Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения

Подождите немного. Документ загружается.

щающего момента. В этом случае зависимость α(t) подобна

функции m

вр

(t).

В таком режиме работают измерительные механизмы ре-

гистрирующих приборов - светолучевых осциллографов и

некоторых самопишущих приборов, для чего частоту собст-

венных колебаний подвижной части делают достаточно

большой. Аналогичный режим имеет место при работе пока-

зывающих измерительных приборов в области инфранизких

частот.

Вращающий и противодействующий моменты называют ос-

новными. Кроме них на подвижную часть ИМ действуют мо-

менты, обусловленные трением в опорах и трением подвиж-

ной части о воздух.

Для уменьшения времени успокоения в измерительный

механизм вводят успокоитель, который создает момент,

направленный в сторону, противоположную направлению

движения подвижной части, и равный нулю в состоянии

равновесия.

2.3. Конструкции основных узлов

электротехнических измерительных приборов

Механизмы электроизмерительных приборов отличаются

большим разнообразием конструкций. Однако можно выде-

лить ряд узлов и деталей, характерных для большинства

из них.

К таким узлам относятся: устройства для установки

подвижной части и создания противодействующего момента,

успокоители, ответные устройства, корпуса.

Распространены два способа установки подвижной час-

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

ти - на опорах и на растяжках. При первом способе под-

вижная часть крепится на оси или двух полуосях. Крепле-

ние на полуосях характерно для механизмов с подвижной

рамкой. Ось устанавливают с помощью опор.

Типичная конструкция нижней опоры (рис. 2.4, а) со-

стоит из керна 1, запрессованного в ось 2, и подпятника

3. Подпятником служит камень, завальцованный в регули-

ровочный винт 4. Наличием винта позволяет изменять за-

зор между керном и подпятником.

Рис. 2.4. Устройство для установки подвижной части:

а - на опорах; б - на растяжках.

Опоры являются важнейшим узлом ИМ, во многом опре-

деляющим его свойства. Трение в опорах ограничивает

точность и чувствительность и является причиной износа

опор. Поэтому при выборе материалов для кернов, подпят-

ников и углов их расточки исходят из требования мини-

мального трения в опорах.

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

Более совершенным является способ крепления подвиж-

ной части на растяжках (рис. 2.4, б) - двух упругих ме-

таллических ленточках 5, изготовленных из бронзы или

специальных сплавов. Одним концом растяжки крепят к

рамке 9, другим - к плоским пружинам 7, называемым рес-

сорами, которые создают натяжение и поддерживают под-

вижную часть механизма в рабочем положении.

При таком способе установки подвижной части практи-

чески устраняется трение в опорах, что существенно по-

вышает чувствительность и точность измерительного меха-

низма. Преимуществом этой конструкции является также ее

высокая износоустойчивость. Поэтому в современных при-

борах широко применяют этот способ крепления подвижной

части.

В качестве устройства для создания противодейст-

вующего момента в ИМ с установкой подвижной части на

опорах используют одну или две плоские спиральные пру-

жинки.

Одним концом пружинка 1 крепится к оси 2, другим -

к поводку корректора (рис.2.5). Корректор служит для

установки на нуль стрелки прибора перед началом измере-

ний. Он состоит из винта 4 с эксцентрично расположенным

пальцем 5 и поводка 3. При вращении винта поводок пово-

рачивается, меняя в некоторых пределах угол закручива-

ния пружинки 1, что вызывает перемещение стрелки 6.

В механизмах с креплением подвижной части на рас-

тяжках для создания противодействующего момента исполь-

зуют упругие свойства растяжек. При повороте рамки-

растяжки закручиваются; возникающие при этом силы соз-

дают момент, значение которого определяется выражением

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

(2.2.). Спиральные пружинки и растяжки используют также

для подведения тока к обмотке рамки.

Рис.2.5 Устройство для создания противодействующего мо-

мента:1—пружинка; 2—ось; 3—поводок; 4—винт корректора;

5—палец корректора;6—стрелка.

В электромеханических приборах применяют успокоите-

ли двух типов - магнитоиндукционные и воздушные (рис.

