Ч 1 Таблица 8-1

Тип трансфор­матора	Класс точ­ности	Предел допускаемой погрешности		Нормаль­ная об­ласть значений вторич­ной на­грузки, %
Трансфор­матор тока	0,01 0,05	тока, %	угла, ... ®	95—100 50—100
		±[0,01+0,002 (/„om//-1)J + [0,05 + 0,005 (/Ном//—D3	±fl+0,I VnoJl- DJ ±: [3 + 0,3 (/„0M//-1)J
Трансфор­матор на­пряжения	0,05	напряжения, %	угла, ... ®	0—100
		±0,05 UmJU	±3 UmufV

Причины погрешностей измерительных трансформаторов легко объяснимы из рассмотрения их эквивалентной схемы. Приведенная к первичной обмотке эквивалентная схема (см. рис. 8-2, б) для диа­пазона частот, в котором еще можно пренебречь межвитковыми емко­стями, представлена на рис. 8-17. При рассмотрении погрешностей

в данном случае не учитываются также ЭДС помех е_тт и шумовое напряжение 0_Ш.

Для эквивалентной схемы (рис. 8-17) отношение токов

„ « j/".-i 1, 13

/ уd м У 1) 14

-в) 146

д 166

Vl 1 11 178

Rr _ \f 2 V \Г2 ■ 2,0 248

^ -(0,1 4-1,5) со- 280

Еш-чГ™ hKreOMy, 284

а) 1 xl 310

/ = у J [^sin(— + cpJJ = (12-2) 348

0,8 1,2 1,6 мкм 367

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 382

cos (_ф1 - ф₀)+z_tz; sin (Ф_г+Ф₂ - Ф₀ - Ф_н) '7

И^Х. X

_Ц)и = _arcta pi^ (Ф₂~ФЛ) ₊

^н ^sin № ~Фо) ^sin (Фх + Фз —Фр-

тивные делители имеют погрешность коэффициента деления 10~³— 10~⁴% при фиксированной частоте. Частотный диапазон ИДН дости­гает /вер_Х//вижн « Ю⁴, однако в этом диапазо­не погрешности суще­ственно возрастают. На­иболее широко распро­страненная схема ИДН, схема Кельвина — Вар- лея, представлена на рис. 8-19. ИДН с регу­лируемым в десятичной

Рнс. 8-18

Whom

	^п1 v ч\	^П1реамьн- ^^J^Z^Zs i %ом
^+ т
t 1 у		>

t

(У1ном)т1п

Рис. 8-19

ния, широкое применение нашли они также в цифровых бескоромыс- ловых весах.

Принцип действия датчика уравновешивания с МЭОП поясняется на рис. 8-20. Измеряемая сила F_x действует на подвижную часть дат­чика J_t закрепленную относительно корпуса на растяжках, мембране или плоских пружинах 2. Обмотка 4, расположенная на цилиндриче­ском каркасе, находится в радиальном зазоре магнитной системы. Торец каркаса и пластина 3, укрепленная с помощью изоляторов на полюсном наконечнике 5, образуют емкостный преобразователь. Этот преобразователь, имеющий емкость С_ху включается в измерительный мост, питаемый от высокочастотного генератора F. При действии силы

С_х, выходной сигнал измерительного моста усиливается усилите­лем Ус и выпрямляется демодулятором ДМ„ Выпрямленный ток / подается в обмотку 4 таким образом, чтобы сила Fp = р/, создавае­мая в результате взаимодействия тока с магнитным полем, была на­правлена навстречу измеряемой силе и уравновешивала ее. Сила, возникающая при взаимодействии электрического тока /, протекаю­щего по катушке, с полем постоянного магнита, определяется форму­лой Fp = р_мэ/ = Blwl, где В — индукция в зазоре магнита; I — средняя длина витка катушки; w — число витков катушки. Работа датчика описывается уравнением F_x: = Fp + AF, и о значении изме­ряемой силы можно судить по току /, измеряемому по падению напря­жения на образцовом резисторе R_N. Поскольку значение AF равно не более (0,01 -г- 0,001) F_p, то точность датчика определяется в основ­ном точностью обратного преобразователя, т. е. стабильностью коэф­фициента р. Силы, создаваемые МЭОП, составляют от 10~² Н в акселе­рометрах до 10—10² Н в весах.

Погрешности лучших МЭОП оцениваются значениями порядка 0,01—0,005%.

