Вопрос № 2. Основные узлы и принцип работы электроизмерительных механизмов.

Электромеханические измерительные механизмы являются основными элементами электроизмерительных приборов прямого действия. Измерительный механизм предназначен для преобразования электрической энергии в механическую энергию перемещения подвижной части (чаще всего угловое) показывающего или регистрирующего устройства.

В зависимости от принципа действия различают основные системы измерительных механизмов, лежащих в основе многих измерительных приборов:

- магнитоэлектрические;

- электромагнитные;

- электродинамические;

- индукционные;

- электростатические.

Электромеханический измерительный механизм (ЭИМ) прибора прямого действия состоит из неподвижной, соединенной с корпусом прибора, и подвижной частей. Неподвижная часть в зависимости от системы ЭИМ состоит из постоянного магнита, катушек или ферромагнитных элементов. Подвижная часть (рамки, катушки, сердечники) механически или оптически связана с отсчетным устройством.

Для защиты ЭИМ от внешних воздействий предназначен корпус, который часто изготавливается из пластмассы, а иногда из стали. Корпус может быть круглой или прямоугольной формы, различных размеров: от миниатюрных (до 50 мм) до большого габарита (более 400 мм). Часть корпуса, закрывающая отсчетное устройство, выполняется из стекла. В зависимости от условий эксплуатации корпуса могут выполняться в обыкновенном, пылезащищенном, водозащищенном, коррозионно-стойком, взрывобезопасном вариантах.

Для установки подвижной части используются керны, цапфы, растяжки и подвесы. Чаще всего подвижные части ЭИМ выполняются на кернах или цапфах (рис. 2, а и б).

Более простые опоры подвижной части 1 (рис. 2, в) с наружными кернами 2 в виде осей, которые опираются на подпятники 3 из твердых камней (агата, рубина, корунда). Подпятники завальцовываются в регулировочные винты, позволяющие изменять расстояние между ними. Недостатком такой конструкции является расположение центра тяжести подвижной части выше точки опоры, что вызывает опрокидывающий момент. Этот недостаток устраняется применением опор с внутренними кернами (рис. 2, а). Однако такое крепление сложнее конструктивно и технологически. Конструкции опор на кернах чувствительны к механическим воздействиям (тряска, вибрации).

Рис. 2. Схема крепления подвижной части ЭИМ:

а – с внутренними кернами; б – на цапфах; в – с наружными кернами

Подвижные части на кернах в регистрирующих приборах, у которых пишущее устройство связано с кернами, подвержены дополнительным нагрузкам. Так как регистрирующие приборы обычно невысокого класса точности и имеют малую чувствительность, то для увеличения надежности применяют опоры на цапфах 4 (рис. 2, б).

Вследствие возникновения сил трения в опорах на кернах и цапфах чувствительность ЭИМ снижается. Для уменьшения трения в опорах вместо кернов применяются растяжки (рис. 3, а).

Рис. 3. Схема крепления подвижной части ЭИМ:

а – на растяжках; б – на подвесе

Подвижная часть 1 крепится на растяжках 2, которые припаяны к пружинам 3, создающим необходимое натяжение. Растяжки изготавливаются в виде бронзовых лент, чем обеспечивается одновременно подведение тока к подвижной части. В приборах растяжки располагаются в вертикальном положении, исключающем их провисание. Крепление подвижной части на растяжках в последнее время применяется и в ЭИМ с низкой чувствительностью, если они при эксплуатации подвергаются вибрациям.

В высокочувствительных ЭИМ (гальванометрах) применяются ленточные подвесы 1 (рис. 3, б). При измерениях подвижная часть механизма должна свободно висеть на подвесе. У таких приборов для точной установки их в горизонтальное положение предусмотрен уровень.

Отсчетное устройство ЭИМ – часть конструкции СИ, предназначенная для отсчитывания измеряемой величины. Оно состоит из шкалы и стрелочного или светового указателя. Шкала – часть отсчетного устройства, представляющая собой совокупность отметок и проставленных у некоторых из них чисел или других символов (рис. 4).

