Лекція 1.

4 Електромеханічні прилади прямого перетворення

Якщо покази ВП відображаються у вигляді переміщення стрілки, то прилад називається електромеханічним. Якщо у вигляді цифр на індикаторі – то електронним або цифровим.

Схема електромеханічного аналогового приладу на Рис 6.б.

Вимірювальне коло перетворює вимірювану величину Хвим в електричну величину Х1, що безпосередньо впливає на вимірювальний механізм.

Вимірювальний механізм (ВМ) – перетворює електричну енергію в механічну енергію переміщення вказівника. Під дією вимірюваної величини Х1 створюється обертовий момент М_ОБ, що повертає рухому частину ВМ на кут α. електромагнітна енергія перетворюється в механічну енергію переміщення рухомої частини ВМ. Обертовий момент, що залежить від вимірюваної величини Х і кута повороту знаходиться як

М_ОБ = dW_e /da,

де We - енергія електромагнітного поля, зосереджена у вимірювальному механізмі.

Для того, щоб кожному значенню вимірюваної величини відповідало певне значення кута відхилення α рухомої частини, у ВМ необхідно створити протидіючий момент М_ПР, який направлений назустріч обертовому моменту і пропорційний до кута повороту. Протидіючий момент може створюватися механічним способом (пружинами, розтяжками), або самою вимірюваною величиною логометри. При механічному створенні протидіючого моменту М_ПР = Wα, де W - питомий протидіючий момент. З умови сталої рівноваги

М_ОБ = М_ПР dWe /dα = Wα

отже, кут повороту рухомої частини залежить від вимірюваної величини і параметрів приладу

a = F(X, A)= [dWe /dα]/ W

де А - параметри вимірювального механізму.

Це рівняння називається рівнянням перетворення вимірювального механізму електромеханічного приладу.

Механізми, в яких протидіючий момент створюється вимірюваною величиною, називаються логометрами.

Відліковий пристрій служить для візуального відліку значень вимірюваної величини і складається з шкали і покажчика.

При роботі електромеханічного приладу, окрім обертаючого і протидіючого моментів, виникають моменти, зумовлені інерцією, опором середовища, вихровими струмами (стрілка шкали коливається біля значення). Під дією цих моментів рухома частина буде переміщуватися, доки не наступить рівність обертального і протидіючого моментів, час необхідний для цього називається час заспокоєння. Для забезпечення необхідного часу заспокоєння в аналогових приладах використовують пристрої, що створюють заспокоюючий момент - заспокоювачі. У електромеханічних приладах застосовують повітряні, рідинні і магнітоіндукційні заспокоювачі.

В повітряному заспокоювачем є легке алюмінієве крило, розміщене в повітряній камері і жорстко з’єднане з рухомою частиною, при русі якої крило переміщується з однієї частини камери в іншу, створюючи заспокійливий момент. Магнітоіндукційний заспокоювач складається з постійного магніта і крила з немагнітного матеріалу, зв’язаного з рухомою частиною ВМ. При русі рухомої частини крило починає рухатись і при перетині поля постійного магніта в ньому наводяться вихрові струми, взаємодія яких з полем постійного магніту створює заспокоюючий момент.

Залежно від принципу дії вимірювального механізму електромеханічні прилади розділяються на наступні групи: магнітоелектричні, електромагнітні, електродинамічні, феродинамічні, електростатичні, індукційні.

- магнітоелектричний механізм	-феродинамічний механізм
- магнітоелектричний механізм логометричного типу	- феродинамічний механізм логометричного типу
- електромагнітний механізм	- електростатичний механізм
- електромагнітний механізм логометричного типу	- вимірювальний механізм індукційного типу
- електродинамічний механізм
- електродинамічний механізм логометричного типу

1.Магнітоелектричні (МЕ)

Принцип дії заснований на взаємодії струму катушки з магнітним полем постійного магніта. Виконуються у вигляді нерухомого постійного магніту і рухомої котушки, виготовленої у виді рамки або рідше з нерухомою котушкою і рухомим магнітом.

Рис 1.8. Будова МЕ механізму

Складається з постійного магніту 1, полюсних наконечників 2 і розміщеного всередині сердечника 3 в повітряному зазорі між ними існує радіальне магнітне поле з постійним значенням магнітної індукції В. Між наконечниками і сердечником розміщується рухома рамка 4 (катушка з намотаним тонким провідником), що може вільно повертатися навколо сердечника і переміщувати стрілку 6 відносно шкали. Спіральні пружини 5 створюють протидіючий момент і втримують стрілку в нульовому положенні. .

