Електромеханічні вимірювальні прилади

Зміст

Передмова 2

Номенклатура  систем електромеханічних аналогових вимірювальних приладів 3

Механізми магнітоелектричної  системи 5

Механізми електромагнітної  системи 8

Механізми електродинамічної  системи 9

Механізми феродинамічної системи 11

Механізми електростатичної  системи 12

Механізми індукційної  системи 13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Передмова

Аналоговими називають такі електровимірювальні прилади, у яких вихідна величина, наприклад кут відхилення стрілки чи іншого покажчика (хоча б світлового), відрахована за його шкалою, є аналогом вимірюваної фізичної величини.

Залежно від елементної бази, використаної для їх побудови вони пοділяються на електромеханічні та електронні. Аналогові прилади, залежно від принципу дії їхніх вимірювальних механізмів, що перетворюють вимірювану фізичну величину у відхилення покажчика вздовж шкали приладу, поділяються на магнітоелектричні, електромагнітні, електродинамічні, феродинамічні, індукційні, та електростатичні.

Такі прилади щонайширше застосовують як на енергетичних підприємствах, так і в енергетичному господарстві більшості промислових підприємств.

У першій частині  роботи буде описано номенклатуру систем аналогових електромеханічних вимірювальних приладів. А вже в другій частині розглядатимуться вимірювальні механізми різних видів систем цих приладів.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Номенклатура систем електромеханічних  аналогових вимірювальних приладів

Аналоговим    вимірювальним приладом  називають прилад,  покази  якого є безперервною  функцією  зміни вимірювальної величини. 

Основну групу  аналогових вимірювальних приладів прямого перетворення складають електромеханічні прилади, принцип дії яких полягає у перетворенні електромагнітної або електричної енергії у механічну енергію переміщення рухомої частини приладу. Аналоговий  електровимірювальний  прилад  (електромеханічний)  це  в  першу  чергу  показуючий  прилад,  до  складу  якого входять -  вимірювальний механізм  (ВМ)  та    відрахунковий  пристрій  (ВП)  -  шкала циферблату  та  вказівник (стрілка).

Вказівник  відрахункового  пристрою  механічно з’єднаний з рухомою частиною  вимірювального  механізму,  що  здійснює  перетворення  вимірювальної величини  ( x )  в кутове  переміщення вказівника  (α ). 

У  вимірювальному  механізмі  поворот  рухомої  частини  здійснюється  під  впливом  виникаючого  обертового  моменту.  Значення  обертаючого  моменту  пропорційне  вимірювальній  електричній  величині.

Рис 5.1.1 - Структурна  схема  вимірювального  приладу

Для  аналогових  приладів  встановленні  норми  та  характеристики,  згідно  прийнятим  ДСТу,  якім  повинні відповідати ці  прилади -  зокрема клас  точності  лежить  в межах 0.05  до  4.0,  час встановлення  показу  не  повинен перевищувати  4 с,  а деякі -  6 с.

В  залежності  від  способу створення обертаючого моменту (спосіб перетворення електромагнітної енергії, що підводиться до приладу, в механічну енергію переміщення рухомої частини) електромеханічні прилади поділяються на такі основні вимірювальні системи:

1. Прилад  магнітоелектричної  системи

2. Прилад  електромагнітної  системи

3. Прилад  електродинамічної   системи

4. Прилад  феродинамічної  системи

5. Прилад  електростатичної  системи

6. Прилад  індукційної   системи  

Характерною  ознакою  аналогових  або  електромеханічних  вимірювальних  приладів  є  нанесені  на  вимірювальну  шкалу  умовні  позначення,  що  показують  клас  точності,  вимірювальну  систему,  рід  вимірювальної  величини,  розміщення  приладу  тощо. Основні умовні позначення на циферблатах АВП згідно з ГОСТ 23217-78 [7] наведені в таблиці.

Назва	Умовне  позначення
1. Рід Струму
- постійний  струм
- змінний  однофазний струм
- постійний  і змінний струм
- трифазний  змінний струм
2. Нормальне положення приладу
- горизонтальне
- вертикальне
- під  певним кутом (наприклад, під  кутом 60°)
- прилад  можна застосовувати в робочому  діапазоні кутів від 45° до 75°
3. Міцність ізоляції (вимірювальне  коло приладу ізольоване від  його корпусу і випробуване  при напрузі)
- 500 В
- більше  ніж 500 В (наприклад, 2 кВ)
- прилад  випробуванню ізоляції не підлягає
4. Клас точності, виражений у формі
- зведеної  похибки	0,5
- зведеної  похибки (у відсотках від довжини  шкали)
- відносної  похибки за одночленною формулою
5. Позначення системи вимірювального  механізму приладу
- магнітоелектричний (звичайний і логометричний)
- електромагнітний (звичайний і логометричний)
- електродинамічний  (звичайний і логометричний)
- феродинамічний (звичайний і логометричний)
- електростатичний
- індуктивний  (звичайний і логометричний)
- випрямний
- термоелектричний
6. Перетворювач змінного струму  в постійний
- випрямляч  напівпровідниковий
- випрямляч  електромеханічний
- термоперетворювач  ізольований
- термоперетворювач  неізольований
7. Екран
- електростатичний
- магнітний
8. Додаткові елементи вимірювального  кола
- шунт
- додатковий  резистор
- додаткова  індуктивність
- затискач  для заземлення
9. Частотний діапазон
- нормальний (підкреслений)	45…100..1500 Гц 45…100 Гц
- робочий	100…1500 Гц

