Слайд-лекция на тему: «Измерение электрических величин аналоговыми приборами. Магнитоэлектрический, электромагнитный механизмы» Магнитоэлектрический, электромагнитный механизмы» по дисциплине: «Аналоговые измерительные устройства» Старший преподаватель кафедры Измерительная техника и приборостроение Б е л и к Михаил Николаевич Специальность 5B Приборостроение

План лекции: 1. Общие сведения; 2. Классификация электроизмерительных приборов; 3. Магнитоэлектрические измерительные механизмы; 4. Электромагнитные приборы.

1 Общие сведения Электромеханические ИП основаны на преобразовании электрической энергии входного сигнала в механическую энергию углового (реже линейного) перемещения подвижной части отсчетного устройства. Электромеханические ИП используются самостоятельно, а также в качестве выходных устройств большинства электронных АИП. Большинство используемых сегодня стационарных ИП это классические аналоговые электромеханические приборы. Их метрологические и эксплуатационные характеристики вполне достаточны для решения основных задач технических измерений.

В электромеханических приборах реализованы различные физические принципы, позволяющие преобразовать значение измеряемой величины в пропорциональное отклонение (видимое перемещение) указателя (например, стрелки прибора). Структуру любого электромеханического прибора можно представить последовательным соединением входной цепи, измерительного механизма и отсчетного устройства.

У большинства измерительных механизмов перемещение подвижной части состоит в повороте относительно неподвижной оси на угол α. Отсчетное устройство состоит из указателя и шкалы и преобразует угловое перемещение подвижной части в перемещение указателя, которое выражается в делениях или в миллиметрах шкалы. Таким образом, чувствительность аналогового электро- механического измерительного прибора равна: S=S1·S2·S3 = (dy/dx)·(de/dy·(d/de), где S1= dy/dx, S2= de/dy, S2= d/de – чувствительности измерительной цепи, измерительного механизма и отсчетного устройства.

На шкалах приборов наносят условные обозначения, отражающие класс точности, принцип действия измерительного механизма, род измеряемого тока и число фаз, защищенность прибора от внешних воздействий, а также требования к условиям эксплуатации. Классы точности средств измерений обозначаются условными знаками (буквами, цифрами). Если аддитивная и мультипликативная составляющие погрешности сравнимы, то класс точности обозначается как с/d (например, 0,02/0,01).

1. Обозначение класса (например, 1,5) указывает значение основной погрешности относительно конечного значения диапазона измерений, % 1,5 2. Обозначение класса (например, 1,5) указывает значение основной погрешности в процентах от длины шкалы 1,5 3. Обозначение класса (например, 1,5) указывает значение основной погрешности в процентах от действительного значения 4. Обозначение класса (например, 1) измерительного прибора с нелинейной шкалой и длиной шкалы в качестве нормирующего значения. Однако погрешность (относительно действительною значения) внутри диапазона измерений не должна превышать значение, указанное в верхней части символа (например, предел погрешности 5 %) Обозначения класса точности прибора

1. Магнитоэлектрический с подвижной рамкой 2. Магнитоэлектрический с подвижным магнитом 3. Магнитоэлектрический логометр 4. Электромагнитный 5. Электродинамический 6. Электростатический 7. Индукционный Обозначения принципа действия прибора

1. Горизонтальное положение шкалы 2. Вертикальное положение шкалы 3. Наклонное положение шкалы под углом к горизонту Обозначения положения прибора Обозначения тока 1. Постоянный 2. Переменный однофазный 3. Переменный трехфазный 4. Постоянный и переменный

Обозначения прочности изоляции 1. Измерительная цепь изолирована от корпуса и испытана напряжением, превышающим 500 В, например 2 кВ 2. Измерительная цепь изолирована от корпуса и испытана напряжением 500 В 3. Прибор испытанию прочности изоляции не подлежит 0 4. Осторожно! Прочность изоляции измерительной цепи по отношению к корпусу не соответствует нормам (знак красного цвета)

Обозначение требований к условиям эксплуатации 1. Наличие зашиты от влияния внешнего магнитного поля 2. Наличие защиты от влияния внешнего электрического поля 3. Нормальные климатические условия эксплуатации: t = (20±5) 0 С., влажность (60±15)%, давление (750± 30) мм рт.ст. А 4. Прибор предназначен для работы в неотапливаемых помещениях Б (Б 1,Б 2,Б 3 ) 5. Прибор предназначен для работа в полевых и морских условиях В (В 1,В 2,В 3 ) 6. Прибор предназначен для работы в условиях тропического климата Т 7. Внимание! Смотрите дополнительные указания в паспорте

2 Классификация электроизмерительных приборов Электроизмерительные приборы различаются по следующим признакам: - по роду измеряемой величины; - по роду тока; - по степени точности; - по принципу действия; - по способу получения отсчета; - по характеру применения.

