ЕРВ

Аналоговими називають такі електровимірювальні прилади, у яких вихідна величина, наприклад кут відхилення стрілки чи іншого покажчика (хоча б світлового), відрахована за його шкалою, є аналогом вимірюваної фізичної величини.

Такі прилади, що дозволяють лише візуальне зчитування показів, називають показуючими. Їм в основному і присвячено цей розділ. Окремо буде розглянуто аналогові реєструючі прилади, які ведуть запис показів у вигляді суцільної чи переривчастої лінії на градуйованій стрічці або диску.

Аналогові прилади , залежно від принципу дії їхніх вимірювальних механізмів, що перетворюють вимірювану фізичну величину у відхилення покажчика вздовж шкали приладу, поділяються на магнітоелектричні, електромагнітні, електродинамічні, феродинамічні, індукційні, теплові, електростатичні та вібраційні.

Такі прилади щонайширше застосовують як на енергетичних підприємствах, так і в енергетичному господарстві більшості промислових підприємств.

У вимірювальних механізмах магнітоелектричної системи (рис. 1) обертовий момент, який пересуває рухому частину приладу, виникає в результаті взаємодії магнітного поля, створюваного постійним магнітом 2, і електричного струму, який проходить по витках обмотки, що містяться в цьому полі.

У більшості таких механізмів ця обмотка рухома, виконана у вигляді рамки 6, закріпленої на кернах 9, які вільно обертаються у підп’ятниках 10, розміщених на кронштейнах 5. Струм до рухомої обмотки надходить по спіральних пружинах 8, які створюють протидійний момент при повороті рамки. Кут відхилення рухомої частини вимірювального механізму при вимірюванні відповідає рівності обертового моменту, створюваного рамкою, й моменту протидії, що виникає від дії пружин.

Для створення рівномірного поля в зоні переміщення активних сторін обмотки рамки вимірювальний механізм має центральний масивний циліндр і, який виготовлено з магнітом’якого матеріалу, як і частини 1 і 4 вимірювального механізму. Для врівноважування рухомої частини зі стрілкою використовують врівноважувальні тягарці 11. Обмотка рамки 6 може бути намотана на каркас, виготовлений з алюмінію, але іноді рамка може бути й безкар- касною.

Постійний магніт 2 виготовлено з магнітотвердого матеріалу, який має значну залишкову індукцію та велику коерцитивну силу (це — вольфрамова або хромова сталь, чи нікельалюмінієві сплави). Для багаторічного збереження незмінності показів приладу з таким вимірювальним механізмом магніти проходять спеціальну обробку (штучне старіння), після чого магнітна індукція у повітряному проміжку вимірювального механізму (саме там, де пересуваються активні частини рамки) практично не залежатиме від часу і майже не залежатиме від коливань температури. Через наявність значної величини магнітної індукції у повітряному проміжку на такі вимірювальні механізми майже не впливають зовнішні магнітні поля.

Рисунок 1. Вимірювальний механізм магнітоелектричної системи

Каркас рамки являє собою не тільки конструктивну деталь вимірювального механізму, а й виконує функції демпфера, що зменшує час заспокоювання коливань рухомої частини механізму. Така дія каркаса рамки пояснюється тим, що під час переміщування її у повітряному проміжку в каркасі індукується ЕРС та з’являється струм, який створює обертовий момент, спрямований проти напрямку руху, що заважає коливанням рухомої частини і зменшує їх тривалість.

Керни, на які спирається рухома частина, зроблено з високоякісної сталі. Для зменшення тертя між кернами і підп’ятниками їх старанно полірують. Ці керни запресовують в алюмінієві букси, основу яких приклеюють до рамки.

Пружини, які створюють протидійний момент та крізь які подається струм до обмотки рамки, виготовляють із бронзи та прилютовують кінцями до пружинотримачів, два з яких встановлено на рамці та з’єднано з кінцями її обмотки, а два інших встановлено на нерухомій частині приладу. Один із цих пружинотримачів механічно з’єднаний з коректором приладу, що дає можливість, повертаючи коректор і ззовні, дещо змінювати початкове положення рамки, а з нею і покажчика приладу.

