1. Структурная схема электромеханических приборов.
2. Моменты, действующие на подвижную часть прибора.
3. Качественные показатели измерительных электромеханических приборов.
Независимо от назначения, устройства и принципа действия электромеханические показывающие приборы непосредственной оценки состоят из измерительной цепи (преобразования) и измерительного механизма.
Структурная схема электромеханического прибора
Непосредственной оценки
Измерительная цепь прибора является преобразователем измеряемой величины Аиз в некоторую промежуточную электрическую величину У, функционально связанную с величиной Аиз. промежуточной величиной У в приборах бывает ток (напряжение) в первой или второй степени, произведение, двух токов или тока и напряжения.
Измерительная цепь состоит из различных соединений активных и реактивных сопротивлений, выпрямителей, термотары и др. элементов в зависимости от характера преобразования. Включение в измерительную цепь делителя или шунта позволяет осуществить количественное преобразование, а включение выпрямительного, термоэлектрического, электронного преобразователя – качественное преобразование (например, переход тока в постоянный). Различные измерительные цепи позволяют использовать один и тот же измерительный механизм при измерении разнородных величин или величин, меняющихся в широких пределах.
Измерительный механизм является основной частью прибора и служит для преобразования электромагнитной энергии величины У, в механическую энергию, необходимую для углового перемещения α его подвижной частью относительно неподвижной, т. е. α = F (Y) = F (AИз)
Моменты действующие на подвижную часть прибора.
А) Вращающий и противодействующий моменты.
В измерительном механизме электрическая энергия преобразуется в механическую энергию перемещения подвижной части. Обычно применяется угловое перемещение, поэтому в дальнейшем будут рассматриваться не силы, действующие в приборе, а моменты.
Момент, возникающий в приборе под действием измеряемой величины и поворачивающий подвижную часть в сторону возрастающих показаний, называется вращающим моментом М. Он должен однозначно определятся измеряемой величиной Аиз и в общем случае может зависеть также от угла поворота подвижной части α, т. е.
М = F (AИз,α)
Для электромеханических приборов может быть написано общее выражение вращающего момента, вытекающее из уравнений Лагранжа второго рода, являющихся общими уравнениями динамики системы:
М = DWe/Dα,
где We – энергия электромагнитного поля, сосредоточенная в измерительном механизме.
По способу создания вращающего момента или, другими словами, по способу преобразования электромагнитной энергии, проводимой к прибору, в механическую энергию перемещения подвижной части электромеханические приборы разделяются на следующие основные группы: Магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, индукционные.
Однако, если бы повороту подвижной части ничто не препятствовало, то она при любом значении измеряемой величины, отличным от нуля, повернулась бы до упора.
Для того, чтобы каждому значению измеряемой величины соответствовал определенный угол поворота подвижной части, в приборе при повороте подвижной части создается Противодействующий момент Мпр, направленный на встречу вращающему и зависящий от угла поворота.
По способу создания противодействующего момента приборы делятся на две группы:
а) С механическим противодействующим моментом;
б) С электрическим противодействующим моментом – логометры.
В первой группе приборов Мпр создается обычно с помощью упругих элементов (спиральных пружинок или тонких нитей – растяжек и подвесов), которые при повороте подвижной части закручиваются. При этом
Мпр = W·α,
Где W — удельный противодействующий момент, зависящий только от свойств упругого элемента.
При установившемся равновесии вращающий противодействующий моменты равны между собой, т. е.
М = Мпр.
Зная аналитические выражения для моментов, из последнего уравнения можно найти зависимость угла поворота подвижной частью от измеряемой величины и параметров прибора.
α = F (AИз, K),
Где k – параметры прибора.
Б) Устанавливающий и удельный устанавливающий моменты.
Как указывалось выше, в равновесие подвижной части определяется равенством действующих на нее моментов: М = Мпр.
Если отвести механически подвижную часть из положения равновесия αс на некоторый угол Δα, то при этом возникнет момент, стремящийся вернуть систему в положение равновесия.
Этот момент называется устанавливающим.
Он равен: Му=М-Мпр
Мпр- противодействующий момент;
М – вращающий момент;
Му – устанавлюющий момент;
αс – положение равновесия.
Знак Му зависит от того, в какую строну, направлено смещение. Му всегда направлен в сторону большего. В общем случае Му зависит от значений αс и Δα поэтому не удобен для характеристики свойств прибора.
Более удобен в этом отношении удельный устанавливающий момент, который представляет собой производную от устанавливающего момента по углу отклонения подвижной части.
