Общие сведения об аналоговых электромеханических приборах

Лабораторная работа №10М

Исследование электромеханических измерительных приборов

Цель работы: 1.

Общие сведения об аналоговых электромеханических приборах

Аналоговыми измерительными приборами называются приборы, показания которых являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. Важным классом аналоговых приборов являются электромеханические показывающие приборы прямого действия. Они просты, надежны, удобны в эксплуатации. Их разнообразие и точностные характеристики удовлетворяют требованиям широкого круга технических измерений.

Структурная схема. Аналоговые электромеханические приборы строятся по структурной схеме, представленной на рис.1.1. Они состоят из измерительной цепи, измерительного механизма и отсчетного устройства. Измерительная цепь осуществляет количественное или качественное преобразование измеряемой электрической величины X в электрическую X', удобную для измерения. Измерительный механизм преобразует электрическую величину Х' в механическое перемещение (угловое или линейное) , значение которого отсчитывается по шкале отсчетного устройства, обычно проградуированной в единицах измеряемой величины.

Рис.1.1

Измерительная цепь содержит резисторы и другие элементы, необходимые для требуемого преобразования измеряемой величины.

Измерительный механизм состоит из подвижной и неподвижной частей. В зависимости от принципа преобразования электромагнитной энергии в энергию движения подвижной части механизма различают магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические и индукционные приборы. Кроме того, имеются выпрямительные, термоэлектрические и электронные приборы, которые используют магнитоэлектрические механизмы с соответствующими преобразователями рода тока.

Отсчетное устройство состоит из указателя (стрелочного или светового), связанного с подвижной частью прибора, и неподвижной шкалы, представляющей собой совокупность отметок, нанесенных на лицевой стороне (циферблате) прибора. Расстояние между двумя соседними отметками называется длиной деления или просто делением шкалы. Цена деления, называемая также постоянной прибора, соответствует изменению измеряемой величины, вызывающему перемещение указателя на одно деление.

Общие узлы и детали. Электромеханические приборы всех систем имеют общие узлы и детали. К ним, в частности, относятся корпус, циферблат, указатель, детали для установки подвижной части, успокоитель, устройство для создания противодействующего момента, корректор.

К орпус защищает измерительный механизм от механических воздействий и от попадания пыли и влаги. Он может быть изготовлен из метал­ла, пластмассы или дерева. Металлический корпус экранирует измерительный механизм от электрических и магнитных полей.

На циферблате обычно кроме шкалы имеется ряд обозначений, при помощи которых указываются единица измеряемой величины, класс точности, символ, соответствующий принципу действия прибора, рабочее положение, испытательное напряжение изоляции, год выпуска, заводской номер и др. Некоторые из этих обозначений приведены в приложении 1.

Указатели бывают механическими и световыми. Механические указатели представляют собой легкие стрелки, изготовленные из стекла или алюминия. В световых указателях роль стрелки играет световой луч, отражающийся от легкого зеркальца, укрепленного на подвижной части измерительного механизма, и падающий затем на шкалу.

Детали для установки подвижной части должны обеспечивать свободное вращение последней. Используются три способа установки: на кернах, на растяжках, на подвесе.

При установке на кернах ось, вокруг которой вращается подвижная часть, имеет два стальных острия - керна, которыми она опирается на агатовые или корундовые подпятники. Недостатком такой установки является наличие трения в опорах, т.е. между кернами и подпятниками.

При установке на растяжках подвижная часть подвешивается между двумя растянутыми ленточками из бронзового сплава. Такой способ крепления свободен от трения в опорах.

При установке на подвесе подвижная часть подвешивается на металлической или кварцевой нити. Такой способ крепления применяется в особо чувствительных приборах.

Противодействующий момент может быть создан упругими силами или теми же электромагнитными силами, что и вращающий. В последнем случае прибор называется логометром.

Устройство для создания упругого противодействующего момента при установке на опорах представляет собой спиральную пружину, внешний конец которой прикреплен к неподвижной части, а внутренний — к оси подвижной части измерительного механизма. Противодействующий момент М возникает из-за закручивания пружины при вращении подвижной части. В других случаях М появляется из-за упругости растяжек или подвеса. Если бы противодействующего момента не было, вращающий момент М, созданный электромагнитными силами при подаче измеряемой величины на вход прибора, нечем было бы уравновесить и стрелка двигалась бы до упора. При наличии пружины стрелка останавливается в положении, при котором вращающий момент уравновешивается противодействующим.

