженных электродов, находящихся под напряжением, основан принцип работы электростатического измерительного механизма.

Отсчетное устройство состоит из указателя, жестко связанного с подвижной частью ИМ, и неподвижной шкалы. Указатели бывают стрелочные (механические) и световые. Шкала — это 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 воздействуют моменты: вращающий Мвр, противодействующий Мщ и успокоения Мусп.

Виды электромеханических измерительных механизмов.

Магнитоэлектрические приборы приборы (МЭП) состоят из измерительной цепи, измерительного механизма и отсчетного устройства (см. рис. 1). Конструктивно измерительный механизм может быть выполнен либо с подвижным магнитом, либо с подвижной катушкой. На рис.2 показана конструкция прибора с подвижной катушкой. Постоянный магнит 1,магнитопровод с полюсными наконечниками 2 и неподвижный сердечник 3 составляют магнитную систему механизма. В зазоре с полюсными наконечниками и сердечником создается сильное равномерное радиальное магнитное поле, в котором находится подвижная прямоугольная катушка 4, намотанная медным или алюминиевым проводом на алюминиевом каркасе (применяются и бескаркасные рамки). Катушка (рамка) 4 может поворачиваться в зазоре на полуосях 5 и 6. Спиральные пружины 7 и 8 создают противодействующий момент и используются для подачи измеряемого тока от выходных зажимов прибора в рамку (механические и электрические соединения на рис.2 не показаны), рамка жестко соединена со стрелкой 9. Для балансировки подвижной части имеются передвижные грузики 10. Запас электромагнитной энергии в контуре с током I, находятся в поле постоянного магнита, выражается формулой:

WМ — полное потокосцепление данного контура с магнитным полем постоянного магнита.

Рис. 2. Схема устройства магнитоэлектрического прибора

Достоинства: высокий класс точности — 0,05 и ниже, равномерная шкала, высокая и стабильная чувствительность, малое собственное 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, омметрах и гальванометрах (обычных, баллистических и вибрационных).

1. Амперметры.Магнитоэлектрический измерительный механизм, включенный в электрическую цепь последовательно с нагрузкой, позволяет измерять токи порядка 20. 50 мА. Для расширения пределов измерения используют шунты (манганиновый резистор), сопротивление которых мало зависит от температуры. Сопротивление шунта Rm меньше сопротивления прибора Rnp.

2. Вольтметры. Магнитоэлектрический измерительный механизм, включенный параллельно нагрузке. Для расширения пределов измерения по напряжению последовательно с ИМ включают добавочный резистор Rдоб, сопротивление которого больше сопротивления Rnp:

где m — коэффициент шунтирования по напряжению, m = U/ Unp.

3. Логометры. Приборы электромеханической группы, измеряющие отношение двух электрических величин, обычно двух токов a =f(I1/I2), что позволяет сделать их показания независимыми в известных пределах от напряжения источника питания.

В логометрах вращающий и противодействующий моменты создаются электрическим путем и направлены навстречу друг другу.

4. Омметры. Магнитоэлектрические логометры широко применяются в приборах для измерения сопротивления — омметрах и мегомметрах, в выпрямительных частотомерах и устройствах для измерения неэлектрических величин (температуры, давления, уровня жидкости и др.).

Электромагнитные измерительные приборы.В электромагнитных измерительных приборах (ЭМИП) для перемещения подвижной части используется энергия магнитного поля системы состоящей из катушки с измеряемым током и одного или нескольких сердечников, выполненных из ферромагнитных материалов. Получили распространение три конструкции ЭМИП: с плоской катушкой; с круглой катушкой; с замкнутым магнитопроводом. В ЭМИП с плоской катушкой сердечник из пермаллоя под действием сил поля втягивается в узкий воздушный зазор катушки с обмоткой из медного провода. Ось сердечника со стрелкой , спиральной пружиной и подвижной частью успокоителя крепится на опорах или растяжках. Успокоители в ЭМИП могут быть воздушные, жидкостные или магнитоиндукционные.

Уравнение преобразования для ЭМИП:

Электродинамические измерительные приборы. В электродинамических измерительных приборах (ЭДИП) для перемещения подвижной части используется энергия системы, состоящей из подвижной и неподвижной рамок с токами. Неподвижная часть может: иметь одну, чаще две катушки, соединенные между собой параллельно или последовательно, намотанные медным проводом, внутри которых располагается подвижная катушка, обычно каркасная. Для ее включения в цепь измеряемого тока используются пружинки или растяжки. Успокоение подвижной части — воздушное или магнитоиндукционное (рис. 3). Внутри неподвижной катушки 1 вращается укрепленная на оси подвижная катушка 2. Ток к ней подводится по спиральным токопроводящим пружинам, служащим одновременно для создания противодействующего момента. Электромагнитная энергия системы двух катушек с токами I1 и I2

Рис. 3. Схема устройства электродинамического прибора

Ферродинамические измерительные приборы(ФДП) отличаются от ЭДИП тем, что неподвижная катушка расположена на сердечнике из ферромагнитного материала. Это приводит к значительному увеличению Мвр и уменьшению влияния внешних магнитных полей. Однако наличие магнитопровода снижает точность этих приборов за счет наличия потерь на гистерезис и вихревые токи.

