Электромеханические приборы

Электромеханические амперметры и вольтметры - распространенный класс приборов непосредственной оценки. Используется как отдельно для измерения тока и напряжения, так и в качестве выходного преобразователя и отсчетного устройства большинства аналоговых РИП.

В зависимости от вида преобразования и принципа действия их делят на следующие системы:

- Магнитоэлектрические, основанные на взаимодействии рамки с током и поля постоянного магнита;

- Ферродинамические, у которых рамка взаимодействует с полем электромагнита;

- Электродинамические, использующие силы взаимодействия подвижной и неподвижной катушек с током;

- Электромагнитные, основанные на взаимодействии ферромагнитного сердечника с неподвижной катушкой, обтекаемой током;

- Электростатические, основанные на взаимодействии электрически заряженных тел;

- Индукционные, основанные на взаимодействии переменных магнитных полей, создаваемых неподвижными катушками, с током, индуцированными этими полями в подвижной части механизма.

Существуют также редко применяемые механизмы магнитоиндукционной, вибрационной и тепловой систем.

Для всех измерительных механизмов, в которых используются силы ЭМП, выражение для вращающего момента определяется уравнением Лагранжа второго рода, которое имеет вид:

,

где W_ЭМ – энергия ЭМП; a - угловое перемещение подвижной части.

Вращающему моменту противодействует момент плоской (спиральной) пружины, один конец которой закреплен на подвижной (оси), а другой на неподвижной части измерительного механизма. Пружина имеет достаточное количество витков (как (у маятника часов), ее противодействие пропорционально углу a и зависит от свойств материала и конструкции спирали. Для плоской пружины противодействующий вращающий момент линейно связан с углом поворота. Для большей линейности шкалы ставят две пружины, одна из которых закручивается, а другая раскручивается при движении оси. Во всех измерительных приборах достигается равновесие при равенстве моментов вращения и противодействия.

Линейная шкала получается для плоской пружины, когда вращающий момент пропорционален измеряемой величине (U, I, P), иначе шкала нелинейная.

Основные элементы конструкции: ось; опоры; пружинки; успокоители; отчетные устройства (шкалы, стрелки) корпус и др.

Важным элементом является ось со стрелкой. Стрелка обычно дополняется противовесами для создания центра тяжести в месте крепления к оси. На оси закрепляется то, что подвижно в зависимости от типа механизма. Важна шкала, система установки нуля.

Важным элементом является успокоитель — устройство, позволяющее сделать процесс отклонения стрелки апериодическим, плавным, без колебаний.

Воздушный успокоитель работает по принципу «насоса», у которого поршень с небольшим зазором, поэтому нет контакта и трения. Происходит повышение и разряжение давления в трубке — успокоение.

Часто применяют магнит, в зазор которого помещается закрепленный на оси немагнитный (алюминиевый) сектор. При повороте оси сектор приходит в движение, в нем возникают токи и таким образом магнит тормозит движение — магнитоиндукционный успокоитель.

 

 

1. Магнитоэлектрические приборы

Эти приборы самые распространенные.

Между полюсами магнита помещается катушка. Она вместе со стрелкой закреплена на оси. Вращающий момент и угол отклонения

;

где S – площадь рамки; - Число витков; I_p – ток рамки; B – индукция магнитного поля, W – удельный противодействующий момент пружин.

Чем сильнее магнит, тем чувствительнее прибор. Если ток изменяется во времени, то прибор будет усреднять. Если ток переменный, то прибор покажет ноль.

Достоинства магнитоэлектрической системы:

- высокая чувствительность (есть приборы с полным отклонением 0,01 мкА);

- высокая точность (классы 0,05; 0,1; 0,2);

- малое собственное потребление энергии (10^-5…10^-8 Вт);

- линейная шкала.

Недостатки: сложность, чувствительность к перегрузкам (перегорают пружинки), возможность измерения тока или напряжения только одной полярности (для измерения переменных токов и напряжений нужно ставить диоды, которые существенно увеличат погрешности).