Основными причинами возникновения погрешности (при условии, что температура внешней среды неизменна) являются: а) нестабиль­ность свойств магнита магнитной системы; б) неоднородность магнит­ного поля в диапазоне перемещения катушки; в) изменение индукции

магнита вследствие воздействия на него МДС, создаваемой при прохождении тока через катушку; г) наличие электромагнит­ной составляющей силы F_m = 0,5 PdL/dkX, возникающей в случае, если индуктив­ность катушки изменяется при ее переме­щении ДХ; д) нагрев катушки собствен­ным током.

Для уменьшения погрешности от неста­бильности следует при конструировании магнитной системы особое внимание уде­лить жесткости соединения магнита с маг- нитопроводом и после сборки подвергнуть преобразователь старению путем много­кратных изменений температуры. Чтобы избежать влияния близо­сти ферромагнитных масс, преобразователь надо выполнять с внут­ренним магнитом; в этом случае внешний магнитопровод служит до статочно хорошим экраном.

Погрешность от неравномерного распределения индукции в зазоре появляется из-за того, что при смещении катушки на расстояние Д (рис. 8-21) часть ее витков с левой стороны (на рисунке зачернены) переместится из области магнитного поля со средней индукцией Во в область со средней индукцией + ДВ_ъ а правые витки — в об­ласть В'_п — Д В₂.

Погрешность определяется формулой

_АВ₁ — АВ, А

^у~ I ⁹

где ДБ_Х и ДВ₂ — средние изменения индукции на соответствующих участках при перемещении катушки на расстояние Д; / — длина ка­тушки; В₀ — средняя индукция в области расположения катушки.

Погрешность будет тем меньше, чем меньше перемещение катушки, и поскольку в приборах уравновешивания перемещение подвижной части не превышает 0,01—0,1 мм, то эта погрешность достаточно мала. Однако для ее уменьшения размеры катушки должны быть вы­браны таким образом, чтобы катушка при перемещении не приближа­лась к краю зазора ближе, чем на его длину fi. При необходимости увеличения габаритов катушки можно сделать ее длину I больше ши­рины зазора /₀ на величину I — 1₀ = 0,8 б (см. § 8-2). Тогда при не­большом смещении катушки (Д < 0,1 6) изменения индукции ДB_t и ДВ._г будут иметь разные знаки и примерно одинаковое значение.

1о

Рис. 8-21

Существенное уменьшение погрешностей от воздействия МДС ка­тушки достигается использованием симметричной магнитной системы. Например, в магнитной системе (рис. 8-22) один из магнитов подмаг- ничивается током катушки, в то время как другой размагничивается.

Погрешность, вызываемая гистерезисом, для такой магнитной системы не превышает 0,03% при МДС катушки до 100 А и длине магнитов (ЮНДК24) 20 мм.

В конструкциях с одним магнитом следует предусмотреть спе­циальную обмотку, МДС которой компенсирует МДС катушки, напри­мер, так, как это показано на рис. 8-20 (обмотка R₀). Ток в обмотке R₀ и, сле­довательно, создаваемую им допол­нительную МДС можно регулировать перемещением движка на резисторе R_x таким образом, чтобы погрешно­сти гистерезиса и линейности были минимальными во всем рабочем диа­пазоне прибора.

Самой существенной погрешностью МЭОП, определяющей, в случае если габариты и масса датчика ограничены, предел измерения прибора, является погрешность от нагрева катушки соб­ственным током. Эта погрешность тем более нёприятна, что зависит не только от измеряемой величины и от времени ее действия, но и от величины, действовавшей в предшествующий измерению отрезок вре­мени, так как постоянная времени нагрева датчика обычно состав­ляет минуты и даже десятки минут.

: Предел измерения датчика Fg = 1В1_пр ограничивается допусти­мой мощностью Р — /²/?_кат) выделяемой в катушке обратного пре­образователя. Учитывая, что сопротивление катушки R_Kar •— Р^нр/^пр» предел измерения датчика находим как Bj/7³ ]//_nD«S_np/p, и,

как видно из этого выражения, он зависит от объема провода У_пр = = JiipS_np и не зависит от сечения провода. Объем, занимаемый обмот­кой, можно выразить следующим образом: 1/_пр = k_3an8₀S_KaT, где S_KaT — боковая поверхность катушки; — активная длина зазора, занимае­мая обмоткой; /г_зап — коэффициент заполнения медью.

Значение допустимой мощности Р = P_yRS_KaTB зависит от боковой поверхности катушки S_KaT, допустимой температуры перегрева © и удельной мощности Р_уд, определяемой условиями охлаждения (см. § 2-2).

На основании экспериментальных исследований ряда датчиков с МЭОП значение Р_уд может быть принято равным Р_уд =100 Вт/(м² «К).