Підп’ятники, в яких обертаються керни, виготовляють з агату чи корунду й старанно полірують, аби зменшити тертя при взаємодії з кернами.

Завдяки тому, що робочий магнітний потік вимірювального механізму створюється постійним магнітом і магнітна індукція у повітряному проміжку досить велика, величина електричного струму, що проходить по витках обмотки рамки, може бути незначною (звичайно від кількох десятків мікроамперів до кількох міліамперів). Потужність, споживана магнітоелектричними механізмами, також незначна. В той же час величина обертового моменту таких механізмів досить велика, і відношення створюваного ними моменту до маси їхніх рухомих частин, яке характеризує добротність приладів, у них значно більше, ніж у вимірювальних механізмів інших систем. А чим більша добротність приладу, тим меншою буде його похибка від впливу тертя у підп’ятниках.

На основі магнітоелектричних електровимірювальних приладів виробляють прилади практично всіх класів точності (починаючи з класу 0,1).

Якщо магнітоелектричний вимірювальний механізм використовують у приладі відносно невисокого класу точності, то він може мати постійний магніт, який розміщено всередині рамки (замість циліндра 3). Цей магніт має бути намагніченим по діаметру. В цьому випадку необхідність у зовнішніх постійних магнітах відпадає, завдяки чому можуть бути значно зменшені зовнішні розміри і маса вимірювального механізму, а з ним — і всього приладу.

Магнітоелектричні прилади використовують для вимірювань на постійному струмі. Вони найчутливіші та здатні забезпечити найбільшу точність вимірювань порівняно з приладами всієї решти систем; широко використовуються як гальванометри, мікро- та міліамперметри, амперметри, вольтметри та омметри.

У сполученні з напівпровідниковими випрямлячами вони широко використовуються і для вимірів на змінному струмі (взяти хоча б добре відомі багатофункціональні прилади — тестери, що здатні вимірювати величини напруг і струмів як на постійному, так і на змінному струмі, та ще (за наявності у приладі гальванічних елементів) й електричні опори).

У приладів електромагнітної системи вимірювальний механізм (рис. 2) складається з котушки 7, встановленої на нерухомій основі 2, та осердя 4, закріпленого на осі 6, разом зі стрілкою 3, крилом повітряного заспокоювача 7 та врівноважувальними тягарцями 9. У торцях осі 6 запресовано керни 7, які упираються у підп’ятники 12. До пружино- тримача рухомої частини прилютовано один кінець протидійної пружини 8. Інший кінець цієї пружини прилютовано до пружинотримача, встановленого на важелі коректора 5, призначеного для встановлення вказівника (стрілки 3) на нульову позначку шкали. До каркасу котушки 1 звичайно прикріплене нерухоме осердя 10, яке використовують Для деякого збільшення величини обертового моменту та Для регулювання характеру шкали і встановлення потрібного найбільшого кута відхилення стрілки приладу за номінальної величини струму, що проходить по обмотці котушки.

Якщо по обмотці котушки протікає струм, рухоме осердя 4 втягується в щілину котушки й рухома частина повертається, пересуваючи стрілку приладу вздовж його шкали.

Стрілка має стати нерухомою в положенні, де обертовий момент, створений силою втягування рухомого осердя у щілину котушки 1, буде врівноважений протидіючим моментом пружини.

Рисунок 2. Вимірювальний механізм електромагнітної системи

Щоб коливання рухомої частини вимірювального механізму (які обов’язково виникають за різкої зміни величини струму в обмотці котушки 7) якомога швидше заспокоїлися, вимірювальний механізм має повітряний заспокоювач, що складається з крила 7, закріпленого на рухомій частині, та камери з кришкою, всередині якої це крило рухається, маючи з усіх боків вузькі щілини, що відділяють це крило від стінок камери та кришки.

