Основные характеристики электромеханических приборов

Лабораторная работа № 1

(4 часа)

по дисциплине “ Электрорадиоизмерения”

(спец. 160903 3 курс очное)

Тема №1. Аналоговые электромеханические измерительные приборы

Название. Изучение конструкции, принципа действия основных типов электромеханических измерительных приборов

Цель работы

Изучение конструкции, принципа действия основных типов электромеханических измерительных приборов и методики измерения с помощью этих приборов

Методические указания

При подготовке к выполнению лабораторной работы необходимо:

1. Изучить следующие вопросы:

- принцип действия магнитоэлектрических измерительных механизмов;

- принцип электродинамических и ферродинамических измерительных механизмов;

- принцип действия электромагнитных и электростатических измерительных механизмов;

2. Начертить электрические схемы для проведения эксперимента.

3. Подготовить таблицы для записи результатов экспериментов.

Литература

1. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин: Учебник.- М: Дрофа, 2005, с. 94-122

2. Фремке А.В. Электрические измерения: Учебник. - Л: Энергия, 1980, с. 61-75, 91-101

Теоретическая часть

Структурная схема и виды приборов

Электромеханические приборы относятся к приборам прямого преобразования. Структурная схема этих приборов показана на рис 1.

Рис. 1

Основными функциональными частями этих приборов (рис. 1) являются: измерительная цепь ИЦ, измери­тельный механизм ИМ и отсчетное устройство ОУ. Они раз­мещаются в общем корпусе.

В ИЦ происходит преобразование входного сигнала Х в одну или две промежуточные электрические величины У₁ и У₂ (напри­мер, токи I₁ и I₂ или напряжение U), воздействующие на ИМ. ИЦ может также служить для расширения пределов измерений и компенсации погрешностей.

В ИМ происходит преобразование электромагнитной энер­гии W_e, обусловленной наличием промежуточных величин У₁ и У₂, в механическую. ИМ состоит из неподвижной и подвижной частей. Под действием измеряемой величины в измерительном механизме создается вращающий момент М_вр, поворачивающий подвижную часть ИМ. В общем случае вращающий момент зависит от измеряемой величины Х и угла поворота подвижной части a: М_вр = f(X, a). Для электромеханических приборов вращающий момент находится как

(1)

В зависимости от принципа действия ИМ применяются следующие группы (системы) приборов: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая, ферродинамическая, электростатическая, ин­дукционная.

Принцип действия ИМ различных групп приборов основан на взаимодействии: 1) магнитоэлектрических ИМ - магнитных полей постоянного магнита и проводника с током; 2) электро­магнитных - магнитного поля, создаваемого проводником с то­ком, и ферромагнитного сердечника; 3) электродинамических (и ферродинамических) - магнитных полей двух систем провод­ников с токами; 4) электростатических - двух систем заряженных электродов; 5) индукционных - переменного магнитного поля проводника с током и индуцирован­ных этим полем вихревых токов в по­движном элементе (например, в алю­миниевом диске счетчика электрической энергии переменного тока). В результате подобного взаимодействия в ИМ и создается вращающий момент М_вр.

Если бы в ИМ действовал только вращающий момент М_вр, то подвижная часть ИМ отклонилась бы до упора независимо от значения измеряемой величины. Для того чтобы каждому значе­нию Х соответствовало определенное значение a, момент М_вр уравновешивается противодействующим моментом М_пр, завися­щим от a и направленным в сторону, обратную М_вр. В большин­стве приборов момент М_пр создается спиральными пружинами или растяжками, и в этом случае

М_пр = W a,

где W - удельный противодействующий момент пружин или растяжек. В логометрах (приборах для измерения отношения токов) момент М_пр создается измеряемой величиной Х, и в этом случае М_пр =f(Х). При установившемся отклонении a₀ подвижной части М_вр = М_пр.

Отклонения подвижной части ИМ наблюдают с помощью отсчетного устройства ОУ, т. е. части конструкции прибора, предназначенной для отсчитывания значений измеряемой величины. В электромеханических приборах ОУ состоит из шкалы и указа­теля (стрелки или светового указателя). По ОУ определяют показание измерительного прибора Х_п, т. е. значение измеряемой величины в принятых единицах этой величины. Номинально Х_п = Х. Для соответствия значения Х определенному значению Х_п необходимо, во-первых, чтобы параметры ИЦ, ИМ и ОУ при определенных внешних условиях были постоянными и, во-вторых, чтобы отклонения этих параметров при различных внешних условиях вызывали малые изменения показаний, допустимые для данного прибора.