Учитывая приведенные формулы, предел измерения датчика можно выразить так:

^зап/Р"

Однако чаще при конструировании датчиков возникает обратная задача: при заданном пределе измерения найти оптимальные размеры датчика. Как видно из последней формулы, предел измерения датчика зависит от индукции в зазоре, боковой поверхности катушки и актив­ной длины зазора. Возрастание одной из этих величин при сохранении двух других неизменными неизбежно приводит к увеличению объема

магнита, поэтому для определения оптимальных размеров датчика необходимо связать предел измерения непосредственно с объемом магнита Формула, связывающая эти величины:

т/2 _ р* И™ 46_К

где В_м и Я_м — индукция и напряженность в материале магнита, раз­меры которого выбираются таким образом, чтобы В_м = В_а и #_м = т. е. соответствовали координатам экстремальной точки кривой раз­магничивания, определяющей для данного материала максимум про­изведения ВН\ jx_M = BJH_M, 6_К — конструктивная длина зазора, определяемая толщиной каркаса и двумя технологическими зазорами и выбираемая минимально возможной (длина активного зазора 6₀ для получения минимального объема V_M выбирается равной 6_К); k_n = = S_KaT/S_n и SJS_U — коэффициенты, определяемые как отноше­ния площадей боковой поверхности катушки S_Kax, полюса S„ и маг­нита S_n и в первом приближении близкие к единице.

Допустимая температура перегрева © определяется допустимой погрешностью, возникающей в результате нагрева катушки и магнита и изменения его индукции при действии больших входных величин, и обычно принймается равной © = 1 -г- 3 °С.

В тех случаях, когда габариты МЭОП не ограничены строгими требованиями минимальной массы датчика, например в весах, габа­риты которых определяются в первую очередь размерами платформы под груз, мощность МЭОП ограничивается не его нагревом, а выход-- ной мощностью электронной схемы, и соотношения размеров полу­чаются иными.

При заданном на обмотке напряжении 1/_обя и индукции в зазоре В сила, создаваемая МЭОП, определяется формулой

Fp = Bl_npI = Bl_npU_o6J R_np = лШ_обм^_Р/(4р),

где ^пр — диаметр провода и р — его удельное сопротивление.

При индукции в зазоре В = 0,5 Тл, U_o6m = 5 В и требуемой силе ■5 Н диаметр провода должен быть не менее d_np = 0,2 мм.

Если кроме напряжения задан и ток через обмотку, то можно опре­делить и примерные размеры зазора датчика, необходимого для раз­мещения обмотки.

Действительно, учитывая, что /_П}) = nDw и w — /б₀/и/, где D — средний диаметр обмотки; I — длина обмотки; б₀ — часть зазора, занятого обмоткой, и w' — плотность намотки, т. е. число витков на единицу площади, получим, что размеры обмотки связаны с силой формулой D/6₀ ^ Ffti(nBIw'). В частности, для рассмотренного выше примера при допустимом токе 100 мА Ш6₀ ^ 5,0/(л>0,5*0,1 -1640 х X Ю⁴) = 1,9- Ю^-6 м³; если принять 6₀ = 1 мм, / = 25 мм, то D = = 75 мм.

Компенсация жесткости подвески. Конструкция магнитоэлектри­ческого преобразователя позволяет относительно просто дополнить его устройством, вносящим в датчик дополнительную «электрическую» жесткость, которая может как увеличивать, так и уменьшать жест­

кость подвески. Реализация устройства «отрицательной» жесткости поясняется на рис. 8-23, а.

и

оо ооооооосб од

Для этой цели на каркасе катушки, кроме основной обмотки 1_У располагаются две полуобмотки 2 и 2'. Эти полуобмотки симметричны, расположены в области, где еще действует магнитное поле (см. рис. 8-10), и включены встречно. Через полуобмотки пропускается

Стабилизатор тот

Fx

Рис. 8-23

ток /₀ от стабилизатора тока в таком направлении, чтобы силы взаи­модействия полуобмоток с магнитным полем стремились втянуть ка­ждую из них под полюс. При отсутствии входной величины и сим­метричном начальном положении подвижной части силы взаимодейст­вия полуобмоток с магнитным полем, направленные встречно, компен­сируют друг друга. При смещении подвижной части вправо сила F₂ увеличивается, а сила F'₂ уменьшается, разность сил F₂ — F'₂ прибли­зительно линейно зависит от перемещения и направлена в ту же сторону, что и ме­ханическая сила, вызывающая смещение подвижной части. В результате достигается эффект снижения жесткости подвески, т. е. вносится «отрицательная» жесткость.

