Электромеханические измерительные приборы

Содержание

 

Введение

1. Общая характеристика электромеханических амперметров и вольтметров

2. Магнитоэлектрические приборы

3. Электромагнитные приборы

4. Электродинамические приборы

5. Электростатические приборы

Заключение

Список литературы

 

Введение

 

Актуальность темы курсовой работы. В практической жизни человек всюду имеет дело с измерениями. Измерения являются одним из важнейших путей познания природы человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности. Все отрасли техники не могли бы существовать без развернутой системы измерений, определяющих как все технологические процессы, контроль и управление ими, так и свойства и качество выпускаемой продукций.

Особенно возросла роль измерений в век широкого внедрения новой техники, развития электроники, автоматизации, атомной энергетики, космических полетов.

Метрология, стандартизация, сертификация являются главными инструментами обеспечения качества продукции, работ и услуг — важного аспекта коммерческой деятельности.

Метрология — это наука об измерениях, способах обеспечения их единства и путях приобретения нужной точности.

Стандартизация - это деятельность по установлению правил и характеристик в целях их добровольного многократного использования, направленная на достижение упорядоченности в сферах производства и обращения продукции и повышение конкурентоспособности продукции, работ или услуг.

Сертификация — форма осуществляемого органом по сертификации подтверждения соответствия объектов требованиям технических регламентов, положениям стандартов, сводов правил или условиям договоров.

Измерения и мероприятия по обеспечению  их единства и точности объединяются единым понятием “метрологическое обеспечение”, которое традиционно определяют как деятельность по установлению и применению научных и организационных основ, технических средств, правил и норм для достижения единства и требуемой точности различных способов определения значений физических величин.

Единство измерений как одно из слагаемых метрологического обеспечения - это такое состояние измерений, при котором результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием разных методов и средств измерений.

Среди всех видов измерительной  техники главная роль принадлежит  технике электрических измерений  в силу ее универсальности, автоматизации и компьютеризации, передачи измерительной информации на любые расстояния. Электрическими измерениями охватываются измерения всех электрических величин, магнитных величин и практически любых неэлектрических величин.

Электроизмерительные приборы  для измерения тока и напряжения подразделяются на: электромеханические (магнитоэлектрической системы, электродинамические, электромагнитные с подвижным магнитом, индукционной системы, электромагнитные) и электронные (см. Приложение).

Основной целью курсовой работы является изучение метрологического обеспечения измерений напряжения и тока.

В соответствии с поставленной целью в работе поставлены следующие задачи:

1. Рассмотреть основные методы  измерений напряжения и тока.

2. Раскрыть особенности измерений напряжения и тока различными приборами.

3. Изучить устройство приборов измерения напряжения и тока различных систем.

 

1. Общая характеристика электромеханических амперметров и вольтметров

          Электромеханические измерительные приборы относятся к приборам прямого преобразования, в которых электрическая измеряемая величина непосредственно преобразуется в показание отсчетного устройства. Таким образом, любой электромеханический прибор состоит из следующих главных частей: неподвижной, соединенной с корпусом прибора, и подвижной, механически или оптически связанной с отсчетным устройством.

Отсчетное устройство предназначено для наблюдения значений измеряемой величины. Оно состоит из шкалы и указателя, располагаемых на лицевой стороне прибора.

Шкалой называется совокупность отметок (штрихов), расположенных в определенной последовательности, и проставленных у некоторых из них чисел отсчета, соответствующих ряду последовательных значений измеряемой величины. Шкалы могут быть равномерными и неравномерными (квадратичными, логарифмическими и др.).

Расстояние между двумя соседними  штрихами называется делением шкалы. Разность значений измеряемой величины, соответствующая двум соседним отметкам, называется ценой деления. Цена деления Ц равномерной шкалы равна конечному значению измеряемой величины на шкале А_к, деленному на число делений п: Ц = A_к / п. Цену деления обычно выбирают кратной погрешности прибора. Таким образом, по цене деления можно получить представление об абсолютной погрешности прибора.

Шкала называется односторонней, если нулевая отметка помещена у ее начала, и двусторонней — при нуле посередине. Шкалу наносят на циферблат прибора; на нем же помещают название прибора и условные обозначения.

