Лекция № 5 Электромеханические приборы План лекции: 1.Основы теории и конструкции

Лекция № 5
Тема лекции: “Электромеханические приборы”
План лекции:
1.Основы теории и конструкции
2.Система маркировки
3.Приборы магнитоэлектрической системы
1.Основы теории и конструкции
1)Структурная схема электромеханического прибора:
Измерительная цепь – обеспечивает преобразование входной электрической
величины Х в промежуточную электрическую величину Y (ток, напряжение) для
непосредственной обработки измерительным механизмом.
Измерительная цепь представляет собой совокупность сопротивлений,
индуктивностей, емкостей и др. элементов.
Измерительный механизм – основная часть прибора, предназначенная для
преобразования
электромагнитной
энергии
в
механическую
(вращающий
момент), необходимую для перемещения подвижной части относительно
неподвижной (т.е. создания угла поворота  ).
Уравнение преобразования электромеханического прибора: f ( X )  f (Y )   .
Отсчетное
устройство
–
состоит
из
указателя,
связанного
с
измерительным механизмом и шкалы.
Указатели – бывают стрелочные (механические) и световые.
Шкала – совокупность отметок, представляющих ряд последовательных
чисел вдоль какой либо линии.
К электромеханической группе принадлежат измерительные приборы
магнитоэлектрической,
электромагнитной,
электродинамической,
1
ферродинамической, электростатической и индукционной систем.
По физическому принципу, положенному в основу их строения, эти
приборы относятся к группе аналоговых СИ, т.е. СИ, показания которых
являются непрерывной функцией измеряемой величины.
2)Общий принцип действия измерительного механизма.
Обобщенная механическая схема измерительного механизма представлена на
рисунке.
Элементы конструкции:
1- успокоитель !
2 – неподвижная часть прибора
3 – грузики-противовесы !
4 – спиральная пружинка !
5 – подвижная часть
6 – указатель
7 – шкала
8 – корпус прибора
1.Успокоитель уменьшает колебания подвижной части около положения
установившегося равновесия.
3.Грузики-противовесы
уравновешивают подвижную часть и не дают ей
смещаться с нулевой отметки при любых положениях прибора.
4.Спиральная пружинка создает противодействующий момент.
В электромеханическом приборе измеряемая величина X преобразуется во
вращающий момент, действующий на подвижную часть, выполненную в виде
рамки, сердечника или диска.
Под действием этого момента подвижная часть поворачивается относительно
неподвижной части. По углу отклонения подвижной части  , отмечаемому по
шкале
указателем,
судят
о
числовом
значении
измеряемой
величины.
X
 M вр  
Дифференциальное
уравнение
моментов,
описывающее
работу
2
измерительного механизма, имеет вид: J  (
d 2
dt 2
)  M ,
где J – момент инерции подвижной части измерительного механизма,
 - угол отклонения подвижной части,
d 2
dt 2
На
- угловое ускорение.
подвижную
часть
(при
движении)
воздействуют
следующие
составляющие моментов:  М  М вр  М пр  М усп
Вращающий момент – Мвр определяется скоростью изменения энергии
электромагнитного поля, сосредоточенной в механизме, по углу отклонения  :
М вр 
dWэ
d
Чтобы каждому значению измеряемой величины X
определенное
отклонение
стрелки
,
необходимо
соответствовало
уравновесить
Мвр
противодействующим моментом, который противоположен вращающему и
возрастает по мере увеличения угла поворота подвижной части.
Противодействующий момент - Мпр создается при помощи спиральных
пружин и растяжек :
М пр  к  
где к – удельный противодействующий момент на единицу угла
закручивания пружины (определяется её материалом, длиной и т.д.).
Момент успокоения – Мусп - момент сил сопротивления движению,
пропорционален скорости перемещения стрелки: М усп  p 
d
,
dt
где р - коэффициент успокоения подвижной части.
Подвижная
колебательную
часть
систему.
устанавливалась в
измерительного
Для
того
механизма
чтобы
стрелка
представляет
прибора
собой
быстрее