 

Механізми магнітоелектричної  системи

У вимірювальних механізмах магнітоелектричної системи обертовий момент, який пересуває рухому частину приладу, виникає в результаті взаємодії магнітного поля, створюваного постійним магнітом 2, і електричного струму, який проходить по витках обмотки, що містяться в цьому полі.

У більшості таких механізмів ця обмотка рухома, виконана у вигляді  рамки б, закріпленої на кернах 9, які вільно обертаються у підп'ятниках 10, розміщених на кронштейнах 5. Струм до рухомої обмотки надходить по спіральних пружинах 8, які створюють протидійний момент при повороті рамки. Кут відхилення рухомої частини вимірювального механізму при вимірюванні відповідає рівності обертового моменту, створюваного рамкою, й моменту протидії, що виникає від дії пружин.

Для створення рівномірного поля в зоні переміщення активних сторін обмотки рамки вимірювальний  механізм має центральний масивний циліндр 3, який виготовлено з магнітом'якого матеріалу, як і частини 1 і 4 вимірювального механізму. Для врівноважування рухомої частини зі стрілкою 7 використовують врівноважувальні тягарці 11. Обмотка рамки 6 може бути намотана на каркас, виготовлений з алюмінію, але іноді рамка може бути й безкаркасною.

Постійний магніт 2 виготовлено з магнітотвердого матеріалу, який має значну залишкову індукцію та велику коерцитивну силу (це — вольфрамова або хромова сталь, чи нікельалюмінієві сплави). Для багаторічного збереження незмінності показів приладу з таким вимірювальним механізмом магніти проходять спеціальну обробку (штучне старіння), після чого магнітна індукція у повітряному проміжку вимірювального механізму (саме там, де пересуваються активні частини рамки) практично не залежатиме від часу і майже не залежатиме від коливань температури. Через наявність значної величини магнітної індукції у повітряному проміжку на такі вимірювальні механізми майже не впливають зовнішні магнітні поля.

 

Вимірювальний механізм магнітоелектричної системи

Каркас рамки являє собою  не тільки конструктивну деталь вимірювального механізму, а й виконує функції  Демпфера, що зменшує час заспокоювання  коливань рухомої частини механізму. Така дія каркаса рамки пояснюється тим, що під час переміщування її у повітряному проміжку в каркасі індукується ЕРС та з'являється струм, який створює обертовий момент, спрямований проти на-прямку руху, що заважає коливанням рухомої частини і зменшує їх тривалість.

Керни, на які спирається рухома частина, зроблено з високоякісної  сталі. Для зменшення тертя між  кернами і підп'ятниками їх старанно полірують. Ці керни запресовують в алюмінієві букси, основу яких приклеюють до рамки. Пружини, які створюють протидійний момент та крізь які подається струм до обмотки рамки, виготовляють із бронзи та прилютовують кінцями до пружинотримачів, два з яких встановлено на рамці та з'єднано з кінцями її обмотки, а два інших встановлено на нерухомій частині приладу. Один із цих пружинотримачів механічно з'єднаний з коректором приладу, що дає можливість, повертаючи коректор іззовні, дещо змінювати початкове положення рамки, а з нею і покажчика приладу.

Підп'ятники, в яких обертаються  керни, виготовляють з агату чи корунду й старанно полірують, аби зменшити тертя при взаємодії з кернами.

Завдяки тому, що робочий  магнітний потік вимірювального механізму створюється постійним магнітом і магнітна індукція у повітряному проміжку досить велика, величина електричного струму, що проходить по витках обмотки рамки, може бути незначною (звичайно від кількох десятків мікроамперів до кількох міліамперів). Потужність, споживана магнітоелектричними механізмами, також незначна. В ;] той же час величина обертового моменту таких механізмів досить велика, і відношення створюваного ними моменту до маси їхніх рухомих частин, яке характеризує добротність приладів, у них значно більше, ніж у вимірювальних механізмів інших систем. А чим більша добротність приладу, тим меншою буде його похибка від впливу тертя у підп'ятниках.