Электроизмерительные приборы можно также отличать: - по способу монтирования; - по способу защиты от внешних магнитных или электрических полей; - по выносливости в отношении перегрузок; - по пригодности к применению при различных температурах; - по габаритным размерам; - и другим признакам.

Электроизмерительные приборы применяют- ся для измерения: - тока амперметр; - напряжения вольтметр; - электрического сопротивления омметр, мосты сопротивлений; - мощности ват­тметр; - электрической энергии счетчик; - частоты перемен­ного тока частотомер; - коэффициента мощности фа­зометр. По роду тока приборы делятся на приборы постоянного тока, приборы переменного тока и приборы постоянного и переменного тока.

По степени точности приборы делятся на восемь классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5 и 4. Цифры указывают значение допустимой приведенной погрешности в процентах. По принципу действия: - магнитоэлектрические; - электромагнитные; - электродинамические (ферромагнитные); - индукционные; - электростатические. По способу получения отсчета приборы могут быть с непосредственным отсчётом и самозаписывающие. По характеру применения приборы делятся на стационарные, переносные и для подвижных установок.

3 Магнитоэлектрические измерительные механизмы В магнитоэлектрических измерительных механизмах вращающий момент создается в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля проводника с током, выполняемого обычно в виде катушки-рамки. Существуют два основных типа приборов магнитоэлектрической системы: приборы с подвижной катушкой (подвижной рамкой) и приборы с подвижным магнитом, причем первые применяются значительно чаще, чем вторые. Наиболее распространены ИМ с подвижной рамкой и внешним магнитом (рис. 5.5). ИМ состоит из внешнего магнита!, магнитопровода 3 и цилиндрического сердечника 6. Внешнии магнит изготовляют из магнитотвердого, а цилиндрический сердечник из магнитомягкого материалов. В воздушном зазоре между по- лесными наконечниками магнита и подвижным цилиндрическим сердечником создается практически равномерное радиальное магнитное поле. В воздушном зазоре помещается рамка 5 из тонкого изолированного медного провода, намотанного на лег- кий бумажный или алюминиевый каркас прямоугольной формы. К рамке с двух сторон приклеивают алюминиевые буксы, в которых закрепляют полуоси или растяжки. Рамка может поворачиваться вместе с осью и стрелкой 2 вокруг цилиндрического сердечника. Измеряемый ток I пропускают в обмотку рамки через две спиральные пружины 7, создающие противодействующие момент. Для уравновешивания подвижной части служат противовесы грузики 4. Алюминиевая стрелка и шкала образуют от счетное устройство.

В магнитоэлектрическом механизме с подвижной катушкой, последняя установлена на опорах и может поворачиваться в воздушном зазоре магнитной цепи постоянного магнита 1. Магнитную цепь измерительного механизма образуют магнитопровод 2, полюсные наконечники 3 и цилиндрический сердечник 4, которые изготовляются из магнитно-мягкого материала. На подвижную катушку намотана рамка 5, состоящая из нескольких витков w. По рамке протекает ток I, пропорциональный измеряемому напряжению.

Угол между направлениями вектора магнитной индукции В в воздушном зазоре и тока I в активной части проводников (длинная сторона рамки) длиной l по­движной катушки равен 90°. Следовательно, на каждый из проводников действует электромагнитная сила F = В·I·l, F = В·I·l, а на подвижную часть механизма вращающий момент М вр = 2F·w·d/2 = w·l·B·I·d = w·S·B·I = k вр ·I, где d диаметр каркаса катушки с числом витков w и площадью по­перечного сечения S = l·d ; к вр = w·S·d - коэффициент пропорциональности.

Противодействующий момент, создаваемый спиральными пружинами, прямо пропорционален углу закручивания α, т. е. М пр = k пр · α. Угол поворота катушки при равенстве моментов М вр = М пр прямо пропорционален измеряемому току: М вр = М пр, k вр ·I = k пр ·α, I = k пр ·α/k вр = С пр ·α, I = k пр ·α/k вр = С пр ·α, где С пр - постоянная прибора ("цена деления").

