Состоят из 3 узлов:

1. Измерительная цепь (ИЦ)
2. Измерительный механизм (ИМ)
3. Отсчётное устройство (ОУ)

ИЦ – служит для преобразования измеряемой величины в другую, непосредственно воздействующую на измерительный механизм (это количественные преобразования или качественные)

В ИМ – электрическая  энергия преобразуется в механическую.

Большинство приборов использует угловое перемещение Þ при анализе рассматриваются моменты, действующие на подвижную часть.

Моменты, действующие  в ИМ, делятся на: статические  и динамические.

Статический –  действует в механизме всегда при наличии измеряемой величины.

Динамические  – действуют на подвижную часть только во время её движения.

  Статические:

1. Вращающий момент.
2. Противодействующий

       Вращающий – возникающий в  ИМ под действием измеряемой  величины, поворачивающий подвижную  часть в сторону возрастающих  показаний.

M=F(x,a), где a - угол отклонения, x – измеряемая величина,  F – функция от x и a.

M=dW_э/da, где W_э – электрокинетическая энергия. (обобщённое выражение вращающего момента)

Если бы повороту подвижной части ничто не препятствовало бы, то при любом изменении измеряемой величины, отличном от нуля, подвижная часть отклонилась бы до упора.

Для того чтобы  угол отклонения a зависел от измеряемой величины в механизме создаётся противодействующий момент, зависящий от a-M_пр=F(a)

По способу  создания противодействующего момента (М_пр) приборы делятся на 2 вида:

           А) С механическим противодействием

           Б) С электрическим.

Для создания мех. противодействия момента используются упругие элементы 3 видов:

1. Спиральные пружины

    Середина укрепляется, как и  

    второй конец. 
 
 
 

2. Растяжки

На 2-х упругих  нитях (более чувствительно) 
 
 
 
 

3. Подвес

   Одна нить (ещё более чувствительно)

       
 

Во всех случаях  М_пр пропорционален a: М_пр=-Wa,   W – удельный противодействующий момент.  «-» - так как в другую сторону.

В приборах с электрическим противодействующим моментом он создаётся также, как и вращающий:  M=dW_э/da

При равенстве  моментов М и М_пр – динамическое равновесие, так что:

М+М_пр=0

Во время движения подвижной части действуют два  динамических момента:

1. Момент сил инерции (М_Y)
2. Момент успокоения (М_р)

(условие ускорения)

(т. к. подвижная  часть имеет массу)

          р  – коэффициент успокоения (трение о среду, или эл.-индукционное торможение)

(угловая скорость)   

Уравнение движения подвижной части.

 Дифференциальное уравнение  второго порядка с постоянными  коэффициентами и правой частью.

Преобразуем в  уравнение операторной формы: введём оператор p:

Найдем передаточную функцию измерительного механизма: (выход - a, вход -  М)

  Заменив P®(jω) получим АЧХ:

q=ω/ω₀, где ω – круговая частота вращаемого момента (измеряемой величины). 

- круговая частота собственных колебаний подвижной части.

, b - степень успокоения подвижной части.

Почти для всех приборов b<1:

В настоящее  время – 6 типов ИМ – 6 типов эл.-мех. приборов:

1. Магнитоэлектрические    (постоянный магнит и катушка с током )                                               (взаимодействуют поля)
2. Электромагнитные:

Катушка с током  и сердечник из ферромагнетика  

3. Электродинамические:

Взаимодействие 2-х катушек с током           ;   (две подвижных).

4. Ферродинамические:

(как и динамические, но имеет сердечник:                                        ) 

5. Электростатические:

(заряженные  пластины)  
 

6. Индукционные: (счётчик)

 

Магнитоэлектрические  приборы:

Существует два  типа:

1. С подвижной катушкой
2. С подвижным магнитом

Основными узлами магнитоэлектрического измерительного механизма является магнитная система и подвижная часть

    1 – постоянный  магнит

                        2 – магнито-провод

3 –  полюсные наконечники с цилиндрической                                       расточкой.

4 –  цилиндрический сердечник. 
 
