В аналоговом электромеханическом измерительном приборе происходит преобразование

В аналоговом электромеханическом измерительном приборе происходит преобразование

Аналоговые измерительные приборы. Основные узлы электроизмерительных приборов

Аналоговые измерительные приборы

Аналоговыми измерительными приборами называют приборы, показания которых являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины.

Основные узлы электроизмерительных приборов

Электромеханический измерительный прибор прямого действия представляет собой прибор, в котором положение подвижной части зависит от значения измеряемой величины. В таком приборе происходит одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации от входа к выходу без применения обратной связи. Независимо от назначения и принципа действия такие приборы состоят из измерительной цепи, измерительного механизма и отсчетного устройства (рис. 1).

В аналоговом электромеханическом измерительном приборе происходит преобразование

Рис. 1 Электромеханический измерительный прибор прямого действия: измерительная цепь, измерительный механизм, отсчетное устройство

Измерительная цепь – совокупность элементов измерительного прибора, образующих непрерывный путь прохождения измеряемого сигнала одной физической величины от входа к выходу. В измерительной цепи происходит одно из ряда преобразований измеряемой величины х в функционально связанную с ней электрическую величину у.

Измерительный механизм – часть прибора, которая вызывает необходимое перемещение его указателя (стрелки, светового пятна и др.). В измерительном механизме магнитная энергия, пропорциональная измеряемой величине, преобразуется в механическую энергию, вызывающую перемещение подвижной части на угол .

Отсчетное устройство – часть прибора, показывающая значение измеряемой величины.

Общими элементами аналоговых электромеханических приборов являются: корпус (из металла или пластмассы), неподвижная и подвижная части (катушка, ферромагнитный магнитопровод или алюминиевый вращающийся диск), противодействующее устройство (спиральная или ленточная пружина), успокоитель (жидкостный или магнитоиндукционный), корректор нулевого положения и отсчетное устройство (шкала и указатель).

При включении прибора на его подвижную часть действуют два момента:

вращающий (возникающий в результате взаимодействия электромагнитных полей, возбуждаемых подвижной и неподвижной частями);

противодействующий (обусловлен противодействием закручивающейся пружины).

Под действием вращающего момента закручивается (или раскручивается) противодействующая пружина. В этом случае подвижная часть (и указатель) под действием разности моментов будет перемещаться в ту или иную сторону до их равенства.

Аналоговые электромеханические измерительные приборы. Обобщенная структурная схема, уравнение преобразования.

Аналоговымиизмерительными приборами называются при­боры, показания которых являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины.

Важным классом аналоговых приборов являются электромеханические показывающие приборы прямого действия. Они просты, надежны, удобны в эксплуатации. Их разнообразие и точностные характеристики удовлетворяют требованиям широкого круга техничес­ких измерений.

В аналоговом электромеханическом измерительном приборе происходит преобразование

Структурная схема. Аналоговые электромеханические приборы строятся по структурной схеме, представленной на рисунке. Они состоят иэ измерительной цепи, измерительного механизма и отсчетного устрой­ства.

Измерительная цепь осуществляет количественное или качествен­ное преобразование измеряемой электрической величины X в электри­ческую X’, удобную для измерения. Она содержит резисторы и другие элементы, необ­ходимые для требуемого преобразования измеряемой величины.

Измерительный механизм преобра­зует электрическую величину Х’в механическое перемещение (угловое или линейное) а, значение которого отсчитывается по шкале отсчетного устройства, обычно проградуированной в единицах измеряемой вели­чины. Измерительный механизм состоит из подвижной и неподвижной ча­стей.

Отсчетное устройство состоит из указателя (стрелочного или свето­вого), связанного с подвижной частью прибора, и неподвижной шкалы, представляющей собой совокупность отметок, нанесенных на лицевой стороне (циферблате) прибора. Расстояние между двумя соседними отметками называется длиной деления или просто делением шкалы. Цена деления, называемая также постоянной прибора, соответствует изменению измеряемой величины, вызывающему перемещение указа­теля на одно деление.

В зависимости от принципа преобразования электромагнитной энергии в энергию движения подвижной части механизма различают магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические и индукционные приборы. Кроме того, имеются выпря­мительные, термоэлектрические и электронные приборы, которые ис­пользуют магнитоэлектрические механизмы с соответствующими преоб­разователями рода тока.

Функция преобразования (уравнение шкалы).

В аналоговом электромеханическом измерительном приборе происходит преобразование

— вращающий момент

В аналоговом электромеханическом измерительном приборе происходит преобразование

— противодействующий момент (w – коэф. упругости)

Аналоговые электромеханические измерительные приборы

В аналоговом электромеханическом измерительном приборе происходит преобразование

В отличие от цифровых измерительных приборов, выдающих дискретный сигнал, аналоговые устройства выдают показания в виде непрерывной функции, с бесконечным числом значений за промежуток времени.

