МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП)
Военная кафедра при ГУАП
Цикл метрологии
						Утверждаю
						Начальник военной кафедры при ГУАП полковник В. Скуратов «___»__________ 20___ г.
Групповое занятие № 10 «Электромеханические измерительные механизмы» по дисциплине:
«Технические средства метрологического обслуживания
вооружения и военной техники Военно-воздушных сил»
(наименование учебной дисциплины)
Специальность:				перечень специальностей согласно квали-
				фикационных требований
				(код и наименование специальности)
Военно-учетная специальность:				«Метрологическое обеспечение вооружения
				и военной техники»
				(наименование ВУС)

	Рассмотрено и одобрено
	на заседании военной кафедры при ГУАП
	Протокол № ____
	от «____» ___________ 20___ г.

Санкт-Петербург

2010 г.

Содержание занятия

Введение.

Для измерения напряжения (тока) применяются следующие основные методы измерений:

- непосредственной оценки, при котором числовое значение измеряемой величины определяется по отсчетному устройству, отградуированному в единицах этой величины;

- сравнения, при котором значение измеряемой величины определяется на основе сравнения воздействия измеряемой величины на какую-либо систему с воздействием на эту же систему образцовой меры. В приборах для измерения напряжения и силы тока применяются три разновидности метода сравнения: нулевой, дифференциальный и замещения.

В соответствии с этим приборы для измерения напряжения и силы тока можно разделить на два класса:

- непосредственной оценки, у которых числовое значение измеряемой величины определяется по отсчетному устройству;

- сравнения, состоящие из цепи сравнения и измерителя разности значений измеряемой величины и меры. Для фиксирования отсутствия разности значений измеряемой величины и меры применяются устройства сравнения (УС).

Оба класса приборов по системе отсчета показаний можно разделить на приборы с аналоговым отсчетом (аналоговые) и приборы с дискретным отсчетом (цифровые).

К приборам с аналоговым отсчетом следует отнести стрелочные приборы, приборы со световым указателем, приборы с ручным или автоматическим уравновешиванием (имеющие реохорд) и самопишущие. К приборам с дискретным отсчетом следует отнести цифровые приборы и приборы с ручным или автоматическим уравновешиванием, имеющие набор (магазин) переключаемых элементов. Результат измерений, проведенных такими приборами, выражен в виде дискретного (цифрового) кода.

Вопрос № 1. Классификация электроизмерительных приборов.

Все электроизмерительные приборы по способу преобразования электромагнитной энергии, связанной с измеряемой величиной, в величину, позволяющую провести отсчет значений измеряемой величины, можно разделить на:

- электромеханические;

- электротепловые;

- электронные;

- электронно-лучевые.

В электромеханических приборах для перемещения подвижной части прибора используются различные электромагнитные процессы. В зависимости от физического явления, используемого для преобразования подводимой электромагнитной энергии в механическую энергию перемещения подвижной части, приборы подразделяются на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, индукционные, электростатические.

В электротепловых приборах для перемещения подвижной части прибора используется тепловое действие электрического тока.

Электронные приборы представляют собой сочетание электронного преобразователя и измерителя (аналогового или цифрового).

Электронно-лучевые приборы используют подводимую энергию электромагнитного поля для перемещения электронного луча в электронной трубке. Это перемещение пропорционально значению измеряемой величины.

В общем виде структурная схема аналогового электроизмерительного прибора непосредственной оценки состоит из (рис. 1):

- входного устройства;

- измерительного преобразователя;

- измерительного механизма;

- отсчетного устройства.

Рис. 1. Структурная схема аналогового измерительного прибора

непосредственной оценки

Входное устройство и измерительный преобразователь преобразуют измеряемую величину x(t) в некоторую промежуточную величину y(t), находящуюся в определенной функциональной зависимости от измеряемой величины и непосредственно воздействующую на измерительный механизм.

По принципу действия и конструктивным особенностям измерительные преобразователи, применяемые в измерительной цепи, можно разделить на выпрямительные, термоэлектрические, электронные.

