книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

где Ш — удельный противодействующий момент; а — угол поворота подвижной части.

Если подвижная часть ИМ крепится на керновых опорах, то междукерном и подпятником при движении возникает момент трения, направ­ ленный навстречу движению. Поэтому при увеличении и уменьшении измеряемой величины до одного и того же значения Х 0 отклонения подвижной части ИМ будут несколько различными, а именно:

ДоСтр — погрешность угла отклонения, обусловленная наличием тре­ ния в опоре.

Это различие является причиной вариации отклонений подвижной, части ИМ (вариации показаний прибора).

Применение растяжек уменьшает вариацию показаний, при этом также облегчается подвижная часть ИМ, что способствует повышению чувствительности механизма, но, вместе с тем, уменьшается его стой­ кость к механическим вибрациям.

Противодействующий момент может создаваться не только механи­ ческим способом, но и электрическим. В так называемых логометриче­ ских ИМ имеются две закрепленные под некоторым углом рамки, в кото­ рых при протекании через них электрического тока возникают два вра­ щающих момента: Мг = ^ (Л) Д,р1(а) и М2 = /2 (/2) /вР2 (а), причем /ср1 (а) Ф /вр2 (а). Поскольку они направлены навстречу друг другу, один из них можно рассматривать как противодействующий. Отклоне­ ние подвижной части логометра пропорционально отношению двух электрических токов 1г и /2. Так как питание обеих цепей осуществля­ ется от одного и того же источника, то при изменении напряжения пи­ тания изменяются только значения токов, а их отношение (при условии линейности цепей) остается неизменным. Токи к подвижным рамкам логометрического ИМ подводятся с помощью безмоментных токоподводов — тонких металлических полосок с пренебрежимо малым про­ тиводействующим моментом. Поэтому подвижная часть его при отсут­ ствии токов в рамках может занимать любое положение.

На подвижную часть, выведенную из установившегося положения на некоторый угол Да, будет действовать устанавливающий момент Муст (рис. 8.2, б), значение которого определяется разницей между вращающим и противодействующим моментами. Устойчивость уста­ новившегося положения характеризуют по значению удельного уста­

навливающего момента. Удельный устанавливающий момент Муп —

это отношение значения изменения устанавливающего момента к изме­ нению угла поворота, вызвавшему это изменение устанавливающего

ющий моменты являются некоторой функцией угла поворота подвижи ной части.

Для ускорения процесса достижения усгановившегося отклонения ИМ создается момент успокоения М у, который направлен навстречу движению и пропорционален угловой скорости подвижной части ИМ1

где Р — коэффициент успокоения.

С этой целью в ИМ вводится успокоитель: магнитоиндукционный, воздушный либо жидкостный.

Магнитоиндукционный успокоитель (см., например, электростати­ ческий ИМ, рис. 8.16) состоит из постоянного магнита 4,"подвижного сектора 5 из неферромагнитного проводникового материала и магнитопровода 6. В подвижном секторе при его перемещении в поле постоян­ ного магнита наводится э. д. с., которая создает в нем ток, взаимодей­ ствующий с потоком постоянного магнита, образуя при этом момент успокоения.

Элементами воздушного успокоителя (см. электродинамический ИМ, рис. 8.13, а) являются легкое подвижное крыло 5, укрепленное на оси 3 подвижной части, и камера успокоителя 4. Воздушное успоко­ ение основано на использовании явления вязкого трения.

Жидкостные успокоители применяют, если необходимо получить значительный коэффициент успокоения, либо в том случае, когда вве­ дение дополнительной детали в форме крыла воздушного успокоите­ ля приводит к недопустимому увеличению момента инерции подвиж­ ной части ИМ. Жидкостные успокоители бывают двух видов. У одних вся подвижная часть ИМ помещена в футляр с жидкостью — маслом либо спиртом. У других — успокоитель капельный (рис. 8.15, в). В уз­ кой щели между подвижным 5 и неподвижным 7 кольцами капля 6 практически несохнущей (время 50 %-ного высыхания — до 50 лет) кремнийорганической жидкости надежно удерживается силами по­ верхностного натяжения. В зависимости от вязкости жидкости дости­ гается разная степень успокоения.

условно можно представить как сумму вынужденной и свободной составляющих, первая из которых отслеживает закон изменения вра­ щающего момента, вторая — характеризует переходный процесс. Пе­ реходный процесс полностью определяется частотой собственных

колебаний подвижной части ИМ <а0 = и степенью успокое­

ния р = Р/(2 V .ШусТ). Удельный устанавливающий момент в общем случае зависит от угла отклонения подвижной части [3]. В ИМ, у которых значение вращающего момента не зависит от угла откло­

нения, МУст постоянно и равно удельному противодействующему мо-

осциллографические гальванометры светолучевых (электромеханиче­ ских) осциллографов.

