Устройство аналоговых измерительных приборов
Отсчетное устройство средства измерения имеет шкалу, нанесенную на циферблат прибора.
На шкалу наносят отметки в виде короткой вертикальной черты, соответствующие некоторым значениям измеряемой величины.
Интервал между двумя соседними отметками шкалы называют делением шкалы.
Шкалы бывают равномерными и неравномерными.
ХН – начальное значение; 0 – 8 – диапазон показаний;
ХК – конечное значение; 2 – 8 – диапазон измерений.
Отсчет значения измеряемой величины по шкале прибора производится с помощью указателя. Указатель может быть стрелочным или световым.
Стрелочный указатель – стрелка клиновидной, ножевой или стержневой формы.
Световой указатель – луч света, образующий на шкале световое пятно с индексом, по которому проводят отсчет показаний.
Устройство для создания противодействующего момента
Для обеспечения связи между углом поворота подвижной части и значением измеряемой величины необходимо создавать противодействующий момент.
В аналоговых измерительных приборах противодействующий момент создается двумя способами.
I способ: с помощью противодействующих пружин. Пружины выполняются в виде спирали из бронзы. Один конец, внутренний, прикрепляется к подвижной части И.М., а другой, наружный – к неподвижной части прибора. Вращающий момент, возникающий в И.М., закручивает пружину до тех пор, пока вращающий момент не будет равен противодействующему моменту.
В случае применения двух спиральных пружин, последние используются для подведения тока в подвижную часть прибора.
II способ: с помощью растяжек.
Растяжка – металлические ленточки шириной от 0,08 до 0,35 мм и толщиной от 0,01 до 0,04 мм из бронзы, платины. Обычно используют две растяжки. Растяжки создают противодействующий момент и укрепляют подвижную часть. Они используются для подведения тока.
Одна из растяжек или конец спиральной пружины прикрепляется к корректору.
Устройства для создания успокаивающего момента
При изменении измеряемой величины изменяется вращающий момент, нарушается равенство между значениями вращающего и противодействующего моментов.
Время, необходимое для уравновешивания противодействующего и вращающего моментов, называют временем успокоения подвижной части прибора.
Для обеспечения требуемого времени успокоения применяют успокоители.
Воздушный успокаиватель применяют в приборах старых разработок, имеющих подвижную часть на оси с противодействующим моментом. Он состоит из: 1) закрытой камеры; 2) легкого алюминиевого крыла; 3) оси подвижной части прибора.
Индукционный успокоитель состоит из: 1) неподвижного постоянного магнита; 2) магнитопровода; 3) крыла успокоителя.
Он применяется там, где поле постоянного магнита не оказывает влияние на работу И.М.
Жидкостный успокоитель используется в приборах малых размеров по высоте. Он состоит из: 1) диска, закрепленного на подвижной части прибора; 2) диска, закрепленного на неподвижной части прибора; 3) зазора от 0,1 до 0,15 мм.
Между дисками в зазоре находится специальная маловысыхающая кремнисто–органическая жидкость.
Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.
Источник
Устройство и принцип работы аналоговых электромеханических измерительных приборов
Электромеханические измерительные приборы (ЭИП) характеризуются простотой, дешевизной, высокой надежностью, разнообразием применения, относительно высокой точностью, не требуют дополнительных источников энергии, могут иметь выход для подключения к ЭВМ. С их помощью можно измерить различные физические величины.
Недостатки – ограничены возможности по уровню сигнала, диапазону частот, изменением мощности, сильно влияют на объект измерения, сложная технология изготовления, большие габариты.
В основе конструкции принципа работы положено преобразование электромагнитной энергии в механическую. Основные типы измерительных механизмов (ИМ) основаны на использовании механических взаимодействий систем между собой под действием электростатических и электромагнитных сил. При этом используют дополнительные преобразователи (масштабные и специальные).
Любой ЭИП состоит из ряда функциональных преобразователей, каждый из которых решает свою задачу в цепи преобразований. Так, самый простой измерительный ЭИП прямого преобразования состоит из трех основных преобразователей: измерительной цепи, измерительного механизма и отсчетного устройства.
Измерительная цепь обеспечивает преобразование электрической измеряемой величины в промежуточную электрическую величину (ток или напряжение), функционально связанную с измеряемой величиной и воздействующей на измерительный механизм.
Измерительный механизм является электромеханическим преобразователем, осуществляющим преобразование электрической величины в наглядное аналоговое показание. 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 и световые. Шкала – это совокупность отметок в виде штрихов, расположенных вдоль линии, по которым определяют числовое значение измеряемой величины.