1 - корректор для установки стрелки на нулевую отметку шкалы при отсутствии тока в рамке; 2 - поводок корректора; 3 - спиральная пружина для создания противодействующего момента Мпр; 4 - грузики для совмещения центра тяжести с осью вращения. Конструкция подвижной части электроизмерительного прибора с корректором

Одним из условий, предъявляемых к прибору, является быстрое успокоение его подвижной части, достигаемое применением специальных приспособлений - успокоителей. Воздушный успокоитель использует механическое сопротивление среды (воздух, масло) при перемещении квадратного лепестка внутри короба

Действие магнито индукционного успокоителя (электромагнитного тормоза) основано на взаимодействии постоянного магнита и вихревых токов, индуцированных магнитным полем в алюминиевом диске при колебаниях стрелки. В большинстве конструкций приборов с магнитоэлектрической измерительной системой в качестве успокоителя используется именно магнитоиндукционный успокоитель, т.к. каркас, на который наматывается рамка обычно изготавливают из алюминия.

-Высокая чувствительность (ИМ обладает сильным собственным магнитным полем, поэтому даже при малых токах создается достаточный вращающий момент); -большая точность (из-за высокой стабильности элементов ИМ, незначительного влияния внешних магнитных нолей); -незначительное влияние на режим измеряемой цепи, так как мощность потребления ИМ мала; -хорошее успокоение; -равномерность шкалы. Достоинства магнитоэлектрических ИМ:

-сложность изготовления; -плохая перегрузочная способность, обусловленная легким перегревом пружин и изменением их свойств; -температурные влияния на точность измерения. Недостатки магнитоэлектрических ИМ:

Магнитоэлектрические ИМ применяют: в многопредельных, широкодиапазонных магнитоэлектрических амперметрах, вольтметрах для непосредственных измерений в цепях постоянного тока;в многопредельных, широкодиапазонных магнитоэлектрических амперметрах, вольтметрах для непосредственных измерений в цепях постоянного тока; в светолучевых осциллографах (вибраторах) при наблюдении и записи мгновенных значений тока, напряжения, мощности, с частотой от единиц герц до к Гц, а также различных неэлектрических величин, преобразованных в электрические;в светолучевых осциллографах (вибраторах) при наблюдении и записи мгновенных значений тока, напряжения, мощности, с частотой от единиц герц до к Гц, а также различных неэлектрических величин, преобразованных в электрические; в аналоговых омметрах, электронных вольтметрах, термоэлектрических амперметрах, вольтметрах, электронных частотомерах, фазометрах;в аналоговых омметрах, электронных вольтметрах, термоэлектрических амперметрах, вольтметрах, электронных частотомерах, фазометрах;

в гальванометрах - высокочувствительных измерительных приборах с неградуированной шкалой как для непосредственных измерений малых электрических токов А, напряжений менее В, зарядов, так и для обнаружения тока или напряжения в разнообразных мостовых и компенсационных цепях;в гальванометрах - высокочувствительных измерительных приборах с неградуированной шкалой как для непосредственных измерений малых электрических токов А, напряжений менее В, зарядов, так и для обнаружения тока или напряжения в разнообразных мостовых и компенсационных цепях; в комбинированных аналоговых вольтметрах, в которых магнитоэлектрические ИМ совместно с выпрямительными преобразователями используются при измерениях переменного тока, напряжения;в комбинированных аналоговых вольтметрах, в которых магнитоэлектрические ИМ совместно с выпрямительными преобразователями используются при измерениях переменного тока, напряжения; в логометрах (двухрамочных механизмах), используемых в омметрах, частотомерах и т. д.в логометрах (двухрамочных механизмах), используемых в омметрах, частотомерах и т. д.

4 Электромагнитные измерительные приборы Электромагнитные измерительные приборы работают на принципе взаимодействия магнитного поля, создаваемого измеряемым током, с сердечником из ферромагнитного материала, помещенным в поле и являющимся подвижной частью прибора. По конструкции электромагнитные приборы делятся на два типа: приборы с плоской катушкой и приборы с круглой катушкой.

Обмотка прибора представ- ляет собой плоскую катушку 1 со щелью. Обмотка катушки выполняется из тонкой (диаметр 0,050,1 мм) медной проволоки с большим числом витков ( ). Обмотка амперметров на токи до 30А изготовляется из небольшого числа витков толстой проволоки. На токи до 200А обмотка выполняется из медной ленты или в виде одного шинного витка (на токи А). Второй основной частью является сердечник из ферромагнитного материала (например, пермаллоя) в форме листка 2, укрепленного эксцентрично на оси прибора 3.

При прохождении тока возникает магнитное поле, которое втягивает сердечник в щель катушки тем больше, чем больший ток протекает по виткам катушки. Укрепленная на оси стрелка 4 отклоняется по шкале 5. Противодействующий момент создается спиральной пружиной 6, связанной одним концом с осью, а другим концом с неподвижной частью прибора. Для успокоения электромагнитных приборов применяются воздушные успокоители 7. Изменение величины тока в катушке вызывает непропорциональное изменение угла поворота стрелки, поскольку вращающий момент, действующий на подвижную систему, зависит от квадрата тока. Поэтому шкала электромагнитного прибора неравномерна.

