Аналоговые электромеханические приборы

РАЗДЕЛ 2. АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ ЛЕКЦИЯ 2 Аналоговые электромеханические приборы План лекции: 2.1 Метрологические характеристики аналоговых измерительных приборов 2.2 Принцип действия и элементы конструкций электромеханических измерительных приборов 2.1 Метрологические характеристики аналоговых измерительных приборов Все средства измерений (СИ), независимо от их конкретного исполнения, обладают рядом общих свойств, необходимых для выполнения ими их функционального назначения. Технические характеристики, описывающие эти свойства и оказывающие влияние на результаты и на погрешности измерений, называются метрологическими. Комплекс нормируемых метрологических характеристик (МХ) устанавливается таким образом, чтобы с их помощью можно было оценить погрешность измерений. МХ СИ и их нормирование установлены ГОСТ 8.009-2000 и частными стандартами на отдельные подгруппы или виды средств измерений. Общими характеристиками электроизмерительных приборов являются вариации показаний, чувствительность к измеряемой величине, потребляемая ими мощность, время установления показаний, входное и выходное полные сопротивления, надежность средств измерений. На МХ СИ сильно влияют внешние физические воздействия (климатические, механические, электромагнитные) и изменения параметров источников питания – влияющие величины. По условиям применения СИ, различают нормальные и рабочие условия. Они отличаются диапазоном изменения неинформативных параметров входного сигнала и влияющих величин. Нормальными называются условия, для которых нормируется основная погрешность СИ. При этом влияющие величины и неинформативные параметры входного сигнала имеют нормальные значения. Нормальные условия эксплуатации СИ: температура окружающего воздуха (20 5)оС; относительная влажность 30-80%; атмосферное давление 630-795 мм рт.ст., напряжение питающей сети (220  4,4)В, частота питающей сети (50 0,5) Гц. Одной из основных МХ измерительных преобразователей является статическая характеристика преобразования, называемая функцией преобразования или градуировочной характеристикой, которая устанавливает зависимость y  f  x, (2.1) y где информативный параметр выходного сигнала измерительного преобразователя от информативного параметра x входного сигнала. Статическая характеристика нормируется путем задания в форме уравнения, графика или таблицы. Если под независимой переменной х понимать значение измеряемой величины или информативного параметра входного сигнала, а под зависимой величиной y – показание прибора. Если статическая характеристика преобразования линейна, т.е. y  kx , то коэффициент k называется чувствительностью измерительного прибора (преобразователя). Чувствительность СИ определяется как отношение приращения выходного сигнала Y на выходе измерительного прибора к вызвавшему это приращение изменению входного сигнала Х. В общем случае чувствительность определяется как Y S  lim (2.2) x0 X и называется абсолютной чувствительностью. Для линейной градуировочной характеристики чувствительность S = const, для нелинейных характеристик чувствительность является переменной величиной, различной для разных значений Х. В практике пользуются относительной чувствительностью Y (2.3) S0  , X / X где X/X - относительное изменение входной величины, выражаемое чаще всего в процентах Для стрелочных приборов S   . . Поэтому измеряемая величина X 1 X  , (2.4) S где  - показание прибора; 1/S – постоянная прибора или цена деления. Наряду с чувствительностью существует понятие порог чувствительности, представляющее собой минимальное значение изменения измеряемой величины, которое может показать прибор. Порог чувствительности тем ниже, чем больше чувствительность. Вариация показаний измерительного прибора – это разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе к этой точке со стороны меньших и больших значений измеряемой величины. Важной характеристикой шкальных измерительных приборов является цена деления, т.