В общем случае на подвижную часть ИМ при ее движении воздействуют моменты: вращающий 
противодействующий 
и успокоения 
.
Вращающий момент для ИМ, использующих силы электромагнитного поля:
, (2.1)
где 
— изменение энергии поля,
— изменение угла отклонения подвижной части.
Противодействующий момент в ЭИП необходим для создания однозначного соответствия измеряемой величины определенному отклонению подвижной части. В аналоговых ЭИП противодействующий момент создается либо при помощи спиральных пружин, растяжек, подвесов, либо за счет энергии электромагнитного поля (в логометрах). В случае, когда противодействующий момент создается спиральной пружиной:
, (2.2)
где к – удельный противодействующий момент, зависящий от
геометрических размеров и материала пружины.
Момент успокоения является моментом сил сопротивления движению подвижной части ИМ и пропорционален угловой скорости отклонения:
, (2.3)
где р – коэффициент успокоения (демпфирования).
В ИМ применяют магнитоиндукционные, воздушные и жидкостные успокоители колебаний.
Несмотря на большое разнообразие конструкций и типов приборов все они имеют ряд общих узлов и деталей: корпус, шкала, указатель, устройства для установки и уравновешивания подвижной части, создания противодействующего момента и успокоения, корректор, а в высокочувствительных приборах – арретир.
Источник
Создание противодействующего момента.
В измерительных механизмах с установкой подвижной части на опорах противодействующий момент создают одной или двумя плоскими спиральными пружинами. Одним концом пружина крепится к оси, другим – к проводку корректора, который служит для установки на нуль стрелки прибора перед началом измерений путём создания исходного натяжения пружины.
При работе прибора вращающий момент, создаваемый измерительным механизмом, закручивает пружину до тех пор, пока противодействующий момент не станет равным вращающему. Пружины обычно используются для подвода тока в подвижную часть прибора.
В механизмах с установкой подвижной части на растяжках для создания противодействующего момента используют упругие свойства растяжек. Наличие двух растяжек позволяет использовать их для подвода тока в подвижную часть измерительного прибора. Растяжки представляют собой бронзовую, платиновую или кобальт-никель-хромовую ленту шириной 0,08 – 0,35 мм и толщиной 0,01 – 0,4 мм.
Создание успокаивающего момента.
Создание успокаивающего момента необходимо для уменьшения времени успокоения подвижной части. Успокоитель создает момент только при движении подвижной части измерительного механизма: в состоянии равновесия он равен нулю.
В электромеханических приборах применяют успокоители трех типов: воздушные, магнитоиндукционные и жидкостные.
Воздушный успокоитель состоит из камеры, в которой движется легкий поршень, связанный с осью подвижной части. При движении поршня сопротивление воздуха создает успокаивающий момент. Воздушные успокоители достаточно громоздки и в последнее время используются редко.
Магнитоиндукционный успокоитель состоит из постоянного магнита с узким зазором и алюминиевого сектора, установленного на оси прибора и входящего в зазор магнита. При движении сектора в нем индуцируются вихревые токи, взаимодействие которых с полем магнита создает тормозной момент. В магнитоэлектрических приборах роль успокоителя выполняет алюминиевый каркас рамки измерительного механизма.
Жидкостной успокоитель состоит из двух дисков, один из которых неподвижен, а другой закреплен на оси подвижной части. Зазор между дисками невелик (порядка 0,1мм) и заполнен невысыхающей кремнийорганической жидкостью. Жидкость удерживается в зазоре силой поверхностного натяжения, при вращении одного диска относительно другого из-за вязкости жидкости создается тормозной момент.
Влияние частоты в электродинамических амперметрах с последовательным включением катушек незначительно.
В амперметрах на токи, больше 0,5 А, катушки включают параллельно – рис.5.10. При этом дополнительные резисторы в цепях катушек подобраны так, чтобы ток в подвижной катушке не превышал допустимого значения. Резистор Rgl в цепи неподвижной катушки может отсутствовать. Распределение токов по параллельным цепям будет происходить в соответствии с полным сопротивлением цепей: I1=k1I; I2=k2I. Тогда угол поворота подвижной части:
Температурная погрешность амперметров с параллельным включением катушек больше за счёт перераспределения токов по параллельным цепям. Уменьшение температурной погрешности достигают подбором дополнительных резисторов из материалов с различным знаком ТКС.
Рис. 5.10. Электродинамический амперметр; схема включения.
Влияние частоты в таких приборах также заметнее, поэтому стараются сделать одинаковыми постоянные времени параллельных цепей L/R.
Для расширения пределов измерения электродинамических амперметров шунты применяют редко. Пределы измерения электродинамических амперметров от 1мА до 10А на частоты до 10 кГц классов точности от 0,1 до 2,5.