М`Y = DMy/Dα = D (M-Мпр)/Dα = DM/Dα—DMПр/Dα,
т. е. в масштабе осей: Му’ = Tgφ + Tgψ
В простейшем случае при М = F (α) = Const и Мпр = W·α, Что имеет место в МЭ приборах Tgψ = 0;
Tgφ = Const, My’ = Tgφ = Const, Т. е. он неизменен по всей шкале.
Для данного случая:
DM/Dα = 0; DMПр/Dα = W; My’ = —W.
В общем случае для каждой точки шкалы Мy’ может иметь разные значения.
Мy’ не равен нулю при статическом равновесии подвижной части и не зависит от величины отклонения подвижной части от положения равновесия.
Его можно определить для каждого угла поворота подвижной части.
Величина МY’ характеризует механические свойства прибора вблизи положения равновесия.
Чем больше МY’, тем точнее подвижная часть устанавливается в положение равновесия.
Приведенные рассуждения даны без учета сил трения.
В) Момент трения и механическая добротность.
В приборах с установкой подвижной части на кернах вследствие трения между кернами и подпятниками возникает так называемый Момент трения, направленный всегда навстречу движению подвижной части.
Мтр зависит от материала и размеров кернов, а так же от состояния трущихся поверхностей и от веса подвижной части.
Мтр = K· G1.5,
где k – коэффициент пропорциональности
Действие момента трения проявляется в том, что при выведении подвижной части из положения равновесия она не возвращается в прежнее состояние (точка αс), обусловленное равенством моментов М и Мпр, а остановится немного раньше в точке α, (при возрастании измеряемой величины), отстоящей от точки действительного равновесия (αс) на небольшой угол αтр, называемый Углом трения.
Положение точек α, и α2 определяется равенством Мтр = М-Мпр = Му между моментом трения и устанавливающим моментом.
Так как Мтр очень мал, то мал и угол трения αтр и можно считать, что
МY’ = My/αТр, Откуда МY’ – устанавливающий момент;
Му = МY’·αТр Или Мтр = МY’·αТр. Му – удельный устанавливающийся Отсюда момент;
Угол трения характеризует собой погрешность от трения, т. е. качества опор.
Он тем меньше, чем меньше Мтр и чем больше М`y.
Приведенная погрешность от трения:
γтр = αтр/αН = Мтр/МY’·αH, Где αН – Отклонение подвижной части соответствующее верхнему пределу измерений по шкале прибора.
Так как αтр не постоянен, в практике приборостроения используется величина обратная приведенной погрешности от трения, называется теоретическим коэффициентом добротности.
Kg = 1/γТр = My’·αH/MТр = МY’·αH/KG1.5.
Для практических расчетов эту формулу представляют в более простом виде:
Kg = 10 Mgo/G1.5 – Практический коэффициент механической добротности.
Желательно иметь больший Kg, так как при этом погрешности от трения меньше.
Качественные показатели электрических измерительных приборов.
Наиболее важными качественными показателями мер и электрических измерительных приборов являются:
Погрешность, чувствительность, стабильность, устойчивость к влияниям внешних факторов; собственное потребление; перегрузочная способность; изоляция токоведущих частей; механическая добротность; вариация показаний; время успокоения.
Точность. Показание любого измерительного прибора в силу ряда причин всегда несколько отличается от истинного значения измеряемой величины, т. е. прибор обладает некоторой погрешностью.
Точность – это качество средств измерений, характеризующее близость к нулю его погрешностей.
Погрешность показаний прибора является его основной характеристикой и определяет степень приближения его показаний к истинному значению измеряемой величины.
Различают следующие виды погрешностей измерительных приборов:
а) Абсолютная погрешность – Это разность между показанием прибора и действительным значением измеряемой величины.
ΔАпр = Апр-АG (ΔХпр = Хпр-ХG).
Абсолютная погрешность прибора выражается в единицах измеряемой величины.
За действительное значение измеряемой величины принимают значения, полученное по наиболее точным, образцовым приборам.
Величина обратная по знаку абсолютной погрешности называется поправкой δ = -ΔА = Аg-Апр.
Абсолютная погрешность недостаточно характеризует точность прибора. Амперметры на 10А и на 1А, имеющие абсолютную погрешность ΔА = 0,01А, не могут быть признаны одинаково точными.
Более полное представление о точности прибора дает относительная погрешность.
б) Относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности прибора к действительному значению измеряемой величины.
β = ΔАпр/АG * 100% (β = ΔХпр /ХG).
Однако относительная погрешность характеризует точность прибора только в данной точки его шкалы. Она имеет максимальное значение в начале шкалы (при ΔА = const) и минимальное в конце шкалы.