Аналоговый сигнал имеет ту же форму, что и физическая величина, которую он описывает. Однако, это не значит, что при измерении параметров переменного синусоидального сигнала, стрелка будет отклоняться 50 раз в секунду.

Шкалы приборов, для измерения переменных токов и напряжений градуируют в действующих (среднеквадратичных) значениях сигнала. Инерционность измерительной системы не позволяет реагировать на моментальные значения величины.

Для синусоидальных переменных тока и напряжения действующее значение составляет 0,707 от амплитудного значения.

Электромеханические измерительные приборы преобразуют входную электрическую величину, в механическую энергию поворотного измерительного механизма, на котором жестко закреплена стрелка-указатель.

Угол поворота стрелки зависит от величины и скорости изменения приложенного к измерительному механизму электромагнитного поля, созданного входным сигналом.

Вращение поворотного механизма осуществляется под действием двух противоположно направленных моментов: вращающий момент М, определяемый для всех приборов скоростью изменения электромагнитного поля и противодействующий момент, который создается пружинами различного вида.

Закручивающиеся пружины выполняются из оловянно-цинковой бронзы. С их помощью создается тормозной момент, подводится ток к подвижной части механизма, и производится корректировка показаний прибора (установка на ноль).

Исходя из способа преобразования входного электрического сигнала в механическую энергию перемещения подвижной части, электроизмерительные приборы разделяются на следующие группы: магнитоэлектрические, электродинамические, электростатические, электромагнитные, логометры и др.

Тип измерительного механизма всегда указывается на шкале устройства. В таблице приведены символы указывающие к какой системе относится прибор:

В аналоговом электромеханическом измерительном приборе происходит преобразование

Принцип действия магнитоэлектрических приборов основан на взаимодействии электромагнитного поля катушки и магнитного поля постоянного магнита. Наибольшее распространение получили измерительные устройства с подвижной катушкой и неподвижным магнитом. В цепи катушки протекает ток измерительной цепи.

Величина этого тока, зависит от входного сигнала и влияет на величину и интенсивность электромагнитного поля, создаваемого вокруг катушки. Взаимодействие двух полей приводит к вращению подвижной части с закрепленной на ней стрелкой. Вращение происходит до тех пор, пока вращающий и тормозной момент не будут уравновешены.

Электродинамические измерительные приборы имеют в составе своего измерительного механизма две неподвижные катушки и одну подвижную, насаженную на ось внутри неподвижных.

Неподвижные катушки между собой соединены последовательно или параллельно, по ним протекают токи I1 и I2 соответственно. Если по цепи подвижной катушки ток не протекает, система находится в равновесном состоянии, показания прибора равны нулю.

Как только по цепи второй катушки начинает протекать измеряемый ток, равновесное состояние нарушается. Подвижная катушка стремится повернуться, чтобы снова найти равновесное состояние. Её вращение происходит до тех пор, пока тормозной момент не скомпенсирует вращающий.

Пространственное расположение катушек отрегулировано таким образом, чтобы вращающий момент строго соответствовал произведению действующих значений токов I1 и I2, в пределах шкалы прибора.

Электростатический измерительный механизм представляет собой конденсатор, одной обкладкой которого являются неподвижные контакты, а второй — подвижный контакт, перемещающийся в полости неподвижных контактов.

При подаче напряжения на обе обкладки, возникает электростатическое поле, пропорционально зависящее от квадрата напряжения и емкости конденсатора, которая в свою очередь зависит от активной площади обкладок.

Под действием электростатической силы происходит втягивание подвижного контакта в пространство между неподвижными контактами, при этом увеличивается емкость конденсатора. Втягивание происходит до тех пор, пока не уравновесятся вращающий и тормозной моменты.

Электромагнитные механизмы конструктивно выполнены в виде катушки и пермаллоевого лепестка, эксцентрично насаженного на ось, поперек катушки. При протекании электрического тока по катушке, создается электромагнитное поле, которое стремится втянуть лепесток.

Сила втягивания лепестка определяется интенсивностью электромагнитного поля, которая зависит от величины измеряемого сигнала. На ось с лепестком насажена стрелка-указатель. Как и в приборах других систем, градуировка шкалы производится исходя из величины вращающего момента.

Логометры — это измерительные устройства для сравнения двух электрических величин. Логометры могут быть выполнены с различными измерительными механизмами указанными выше. Сравнение двух величин происходит при включении их на перпендикулярно расположенные воспринимающие элементы.

Перемещение подвижной части прибора происходит под воздействием большего момента. Если на его вход не поданы два сравниваемых сигнала, стрелка занимает произвольное положение, и судить об измеряемой величине не представляется возможным. Правильная работа прибора возможна только при сравнении двух встречно направленных моментов.

АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Общие сведения

В аналоговых электромеханических измерительных приборах непосредственной оценки электромагнитная энергия, подведенная к прибору непосредственно из измеряемой цепи, преобразуется в механическую энергию углового перемещения подвижной части относительно неподвижной.

Электромеханические измерительные приборы (ЭИП) применяют для измерения тока, напряжения, мощности, сопротивлений и других электрических величин на постоянном и переменном токах преимущественно промышленной частоты 50 Гц. Эти приборы относят к приборам прямого действия. Они состоят из электрического преобразователя (измерительной цепи), электромеханического преобразователя (измерительного механизма), отсчетного устройства (рис. 5.1).

В аналоговом электромеханическом измерительном приборе происходит преобразование

Рис. 5.1. Структурная схема аналогового ЭИП

Измерительная цепь. Она обеспечивает преобразование электрической измеряемой величины X в некоторую промежуточную электрическую величину Y (ток или напряжение), функционально связанную с измеряемой величиной X. Величина Y непосредственно воздействует на измерительный механизм (ИМ).

По характеру преобразования измерительная цепь может представлять собой совокупность элементов (резисторов, конденсаторов, выпрямителей, термопар и др.). Различные измерительные цепи позволяют использовать один и тот же ИМ при измерениях разнородных величин, напряжения, тока, сопротивления, меняющихся в широких пределах.

Измерительный механизм. Являясь основной частью конструкции прибора, он преобразует электромагнитную энергию в механическую энергию, необходимую для угла отклонения а его подвижной части относительно неподвижной, т. е.

Подвижная часть ИМ представляет собой механическую систему с одной степенью свободы относительно оси вращения. Момент количества движения равен сумме моментов, действующих на подвижную часть.

Дифференциальное уравнение моментов, описывающее работу ИМ, имеет вид

где J — момент инерции подвижной части ИМ; α — угол отклонения подвижной части; d 2 α/dt 2 — угловое ускорение.

На подвижную часть ИМ при ее движении воздействуют:

вращающий момент М, определяемый для всех ЭИП скоростью изменения энергии электромагнитного поля wэ, сосредоточенной в механизме, по углу отклонения α подвижной части. Вращающий момент является некоторой функцией измеряемой величины X, а следовательно, Y (тока, напряжения, произведения токов) и α:

противодействующий момент Мα, создаваемый механическим путем с помощью спиральных пружин, растяжек, подводящих проводов и пропорциональный углу отклонения α подвижной части:

где W — удельный противодействующий момент на единицу угла закручивания пружины (зависит от материала пружины и ее геометрических размеров);

момент успокоения Мусп, т. е. момент сил сопротивления движению, всегда направленный навстречу движению и пропорциональный угловой скорости отклонения:

где Р — коэффициент успокоения (демпфирования).

Подставив (5.2) — (5.4) в (5.1), получим дифференциальное уравнение отклонения подвижной части механизма:

Установившееся отклонение подвижной части ИМ определяется равенством вращающего и противодействующего моментов, т. е. М = Мα, в том случае, если два первых члена левой части дифференциального уравнения (5.6) равны нулю. Подставив в равенство М = Мα аналитические выражения моментов, получим уравнение шкалы прибора, показывающее зависимость угла отклонения а подвижной части от значения измеряемой величины и параметров ИМ.

В зависимости от способа преобразования электромагнитной энергии в механическое угловое перемещение подвижной части ИМ электромеханические приборы делят на магнитоэлектрические, электродинамические, ферродинамические, электромагнитные и др.

Отсчетное устройство аналоговых ЭИП. Чаще всего оно состоит из указателя, жестко связанного с подвижной частью ИМ, и неподвижной шкалы. Указатели бывают стрелочные (механические) и световые. Шкала представляет собой совокупность отметок, которые расположены вдоль какой-либо линии и изображают ряд последовательных чисел, соответствующих значениям измеряемой величины. Отметки имеют вид штрихов, черточек, точек и т. п.

По начертанию шкалы бывают прямолинейные (горизонтальные или вертикальные), дуговые (при дуге до 180° включительно) и круговые (при дуге более 180°).

По характеру расположения отметок различают шкалы равномерные и неравномерные, односторонние относительно нуля, двусторонние и безнулевые. Шкалы градуируют либо в единицах измеряемой величины (именованная шкала), либо в делениях (неименованная шкала). Числовое значение измеряемой величины равно произведению числа делений, прочитанных по шкале, на цену (постоянную) прибора. Цена деления— значение измеряемой величины, соответствующее одному делению шкалы.