Успокоитель предназначен для того, чтобы в процессе достижения установившегося положения стрелка не испытывала слишком долгих колебаний. Применяются воздушные, жидкостные и магнитоиндукционные успокоители. В воздушных успокоение достигается торможением алюминиевого крылышка или поршенька, жестко связанного с подвижной частью внутри особой воздушной камеры.

Жидкостное успокоение использует эффект трения между различными слоями вязкой жидкости при движении в ней подвижной системы или ее части.

В магнитоиндукционных успокоителях торможение осуществляется взаимодействием магнитных полей магнита и токов, индуцированных в проводящих частях подвижной системы при их движении в поле этого магнита.

Успокоители каждого вида имеют свои достоинства и недостатки. Так, воздушный и жидкостный успокоители не создают электрических или магнитных полей, влияющих на показания приборов, но относительно сложны в изготовлении и настройке, тогда как магнитоиндукционные просты и допускают легкую регулировку, но могут применяться только тогда, когда порождаемые ими поля не сказываются на результатах измерений.

Корректор предназначен для установки стрелки в нулевое положение, из которого по разным причинам она может оказаться смещенной при отключенном приборе.

Уравнение преобразования измерительного механизма электромеханического прибора. Положение подвижной части прибора относительно неподвижной в установившемся режиме можно определить из условия равенства вращающего и противодействующего моментов, действующих на подвижную часть:

(1.1)

Согласно законам механики выражение для вращающего момента имеет вид

(1.2)

где - угол поворота подвижной части; — электрокинетическая энергия, т.е. запас энергии электромагнитного поля в измерительном механизме.

Значение вращающего момента зависит как от измеряемой величины X, так и от параметров измерительного механизма , т.е.

(1.3)

Противодействующий момент, создаваемый упругим элементом, описывается выражением

(1.4)

где W — удельный противодействующий момент, характеризующий упругость упругого элемента.

Таким образом, при равновесии имеет место равенство

(1.5)

или

(1.6)

Уравнение (1.6) называется уравнением преобразования механизма прибора, оно связывает показания прибора со значением измеряемой величины, и характеризует свойства измерительного прибора в целом. Здесь и далее для простоты не проводится различия между углом и показанием прибора, хотя в действительности отсчетное устройство преобразует угол в пропорциональное ему линейное перемещение.

2. Магнитоэлектрические приборы

Принцип действия. В приборах магнитоэлектрической системы используется взаимодействие поля постоянного магнита с катушкой (рамкой), по которой протекает ток. Конструктивно измерительный механизм может быть выполнен либо с подвижным магнитом, либо с подвижной катушкой. На рис. 2.1 показана конструкция прибора с подвижной катушкой. Постоянный магнит 1, магнитопровод с полюсными наконечниками 2 и неподвижный сердечник 3 составляют магнитную систему механизма. В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником создается сильное равномерное радиальное магнитное поле, в котором находится подвижная прямоугольная катушка (рамка) 4, намотанная медным или алюминиевым проводом на алюминиевом каркасе (или же без каркаса). Спиральная пружина 5 предназначена для создания противодействующего момента. Рамка жестко соединена со стрелкой 6.

Рис.2.1

Уравнение преобразования можно получить, если подставить в формулу (1.6) выражение для вращающего момента действующего на подвижную часть магнитоэлектрического механизма. определяется изменением энергии магнитного поля системы, состоящей из постоянного магнита и рамки с током I, при вращении подвижной части:

(2.1)

причём

где: ψ - потокосцепление магнитного поля постоянного магнита магнитного поля постоянного магнита с рамкой, по которой течет ток I;

В - магнитная индукция в воздушном зазоре;

w — число витков рамки;

S — ее площадь;

угол поворота рамки отсчитывается от плоскости, проходящей через центральные образующие наконечников постоянного магнита. Поскольку радиальное поле не зависит от угла , имеем

(2.2)

Из (2.6) и (2.8) следует

(2.3)

Согласно (2.9) угол отклонения подвижной части пропорционален току, протекающему по рамке. Коэффициент пропорциональности

(2.4)

называется чувствительностью магнитоэлектрического механизма к току.

Чувствительность является постоянной величиной, зависящей только от конструктивных параметров механизма, а не от значения измеряемого тока I, поэтому шкала магнитоэлектрического прибора равномерна. Изменение направления тока ведет к изменению направления угла отклонения рамки.

Из группы аналоговых приборов магнитоэлектрические приборы относятся к числу наиболее чувствительных и точных. Изменения температуры окружающей среды и внешние магнитные поля мало влияют на их работу. Равномерный характер шкалы и малое потребление энергии также являются достоинствами этих приборов. Вследствие инерционности магнитоэлектрические приборы реагируют только на постоянную составляющую тока. Для измерений в цепях переменного тока требуется предварительное преобразование переменного тока в постоянный.