Если входной сигнал гармонический, то обычно интересуются зависимостью модуля выходной величины (угол отклонения подвиж­ ной части ИМ) от частоты и в отдельных случаях — фазой выходной величины, например, у осциллографических гальванометров, которые предназначены для отображения формы входного сигнала.

Если не учитывать фазу выходного сигнала, то зависимость угла отклонения подвижной части ИМ от отношения частот т)

Поскольку а (т)) — функция частоты входного сигнала, его значе­ ние даже при неизменной амплитуде будет неодинаковым для разных частот. Поэтому однозначная зависимость значения угла отклонения от входного сигнала обеспечивается лишь на определенной частоте. В связи с этим даже в рабочем диапазоне частот ИМ возникает ампли­ тудная частотно-зависимая погрешность. Ее относительное значение можно определить как

где (о,10М— номинальная частота входного сигнала, на работу с кото­ рым рассчитан ИМ (чаще всего при оценивании погрешностей прини­ мают Шном = 0 или 50 Гц).

Под амплитудной частотно-зависимой погрешностью понимают таковую, которая возникает из-за влияния частоты входного сигнала на значение угла отклонения подвижной части ИМ.

Аналогично можно представить абсолютную фазную частотно-за­ висимую погрешность

Установившееся отклонение подвижной части ИМ определяется равенством вращающего и противодействующего моментов:

Мвр ~ А1пр,

ауравнение преобразования ИМ имеет вид

а= ~ ^ (Х)фпр (ос)— в ИМ с механическим противодействующим

моментом;

а = К! (Ах/Х.) — в логометрическом ИМ.

Отсчетное устройство 3 (см. рис. 8.1) служит для получения отсчета/значений измеряемой величины и состоит из шкалы и указателя. Указатель может быть стрелочный либо световой. В последнем случае на оси подвижной части ИМ закрепляется зеркальце, освещенное осветителем; отраженный от зеркала луч света попадает на шкалу. Применение светового отсчета повышает чувствительность средства

ности приборов различных классов точности, допускаемые изменения показаний приборов при отклонении условий эксплуатации от нормаль­ ных. Основные условные обозначения, нанесенные на приборах (табл. 8.1), соответствуют ГОСТ 23217—78 «Приборы электроизмери­ тельные аналоговые с непосредственным отсчетом. Наносимые услов­ ные обозначения». На работу приборов электромеханической группы наиболее существенное влияние оказывают температура окружающей среды, внешнее магнитное поле, а в ряде случаев — форма кривой и частота измеряемой величины.

Уменьшение влияния температуры окружающей среды обычно достигается применением схем температурной компенсации, в которых, как правило, используют термозависимые резисторы (металлические либо полупроводниковые). Для защиты от влияния внешнего магнит­ ного поля, действие которого особо сказывается у приборов со слабым собственным магнитным полем, ИМ экранируют либо выполняют аста­ тическим. Э к р а н и р о в а н и е — наиболее дешевый и достаточно надежный способ защиты, при котором ИМ располагают внутри фер­ ромагнитного экрана, ослабляющего действие внешнего магнитного поля. Более точные приборы имеют два экрана: внешний — из стали, внутренний — из пермаллоя. У первого хорошая магнитная прони­ цаемость в средних, у второго — в слабых магнитных полях. При аста­ тическом исполнении прибора два идентичных ИМ имеют общую ось. Вращающий момент, приложенный к подвижной части, является сум­ мой моментов отдельных ИМ. Собственные магнитные поля ИМ направ­ лены в противоположные стороны. Внешнее магнитное поле усилива­ ет собственное поле одного ИМ и ослабляет поле другого. При этом результирующий вращающий момент одинаков как при действии внеш­ него магнитного поля, так и без него. Полностью влияние внешнего поля устраняется лишь в том случае, когда вращающий момент ИМ пропорционален первой степени входной величины, а внешнее поле в пределах ИМ — равномерное. Наибольшее ослабление воздействия внешних полей обеспечивается при комбинированной защите — астазировании с экранированием.

При включении электромеханического прибора в измерительную цепь последний потребляет для своей работы некоторую энергию из этой цепи, чем нарушает ее электрический режим. В зависимости от принципа построения прибора и его назначения собственное его по­ требление колеблется от долей микроватта до нескольких ватт. При использовании прибора в мощных цепях его собственным потребле­ нием обычно пренебрегают, в маломощных — оно должно учиты­ ваться.

8,2. Магнитоэлектрические приборы

Работа этих приборов основана на взаимодействии поля постоян­ ного магнита 1 с током, протекающим по рамке 2 (рис. 8.4). Различают ИМ с подвижной рамкой или с подвижным магнитом. Первые выпуска­ ются с магнитом, охватывающим рамку (рис. 8.4, а), либо внутрирамочным (рис. 8.4, б); последнее позволяет эффективнее использовать энергию магнита и сделать механизм меньших размеров. Вторые —

Рис* 8*5, Принципиальные схемы магнитоэлектрических амперметров, вольтметров, омметров

приведенного уравнения следует, что большое значение знаменателя выражения обращает отклонение в нуль и ИМ будет' реагировать лишь на постоянную составляющую входного сигнала, если такова имеется.

