Метрология и теория измерений. Электромеханические измерительные механизмы. Лекция 16

1. Метрология и теория измерений

МЕТРОЛОГИЯ И
ТЕОРИЯ ИЗМЕРЕНИЙ
Лекция 17. Электромеханические измерительные
механизмы

2. Основные понятия и принципы

Измерительный механизм (ИМ) воспринимает энергию измеряемого сигнала и
преобразует ее в угловое перемещение некоторой подвижной части, жестко связанной с
указателем.
Структурная схема электромеханического измерительного механизма
Неподвижная
часть
Подвижная
часть
Устройство
противодействия
Для перемещения подвижной части необходимо, чтобы на нее действовал вращающий
момент M вр . Если на подвижную часть никакие другие силы не действуют, то ее отклонение
будет максимальным независимо от величины вращающего момента. Чтобы каждому
значению вращающего момента соответствовало свое отклонение подвижной части,
необходим противодействующий момент М пр , направленный навстречу вращающему и
возрастающий по мере увеличения угла поворота стрелки . Подвижная часть
поворачивается до тех пор, пока возрастающий противодействующий момент не окажется
равным вращающему:
М вр М пр

3. Основные понятия и принципы

Все известные электромеханические измерительные механизмы работают на принципе
использования энергии электромагнитного поля. Общее выражение для вращающего момента
можно представить известным уравнением
dWэ. м.
М вр
d
где Wэ. м. – кинетическая энергия электрических и магнитных полей, обусловленная измеряемой
величиной тока или напряжения; – угол поворота подвижной части механизма, т.е. М вр
определяется как производная от электрической энергии по геометрической координате
(уравнение Лагранжа второго рода).
Противодействующий момент М пр в рассматриваемых механизмах создается упругими
элементами. Он пропорционален углу закручивания упругого элемента и всегда направлен
в сторону, противоположную М вр :
М пр k
где k – удельный противодействующий момент (постоянный коэффициент), зависящий от
свойств упругого элемента.
В соответствии с равенством можно записать общее выражение для угла поворота :
1 dWэ. м.
k d

4. Магнитоэлектрический измерительный механизм

В магнитоэлектрическом ИМ вращающий момент создается в результате
взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля проводника с током
(обычно в виде катушки).
Схема
магнитоэлектрического
измерительного прибора. На концах
постоянного магнита 1 закреплены
полюсные наконечники 2, между
которыми помещен неподвижный
цилиндр 3. Полюсные наконечники и
неподвижный цилиндр выполнены из
магнитно-мягкого материала. Такая
конструкция
магнитной
системы
позволяет получить в зазоре между
полюсными наконечниками 2 и
цилиндром 3 равномерное радиальное
постоянное магнитное поле. В этом
поле находится подвижная катушка 4,
которая чаще всего наматывается на
алюминиевый каркас, одновременно
выполняющий роль электромагнитного ускорителя подвижной системы. Подвижная катушка 4
крепится на полуосях 5 или растяжках. Измеряемый постоянный ток поступает в катушку через
спиральные пружины 6, которые создают противодействующий момент. Кроме того,
вспомогательными элементами конструкции магнитоэлектрического измерительного прибора
являются: 7 – устройство установки нулевого положения указателя-стрелки 8, 9 – балансир, 10
– шкала.

5. Магнитоэлектрический измерительный прибор

Измеряемый ток I , протекая по рамке, создает действие пары сил F , создающих
вращающий момент. Запас электрокинетической энергии рассматриваемого механизма
определяется энергией постоянного магнитаWпм , магнитной энергией контура с током Wк и
энергией взаимодействия постоянного поля магнита с контуром Wвз .
Полагая, что энергия постоянного магнита и контура с током неизменна, находим
вращающий момент
dW
d
M вр
I
IBnS
d
d
где – магнитный поток, сцепляющийся с рамкой; B – магнитная индукция в зазоре; S –
активная площадь рамки ( S dl ); n – число витков.
Для установившегося режима, т.е. когда М вр М пр , отклонение
BnS
S1I изм
k
где S1 – чувствительность прибора к току, не зависящая от угла поворота рамки и постоянная
I
по всей длине шкалы, что определяет равномерность шкалы МЭИМ.

6. Магнитоэлектрический измерительный механизм

Достоинства МЭИМ:
– высокая чувствительность (до 3 10 11 А);
– высокая точность (до класса 0,1); малое потребление мощности от измеряемой цепи (
10 5...10 6 Вт);
– линейность преобразования (шкала МЭИМ равномерная);
– малая чувствительность к изменениям температуры окружающей среды и внешним
магнитным полям.
Недостатки:
– сравнительная сложность устройства;
– опасность перегрузок;
– возможность прямого использования только в цепях постоянного тока.
МЭИМ используют в качестве вольтметров, амперметров и гальванометров
постоянного и переменного токов (в последнем случае с преобразованием переменного тока в
постоянный), а также в качестве выходного показывающего прибора в электронных
измерительных устройствах для измерения различных физических величин.