Коли по рамці протікає постійний струм І, на витки її обмотки діють сили, що створюють обертовий момент Моб=, під дією якого рухома частина вимірювача обертається, закручує протидіючі пружини, створюючи протидіючий момент Мпр=-аW. При рівності цих моментів рухома частина зупиняється. Кут повороту рамки (і відповідно стрілки приладу) буде пропорційний до вимірювального струму (прилад має рівномірну шкалу).

В – магнітна індукція, s – активна площа рамки, w – число витків рамки, W– питомий протидіючий момент пружин, I – струм, S – чутливість механізму до струму.

При зміні напряму струму змінюється напрям обертового моменту, і відповідно відхилення стрілки. Тому для вимірювань струму різної полярності використовують прилади, що мають нульову відмітку на середині шкали. Для вимірювань в колах змінного струму потрібне попереднє перетворення змінного струму в постійний.

Рис 1.9. Будова МЕ логометричного механізму

В магнітоелектричних логометрах протидіючий момент створюється не механічно (пружиною) а електричним способом. Рухома частина виконана у вигляді двох з’єднаних рамок, по обмотках яких протікають струми І1 І2, які створюють моменти М1 М2, що діють назустріч один одному для встановлення рівноваги. Тоді а=f(І1 І2). Тобто логометр вимірює відношення струмів, що часто використовують для вимірювання опору (омметри).

Отже, прилади магнітоелектричної системи використовуються для вимірювань в колах постійного струму (амперметри, вольтметри, гальванометри), мають рівномірну шкалу, високу чутливість, точність (клас точності до 0,05), непридатні для вимірювання змінного струму.

Гальванометр – високочутливий прилад, що може вловлювати малі зміни фізичної величини (струму чи напруги). В магнітоелектричного гальванометра чутливість підвищують за рахунок значного зменшення питомого протидіючого моменту W, для чого рухому частину (рамку приладу) встановлюють на розтяжках або підвісці з тонкого дроту, одночасно використовують постійні магніти з найбільшою магнітною індукцією. Застосовують для вимірювання дуже малих напруг і струмів, в якості нуль-індикаторів (вказівник відсутності струму в колі).

2. Електромагнітні прилади

В електромагнітних вимірювальних механізмах для створення обертового моменту використовується дія магнітного поля котушки із струмом на рухливу феромагнітну (частіше пермоллоєву) пластинку. Частіше використовують електромагнітні вимірювальні механізми з прямокутними і круглими котушками.

При проходженні струму I по намагнічувальній котушці 1 створюється магнітне поле. Феромагнітний сердечник 2, закріплений на осі 3, при цьому прагне розташуватися в місці з найбільшою напруженістю поля, тобто втягується в зазор котушки. З віссю 3 зв'язана стрілка 4, яка переміщується за шкалою 5 і закручує протидіючу пружину 4. Для швидкого заспокоєння руху рухливої частини застосовують повітряні заспокоювачі 6.

Pиc.1.10. Електромагнітний вимірювальний механізм: а) з плоскою котушкою, б) з круглою;

1 – котушка, 2 – сердечник, 3 – вісь, 4 – пружина, 5 – сталева пластинка, 6– заспокоювач, 7– стрілка

Електромагнітна енергія, що створюється котушкою із струмом, визначається таким чином:

We = LІ²/2, де L - індуктивність котушки 1, що залежить від положення сердечника 2.

Обертовий момент:

Врахувавши протидіючий момент, створений за допомогою пружин отримаємо рівняння перетворення електромагнітного приладу: .

З виразу бачимо, що кут відхилення рухомої частини електромагнітного механізму не залежить від напряму струму, і вони можуть використовуватися в ланцюгах постійного і змінного струму. У ланцюзі змінного струму кут відхилення рухливої частини ВМ залежить від квадрата значення діючого струму.

Найпростіше реалізуються однoграничні електромагнітні амперметри і міліамперметри.

Електромагнітний логометр містить дві котушки і два феромагнітних сердечника, укріплених на одній осі. Конструкція виконана так, що при протіканні струмів I1 і I2 по котушках рух одного з сердечників збільшує індуктивність відповідної котушки, а другого - зменшує. Це приводить до того, що обертові моменти будуть направлені в протилежні сторони. Рівняння перетворення електромагнітного логометричного вимірювального механізму можна записати: .

Електромагнітні логометри застосовуються у фазометрах, фарадомерах, частотомірах.

Переваги: 1)використання як на постійному, так і на змінному струмі; 2) простоту конструкції і дешевизну; 3) надійність в експлуатації; 4) широкий діапазон меж вимірювання; 5) здатність витримувати великі перевантаження .