Для характеристики точности измерительного прибора по всей шкале введено понятие приведенной погрешности прибора.
в) Приведенной погрешностью Прибора называется выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности прибора к нормирующему значению.
Нормирующее значение – Это условно принятое значение, могущее быть равным:
1. Для приборов с нулем на краю и вне шкалы – конечному значению диапазона измерений. (Верхнему пределу измерений).
2. Для приборов, измеряющих величины, имеющие номинальное значение – этому номинальному значению. (Диапазону измерений).
3. Для приборов с двухсторонней шкалой – арифметической сумме конечных значений диапазона измерений. (Длине шкалы).
По допустимому значению приведенной погрешности все электрические измерительные приборы делятся на Классы точности.
Согласно ГОСТ 1845 – 59 по степени точности показывающие приборы непосредственного отчета делятся на 8 классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.
В зависимости от того идет ли речь о точности самого электрического измерительного прибора или об изменении этой точности под влиянием внешних факторов, различают:
а) Основную погрешность – т. е. погрешность, которая присуща прибору при нормальных условиях его работы, вследствие несовершенства его конструкции и исполнения (причины – трение в опорах, неточность градуировки и вычерчивания шкалы и т. п.).
б) Дополнительные погрешности – погрешности, обусловленные влиянием на показания прибора изменения различных внешних факторов (температуры, магнитных полей и т. д.).
Дополнительные погрешности зависят от системы прибора, его параметров, совершенства конструкции и исполнения.
A — +10÷35ºСφ до 80%
Б — -30÷+40ºСφ до 90%
В1- -40÷+50ºСφ до 95%
В2 —50÷+60ºСφ до 95%
В3 — -50÷+80ºСφдо 98%
Нормальные значения влияющих величин.
Классы точности
Влияющие величины |
0,05 – 0,5 | 1,0 – 4,0 | |
| Рабочее положение | ±10 | ±20 | |
| Темпер. окружающейСреды | ±20 | ±50 | |
| Напряжение сети | ±2% | ±2% | |
| Частота | ±2% | ±2% |
Чувствительность— это отношение изменения сигнала на выходе измеряемого прибора к вызвавшему его изменение измеряемой величины. Линейного или углового перемещения указателя к изменению измеряемой величины, вызывавшему это перемещение.
S=Δα/Δx,
где Δα – изменение углового перемещения указателя.
Δx – изменение измеряемой величины.
Различают чувствительность по току SI и чувствительность по напряжению Su.
Для приборов с неравномерной шкалой чувствительность определяют для каждой точки шкалы как предел отношения изменения углового перемещения указателя к изменению измеряемой величины когда последнее стремится к нулю:
S=|limΔα/Δx|Δx→0=dα/dx.
Для приборов с равномерной шкалой чувствительность постоянная по всей шкале и равная:
S=α/x
Размерность чувствительности: мм/А; мм/В; дел/А; дел/В; и т. д. Различают и чувствительность относительную:
S0=Δα/Δx/x, дел/% (для мостов и потенциометров)
Не следует путать чувствительность и порог чувствительности.
Порог чувствительности – это наименьшее значение измеряемой величины, вызывающее заметное отклонение указателя (0,5 дел. шкалы).
Чувствительность и точность прибора понятие противоречивые.
Для гальванометров, являющихся самыми чувствительными приборами точность не нормируется.
Если «точность» нормируется, то этот прибор должен быть прибором очень чувствительным. А чувствительный прибор не обязательно является точным.
Постоянная прибора – это число, на которое должен быть умножен отсчет, чтобы получить значение измеряемой величины. Постоянная прибора величина обратная чувствительности. Другое название – цена деления.
С = 1/S = Dx/Dα.
Вариация показаний – это наибольшая разность между отдельными повторными показаниями прибора соответствующими одному и тому же действительному значению измеряемой величины, при неизменных внешних условиях.
Причиной возникновения вариации может быть трение в опорах подвижной части.
Величина ее нормируется классом точности прибора.
Время успокоения – это промежуток времени, прошедший с момента изменения измеряемой величины до момента, когда стрелка прибора не удаляется от окончательного положения равновесия более, чем на 1% длины шкалы. Согласно ГОСТ 1845 – 54 время успокоения для большинства типов приборов не должно превышать 4 с. ty ≤ 4 с.
Для приборов электрически статического т термоэлектрического ty ≤ 6 c.
Надежность. Основным критерием надежности прибора является среднее время его безотказной работы, определяемое отношением:
Тср=Σt/n,
где t – время без отказной работы прибора;
n – число отказов.