Расчёт параметров измерительных приборов для измерения электрического тока, напряжения и сопротивления, определение их метрологических характеристик

курсовая работа

1.2 Анализ измерительных механизмов приборов прямого действия

Измерительным механизмом называется часть конструкции средства измерений, состоящая из элементов, взаимодействие которых вызывает их взаимное перемещение.Поэтому всякий механизм, как преобразователь электрической величины в механическое перемещение, имеет неподвижную и подвижную части с расположенными на них обмотками или электродами, а также отсчетное устройство для определения перемещения подвижной части.

На подвижную часть действует вращающий момент , являющийся однозначной функцией действующей величины и угла поворота подвижной части, и противодействующий момент , зависящий от угла поворота подвижной части и направленный на встречу вращающему.

Противодействующий момент создается при помощи спиральной пружины, растяжек и подвесов путем их закручивания и равен:

где - удельный противодействующий момент пружины, растяжки или подвеса, .

Под действием вращающего момента, равного:

подвижная часть отклоняется до тех пор, пока не будет выполнено условие:

Уравнение преобразования механизма прибора имеет следующий вид:

Для того чтобы подвижная часть занимала положение равновесия быстро, механизмы снабжают успокоителями. Успокоители бывают воздушные, жидкостные и магнитоиндукционные. Они создают момент, пропорциональный угловой скорости подвижной части:

где - коэффициент успокоения, .

Кроме моментов и на подвижную часть механизма действуют моменты, обусловленные трением в опорах, трением подвижной части о воздух, неуравновешенностью подвижной части и др.

Отношение углового и линейного перемещения указателя к току, вызвавшему его перемещение, называют чувствительностью механизма по току и выражают в или :

Отношение перемещения указателя к падению напряжения на зажимах механизма при протекании тока, вызвавшему это перемещение, называют чувствительностью по напряжению:

где - сопротивление обмотки механизма.

Величина, обратная чувствительности, называется постоянной механизма и обозначается соответственно:

- для постоянной по току и

- для постоянной по напряжению

Практически для механизмов приборов со встроенной шкалой чувствительность определяют как отклонение указателя в делениях или миллиметрах шкалы на единицу измеряемой величины:

Если механизм прибора имеет световой отсчет и отдельную шкалу в миллиметрах, то отклонение указателя определяется по формуле:

где - расстояние между зеркальцем подвижной части и шкалой, .

Наряду с такими характеристиками качества механизмов, как чувствительность, собственное потребление мощности, восприимчивость к влияниям внешних факторов, уравновешенность, важным показателем, характеризующим качество механизма с подвижной частью, установленной на опорах, является коэффициент добротности. Коэффициент добротности обратно пропорционален приведенной погрешности от трения. Для сравнения механических качеств различных механизмов в практике приборостроения широко пользуются практическим коэффициентом добротности, равным:

где - масса подвижной части, ;

- вращающий момент, приведенный к углу , .

В зависимости от физических явлений, использованных для создания вращающего момента, различают следующие механизмы: магнитоэлектрические, электродинамические, ферродинамические, электростатические, электромагнитные, индукционные.

Принцип действия магнитоэлектрических механизмов заключается во взаимодействии поля постоянного магнита с катушкой (рамкой), по которой протекает ток.

Достоинства магнитоэлектрических приборов:

1) Данные приборы наиболее чувствительны и точны.

2) Изменение температуры и внешнее магнитное поле мало влияют на работу прибора.

3) Равномерное деление шкалы.

4) Малое потребление энергии.

Недостатки магнитоэлектрических приборов:

1) Данные приборы непригодны для измерения переменного тока и напряжения.

2) Инерционность подвижной системы.

3) Реагируют только на постоянные составляющие.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы включаются непосредственно в электрическую цепь и позволяют измерять малые токи (20 - 50 мкА). Следовательно, магнитоэлектрические измерительные механизмы можно использовать как микро - и миллиамперметр постоянного тока. Расширение пределов измерений амперметра возможно за счет включения шунта параллельно прибору.

Принцип действия приборов электродинамической системы основан на взаимодействии магнитных полей двух катушек (рис.4), по которым протекают токи.

Рис.4. Катушки электродинамического механизма

Поворот подвижной катушки осуществляется вращающим моментом, вызванным взаимодействием магнитных полей катушек с токами. Уравнение преобразования для приборов электродинамической системы имеет вид:

,

где - число витков катушки;

- угол поворота подвижной катушки;

- взаимная индуктивность катушек прибора электродинамической системы;

- действующие значения токов в катушках.

Если по катушке протекает переменный ток, то уравнение преобразования примет вид:

Из уравнения преобразования следует, что перемещение подвижной части механизма, при работе на переменном токе, зависит как от токов в его катушках, так и от разности фаз между этими токами. Это дает возможность использовать приборы электродинамической системы не только в качестве вольтметров и амперметров, но и в качестве ваттметров.

Принцип действия электростатических приборов основан на взаимодействии электрически заряженных проводников. Под действием электростатических сил подвижная пластина втягивается в пространство между неподвижными системами.

Уравнение преобразования электростатического измерительного механизма имеет вид:

Показания электростатических приборов не зависят от приложенного напряжения. Линеаризация шкалы осуществляется выбором формы пластин.

Достоинства электростатических приборов:

1) Широкий частотный диапазон измерения переменного напряжения.

2) Независимость от магнитных полей.

3) Малое потребление энергии

Недостатки электростатических приборов:

1) Влияние внешних электрических полей.

2) Низкая чувствительность приборов.

Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током в неподвижной катушке с подвижным ферромагнитным сердечником.

Уравнение преобразования прибора электромагнитной системы имеет вид:

Если по катушке будет протекать синусоидальный ток, то производится усреднение по времени и уравнение преобразования примет следующий вид:

Таким образом, угол поворота подвижной части прибора электромагнитной системы не зависит от направления тока и пропорционально квадрату среднеквадратического значения тока. Поэтому электромагнитные приборы можно использовать для измерения постоянного и переменного тока.

Достоинством таких приборов является простота конструкции и способность выдерживать большие нагрузки.

Недостатки приборов электромагнитной системы:

1) Большое собственное потребление энергии.

2) Невысокая точность.

3) Небольшая чувствительность.

4) Сильное влияние внешних магнитных полей.

5) Узкий предел измерений.

Для расширения пределов измерений применяются шунты и добавочные сопротивления. В области повышенных частот используются трансформаторы тока. Для расширения пределов измерения вольтметров электромагнитной системы применяются измерительные трансформаторы напряжения.

Таким образом, приборы электромагнитной системы применяются в основном в качестве щитовых приборов (амперметров, вольтметров) переменного тока промышленной частоты, а также для измерения частоты.

В индукционных измерительных механизмах особым расположением катушек получают вращающееся магнитное поле, в котором пронизываемый алюминиевый диск (цилиндр) индуцирует вихревые токи, что вызывает возникновение вращающего момента. Индукционные измерительные механизмы применяются в электрических счетчиках электроэнергии.

Делись добром ;)