Електромеханічні прилади прямого перетворення

В магнитоэлектрическом измерительном механизме успокоителем является алюминиевый каркас рамки. При повороте подвижной части изменяется магнитный поток, пронизывающий каркас. В каркасе индуктируются токи, взаимодействие которых с магнитным полем магнита создает тормозной момент, обеспечивающий успокоение.

Рассматриваемый измерительный механизм в связи с малым сечением пружин и проволоки обмотки изготовляется на малые токи 10-100 мА и меньше.

При включении магнитоэлектрического измерительного механизма рассмотренной конструкции в цепь переменного тока вращающий момент будет изменяться пропорционально мгновенному значению тока. При таком быстром изменении момента вследствие инерции подвижная часть не успеет следовать за изменением момента и она отклонится на угол, пропорциональный среднему за период значению вращающего момента. При синусоидальном токе среднее значение тока, а следовательно, и момента равно нулю и подвижная часть не отклонится. Таким образом, рассмотренный измерительный механизм пригоден только для измерений в цепи постоянного тока.

3.Электромагнитные механизмы.

         Принцип  действия электромагнитного измерительного механизма основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого проводником с током, и ферромагнитного сердечника.

          В настоящее время применяется большое число различных типов электромагнитных приборов, которые различаются по назначению, конструкции ИМ, форме катушек и сердечников и т. д.

          В зависимости от инерционности подвижной части или частоты ее собственных колебаний все электромагнитные приборы разделяются на две группы: резонансные и нерезонансные. Резонансные работают только на переменном токе.  В нерезонансных приборах момент инерции подвижной части значителен, и смещение подвижной части пропорционально квадрату действующего значения тока.

          Обе группы приборов делятся на две подгруппы: поляризованные и неполяризованные. В поляризованных приборах кроме намагничивающей катушки имеется постоянный магнит. Поляризованные нерезонансные приборы не обладают высокой точностью. Из резонансных приборов в основном применяются язычковые герцметры.

          В зависимости от характера магнитной цепи нерезонансные приборы разделяются на приборы с магнитопроводом, условно называемым замкнутым, и без магнитопровода. Приборы с магнитопроводом имеют меньшее собственное потребление мощности, но вместе с этим и значительные погрешности из-за потерь в магнитопроводе от вихревых токов и гистерезиса.  Приборы без магнитопровода имеют малое собственное магнитное поле и большую зависимость показаний от влияния внешних магнитных полей и  позволяют создать приборы высокой точности для работы на постоянном и переменном токе. Эти приборы подразделяются на приборы отталкивающего и втяжного действия. В приборах первого типа расположенные внутри катушки с током ферромагнитные сердечники намагничиваются одноименно и отталкиваются друг от друга .

 

 

 

 

 

 

 

 

                

а) 1 - катушка; 2 - подвижный сердечник; 3 - неподвижный сердечник; 4 - ось; 5 - пружинка; 6 - стрелка;

б) 1 - катушка; 2,3 - призматические сердечники; 4 - ось; 5 - пружинка; 6 - стрелка;

В приборах второго типа подвижный ферромагнитный сердечник втягивается в магнитное поле катушки с током

 

 

 

а) 1 - плоская катушка; 2 - сердечник; 3 – магнитный шунт; 4 - ось;

б) 1 - катушка; 2- стержень; 3,5 – полюсные наконечники; 4 - сердечник;

 В   настоящее  время  чаще  других  применяют  электромагнитные измерительные  механизмы  с  прямоугольными  и круглыми  намагничивающими  катушками,  призматическими  и  цилиндрическими  сердечниками.

При  прохождении  тока  J по  намагничивающей  катушке 1 в результате взаимодействия электромагнитного поля катушки и сердечника возникает вращающий момент МВР, который определяется по формуле

(1),

где L –индуктивность катушки.

Противодействующий  момент может создаваться как с помощью спиральных пружинок так и электрическим способом (в электромагнитных логометрах), а успокоение подвижной части механизма осуществляется воздушным или магнитоиндукционным успокоителем.

При создании противодействующего момента с помощью пружинок получим уравнение преобразования электромагнитного прибора

 

.        (2)             

 

          Из выражения (2) следует, что угол отклонения подвижной части электромагнитного механизма не зависит от направления тока, и эти измерительные механизмы могут использоваться в цепях постоянного и переменного тока. В цепи переменного тока они измеряют действующее значение тока (или напряжения).

Электромагнитный логометр содержит две катушки и два ферромагнитных сердечника, укрепленных на одной оси. Конструкция выполнена так, что при протекании токов J1 и J2 по катушкам движение одного из сердечников увеличивает индуктивность соответствующей катушки, а второго – уменьшает. Это приводит к тому, что вращающие моменты  будут направлены  в  противоположные  стороны, т. е. один  момент  будет  вращающим,  а  второй – противодействующим. Уравнение преобразования электромагнитного логометрического   измерительного   механизма   можно записать  как:

.      (3)

4.  Электродинамические механизмы

 

Электродинамический измерительный механизм (рис.1 и рис.2) состоит из двух катушек – неподвижной А, имеющей две секции, и подвижной Б, укрепленной на одной оси с указательной стрелкой, крылом В воздушного успокоителя и двумя спиральными пружинами.

При прохождении тока I1 по неподвижной катушке и тока I2 по подвижной катушке между ними возникает электродинамическое воздействие. В результате на подвижную катушку будет действовать пара сил FF (рис.2), т.е. вращающий момент. Поворот подвижной катушки происходит до тех пор, пока вращающий момент не уравновесится противодействующим моментом пружин.

 

рис.1 Электродинамический измерительный механизм

 

При постоянном токе вращающий момент и угол поворота подвижной катушки пропорциональны произведению токов в катушках

α=kI1I2

При переменном токе мгновенный вращающий момент пропорционален произведению мгновенных значений токов, а средний за период вращающий момент и пропорциональный ему угол поворота подвижной катушки определяются произведением действующих значений токов в катушках и косинусу угла сдвига между ними, т.е.

α=kI1I2cosψ

По этому углу поворота, как будет показано ниже, определяют значение измеряемой величины.

Отсутствие стали в измерительном механизме, а следовательно, и погрешности от остаточной индукции обеспечивают возможность изготовить эти механизмы для измерений высокой точности.

Для уменьшения погрешностей от внешних магнитных полей, обусловленных слабым магнитным полем измерительного механизма, применяются те же средства, что и для электромагнитных измерительных механизмов.

рис.2 Получение вращающего момента в электродинамическом измерительном механизме

 

Слабому магнитному полю соответствует слабый вращающий момент и, следовательно, для получения высокой точности необходимо уменьшить погрешность от трения. Это достигается уменьшением веса подвижной части и безупречной обработкой осей и опор. Кроме того, поперечное сечение пружин и провода подвижной катушки мало, поэтому электродинамический измерительный механизм чувствителен к перегрузке

 

 

 

5.  Электростатические механизмы.

Принцип действия электростатического измерительного механизма основан на взаимодействии сил, возникающих между двумя разнозаряженными пластинами.

Схемы механизмов различных конструкций показаны на рисунке. На рисунке  приведена схема с изменяющейся площадью электродов.

Вращающий момент в приборах электростатической системы определяется уравнением:

При работе измерительного механизма на переменном напряжении вращающий

 

момент определяется как:

,

С- емкость между подвижным и неподвижным электродами.

Уравнение шкалы прибора имеет вид:

 

Приборы электростатического типа имеют высокое входное сопротивление, малую, но переменную входную емкость, малую мощность самопотребления, широкий частотный диапазон. Данные приборы могут использоваться в цепях переменного и постоянного тока. Показания приборов соответствуют среднеквадратическому значению измеряемой величины, и показания не зависят от формы кривой измеряемого сигнала.

Приборы имеют квадратичную шкалу, малую чувствительность из-за слабого электростатического поля и невысокую точность. Кроме того, приборы требуют применения экрана и не исключают возможность электрического пробоя.

 

6.  Индукционные механизмы

Конструктивно индукционный измерительный механизм  состоит из одного или нескольких неподвижных электромагнитов и подвижной части, которая обычно выполняется в виде алюминиевого диска, укрепленного на оси. Переменные магнитные потоки, направленные  перпендикулярно плоскости диска, пронизывая последний,  индуктируют в нем вихревые токи. Взаимодействие потоков с токами в диске вызывают перемещение подвижной части.

По числу магнитных потоков,  пересекающих подвижную часть, они могут быть однопоточными и многопоточными. Однопоточные индукционные механизмы в измерительной технике в настоящее время не применяются.

На рис. 1,а показано принципиальное устройство двухпоточного индукционного ИМ. Токи  I1 и I2, протекающие по обмоткам электромагнитов 1 и 2, возбуждают  в  сердечниках  1 и 2 магнитные потоки Ф1 и Ф2, сдвинутые по фазе на угол ψ.  Эти потоки,  пронизывая диск 3, наводят  в  нем вихревые токи I1,2  и I2,2. Потоки Ф1 и Ф2, пронизывающие диск 3 токи I1,2  и I2,2 .в диске показаны на рис. 1,б в виде окружностей.

                   

   а)                                                                  б)

                                                              Рис. 1

Взаимодействие потоков с токами в диске создает момент. В первом приближении можно считать, что индуктивное сопротивление диска мало пол сравнению с его активным сопротивлением. В этом случае вращающие моменты от взаимодействия потока Ф1 и тока I1,2, а также потока Ф2 и тока I2,2  будут практически равны нулю.

Вращающие моменты от взаимодействия потока Ф1 и тока I2,2, а также потока Ф2 и токаI1,2  будут практически равны

.                            (1)

Оба этих момента действуют на подвижную часть в одну сторону. Разные знаки у моментов указывают на то, что один контур тока втягивается в поле, а другой – выталкивается из соответствующего  поля.

Результирующий момент 

;

,               (2)

где С = С2 С3 + С1 С4; f - частота  изменения потоков; y - угол  сдвига фаз между потоками.           

Выражение (2) для МВР является общим для всех многопоточных индукционных ИМ. Это выражение показывает следующее:

1) для создания вращающего момента  необходимо иметь не менее  двух переменных магнитных потоков  или двух составляющих одного  потока, сдвинутых по фазе и  смещенных в пространстве;

2) вращающий момент достигает  максимального значения при сдвиге  фаз между потоками равным 900;

3) вращающий момент зависит от  частоты

 

Достоинства: приборы имеют большой вращающий момент, мало подвержены влиянию внешних магнитных полей и имеют большую перегрузочную способность.

Недостатки: следует отнести невысокую точность, большое самопотребление, зависимость показаний от частоты и температуры

Применяются для измерения электрической энергии (активной и реактивной) в цепях переменного однофазного и трехфазного токов (в настоящее время наиболее применимы цифровые устройства измерения мощности)

 

7. Источники погрешности  измерений и методы повышения точности измерений.

Погрешность результата измерения имеет много составляющих, каждая из которых обусловлена различными факторами и источниками. Типичный подход к анализу и оцениванию погрешностей состоит в выделении этих составляющих, их изучении по отдельности и суммировании по принятым правилам. Определив количественные параметры всех составляющих погрешности и, зная способы их суммирования, можно правильно оценить погрешность результата измерений и при возможности скорректировать его с помощью введения поправок.

 

Ниже приводятся некоторые источники появления погрешностей измерений:

• неполное соответствие объекта измерений принятой его модели;

• неполное знание измеряемой величины;

• неполное знание влияния условий окружающей среды на измерение;

• несовершенное измерение параметров окружающей среды;

• конечная разрешающая способность прибора или порог его чувствительности;

• неточность передачи значения единицы величины от эталонов к рабочим средствам измерений;

• неточные знания констант и других параметров, используемых в алгоритме обработки результатов измерения;