Значение дополнительной жесткости, со­зданной в таком устройстве, составляет В7_Д « 2Iol^Bw''g/Ь, где /„ — ток стабилиза­тора; /₀ — длина витка; g/б — отношение ширины обмотки к длине зазора; w"—линей­ная плотность намотки. При необходимости компенсации электриче­ским путем больших жесткостей подвески приходится занимать под это устройство часть рабочего зазора и располагать полуобмотки так, как показано на рис. 8-23, б; в этом случае W_n = 2/₀/₀Вш". Подробно вопросы, связанные с созданием устройства «электрической» жестко­сти, исследованы В. С. Моисейченко. *

Магнитоэлектрогидродинамические обратные преобразователи (МЗГДОП) основаны на использовании явления взаимодействия, проте­

кающего в электропроводящей жидкости электрического тока с магнит­ным полем.

На рис. 8-24 показано устройство камеры МЭГД преобразовате­ля манометра. Камера преобразователя образована двумя профили­рованными пластинами / и 2 из изоляционного или покрытого изо­лирующим слоем материала и двумя пластинами токопроводов 3 и 4. Камера размещается в зазоре магнитной системы таким образом, что­бы направление индукции соответствовало указанному на рис. 8-24. В торцевых частях камеры имеются отверстия, в которых закрепле­ны выводные трубки. Камера полностью, а трубки частично запол­нены рабочей жидкостью.

Сила, создаваемая в элементарном объеме жидкости, определяется формулой dE = [BJ] dVy и если допустить, что индукция В и плот­ность тока J равномерно распределены в рабочей зоне преобразова­теля и взаимно перпендикулярны, то выходное давление определяется формулой Р = BI/h, где h — высота канала. Минимальная высота составляет h = 0,1 -s- 1,0 мм, а максимальное выходное давление при В = 1,0 Тл и / = 5 А равно Р = (5 0,5) 1.0⁴ Па. МЭГДОП подробно исследованы В. Я. Ложниковым и М. М. Фетисовым, ими предложен также ряд оригинальных конструкций манометров и акселерометров с МЭГДОП. *

8-5. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

В аналоговых электроизмерительных приборах прямого преобра­зования широко используются электромеханические измерительные преобразователи, входной величиной которых является ток, а выход­ной — перемещение указателя отсчетного устройства. Эти преобразо­ватели получили название измерительных механизмов (ИМ).

Устройство электромеханического прибора и назначение отдельных конструктивных элементов рассмотрим на примере амперметра с элек­тромагнитным ИМ, схематически показанным на рис. 8-25, а. Основным элементом неподвижной части электромагнитного ИМ, участвующим в создании вращающего момента, является катушка /, а основным элементом подвижной части — сердечник 2 из ферромагнитного мате­риала, закрепленный на оси 3.

На рис. 8-25, показаны принципиальные устройства ИМ и других типов — электродинамического (ЭД), фер роди нами чес кого (ФД) и магнитоэлектрического (МЭ).

В ЭД, ФД и МЭ измерительных механизмах элементом подвижной части, участвующим в создании вращающего момента УИ_вр, является рамка 2 (рис. 8-25, б, е, г), намотанная тонким проводом. На осях 3 укреплены подвижные части ЭМ, ЭД и ФД механизмов. Ось 3 снаб­жена на концах кернами и может поворачиваться в подпятниках 4. Подвижная часть МЭ измерительного механизма (рис. 8-25, г) укреп­лена на двух растяжках 3 (на рис. 8-25, г показана оборванная рас­

тяжка). С подвижной частью же­стко связана стрелка 5, которая при повороте подвижной части пе­ремещается над неподвижно укреп­ленной шкалой 6. На шкале уста­новлены упоры 7, чтобы уберечь стрелку и подвижную часть от по­вреждений.

При включении электромагнит­ного ИМ в электрическую цепь маг­нитное поле, создаваемое проте­кающим по катушке током / (вход­ная величина), втягивает сердеч­ник внутрь катушки, в результате чего возникает вращающий момент М_вр. Зависимость момента /И_ир1 при токе 1_У от угла отклонения под­вижной части приведена на рис.' 8-26. Если ток имеет большее зна­чение, то тогда вращающий момент возрастает (ток /₂, момент УИ_вр2),

подвижная часть поворачивается и закручивает пружину 9 (рис. 8-25, а). Внутренний конец пружины закреплен на .оси, а наружный — на неподвижной части ИМ. Момент спиральной пружины возрастает прямо пропорционально углу а поворота подвижной части, т. е. М_пр = ^сс, где W — удельный противодействующий момент. Поэто­му при токе /i подвижная часть отклонится на угол а_г (рис. 8-26), при котором М_вр1 — Л4_пр, а при токе /₂— на угол а₂ > а_х.

