рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Электромеханические измерительные приборы

Электромеханические измерительные приборы - раздел Приборостроение, Электромеханические измерительные приборы Электромеханические Измерительные Приборы (Эип) Отличаются Простотой, Дешевиз...

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

Рис. 1

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.

Вращающий момент для ИМ, использующих силы электромаг­нитного поля:

MBp = dWм/da, (1)

где dWMизменение запаса энергии магнитного поля;a- угол отклонения подвижной части.

Противодействующий момент в электромеханических приборах необходим для создания однозначного соответствия измеряемой величины определенному углу подвижной части. В аналоговых электромеханических приборах противодействующий момент создается либо при помощи спиральных пружин (растяжек и подвесов), либо за счет энергии электромагнитного поля (в логометрах).

В случае, когда противодействующий момент создается спиральной пружинкой:

Мпр = Wa (2)

где W — удельный противодействующий момент, зависящий oт геометрических размеров и материала пружины (растяжек).

Момент успокоения является моментом сил сопротивления движению, направлен всегда навстречу движению подвижной части ИМ и пропорционален угловой скорости отклонения:

Мусп = Р(da/dt), (3)

В измерительных механизмах наиболее часто применяют магнитоиндукционные и воздушные успокоители. Для создания очень большого успокоения применяют 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, а в высокочувствительных приборах — арретир.

Магнитоэлектрические приборыОбозначаются буквой М.Магнитоэлектрические 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 еду 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. 5апас электромагнитной энергии в контуре с током I, находятся в поле постоянного магнита, выражается формулой:

WМ =Iy (4)

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

 


Рис.2. Схема устройства магнитоэлектрического прибора:

1-постоянный магнит; 2 — полюсные наконечники; 3 — неподвижный сердечник

4 — прямоугольная катушка; 5, 6 — оси; 7, 8— спиральные пружины; 9 — стрелка; 10 — передвижные грузики

Тогда выражение (1) можно представить как:

M =Idy/da (5)

Полное изменение потокосцепления с рамкой через конструктивные параметры рамки запишется следующим образом:

dy = BSwda,

где В — индукция в зазоре; S— площадь рамки; w — число витков рамки.

Если положить da = 1 рад, то произведение BSw — величина постоянная для каждого данного прибора и равная изменению потокосцепления при повороте рамки на 1 рад. Обозначая его черезy0,, запишем:

y0= BSw, Тогда:

dy = y0da. (6)

Подставляя выражение (20.8) в формулу (20.7), получим выражение вращающего момента для магнитоэлектрического механизма в следующем виде:

Мвр = Iy0 (7)

Установившееся положение подвижной части ИМ наступает при равенстве вращающего и противодействующего моментов Мвр = Мпр, т. е. с учетом формулы (2) запишем:

Iyо = Wa.

Следовательно, уравнение преобразования для магнитоэлектрического ИМ будет иметь вид:

a = Iyо/ W, или a = Si×I, (8)

где Si — чувствительность измерительного механизма по току, рад/А, Si = y0/W.

Можно записать формулу (8) через конструктивные параметры измерительного механизма:

a = BSwI/W. (9)

Из формулы (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 приборов магнитоиндукционное, т.е. создается взаимодействием магнитных полей от вихревых токов в каркасе катушки и поли постоянного магнита.

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).

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 и выбирается из соотношения:

Rш = Rпр/(n-1), (10)

где п — коэффициент шунтирования по току, п = I/I/пр.

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:

Rдоб = Rпр(m-1), (11)

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

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.Обозначаются буквой Э.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.


можно записать:


Приравнивая вращающий момент: противодействующий моменты получим:


Из выражения получаем уравнение: преобразования для ЭМИП


Энергия электромагнитного поля катушки с током I выражается формулой:

где W — удельный противодействующий момент пружины.

Из полученного выражения видно, что шкала электромагнитного прибора квадратичная. Конструктивно добиваются равномерности шкалы, начиная с 1/5 части верхнего предела измерения.

Достоинства: простота конструкции и высокая надежность, хорошая перегрузочная способность, возможность работы в цепях постоянного и переменного токов, классы точности 1,0; 1,5; 2,5; частотный диапазон 45 Гц... 10 кГц; диапазон измерения по току 05...300 А (при прямом включении) и до 20 000 А с измерительным трансформатором тока (ИТТ); диапазон измерения по напряжению 1,5...60 В (при прямом включении) и до 6000 В с измерительным трансформатором напряжения (ИТН). Недостатки: большое собственное потребление энергии, невысокая чувствительность, неравномерная шкала, влияние внешних магнитных и температурных полей, частоты питающего напряжения на показания ЭМИП.

