книги / Приборы и методы измерения электрических величин.-1

Глава 2

АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

§2.1. Общие сведения

Ваналоговых 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, частоты, фазовых сдвигов, сопротивлений и других электрических величин на по­ стоянном и переменном токе преимущественно промышленной ча­ стоты 50 Гц. Эти приборы относят к приборам прямого преобразо­ вания. Они состоят из электрического преобразователя (измери­ тельной цепи), электромеханического преобразователя (измеритель­ ного механизма), отсчетного устройства (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема электромеханического аналогового измерительного прибора

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

В з а в и с и м о с т и от х а р а к т е р а п р е о б р а з о ­ в а н и я измерительная цепь может представлять собой совокуп­ ность преобразовательных элементов (резисторов, конденсаторов, выпрямителей, термопар и др.).

Различные измерительные цепи позволяют использовать один и тот же измерительный механизм при измерениях разнородных величин, напряжения, тока, сопротивления, меняющихся в широ­ ких пределах.

Измерительный механизм, являясь основной частью конструк* ции прибора, преобразует электромагнитную энергию в механи* ческую энергию, необходимую для угла отклонения а его подвиж­ ной части относительно неподвижной, т. е. а = / (У) = р (X).

Подвижная часть измерительного механизма ИМ представляет собой механическую систему с одной степенью свободы относительно оси вращения.

Дифференциальное уравнение моментов, описывающее работу

ИМ, имеет вид
/ ( ^ 2) = 2 ^ 2 ,	(2.1)

т. е. момент количества движения равен сумме моментов, действую­ щих на подвижную часть.

В (2.1) ^ — момент инерции подвижной части И М ; а — угол отклонения подвижной части; (Ра/сИ2 — угловое ускорение.

На подвижную часть измерительного механизма при ее движе­ нии воздействуют:

вращающий момент Л!, определяемый для всех ЭИП скоростью изменения энергии электромагнитного поля щ , сосредоточенной в механизме, по углу отклонения а подвижной части. Вращающий

момент является	некоторой функцией измеряемой	величины X,
а следовательно,	У (тока, напряжения, произведения токов) и а:
где п = 1, 2;	М = (ди>э/да) = / (а) К«,	(2.2)
		механическим
противодействующий момент М а, создаваемый

путем с помощью спиральных пружин, растяжек, подводящих про­ водов и пропорциональный углу отклонения а подвижной части

Ма = — Г а ,

(2.3)

где № — удельный противодействующий момент на единицу угла закручивания пружины (зависит от материала пружины и ее гео­ метрических размеров);

момент успокоения М у, т. е. момент сил сопротивления движе­ нию, всегда направленный навстречу движению и пропорциональ­

ный угловой скорости отклонения:
Му = — Р(с1а/Ш),	(2.4)

где Р — коэффициент успокоения (демпфирования).

После подстановки (2.2) — (2.4) в (2.1) получают дифференци­

альное уравнение отклонения подвижной части механизма:
^(й*а|йР) = М + Ма + М у	(2.5)
или
^ (&<*/№) + р {йаКИ) + № а = М .	(2.6)

Установившееся отклонение подвижной части механизма опре­ деляется равенством вращающего и противодействующего моментов,

т. е. М = М а, что	бывает, когда два первых члена левой		части
дифференциального	уравнения (2.6)	равны нулю. Подстановкой
в равенство М = М а аналитических		выражений моментов	полу­

чают уравнение шкалы прибора, показывающее зависимость угла отклонения а подвижной части от значения измеряемой величины и параметров измерительного механизма.

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

Отсчетное устройство аналоговых электромеханических прибо­ ров чаще всего состоит из указателя, жестко связанного с подвиж­ ной частью измерительного механизма, и неподвижной шкалы. Шкала представляет собой совокупность отметок, которые распо­ ложены вдоль какой-либо линии и изображают ряд последователь­ ных чисел, соответствующих значениям измеряемой величины. От­ метки имеют вид штрихов, черточек, точек и т. п. Указатели бы­ вают стрелочные (механические) и световые.

П о н а ч е р т а н и ю шкалы бывают прямолинейные (гори­ зонтальные или вертикальные), дуговые (при дуге до 180° включи­ тельно) и круговые (при дуге более 180°).

П о х а р а к т е р у р а с п о л о ж е н и я о т м е т о к раз­ личают шкалы равномерные и неравномерные, односторонние отно­ сительно нуля, двусторонние и безнулевые. Шкалы градуируются 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) при­ бора.