нужное положение и слишком долго не колебалась,
применяют успокоители, которые и создают момент успокоения.
3
Различают воздушные, жидкостные и магнитоиндукционные успокоители. В
воздушных и жидкостных успокоителях успокоение достигается торможением
элемента подвижной части за счет трения о воздух или жидкость.
В магнитоиндукционных успокоителях торможение происходит за счет
взаимодействия МП магнита и токов в проводящих элементах подвижной части
при их движении в поле этого магнита.
Уравнение моментов в статическом режиме (уравнение статики), т.е когда
стрелка прибора находится в неподвижном состоянии при каком-то угле
отклонения  : Мвр= Мпр
3)По типу измерительного механизма приборы делятся на системы:
логометры
1.Прибор магнитоэлектрический:
- с подвижной рамкой
- с подвижным магнитом
Прибор электромагнитный
Прибор электродинамический
Прибор ферродинамический
Прибор электростатический
Прибор индукционный
Наиболее распространенными в практике технических измерений являются
электромеханические
приборы
магнитоэлектрической
и
электромагнитной
систем.
4
2.Система маркировки
Для того чтобы можно было легко получить необходимую и достаточную
характеристику каждого электроизмерительного прибора используют систему
маркировки.
Согласно ГОСТ, на лицевой стороне прибора, обычно на шкале, должны
быть указаны при помощи условных обозначений:
1.единица измеряемой величины (например A,V, W);
2.класс точности прибора (1,5);
3.ГОСТ, по которому прибор изготовлен (ГОСТ 8711-60);
4.род тока (постоянный, переменный);
5.система прибора (электромагнитная);
6.группа прибора по условиям эксплуатации (Б – сухие
помещения, В – полевые и морские условия, Т тропический климат);
7.рабочее
положение
прибора
положение шкалы,
(
вертикальное
-
- горизонтальное);
8.величина напряжения, на которое испытана изоляция
прибора (
- на 2 кВ,
- испытанию не подлежит);
9.номинальная частота (подчеркнута)
область частоты (45-100-300Гц)
и
расширенная
10.шифр прибора (Э330);
11.год выпуска (1961);
12.заводской номер прибора.(№00000);
13.товарный знак завода-изготовителя (завод ЗИП);
·категория защищенности прибора от влияния внешних
магнитных или электрических полей (
– от ЭП)
– от МП,
3. Приборы магнитоэлектрической системы
1.Принцип действия
Вращающий момент возникает в результате взаимодействия магнитного
5
поля постоянного магнита и магнитного поля катушки (рамки), по которой
протекает ток.
2.Устройство
Разновидности конструкций измерительных механизмов:
·c подвижной катушкой (более распространена, рассмотрена ниже)
·с подвижным магнитом (менее точны, их достоинство – малые габариты и
более низкая стоимость)
Элементы конструкции:
1 – постоянный магнит
2 – магнитопровод
3 – полюсные наконечники
4 – неподвижный сердечник
5 – спиральная пружинка
6 – подвижная катушка (рамка)
7 – магнитный шунт
8 - указатель
1- 4 – магнитная система механизма.
В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником создается
сильное МП, в котором находится подвижная прямоугольная рамка, намотанная
тонким медным или алюминиевым проводом на каркас.
Спиральные
пружинки,
предназначенные
для
создания
противодействующего момента, одновременно используются и для подачи тока
в рамку. Рамка жестко соединена со стрелкой.
3.Вывод уравнения шкалы
Уравнение шкалы – математическая зависимость, показывающая
связь
между измеряемой величиной и углом отклонения стрелки прибора  .
1.Энергия электромагнитного поля: Wэ    I ,
где I – ток, протекающий по катушке.
 - потокосцепление подвижной катушки,
2.   B  S     ,
где В – индукция в воздушном зазоре между сердечником и полюсными
наконечниками,
S – площадь катушки,
 - число витков катушки,
 - угол поворота катушки.
6
3.При протекании по рамке тока, на нее действует вращающий момент,
вызывающий отклонение рамки от нулевого (исходного) положения:
М вр 
dWэ
(B  S    I)  d