На шкале наносятся отметки – знаки, соответствующие некоторому значению измеряемой величины. Отметки могут быть в виде черточки, зубца и т. д. Промежуток между двумя соседними отметками шкалы называется делением шкалы, а разности значений величины, соответствующая двум соседним отметкам шкалы, называется ценой деления. Цена деления согласовывается с абсолютной погрешностью СИ и превышает ее в два – четыре раза.

Для шкалы, изображенной на рис. 4, цена деления равна 4 В. Отметка шкалы, у которой проставлено число (включая нуль), называется числовой отметкой шкалы.

Рис. 4. Шкала СИ (вариант)

Область между обеими крайними отметками шкалы (0 – 150 В) определяет диапазон показаний, который следует отличать от диапазона измерений. При равномерных, а также неравномерных шкалах оба диапазона одинаковы. При сильно неравномерных шкалах диапазон измерения меньше диапазона показаний. В этом случае начало и конец диапазона измерений маркируется точками у соответствующих отметок шкалы (рис. 4). Класс точности, указанный заводом-изготовителем, гарантируется только в диапазоне измерений, т. е. в данном случае от 20 до 100 В. Кроме отметок в соответствии с ГОСТ 23217-78 на шкалу и вспомогательные части наносятся следующие обозначения (таблица 2):

- единица измеряемой величины (μА – микроампер, mА – миллиампер, V – вольт, Ω – ом);

- класс точности прибора;

- условное обозначение системы прибора и степени защищенности от магнитных и электрических полей;

- условное обозначение рода тока и числа фаз;

- условное обозначение рабочего положения прибора;

- условное обозначение испытательного напряжения изоляции;

- тип прибора и другие.

Таблица 2

Условные обозначения, наносимые на шкалу

и вспомогательные части ЭИМ

Наименование обозначений	Знак	Наименование обозначений	Знак
Магнитоэлектрический прибор с подвижной рамкой		Класс точности S процентах от диапазона измерения	1,0
Магнитоэлектрический логометр с подвижной рамкой		Класс точности 6процентах от длины шкалы
Магнитоэлектрический прибор с подвижным магнитом		Вертикальное положение шкалы
Магнитоэлектрический логометр с подвижным магнитом		Горизонтальное положение шкалы
Электромагнитный прибор		Наклонное положение шкалы под углом к горизонту
Электромагнитный логометр		Изоляция испытана напряжением 2 кВ
Электродинамический прибор		Ссылка на соответствующий документ
Электродинамический логометр		Постоянный ток
Ферродинамический прибор		Переменный (однофазный) ток
Ферродинамический логометр		Постоянный и переменный ток
Термоэлектрический прибор		Трехфазный переменный ток (общее обозначение)
Выпрямительный прибор		Единицы измерений
Электронный прибор		Электростатический экран
Электростатический прибор		Магнитный прибор
Индукционный прибор		Ориентирование прибора во внешнем магнитном поле

Кроме рассмотренных основных частей ЭИМ могут иметь корректоры, предназначенные для установки стрелки отсчетного устройства на нуль. Для защиты кернов и растяжек от механических повреждений при транспортировании в чувствительных ЭИМ используются арретиры, которые фиксируют подвижную часть в определенном положении.

Если ЭИМ включить в цепь постоянного или переменного тока, то под действием вращающего момента, функционально связанного с измеряемой величиной, подвижная часть поворачивается по отношению к неподвижной. Вращающий момент для любой конструкции ЭИМ может быть определен из общего уравнения динамики системы, согласно которому момент, действующий в системе, определяется через изменение энергии W:

, (1)

где α – угловое перемещение подвижной части.