2. Электродинамические приборы

 

Неподвижная катушка состоит из двух частей, между которыми проходит ось подвижной катушки. Момент вращения

, где М_L – взаимная индуктивность катушек. Угол , где W – удельный противодействующий момент пружины.

Катушки включаются последовательно (i_H=i_n) в вольтметрах, параллельно в амперметрах и последовательно-параллельно в ваттметрах:

; .

Достоинства:

- применяют в цепях постоянного и переменного тока;

- измеряют действующее значение;

- высокая точность (классы 0,1; 0,2; 0,5) (при измерении переменного тока);

- можно измерять мощность.

Недостатки:

- небольшой диапазон частот (до 5 кГц);

- необходима экранировка механизма от внешних полей (высокая чувствительность даже к полю земли);

3. Электромагнитные приборы

В электромагнитном приборе поле катушки (соленоида) втягивает в узкую щель сердечник в виде стальной пластины. Здесь

;

,

где L – индуктивность, а R - сопротивление катушки, W – удельный противодействующий момент пружины.

Достоинства:

- шкалу можно градуировать как по I, так и по U;

- знак угла поворота не зависит от направления тока (можно измерять переменные токи и напряжения).

Недостатки:

- шкала неравномерная – квадратичная (сжатая вначале);

- классы точности и чувствительность невелики (классы 1,0; 1,5; 2,5…).

4. Электростатические приборы

Электростатические ИП – по конструкции напоминают конденсатор переменной емкости с подвижными и неподвижными пластинами. При подаче напряжения поле втягивает подвижные пластины в пространство между неподвижными силами электростатического взаимодействия.

Эта система реагирует и на переменное, и на постоянное напряжения. Такие системы чаще используют для измерения больших напряжений (киловольты).

Достоинства:

- можно измерять постоянное и переменное напряжение;

- незначительное потребление энергии;

- независимость от внешних магнитных полей;

- широкий диапазон напряжений от 1 В до 100 кВ;

Недостатки:

- нелинейная (квадратичная) шкала;

- малая чувствительность.

Условные обозначения систем

1. Магнитоэлектрическая с подвижной рамкой

2. Магнитоэлектрическая с подвижным магнитом

3. Электромагнитная

4. Электродинамическая

5. Ферродинамическая

6. Электростатическая

7. Индукционная

8. Термоэлектрическая (на базе магнитоэлемента)

9. Выпрямительная (на базе магнитоэлемента)

10. Электронная.

В последних трех системах в качестве индикатора используется прибор магнитоэлектрической системы, а на входе включен соответствуюший преобразователь.

Условные знаки на приборах:

– прибор постоянного тока

~ прибор переменного тока

^ обязательно вертикальное положение шкалы

обязательно горизонтальное положение шкалы

Ð 30^о обязательно наклонное положение шкалы

2,5; 0,1 ; 1,0 — обозначения класса точности

- испытательное напряжение (кВ)

Электромеханические приборы с преобразователями

Электромеханические приборы с преобразователями применяются для различных аналоговых измерений, а также в качестве индикаторных устройств. Преобразователи расширяют пределы измерений и возможности электромеханических приборов. Комплектуя электромеханические приборы переключаемыми шунтами и добавочными сопротивлениями, строят простейшие многофункциональные приборы - мультиметры.

1. Шунты используют для измерителей тока. Шунт ответвляет заданную часть тока, увеличивая предел измерения.

Коэффициент шунтирования (отношение полного тока I_S к току прибора I_П) выбирается целым (2, 5, 10 ... 100).): , Значение сопротивления шунта вычисляется ппо формуле . Шунты бывают классов 0,02; 0,05; 0,1; 0,5; 1,0. Входное сопротивление прибора с шунтом (параллельное соединение) равно R_П/n, т.е. оно уменьшается в n раз, что очень хорошо для измерителей тока.

2. Добавочное сопротивление делит входное напряжение.

Если последовательно с прибором включить добавочное сопротивление, то можно повысить внутреннее сопротивление (это важно для измерителей напряжения) и увеличить предел шкалы измерения напряжения.