Измерительный механизм преобразует подводимую электрическую энергию, определяющую величину y(t), в механическую энергию перемещения подвижной части механизма. При этом между перемещением подвижной части механизма и измеряемой величиной должна существовать однозначная зависимость.

Для измерения напряжения и силы постоянного и переменного токов применяются все перечисленные виды приборов.

Электромеханические приборы самостоятельное применение находят преимущественно в цепях постоянного тока и в цепях переменного тока промышленной частоты и представляют собой сочетание измерительного механизма и отсчетного устройства.

Вывод: в данном вопросе была рассмотрена классификация электроизмерительных приборов. Все электроизмерительные приборы по способу преобразования электромагнитной энергии можно разделить на электромеханические, электротепловые, электронные и электронно-лучевые. Далее будет более подробно рассмотрена конструкция и принцип работы электроизмерительных приборов.

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 кернами2в виде осей, которые опираются на подпятники3из 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 1крепится на растяжках2, которые припаяны к пружинам3, 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 используютсяарретиры, 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 моментдля любой конструкции ЭИМ может быть определен из общего уравнения динамики системы, согласно которому момент, действующий в системе, определяется через изменение энергииW:

, (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 M₁иМ₂ 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 поршень1, связанные с подвижной системой, перемещаются в закрытой камере2и тормозятся за счет сопротивления воздуха.

Магнитоиндукционный успокоитель(рис. 5,б) основан на взаимодействии вихревых токов, индуцируемых в подвижной пластине1, с полем постоянного магнита2. 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.

Вопрос № 3. Магнитоэлектрические механизмы.

Принцип действия магнитоэлектрических механизмов основан на взаимодействии токов, протекающих в одном или нескольких контурах с полями одного или нескольких постоянных магнитов. Подвижными могут быть как контуры с током, так и постоянные магниты (первые получили большее распространение).

В простейшем случае магнитоэлектрический механизм (рис. 6, а) состоит из неподвижного магнита1и подвижной катушки (рамки)2, по которой протекает ток. Магнитная система механизма образуется постоянным магнитом, имеющим полюсные наконечники с цилиндрической расточкой, и неподвижным ферромагнитным цилиндром3.

Такая конструкция обеспечивает постоянство магнитной индукции в воздушном зазоре, где перемещается подвижная катушка, а магнитные силовые линии будут ориентированы по радиусу цилиндра (рис. 6, б). Форма магнита может быть кольцевой, подковообразной, прямоугольной и т. п.

Рис. 6. Структура магнитоэлектрического механизма (а)

и принцип его действия (б)

Спиральные пружины 4служат для создания противодействующего момента и подведения тока к катушке. Одна из пружин крепится к корпусу, а вторая – к эксцентрическому винту (корректору)6. С помощью корректора стрелка механизма устанавливается на нулевую отметку шкалы перед измерением, когда отсутствует ток в цепи катушки2. Грузики5предназначены для уравновешивания подвижной части. Наличие постоянного магнита позволяет использовать его для создания момента успокоения. Обычно подвижная катушка наматывается на алюминиевый каркас, который представляет собой короткозамкнутый контур. Следовательно, при перемещении его в поле постоянного магнита создается момент успокоения (используется магнитоиндукционный успокоитель).

Энергия магнитоэлектрической системы, сосредоточенная в механизме и вызывающая вращающий момент, равна:

(6)

где W_U –энергия поля магнита;

W_K = LP/2 –энергия катушки с током, L – индуктивность катушки;

– энергия взаимодействия поля магнита и катушки с током;

–потокосцепление.

Подставляя (6) в формулу (1), получим выражение для вращающего момента:

(7)

В формуле (6) первые два слагаемых не зависят от угла поворота подвижной системы. Потокосцепление для системы с равномерным радиальным магнитным полем определяется по формуле:

, (8)

где В_о– магнитная индукция в зазоре;

S– площадь катушки;

ω– число витков катушки.

Тогда вращающий момент будет определяться по формуле:

. (9)

Так как противодействующий момент создается спиральными пружинами, то с учетом формулы (2) для установившегося режима можно записать уравнение:

(10)

откуда

(11)

где S_I = B₀Sω/K_п– чувствительность измерительного механизма к току.