Достоинства: не боятся вибраций и тряски, внешние магнитные поля мало влияют на их показания, классы точности 0,2; , 1,0; 1,5; 2,5. Успокоение подвижной части — воздушное и магнитоиндукционное.

Недостатки: на постоянном токе погрешность возрастает за счет потерь на гистерезис, сказывается влияние частоты питающего напряжения и температуры внешней среды; частотный диапазон 10 Гц. 1,5 кГц,

Применение: в основном используют в цепях переменного тока на промышленной частоте в качестве амперметров, вольтметров, ваттметров, большая величина Мвр позволяет использовать их в самописцах, расширение пределов измерения осуществляется так же, как у электродинамических приборов.

Электростатические измерительные приборы. В электростатических измерительных приборах (ЭСИП) для перемещения подвижной части используется принцип взаимодействия двух или нескольких электрически заряженных проводников, т. е. здесь в отличие от механизмов других систем перемещение подвижной части осуществляется за счет непосредственного приложенного напряжения, таким образом, эти приборы по своему принципу действия являются приборами, измеряющими только напряжение. Конструктивно электростатические ИП можно представить в виде плоского конденсатора с подвижными и неподвижными электродами, перемещение подвижной части связано с изменением емкости системы, которая может быть осуществлена либо изменением площади электродов, либо изменением расстояния между ними. На рис. 3 приведена схема устройства электростатического прибора.

Рис. 3. Схема устройства электростатического прибора

1- подвижная пластина; 2 — неподвижные пластины; 3 — ось

Подвижная алюминиевая пластина 1, закрепленная вместе стрелкой на оси 3, может перемещаться, взаимодействуя с двумя электрически соединенными неподвижными пластинами 2. Входное напряжение подается на подвижную и неподвижную пластины. Под действием электростатических сил подвижная пластина втягивается между неподвижными пластинами.

Достоинства: не потребляют энергии в цепях постоянного тока и очень незначительное потребление в цепях переменного тока, классы точности: 0,05; 0,1; 1,0; 1,5; 2,5; частотный диапазон 20 Гц. 10 МГц; диапазон измерений постоянного напряжения от 10 В до 7500 кВ, переменного напряжения от 30 В до 7500 кВ, независимость показаний от изменения температуры, частоты и формы кривой измеряемого напряжения, а также внешних магнитных полей.

Недостатки: низкая чувствительность, неравномерная шкала, сказывается влияние внешних электрических и электростатических полей.

Применение: электростатические измерительные приборы используют в цепях постоянного и переменного токов в качестве вольтметров. Для расширения пределов измерения по напряжению используются резисторные и емкостные делители напряжения.

Индукционные измерительные приборы.В индукционных измерительных приборах (ИИП) особым положением катушек получают вращающееся электромагнитное поле, которое, пронизывая алюминиевый цилиндр, индуцирует в нем вихревые токи, что вызывает возникновение вращающего момента. С помощью спиральных бестоковых пружин создается противодействующий момент и обеспечивается пропорциональность измеряемой величины отклонению подвижной системы.

Зависимость показаний ИИП от колебаний частоты тока возбуждения и температуры окружающей среды ограничивает применение этих приборов.

Индукционный измерительный механизм используется в самопишущих приборах, для построения указателя вращающегося поля, синхроскопа, частотомера и в счетчиках электрической энергии.

Упрощенная схема однофазного индукционного счетчика электрической энергии показана на рис. 4.

Рис. 4. Схема однофазного индукционного счетчика

Механизм прибора состоит из двух неподвижных магнитопроводов: трехстержневого сердечника с катушкой напряжения 1 и П-образного сердечника 5 с двумя последовательно соединенными токовыми катушками, счетного механизма 2, алюминиевого диска 3, жестко укрепленного на оси, и постоянного магнита 4, служащего для создания тормозного момента.

Анализ работы индукционного счетчика показывает, что его вращающий момент пропорционален активной мощности переменного.

Важным параметром счетчика является порог чувствительности, под которым понимается минимальная нагрузка, выражаемая обычно в процентах от номинальной, при которой подвижная часть начинает безостановочно вращаться.

Наряду с этим счетчик не должен иметь самоход при разомкнутой токовой цепи и изменении напряжения в пределах 220 В ±10%.

Счетчики активной энергии выпускаются классов точности 0,5; 1,0; 2,0; 2,5. Порог чувствительности счетчика не должен превышать 0,4 % для счетчиков класса точности 0,5 и 0,5 % для счетчиков класса точности 1,0; 2,0; 2,5.

Применение: индукционные счетчики используют для измерения электрической энергии в однофазных и трехфазных цепях.

Источник

Электромеханические измерительные приборы

Структурную схему аналогового электромеханического прибора в общем виде можно представить как:

Измерительная цепь – обеспечивает преобразование электрической величины Х в промежуточную электрическую величину Y, функционально связанную с величиной Х и пригодную для непосредственной обработки измерительным механизмом.