е. изменение измеряемой величины, которому соответствует перемещение указателя на одно деление шкалы. Если чувствительность постоянна в каждой точке диапазона измерения, то шкала называется равномерной. При неравномерной шкале нормируется наименьшая цена деления шкалы измерительных приборов. Входное сопротивление является важным параметром СИ. Оно показывает степень приспособленности данного средства к измерениям в маломощных измерительных цепях. Для измерительных приборов обычно указывается время установления показания: промежуток времени с момента начала измерения до момента установления показаний. Значение tУ для большинства электромеханических приборов не должно превышать 4 с (для электростатических и термоэлектрических приборов 6 с). Важнейшей метрологической характеристикой СИ является погрешность. Точность измерительного прибора это – МХ прибора, определяемая погрешностью измерения, в пределах которой можно обеспечить использование данного измерительного прибора. Абсолютная погрешность измерения - разность между значением величины, полученным при измерении, и ее истинным значением, выражаемая в единицах измеряемой величины. Относительная погрешность измерения - отношение абсолютной погрешности, измерения к истинному значению измеряемой величины. Систематическая погрешность измерения составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или изменяющаяся по определенному закону при повторных измерениях одной и той же величины. Систематическая погрешность может быть исключена с помощью поправки. Случайная погрешность - составляющая погрешности измерения, изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины случайным образом. Инструментальная погрешность - составляющая погрешности измерения, зависящая от погрешностей применяемых средств. Эти погрешности определяются качеством изготовлении самих измерительных приборов. Погрешность метода измерения - составляющая погрешности измерения, вызванная несовершенством метода измерений. Класс точности - обобщенная характеристика прибора, определяемая пределами допускаемой основной и дополнительных погрешностей (т. е. наибольшими погрешностями, при которых прибор по техническим требованиям может быть допущен к применению). Аналоговым измерительным приборам с непосредственным отсчетом присваивается класс точности, который обозначается числом, равным пределу допускаемой основной приведенной погрешности  прив . Стандартом ГОСТ Р8.563–96 «Государственная система обеспечения единства измерений. Классы точности средств измерений. Общие требования” предписывается выбирать значение  прив из следующего ряда чисел: 110n;1,5 10n;(1,6 10n );2 10n;2,5 10n;(3 10n );4 10n;5 10n ;6 10n , где n = 1, 0, -1, -2, .... Значения, указанные в скобках, не рекомендованы и используются в порядке исключения. Класс точности 4 введен в качестве дополнительного требования народного хозяйства для России (ГОСТ 8711- 93). Обозначение класса точности прибора обычно изображается на шкале или лицевой панели прибора различным образом в зависимости от принятого для приборов данного типа нормирующего значения. Контрольные вопросы 1 Какие характеристики называются метрологическими? 2 Какие условия считаются нормальными для эксплуатации СИ? 3 Какие погрешности СИ Вы знаете? 4 Что такое класс точности? 2 Принцип действия и элементы конструкций электромеханических измерительных приборов В аналоговых электромеханических приборах (АЭИП) непосредственной оценки, в которых электромагнитная энергия, подведенная к прибору непосредственно из измеряемой цепи, преобразуется в механическую энергию углового перемещения подвижной части относительно неподвижной. В практике электрических измерений АЭИП предназначены для измерения всех основных электрических величин (напряжения, тока, мощности, частоты, сопротивления, электрической энергии и др.) в электрических цепях постоянного и переменного токах преимущественно промышленной частоты 50 Гц. Электромеханические показывающие приборы обычно выполняются по методу прямого преобразования и состоят из измерительной цепи (преобразователя) ИЦ, измерительного механизма ИМ и отсчетного устройства ОУ. Структурная схема такого электромеханического прибора показана на рис. 2.1. x Входная цепь y Измерительный механизм  Отсчетное устройство Рис.2.1. Структурная схема электромеханического измерительного прибора Измерительная цепь прибора обеспечивает преобразование измеряемой величины X в некоторую промежуточную электрическую величину Y, функционально связанную с величиной X. Величина Y непосредственно воздействует на измерительный механизм. В зависимости от характера преобразования измерительная цепь может представлять собой совокупность различных элементов — резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, выпрямителей, термопар и т. д. Различные измерительные цепи позволяют использовать один и тот же измерительный механизм при измерениях разнородных величин или величин, меняющихся в широких пределах. Измерительный механизм, являясь основной частью конструкции прибора, преобразует электромагнитную энергию, необходимую для угла отклонения α его подвижной части относительно неподвижной.   