Электромеханические измерительные приборы

метки: Прибор, Измерение, Измерительный, Электроизмерительный, Электрический, Электромеханический, Электромагнитный, Подвижной

Электромеханические измерительные приборы — раздел Приборостроение, Электромеханические измерительные приборы Электромеханические Измерительные Приборы (Эип) Отличаются Простотой, Дешевиз…

Электромеханические измерительные приборы (ЭИП) отличаются простотой, дешевизной, высокой надежностью, разнообразием применения, относительно высокой точностью.

Любой ЭИП состоит из ряда функциональных преобразователей, каждый из которых решает свою элементарную задачу в цепи преобразований. Так, самый простейший измерительный электромеханический прибор прямого преобразования (вольтметр, амперметр) состоит из трех основных преобразователей: измерительной цепи (ИЦ), измерительного механизма (ИМ) и отсчетного устройства (ОУ) (рис. 1).

Измерительная цепь

Рис. 1

напряжение), функционально связанную с

измеряемой величиной и непосредственно воздействующую на измерительный механизм.

Измерительный механизм, Отсчетное устройство

М _вр ,

Вращающий момент

M _Bp = dW_м /da,

dW _M —

Противодействующий момент

В случае, когда противодействующий момент создается спиральной пружинкой:

М _пр = Wa (2)

где W — удельный противодействующий момент, зависящий oт геометрических размеров и материала пружины (растяжек).

Момент успокоения

М _усп = Р(da/dt),

В измерительных механизмах наиболее часто применяют магнитоиндукционные и воздушные успокоители. Для создания очень большого успокоения применяют жидкостные успокоители. Несмотря на большое разнообразие конструкций и типов приборов все они имеют ряд общих узлов и деталей. Такими деталями являются: корпус, шкала, указатель, устройства для установки и уравновешивания подвижной части, создания противодействующего момента и успокоения, корректор, а в высокочувствительных приборах — арретир.

Магнитоэлектрические приборы

W _М

W _М

Рис.2. Схема устройства магнитоэлектрического прибора:

1-постоянный магнит; 2 — полюсные наконечники; 3 — неподвижный сердечник

4 — прямоугольная катушка; 5, 6 — оси; 7, 8— спиральные пружины; 9 — стрелка; 10 — передвижные грузики

Тогда выражение (1) можно представить как:

M =Idy/da (5)

Полное изменение потокосцепления с рамкой через конструктивные параметры рамки запишется следующим образом:

dy = BSwda,

где В — индукция в зазоре; S— площадь рамки; w — число витков рамки.

Если положить da = 1 рад, то произведение BSw — величина постоянная для каждого данного прибора и равная изменению потокосцепления при повороте рамки на 1 рад. Обозначая его черезy₀ ,, запишем:

y ₀ = BSw, Тогда:

₀ da

Подставляя выражение (20.8) в формулу (20.7), получим выражение вращающего момента для магнитоэлектрического механизма в следующем виде:

М _вр = Iy₀ (7)

М _вр

Iy _о = Wa.

Следовательно, уравнение преобразования для магнитоэлектрического ИМ будет иметь вид:

a = Iy _о / W, или a = Si×I, (8)

= y ₀

Можно записать формулу (8) через конструктивные параметры измерительного механизма:

a = BSwI/W. (9)

Из формулы (9) следует, что угол отклонения подвижной части ИМ прямо пропорционален току в катушке, поэтому магнитоэлектрические приборы имеют равномерные шкалы.

В магнитоэлектрических приборах успокоение подвижной части приборов магнитоиндукционное, т.е. создается взаимодействием магнитных полей от вихревых токов в каркасе катушки и поли постоянного магнита.

Достоинства: высокий класс точности — 0,05 и ниже, равномерная шкала, высокая и стабильная чувствительность, малое

собственное потребление мощности, большой диапазон измерений, на показания МЭП не влияют внешние магнитные и электрические поля.

Недостатки: без преобразователей МЭП используют только в цепях постоянного тока, имеют малую нагрузочную способность, сложны и дороги, на их показания влияют колебания температуры.