7. Электромагнитный измерительный механизм

В электромагнитном измерительном механизме (ЭМИМ) вращающий момент
возникает в результате взаимодействия магнитного поля неподвижной катушки, по обмоткам
которой протекает измеряемый ток с одним или несколькими ферромагнитными
сердечниками, обычно составляющими подвижную часть, жестко скрепленную со стрелкой.
Схема электромагнитного измерительного механизма. 1 – неподвижная катушка, 2 –
сердечник, эксцентрично закрепленный на оси 3, намагничивается и втягивается в щель
катушки. Противодействующий момент обеспечивается спиральной пружиной 4, 5 – стрелка,
6 – успокоитель.

8. Электромагнитный измерительный механизм

Вращающий момент определяется выражением
1 dL
М вр I 2
2 d
Угол отклонения стрелки определяется выражением
1
dL
I2
2 k d
где L – индуктивность катушки, I – ток в обмотке катушки.
Знак угла отклонения стрелки не зависит от направления тока, т.е. ЭМИМ можно измерять
как переменный (среднеквадратическое значение), так и постоянный ток. Шкалы ЭМИМ
неравномерные, однако их неравномерность можно улучшить, если подобрать
соответствующим образом форму сердечников. Считается, что за счет изменения формы
сердечника и его расположения можно получить практически равномерную шкалу, начиная с
20...25 % верхнего предела измеряемой величины.

9. Электромагнитный измерительный механизм

Достоинства ЭМИМ:
– простота конструкции;
– способность выдерживать большие нагрузки;
– возможность прямого измерения постоянного и переменного токов.
Недостатки ЭМИМ:
– малая чувствительность;
– значительное потребление мощности от измеряемой цепи (до 1 Вт);
– нелинейность шкалы (сжата в начале и растянута в конце);
– сильное влияние внешних магнитных полей;
– малая точность, объясняемая наличием ферромагнитного сердечника, в котором
возникают вихревые токи и магнитный гистерезис.
ЭМИМ широко применяют для измерения напряжений и токов в сильноточных цепях
постоянного и переменного токов промышленной частоты.

10. Электродинамический измерительный механизм

В электродинамических измерительных механизмах (ЭДИМ) вращающий момент
возникает в результате взаимодействия магнитных полей неподвижной и подвижной катушек
с током.
Схема электродинамического измерительного механизма. Токи в подвижной 1 и
неподвижной 2 катушках создают магнитные потоки Ф1 и Ф2 . В результате действия
магнитного поля на подвижную катушку, закрепленную на оси, она стремится занять
такое положение, при котором направление ее магнитного потока Ф1 совпадает с
направлением магнитного потока неподвижной катушки Ф2 .

11. Электродинамический измерительный механизм

При наличии токов в обмотках катушек измерительного механизма возникает
вращающий момент, стремящийся повернуть подвижную часть так, чтобы магнитные потоки
неподвижной и подвижной катушек совпали. При измерении в цепях постоянного тока
отклонение подвижной части электродинамического механизма пропорционально
произведению токов в обмотках катушек, а при измерении в цепях переменного тока
отклонение подвижной части зависит и от косинуса угла между векторами токов:
dM 1,2
1
I1I 2
cos( I1 , I 2 )
k
d
где I1 – ток в подвижной части катушки, I 2 – ток в неподвижной катушке, M1,2 – взаимная
индуктивность между подвижной и неподвижной катушками.

12. Электродинамический измерительный механизм

Достоинства ЭДИМ:
– возможность использования ЭДИМ не только для измерения напряжений и токов, но
и для измерения мощности постоянного и переменного токов;
– малая погрешность, так как в механизме нет железа.
Недостатки ЭДИМ:
– большая потребляемая мощность;
– малая чувствительность;
– сложность конструкции;
– нелинейность шкалы;
– влияние температуры и внешнего магнитного поля.
Для увеличения чувствительности (увеличения вращающего момента) магнитные цепи
катушек заполняют ферромагнитным материалом. Это приводит к увеличению вращающего
момента, чем обеспечивается хорошая защита от внешних магнитных полей, однако наличие
сердечника приводит к увеличению погрешности прибора. Приборы с ЭДИМ, снабженные
ферромагнитным сердечником, называют ферродинамическими.

13. Электростатический измерительный механизм

В электростатических измерительных механизмах (ЭСИМ) вращающий момент
возникает в результате взаимодействия двух электрически заряженных тел, одно из которых
неподвижно.
Конструктивно они выполняются в виде неподвижной и подвижной пластин, к которым
прикладывается измеряемое напряжение.
Электростатический измерительный прибор: 1 — подвижный электрод; 2 — неподвижный
электрод; 3 — ось; 4 — пружина; 5 — стрелка; 6 — шкала.

14. Электростатический измерительный механизм

Уравнение шкалы выглядит следующим образом
1
dC
U2
2k
d
где U – напряжение между электродами, С – ёмкость между электродами.
Такие приборы непосредственно пригодны только для измерения постоянного и
переменного напряжений.
Достоинства ЭСИМ:
– большие пределы измерений напряжения;
– большое входное сопротивление;
– малое потребление мощности от измеряемой цепи (на постоянном токе мощность не
потребляется);
– широкий диапазон измеряемых напряжений (до 30 МГц).
Недостатки ЭСИМ:
– малая чувствительность;
– изменение емкости в процессе измерения;
– нелинейность шкалы;
– влияние внешнего электрического поля.
В зависимости от конструкции ЭСИМ применяют для измерения напряжений
маломощных цепей в широком диапазоне частот, а также в цепях высокого напряжения для
измерения напряжения до сотен киловольт без добавочных сопротивлений.