Воздействие только вращающего момента привело бы к отклонению подвижной части до упора. Для обеспечения перемещения подвижной части пропорционально измеряемой величине в ЭИМ создается противодействующий момент М_П. Противодействующий момент можно создать за счет механических или электрических сил. В первом случае используются плоские спиральные пружины, а при креплении подвижной части на растяжках – сами растяжки или подвесы. Один конец пружины крепится к подвижной, а другой – к неподвижной части измерительного механизма.

Противодействующий момент, возникающий при закручивании пружины (растяжки, подвеса), пропорционален углу поворота α:

, (2)

где K_п – удельный противодействующий момент, зависящий от размеров пружины и свойств материала.

При равенстве вращающего и противодействующего моментов М_В = М_П наступает равновесие подвижной части. Тогда с учетом формул (1) и (2) можно определить угол поворота подвижной части:

(3)

Если противодействующий момент создается за счет электрических сил (подобно вращающему), то движение подвижной части прекращается при равенстве двух моментов противоположного направления. Обозначив соответственно M₁ и М₂ вращающий и противодействующий моменты, формулы (1) и (2) можно записать в следующем виде:

и ,

где х₁ и х₂ – электрические измеряемые величины. При равенстве моментов M₁ = M₂:

.

Обозначив и , можно записать, что . Решив уравнение относительно α, можно получить выражение для угла поворота:

. (4)

Из выражения (4) следует, что угол поворота подвижной части зависит от отношения двух электрических величин. Приборы, измеряющие отношение двух величин, называются логометрами. В логометрах в обесточенном состоянии подвижная часть может находиться в любом положении, т. е. стрелка прибора не устанавливается на нулевую отметку шкалы (что не является признаком неисправности).

Подвижная часть прибора после каждого изменения своего положения устанавливается в положении равновесия после нескольких колебаний. На это требуется некоторое время, которое определяет быстродействие прибора. Например, для ЭИМ время установления показаний не должно превышать 4 с. Уменьшение времени установления показаний достигается с помощью воздушных, магнитоиндукционных (рис. 5) или жидкостных успокоителей. Успокоители создают момент успокоения, который пропорционален угловой скорости движения подвижной части:

(5)

где К_у – коэффициент успокоения, зависящий от конструкции успокоителя.

Рис. 5. Структура успокоителей:

а – воздушного; б – магнитоиндукционного

В воздушных успокоителях (рис. 5, а) пластина или поршень 1, связанные с подвижной системой, перемещаются в закрытой камере 2 и тормозятся за счет сопротивления воздуха.

Магнитоиндукционный успокоитель (рис. 5, б) основан на взаимодействии вихревых токов, индуцируемых в подвижной пластине 1, с полем постоянного магнита 2. Согласно принципу Ленца это взаимодействие создает тормозящую силу. Иногда вместо пластины используется короткозамкнутый виток.

Реже используются жидкостные успокоители. В этом случае подвижная часть механизма или отдельные его части помещаются в вязкую жидкость. Благодаря возникновению трения между слоями жидкости создается необходимый момент успокоения. Высокочувствительные измерительные механизмы, применяемые в гальванометрах, выполняются без успокоителей, что позволяет уменьшить массу подвижной части и, следовательно, возникающее трение.

Электроизмерительные приборы, выполненные на основе ЭИМ, по погрешностям измерений делятся на восемь классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Вывод: электромеханические измерительные механизмы являются основными элементами электроизмерительных приборов прямого действия. Измерительный механизм предназначен для преобразования электрической энергии в механическую энергию перемещения подвижной части (чаще всего угловое) показывающего или регистрирующего устройства. В зависимости от принципа действия различают основные системы измерительных механизмов, лежащих в основе многих измерительных приборов: магнитоэлектрические; электромагнитные; электродинамические; индукционные; электростатические.

Электромеханический измерительный механизм прибора прямого действия состоит из неподвижной, соединенной с корпусом прибора, и подвижной частей. Для защиты механизма используется корпус, на лицевую сторону которого нанесены условные обозначения. Кроме рассмотренных основных частей ЭИМ могут иметь корректоры, арретиры, успокоители различных типов.