Уравнение (11) называется уравнением измерения (уравнением шкалы) и устанавливает зависимость угла поворота подвижной части от измеряемой величины. Из уравнения (11) следует:

- угол отклонения подвижной части (стрелки) магнитоэлектрического механизма прямо пропорционален току;

- чувствительность механизма постоянна, следовательно, шкала равномерная;

- магнитоэлектрический механизм реагирует на постоянный ток, а при включении в цепь переменного тока вследствие инерционности подвижной части стрелка будет совершать колебательные движения только на низких частотах.

Достоинствами магнитоэлектрических механизмов являются высокая чувствительность (пределы измерений до 10 мкА), малое потребление мощности от измеряемой цепи (10^-2 – 10^-6Вт), равномерная шкала и небольшие погрешности измерений. Приборы, выполненные на основе магнитоэлектрических механизмов, изготавливаются вплоть до класса точности 0,05. Из внешних факторов наибольшее влияние оказывает температура, при изменении которой изменяются магнитная индукция и сопротивление катушки.

Недостатками являются: малая перегрузочная способность и сравнительная сложность (особенно ремонта). Однако с учетом достоинств магнитоэлектрические механизмы широко используются в щитовых и переносных приборах.

Магнитоэлектрические логометры (рис. 7, а) имеют подвижную часть, состоящую из двух катушек2и3, укрепленных на общей оси. Токи к катушкам подводятся через мягкие серебряные или золотые ленточки, которые не создают противодействующего момента. Отличительной особенностью магнитной системы является нецилиндрическая расточка полюсных наконечников1и сердечника4, за счет чего магнитная индукция в зазоре зависит от угла поворотаα.

Рис. 7. Структура магнитоэлектрического логометра (а) и схема его включения для измерения сопротивлений (б)

С учетом формулы (9) можно найти вращающий момент:

. (12)

Аналогично противодействующий момент определяется по формуле:

. (13)

Направление токов в катушках выбирается так, чтобы моменты имели встречное направление. В момент равновесия М_В = М_П, т. е.

, (14)

откуда

(15)

Обозначив

и,

получим

(16)

Решив уравнение относительно α, можно получить выражение для угла поворота (уравнение измерения):

(17)

Из выражения (17) можно сделать вывод, что отклонение подвижной части пропорционально отношению токов, протекающих через катушки. Подбором профилей расточки полюсных наконечников и сердечника можно улучшить линейность шкалы.

Магнитоэлектрические логометры используются в приборах для измерения сопротивлений: омметрах и мегомметрах. Схема включения логометра для измерения сопротивлений изображена на рис. 7, б. Сопротивления катушек1и2логометра соответственноR₁иR₂,R_x– измеряемое сопротивление, aR₃иR₄– сопротивления добавочных резисторов, постоянно включенных в схему. Токи в цепях можно определить по формулам:и. Тогда с учетом соотношения (17) угол отклонения стрелки логометра определяется по формуле:

(18)

Из формулы (18) можно сделать вывод, что угол отклонения стрелки омметра при постоянных R₁, R₂, R₃ и R₄ зависит от значения измеряемого сопротивления и не зависит от напряжения и стабильности источника питания.

В приборах для измерения больших сопротивлений (мегомметрах) применяются высоковольтные (до нескольких тысяч вольт) генераторы постоянного тока. Такие приборы с пределом измерений до 200 МОм и погрешностью ± 1 % используются, например, для измерения сопротивления изоляции кабелей.

Вывод: в данном вопросе были рассмотрены принцип действия, уравнение измерения (уравнение шкалы), устанавливающее зависимость угла поворота подвижной части от измеряемой величины, конструкция, достоинства и недостатки магнитоэлектрических приборов, в том числе и логометров. Принцип действия магнитоэлектрических механизмов основан на взаимодействии токов, протекающих в одном или нескольких контурах с полями одного или нескольких постоянных магнитов. Подвижными могут быть как контуры с током, так и постоянные магниты (первые получили большее распространение).