Электродинамические вольтметры образуют последовательным включением катушек и дополнительного резистора Rg – рис. 5.11.
 |
r1 Рис. 5.11. Электродинамический вольт-
Обозначив площадь рамки через S=bl, можем записать
где w – число витков рамки. Следовательно, вращающий момент равен:
Противодействующий момент в свою очередь равен
где W – удельный противодействующий момент пружин или растяжек. Для режима установившегося отклонения Мвр= Мпр :
Чувствительность прибора S`=BSw/Wпостоянна и не зависит от угла по- ворота α , что говорит о равномерности шкалы магнитоэлектрической системы приборов. Для получения отклонения стрелки в нужную сторону необходимо соблюдать полярность подключения рамки, указанную на приборе.
b
Рис. 5.1. Принцип действия магнитоэлектрического механизма.
Для регулирования номинального угла отклонения служит магнитный шунт, представляющий собой пластину магнитомягкого материала, замыкающую магнитопровод. Регулируя положение магнитного шунта, производят наладку прибора.
Успокоение магнитоэлектрических приборов происходит за счет взаимодействия с вихревыми токами, наводимыми в алюминиевом каркасе рамки при ее движении.
Форма магнитопровода, магнита и сердечника могут быть различными. Чаще всего используется цилиндрический сердечник, вокруг которого вращается рамка — рис. 5.2. Магнитоэлектрические приборы используются только на постоянном токе. При подаче в рамку переменного тока i=Imsinωt среднее значение тока (а прибор реагирует на среднее значение) равно нулю. Но если в переменном токе будет содержаться постоянная составляющая, прибор покажет величину этой составляющей. При частотах ω переменного тока, меньше частоты собственных колебаний подвижной части (до 10 Гц), прибор может успевать за мгновенным значением входного тока.
К достоинствам измерительных механизмов магнитоэлектрической системы относятся: большая чувствительность
рассеяния магнита. Собственное магнитное поле электродинамических механизмов мало и они чувствительны к внешним магнитным полям. Для защиты от внешних полей используют магнитное экранирование или астазирование.
Рис. 5.8. Схема электродинамического механизма.
Астатический прибор состоит из двух пар катушек. Подвижные катушки закреплены на одной оси. Магнитные поля неподвижных катушек направлены взаимно противоположно, противоположно направлены и поля подвижных катушек. Поэтому полезный вращающий момент удваивается, а вращающий момент, вызываемый внешним полем, устраняется. Нейтрализуется только равномерное внешнее поле.
Мгновенное значение электромагнитной энергии системы катушек:
где L1 и L2 — индуктивности катушек, аМ — взаимная индуктивность.
Вращающий момент, как обычно, равен производной от функции энергии по углу поворота. В связи с тем, что при повороте подвижной системы меняется только М, получим:
Среднее значение вращающего момента на переменном токе, когда
где I1, I2 — действующие (среднеквадратические) значения токов. Следовательно, электродинамический прибор обладает фазочувствительными свойствами и его можно использовать для измерения не только токов и напряжений, но и мощности. Для установившегося положения стрелки, когда вращающий момент уравновешен противодействующим моментом, угол поворота подвижной части равен
Правда, это еще более ухудшает чувствительность прибора. Этот способ используется для амперметров класса точности не лучше 1,0.
В приборах более высоких классов точности используют сложные (параллельно-последовательные) цепи температурной компенсации, используя дополнительные резисторы с ТКС разного знака, например, по схеме рис. 5.5.
Rш І
Рис. 5.5. Последовательно-параллельная схема температурной
Для построения вольтметра магнитоэлектрический механизм включают к измеряемому напряжению через добавочный резистор — рис. 5.6. Значение добавочного резистора определяется из условия обеспечения тока полного отклонения I0:
I0
Рис. 5.6. Магнитоэлектрический вольтметр.
В вольтметрах Rд > Rо, поэтому влияние температуры на погрешность измерения незначительно, но с уменьшением предела измерения оно увеличивается. Магнитоэлектрические логометры содержат две рамки на одной оси, повернутые друг относительно друга. Логометр измеряет отношение токов, протекающих в обмотках рамок.
В связи с тем, что вращающие моменты рамок противоположны, логометры не требуют специального создания противодействующего момента. Логометры чаще всего используются в омметрах для определения соотношения токов в плечах измерительной мостовой схемы.
Магнитоэлектрические амперметры изготавливаются на токи от 1 мкА и выше с классом точности от 0,1 до 2.5. На базе таких чувствительных приборов можно создать амперметр или вольтметр с любым пределом измерения, необходимым на практике.
Источник