Амперметры. Магнитоэлектрический механизм, включенный непосредственно в измерительную цепь, позволяет измерять малые постоянные токи, не превышающие 20—50 мА. Превышение указанных значений может повести к повреждениям провода рамки и спиральной пружины. Таким образом, сам магнитоэлектрический механизм может выступать только в роли микроамперметра или миллиамперметра. Для того чтобы измерять большие токи, используют измерительные цепи, включающие в себя шунты, представляющие собой манганиновые резисторы, сопротивление которых мало зависит от температуры. Обычно оно во много раз меньше сопротивления рамки магнитоэлектрического измерительного механизма. Поэтому при включении шунта параллельно прибору (рис. 2.2) основная часть измеряемого тока I проходит через шунт, а ток , проходящий через рамку измерительного механизма, не превышает допустимого значения. Отношение

,

показывающее, во сколько раз измеряемый ток превышает допустимое значение, называется коэффициентом шунтирования. Сопротивление шунта, которое необходимо выбрать для получения требуемого коэффициента шунтирования, нетрудно определить:

откуда следует

.

Рис.2.2

Амперметры для измерения сравнительно небольших токов (до нескольких десятков ампер) имеют внутренние шунты, вмонтированные в корпус прибора. Измерение больших токов (до нескольких тысяч ампер) осуществляют при помощи наружных шунтов, которые имеют определенные номинальные падения напряжения (45, 60, 75, 100 и 300 мВ) и классы точности (0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5).

Вольтметры. Схема вольтметра магнитоэлектрической системы приведена на рис. 2.3, Добавочный резистор , включенный последовательно с рамкой измерительного механизма, ограничивает ток полного отклонения I, протекающего через нее, до допустимых значений. При этом падение напряжения на рамке зависит от сопротивления рамки и обычно не должно превышать десятков милливольт. Остальная часть измеряемого напряжения U должна падать на добавочном сопротивлении. Если необходимо получить верхний предел измерения напряжения, в т раз превышающий значение Uи. то необходимо включить добавочный резистор, сопротивление которого легко вычисляется на основании очевидных соотношений (рис. 2.3):

из которых следует

.

Добавочные резисторы изготавливают из термостабильных материалов, например, из манганиновой проволоки. Они могут быть внутренними, встроенными в корпус прибора (при напряжениях до 600 В), и наружными (при напряжениях 600—1500 В). Добавочные резисторы имеют определенные номинальные токи (0,5, 1, 3, 5, 7,5, 15 и 30 мА) и классы точности (0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1).

Рис.2.3

Омметры. Магнитоэлектрические механизмы также используются в приборах для измерения сопротивления на постоянном токе — омметрах. Схема омметра приведена на рис. 2.4. Ток, протекающий через микроамперметр, зависит от сопротивления рамки микроамперметра , сопротивления добавочного резистора , и сопротивления , которое нужно измерить. Если сопротивление рамки мало по сравнению c и , то можно записать

Отклонение указателя прибора согласно уравнению (2.4)

Таким образом, отклонение указателя прибора при условии постоянства напряжения Е является функцией , и шкала может быть проградуирована в единицах сопротивления — омах.

В процессе эксплуатации напряжение Е батареи изменяется и значение его может отличаться от того, при котором производилась градуировка шкалы. Поэтому перед каждым измерением ключом К замыкают накоротко зажимы, предназначенные для подключения неизвестного сопротивления , и изменением сопротивления , устанавливают стрелку на отметку 0. Эта отметка находится с правой стороны шкалы и соответствует нулевому значению измеряемого сопротивления.

Омметры, выполненные по схеме, изображенной на рис. 2.4, удобны для измерения больших сопротивлений (от нескольких Ом до сотен мегаОм). Для измерения малых сопротивлений используются омметры, собранные по несколько видоизмененной схеме (рис. 2.5).

ОСНОВНЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Входной величиной измерительного прибора является его измеряемая величина. Наибольшее и наименьшее значения измеряемой величины, для которых нормированы погрешности, называются пределами измерения. Область значений, заключенная между верхним и нижним пределами измерения, называется диапазоном измерений. От диапазона измерений следует отличать диапазон показаний, который охватывает область значений шкалы, ограниченную конечным и начальным значениями шкалы. Таким образом, диапазон измерений, охватывающий часть шкалы, в пределах которой измерения могут быть проведены с нормируемой погрешностью, более узок, чем диапазон показаний, охватывающий всю шкалу.