Так как ЭИП являются приборами прямого действия, то чувствительность прибора Sп определяется чувствительностью цепи Sц и чувствительностью измерительного механизма Sи:

Классы точности аналоговых ЭИП: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Узлы и детали измерительных приборов. Для большинства ЭИП, несмотря на разнообразие ИМ, можно выделить общие узлы и детали — устройства для установки подвижной части ИМ, для создания противодействующего момента, уравновешивания и успокоения

.

В аналоговом электромеханическом измерительном приборе происходит преобразование

Рис. 5.2. Установка подвижной части измерительного механизма

В аналоговом электромеханическом измерительном приборе происходит преобразование

В аналоговом электромеханическом измерительном приборе происходит преобразование

Так как любой измерительный механизм ЭИП состоит из подвижной и неподвижной частей, то для обеспечения свободного перемещения подвижной части последнюю устанавливают на опорах (рис. 5.2,а), растяжках (рис. 5.2,6), подвесе (рис. 5.2,в). При транспортировке подвижную часть ИМ закрепляют неподвижно с помощью арретира.

Устройства для установки подвижной части на опорах представляют собой легкую алюминиевую трубку, в которую запрессовывают керны (стальные отрезки). Концы кернов затачивают и шлифуют на конус с закруглением. Опираются керны на агатовые или корундовые подпятники. При установке подвижной части ИМ на кернах между керном и подпятником возникает трение, что вносит погрешность в показания прибора. В приборах высокого класса точности (лабораторных) для уменьшения трения шкала устанавливается горизонтально, а ось вертикально. При этом нагрузка сосредоточена в основном на нижней опоре.

Устройства для установки подвижной части на растяжках представляют собой две тонкие ленты из бронзового сплава, на которых подвешивается подвижная часть ИМ.

В аналоговом электромеханическом измерительном приборе происходит преобразование

Рис. 5.3. Общие детали подвижной части ИМ на опорах

Их наличие обеспечивает отсутствие трения в опорах, облегчает подвижную систему, повышает виброустойчивость. Растяжки используют для подведения тока к обмотке рамки и создания противодействующего момента.

Устройства для установки подвижной части на подвесах используют в особо чувствительных приборах. Подвижную часть ИМ подвешивают на тонкой металлической (иногда кварцевой) нити. Ток в рамку подвижной части подводят через нить подвеса и специальный безмоментный токоподвод из золота или серебра.

Для создания противодействующего момента в ИМ с установкой подвижной части на опорах (рис. 5.3) используют одну или две плоские спиральные пружины 5 и 6, выполненные из оловянно-цинковой бронзы. Пружины служат также в качестве токоподводов к обмотке рамки подвижной части. Одним концом пружину крепят к оси или полуоси, а другим — к поводку 4 корректора. Корректор, устанавливающий на нуль стрелку 3 невключенного прибора, состоит из винта 9 с эксцентрично расположенным пальцем 8 и вилки 7 с поводком. Винт 9 корректора выводится на переднюю панель корпуса прибора, вращаясь, он движет вилку 7, что вызывает закручивание пружины и соответственно перемещение стрелки 3. Ось 2 заканчивается кернами, опирающимися на подпятники 1.

Для уравновешивания подвижной части служат грузики-противовесы 10.

В аналоговом электромеханическом измерительном приборе происходит преобразование

Рис. 5.4. Схемы магнитоиндукционного (а) и воздушного (б) успокоителей

Измерительный механизм считается уравновешенным, когда центр тяжести подвижной части совпадает с осью вращения. Хорошо уравновешенный измерительный механизм показывает при различных положениях одно и то же значение измеряемой величины.

Для создания необходимого успокоения ИМ снабжают успокоителями, развивающими момент, направленный навстречу движению (время успокоения не более 4 с). В ИМ наиболее часто применяют магнитоиндукционные и воздушные успокоители, реже — жидкостные (когда требуется очень большое успокоение).

Магнитоиндукционный успокоитель (рис. 5.4, о) состоит из постоянного магнита 1 и алюминиевого диска 2, жестко связанного с подвижной частью механизма и свободно перемещающегося в поле постоянного магнита. Успокоение создается за счет взаимодействия токов, индуцированных в диске при его перемещении в магнитном поле постоянного магнита с потоком этого же магнита.

Воздушный успокоитель (рис. 5.4, б) представляет собой камеру /, в которой перемещается легкое алюминиевое крыло (или поршенек) 2, жестко связанное с подвижной частью ИМ. При перемещении воздуха из одной части камеры в другую через зазор (между камерой и крылом) тормозится движение крыла и колебания подвижной части быстро затухают. Воздушные успокоители слабее магнитоиндукционных.

В аналоговом электромеханическом измерительном приборе происходит преобразование

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

В аналоговом электромеханическом измерительном приборе происходит преобразование

В аналоговом электромеханическом измерительном приборе происходит преобразование

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

В аналоговом электромеханическом измерительном приборе происходит преобразование

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Источник