За належної якості матеріалу рухомого осердя 4, як і нерухомого (а їх виготовляють, звичайно, з пермалою і відповідно термообробляють), електровимірювальні прилади, створені на основі таких електромагнітних вимірювальних механізмів, можуть бути використані для вимірювань у колах як постійного, так і змінного струму. В останньому випадку по шкалі приладу, градуйованій на постійному струмі, зчитуватиметься ефективне значення змінного струму.

Вимірювальний механізм електромагнітної системи використовують у:

• міліамперметрах;
• амперметрах;
• вольтметрах.

Вимірювальні прилади електромагнітної системи виготовляються як лабораторні класів 0,5 і 1,0, так і як щитові класів 1,5; 2,5 і 4,0.

В енергетиці прилади цієї системи мають чи не найбільше поширення.

У вимірювальних механізмах електродинамічної системи (рис. 3.) обертовий момент, що діє на рухому частину, виникає при взаємодії струму, який протікає у проводі багатовиткової обмотки-рамки, закріпленої на осі рухомої частини механізму, з магнітним полем, створюваним нерухомою обмоткою.

Рисунок 3. Вимірювальний механізм електродинамічної системи

Вимірювальний механізм складається з нерухомої обмотки 1, рухомої обмотки-рамки 2, закріпленої на осі 6, яка повертається разом з нею. На цій же осі закріплено стрілку 5, сегмент (чи крило) заспокоювача коливань 4 та Деталі, що тримають спіральні пружини. До цих деталей прилютовано також проводи, що йдуть від рамки 2. Зовнішні кінці цих пружин прилютовано до струмопідводів, розміщених на ізоляційних втулках, встановлених на основі вимірювального механізму. Вісь рухомої частини приладу 6 встановлено на кернах у підп’ятниках 8. Сегмент заспокоювача 4 при повороті рухомої частини приладу переміщується між полюсами магніту 3 заспокоювача коливань. Пружини, по яких здійснюється струмопідведення до рамки, створюють момент протидії обертовому моментові вимірювального механізму.

Електродинамічні вимірювальні механізми застосовують у ватметрах, де вони забезпечують рівномірну шкалу. Ці механізми використовують також у амперметрах і вольтметрах. У цих випадках одержати рівномірну шкалу неможливо.

Вадою електродинамічних приладів є значна споживана потужність. Це зумовлено необхідністю створення їхніми обмотками великих магніторушійних сил, потрібних для створення достатньої величини обертових моментів у разі замикання магнітних потоків у повітрі, де діє значний магнітний опір.

Саме через великий магнітний опір шляху, по якому замикаються лінії магнітного потоку, в електродинамічних приладах, навіть за значної потужності власного споживання, неможливо створити велику магнітну індукцію. Через це зовнішні магнітні поля можуть суттєво впливати на покази таких приладів. Тому вимірювальні механізми електродинамічної системи потребують надійного захисту від впливу сторонніх магнітних полів. Найчастіше такий захист здійснюється шляхом магнітного екранування — вміщення вимірювального механізму всередині сталевої ємності 7 з декількома щілинами і отворами для проходу через них стрілки, струмопідводів та вентиляції. У лабораторних приладах використовують навіть подвійне (а то й потрійне) екранування, за якого зовнішній екран вироблено з м’якої сталі, а внутрішній — з матеріалу, що має надзвичайно високу магнітну проникність — з пермалою, який попередньо пройшов відповідну термічну обробку.

У вимірювальних механізмах феродинамічної системи (рис. 4) обертаючий момент створюється завдяки взаємодії струму, що протікає в рухомій рамці, з магнітним потоком, створюваним нерухомою обмоткою 2, розміщеною на феромагнітному осерді. Активні сторони рамки 1 розміщено у вузькій щілині між полюсами магнітопроводу 4 і циліндричним сталевим осердям 2, яке є непорушним і міститься всередині рамки. Струм до рамки підводиться через спіральні пружини 5.

Завдяки малому магнітному опорові магнітного кола (бо на більшій частині магнітного кола магнітний потік проходить по феромагнітному осердю) магніторушійна сила, що створюється нерухомою обмоткою 2, може бути відносно невеликою. Також незначною буде і потужність, споживана вимірювальним приладом, де застосовано подібний вимірювальний механізм.