Недоліки: 1) велике споживання енергії; 2) мала чутливість; 3) сильний вплив зовнішніх магнітних полів; 4) нерівномірність шкали. (практично рівномірну шкалу, починаючи з 20-25 % верхньої межі вимірюваної величини можна отримати змінюючи форму сердечника і його розташування в котушці).

3. Електродинамічні прилади.

Рис 1.11. Будова ЕД механізму

Принцип дії електродинамічного вимірювального механізму заснований на взаємодії магнітних полів двох систем провідників із струмом.

Пристрій електродинамічного вимірювального механізму, складається з рухомої 1 і нерухомої 2 котушок (рамок, круглі або прямокутні котушки). Зазвичай нерухома котушка складається з двох однакових частин, розділених повітряним зазором. Обертальний момент виникає при взаємодії магнітного поля, що створюється струмом I1, в котушці 1, і магнітним полем, створеним струмом І2, що проходить через котушки збудження 2. Електромагнітна енергія We двох контурів із струмами:

W_e= L₁ I₁² /2 + L₂ I₂² /2 + I₁ I₂M_1,2

де L1, L2 - індуктивність рухливої і нерухомої котушок; M1,2 - взаємна індуктивність котушок.

Оскільки індуктивність котушок не залежить від кута повороту, тому обертаючий момент, що діє на рухливу котушку 1 =: M_ВР = I₁I₂ (dM_1,2/da).

При механічному створенні протидіючого моменту кут відхилення рухомої рамки може бути визначений по формулі: a = I₁I₂ (dM_1,2/da)/W

При включенні електродинамічного механізму в ланцюг змінного струму кут відхилення:

a = I₁I₂ cosy (dM_1,2/da)/W де I1 і I2 - значення діючих струмів, що діють; ψ - кут зсуву фаз між векторами струмів I1 і I2 .

У електродинамічних логометричних ВМ рухома частина складається з двох жорстко закріплених між собою під певним кутом γ котушок. Кут відхилення α залежить від відношення струмів I1/I2.

Електродинамічні прилади застосовують в якості: ватметрів постійного струму і однофазних, трифазних, малокосинусних ватметрів змінного струму, амперметрів і вольтметрів змінного і постійного струмів. Електродинамічні логометричні механізми застосовуються у фазометрах, частотомірах, фарадомерах. Випускаються комбіновані прилади - ампервольтваттметри.

Найбільш важливою группою електродинамічних приладів є ватметри. При вимірюванні потужності в колах постійного струму нерухому катушку ЕД приладу вмикають послідовно з навантаженням (на струм мережі). Послідовно з катушкою напруги вмикають додатковий опір Rд, оскільки сама катушка розрахована на малий струм. Значення струму в катушці І2 визначається , - опір рухомої катушки. Оскільки величини Rд і постійні, то струм І2 залежить лише від значення напруги , а кут відхилення стрілки приладу від потужності: , де - чутливість ватметра по потужності. З виразу видно, що шкала ватметрів рівномірна.

Початки катушок напруги і струму підєднані до загального затискача мережі, тому між ними необхідно встановити перемичку. Початки котушок на схемах позначають *.

Рис 1.12. Схема вмикання і векторна діаграма ватметра

При вимірюванні активної потужності в колах однофазного змінного струму струм навантаження відстає від напруги на кут φ. Тому кут відхилення стрілки .

Переваги: можливість використання в колах постійного і змінного струмів; можливість градуювання на постійному струмі; висока стабільність показів в часі; високий клас точності (наприклад, випускаються електродинамічні амперметри і міліамперметри, вольтметри, однофазні ватметри класу точності 0,05, частотоміри - класу 0,5). Висока точність приладів обумовлена відсутністю в них, на відміну від інших електромеханічних приладів, феромагнітних елементів.

Недоліки: вплив зовнішніх магнітних полів і механічних дій; Шкала приладів нерівномірна. Характер шкали залежить від форми котушок і їх взаємного розташування. велика потужність споживання. По чутливості електродинамічні прилади поступаються магнітоелектричним.

4. Феродинамічні прилади

Рис 1.13. Будова ФД механізму

Принцип дії феродинамічного вимірювального механізму полягає у взаємодії магнітних полів двох систем провідників із струмами, і по суті є різновидом електродинамічного механізму. Відмінність полягає в тому, що для збільшення чутливості нерухома котушка має магнітопровід з магнітно-м'якого матеріалу.