Цена деления — значение измеряемой величины, соответствую­ щее одному делению шкалы.

Поскольку электромеханические измерительные приборы яв­ ляются приборами прямого преобразования, чувствительность при­ бора $„ в целом определяется чувствительностью цепи 5Ци чувст­

вительностью измерительного механизма
5 П= З Д .	(2.7)

Классы точности аналоговых электромеханических измеритель­ ных приборов следующие: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Узлы и детали измерительных приборов. Для большинства эле­ ктромеханических измерительных приборов (ЭИП),' несмотря на разнообразие измерительных механизмов, можно выделить общие узлы и детали — устройства для установки подвижной части изме­ рительного механизма, создания противодействующего момента, уравновешивания; успокоители; арретир; корректор и др.

Так как любой измерительный механизм электромеханического прибора состоит из подвижной и неподвижной частей, то для обес­ печения свободного перемещения подвижной части последнюю уста­ навливают на опорах (рис. 2.2, а), растяжках (рис. 2.2, б), подвесе (рис. 2.2, в).

П р и у с т а н о в к е п о д в и ж н о й ч а с т и и з м е р и ­ т е л ь н о г о м е х а н и з м а н а о п о р а х последние пред­ ставляют собой легкую алюминиевую трубку, в которую запрессо­ вывают керны (остальные отрезки). Концы кернов затачивают и

шлифуют на конус с закруглением. Опираются керны на агатовые или корундовые подпятники. При установке подвижной части измерительного механизма на кернах между керном и подпятником возникает трение, что вносит погрешность в показания прибора. В приборах высокого класса точности (лабораторных) для умень­ шения трения шкала устанавливается горизонтально, а ось вер­ тикально. При этом нагрузка сосредоточена в основном на нижней

опоре.

У с т а н о в к а п о д в и ж н о й ч а с т и и з м е р и т е л ь ­ н о г о м е х а н и з м а н а р а с т я ж к а х наиболее распрост­ ранена в приборах. Растяжки представляют собой две тонкие ленты

		из бронзового сплава, на				ко­
		торых подвешивается подвиж­
		ная часть измерительного ме­
		ханизма. Их наличие			обеспе­
		чивает отсутствие трения				в
		опорах, облегчает подвижную
		систему,	повышает		вибро­
		устойчивость.		Растяжки		ис­
		пользуются также для подве­
		дения тока к обмотке рамки
		и создания	противодействую­
		щего момента.
		У с т а н о в к у			п о д ­
	Рис. 2.2. Установка подвижной части из­	в и ж н о й ч а с т и и з м е ­
		р и т е л ь н о г о			м е х а ­
	мерительного механизма
	используют в особо чувствительных	н и з м а	н а	п о д в е с е
		приборах.	Подвижную часть

измерительного механизма подвешивают на тонкой металлической (иногда кварцевой) нити. Ток в рамку подвижной части подводят через нить подвеса и специальный безмоментный токоподвод из золота или серебра.

При транспортировке подвижную часть измерительного меха­ низма закрепляют неподвижно с помощью арретира.

П р о т и в о д е й с т в у ю щ и й м о м е н т в измерительном механизме с установкой подвижной части на опорах (рис. 2.3) соз­ дается одной или двумя плоскими спиральными пружинами 5, 6, выполненными из оловянно-цинковой бронзы. Пружины исполь­ зуются также и в качестве токоподводов к обмотке рамки подвиж­ ной части. Одним концом пружина крепится к оси или полуоси, а другим — к поводку 4 корректора. Корректор служит для уста­ новки на нуль стрелки невключенного прибора; состоит из винта 9 с эксцентрично расположенным пальцем 8, 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 кер­ нами, опирающимися на подпятники 1.

Д л я у р а в н о в е ш и в а н и я п о д в и ж н о й ч а с т и служат грузики-противовесы 10. Измерительный механизм счи­

Рис. 2.3. Общие детали подвижной части измерительного механизма на опорах

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

Для с о з д а н и я н е о б х о д и м о г о у с п о к о е н и я измерительные механизмы снабжают успокоителями, развивающими момент, направленный на­ встречу движению (время успокоения не бол^е 4 с).

В измерительных механиз­ мах наиболее часто приме­ няются магнитоиндукцион­ ные и воздушные успокои­ тели и реже жидкостные (когда требуется очень большое успокоение).