f Y   F  X  . (2.5) По способу преобразования электромагнитной энергии, подводимой к прибору, в механическую энергию перемещения подвижной части. Электромеханические приборы разделяются на следующие основные группы: магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические, индукционные, термоэлектрические. Приборы этой группы являются шкальными, т. е. приборами с отсчетным устройством в виде шкалы и указателя (стрелочного или светового). Исключение составляют счетчики электрической энергии, которые являются, цифровыми, так как их отсчетное устройство представляет выходной сигнал в цифровой форме. Наиболее важными внешними факторами, влияющими на работу измерительных приборов, можно считать температуру окружающей среды и внешнее магнитное поле. Уменьшение влияния изменения температуры на показания приборов достигается обычно схемными способами. Для защиты от влияния внешних магнитных полей измерительные механизмы приборов экранируют. В последнее время чаще применяют экранирование как дешевый и достаточно надежный способ защиты. Сущность его состоит в том, что измерительный механизм помещают в ферромагнитный корпус (экран), по которому замыкаются линии внешнего магнитного поля. Несмотря, на большое разнообразие конструкций и типов электроизмерительных механизмов, все они имеют ряд общих деталей Это корпус прибора, отсчетное устройство, устройство для установки и уравновешивания подвижной части и создания противодействующего момента, успокоитель, корректор и в приборах высокой чувствительности — арретир. Корпус прибора должен защищать измерительный механизм от попадания в него пыли и влаги и от внешних механических воздействий. Отсчетное устройство состоит из шкалы и указателя, жестко связанного с подвижной частью измерительного механизма. Угловое перемещение подвижной части под действием измеряемой электрической величины приводит к перемещению указателя относительно шкалы. Для того чтобы обеспечить однозначную связь между углом поворота подвижной части и значением измеряемой величины, необходимо создать противодействующий момент, пропорциональный углу поворота подвижной части. Корректор — это устройство, позволяющее устанавливать стрелку прибора на нуль шкалы. Некоторые приборы высокой чувствительности снабжаются арретиром — устройством, позволяющим неподвижно закрепить подвижную часть при переноске или транспортировке прибора. В измерительном механизме электрическая энергия преобразуется в механическую энергию перемещения подвижной части. У большинства измерительных механизмов подвижная часть имеет одну степень свободы, т. е. может поворачиваться вокруг неподвижной оси на угол α или совершать линейное перемещение. У большинства приборов входные величины создают механические силы, вызывающие угловое перемещение подвижной части, в дальнейшем будут рассматриваться не силы, действующие на подвижную часть, а моменты этих сил. Момент, возникающий в приборе под действием измеряемой величины и поворачивающий подвижную часть в сторону возрастающих показаний, называется вращающим моментом Мвр. Вращающий момент должен однозначно определяться измеряемой величиной X и в общем случае может зависеть от угла поворота подвижной части, т. е. М вр  F  X ,  , (2.6) При повороте подвижной части на некоторый угол  совершается работа А , равная изменению электромагнитной энергии измерительного механизма, (2.7) A  Weэм  M вр , отсюда Weэм (2.8) М вр  .  Таким образом, вращающий момент определяется скоростью изменения энергии электромагнитного поля Wэм , сосредоточенной в механизме, по угловому перемещению  подвижной части. Данное обобщенное выражение момента используют для приборов всех систем, в которых действуют силы электромагнитного поля. Если бы повороту подвижной части ничто не препятствовало, то она при любом значении измеряемой величины, повернулась бы до упора. Для того чтобы угол отклонения  зависел от измеряемой величины, в приборе при повороте подвижной части создается противодействующий момент Мпр, направленный навстречу вращающему моменту и зависящий от угла поворота. Противодействующий момент можно получить за счет механических – это с помощью упругих элементов пружины, растяжки или подвеса, которые при повороте подвижной части закручиваются. При этом механический противодействующий момент буде определяться как M пр  W  . (2.9) где W — коэффициент пропорциональности, называемый удельным противодействующим моментом, а его значение зависит от свойств упругого элемента. При установившемся положении указателя вращающий и противодействующий моменты равны M вр  М пр (2.10) Для создания противодействующего момента с помощью электрических сил, к механизму подводят дополнительное электрическое воздействие. Приборы с электрическим противодействующим моментом называются логометрами. Зная аналитическое выражение для моментов, можно найти