Среди электромеханических приборов магнитоэлектрические наи­ более чувствительны и точны {наивысший класс точности 0,05), харак­ теризуются малым потреблением мощности (десятые доли ватта). Высокая чувствительность обеспечивается сильным собственным магнит­ ным полем, благодаря которому даже при незначительном токе созда­ ется достаточно большой вращающий момент. Высокая точность обя­ зана хорошей стабильности элементов прибора, незначительному вли­ янию внешних магнитных полей на показания прибора; для борьбы с влиянием температурных изменений, в частности от перегрева соб­ ственным током, внутри прибора создают схемы температурной компенсации. На базе ИМ этой системы выпускаются амперметры и вольтметры постоянного тока, гальванометры постоянного тока и вибра­ ционные, осциллографические гальванометры светолучевых осциллог­ рафов, омметры, в совокупности с преобразователями переменного то­ ка в постоянный — измерители переменных токов и напряжений, при­ боры для' измерения магнитных и неэлектрических величин и т. п.

Амперметры и вольтметры. Выпускаются с пределами измерений от долей микроампера до сотен ампер и от долей милливольта до сотен вольт. Классы точности — от 0,05 до 2,5.

Поскольку у амперметров с пределами измерения не более 30...

...50 мА не возникает недопустимого перегрева обмотки, у них измеря­ емый ток полностью протекает по обмотке ИМ (рис. 8.5, а); у ампер­ метров на большие токи обмотка ИМ шунтируется (рис. 8.5, б).

Магнитоэлектрические вольтметры, как и вольтметры других систем (за исключением электростатической), представляют собой последо­ вательное соединение ИМ и добавочного резистора (рис. 8.5, в), а ток полного отклонения указателя вольтметра составляет от 0,1 до 5мА.

Омметры. Строятся по схеме последовательного (рис. 8.5, г) либо параллельного (рис. 8.5, д) соединения ИМ с измеряемым сопротивле-

нием. Первая схема применяется в омметрах, предназначенных для измерения больших сопротивлений (сотни ом и более), а вторая — в омметрах для измерения малых сопротивлений, поскольку именно такое включение измеряемого сопротивления существенно изменяет общее сопротивление цепи, а значит, силу тока /, протекающего по рамке ИМ, и отклонение указателя

а = $ {1 = 5 / ^ цх +~ д л я с х е м ы Р и с - 8 -5 >

а - 5 , / - а , Д1(|ь + д!||+^ + <, (<[ + )ц - д л я схемы рис. 8.5, Ь.

Отклонение указателя является не только функцией измеряемого сопротивления Ях, но и других параметров измерительной цепи, в первую очередь значения э. д. с. Е источника питания. Для исключе­ ния влияния на показания прибора значения э. д. с. источника пита­ ния и ее стабильности предусмотрено регулирующее устройство, с по­ мощью которого в последовательной схеме при закрытом ключе 5Л устанавливают указатель в нулевое положение, а в параллельной — при разомкнутом ключе 5Л — на отметку «оо».

В омметрах с логометрическим ИМ исключены как необходимость предварительных регулировок, так и влияние изменений питающего напряжения на показание прибора. В зависимости от значения изме­ ряемого сопротивления эти омметры также строятся по схемам с после­ довательным (рис. 8.5, е) либо параллельным (рис. 8.5, ж) включением измеряемого сопротивления относительно рамки ИМ, причем у оммет­ ров с пределами измерения порядка 10е... 1010 Ом (мегомметры) ис­ точником питания является генератор постоянного напряжения с руч­ ным приводом.

Гальванометры. Строятся на базе высокочувствительных ИМ с подвижной бескаркасной рамкой и предназначены для индикации весь­ ма малых постоянных токов и напряжений.

Уменьшение массы подвижной части и применение для ее крепле­ ния растяжек либо подвесов способствует увеличению чувствитель­ ности ИМ, которая характеризуется постоянными потоку, напряжению

либо мощности (так, С/ может составлять Ю-10 А/дел.). Успокоение гальванометров, применяемых на постоянном токе,— магнитоиндук­ ционное, рамочное. В связи с этим коэффициент успокоения подвиж­ ной части зависит от сопротивления внешней измерительной цепи:

_ ктФ

Яг + Явш ’

где Я,- и #вш — сопротивление обмотки и внешней цепи гальваномет­ ра соответственно; к — коэффициент пропорциональности; ы>— число витков обмотки; Ф — магнитный поток постоянного магнита.

Значение внешнего сопротивления, при котором характер движения подвижной части апериодический с минимальным временем успокое­ ния (см. рис. 8.3, а), называется внешним критическим сопротивлением гальванометра и наряду с внутренним сопротивлением и его посто­ янной является важной характеристикой гальванометра. Если значе­ ние сопротивления внешней цепи гальванометра мало по сравнению

НО