В магнитоэлектрических ИМ противодействующий момент соз­дается двумя растяжками 5, которые выполняют одновременно две функции, заменяя пружину и ось.

г)

Рис. 8-25, в, г

Подвижная часть любого ИМ представляет собой колебательную систему (см. § 2-4, 2-5), вследствие чего после включения ИМ, а также при изменениях входной величины подвижная часть будет совершать затухающие колебания около положения равновесия. Чтобы увели­чить затухание и уменьшить время установления показаний, в ИМ при­меняются специальные устройства — успокоители. В электромагнит­ном ИМ, приведенном на рис. 8-25, а, в качестве успокоителя при­менено крыло /2, которое при повороте подвижной части расходует энергию, перегоняя воздух в камере 13 из одной части в другую. Такой же воздушный успокоитель использован в электродинамиче­ском ИМ. В ферродинамическом механизме применен магнитоиндук- ционный успокоитель, представляющий собой тонкое крыло 12 из ал ю-

мини я, перемещающееся в зазоре постоянного магнита 13, показан­ного дополнительным видом (рис. 8-25, в). В крыле индуктируются токи, которые, взаимодействуя с полем постоянного магнита, тормо­зят движение крыла.

В магнитоэлектрическом ИМ успокоителем служит каркас рамки и, кроме того, сама обмотка, если она включена в измерительную цепь с конечным сопротивлением; поэтому специального успокоителя не требуется.

К вспомогательным деталям ИМ относятся токоподводы к рамке, противовесы, пружинящие стрелочные упоры, корректор. Токопод- водами обычно служат пружины или растяжки, поэтому, по крайней мере, одна из них должна быть изолирована от корпуса. Противо­весы 8 в виде стержней с гайками предназначены для уравновешива­ния подвижной части, т. е. для перемещения ее центра тяжести на ось вращения, так как в противном случае возникает дополнительный момент, вызывающий погрешность меха­низма. Пружинящие упоры служат для ограничения перемещений подвижной части при ее отклонении за пределы шкалы. Кор­ректор, предназначенный для установки подвижной части в нулевое положение, со­стоит из поводка 10, к которому прикреп­лен внешний конец пружины 9_У и винта 11 с эксцентрично расположенным пальцем, ко­торый входит в прорезь поводка.

Как видно из рассмотрения конструк­ций, ИМ содержит следующие основные узлы: устройство, создающее вращающий момент, зависящий от электрической величины; устройство, создаю­щее противодействующий момент, зависящий от угла отклонения; отсчетное устройство, успокоитель и ряд вспомогательных деталей.

Погрешности ИМ. В измерительном механизме осуществляются этапы преобразования: преобразование тока во вращающий момент, преобразование момента в угол поворота подвижной части и преоб­разование угла поворота в отсчет по шкале прибора.

Каждый из этапов преобразования характеризуется своими по­грешностями, совокупность которых определяет погрешность ИМ. Погрешность измерительного прибора обычно больше погрешности ИМ (исключение составляют миллиамперметры и ЭМ амперметры, для которых Yn_P " Уи.м)» ^{так как в} приборе имеется еще преобразователь измеряемой величины (напряжение, мощность, частота и т. д.) в ток.

Структурная схема ИМ представлена на рис. 8-27, а. На этой схеме указаны также основные составляющие погрешности нуля ИМ и основные причины погрешности чувствительности.

Погрешность преобразования угла поворота а в отсчет N по шкале, характеризуемого коэффициентом /<_шк, определяется погрешностью отсчета (Да_отсч), погрешностью* градуировки шкалы (Дос_гр), погреш­ностью от смещения градуированной шкалы при ее установке (Да_уст) и погрешностью опрокидывания (Аа₀п_Р) Для приборов, подвижная

часть которых закреплена на оси в кернах. Последняя составляющая иллюстрируется рис. 8-27, б, из которого видно, что при наличии за­зора (около 20 мкм), необходимого, чтобы ось не защемило при темпе­ратурных деформациях, ось при нормальной температуре занимает одно из двух крайних положений, наклоняясь от гипотетического

2 Ад

среднего положения на угол ея«±-р1/ -у R, где /₀ — длина оси;

А — зазор и R — радиус закругления подпятника. При этом стрелка, условно показанная на рис. 8-27, б точкой и направленная перпенди-

с

^а) да.

гр

^кМнеураВн

1/W

Act

\rw

уст