Применение: электромагнитные приборы используют в качестве амперметров, вольтметров, фазометров, частотомеров, генриметров и фарадметров. Расширение пределов по току — секционирование и использование ИТТ, по напряжению — секционирование, применение добавочного резистора и ИТН.

Электродинамические измерительные приборы.Обозначаются буквой Д.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

 


Lx и L2 — индуктивности неподвижной и подвижной катушек - взаимная индуктивность.

. Рис. 3 Схема устройства электродинамического прибора:

неподвижная катушка; 2 — подвижная катушка

Индуктивности катушек L1 и L2 не зависят от положения а пространстве, поэтому первые два слагаемых равны нулю. Таким образом, получим сле-

дующее выражение для Мвр:


 

 

Приравнивая вращающий и противодействующий моменты имеем:

Отсюда получаем уравнение преобразования ЭДИП в виде:

Учитывая, что взаимная индуктивность М катушек зависит от положения подвижной катушки относительно неподвижной, можно представить уравнение преобразования в общем виде:

Уравнение действительно для случая работы ЭДИП на постоянном токе. На переменном токе показания ЭДИП зависят от произведения действующих значений токовI1, и I2 и от сдвига по фазе между этими токами:

Достоинства: используются в цепях постоянного и переменного токов, классы точности 0,05; 0,1; 0,2. Диапазон измерений на постоянном токе 0,015... 10 А (прямое включение), на переменном токе 0,005... 200 А (прямое включение), до 600 А с ИТТ; измерения постоянного напряжения 1,5...600 В (прямое включение), 7,5...6000 В с Rдоб, переменного тока до 30 000 В с ИТН; частотный диапазон до 40 кГц.

Недостатки: большое собственное потребление энергии, шкала неравномерная, невысокая чувствительность, имеют малую перегрузочную способность, недопустимы тряски и вибрации, имеют сложную конструкцию и высокую стоимость, на показания этих приборов влияют внешние магнитные поля, температура и частота питающего напряжения.

Применение: электродинамические приборы используют в качестве амперметров, вольтметров, ваттметров (для расширения пределов измерения применяют секционирование катушек,Rдоб ИТТ и ИТН), частотомеров, фазометров (на принципе логометров).

Ферродинамические измерительные приборы.Обозначаются буквойДФерродинамические 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,

Применением 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.Обозначаются буквойСВ 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. 4 приведена схема устройства электростатического прибора.

. Рис. 4 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.

Обобщенное выражение Мвр для электростатического прибора, вычисляемое по формуле (1), имеет вид:

Мвр =dW/da

где dWэ — изменение энергии электрического поля при изменении положения подвижной части на da энергия поля заряженного конденсатора определяется уравнением:

Wэ=U2C/2. Поэтому:

Mвр=(U2dC/da)/2

где С — емкость, образуемая между электродами электростатического прибора.

Приравнивая вращающий и противодействующий моменты, получим:

 

a=U2/(2WdC/da)

Из последнего выражения видно, что шкала прибора квадратичная.

Конструктивно добиваются частичной линеаризации шкалы так, что рабочая часть начинается примерно с 1/5 части общей длины шкалы. Успокоение подвижной части — магнитоиндукционное или воздушное.

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. 5.

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 тока, т.е.

Мвр = K1UIcosj = К1Р,

где К1коэффициент пропорциональности; j — угол сдвига фаз между напряжением U и током I, Рмощность.

Под влиянием Мвр диск счетчика начинает вращаться. На диск счетчика действует тормозной момент Мт, создаваемый постоянным магнитом, который упрощенно можно считать пропорциональным скорости вращения диска:

Мт2da/dt

Где К2-постоянный коэффициент. Количество электричества, реально прошедшее за один оборот диска зависит от тока, характера нагрузки; таким образом число оборотов диска характеризует энергию, потребленную нагрузкой, в цепи которой включен счетчик энергии.


 

Рис. 5. Схема однофазного индукционного счетчика:

1— катушка напряжения; 2 — счетный Механизм; 3алюминиевый диск; 4 Постоянный магнит; 5П-образный сердечник

 

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.

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Электромеханические измерительные приборы

Приведите классификацию измерительных приборов.. сравните по точности электромеханические приборы различных систем.. сравните по защищенности от воздействия внешнего магнитного поля электромеханические приборы различных систем..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Электромеханические измерительные приборы

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Электромеханические приборы с преобразователями
Высокая чувствительность и точность, малое собственное потребление энергии и другие положительные свойства магнитоэлектрических приборов выгодно отличают их от других электромеханических приборов.

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги