Ларионов А.Н., Чернышев В.В., Ларионова Н.Н. Аналоговые электромеханические измерительные приборы

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки Российской Федерации

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Ларионов А.Н., Чернышев В.В., Ларионова Н.Н.

АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Учебное пособие

Специальности : физика (010701), микроэлектроника и

полупроводниковые приборы (010803), радиофизика и

электроника (010801)

Воронеж 2004

Утверждено научно -методическим советом физического факультета

23. 06 2004 г. Протокол № 6

Авторы: Ларионов А.Н.,

Чернышев В.В.,

Ларионова Н.Н.

Учебное пособие подготовлено на кафедре общей физики физического

факультета Воронежского государственного университета .

Рекомендуется для студентов специальностей: 010701 (физика ), 010803

(микроэлектроника и полупроводниковые приборы) 4 курса дневной формы

обучения, специальности 010801 (радиофизика и электроника ) 2 курса вечерней

формы обучения.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

1.1. Классификация электроизмерительных приборов

Принцип измерения электрических величин был впервые предложен

М .В.Ломоносовым, сделавшим вывод о том, что «электричество взвешено быть

может» . Первый электроизмерительный прибор был сконструирован совре-

менником М .В. Ломоносова Г.В. Рихманом. Это был электрометр , принцип

действия которого положен в основу устройства большинства современных из-

мерительных приборов.

Измерительным прибором называется средство измерений, предназначенное

для выработки сигнала измерительной информации в форме , доступной для не -

посредственного восприятия. Измерительный прибор, показания которого яв-

ляются непрерывной функцией измеряемой величины, называется аналоговым

измерительными прибором. Структурная схема аналогового электромеханиче -

ского измерительного прибора содержит измерительную цепь, измерительный

механизм и отсчетное устройство (рис.1).

Рис.1

Измерительная цепь прибора служит для преобразования измеряемой вели-

чины х в электрическую величину у, непосредственно воздействующую на

измерительный механизм . В измерительном механизме электрическая энергия

преобразуется в механическую энергию перемещения подвижной части . У

большинства измерительных механизмов перемещение подвижной части со -

стоит в повороте относительно неподвижной оси на угол

. Отсчетное устрой-

ство состоит из указателя и шкалы и преобразует угловое перемещение под-

вижной части в перемещение указателя ℓ, которое выражается в делениях или в

миллиметрах шкалы. Таким образом, чувствительность аналогового электроме -

ханического измерительного прибора равна :

S=S

·S

= (dy/dx)·(d

/dy·(dℓ/d

где S

=dy/dx, S

/dy, S

= dℓ/d

- чувствительности соответственно измери-

тельной цепи, измерительного механизма и отсчетного устройства .

Электроизмерительные приборы классифицируют в зависимости от рода из-

меряемой величины, рода измеряемого тока , класса точности и принципа дей-

ствия. В случае постоянства абсолютной погрешности прибора во всем

диапазоне измерений класс точности выбирают из следующего ряда чисел:

1·10

; 1,5·10

; 2·10

; 2,5·10

; 4·10

; 5·10

; 6·10

; где n=1; 0; -1; -1; -3;… Класс

точности в этом случае выражается одним числом, соответствующим основной

приведенной погрешности во всем диапазоне измерений прибора. Например,

приборы класса точности 1,0 имеют допустимую приведенную погрешность

1,0%. Приборы, имеющие приведенные погрешности , превышающие 4,0%,

считаются внеклассными. Приборы класса точности 0,05; 0,1; 0,2 и 0,5 исполь-

зуются для выполнения точных измерений как контрольные и лабораторные .

На шкалах приборов наносят условные обозначения, характеризующие из-

меряемую величину (таблица 1).

Таблица 1.

На шкалах приборов наносят условные обозначения, отражающие класс

точности , принцип действия измерительного механизма, род измеряемого тока

и число фаз, защищенность прибора от внешних воздействий, а также требова -

ния к условиям эксплуатации (таблица 2, 3).

Общие технические требования ко всем электроизмерительным приборам

нормированы ГОСТ 22261-82, согласно которому характеристики электроизме -

рительных приборов должны удовлетворять следующим условиям :

1) погрешность прибора не должна превышать указанного на лицевой сто -

роне предела (класса точности ) и не должна изменяться со временем;

2) шкала прибора должна быть проградуирована в единицах СИ;

3) магнитные и электрические поля, а также температура окружающей среды

не должны оказывать влияния на показания прибора;

4) прибор должен иметь хорошую успокоительную систему, обеспечиваю -

щую быстрое прекращение колебаний подвижной части прибора при измене -

нии измеряемой величины;

5) прибор должен потреблять минимальную мощность и выдерживать уста -

новленную ГОСТом перегрузку.

Условные обозначения, наносимые на шкалу и корпус электроизмеритель-

ных приборов, определены в ГОСТ 23217-78 (табл.1-3).

1.2. Устройство для создания противодействующего момента

Принцип действия большинства аналоговых электромеханических измери-

тельных приборов основан на повороте подвижной части измерительного ме-

ханизма под действием вращающего момента , который создается в результате

преобразования энергии электромагнитного поля (W), сосредоточенной в изме -

рительном механизме , в механическую энергию углового перемещения под-

вижной части отсчетного устройства и равен скорости изменения этой энергии

при повороте подвижной части на угол

=dW/d

. (1)

Если бы на подвижную часть измерительного механизма воздействовал

только вращающий момент, то она повернулась бы до упора при любом значе -

нии измеряемой величины х . Поэтому в каждом электроизмерительном меха -

низме создается противодействующий момент (М

), пропорциональный углу

поворота (

) и направленный противоположно вращающему моменту .

В зависимости от способа создания противодействующего момента все ана-

логовые электромеханические измерительные приборы можно разделить на две

группы:

1) приборы с механическим противодействующим моментом, который

создается с помощью упругих элементов, закручиваемых при повороте под-

вижной части , причем

=к

, (2)

где к

– модуль упругости пружины или нити ;

2) приборы, в которых противодействующий момент создается тем же спо-

собом, что и вращающий (логометры).

При равенстве вращающего и противодействующего моментов подвижная

часть прибора находится в состоянии равновесия. Приравнивая правые части

уравнений (1) и (2), можно найти зависимость угла поворота подвижной части

от измеряемой величины и параметров прибора:

=f(x,A

,… A

), (3)

где А

, А

,…А

– параметры прибора. Выражение (3) является основным

уравнением, характеризующим свойства прибора, и называется градуировочной

характеристикой или уравнением шкалы прибора.

Противодействующий момент в измерительном механизме с установкой

подвижной части на опорах (рис.2) создается одной или двумя пружинами 5, 6,

выполненными из оловянно -цинковой бронзы . Пружины используются также

для подвода тока к рамке подвижной части прибора. Одним концом пружина

крепится к оси , а другим – к поводку 4 корректора. Корректор служит для уста -

новки на нуль стрелки выключенного прибора и состоит из винта 9 с эксцен-

трично расположенным пальцем 8, вилки 7 с поводком. При повороте винта 9

корректора перемещается вилка 7, что вызывает закручивание пружины и соот-

ветственно перемещение стрелки 3. Ось 2 заканчивается кернами, опирающи-

мися в корпус 1.

В более чувствительных приборах для создания противодействующего мо-

мента используются подвесы или растяжки (рис.3). Растяжки представляют со -

бой две тонкие ленты из бронзового сплава , на которых подвешивается под-

вижная часть измерительного механизма. Применение растяжек или подвесов

исключает трение в опорах, облегчает подвижную часть и повышает вибро-

устойчивость . Растяжки используются также для подведения тока к обмотке

рамки .

1.3. Шкалы приборов

Шкалой называется совокупность отметок, изображающих ряд последова -

тельных чисел, соответствующих значениям измеряемой величины. Шкала

прибора служит для отсчета значений измеряемой величины. На шкалу наносят

также условные обозначения, соответствующие характеристикам данного при-

бора (табл.1, 2, 3).