Измерительный механизм – основная часть прибора, предназначенная для преобразования электромагнитной энергии в механическую, необходимую для создания угла поворота a.

Отсчетное устройство – состоит из указателя, связанного с измерительным механизмом и шкалы.

По типу измерительного механизма приборы делятся на:

— магнитоэлектрический механизм;

— магнитоэлектрический механизм логометрического типа;

— электромагнитный механизм;

— электромагнитный механизм логометрического типа;

— электромагнитный поляризованный механизм;

— электродинамический механизм;

— электродинамический механизм логометрического типа;

— ферродинамический механизм;

— ферродинамический механизм логометрического типа;

— электростатический механизм:

— измерительный механизм индукционного типа.

Общие технические требования ко всем электроизмерительным приборам нормируются ГОСТ 22261-82.

Условные обозначения определены в ГОСТ 23217-78.

Магнитоэлектрические измерительные приборы

Общее устройство прибора электромагнитного типа показано на рисунке:

На рисунке а показана схема магнитоэлектрического механизма с подвижным магнитом, а на рисунке б- с неподвижным магнитом.

На рисунке приняты следующие обозначения: стрелка; 2 — катушка; 3 — постоянный магнит; 4 — пружина; 5 — магнитный шунт; 6 — полюсные наконечники.

Данный механизм, примененный непосредственно, может измерять только постоянные токи.

Достоинства магнитоэлектрических приборов: большой вращающий момент при малых токах, высокие классы точности, малое самопотребление. Недостатки магнитоэлектрических приборов: сложность конструкции, высокая стоимость, невысокая перегрузочная способность.

Элекродинамические измерительные приборы

Устройство электродинамического механизма и векторная диаграмма, поясняющая его работу, приведены на рисунке:

Электродинамический измерительный механизм работает по принципу взаимодействия магнитных потоков двух катушек. Электродинамический механизм состоит из двух катушек. Одна из них подвижная, а другая укреплена неподвижно. Токи, протекающие по этим катушкам и магнитные потоки ими образуемые при своем взаимодействии создают вращающий момент.

Приборы электродинамической системы имеют малую чувствительность и большое самопотребление. Применяются в основном при токах 0.1…10А и напряжениях до 300 В.

Ферродинамические приборы

Ферродинамическими называются приборы, у которых неподвижная катушка электродинамического механизма намотана на магнитопроводе. Это защищает от внешних электромагнитных полей и создает больший вращающий момент, т. е. повышается чувствительность.

Электромагнитные измерительные приборы

Устройство измерительного механизма электромагнитного типа показано на рисунке:

В электромагнитных измерительных механизмах для создания вращающего момента используется действие магнитного поля катушки с током на подвижный ферромагнитный (чаще пермоллоевый) лепесток. Достоинства электромагнитных механизмов: пригодность для работы в цепях постоянного и переменного тока; большая перегрузочная способность; возможность непосредственного измерения больших токов и напряжений; простота конструкции. Недостатки электромагнитных механизмов: неравномерная шкала; невысокая чувствительность; большое самопотребление мощности; подверженность влиянию изменения частоты; подверженность влиянию внешних магнитных полей и температуры.

Электростатические измерительные приборы

Схемы механизмов различных конструкций показаны на рисунке. На рисунке а приведена схема с изменяющейся площадью электродов, а на рисунке б- с изменяющимся расстоянием между электродами.

Принцип действия электростатического измерительного механизма основан на взаимодействии сил, возникающих между двумя разнозаряженными пластинами. Достоинства электростатических приборов: высокое входное сопротивление, малую входную емкость, малую мощность самопотребления, широкий частотный диапазон, могут использоваться в цепях переменного и постоянного тока, показания не зависят от формы кривой измеряемого сигнала. Недостатки электростатических приборов: приборы имеют малую чувствительность и невысокую точность.

Индукционные измерительные приборы

На основе индукционного измерительного механизма выполняются, как правило, счетчики электрической энергии. Устройство и векторная диаграмма прибора индукционной системы показаны на рисунке:

Механизм состоит из двух индукторов выполненных в виде стержневого и П-образного индукторов, между которыми находится подвижный неферромагнитный (алюминиевый) диск. На индукторах намотаны обмотки, по которым протекают соответственно токи I1 и I2, возбуждающие магнитные потоки Ф1 и Ф2. С осью диска связан счетный механизм, который считает число оборотов диска. Для предотвращения холостого вращения диска (для предотвращения самохода) в непосредственной близости от него укреплен постоянный магнит (тормозной магнит).

Если катушку 1 включить параллельно источнику энергии, а катушку 2 последовательно потребителю, тогда получим однофазный счетчик электрической энергии. Совокупность двух или трех однофазных измерительных механизмов образуют трехфазный счетчик. Достоинства приборов индукционной системы: большой вращающий момент, малое влиянию внешних магнитных полей, большую перегрузочную способность. Недостатки приборов индукционной системы: невысокая точность, большое самопотребление, зависимость показаний от частоты и температуры.

В последние годы электромеханические измерительные приборы почти повсеместно вытесняются цифровыми.

Источник