Системы измерительных приборов

Систе́мы измери́тельных прибо́ров — классификация электроизмерительных приборов (электромеханического действия) по физическому принципу действия измерительного механизма, то есть по способу преобразования электрической величины в механическое смещение подвижной части.

Общие принципы действияПравить

Все электрические приборы электромеханического действия снабжены неподвижной проградуированной шкалой, отсчёт измеряемой величины по которой обычно производится по положению указательной подвижной стрелки (иногда — по положению светового зайчика, пучок света отклоняется вращающимся зеркалом), положение стрелки на шкале определяется равенством вращательного момента и момента сопротивления. Обычно вращающий момент сопротивления создаётся плоской спиральной пружиной или торсионной пружиной (растяжкой), работающей на скручивание. В логометрических и индукционных систем момент сопротивления создаётся иными способами.

Приборы вибрационного типа вообще подвижной стрелки не имеют и их принцип индикации основан на иной основе, чем равенство вращательного момента и момента сопротивления (см. вибрационная система). Как правило, разновидности систем приборов различаются по способу создания вращательного момента и конструктивным особенностям.

Разновидности систем приборовПравить

 
Условное графические обозначения систем измерительных приборов по ГОСТ 23217-78[1]
  • Магнитоэлектрическая с подвижной рамкой — вращательный момент создаётся между неподвижным постоянным магнитом и подвижной вращающейся рамкой с намотанной на ней обмоткой по которой при измерении протекает ток. Вращающий момент рамки в таком приборе описывается законом Ампера — взаимодействия магнитного поля тока в обмотке рамки с магнитным полем постоянного магнита. Шкала магнитоэлектрического прибора является равномерной. Аналогом такой системы является электродвигатель постоянного тока обычного исполнения с возбуждением от постоянных магнитов.
  • Магнитоэлектрическая с подвижным магнитом — вращательный момент создаётся между неподвижной обмоткой с током и подвижным постоянным магнитом. Эта система является аналогом магнитоэлектрической системы с подвижной рамкой, но имеет более низкий класс точности — 4,0 и ниже, менее распространена и применяется, в основном, для указательных приборов транспортных средств, благодаря своей стойкости к внешним механическим воздействиям — вибрациям и ударам. Аналогом этой системы является двигатель постоянного тока обращённого исполнения с возбуждением от постоянных магнитов.
Замечание: Магнитоэлектрические приборы по своему принципу действия измеряют среднюю величину тока, а направление отклонения стрелки зависит от среднего направления тока в рамке, поэтому они могут применяться только для измерения токов с постоянной составляющей и требуют соблюдения полярности подключения[2]. Магнитоэлектрические приборы непригодны для непосредственного измерения переменного тока, так как при подаче на такой прибор переменного тока стрелка будет дрожать вблизи нулевого значения с частотой переменного тока.
Принцип действия приборов этого типа — взаимодействия тока и ферромагнитного тела. Особенностью таких приборов является квадратичная зависимость вращающего момента от тока в обмотке, и такие системы могут применяться для измерения как постоянных так и переменных токов. Эти приборы имеют неравномерную шкалу. Аналогом такой системы является реактивный двигатель, работающий в соответствии с законом сохранения импульса.
  • Электродинамическая — вращательный момент создаётся между двумя обмотками с током: подвижной и неподвижной. Вращательный момент пропорционален произведению токов в обмотках. Электродинамическое усилие основано на взаимодействии магнитных полей обмоток (закон Ампера). Аналогов такой системы в двигателях не существует, в связи с малыми вращающими моментами.
  • Ферродинамическая система подобна электродинамической, но для увеличения вращательного момента в конструкции предусматривается сердечник из ферромагнитного материала. Аналогом такой системы является двигатель постоянного тока нормального исполнения.
Электродинамические и ферродинамические системы применяют в вольтметрах и амперметрах, но чаще всего в — ваттметрах и варметрах.
  • Индукционная — вращающий момент создаётся бегущим или вращающимся магнитным полем неподвижных обмоток (для создания бегущего поля токи в обмотках должны быть сдвинуты по фазе) и токами Фуко, наводимыми во вращающемся неферромагнитном диске (обычно алюминиевом). В индукционной системе измеряемой величиной может быть скорость вращения диска и полное число его оборотов, которое подсчитывается и отображается механическим счётчиком. Тормозной демпфирующий момент в этом случае создаётся взаимодействием магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля токов, наводимых в диске. Иногда индицирование индукционной системе производится с помощью стрелки — в таком случае тормозной момент создаётся пружиной. Вращающий момент в индукционной системе равен произведению магнитных потоков в сердечниках обмоток и также зависит от угла сдвига между их фазами их токов. Аналогом этой системы является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Такую индукционную систему измерения чаще всего применяют в счётчиках потреблённой электрической энергии.
  • Электростатическая — вращающий момент создаётся между подвижным и неподвижным электродами из-за взаимодействия электрических зарядов. Вращательный момент возникает согласно закону Кулона.
  • Логометрическая — система отличается от предыдущих принципом создания тормозного момента — здесь тормозной момент создаётся с помощью специальной обмотки. Логометрическая система подразделяется по принципу создания вращательного момента: магнитоэлектрический логометр, электромагнитный логометр, электродинамический логометр, ферродинамический логометр. Особенностью логометров является безразличное положение стрелки на шкале до момента подключения прибора, так как подвижная система не имеет пружин.
  • Вибрационная — система, в которой используются другой принцип измерения, не основанный на равенстве вращательного и возвращающего момента. В вибрационных приборах используется явление электромеханического резонанса. В приборе устанавливаются несколько разной длины упругих язычков с разными частотами механического резонанса из ферромагнитного материала, возбуждаемыми магнитным полем одной обмотки. При подаче переменного тока в обмотку язычки колеблются с разной амплитудой. Амплитуда колебаний язычка с наиболее близкой собственной резонансной частотой к частоте возбуждающего тока максимальна, это индицирует примерную частоту тока в обмотке. Этот принцип измерения используется в язычковых частотомерах промышленной частоты.
  • Тепловая — электрический ток, протекая через проводник, вызывает его нагревание и удлинение вызванное тепловым расширением материала, которое регистрируется измерительным механизмом. За счёт тепловой инерции нагреваемого элемента усредняются быстрые изменения тока. Примеры использования: автомобильные приборы, предназначенные для измерения уровня топлива в топливном баке, температуры охлаждающей жидкости в двигателе внутреннего сгорания, автомобильные манометры, показывающие давление моторного масла в системе смазки двигателя[источник не указан 256 дней].