Применение: магнитоэлектрические ИМ используют в амперметрах, вольтметрах, омметрах и гальванометрах (обычных, баллистических и вибрационных).

Амперметры.

R _ш = R_пр /(n-1), (10)

где п — коэффициент шунтирования по току, п = I/I /_пр .

Вольтметры.

R _доб = R_пр (m-1), (11)

где т — коэффициент шунтирования по напряжению, т = U/ U_np . Логометры. Приборы электромеханической группы, измеряющие отношение двух электрических величин, обычно двух токов a = f(I₁ /I₂ ), что позволяет сделать их показания независимыми в известных пределах от напряжения источника питания.

В логометрах вращающий и противодействующий моменты создаются электрическим путем и направлены навстречу друг другу.

Омметры. Магнитоэлектрические логометры широко применяются в приборах для измерения сопротивления — омметрах и мегомметрах, в выпрямительных частотомерах и устройствах для измерения неэлектрических величин (температуры, давления, уровня жидкости и др.).

Электромагнитные измерительные приборы.

можно записать:

Приравнивая вращающий момент: противодействующий моменты получим:

Из выражения получаем уравнение: преобразования для ЭМИП

Энергия электромагнитного поля катушки с током I выражается формулой:

где W — удельный противодействующий момент пружины.

Из полученного выражения видно, что шкала электромагнитного прибора квадратичная. Конструктивно добиваются равномерности шкалы, начиная с 1/5 части верхнего предела измерения.

Достоинства: простота конструкции и высокая надежность, хорошая перегрузочная способность, возможность работы в цепях постоянного и переменного токов, классы точности 1,0; 1,5; 2,5; частотный диапазон 45 Гц… 10 кГц; диапазон измерения по току 05…300 А (при прямом включении) и до 20 000 А с измерительным трансформатором тока (ИТТ); диапазон измерения по напряжению 1,5…60 В (при прямом включении) и до 6000 В с измерительным трансформатором напряжения (ИТН).

Недостатки: большое собственное потребление энергии, невысокая чувствительность, неравномерная шкала, влияние внешних магнитных и температурных полей, частоты питающего напряжения на показания ЭМИП.

Применение: электромагнитные приборы используют в качестве амперметров, вольтметров, фазометров, частотомеров, генриметров и фарадметров. Расширение пределов по току — секционирование и использование ИТТ, по напряжению — секционирование, применение добавочного резистора и ИТН.

Электродинамические измерительные приборы.

L _x

• Рис. 3 Схема устройства электродинамического прибора:
• неподвижная катушка; 2 — подвижная катушка

L ₁

дующее выражение для М _вр :

Приравнивая вращающий и противодействующий моменты имеем:

Отсюда получаем уравнение преобразования ЭДИП в виде:

Учитывая, что взаимная индуктивность М катушек зависит от положения подвижной катушки относительно неподвижной, можно представить уравнение преобразования в общем виде:

Уравнение действительно для случая работы ЭДИП на постоянном токе. На переменном токе показания ЭДИП зависят от произведения действующих значений токовI ₁ , и I₂ и от сдвига по фазе между этими токами:

Достоинства: используются в цепях постоянного и переменного токов, классы точности 0,05; 0,1; 0,2. Диапазон измерений на постоянном токе 0,015… 10 А (прямое включение), на переменном токе 0,005… 200 А (прямое включение), до 600 А с ИТТ; измерения постоянного напряжения 1,5…600 В (прямое включение), 7,5…6000 В с R _доб , переменного тока до 30 000 В с ИТН; частотный диапазон до 40 кГц.

Недостатки: большое собственное потребление энергии, шкала неравномерная, невысокая чувствительность, имеют малую перегрузочную способность, недопустимы тряски и вибрации, имеют сложную конструкцию и высокую стоимость, на показания этих приборов влияют внешние магнитные поля, температура и частота питающего напряжения.

Применение: электродинамические приборы используют в качестве амперметров, вольтметров, ваттметров (для расширения пределов измерения применяют секционирование катушек,R _доб ИТТ и ИТН), частотомеров, фазометров (на принципе логометров).

Ферродинамические измерительные приборы.