 B  S    I.
d
d
4.В результате поворота рамки увеличивается противодействующий момент
засчет закручивания (раскручивания) спиральных пластин: М пр  к   .
5.При
отклонении
рамки
на
некоторый
угол
,
вращающий
и
противодействующий моменты сравниваются по величине и дальнейшее
отклонение рамки прекращается. Наступает установившееся отклонение,
соответствующее значению измеряемого тока.
Уравнение статики:
пусть
Мвр= Мпр
 B  S    I  к 

B  S   I
к

B  S 
 S I тогда   S I  I ,
к
где SI – чувствительность прибора к току.
Для получения зависимости угла отклонения от приложенного к рамке
напряжения, подставим I 
U
R рамки
 
B S  U
 SU  U ,
к  Rр
где SU - чувствительность магнитоэлектрического прибора к напряжению.
Чувствительности являются постоянными величинами и определяются
постоянными для каждого прибора величины (B – магнитная индукция, S –
площадь рамки,  - число витков, к- удельный противодействующий момент
спиральных пружин).
Уравнение шкалы показывает, что шкала магнитоэлектрического прибора –
линейна. Угол отклонения стрелки прибора – прямо пропорционален току,
проходящему через рамку.
7
Подвижная часть магнитоэлектрического механизма обладает относительно
большим моментом инерции. Поэтому при включении в цепь переменного
синусоидального тока, среднее значение которого за период равно нулю, средний
вращающий момент также равен нулю.
Следовательно, приборами магнитоэлектрической системы непосредственно
может измерять только постоянные токи. Для измерения в цепях переменного
тока необходимо предварительно преобразовать переменный ток в постоянный.
4.Магнитоэлектрический логометр
Магнитоэлектрический логометр (греч. Logos – отношение) – измеряет
отношение двух токов. Не имеет противодействующего момента.
Элементы конструкции:
1 и 2 – жестко скрепленные между собой
катушки, по обмоткам которых протекают
токи I1 и I2.
Моменты М1 и М2, создаваемые взаимодействием МП постоянного магнита
и токов катушек 1 и 2, направлены навстречу друг другу:
М вр1  B1  S1  1  I 1
М вр 2  B2  S 2   2  I 2 ,
но
B1  f1 ( ) ,
B2  f 2 ( ) .
Тогда М вр1  f1 ( )  S1  1  I1  F1 ( )  I1
М вр 2  f 2 ( )  S 2   2  I 2  F2 ( )  I 2 .
Уравнение статики: Мвр= Мпр  F1 ( )  I1 = F2 ( )  I 2 
или   F (
I1 F2 ( )

 F ( )
I 2 F1 ( )
I1
)
I2
Из уравнения шкалы видно, что угол поворота стрелки прибора зависит от
отношения токов в рамках.
Применяются логометрические механизмы в омметрах.
8
5.Назначение магнитоэлектрических приборов
1.измерение постоянных токов и напряжений (амперметры и вольтметры)
2.измерение сопротивлений (омметры)
3.измерение количества электричества (гальванометры и кулонметры)
4.регистрация электрических величин (самопишущие приборы).
6. Достоинства магнитоэлектрических приборов
1.наиболее точные (высокий класс точности) и чувствительные
2. малое потребление энергии
4.равномерность шкалы.
7.Недостатки магнитоэлектрических приборов
1.сложность конструкции
2.высокая стоимость
3.невысокая перегрузочная способность
4.невозможность
работы
на
переменном
токе
без
дополнительных
преобразователей.
9