Магнитоиндукционный успокоитель (рис. 2.4, а) 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 взаимодейст­ вия токов, индуктированных в диске при его перемещении в маг­ нитном поле постоянного магнита с потоком этого же магнита.

Рис. 2.4. Типы успокоителей

Воздушный успокоитель (рис. 2.4, б) представляет собой ка­ меру /, в которой перемещается легкое алюминиевое крыло (или поршенек) 2, жестко связанное с подвижной частью измерительного механизма. При перемещении воздуха из одной части камеры в дру­ гую через зазор (между камерой и крылом) тормозится движение крыла и колебания подвижной части быстро затухают. Воздушные успокоители слабее магнитоиндукционных.

§ 2.2. Магнитоэлектрические измерительные приборы

Измерительные механизмы. Работа магнитоэлектрических из­ мерительных механизмов основана на принципе взаимодействия катушки с током и магнитного потока постоянного магнита. Один из взаимодействующих элементов — подвижный (катушка (рамка) с током или постоянный магнит).

Наиболее распространены измерительные механизмы с подвиж­ ной рамкой.

По конструкции магнитной системы различают механизмы с внеш­

ним (рис. 2.5) и внутрирамочным	магнитом. Первый состоит					из
^	внешнего магнита 1					из
	магнитотвердого				мате­
	риала,		магнитопровода
	3	и	цилиндрического
	сердечника			6 из	магни­
	томягкого материала. В
	воздушном зазоре между
	полюсными			наконечни­
	ками магнита и подвиж­
	ным		цилиндрическим
	сердечником			создается
	практически			равномер­
	ное	радиальное			магнит­
	ное	поле. В воздушном
	зазоре		помещается рам­
Рис. 2.5. Устройство магнитоэлектрического из­ ка 5 из тонкого					изоли­
мерительного механизма	рованного медного про­
	вода,		намотанного			на
легкий бумажный или алюминиевый каркас		прямоугольной фор­
мы. К рамке с двух сторон приклеивают алюминиевые буксы,						в
которых закрепляют полуоси или	растяжки.	Рамка		может пово­

рачиваться вместе с осью и стрелкой 2 вокруг цилиндрического сер­ дечника. Измеряемый ток I пропускают в обмотку рамки через две спиральные пружины 7, создающие также противодействующий момент. Для уравновешивания подвижной части служат противо­ весы-грузики 4. Алюминиевая стрелка и шкала образуют отсчетное устройство.

При протекании по обмотке рамки постоянного тока I на. ак­ тивные стороны обмотки рамки действует пара сил, создающая

вращающий момент:
М = ди)ь}да = (д^/да) / = 2 Р ~ = В1юа[,	(2.8)

где ш8 — энергия магнитного поля системы, состоящей из постоян­ ного магнита и рамки с током 1\ Чг — поток постоянного магнита, сцепленный с обмоткой рамки, по которой протекает ток; В —■маг­ нитная индукция в воздушном зазоре; I — активная длина рамки» а —• ширина рамки; и> — число витков обмотки рамки.

Произведение а/ равно активной площади 5 рамки. Соответст­ венно

	М = ВЗы)1 = Ч(01,	(2.9)
где	— потокосцепление обмотки рамки	при повороте ее на
угол а = 1 рад.
	Вращающий момент измерительного механизма с радиальным

равномерным магнитным полем в воздушном зазоре не зависит от угла отклонения а подвижной части. Под действием М подвижная часть поворачивается вокруг оси, тем самым закручивая спиральные пружины. Создающийся при этом противодействующий момент

Ма=]>Ра,

(2.10)

где 1V — удельный противодействующий момент.

При отклонении рамки на некоторый угол а вращающий и про­ тиводействующий моменты уравняются по значению, дальнейшее отклонение рамки прекратится. Из условия равенства моментов следует, что М = Ма или Чг0/ = №а, откуда угол отклонения под­ вижной части механизма

а = В8ьо1№ = В Д Г = $ //,

(2.11)

где 5/ — чувствительность измерительного механизма по току. Из (2.11) следует, что отклонение подвижной части измеритель­

ного механизма линейно растет с увеличением тока /, т. е. шкала равномерная.