Выходной величиной измерительного прибора является изменение состояния отсчетного устройства, например положения стрелки стрелочного прибора.

Функция (уравнение) преобразования - функциональная зависимость между выходной величиной у и входной величиной х. Как и любая функция, функция преобразования может задаваться аналитически (уравнением), таблично или графически. В аналитическую функцию преобразования обычно входят конструктивные параметры прибора или преобразователя и поэтому она используется при расчете и проектировании. Функция преобразования реального преобразователя опреде­ляется экспериментально. В ходе опыта определяется зависимость выходной величины от входной. Для упрощения анализа полученной функции по табличным данным строится график.

Обычно желательно, чтобы функция преобразования была линейной.

Чувствительность — это отношение изменения выходной величины измерительного прибора или измерительного преобразователя к вызвавшему ее изменению входной величины. Чувствительность определяется выражением

и может быть определена при любом способе задания функции преобразования.

В важном частном случае, когда выходная величина изменяется пропорционально входной, S = у/х, где у — значение выходной величины, соответствующее входной величине х. При нелинейной функции преобразования чувствительность зависит от значения входной величины.

Для прибора или преобразователя может определяться абсолютная, относительная и приведенная погрешности.

Абсолютная погрешность прибора в данной точке диапазона измерения равна

где х_П — показание прибора; х — истинное значение измеряемой величины. Однако в связи с тем, что истинное значение неизвестно, на практике вместо него используется действительное значение х_д. В качестве х_д принимают показания более точного, образцового прибора.

Абсолютная погрешность прибора выражается в тех же единицах, что и измеряемая величина.

Относительная погрешность прибора равна отношению абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины и обычно выражается в процентах:

Приведенная погрешность прибора у также выражается в процентах и равна отношению абсолютной погрешности к нормирующему значению x_N, которое принимается равным верхнему пределу измерений (если нулевая отметка находится на краю или вне шкалы) или диапазо­ну измерения (если нулевая отметка находится внутри диапазона измерений), %:

Значения абсолютной, относительной и приведенной погрешностей используются для нормирования погрешности приборов.

Абсолютную погрешность измерительного преобразователя невозможно определить по выражению (1.15), поскольку входная и выходная величины могут иметь различную физическую природу, а также вследствие того что часто отсутствует образцовый измерительный преобразователь, по которому можно было бы проверить рабочий преобразователь. Различают номинальную функцию преобразования измерительного преобразователя y _ном = f _ном(x), которую он должен иметь согласно государственным стандартам, техническим условиям или другим нормативным документам, и реальную у = f (x), которую он имеет в действительности. Разность значений действительной и номинальной функций преобразования при одном и том же значении входной величины определяет абсолютную погрешность преобразователя по выходу:

Погрешность создается преобразователем. Однако часто бывает полезно знать значение входного сигнала, соответствующего погрешности преобразователя. Абсолютным значением погрешности преобразователя по входу называется разность

где х — истинное значение входной величины; x _ном — значение входной величины, определяемое по номинальной функции преобразования y _ном = f _ном (x), при значении выходной величины, соответствующей истинному значению х.

Относительные погрешности по выходу и входу определяются соответственно равенствами

Приведенные погрешности по выходу и входу

где х _max и у _max — максимальные значения входной и выходной величин, а x _min и y _min- их минимальные значения.

Очевидно, при пропорциональной* функции преобразования у = Sx значения относительных погрешностей так же как и приведенных погрешностей по входу и выходу совпадают.

В технике часто используются преобразователи с линейной функцией преобразования

где S — чувствительность преобразователя; у ₀ — значение выходной величины при нулевом значении входной.

Отклонение такой функции преобразования от номинальной может быть вызвано отклонением у₀ и отклонением чувствительности S. Погрешность, обусловленная неноминальным значением выходной вели­чины при нулевом значении входной у₀, называется аддитивной. Погрешность, обусловленная неноминальным значением чувствительности S, называется мультипликативной.

Аддитивная погрешность не зависит от входной величины. При изменении у₀ вследствие каких-либо причин график функции преобразования перемещается параллельно самому себе (рис. 1.2). Значение этой погрешности

где у_0ном - номинальное значениеу₀.

При мультипликативной погрешности наклон прямой, графически отображающий функцию преобразования, отличается от наклона при номинальной функции преобразования (рис. 1.3). При этом абсолютная погрешность у = у - y _ном зависит от входной величины х.