Если надо увеличить предел в m раз, где , то добавочное сопротивление:.

Измерение сопротивления

Измеритель сопротивления использует дополнительный источник питания, включаемый последовательно с прибором. Пусть электромеханический прибор имеет внутреннее сопротивление R_П=1 кОм и предел шкалы 1мА. Тогда при напряжении 1 В будет полное отклонение стрелки прибора. Если разорвать цепь и включить в нее дополнительное сопротивление R_х=1 кОм, то стрелка остановиться в точке I=0.5 мА, т.е. в центре шкалы. Тогда точка 1мА будет соответствовать 0 Ом, 0.5 мА – 1 кОм. Следовательно, имея внешний источник напряжения можно проградуировать новую шкалу в единицах сопротивления, но она будет нелинейной.

 

Если использовать дополнительный шунт, то изменится общий ток и если коэффициент шунтирования взять равный 100, то полное отклонение будет при токе I=100 мА, а входное сопротивление прибора будет равно R=10 Ом. Это будет уже другая шкала - в центре ее точка 10 Ом.

При необходимости могут использоваться добавочные сопротивления. Комбинируя добавочные сопротивления и шунты можно построить многопредельные омметры.

Если прибор должен быть многофункциональным и измерять также переменные напряжения и токи, а головка не позволяет этого делать, то можно использовать полупроводниковый диод.

Контрольные вопросы

1. Каковы различия требований к внутренним сопротивлениям вольтметров и амперметров?

2. Какие параметры сигналов могут измерять вольтметры?

3. Что такое среднеквадратическое, среднее и средневыпрямленное значения переменного напряжения?

4. Как измеряется среднеквадратическое значение пере­менного напряжения?

5. Как измеряется средневыпрямленное значение пере­менного напряжения?

6. Какие бывают преобразователи пикового значения и как они работают?

7. Как работают селективные вольтметры?

8. Каких типов бывают электромеханические приборы?

9. Как работают измерительные механизмы электромеханических приборов?

10. Каковы достоинства и недостатки магнитоэлектрических приборов?

11. Каковы достоинства и недостатки электродинамических приборов?

12. Каковы достоинства и недостатки электромагнитных приборов?

13. Каковы достоинства и недостатки электростатических приборов?

14. Дан магнитоэлектрический прибор постоянного тока с внутренним сопротивлением 10/N кОм, на входе которого включен преобразователь пикового значения с открытым входом. Какая емкость конденсатора должна использоваться, чтобы на частоте 10N Гц относительная систематическая погрешность преобразования не превышала 1%?

15. Дан прибор тока со шкалой 10 мкА и внутренним сопротивлением 0,1*N кОм. Какие нужны шунты для шкал тока 1 мА и 1 А? Какое будет входное сопротивление прибора на шкалах амперметра? На какие шкалы (2 шкалы) можно построить вольтметр, и какие должны быть при этом добавочные сопротивления? Какое будет входное сопротивление прибора на шкалах вольтметра? Предложите шкалу омметра и напряжение источника питания.

16. Как минимизировать погрешность измерения постоянного тока, значение которого N мА?

17. Когда при измерении силы постоянного тока амперметром используются шунты?

 

Примечание: N – номер студента по списку группы.

лекция: Цифровые вольтметры

 

В значительной степени ЦВ характеризуются видом АЦП и наличием МПС. АЦП является основным измерительным преобразователем ЦВ. Современные ЦВ переменного тока и универсальные ЦВ, как правило, представляют собой сочетание ЦВ ПТ и блока преобразователя, поэтому вольтметры постоянного тока (ПТ) являются основой всех ЦВ.

По принципу работы АЦП различают ЦВ:

- времяимпульсные (1 -, 2- , 2 –х кратным интегрированием);

- частотно-импульсные (также интегрирующие);

- кодово-импульсные или поразрядного кодирования (взвешивания);

- комбинированные.

Времяимпульсный вольтметр с преобразованием U_x®T_x и последующем измерением T_x методом дискретного счета.