Електромеханічні вимірювальні прилади

Зміст

Передмова 2

Номенклатура  систем електромеханічних аналогових вимірювальних приладів 3

Механізми магнітоелектричної  системи 5

Механізми електромагнітної  системи 8

Механізми електродинамічної  системи 9

Механізми феродинамічної системи 11

Механізми електростатичної  системи 12

Механізми індукційної  системи 13

Передмова

Аналоговими називають такі електровимірювальні прилади, у яких вихідна величина, наприклад кут відхилення стрілки чи іншого покажчика (хоча б світлового), відрахована за його шкалою, є аналогом вимірюваної фізичної величини.

Залежно від елементної бази, використаної для їх побудови вони пοділяються на електромеханічні та електронні. Аналогові прилади, залежно від принципу дії їхніх вимірювальних механізмів, що перетворюють вимірювану фізичну величину у відхилення покажчика вздовж шкали приладу, поділяються на магнітоелектричні, електромагнітні, електродинамічні, феродинамічні, індукційні, та електростатичні.

Такі прилади щонайширше застосовують як на енергетичних підприємствах, так і в енергетичному господарстві більшості промислових підприємств.

У першій частині  роботи буде описано номенклатуру систем аналогових електромеханічних вимірювальних приладів. А вже в другій частині розглядатимуться вимірювальні механізми різних видів систем цих приладів.

Номенклатура систем електромеханічних  аналогових вимірювальних приладів

Аналоговим    вимірювальним приладом  називають прилад,  покази  якого є безперервною  функцією  зміни вимірювальної величини. 

Основну групу  аналогових вимірювальних приладів прямого перетворення складають електромеханічні прилади, принцип дії яких полягає у перетворенні електромагнітної або електричної енергії у механічну енергію переміщення рухомої частини приладу. Аналоговий  електровимірювальний  прилад  (електромеханічний)  це  в  першу  чергу  показуючий  прилад,  до  складу  якого входять -  вимірювальний механізм  (ВМ)  та    відрахунковий  пристрій  (ВП)  -  шкала циферблату  та  вказівник (стрілка).

Вказівник  відрахункового  пристрою  механічно з’єднаний з рухомою частиною  вимірювального  механізму,  що  здійснює  перетворення  вимірювальної величини  ( x )  в кутове  переміщення вказівника  (α ). 

У  вимірювальному  механізмі  поворот  рухомої  частини  здійснюється  під  впливом  виникаючого  обертового  моменту.  Значення  обертаючого  моменту  пропорційне  вимірювальній  електричній  величині.

Рис 5.1.1 - Структурна  схема  вимірювального  приладу

Для  аналогових  приладів  встановленні  норми  та  характеристики,  згідно  прийнятим  ДСТу,  якім  повинні відповідати ці  прилади -  зокрема клас  точності  лежить  в межах 0.05  до  4.0,  час встановлення  показу  не  повинен перевищувати  4 с,  а деякі -  6 с.

В  залежності  від  способу створення обертаючого моменту (спосіб перетворення електромагнітної енергії, що підводиться до приладу, в механічну енергію переміщення рухомої частини) електромеханічні прилади поділяються на такі основні вимірювальні системи:

1. Прилад  магнітоелектричної  системи

2. Прилад  електромагнітної  системи

3. Прилад  електродинамічної   системи

4. Прилад  феродинамічної  системи

5. Прилад  електростатичної  системи

6. Прилад  індукційної   системи  

Характерною  ознакою  аналогових  або  електромеханічних  вимірювальних  приладів  є  нанесені  на  вимірювальну  шкалу  умовні  позначення,  що  показують  клас  точності,  вимірювальну  систему,  рід  вимірювальної  величини,  розміщення  приладу  тощо. Основні умовні позначення на циферблатах АВП згідно з ГОСТ 23217-78 [7] наведені в таблиці.

Механізми магнітоелектричної  системи

У вимірювальних механізмах магнітоелектричної системи обертовий момент, який пересуває рухому частину приладу, виникає в результаті взаємодії магнітного поля, створюваного постійним магнітом 2, і електричного струму, який проходить по витках обмотки, що містяться в цьому полі.