2.6.).

Магнитоиндукционный успокоитель (рис. 2.6, а) со-

стоит из постоянного магнита 1 с узким зазором и алюми-

ниевого сектора 2, установленного на оси 3. При движе-

нии сектора в нем индуцируются вихревые токи, сила

взаимодействия которых с полем магнита всегда направле-

на в сторону, противоположную движению. Поэтому колеба-

ния подвижной части быстро затухают.

В магнитоэлектрических ИМ роль успокоителя выпол-

няет алюминиевый каркасик рамки.

Воздушный успокоитель изображен на рис. 2.6, б. Он

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

состоит из камеры 3, оси 1 и алюминиевого крыла 2, же-

стко скрепленного с подвижной частью механизма. Вслед-

ствие малого зазора между крылом и внутренними стенками

камеры при движении крыла появляется тормозящий момент,

обусловленный разностью давлений в левой и правой час-

тях камеры.

Рис.2.6. Успокоители: а)магнитоиндукционный:

1—постоянный магнит с узким зазором, 2—алюминиевый сек-

тор, 3—ось; б) воздушный:1—ось, 2—алюминиевое крыло, 3—

камера

Отсчетные устройства служат для визуального опреде-

ления числового значения измеряемой величины. Отсчетное

устройство стрелочного прибора состоит из стрелки, же-

стко скрепленной с подвижной частью механизма, и цифер-

блата с нанесенной на его лицевую сторону шкалой. В из-

мерительных приборах обычно используют металлические

стрелки – плоские или трубчатые. Конец, стрелки может

иметь копьевидную или ножевидную форму. Последняя при-

меняется в приборах с зеркальным отсчетом.

Шкалы бывают равномерные и неравномерные, односто-

ронние и двусторонние. Кроме шкалы на циферблат наносят

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

условные знаки и надписи, характеризующие тип прибора и

условия его эксплуатации.

Корпуса предназначены для защиты прибора от пыли,

влаги и механических воздействий, иногда выполняют так-

же роль экрана. Корпуса разделяют на обыкновенные (за-

щищающие только от загрязнений и механических поврежде-

ний), пылезащищенные, водозащищенные, газозащищенные.

Их делают из пластмассы, металла и других материалов.

2.4. Магнитоэлектрические измерительные приборы.

Приборы магнитоэлектрической системы применяют для

измерения постоянных токов и напряжений, а в сочетании

со схемами преобразования - для измерения различных

электрических величин. На основе магнитоэлектрической

системы созданы измерительные механизмы с особо высокой

чувствительностью и механизмы для самопишущих приборов.

Измерительный механизм магнитоэлектрической системы

(рис. 2.7.) состоит из постоянного магнита 1, пластин

магнитопровода 2, полюсных наконечников 3, цилиндриче-

ского сердечника 4, подвижной рамки 5, обтекаемой то-

ком, и стрелки 6.

Магнит изготовляют из материала с большой коэрци-

тивной силой, чаще всего из железоникель-кобальтовых

сплавов. Пластины, магнитопровода, полюсные наконечники

и сердечник выполняют из магнитомягкого материала. Они

предназначены для создания равномерного радиального маг-

нитного поля в той части зазора, где движется рамка.

При протекании по обмотке рамки тока возникают силы

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

взаимодействия рамки с магнитным полем в зазоре. Эти

силы образуют вращающий момент. Для создания противо-

действующего момента используют спиральные пружинки (на

рис. 2.7. не показаны). Рамку наматывают на легком алю-

миниевом каркасике. Вихревые токи, возникающие в нем

при движении рамки, создают момент успокоения.

Рис.2.7. Магнитоэлектрический измерительный механизм:

а — устройство; б — рамка с током, расположенная в

поле постоянного магнита

Описанная конструкция не является единственной. Су-

ществуют различные варианты магнитоэлектрических ИМ: с

внутрирамочным магнитом, с креплением подвижной части

на растяжках, с электрическим противодействующим момен-

том.