При отклонении подвижной части прибора механическим толчком от положения равновесия a₀ на угол Δ α она снова приходит в положение равновесия под влиянием устанавлива­ющего момента М_у, равного разности моментов М_вр и | -М_пр |. Момент М_у всегда направлен в сторону, обратную изменению отклонения подвижной части Δ α. Производная от устанавливающего момента по углу отклонения называется удельным устанавливающим моментом М_уу

Основные характеристики электромеханических приборов

Все средства измерений можно характеризовать некоторыми общими свойствами - метрологическими характеристиками.

Метрологическими характеристиками средств измерений называются такие характеристики их свойств, которые оказывают влияние на результаты и погреш­ности измерений и предназначены для оценки технического уровня и качества средств измерений, для определения результатов измерений и расчетной оценки характеристик инструментальной и методических составляющих погрешности измерений.

Основными характеристиками электромеханических приборов являются: точность, чувствительность, диапазон измерений, собст­венное потребление мощности, время успокоения, устойчивость к перегрузкам (электрическим и механическим), надежность и др.

Точность средства измерений есть качество средства измерений, отражающее близость нулю его погрешностей. Чем меньшие погрешности имеет средство измерений, тем оно считается более точным.

Свойства электромеханического прибора в отношении точности характеризуется классом точности и другими свойствами прибора, влияющими на его точность, значения которых устанав­ливаются в стандартах на отдельные виды приборов.

Класс точности - обобщенная характерис­тика прибора, определяемая пределами допускаемой основной и дополнительных погрешностей (т. е. наибольшими погрешностя­ми, при которых прибор по техническим требованиям может быть допущен к применению).

Способы нормирования и формы выражения пределов основ­ной и дополнительных погрешностей (абсолютная, относительная и приведенная), а также обозначения классов точности приведены в ГОСТ 8.401—80. Нормальные значения влияющих величин и рабочие условия применения установлены ГОСТ 22261-82.

Показателями качества рассматриваемых приборов в отноше­нии точности являются также вариация показаний и невозвращение указателя к отметке механического нуля.

Вариация выходного сигнала (по­казаний) средства измерений есть средняя разность между значе­ниями выходного сигнала (показаниями) средства измерений, соответствующими данной точке диапазона измерения, при двух направлениях медленного многократного измерения входного сигнала в процессе подхода к данной точке диапазона измерения. Вариация определяется по значениям выходного сигнала при подходе к одному и тому же значению входного сигнала сначала со стороны больших, а затем - меньших значений. В отличие от чувствительности вариация характеризуется изменением не входного, а выходного сигнала.

Вариация показаний имеет место в приборах с подвижной частью на кернах (вызывается в основном трением в опорах), а также в приборах с магнитомягкими сердечниками или магнитопроводами при работе на постоянном токе. Для большинства приборов вариация не должна превышать абсолютного значения допускаемой основной погрешности.

Не­возвращение указателя к отметке механического нуля определяется при плавном подводе указателя к этой отметке от наиболее удаленной от нее отметки шкалы. Оно обусловлено упругим последействием растяжек или спиральных пружин и не должно превышать (для приборов с подвижной частью на растяжках) значения

γ _уп = 0, 01 γ _кл ℓ _ш,

где γ _кл - числовое обозначение класса прибора; ℓ _ш -длина шкалы, мм.

Диапазон измерений – область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений.

Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно «нижним пределом измерений прибора» или «верхним пределом измерений прибора».

Нижний предел измерения реально не бывает равным нулю, так как он ограничивается обычно порогом чувствительности, помехами или погрешностями измерений. Поэтому для многих измерительных приборов, на шкале которых имеется отметка «0», нижний предел измерения в действи­тельности не равен нулю.

Различают полный и рабочий диапазоны измерения измеряемой величины (рис.2).

Диапазон, в котором относительная погрешность не превышает 100 %, называется полным диапазоном. Полный диапазон ограничивается снизу порогом чувствительности D_{пор .}, а сверху - конечным значением X_к, т.е. Х_п = D_пор … X_к или Д_п = X_к/D_пор.

Под порогом чувствительности понимается минимальное значение входной величины, которое можно обнаружить с помощью данного средства измерения без каких либо дополнительных устройств, погрешность её измерения d = 100 %. Порог чувствительности выражается в единицах измеряемой величины. В электромеханических измерительных приборах порог чувствительности не равен нулю вследствие трения подвижной части.

Диапазон, в котором относительная погрешность не превышает некоторого заранее заданного значения d_з, называется рабочим диапазоном изменения измеряемой величины. Рабочий диапазон ограничивается снизу значением Х=Х_з, при котором d = d_З, а сверху – конечным значением X_к, т.е. Х_р = Х_з … Х_к или Д_р = Х_к/ Х_з. Рабочий диапазон всегда представляет часть полного диапазона.