Расстояние между двумя соседними отметками называется делением шкалы,

а изменение измеряемой величины, вызывающей перемещение стрелки прибо-

ра на одно деление, называется ценой деления (с). Цена деления обычно выби-

рается превышающей погрешность показания прибора (Δх

пр

), то есть с≥Δх

пр

. У

многих приборов с=2·Δх

пр

или с=4·Δх

пр

. В многопредельных приборах шкала

имеет определенное число делений, по которым путем пересчета определяют

измеряемую величину в нужных единицах.

Шкалы могут быть равномерными и неравномерными. Применение равно -

мерной шкалы позволяет производить отсчет с большей точностью . Шкалы

градуируют в соответствии с десятичной системой счисления, а цена деления

выбирается кратной числам 1, 2 или 5. Поэтому значение цены деления опреде-

ляется по формуле с=к·10

, где к=1, 2 или 5; z – любое целое число .

Указатели могут быть стрелочными или световыми в зависимости от назна-

чения прибора. Большая часть аналоговых электромеханических измеритель-

ных приборов снабжена стрелочными указателями, которые могут быть копье -

видными, ножевидными или нитевидными. Стрелочные указатели находятся на

некотором расстоянии от шкалы, и для снятия показаний необходимо проеци-

ровать положение стрелки на шкалу. При этом положение проекции стрелки

зависит от угла между лучом, соединяющим глаз наблюдателя и стрелку с

плоскостью шкалы. Этот угол должен быть прямым, что практически трудно

реализовать , поэтому измерения стрелочными приборами сопровождаются по-

грешностью , обусловленной параллаксом (параллакс - видимое смещение

предмета вследствие изменения места наблюдателя). Для устранения параллак-

тической погрешности на шкалах наиболее

точных приборов устанавливают зеркаль-

ную пластинку (рис.4). Отсчет показаний

производят одним глазом, причем глаз

располагают так, чтобы стрелка и ее изо -

бражение в зеркале сливались воедино .

Наиболее точный отсчет по шкале позво -

ляют получать стрелки с ножевидными и

нитевидными указателями. Световые ука -

затели выполняют в виде

на шкалу прибора, не имеют погрешности вследствие параллакса и обеспечи-

вают повышение чувствительности измерительного механизма, поскольку угол

поворота отраженного луча вдвое превышает угол поворота зеркальца, укреп-

ленного на подвижной части прибора.

1.4. Успокоители

Подвижную часть прибора с противодействующей спиральной пружиной

следует рассматривать как некоторую колебательную систему. При изменении

значения измеряемой величины х подвижная часть прибора будет совершать

затухающие колебания по завершении которых можно произвести отсчет. Для

увеличения коэффициента затухания колебаний подвижной части прибора ис-

пользуют специальные устройства – успокоители. В зависимости от принципа

действия различают три вида успокоителей: воздушные , магнитоиндукционные

и жидкостные .

Воздушный успокоитель представляет собой дугообразный цилиндр 1, запа-

янный с одного конца (рис.5.а ). Внутри цилиндра находится поршень 2, кото -

рый жестко связан с подвижной частью прибора и не касается стенок цилиндра.

Зазор между поршнем и цилиндром невелик и при быстрых перемещениях

поршня давление внутри цилиндра не успевает выровняться с атмосферным. В

цилиндре создаются то сгущения, то разрежения воздуха , которые препятству-

ют движению поршня и тем самым быстро успокаивают подвижную систему.

При медленном движении поршня часть воздуха может свободно входить в ци-

линдр и выходить из него через зазор, не препятствуя поворотам подвижной

части прибора.

Иногда воздушный успокоитель имеет форму замкнутой коробочки со ще-

лью (рис.5.б ). Эта щель служит для перемещения рычага 1, на котором укреп-

лена пластинка 2. Последняя не касается стенок коробочки и выполняет

а ) б ) в)

Рис.5.