У більшості таких механізмів ця обмотка рухома, виконана у вигляді  рамки б, закріпленої на кернах 9, які вільно обертаються у підп'ятниках 10, розміщених на кронштейнах 5. Струм до рухомої обмотки надходить по спіральних пружинах 8, які створюють протидійний момент при повороті рамки. Кут відхилення рухомої частини вимірювального механізму при вимірюванні відповідає рівності обертового моменту, створюваного рамкою, й моменту протидії, що виникає від дії пружин.

Для створення рівномірного поля в зоні переміщення активних сторін обмотки рамки вимірювальний  механізм має центральний масивний циліндр 3, який виготовлено з магнітом'якого матеріалу, як і частини 1 і 4 вимірювального механізму. Для врівноважування рухомої частини зі стрілкою 7 використовують врівноважувальні тягарці 11. Обмотка рамки 6 може бути намотана на каркас, виготовлений з алюмінію, але іноді рамка може бути й безкаркасною.

Постійний магніт 2 виготовлено з магнітотвердого матеріалу, який має значну залишкову індукцію та велику коерцитивну силу (це — вольфрамова або хромова сталь, чи нікельалюмінієві сплави). Для багаторічного збереження незмінності показів приладу з таким вимірювальним механізмом магніти проходять спеціальну обробку (штучне старіння), після чого магнітна індукція у повітряному проміжку вимірювального механізму (саме там, де пересуваються активні частини рамки) практично не залежатиме від часу і майже не залежатиме від коливань температури. Через наявність значної величини магнітної індукції у повітряному проміжку на такі вимірювальні механізми майже не впливають зовнішні магнітні поля.

Вимірювальний механізм магнітоелектричної системи

Каркас рамки являє собою  не тільки конструктивну деталь вимірювального механізму, а й виконує функції  Демпфера, що зменшує час заспокоювання  коливань рухомої частини механізму. Така дія каркаса рамки пояснюється тим, що під час переміщування її у повітряному проміжку в каркасі індукується ЕРС та з'являється струм, який створює обертовий момент, спрямований проти на-прямку руху, що заважає коливанням рухомої частини і зменшує їх тривалість.

Керни, на які спирається рухома частина, зроблено з високоякісної  сталі. Для зменшення тертя між  кернами і підп'ятниками їх старанно полірують. Ці керни запресовують в алюмінієві букси, основу яких приклеюють до рамки. Пружини, які створюють протидійний момент та крізь які подається струм до обмотки рамки, виготовляють із бронзи та прилютовують кінцями до пружинотримачів, два з яких встановлено на рамці та з'єднано з кінцями її обмотки, а два інших встановлено на нерухомій частині приладу. Один із цих пружинотримачів механічно з'єднаний з коректором приладу, що дає можливість, повертаючи коректор іззовні, дещо змінювати початкове положення рамки, а з нею і покажчика приладу.

Підп'ятники, в яких обертаються  керни, виготовляють з агату чи корунду й старанно полірують, аби зменшити тертя при взаємодії з кернами.

Завдяки тому, що робочий  магнітний потік вимірювального механізму створюється постійним магнітом і магнітна індукція у повітряному проміжку досить велика, величина електричного струму, що проходить по витках обмотки рамки, може бути незначною (звичайно від кількох десятків мікроамперів до кількох міліамперів). Потужність, споживана магнітоелектричними механізмами, також незначна. В ;] той же час величина обертового моменту таких механізмів досить велика, і відношення створюваного ними моменту до маси їхніх рухомих частин, яке характеризує добротність приладів, у них значно більше, ніж у вимірювальних механізмів інших систем. А чим більша добротність приладу, тим меншою буде його похибка від впливу тертя у підп'ятниках.

На основі магнітоелектричних електровимірювальних приладів виробляють прилади практично всіх класів точності (починаючи з класу 0,1).