Повышение чувствительности измерительного механизма может быть достигнуто за счет увеличения индукции В в зазоре, числа витков хюрамки или уменьшения удельного противодействующего момента № пружин. Увеличение индукции В за счет применения новых специальных сплавов (альнико, альни, магнико и др.) при

изготовлении постоянных магнитов,	обеспечивающих индукцию
в зазоре 0,2—0,3 Т, практически целесообразно.
При изменении направления тока /	изменяется направление от­

клонения подвижной части измерительного механизма; при включе­ нии последнего в цепь переменного тока из-за инерционности его подвижной части среднее значение вращающего момента за период будет равно нулю.

В магнитоэлектрических измерительных механизмах успокоение подвижной части индукционное и электромагнитное. При отклоне­ нии подвижной части в поле постоянного магнита в алюминиевом каркасе рамки, а также в витках обмотки рамки, замкнутой на не­ которое внешнее сопротивление, индуктируются токи, создающие совместно с полем постоянного магнита тормозной момент, быстро успокаивающий подвижную часть.

К достоинствам магнитоэлектрических измерительных механиз­ мов относят: высокую чувствительность (И М обладает сильным соб­ ственным магнитным полем, поэтому даже при малых токах соз­ дается достаточный вращающий момент); большую точность (из-за высокой стабильности элементов И М , "незначительного влияния

внешних магнитных полей); незначительное влияние на режим из­ меряемой цепи, так как мощность потребления ИМ мала; хорошее успокоение; равномерность шкалы.

К недостаткам измерительных механизмов относят: сложность изготовления, плохую перегрузочную, способность, обусловленную легким перегревом пружин и изменением их свойств; температур­ ные влияния на точность измерения.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы используют: в многопредельных, широкодиапазонных магнитоэлектрических амперметрах, вольтметрах для непосредственных измерений в цепях

постоянного тока; в гальванометрах — высокочувствительных измерительных при­

борах с неградуированной шкалой как для непосредственных изме­ рений малых электрических токов 10“Б—10-12 А, напряжений-менее 10-4 В, зарядов, так и для обнаружения тока или напряжения

вразнообразных мостовых и компенсационных цепях;

всветолучевых осциллографах (в вибраторах) при наблюдении и записи мгновенных значений тока, напряжения, мощности, ча­ стота которых может быть от единиц герц до 10—15 кГц, а также различных неэлектрических величин, преобразованных в электри­ ческие;

ваналоговых омметрах, электронных вольтметрах, термоэлектри­ ческих амперметрах, вольтметрах, электронных частотомерах, фазо­ метрах;

вкомбинированных аналоговых вольтметрах, в которых магнито­ электрические измерительные механизмы совместно с выпрямитель­ ными преобразователями используются при измерениях переменного тока, напряжения;

влогометрах (двухрамочных механизмах), используемых в оммет­ рах, частотомерах и т. д.

Амперметры. Основой амперметров и вольтметров является из­ мерительный механизм. В микро- и миллиамперметрах, предназна­ ченных для измерения токов (не превосходящих 50 мА), измеритель­ ная цепь состоит из рамки и пружин, через которые подводится ток к рамке (сопротивление цепи измерительного механизма /?и =

==Яр ~\г 2Япруж).

Значение тока полного отклонения ограничено влиянием его

теплового действия на упругие свойства спиральных противодейст­ вующих пружинок.

Если измеряемый ток I превосходит по значению ток полного отклонения /„ подвижной части, то параллельно цепи измеритель­ ного механизма ИМ подключается шунт (резистор), через который пропускается ток 1Ш= / — / и (рис. 2.6).

Значение сопротивления шунта Кш определяется из условия

= / шЯш= 1 1ЯиЯщ /(Я„+ Я ш) ] = сопз!.

(2.12)

Если шунт рассматривать как делитель тока с коэффициентом деления п = ///„, то его сопротивление

Яш= Я „/(л -1).

(2.13)

за

Значение сопротивления шунта обычно 10-2—10-4 Ом.

Для исключения влияния на результат измерения сопротивления соединительных проводов и контактов, соизмеримых с сопротивле­ нием шунта, последние выполняются четырехзажимными: два за­ жима (токовых) используются для включения шунта в цепь изме­ ряемого'тока и два других зажима (потенциальных) — для подклю­ чения к измерительному механизму.

	0	0 1г	&1[
Рис. 2.6. Схема микроам­	Рис. 2.7. Схема		двухпре­
перметра с шунтом	дельного	амперметра

Шунты обычно изготовляют из манганина, обладающего нич­ тожно малым температурным коэффициентом. Большое распрост­ ранение получили многопредельные ступенчатые шунты, включае­ мые по кольцевой схеме (рис. 2.7).