Дополнительные элементыПравить

В качестве дополнительных элементов приборов применяют гасители колебаний подвижной системы гидравлического, пневматического и электромагнитного принципа действия для быстрого успокоения стрелки на установившемся положении относительно шкалы.

Дополнительными элементами являются экранировка прибора ферромагнитным экраном и применение в конструкции астатических устройств.

Поскольку электромагнитные приборы при измерении создают малое внутреннее поле, то внешние магнитные поля могут сильно влиять на их показания. Для этого применяются так называемые астатические приборы с двумя неподвижными обмотками и двумя сердечниками, связанными так, что их механические моменты складывались. Внешнее магнитное поле ослабляет поле одной обмотки и усиливает поле другой обмотки и суммарный вращающий момент остаётся практически постоянным.

Дополнительным элементом являются также термоэлектрические преобразователи, например, термопары — с помощью их измеряется не само значение тока, протекающего по проводнику, но его тепловой эквивалент. Подключение к такому преобразователю магнитоэлектрический прибор можно измерять им переменные токи достаточно высокой частоты c большой точностью (без такого преобразователя показания магнитоэлектрического прибора будут равны нулю). Термоэлектрические преобразователи могут также использоваться для гальванической развязки измерительной части прибора от цепи в которой производится измерение тока.

Для измерения переменных токов с помощью магнитоэлектрических приборов применяют также выпрямительные схемы (так называемые «детекторные системы») — применяемые, в основном, в стрелочных мультиметрах и токоизмерительных клещах. В этом случае прибор будет показывать точное значение действующей величины только при синусоидальной форме измеряемого сигнала, если шкала прибора проградуирована в действующих величинах, при несинусоидальной форме сигнала будут возникать значительные погрешности в показаниях прибора.

Применение устройств в конструкции прибора для астатизма, термоэлектрического преобразования, выпрямителей и усилителей обычно обозначается специальными символами нанесёнными на шкалу прибора, дополняющий основной символ типа системы измерительного прибора.

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. ГОСТ 23217-78 Приборы электроизмерительные аналоговые с непосредственным отсчетом. Наносимые условные обозначения.
  2. Существуют конструкции магнитоэлектрических приборов с нулём посередине, в которых стрелка может отклоняться как вправо, так и влево, в зависимости от среднего направления тока. Применяются, например, для контроля тока заряда и разряда аккумуляторной батареи.

ЛитератураПравить

  • Иванов И. И., Равдоник В. С. Электротехника: Учеб. пособие для неэлектротехн. спец. вузов. — М: «Высшая школа», 1984. — 376 с.