Якщо магнітоелектричний вимірювальний механізм використовують у приладі відносно невисокого класу точності, то він може мати постійний магніт, який розміщено всередині рамки (замість циліндра 3). Цей магніт має бути намагніченим по діаметру. В цьому випадку необхідність у зовнішніх постійних магнітах відпадає, завдяки чому можуть бути значно зменшені зовнішні розміри і маса вимірювального механізму, а з ним — і всього приладу.

Магнітоелектричні прилади  використовують для вимірювань на постійному струмі. Вони найчутливіші та здатні забезпечити найбільшу точність вимірювань порівняно з приладами всієї решти систем; широко використовуються як гальванометри, мікро- та міліамперметри, амперметри, вольтметри та омметри.

У сполученні з напівпровідниковими  випрямлячами вони широко використовуються і для вимірів на змінному струмі (взяти хоча б добре відомі багатофункціональні прилади — тестери, що здатні вимірювати величини напруг і струмів як на постійному, так і на змінному струмі, та ще (за наявності у приладі гальванічних елементів) й електричні опори).

Амперметри магнітоелектричної системи. Обмотка рухливої котушки складається з витків тонкого проводу, тому магнітоелектричний прилад можна застосовувати безпосередньо тільки в якості мікро-  чи міліамперметра і мілівольтметра, а не амперметра і кілоамперметра.

Для виміру великих постійних  струмів паралельно затискам приладу  приєднується електричний шунт, що представляє собою прямокутну манганінову  пластину. Для виміру струмів вище 50 А застосовують зовнішні шунти. Переносні  прилади забезпечуються внутрішніми  шунтами чи зовнішніми магазинами шунтів на кілька номінальних струмів.   Вибір шунта для даного приладу  залежить від заданого розширення меж  виміру m = I / I_A і внутрішнього опору приладу (опору його котушки).

I_AR_A = I_шR_ш ;        I = m∙I_A;  I_ш = I - I_A. 

Звідси опір шунта

R_ш = R_АI_A /I_ш = R_AI_A /(m∙I_A - I_A) = R_A /(m – 1).

Очевидно, що через котушку  приладу буде протікати  1/m частина  вимірюваного струму, а через шунт — в (m-1) раз більше.

Погрішність шунтованого  амперметра зростає внаслідок неточності шунтів (0,005 ÷ 0,5 %)  і  різних температурних  коефіцієнтів опору котушки і  шунта.

Вольтметри магнітоелектричної системи. При паралельному підключенні магнітоелектричного приладу до ділянки електричного ланцюга можна виміряти напругу U.

Опір обмотки котушки  для виміру великих напруг замалий  і послідовно їй включають додаткові  резистори з опором R_Д.  

Нехай задано розширити межу виміру в m =  U / U_V  раз. З закону Ома U_R /R_Д = U_V /R_V, звідки, враховуючи закон Кірхгофа  U_R = U - U_V, знаходиться R_Д= R_V ∙U_R /U_V = R_V /(m-1). Очевидно, що на котушці приладу спадання напруги складе  1/ m частину напруги U, а на додатковому резисторі в (m-1) раз більше U.

Механізми електромагнітної  системи

Принцип дії електромагнітного вимірювального приладу, заснований на взаємодії магнітного поля, пропорційного вимірюваній величині, з сердечником, виконаним з феромагнітного матеріалу. Основні елементи електромагнітного приладу: вимірювальна схема, перетворююча вимірювану величину в постійний або змінний струм, і зміряє, механізм електромагнітної системи.

Основні елементи електромагнітного приладу

(1 - котушка; 2 - сердечник; 3 - вісь; 4 - стрілка; 5 - шкала; 6 - пружина.)

Електричний струм в котушці  електромагнітної системи створює  електромагнітне поле, що втягує сердечник  в котушку, що призводить до виникнення на осі обертального моменту, пропорційного  квадрату сили струму, що протікає по котушці. В результаті дії на вісь пружини  створюється момент, протидіючий  обертального моменту і пропорційний куту повороту осі. При взаємодії  моментів вісь і пов'язана з нею  стрілка повертаються на кут, пропорційний квадрату вимірюваної величини. При  рівності моментів стрільця зупиняється. 

Випускаються електромагнітні амперметри та вольтметри для вимірювань головним чином в ланцюгах змінного струму частотою 50 гц. В електромагнітному амперметрі котушка вимірюючого механізму включається послідовно в ланцюг вимірюваного струму, в вольтметр паралельно. Електромагнітні вимірювальні механізми застосовують також у логометра. Найбільш поширені щитові прилади класів точності 1,5 і 2,5, хоча існують прилади класів 0,5 і навіть 0,1 з робочою частотою до 800 гц.

Механізми електродинамічної  системи

Принцип дії електродинамічного вимірювального приладу заснований на механічній взаємодії двох провідників при протіканні по них електричного струму. Електродинамічний прилад складається з вимірювального перетворювача, що перетворює вимірювану величину в змінний або постійний струм, і вимірювального механізму електродинамічної системи.

Електродинамічний вимірювальний  прилад  (1, 2 - нерухома і рухома котушки; 3 - вісь; 4 - пружина; 5 - стрілка; 6 - шкала.)

Найбільш поширені електродинамічні прилади з рухомою котушкою, усередині  якої на осі зі стрілкою розташована  рухома котушка. Обертаючий момент на осі виникає в результаті взаємодії  струмів в обмотках котушок 1 і 2 і  пропорційний добуткові діючих значень  цих струмів. Врівноважує момент створює пружина, з якою пов'язана  вісь. При рівності моментів стрілка зупиняється. 

Електродинамічні прилади  є найбільш точними приладами  для визначення діючих значень струму і напруги в ланцюгах змінного і постійного струму. При послідовному з'єднанні обмоток котушок кут  повороту стрілки пропорційний квадрату вимірюваної величини. Таке включення  обмоток застосовується в електродинамічному приладі для виміру напруги й сили струму (вольтметри і амперметри). Електродинамічні вимірювальні механізми використовують також для вимірювання потужності (ватметри). При цьому через нерухому котушку пропускають струм, пропорційний струму, а через рухому - струм, пропорційний напрузі в вимірюваної ланцюга. 

Показання приладу пропорційні  активному або реактивному значенню електричної потужності. У разі виконання  електродинамічних механізмів у  вигляді логометрів їх застосовують як частотоміри, фазометри і фарадометри. 

Амперметри. Для виміру сили струму обидві котушки з'єднують паралельно чи послідовно. При цьому той самий струм протікає по обох котушках; для амперметра рівняння відхилення покажчика має наступний вид:

, де де М_1,2 - взаємна індуктивність між котушками, S_І — чутливість по струму.

Очевидно, що при рівнобіжному з'єднанні котушок межі виміру струму будуть більше, ніж при послідовному.

Щитові амперметри безпосереднього  включення випускають з межами виміру від 1 до 200 А. Розширення меж (до б kA ) здійснюється за допомогою вимірювальних трансформаторів струму. Переносні амперметри мають шкали від 5 мА до 10 А.

Вольтметри. Для виміру напруги обидві котушки з'єднують послідовно. Рівняння відхилення покажчика для вольтметра прийме вид

, де S_U — чутливість по напрузі; R_K — опір обмоток котушок.

Для розширення меж виміру постійної напруги застосовують додатковий опір. Тоді в знаменник  рівняння замість R_K²  підставляють R_v² = (R_K + R_Д)². При вимірі перемінної напруги в ланцюзі вольтметра діє повний опір  Z = √ (R_K² + Х_К²), де R_к і Х_к - активний і реактивний опори котушок. На частотах вище 500 Гц реактивний опір X_к виявляється досить помітно і тому градуювання шкали порушується.

Щитові вольтметри безпосереднього  включення випускаються зі шкалами  до 450 В, переносні — від 7,5 до 600 В. Для розширення меж виміру аж до 30 кВ застосовують вимірювальні трансформатори напруги.

Ватметри. Для виміру потужності одна котушка включається послідовно, а друга паралельно навантаженню. Рівняння відхилення покажчика для ватметра здобуває наступний вид:

  - для постійного струму;

 - для перемінного струму;

де S_p — чутливість по потужності; Р — активна потужність.