Достоинства: не боятся вибраций и тряски, внешние магнитные поля мало влияют на их показания, классы точности 0,2; , 1,0; 1,5; 2,5. Успокоение подвижной части — воздушное и магнитоиндукционное.

Недостатки: на постоянном токе погрешность возрастает за счет потерь на гистерезис, сказывается влияние частоты питающего напряжения и температуры внешней среды; частотный диапазон 10 Гц… 1,5 кГц,

М _вр

Электростатические измерительные приборы.

• Рис. 4 Схема устройства электро­статического прибора:

1 — подвижная пластина; 2 — неподвиж­ные пластины; 3 — ось

Подвижная алюминиевая пластина 1, закрепленная вместе стрелкой на оси 3, может перемещаться, взаимодействуя с двумя электрически соединенными[ неподвижными пластинами 2.

Входное напряжение подается на подвижную и неподвижную пластины. Под действием электростатических сил подвижная пластина втягивается между неподвижными пластинами.

М _вр

М _вр =dW/da

dW _э

W _э = U² C/2. Поэтому:

M _вр =(U² dC/da)/2

где С — емкость, образуемая между электродами электростатического прибора.

Приравнивая вращающий и противодействующий моменты, получим:

a=U ² /(2WdC/da)

Из последнего выражения видно, что шкала прибора квадратичная.

Конструктивно добиваются частичной линеаризации шкалы так, что рабочая часть начинается примерно с 1/5 части общей длины шкалы. Успокоение подвижной части — магнитоиндукционное или воздушное.

Достоинства, Недостатки

Применение: электростатические измерительные приборы используют в цепях постоянного и переменного токов в качестве вольтметров. Для расширения пределов измерения по напряжению используются резисторные и емкостные делители напряжения.

Индукционные измерительные приборы.

Зависимость показаний ИИП от колебаний частоты тока возбуждения и температуры окружающей среды ограничивает применение этих приборов.

Индукционный измерительный механизм используется в самопишущих приборах, для построения указателя вращающегося поля, синхроскопа, частотомера и в счетчиках электрической энергии.

Упрощенная схема однофазного индукционного счетчика электрической энергии показана на рис. 5.

Механизм прибора состоит из двух неподвижных магнитопроводов: трехстержневого сердечника с катушкой напряжения 1 и П-образного сердечника 5 с двумя последовательно соединенными токовыми катушками, счетного механизма 2, алюминиевого диска 3, жестко укрепленного на оси, и постоянного магнита 4, служащего для создания тормозного момента.

Анализ работы индукционного счетчика показывает, что его вращающий момент пропорционален активной мощности переменного тока, т.е.

М _вр = K₁ UIcosj = К₁ Р,

где К ₁ — коэффициент пропорциональности; j — угол сдвига фаз между напряжением U и током I, Р — мощность.

Под влиянием М _вр диск счетчика начинает вращаться. На диск счетчика действует тормозной момент М_т , создаваемый постоянным магнитом, который упрощенно можно считать пропорциональным скорости вращения диска:

М _т =К₂ da/dt

Где К ₂ -постоянный коэффициент. Количество электричества, реально прошедшее за один оборот диска зависит от тока, характера нагрузки; таким образом число оборотов диска характеризует энергию, потребленную нагрузкой, в цепи которой включен счетчик энергии.

Рис. 5. Схема однофазного индукционного счетчика:

1— катушка напряжения; 2 — счетный Механизм; 3 — алюминиевый диск; 4 — Постоянный магнит; 5 — П-образный сердечник

Важным параметром счетчика является порог чувствительности, под которым понимается минимальная нагрузка, выражаемая обычно в процентах от номинальной, при которой подвижная часть начинает безостановочно вращаться.

Наряду с этим счетчик не должен иметь самоход при разомкнутой токовой цепи и изменении напряжения в пределах 220 В ±10%.

Счетчики активной энергии выпускаются классов точности 0,5; 1,0; 2,0; 2,5. Порог чувствительности счетчика не должен превышать 0,4 % для счетчиков класса точности 0,5 и 0,5 % для счетчиков класса точности 1,0; 2,0; 2,5.

Применение: индукционные счетчики используют для измерения электрической энергии в однофазных и трехфазных цепях.