Чувствительность определяется как отношение приращения выходного сиг­нала DХ_п на выходе измерительного прибора к вызвавшему это приращение изменению входного сигнала DХ. В общем случае чувствительность определяется как

(3)

и называется абсолютной чувствитель­ностью. Эта величина является размерной и зависит от единиц, в которых выражаются X и Y. Для линейной градуировочной ха­рактеристики чувствительность S = const, для нелинейных характеристик чувствительность является переменной величиной, различной для разных значений Х.

В практике пользуются относительной чувствительностью

(4)

где DX/X - относительное изменение входной величины, выражаемое чаще всего в процентах. Относительная чувствительность S₀ имеет размерность выходной величины на 1% изменения входной величины.

Для стрелочных приборов S = α /X. Поэтому измеряемая величина

, (5)

где a - показание прибора; 1/S – постоянная прибора или цена деления.

В приборах с линейной градуировочной характеристикой цена деления постоянна в диапазоне измерений и носит название - постоянная прибора. Для получения значения величины в соответствующих единицах надо отсчет в делениях умножить на постоянную прибора.

Измеряемый объект и средство измерений связаны и взаимодействуют между со­бой. Такое взаимодействие необходимо для проведения измерения.

Для приведения в действие измерительного прибора необходима энергия, которая потребляется от объекта измерения. Естественно, эта энергия должна быть небольшой, чтобы измерительный прибор не вносил заметного искажения в измеряемый процесс. Поскольку мощность, потребляемая входной цепью прибора, конечна, ее значение является важным по­казателем средства измерения.

У электромеханических приборов потребляемая мощность определяется входным сопротивлением прибора. Для прибо­ров, реагирующих на напряжение (включаемых параллельно участку цепи), входное сопротивление должно быть большим, тогда входная мощность Р = U²/R_вх будет невелика. У приборов, чувствительных к току (включаемых последовательно в электрическую цепь), входное сопротивление, наоборот, должно быть минимальным (по крайней мере, намного меньшим, чем сопротивление участка цепи).

Входное сопротивление является важным параметром средства измерений. Оно показывает степень приспособленности данного средства к измерениям в маломощных измерительных цепях. Если мощность, потребляемая входной цепью прибора, одного порядка с мощностью входного сигнала, приходится вводить поправки или обеспечивать согласование прибора с источником измерительного сигнала.

Динамические характеристики средства измерений описывают инерционные свойства средств измерений и определяют зависимость выходного сигнала средств измерений от меняющихся во времени величин: входного сигнала, нагрузки, влияющих величин.

При изменении измеряемого значения подвижная часть ИМ, обладающая определенным моментом инерции, не сразу устанав­ливается в положение равновесия, а совершает во время пере­ходного процесса колебательное, или апериодическое, движение.

Временем успокоения подвижной части ИМ называется промежуток времени, прошедший с момента изменения измеря­емой величины до момента, когда отличие показания прибора от установившегося его показания не превысит ±1% от длины шкалы.

Время успокоения t_У отсчитывают от начала перемещения указате­ля до того момента, когда поло­жение указателя будет отличаться от установившегося не более чем на ±1% от угла шкалы (≤ 0, 01α _Ш).

Для измерительных приборов обычно указывается время установления показания: промежуток времени с момента начала измерения до момента установления показаний (т.е. когда переходный процесс закончился). Значение t_у для боль­шинства электромеханических приборов не должно превышать 4 с (для электростатических и те­рмоэлектрических приборов 6 с).

Отношение первого отброса α ₁ указателя (размаха первого колебания подвижной части при внезапном изменении измеряемой величины) к установившемуся отклонению α ₀ для показывающих приборов не должно превышать 1, 5 (ε = α ₁/α ₀ ≤ 1, 5). Это отноше­ние является характеристикой переходного процесса в рассматри­ваемых приборах.

Надежностью измерительного прибора называется его свойство выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным условиям использования, хранения и транспортирования. Надежность прибора – это, прежде всего его безотказность, т. е. свойство непрерывно сохранять работоспособ­ность в течение некоторого времени. Нарушения работоспособности или отказы характеризуются изменениями одного или нескольких заданных параметров прибора, которые могут быть скачкообразными (внезапные отказы) или постепенными (постепенные отказы).

Для щитовых приборов и переносных показывающих приборов основными контролируемыми параметрами, по которым опреде­ляют отказы, являются основная погрешность, вариация, не­возвращение указателя, влияние наклона, электрическая прочность и сопротивление изоляции, время успокоения. Показатели надеж­ности приведены в ГОСТ 22261—82, 27.003—83, 4.194—85.