зависимость угла поворота подвижной части oт измеряемой величины и параметров прибора:   F  X , В, (2.12) где В — параметры прибора. Это выражение является основным уравнением, характеризующим свойства приборов, его можно использовать для графического построения шкалы прибора. Момент, возникающий в приборе при движении подвижной части и стремящийся успокоить это движение, называется моментом успокоения М у . Р , (2.13) t где Р — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом успокоения. Момент успокоения в значительной степени определяет важный эксплуатационный параметр прибора — время успокоения. Установка подвижной части может быть выполнена различными способами: •на кернах и подпятниках, •на растяжках, •на подвесе. Керны (рис. 2.2, а) представляют собой заточенные под углом 600 отрезки стальной проволоки 1, которые закаливают, шлифуют и полируют. Подпятники 2 обычно изготовляются из пластин агата или корунда с выточенным в них коническим углублением. Керн укрепляется на подвижной части -3, а подпятник — на неподвижной. Подпятники для осей состоят из латунного винта с завальцованным в него камнем, имеющим тщательно полированный кратер. Му   Растяжки — это две металлические ленточки 3, прикрепленные одним концом к подвижной части, а другим — к неподвижной. Они поддерживают подвижную часть, и могут быть использованы для подвода тока в обмотку подвижной части 4, при этом снижается собственное потребление и повышается чувствительность прибора (рис. 2.2, б). Подвес применяется у приборов самой высокой чувствительности (гальванометры). Подвижная часть подвешивается на бронзовой ленте длиной 8-15 см или кварцевой нити. Ток в обмотку подвижной части такого прибора подводится через нить подвеса, а выводится при помощи тонкой металлической ленточки, толщиной в несколько микрон. Ленточный подвес 5 (рис. 2.2, в) применяют с нижней опорой 6, которая служит направляющей. а) б) в) Рис 2.3 Крепления подвижной части При измерении подвижная часть прибора должна висеть свободно на подвесе, поэтому эти приборы снабжают арретиром. Для создания противодействующего момента на кернах преимущественно применяют спиральные пружины, у которых внутренний конец спиральной пружины прикрепляют к подвижной части, а наружный — к неподвижной части прибора. В приборах, с креплением подвижной части на растяжках и подвесе, которые работают на скручивание, одновременно служат и для создания противодействующего момента. В реальных приборах одна из растяжек, прикрепляется не к неподвижной части прибора, а к специальному винту, укрепленному на корпусе прибора и называемому корректором. Успокоитель - это элемент измерительного механизма, который создает момент успокоения и обеспечивает быстродействие прибора. Применяют воздушный, магнитоиндукционный или жидкостный успокоитель. Воздушный успокоитель применяется в приборах старых разработок. Он представляет собой закрытую камеру - 1, внутри которой перемещается легкий алюминиевый поршень - 2, жестко укрепленный на оси подвижной части. Между алюминиевым поршнем и стенками камеры имеется небольшой зазор и воздух перемещается из одной части камеры в другую, создавая успокаивающий момент -3. Магнитоиндукционный успокоитель состоит из неподвижного постоянного магнита с магнитопроводом - 5 и крыла успокоителя - 4, выполненного из алюминия и жестко скрепленного с подвижной частью прибора. При движении подвижной части -6 и крыла успокоителя в последнем при пересечении поля постоянного магнита наводятся вихревые токи, которые при взаимодействии с полем постоянного магнита создают успокаивающий момент. Жидкостный успокоитель состоит из двух дисков: один диск укрепляется на подвижной части прибора - 7, а другой — на неподвижной части - 8. Зазор между дисками заполняется специальной маловысыхающей кремниеорганической жидкостью 9, которая в зазоре удерживается поверхностным натяжением Жидкостный успокоитель применяется в приборах, подвижная часть которых укреплена на растяжках - 10, которая проходит через небольшое отверстие, сделанное в диске. а) б) в) Рис.2.4 Типы успокоителей: а) воздушный; б) магнитоиндукционный; в) жидкостный Достоинством АЭМП - дешевизна, большая информативность отсчетных устройств и отсутствие источника питания –позволяют аналоговым измерительным приборам прочно удерживать завоеванные позиции. Контрольные вопросы 1.Из каких узлов состоит электромеханический измерительный прибор? 2. На какие основные группы подразделяются электромеханические приборы? 3. Какие физические величины можно измерить аналоговыми электромеханическими приборами? 5. Что такое корректор, арретир? 6. Для чего экранируют электромеханический измерительный механизм?