Указатели делятся на стрелочные и оптические. Оптические указатели состоят из источника света, зеркальца, расположенного на подвижной части, и системы зеркал, удлиняющих путь луча света и направляющих его на полупрозрачную шкалу. Оптические указатели обеспечивают большую чувствительность прибора и меньшую погрешность отсчета по сравнению со стрелочными. Подвижная часть прибора снабжается осью или полуосями, которые оканчиваются запрессованными в них стальными кернами. Последние опираются на корундовые или рубиновые подпятники (рис. 1.1а). Трение керна о подпятник снижает чувствительность и точность прибора, поэтому подвижную часть устанавливают на растяжках (рис. 1.1б), а в чувствительных гальванометрах — на подвесе (рис. 1.1в).

Растяжки и подвесы представляют собой тонкие упругие нити или  ленты из платиново-серебряного  сплава. Измеряемый ток поступает в подвижную часть прибора через эти нити или ленты; в приборе на подвесе вторым проводником является безмоментная лента. В особо чувствительных гальванометрах безмоментная лента делается из золота толщиной 200—300 нм.

 

 

 

 

 

Рис. 1.1. Способы установки подвижной части прибора: а — на оси; б — на растяжках; в — на подвесе

1 — корпус; 2 — регулировочный винт; 3 — подпятник; 4 — керн; 5 - ось; 6 — растяжка; 7 — пружина; 8 — крепящий контактный винт; 9 - рамка; 10 — подвес; 11- зеркало; 12 - безмоментная лента.

Наиболее распространены воздушные, жидкостные и магнитоиндукционные  успокоители (рис. 1.2.), с помощью которых  время успокоения сокращается до 3—4с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.2. Успокоители:

а — воздушный; б — магнитоиндукционный

Электромеханические приборы по точности делятся на восемь классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. По принципу преобразования электромагнитной энергии в механическую, они разделяются на несколько групп (систем). Основными системами являются: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая (ферродинамическая) и электростатическая.

 

2. Магнитоэлектрические приборы

Узел для создания вращающего момента  состоит из сильного постоянного  магнита и легкой подвижной катушки, по которой протекает измеряемый ток (рис. 1.3.а). Катушка в форме прямоугольной рамки помещена в кольцевом зазоре между полюсными наконечниками магнита и цилиндрическим сердечником, т. е. в радиальном магнитном поле.

 

Рис.1.3. Магнитоэлектрический прибор

1 — корректор; 2 — противодействующие пружины; 3 — подвижная катушка; 4 — полюсные наконечники; 5 - стрелка; 6 — сердечник

Принцип работы магнитоэлектрических приборов заключается во взаимодействии поля постоянного магнита с проводником (катушкой), по которому протекает измеряемый ток. При этом возникает пара сил F (рис. 1.4б), создающая вращающий момент.

Ток, проходящий через витки этой рамки, имеет направление, перпендикулярное направлению магнитных линий поля. Электрический ток подается через два пружинных элемента (ленточные растяжки, спиральные пружины), которые одновременно создают механический противодействующий момент.

Конструктивные исполнения:

1. с подвижной катушкой и неподвижным магнитом;
2. с подвижным магнитом и неподвижной катушкой.

Достоинства магнитоэлектрических приборов: высокая чувствительность (до 3 * 10^-11 А); высокие классы точности (до класса 0,05); малое потребление мощности от измеряемой цепи (10^-5—10-⁶ Вт); влияющая величина — только температура окружающей среды; большой вращающий момент при малых токах.

 

Рис. 1.4 а б. Конструкции магнитоэлектрических приборов

а) с внешним магнитом; б) с внутренним магнитом

Недостатки: сравнительная сложность  изготовления и ремонта; недопустимость даже кратковременных перегрузок (обычно деформируются или перегорают токоподводящие пружинки, нити растяжек и подвесов); непригодность для измерения переменного тока; высокая стоимость.

Магнитоэлектрические  приборы применяются в качестве амперметров, вольтметров и гальванометров для измерений в цепях постоянного  тока, а в сочетании с преобразователями  переменного тока в постоянный — и для измерений в цепях переменного тока.

Амперметры. Обмотка подвижной катушки состоит из витков тонкого провода, поэтому магнитоэлектрический прибор можно применять непосредственно только в качестве микро- или миллиамперметра и милливольтметра.