На основі магнітоелектричних електровимірювальних приладів виробляють прилади практично всіх класів точності (починаючи з класу 0,1).

Якщо магнітоелектричний вимірювальний механізм використовують у приладі відносно невисокого класу точності, то він може мати постійний магніт, який розміщено всередині рамки (замість циліндра 3). Цей магніт має бути намагніченим по діаметру. В цьому випадку необхідність у зовнішніх постійних магнітах відпадає, завдяки чому можуть бути значно зменшені зовнішні розміри і маса вимірювального механізму, а з ним — і всього приладу.

Магнітоелектричні прилади  використовують для вимірювань на постійному струмі. Вони найчутливіші та здатні забезпечити найбільшу точність вимірювань порівняно з приладами всієї решти систем; широко використовуються як гальванометри, мікро- та міліамперметри, амперметри, вольтметри та омметри.

У сполученні з напівпровідниковими  випрямлячами вони широко використовуються і для вимірів на змінному струмі (взяти хоча б добре відомі багатофункціональні прилади — тестери, що здатні вимірювати величини напруг і струмів як на постійному, так і на змінному струмі, та ще (за наявності у приладі гальванічних елементів) й електричні опори).

Амперметри магнітоелектричної системи. Обмотка рухливої котушки складається з витків тонкого проводу, тому магнітоелектричний прилад можна застосовувати безпосередньо тільки в якості мікро-  чи міліамперметра і мілівольтметра, а не амперметра і кілоамперметра.

Для виміру великих постійних  струмів паралельно затискам приладу  приєднується електричний шунт, що представляє собою прямокутну манганінову  пластину. Для виміру струмів вище 50 А застосовують зовнішні шунти. Переносні  прилади забезпечуються внутрішніми  шунтами чи зовнішніми магазинами шунтів на кілька номінальних струмів.   Вибір шунта для даного приладу  залежить від заданого розширення меж  виміру m = I / I_A і внутрішнього опору приладу (опору його котушки).

I_AR_A = I_шR_ш ;        I = m∙I_A;  I_ш = I - I_A. 

Звідси опір шунта

R_ш = R_АI_A /I_ш = R_AI_A /(m∙I_A - I_A) = R_A /(m – 1).

Очевидно, що через котушку  приладу буде протікати  1/m частина  вимірюваного струму, а через шунт — в (m-1) раз більше.

Погрішність шунтованого  амперметра зростає внаслідок неточності шунтів (0,005 ÷ 0,5 %)  і  різних температурних  коефіцієнтів опору котушки і  шунта.

Вольтметри магнітоелектричної системи. При паралельному підключенні магнітоелектричного приладу до ділянки електричного ланцюга можна виміряти напругу U.

Опір обмотки котушки  для виміру великих напруг замалий  і послідовно їй включають додаткові  резистори з опором R_Д.  

Нехай задано розширити межу виміру в m =  U / U_V  раз. З закону Ома U_R /R_Д = U_V /R_V, звідки, враховуючи закон Кірхгофа  U_R = U - U_V, знаходиться R_Д= R_V ∙U_R /U_V = R_V /(m-1). Очевидно, що на котушці приладу спадання напруги складе  1/ m частину напруги U, а на додатковому резисторі в (m-1) раз більше U.

Механізми електромагнітної  системи

Принцип дії електромагнітного вимірювального приладу, заснований на взаємодії магнітного поля, пропорційного вимірюваній величині, з сердечником, виконаним з феромагнітного матеріалу. Основні елементи електромагнітного приладу: вимірювальна схема, перетворююча вимірювану величину в постійний або змінний струм, і зміряє, механізм електромагнітної системи.

Основні елементи електромагнітного приладу

(1 - котушка; 2 - сердечник; 3 - вісь; 4 - стрілка; 5 - шкала; 6 - пружина.)

Електричний струм в котушці  електромагнітної системи створює  електромагнітне поле, що втягує сердечник  в котушку, що призводить до виникнення на осі обертального моменту, пропорційного  квадрату сили струму, що протікає по котушці. В результаті дії на вісь пружини  створюється момент, протидіючий  обертального моменту і пропорційний куту повороту осі. При взаємодії  моментів вісь і пов'язана з нею  стрілка повертаються на кут, пропорційний квадрату вимірюваної величини. При  рівності моментів стрільця зупиняється. 

Випускаються електромагнітні амперметри та вольтметри для вимірювань головним чином в ланцюгах змінного струму частотою 50 гц. В електромагнітному амперметрі котушка вимірюючого механізму включається послідовно в ланцюг вимірюваного струму, в вольтметр паралельно. Електромагнітні вимірювальні механізми застосовують також у логометра. Найбільш поширені щитові прилади класів точності 1,5 і 2,5, хоча існують прилади класів 0,5 і навіть 0,1 з робочою частотою до 800 гц.