Рисунок 4. Вимірювальний механізм феродинамічної системи

Щоб прилади з подібним механізмом можна було застосовувати як на постійному, так і на змінному струмі, феромагнітний магнітопровід 4 виконано шихтованим із тонких сталевих пластин. Циліндричне осердя 2 також виконують із тонких сталевих дисків.

Феродинамічні прилади, виконані на основі подібних вимірювальних механізмів, можуть мати невеликі розміри, їх покази практично не залежать від впливу зовнішніх магнітних полів. Але щоб вони успішно працювали на змінному струмі, треба, щоб сталеві пластини, які застосовують у вимірювальних механізмах, мали невелику коерцитивну силу та малу потужність втрат при змінному струмі в обмотках.

На основі феродинамічних вимірювальних механізмів виробляють ватметри, вольтметри й амперметри.

У зв’язку з тим, що струм до обмотки рамки подається по тонких пружинках, у випадках, коли цей вимірювальний механізм застосовують у амперметрах, необхідне використання внутрішніх шунтів, якими проходить більша частина вимірюваного струму, а до рамки відгалужується лише незначна його частина, допустима для протікання пружинами без істотного їх нагрівання.

У вимірювальних механізмах індукційної системи, які працюють тільки на змінному струмі, обертовий момент рухомої частини створюється внаслідок взаємодії змінного магнітного потоку зі струмами, індукованими в замкненій обмотці, диску чи у циліндрі зі струмопровідного неферо- магнітного матеріалу.

В індукційному вимірювальному механізмі з диском, що показаний на рис. 5, діють два змінних магнітних потоки — Ф₁, створений дією обмотки 1, що міститься на магнітопроводі 2, та Ф₂, створений дією обмоток 3, розміщених на магнітопроводі 4.

Обидва магнітопроводи з обмотками — нерухомі. Рухома частина вимірювального механізму складається з алюмінієвого диска 9, закріпленого на осі 10, що обертається в підп’ятниках 11.

При використанні індукційного вимірювального механізму в приладах зі стрілкою момент протидії, що діє на рухому частину, створюється пружиною 7. Заспокоєння коливань рухомої частини створюється магнітоіндукційним заспокоювачем коливань 8.

При використанні індукційного вимірювального механізму в лічильниках електричної енергії змінного струму, що буває найбільш вірогідним в умовах енергетичного підприємства, пружина 7 відсутня, а протидійний момент створюється тим пристроєм, що й у тільки-но розглянутому випадку був використаний для заспокоювання коливань, тобто магнітом заспокоювача 8. За такого використання вимірювального механізму обмотка 1 звичайно вмикається на напругу джерела змінного струму, а обмотка 3 — у коло струму, який проходить від джерела до споживача. У цьому разі величина обертового моменту, створюваного механізмом, буде пропорційна споживаній потужності, як і швидкість обертання диска. Показання лічильника кількості обертів 6, зв’язаного з віссю рухомої частини черв’яком 5, будуть пропорційні величині споживаної активної енергії, яка надійшла від джерела до споживача. Індукційні вимірювальні механізми широко застосовують у лічильниках електричної енергії змінного струму, проте їх можна також застосовувати у ватметрах, вольтметрах і амперметрах.

Рисунок 5. Вимірювальний механізм індукційної системи

У вольтметрах і амперметрах обидві обмотки механізму 1 і 3 мають бути виконані на одну й ту саму величину струму: у вольтметрів — на десятки міліампер, а у амперметрів — на номінальний струм, контрольований цим амперметром.

Завдяки невеликій довжині ділянок проходження магнітного потоку в немагнітному середовищі (через повітря та алюміній) потрібна магніторушійна сила обмоток цього механізму та споживана ними потужність — невеликі. Разом з тим обертовий момент, створений такими вимірювальними механізмами, достатньо великий, що зумовлює значну надійність і довговічність вимірювальних приладів.