8. Общий принцип работы электромеханических приборов прямого преобразования.

Электромеханические приборы являются типичным примером измерительных приборов прямого преобразования. Основными достоинствами этих приборов являются их относительная простота и невысокая стоимость, достаточно высокая надежность и точность.

В общем случае электромеханические приборы состоят из двух основных функциональных частей: измерительной цепи (ИЦ) и измерительного механизма (ИМ), размещенных в общем корпусе. Структурная схема имеет следующий вид (рисунок 2.1):

Рисунок 2.1 - Структурная схема электромеханического прибора

ИЦ может представлять собой последовательное соединение различных измерительных преобразователей (первичных, масштабных, рода электрических величин и т.п.), или может вырождаться в отдельный измерительный преобразователь у простейших однопредельных приборов. Основное назначение ИЦ заключается в преобразовании входного измерительного сигнала X в промежуточную электрическую величину , непосредственно воздействующую на ИМ. Вид и значение должны быть такими, чтобы обеспечивались нормальные условия работы ИМ, на практике это всегда ток или напряжение. Кроме того, ИЦ может осуществлять расширение пределов измерений и компенсацию некоторых составляющих погрешности измерения.

ИМ представляет собой устройство, преобразующее электромагнитную энергию измерительного электрического сигнала в механическую энергию перемещения (чаще всего углового) подвижной части ИМ, в результате чего указатель отсчетного или регистрирующего устройства поворачивается в соответствии со значением измеряемой величины на угол . Значение измеряемой величины определяется по углу отклонения указателя на шкале отсчетного устройства прибора, предварительно проградуированной в единицах измеряемой величины. ИМ является основой любого электромеханического измерительного прибора и содержит подвижную и неподвижную части, а также отсчетное устройство.

Дополнительно к общей классификации все электромеханические приборы можно классифицировать по ряду характерных для них признаков.

В зависимости от принципа действия, т.е. от способа преобразования электромагнитной энергии измерительного сигнала в механическую энергию перемещения подвижной части ИМ они дифференцируются на следующие основные группы:

магнитоэлектрические приборы – М

электродинамические приборы – Д

электромагнитные приборы – Э

электростатические – С

индукционные приборы (счетчики энергии).

Существуют и другие группы, например, тепловые, вибрационные и т.д., однако в настоящее время они находят весьма ограниченное применение в измерительной практике.

В зависимости от способа создания противодействующего момента подразделяются на:

• приборы с механическим противодействующим моментом;

• приборы с электрическим противодействующим моментом.

По виду используемого отсчетного устройства делятся на:

• приборы с механическими указателями – стрелочные;

• приборы со световыми указателями.

Принцип работы и основные характеристики электромеханических приборов во многом зависят от вида ИМ. Общим для всех ИМ является то, что они состоят из подвижной и неподвижной частей и ряда общих узлов и деталей. Подвижная часть в большинстве ИМ может совершать угловое перемещение относительно неподвижной части. Механический момент, возникающий в результате воздействия на ИМ измерительного сигнала и вызывающий поворот подвижной части ИМ в соответствии со значением измеряемой величины, называется вращающим моментом ( ). Этот момент однозначно зависит от значения измеряемой величины и в общем случае от угла поворота подвижной части:

(2.1)

Наиболее общее выражение для вращающего момента любого электромеханического прибора может быть получено из уравнений Лагранжа второго рода, которые являются общими уравнениями динамики механических систем с одной степенью свободы относительно оси вращения. ИМ представляет собой именно такую механическую систему и вращающий момент , действующий в ней, определяется скоростью изменения электромагнитной энергии, запасенной в ней (т.е. в ИМ), по углу поворота. Таким образом для любого ИМ в общем случае равен:

(2.2)

где - электромагнитная энергия измерительного сигнала , запасённая в конкретном ИМ.

При воздействии на подвижную часть ИМ только одного она отклонится до упора при любом значении измеряемой величины. Поэтому, чтобы обеспечить зависимость угла поворота подвижной части ИМ от значения измеряемой величины, в приборе создается противодействующий момент ( ), который пропорционален углу и направлен навстречу .

Противодействующий момент может создаваться механическим или электрическим путем.

Для создания механического противодействующего момента используются упругие элементы: плоские спиральные пружины, тонкие ленточки или нити (растяжки и подвесы). Один конец упругого элемента закреплен к подвижной, а другой – к неподвижной частям ИМ. При этом поворот подвижной части будет вызывать закручивание упругого элемента, а значит и возникновение , пропорционального . Он равен:

(2.3)

где - удельный противодействующий момент, зависящий от свойств упругого элемента (его формы, материала и т.п.).

Электрический противодействующий момент создается также как вращающий, зависит от и направлен навстречу вращающему.

При равенстве вращающего и противодействующего моментов ( = ) наступает равновесие подвижной части ИМ и в этот момент производится отсчет измеряемой величины. С учетом выражений для и из этого равенства можно получить зависимость угла поворота подвижной части ИМ от значения измеряемой величины Х и параметров ИМ.

, (2.4)

где , ,…, – параметры ИМ.

Это выражение является уравнением преобразования ИМ (в литературе его называют также уравнением шкалы). Вид этого выражения зависит от принципа действия и конструкции конкретных ИМ и, в свою очередь, определяет основные свойства и характеристики этих ИМ, а следовательно и приборов, созданных на их основе.

В процессе измерений подвижная часть ИМ после каждого изменения своего положения требует некоторого времени для своего успокоения. За счет инерции она совершает колебания около положения равновесия. Для сведения этого эффекта к минимуму применяют специальные устройства-успокоители. Момент, создаваемый ими, называют моментом успокоения ( ). всегда направлен навстречу движению подвижной части ИМ и пропорционален ее угловой скорости. В общем случае он равен:

, (2.4)

где – коэффициент успокоения, определяемый конструкцией успокоителя.

Наибольшее применение на практике находят воздушные и магнитоиндукционные успокоители.