Электромеханические приборы

По физическому принципу, положенному в основу построения и конст­руктивному исполнению, эти приборы относятся к группе аналоговых средств измерения, показания которых являются непрерывной функцией из­меряемой величины.

Электромеханические приборы непосредственной оценки измеряемой величины представляют класс приборов аналогового типа, обладающих рядом положительных свойств: просты по устройству и в эксплуатации, обладают высокой надежностью и на переменном токе реагируют на среднее квадратическое значение напряжения. Последнее обстоятельство позволяет измерять наиболее информативные параметры сигнала без ме­тодических ошибок. Электромеханические измерительные приборы строят по обобщенной структурной схеме, показанной на рис, 5.2.

Рис. 5.2. Структурная схема электромеханического прибора

Измерительная схема электромеханического прибора состоит из совокупности сопротивлений, индуктивностей, емкостей и других элементов электрической цепи прибора и осуществляет количественное или качествен­ное преобразование входной величины х: в электрическую величинух', на которую реагирует измерительный механизм. Последний преобразует элек­трическую величину х' в механическое угловое или линейное перемещение α, значение которого отражается на шкале отсчетного устройства, проградуированной в единицах измеряемой величины N(x).Для этого необходимо чтобы каждому значению измеряемой величины соответствовало одно и только одно определенное отклонение α. При этом параметры схемы и измерительного механизма не должны меняться при изменении внешних условий: температуры окружающей среды, частоты питающей сети и дру­гих факторов.

Классификацию электромеханических приборов производят на основа­нии типа измерительного механизма. Наиболее распространенными в прак­тике радиотехнических измерений являются следующие системы: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая, элек­тростатическая.

Условное обозначение типа измерительной системы наносится на шкале прибора или средства измерения.

Данные измерительные системы представлены в табл. 5.2, где приведены также формулы передаточной функции (уравнения шкалы) измерительного механизма и ряд его технических характеристик.

В добавление к помещенным в табл. 5.2 сведениям и рисункам сделаем следующие пояснения.

Наименование системы, функциональная схема	Уравнение шкалы, применение	Частотный диапазон, потребление мощно­сти, класс точности
Магнитоэлектрическая: 1 - рамка с измеряемым током и стрелкой; 2 - неподвижный сердечник; 3 - полюсные наконечники 4 - возвратная пружина	где Ψ0= BSω ; В - индукция в зазоре; S - площадь рамки; ω - число витков рамки; W- удельный противодей­ству­ющий момент, создаваемый пру­жиной В основном, используются как: Переносные, лабораторные, мно­го­пре­дель­ные амперметры, вольтмет­ры посто­янного тока	Постоянный ток Класс точности 0,05...0,5 Рсо6 ≈10-5...10-4Вт
Электромагнитная	L - индуктивность катушки В основном, используются как: Щитовые и лабораторные переносные низкочастотные амперметры; вольтметры	F=0...5 кГц Класс точности 0,5...2,5 Рсо6 ≈1…6 Вт
Электродинамическая 1 - неподвижная катушка 2 подвижная катушка	где θ - угол между токами; М - коэффициент взаимной индук­тив­ности катушек В основном, используются как: Лабораторные приборы низко­частотные высокого класса точности	F=0...5кГц Класс точности 0,1.:. 0,2 Рсо6 ≈1 Вт
Электростатическая	С - емкость между пластинами В основном, используются как: Высокочастотные лабораторные и высоковольтные вольтметры	F=0...30 MГц Класс точности 0,5...1,5 Рсо6 < 1 мВт

Таблица 2. Электромеханические приборы

Магнитоэлектрическая система. В этой системе измеритель­ный механизм состоит из проволочной рамки с протекающим в ней током, помещенной в поле постоянного магнита (магнитопровода). Поле в зазоре, где находится рамка, равномерно за счет особой конфигурации магнитопро­вода. Под воздействием тока I рамка вращается в магнитном поле, угол пово­рота α ограничивают специальной пружиной, поэтому передаточная функция (часто называемая уравнением шкалы) линейна:

где Ψ₀ — удельное потокосцепление, определяемое параметрами рамки и магнитной индукцией; W — удельный противодействующий момент, созда­ваемый специальной пружиной.

На основе магнитоэлектрического механизма создаются вольтметры, амперметры, миллиамперметры и другие измерительные приборы, и их структурное построение главным образом определяется измерительной схемой. Измерительные приборы магнитоэлектрической системы имеют достаточно высокую точность, сравнительно малое потребление энергии из измерительной цепи, высокую чувствительность, но работают лишь на по­стоянном токе.

Для расширения пределов измерения токов амперметрами и напряжений вольтметрами применяют шунты и добавочные сопротивления, которые включают соответственно параллельно и последовательно индикаторам в схемы этих приборов.