В двухпредельном амперметре, если принять / х < /а, сопроти­

вление шунта для пределов			и /2 соответственно равны:
^ш1 =	4 "^2 =	$и/(Л1 —	1)» #ш2 = #2 — ( ^ 1 + Яи)/(Пг — 1),
где 1Ъ\ = / х//и; л2 =		1г/1„ — коэффициенты шунтирования.

При совместном решении этих уравнений можно определить со­ противления шунтов:

Расчет для многопредельного ступенчатого шунта аналогичен. Шунты бывают внутренние, вмонтированные в корпус прибора, и наружные. Наружные шунты подразделяют на индивидуальные и взаимозаменяемые (калиброванные). Индивидуальные шунты при­ меняют к конкретным измерительным механизмам. Взаимозаменяе­ мые шунты изготовляют на номинальные токи и падения напряже­ ния: 60, 75, но допускают значения 100, 150, 300 мВ; применяют эти шунты к измерительным механизмам, рассчитанным на такие же падения напряжения. Внутренние шунты изготовляют на токи примерно до 50 А, наружные — на токи до 10 000 А. Наружные шунты обычно присоединяются к механизму двумя калиброванными проводниками с общим сопротивлением 0,035 Ом. Классы точности шунтов — 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 — показывают допустимое откло­ нение сопротивления шунта от номинального значения, выраженное в процентах. Применение шунтов позволяет расширить пределы измерения амперметров, но приводит к увеличению мощности по-

требления, снижению точности измерения и чувствительности. Для понижения температурной погрешности, вызванной изменением

	сопротивления	обмотки	рамки и пружин подвижной				части изме­
	__	Щ	Vг	рительного	механизма при протека­
				нии тока, последовательно с рамкой
	0
		0	0	включается	добавочное		сопротивле­
				ние из манганина.		Магнитоэлектриче­
				Вольтметры.
				ский измерительный механизм с вклю­
	Рис. 2.8. Схема трехпредельно­			ченным последовательно			добавочным
	го вольтметра			резистором	может	быть	использован
				как вольтметр для измерения				напря­
	жения. Вольтметр подключается параллельно к объекту							измере­
	ния. В измерительной цепи			вольтметра	происходит		преобразова­
	ние измеряемого напряжения в ток, необходимый для						отклонения

подвижной части измерительного механизма.

Предел измерения IIу вольтметра зависит от тока полного от­ клонения 1 у подвижной части и внутреннего сопротивления Ну вольтметра (суммы сопротивлений обмотки рамки Яр, пружин 2#Пруж и резистора Н'):

1 / у = 1 у Н у .

(2.14)

Ток полного отклонения 1 у рамки магнитоэлектрических вольт­ метров составляет примерно 50 мА.

Для изменения предела измерения (Уудо напряжения У последо­ вательно с вольтметром включается добавочный резистор, значение

которого	при заданном значении 1у определяется из			выражений
V у!Ну =	У/(Ну + Д„) = 1у =	соп$1; V =	Уу + 6/д:
	# д = Я „(г/Д /к -1) = Я н(/1-1),			(2.15)
где п = 1)Шу — коэффициент		расширения	предела	измерения

вольтметра или множитель шкалы.

В многопредельных вольтметрах (рис. 2.8) используют ступен­ чатое включение резисторов и для соответствующих пределов изме­

рения напряжений 11ъ	0 2 при заданном токе рамки /(/сопротивле­
ния добавочных резисторов рассчитываются по формулам:
На1 — Ну(,П\—1), либо Нцх~ У1]I у —Ну1		(2.16)
Нлч —Ну{п%	1) Яд1, либо Яд2= (//2 — У{)Ууг	(2-17)
где пг = 1)хШу\ «2 =	У ^ У у — .коэффициенты расширения пре­

делов.

Добавочные резисторы в основном изготовляют из манганино­ вого провода, намотанного на круглые или плоские каркасы из изоляционного материала. Они могут быть как внутренними (до 600 В), так и наружными (до 1500 В). Наружные добавочные рези­ сторы в свою очередь могут быть индивидуальными и взаимозаме­ няемыми нс номинальные токи 0,5; 1; 3; 7,5; 15 и 30 мА.