Магнитоэлектрические  измерители при непосредственном включении  в электрические цепи могут быть применены лишь в качестве микроамперметров постоянного тока. Для измерения больших постоянных токов параллельно зажимам прибора присоединяется электрический шунт, представляющий собой прямоугольную манганиновую пластину. Для измерения токов выше 50А применяют наружные шунты. Переносные приборы снабжаются внутренними многопредельными шунтами или наружными магазинами шунтов на несколько номинальных токов. Выбор шунта для данного прибора зависит от заданного расширения пределов измерения и внутреннего сопротивления прибора (сопротивления его катушки). Погрешность шунтированного амперметра возрастает вследствие неточности изготовления шунтов (от 0,005 до 0,5%) и разных температурных коэффициентов сопротивления катушки и шунта.

Вольтметры. При параллельном подключении магнитоэлектрического прибора к участку электрической цепи можно измерить напряжение, причём магнитоэлектрические измерители могут использоваться лишь в качестве милливольтметров постоянного тока.

Гальванометры. Особо чувствительные магнитоэлектрические приборы для измерения токов, напряжений и количества электричества называются гальванометрами. Класс точности гальванометрам не присваивается. Гальванометры часто используют в качестве нулевых индикаторов, показывающих отсутствие тока в цепи. Для этого выпускаются гальванометры с двусторонней шкалой, т.е. с нулевой отметкой посередине.

Гальванометры разделяются на переносные и стационарные. Подвижная катушка у переносных гальванометров крепится на растяжках; внутреннее отсчетное устройство снабжено оптическим указателем. Стационарные (зеркальные) гальванометры выполняют с подвесом рамки (катушки) и внешней шкалой, на которую падает луч света, отраженный от зеркальца (см. рис. 1.1в).

 

3. Электромагнитные приборы

Электромагнитные измерительные  приборы с подвижным магнитом также основаны на магнитоэлектрическом принципе. Они могут быть использованы для измерений на постоянном токе, а с дополнительными преобразователями — и на переменном токе.

Узел для  создания вращающего момента (рис. 1.5, а) состоит из плоской или круглой катушки, по которой протекает измеряемый ток, и сердечника, закрепленного на оси указателя.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.5. Электромагнитный прибор

1, 4 — плоская и круглая неподвижные катушки; 2- ферромагнитный подвижный сердечник; 3 - ось

Принцип действия приборов электромагнитной системы заключается во взаимодействии магнитного поля катушки с подвижным ферромагнитным сердечником.

В приборах с плоской катушкой внутри катушки возбуждения находится эксцентрично закрепленная подвижная ферромагнитная пластина, ось поворота которой расположена перпендикулярно оси катушки возбуждения. При протекании электрического тока пластинка под воздействием электромагнитного поля перемещается в катушке, то есть поворачивается вокруг своей оси.

В приборе с круглой катушкой внутри катушки возбуждения находятся  неподвижная и подвижная ферромагнитные пластинки, причем ось поворота последней параллельна оси катушки. При протекании электрического тока пластинки намагничиваются в одинаковом направлении и, следовательно, отталкиваются друг от друга. При этом подвижная пластинка поворачивается в направлении меньшей ширины неподвижной пластинки.

Достоинства электромагнитных приборов — простота конструкции и надежность, применимость на постоянном и переменном (в том числе несинусоидальном) токе; надежность; большая перегрузочная способность, возможность непосредственного измерения больших токов и напряжений.

Недостатки: малая чувствительность; значительное потребление мощности от измеряемой цепи (до 1 Вт); нелинейность шкалы: в начале сжата, в конце растянута; значительная погрешность; много влияющих величин: температура окружающей среды, внешнее магнитное поле, частота измеряемого переменного тока, узкий частотный диапазон.

Электромагнитные приборы благодаря  простоте, дешевизне и надежности широко применяются для измерения токов и напряжений в сильноточных цепях постоянного и переменного тока промышленной частоты (50 и 400 Гц). Большинство электромагнитных амперметров и вольтметров выпускаются в виде щитовых приборов различных размеров класса 1,5 и 2,5. Имеются приборы класса 1,5 и 1,0 для работы на дискретных частотах 50, 200, 800, 1000 и 1500 Гц.

Амперметры. Катушку амперметра изготовляют из медного провода, рассчитанного на номинальное значение тока, например 5 А. Число витков определяют из условия полного отклонения указателя амперметра при номинальном токе.