Гальванометры. Особую группу измерителей тока составляют высоко­чувствительные магнитоэлектрические приборы — нуль-индикаторы, схемы сравнения, или указатели равновесия, называемые гальванометрами. Их за­дача показать наличие или отсутствие тока в цепи, поэтому они работают в начальной точке шкалы и должны обладать большой чувствительностью. Гальванометры снабжают условной шкалой и не нормируют по классам точ­ности.

Чувствительность гальванометров выражается в мм или делениях (на­пример, S_i≈10⁹ мм/А). Такая высокая чувствительность достигается за счет особой конструкции прибора.

Поскольку чувствительность гальванометров очень высока, их градуировочная характеристика нестабильна и зависит от совокупности внешних влияющих факторов. Поэтому при выпуске на производстве чувствительные гальванометры не градуируют в единицах измеряемой физической величины и им не присваивают классы точности. В качестве же метрологических ха­рактеристик гальванометров обычно указывают их чувствительность к току или напряжению и сопротивление рамки.

Современные гальванометры позволяют измерять токи 10^-5...10^-12 А и напряжения до 10^-4 В.

Электромагнитная система. Принцип действия электромагнит­ной системы основан на взаимодействии катушки с ферромагнитным сердеч­ником. Ферромагнитный сердечник втягивается в катушку при любой поляр­ности протекающего по ней тока. Это обусловлено тем, что ферромагнетик располагается в магнитном поле катушки так, что поле усиливается. Следова­тельно, прибор электромагнитной системы может работать на переменном токе. Однако электромагнитные приборы являются все-таки низкочастотны- ми, так как с ростом частоты сильно возрастает индуктивное сопротивление катушки.

Достоинствами приборов электромагнитной системы являются простота конструкции, способность выдерживать значительные перегрузки, возмож­ность градуировки приборов, предназначенных для измерений в цепях пере­менного тока, на постоянном токе. К недостаткам приборов этой системы можно отнести большое собственное потребление энергии, невысокую точ­ность, малую чувствительность и сильное влияние магнитных полей.

На практике применяют амперметры электромагнитной системы с преде­лами измерения от долей ампера до 200 А, и вольтметры — от долей вольта до сотен вольт.

Приборы электромагнитной системы применяют в основном как щито|вые амперметры и вольтметры переменного тока промышленной частоты. Класс точности щитовых приборов 1,5 и 2,5. В некоторых случаях они используются для измерений на повышенных частотах: амперметры до 8000 Гц, вольтметры до 400 Гц.

Пример 1.Класс точности большинства электромеханических приборов обо­значен одной цифрой ±р. Покажем, как пользоваться указанным значением класса точности на примере задачи.

При измерении напряжения сети вольтметром электромагнитной системы класса точности 1,5 со шкалой, максимальное значение которой U_N=300 В (номинальное значение), показания прибора составляли 220 В. Чему в действительности может быть равна измеренная величина напряжения?

Решение. Полагая, что наибольшая приведенная основная по­грешность составляет р = ± 1,5 %, определяем допускаемую абсолютную погреш­ность:

Следовательно, истинное значение измеряемого напряжения лежит в границах: (220 - 4,5) В < и_ист < (220 + 4,5) В. Данное неравенство указывает на то, что истинное значение не может отклоняться от измеренного на величину более, чем ±4,5В. В действительности это отклонение, как правило, оказывается меньшим, так как при установлении класса точности учитывается наихудшая комбинация факторов влияющих на инструментальную погрешность прибора.

Электродинамическая система — измерительный механизм содержит две измерительные катушки: неподвижную и подвижную. Принцип действия основан на взаимодействии катушек, электромагнитные поля кото­рых взаимодействуют в соответствии с формулой:

где М_вр — вращающий момент; I₁ — ток через неподвижную катушку; I₂ — ток через подвижную катушку; θ — фазовый сдвиг между синусоидальными токами; М— коэффициент взаимной индуктивности катушек.

На основе электродинамического механизма в зависимости от схемы соеди­нения обмоток могут выполняться вольтметры, амперметры, ваттметры. Досто­инством электродинамических вольтметров и амперметров является высокая точность на переменном токе. Предел основной приведенной погрешности может быть 0,1...0,2 %, что является наилучшим достижимым показателем для измери­тельных приборов переменного тока. По другим показателям электродинамиче­ские приборы близки к электромагнитным. Электродинамические приборы ис­пользуются как образцовые лабораторные измерительные приборы.

Электростатические приборы —принцип действия электро­статического механизма основан на взаимодействии электрически заряженных проводников. Подвижная алюминиевая пластина, закрепленная вместе со стрелкой, перемещается, взаимодействуя с неподвижной пластиной. Ограничение движения (как и в других электромеханических системах) осуществляется за счет пружинки. Электростатические приборы по принципу действия меха­низма являются вольтметрами. Достоинства этих приборов: широкий частот­ный диапазон (до 30 МГц) и малая мощность, потребляемая из измерительной цепи. Приборы измеряют среднее квадратическое значение напряжения.