 
 
 
 

Магнит –  источник магнитного поля и выполняется  из жёсткомагнитного материала (Более  широкий диапазон Н у петли  гистерезиса)

2, 3, 4 –из мягкомагнитного  материала (более узкая петля) 

Расстояние между  сердечником и полюсным наконечником по R 1-2 мм.

Катушка из меди (иногда алюминиевая) провод: 0.03-0.2мм.

Они бывают каркасными (из алюминия) и бескаркасными катушками. Используется магнитоиндукционное  успокоение, но без специальных успокоителей. Оно создаётся за счёт возникновения  вихревых токов при Dy.

Для увеличения успокоения на катушку наматывается короткозамкнутые витки, не участвующие  в создании вращающего момента.

Цилиндрическая  расточка полюсных наконечников и цилиндрический сердечник позволяет получать в  рабочем зазоре равномерное радиальное поле, так, что индукция в зазоре B=const, не зависящая от a.

Вращающий момент ÞM=dω_э/da.

В нашем случае энергия – это:W_э=W_{магнита}+W_{катушки}+W_{взаим. полей}

W_вз=yi, y-потокосцепление (поток сцепляется с катушкой) зависит от a.

y=Fv,  v- число витков.

y=vBSa Þ M=vBSi, i-ток.

В – индукция в зазоре.

S – площадь катушки.

Если i – переменная; i=ImSin(ωt), то мгновенное значение вращающего момента

M_t=BSvImSin(ωt). 

Лекция №7

 

У обыкновенных Измерительных механизмов собственная  частота равна ω₀=6,28рад/с (f₀=1Гц).

На частоте  f=50Гц коэффициент передачи будет равен нулю – работать не будет. Эти приборы работают только на постоянном токе (т. к. после 10Гц отклонений уже не видно, т. к. стрелка не может колебаться так быстро)

На постоянном токе:

M=BSvI

M_пр=Wa

Þ             S – площадь катушки

                     v - ветки в катушке.

                   W – удельный против. момент.

Выводы: 1. Прибор работает только на постоянном токе Þ необходимо соблюдать полярность.

2. Шкала –  равномерная

- чувствительность току.

Достоинства и  недостатки:

Д.: 1. Относятся  к наиболее точным приборам, вплоть до класса 0.1 (приведённая погрешность  не более 0.1%). Разность объясняется  равномерной шкалой.

2. Малые влияния  внешних магнитных полей, т.  к. сильно собственное поле – несколько десятых тесла (а в природе не бывает 2.1 тесла); кожух- экран, магнитопровод- экран.

3. Возможная  высокая чувствительность.

Например: по току 10⁸-10¹⁰дел/А- очень малая величина.

4. Малое собственное  потребление мощности (энергии).

5. Не влияют  электрические поля. 

Недостатки: 1. Малая  перегрузочная способность (после  зашкаливания прибор сразу сгорает  – сгорают подводы: пружины, растяжки; но если их делать толще – чувствительность теряется).

2. Возможность  применения только в цепях постоянного тока.

3. Относительно  сложная и дорогая конструкция. 

Магнитоэлектрические  амперметры и вольтметры.

 В амперметрах  измерительный механизм включается  непосредственно в цепь или  с помощью шунта. 
 

а) Включение  катушки в цепь.

I£30мА

    

б) с шунтом: I>30мА 
 
 
 

Пример:

  
 
 
 
 
 

Шунт потому, что при возрастающем токе токоподводы  будут нагреваться и изменять свои характеристики ® для этого и шунт – чтобы избежать этого.

 

                        

Если: I=10A, I_k=0.03A, I_ω=9.97A.

Шунт всегда из манганина – сплав. Его особенность: 1. Нулевой температурный коэффициент. 2. Высокое удельное сопротивление: при заданном сопротивлении шунта – размер его меньше.

Основная погрешность  этих приборов – температурная погрешность. 

Влияние температуры на магнитоэлектрические измерительного механизма.

1. При повышении температуры, пружина создающая противодействующий момент, стремится раскрутиться. Для компенсации этого устанавливают две пружины с разным направлением витков.
2. Пружины ослабевают на 0.2-0,4% на каждые10^оС.
3. Магнитный поток постоянного магнита уменьшается: 0,2-0,4% на 10^оС.