Рассмотрим вывод расчетных соотношений для магнито-

электрического ИМ. Как известно, на проводник с током,

помещенный в магнитное поле, действует сила

[

B,dlIF

∫

]

, (2.7.)

где I - ток, протекающий по проводнику; l - длина

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

проводника; B = μH - индукция магнитного поля

В случае прямолинейного проводника в равномерном

магнитном поле модуль силы

F=IlBsinϕ, (2.8.)

где ϕ - угол между направлением тока и линиями маг-

нитного поля.

Для рамки с током I

, расположенной, как показано

на рис. 2.7,б, силы взаимодействия приложены лишь к

вертикальным сторонам. Эти силы создают вращающий мо-

мент

вр

=2Fr=2rlBI. (2.9.)

Вводя в формулу (2.9.) площадь рамки S=2rl и число вит-

ков ϖ, получаем

вр

=SϖВI

, (2.10.)

Противодействующий момент определяется выражением

(2.2.).

Равновесие подвижной части наступает при равенстве

моментов М

вр

пр

. Поэтому угол отклонения (поворота) рам-

ки

BSϖ

=α . (2.11.)

Это выражение является основным для приборов магни-

тоэлектрической системы. Оно показывает зависимость уг-

ла отклонения от параметров ИМ и силы тока, протекающе-

го через рамку.

Коэффициент пропорциональности между углом отклоне-

ния и силой тока, проходящего через рамку, называется

чувствительностью ИМ к току:

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

ИМ

. (2.12.)

Как следует из (2.12.), чувствительность магнитоэлек-

трического механизма постоянна, если постоянна индукция в

рабочей части зазора. При этом имеет место линейная зави-

симость угла отклонения от силы тока через рамку.

Величина, обратная чувствительности, называется по-

стоянной ИМ по току:

ИМ

C =

. (2.13.)

Рассмотрим действие на магнитоэлектрический ИМ ме-

няющейся во времени силы тока. Магнитоэлектрические ИМ

применяются в радиоизмерительных приборах, в частности

в электронных вольтметрах, фазометрах, ваттметрах. При

этом используют свойство магнитоэлектрического механиз-

ма реагировать на постоянную составляющую силы тока,

проходящего через рамку.

При воздействии на магнитоэлектрический ИМ меняю-

щейся во времени силы тока вращающий момент определяет-

ся выражением

вр

=SϖBi

(2.14.)

и является функцией времени. Из-за инерции подвижной

части (частота собственных колебаний ее предполагается

много меньше основной частоты сигнала) угол отклонения

определяется постоянной составляющей вращающего момен-

та. Из выражений (2.5.) и (2.14.) получаем

вр

=SϖB

∫

dti

, (2.15.)

Учитывая, что постоянная составляющая силы тока,

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

проходящего через рамку,

∫

dt)t(i

, (2.16.)

находим

вр

=SϖBI

α=

BSϖ

. (2.17.)

Таким образом, угол отклонения пропорционален по-

стоянной составляющей силы тока через рамку. Для гармо-

нических колебаний постоянная составляющая равна нулю и

α = 0. В случае же несимметричных и импульсных колеба-

ний показания магнитоэлектрического ИМ определяются по-

стоянной составляющей сигнала.

Магнитоэлектрические измерительные приборы. Магни-

тоэлектрический измерительный механизм является основой

амперметров и вольтметров постоянного тока.

Схемы включения магнитоэлектрических амперметров

показаны на рис. 2.8. Схему рис. 2.8, а используют для

измерения малых токов (до 100 мА). В этой схеме весь

измеряемый ток подводится к рамке через спиральные пру-

жинки, поэтому при больших токах возникает опасность

нагрева и перегорания пружинок. На рис. 2.8, б изобра-

жен магнитоэлектрический амперметр с шунтом. По шунту

протекает большая часть измеряемого тока. Это позволяет

увеличить верхний предел измерения.

Чувствительность амперметра по схеме равна чувстви-

тельности измерительного механизма. Чувствительность

амперметра с шунтом определяется чувствительностью ИМ и

сопротивлениями рамки R

и шунта R

. Очевидно, что в

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.