Энергия магнитного поля катушки с индуктивностью L равна W м =L·I 2 /2, можно выразить вращающий момент: M вр =F·R=dW м /de =(I 2 /2)·(dL/de). Повороту сердечника противодействует спиральная пружина, создающая момент силы: М пр =k·α, где k - жесткость пружины. При достижении равновесия - М вр = М пр. Угол поворота: α=(I 2 /2k)·(dL/de). Величина dL/de = f(α) сильно зависит от формы сердечника.

Если в пределах поворота сердечника dL/de = = const, угол поворота подвижной системы: Если в пределах поворота сердечника dL/de = = const, угол поворота подвижной системы: α=с·I 2, где c = (1/2k)·(dL/de). Полученный результат показывает, что шкала электромагнитного прибора неравномерная. Она должна быть квадратичной, то есть сжатой в начале и растянутой в конце. Однако, варьируя формой сердечника и его расположением в щели катушки (что приводит к изменению множителя dL/de), можно существенно улучшить характер шкалы, сделав ее практически равномерной в рабочей части Полученный результат показывает, что шкала электромагнитного прибора неравномерная. Она должна быть квадратичной, то есть сжатой в начале и растянутой в конце. Однако, варьируя формой сердечника и его расположением в щели катушки (что приводит к изменению множителя dL/de), можно существенно улучшить характер шкалы, сделав ее практически равномерной в рабочей части

Достоинства электромагнитных прибо- ров: - простота и надежность; - хорошая перегрузочная способность; - одинаковая пригодность для измерений в цепях постоянного и переменного токов; - невысокая стоимость. Недостатки: - большое собственное потребление энергии; - невысокая точность (при измерениях в цепях постоянного тока сказывается явление гистерезиса в ферромагнитном лепестке); - малая чувствительность; - влияние внешних магнитных полей из-за слабого собственного магнитного поля.

Применение электромагнитных при- боров: - в качестве измерителей тока и напряжения преимущественно в цепях переменного тока промышленной частоты в виде щитовых приборов классов 1,0 и 1,5 и многопредельных лабораторных классов 0,5 и 1,0. - в качестве измерителей тока и напряжения преимущественно в цепях переменного тока промышленной частоты в виде щитовых приборов классов 1,0 и 1,5 и многопредельных лабораторных классов 0,5 и 1,0. Использование их в цепях повышенной и высокой частот недопустимо из-за больших дополнительных частотных погрешностей.

Рекомендуемая литература 1. Приборы и методы измерения электрических величин: учебное пособие/ Э. Г. Атамалян. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Дрофа, с.: ил. 2. Метрология, стандартизация и технические средства измерений: учебник для студентов вузов / Д. Ф. Тартаковский, А. С. Ястребов; - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Высшая школа, с. 3. Методы и средства измерений: учебник для студентов вузов / Г. Г. Раннев, А. П. Тарасенко. - 5-е изд., стер. - М. : ACADEMIA, с.: ил. 4. Аналоговые электроизмерительные приборы: Учебное пособие для вузов по специальности "Информационно- измерительная техника" /Бишард Е.Г. и др. –2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, – 415 с. 5. Гуржий А.Н. Электрические и радиотехнические измерения: учебное пособие / А.Н. Гуржий, Н.И. Поворознюк. – М.: Академия, – 272 с. 6. Электрические измерения : учебник / В. А. Панфилов. - 3-е изд., испр. - М. : Изд. центр "Академия", с.: ил.

Задания для СРС 1. Перечислить основные системы электромеханических приборов и дайте сравнительные характеристики по параметрам. 2. Объясните, какие элементы содержат аналоговые измерительные приборы? Каковы их функции и характеристики? Почему величина противодействующего момента должна зависеть от угла поворота подвижной части механизма? 4. Каково отличие диапазона показаний прибора и диапазона измерений? 5. Какими параметрами определяется величина отклонения подвижной части прибора магнитоэлектрической системы? 6. Почему магнитоэлектрический механизм работоспособен только на постоянном токе? 7. Поясните, почему приборы магнитоэлектрической системы обладают высокой чувствительностью и точностью? Подвержены ли эти приборы сильному влиянию внешних полей? 8. Объясните принцип действия приборов электромагнитной системы. Где эти приборы следует применять? 9. Что такое логометр? Каковы особенности конструкции логометра? 10. Для измерения каких физических величин, используются логометры?