Наявність сердечника 1 значно збільшує магнітне поле нерухомої котушки 2. Рухома котушка 3 переміщується в повітряному зазорі і переміщує стрілку 4 за шкалою 5. Оскільки в повітряному зазорі, де розміщується рухома котушка 3 магнітне поле рівномірне і радіальне, то обертальний момент:

М_ВР = kI₁I₂cosy, де к - коефіцієнт, що визначається конструктивними параметрами і матеріалом магнітопровода 1.

Рівняння перетворення феродинамічного приладу має вигляд a = (k/W) I₁^.I₂ cosy.

Феродинамічні вимірювальні механізми застосовуються в амперметрах, вольтметрах, ватметрах, частотомірах і фазометрах. Феродинамічні прилади випускаються класів точності не вище 0,2; 0,5.

Переваги: Мають більший обертовий момент, можливість використання при постійному і змінному струмах; малий вплив зовнішніх магнітних полів; стабільність параметрів при механічних впливах; менше, ніж в електродинамічних, споживання потужності, велика чутливість.

Недоліки: невисока точність, вплив змін частоти вхідного сигналу, вплив температури на кут відхилення рухомої частини.

5. Електростатичні прилади.

Рис 1.14. Будова ЕС механізму

В основі електростатичного приладу лежить система рухомих і нерухомих електродів, що створюють електричну ємність. Обертальний момент виникає в результаті взаємодії двох систем заряджених провідників, одна з яких є рухомою, переміщення рухомої частини приводить до зміни ємності системи.

Практичне застосування мають два види вимірювальних механізмів: у першому змінюється активна площа електродів (дана конструкція застосовується в основному у вольтметрах на низьку напругу), у другому - відстань між електродами (ця конструкція використовується в кіловольтметрах).

На рис показаний механізм із зміною активної площі електродів. Нерухома частина ВМ складається з однієї або більше камер 1, в повітряні зазори яких вільно входять тонкі пластини 2 рухомої частини, пластини закріплені на осі 3 разом із стрілкою 4. При підключенні напруги до електродів 1 і 2 під дією електростатичних сил, рухомі пластини 2 втягуються в повітряні зазори камер 1. При цьому стрілка переміщується шкалою.

З рівності обертаючого і протидіючого моментів рівняння перетворення електростатичного вимірювального механізму:

М_ВР= (U²/2) (dC/da). a = [U²/ (2W)](dC/da),

де С - ємність між пластинами; U - вимірювана напруга, кут відхилення рухомої частини не залежить від полярності прикладеної напруги і пропорційний квадрату значення діючої напруги.

ВМ ЕС використовують для вимірювання напруги, потужності, опору, індуктивності та інших величин. Переваги: 1) мале споживання потужності, що пояснюється малими струмами витоку і і малими діелектричними втратами в ізоляції, малою ємкістю вимірювального механізму; 2) великий діапазон вимірюваної напруги; 3) можливість вимірювання як на постійному, так і на змінному струмі; 4) незалежність показів від частоти і форми вимірюваної напруги та від зовнішніх магнітних полів. Недоліки: 1) мала чутливість по напрузі; 2) вплив зовнішніх електростатичних полів, що вимагає екранування вимірювального механізму; 3) нерівномірна шкала (при відповідному виборі форми рухомих і нерухомих електродів можна отримати практично рівномірну шкалу на ділянці від 15-25 % до 100 % від її номінального значення)

6. Індукційні ВМ

Принцип дії індукційних вимірювальних механізмів полягає у взаємодії змінного магнітного поля провідника струму і індукованих цим полем вихрових струмів в рухливому елементі.

Конструктивно індукційний вимірювальний механізм складається з одного або декількох електромагнітів і рухомої частини, яка зазвичай виконується у вигляді алюмінієвого диска, укріпленого на осі. Повинно бути не менше двох змінних магнітних потоків що перетинають диск і зсунутих в просторі і по фазі.

Рис 1.8. Будова індукційного вимірювального механізму

Для двохпотокового приладу струми I1 і I2, що протікають по обмоткам електромагнітів 1 і 2, збуджують в сердечниках магнітні потоки Ф1 і Ф2. Ці потоки, пронизуючи диск 2, наводять в ньому вихрові струми. Взаємодія потоків із струмами в диску створює обертальний момент середнє значення якого може бути визначене як М_ВР = СfФ₁Ф₂siny , де C - коефіцієнт, залежний від матеріалів і конструкції вимірювального механізму; f - частота зміни потоків; ψ - кут зсуву фаз між потоками.

Індукційні механізми в основному використовуються в лічильниках електричної енергії.