Щитові ватметри випускають звичайно з межами виміру від 15 до 3000 Вт, переносні - до 1,5 кВт. Застосовуючи одночасно трансформатори струму і  напруги, межі можна розширити до будь-яких потрібних значень.

Електродинамічні прилади  виготовляють переносними приладами  високим класом точності: 0,1; 0,2; 0,5. Різновид електродинамічних приладів - феродинамічний прилад, в якому для посилення магнітного поля нерухомої котушки застосовують магнітопровід з феромагнітного матеріалу. Такі прилади призначаються для роботи в умовах вібрації, трясіння і ударів. Клас точності феродинаміческий приладів 1,5 і 2,5.

Механізми феродинамічної системи

У вимірювальних механізмах феродинамічної системи обертаючий момент створюється завдяки взаємодії струму, що протікає в рухомій рамці, з магнітним потоком, створюваним нерухомою обмоткою 3, розміщеною на феромагнітному осерді. Активні сторони рамки 1 розміщено у вузькій щілині між полюсами магнітопроводу 4 і циліндричним сталевим осердям 2, яке є непорушним і міститься всередині рамки. Струм до рамки підводиться через спіральні пружини 5.

Завдяки малому магнітному опорові магнітного кола (бо на більшій  частині магнітного кола магнітний  потік проходить по феромагнітному осердю) магніторушійна сила, що створюється нерухомою обмоткою 3, може бути відносно невеликою. Також незначною буде і потужність, споживана вимірювальним приладом, де застосовано подібний вимірювальний механізм.

Вимірювальний механізм феродинамічної системи

Щоб прилади з подібним механізмом можна було застосовувати як на постійному, так і на змінному струмі, феромагнітний магнітопровід 4 виконано шихтованим із тонких сталевих пластин. Циліндричне осердя 2 також виконують із тонких сталевих дисків. Однак наявність сердечника приводить до збільшення погрішності приладу.

Феродинамічні прилади, виконані на основі подібних вимірювальних механізмів, можуть мати невеликі розміри. Їх покази практично  не залежать від впливу зовнішніх  магнітних полів. Але щоб вони успішно працювали на змінному струмі, треба, щоб сталеві пластини, які  застосовують у вимірювальних механізмах, мали невелику коерцитивну силу та малу потужність втрат при змінному струмі в обмотках.

На основі феродинамічних вимірювальних  механізмів виробляють ватметри, вольтметри й амперметри.

У зв'язку з тим, що струм  до обмотки рамки подається по тонких пружинках, у випадках, коли цей вимірювальний механізм застосовують у амперметрах, необхідне використання внутрішніх шунтів, якими проходить більша частина вимірюваного струму, а до рамки відгалужується лише незначна його частина, допустима для протікання пружинами без істотного їх нагрівання.

Механізми електростатичної  системи

Принцип дії електростатичного приладу заснований на механічному взаємодії електродів, що несуть різнойменні електричні заряди. У електростатичному приладі вимірювана величина перетворюється в напругу змінного або постійного струму, яке визначається електростатичним вимірювальним механізмом.

Електростатичні вимірювальні прилади 

(1 - рухливий електрод; 2 - нерухомий електрод; 3 - вісь; 4 - пружина; 5 - стрілка; 6 - шкала.)

Вимірюється напруга підводиться  до рухомого електроду, укріпленого  на осі, пов'язаної зі стрілкою, і до ізольованого від нього нерухомого електроду. В результаті взаємодії  зарядів, що виникають на електродах, на осі з'являється момент, що обертає, пропорційний квадрату прикладеної  напруги. 

Діюча на вісь пружина створює  момент, протидіючий обертального моменту  і пропорційний куту повороту осі  рухомого електроду. При взаємодії  обертає і протидіє моментів стрілка  вимірювального механізму повертається на кут, пропорційний квадрату поданої  на електроди напруги. 

Шкала, градуйованих в одиницях вимірюваних величин, виходить нерівномірною, виконується часто зі світловим  покажчиком. Електростатичні прилади  використовують зазвичай для виміру напруг змінного або постійного струму, в тому числі високочастотних. 