Действительно, пусть чувствительность изменилась на Δ S и стала раной S = S _ном + Δ S, где S_ном — номинальное ее значение. В этом случае абсолютная погрешность преобразователя

т.е. абсолютная мультипликативная погрешность пропорциональна входной величине х.

Рассмотрим относительную мультипликативную погрешность при пропорциональной функции преобразования у = S _ном x:

Относительная мультипликативная погрешность равна относительному изменению чувствительности.

Погрешность измерительных средств зависит от условий проведения измерений. При этом различают основную и дополнительные погрешности. Основной погрешностью называется погрешность, существующая при так называемых нормальных условиях, которые указаны в нормативных документах, регламентирующих правила испытания и эксплуатации данного средства измерения. Например, под нормальными условиями могут пониматься: температура окружающей среды (+20 ± 2)°С; положение прибора горизонтальное с отклонением от горизонтального, не превышающем ± 2°; относительная влажность (65 ± 15)%; практическое отсутствие магнитных и электрических полей; частота питающей сети (50 ± 1) Гц и т.д.

* Хотя понятие пропорциональной функции преобразования в литературе обычно не выделяется, а входит в понятие линейной функции преобразования, на наш взгляд, такое выделение весьма полезно, поскольку свойства и характеристики преобразователя с пропорциональной функцией преобразования у = Sx отличаются от свойств преобразователя, имеющего полную линейную функцию преобразования у = у_о+ Sx.

Дополнительная погрешность возникает при отклонении условий испытания и эксплуатации средства измерения от нормальных. Она нормируется значением погрешности, вызванной отклонением одной из влияющих величин от ее нормального значения или выходом ее за пределы нормальной области значений. Например, приведенная погрешность прибора при нормальных условиях, т.е. в диапазоне температур (+20 ± 2)°С, не превышает 1%. Если температура лежит вне указанного диапазона, то погрешность может быть больше указанной. Например, приведенная дополнительная погрешность при изменении температуры на 10 ° С не должна превышать 1%.'

Нормирование погрешности средств измерения производится по максимально допускаемым значениям основной и дополнительной по­грешностей (ГОСТ 8.401-80). Погрешность средств измерения не должна превышать одного из перечисленных ниже пределов.

а) Если погрешность имеет аддитивный характер, то предел допускае­мой абсолютной погрешности не должен превышать

б) Если погрешность имеет как аддитивную, так и мультипликативную составляющую, то предел допускаемой абсолютной погрешности не должен превышать

в) Если погрешность имеет мультипликативный характер, то предел допускаемой отно

cительной погрешности не должен превышать

г) Если погрешность имеет как аддитивную, так и мультипликативную составляющие, то предел допускаемой относительной погрешности (в процентах) не должен превышать

где а, b, с и d - постоянные; x_к - конечное значение диапазона измерения. Из (1.31) следует, что при х = 0 предел абсолютной погрешности

а при х = х _к

д) Приведенная погрешность не должна превышать значения

При нормировании погрешности средства измерения постоянные а, b, с, d выбираются из следующего ряда чисел:

где п = 1; 0; -1; -2 и т.д.

Средствам измерения присваивается класс точности. Это обобщенная метрологическая характеристика, определяемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, значения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерения. Класс точности обозначается числом, соответствующим нормированной основной погрешности средства измерения. Для случая (г) класс точ­ности обозначается в виде дроби c/d, например: 0,1/0,05.

Класс точности стрелочных и самопишущих приборов, как правило, обозначается одним числом, равным максимально допускаемому значению основной приведенной погрешности с, тогда как класс точности цифровых приборов, мостов и компенсаторов указывается в виде дроби с/d.

Конкретные ряды классов точности устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерения.

Отдельными характеристиками погрешности являются вариации показаний прибора и порог чувствительности. Вариация показаний прибора - это наибольшая разность его показаний при одном и том же значении измеряемой величины. Основной ее причиной является трение в опорах подвижной части прибора. Вариацию определяют, сравнивая показания прибора, считанные один раз после установки требуемого значения измеряемой величины подходом снизу (со стороны меньших значений), а другой раз - подходом сверху (со стороны больших значений).

Порог чувствительности - это изменение измеряемой величины, вызывающее наименьшее изменение показаний, различимое при нормальном для данного прибора способе отсчета.

Собственное потребление мощности прибором из цепи, в которой производится измерение, является важной характеристикой прибора. Оно приводит к изменению электрических параметров этой цепи и от­рицательно влияет на точность измерения. Особенно сильно это проявляется при измерениях в маломощных цепях. В зависимости от устройства, конструкции и назначения прибора потребляемая им мощность может колебаться от 10^-12 Вт до нескольких ватт.