Для цих приладів характерно мале споживання енергії і незалежність свідчень від частоти. Вони схильні  до впливу зовнішніх електростатичних полів, яке ослабляється внутрішнім екрануванням приладу. Електростатичні  прилади випускаються найвищого  класу точності 0,005.

Механізми індукційної  системи

На відміну від електровимірювальних приладів інших систем, індукційні прилади можна застосовувати в ланцюгах змінного струму однієї певної частоти; незначні її зміни призводять до великих похибок показань. Сучасні індукційні прилади виготовляють як лічильники електричної енергії для однофазних і трифазних ланцюгів змінного струму промислової частоти (50 Гц).

За принципом дії індукційний  прилад аналогічний асинхронному електродвигуну: струм навантаження, проходячи по робочій ланцюга приладу, створює  біжить або обертове магнітне поле, яке індукує струм в рухливій частині і викликає її обертання.

За кількістю змінних  магнітних потоків, індукують струм  в рухомої частини приладу, розрізняють  однопоточні і багатопотокові індукційні прилади. Принцип дії індукційних приладів заснований на механічному взаємодії змінних магнітних потоків з струмами індукуватися в рухомої частини приладу. У лічильнику один з потоків створюється електромагнітом, обмотка якого включена на напругу мережі (в якій вимірюється електроенергія). Цей потік перетинає рухливий алюмінієвий диск і індукує в ньому вихрові струми, замикаються навколо сліду полюса електромагніту напруги. Другий потік створюється електромагнітом, обмотка якого включена послідовно в ланцюг струму. Цей потік наводить у диску також вихрові струми, замикаються навколо сліду полюса свого електромагніту. Взаємодія потоку електромагніту напруги з наведеними струмами в диску потоком токового електромагніта з наведеними струмами в тому ж диску потоком електромагніту напруги, з іншого боку, викликають електромагнітні сили, спрямовані по хорді диска і створюють обертаючий момент. Такі лічильники називаються двухпоточними.  

Сучасні лічильники виконуються трьохпоточними, в яких подвоєний обертаючий момент створюється за рахунок того, що магнітний потік ланцюга струму двічі перетинає алюмінієвий диск. Схематичний пристрій однофазного індукційного трьохпоточного лічильника з тангенціальною магнітною системою зображено на рис.

Принцип дії індукційного лічильника

Магнітна система ланцюга  напруги S_u Ш-подібної форми розташована по хорді диска (звідси назва на відміну від радіальної системи, коли магнітна система ланцюга напруги U-подібної форми розташована по радіусу диска) і має відгалуження Ш - шунтуючі магнітний потік і протиполюс Р, магнітозв’язаний з бічними стрижнями сердечника. Під магнітною системою кола напруги розташована U-образна магнітна система струмового ланцюга S_i. 

У отворі між цими системами розташовується алюмінієвий рухомий диск Д. На середньому стрижні Ш - образного сердечника розташована багатовиткова котушка з тонкого проводу, що включається на напругу мережі U. Струм I_u, що проходить по цій обмотці, створює загальний магнітний потік Ф_заг кола напруги, невелика частина якого Ф_u, названа робочим потоком, перетинає диск і через протиполюс Р замикається на бічні стрижні Ш-образного сердечника. Велика частина потоку Ф_заг, не перетинаючи диска, замикається через магнітні шунти Ш, розгалужуючись на дві частини ½ Ф_ш. Цей неробочий потік Ф_ш, як буде показано нижче, необхідний для створення необхідного зсуву між потоками Ф_u і Ф_i (внутрішнього кута лічильника). На нижній магнітній системі S_i розташовується маловиткова котушка з товстого дроту, що включається послідовно в ланцюг струму навантаження I. Магнітний потік Ф_i двічі перетинає алюмінієвий диск і замикається по магнітному шунту Ш верхнього сердечника і частково через його бічні стрижні. Незначна неробоча частина потоку Ф_i замикається, не перетинаючи диск, через протиполюс Р. Ці складові потоку Ф_i на малюнку не показані. Такі механізми, хоча і прості по конструкції, але у вимірювальній техніці в даний час не застосовуються через мале значення обертаючого моменту.