00. Методичка_сборка. Указатель шага винта ушв1К 77

• Название: Указатель шага винта ушв1К 77
• Анкор: 00. Методичка_сборка.doc
• Дата: 24.10.2017
• Размер: 4.74 Mb.
• Имя файла: 00. Методичка_сборка.doc
• Тип: Указатель; #9790
• страница: 3 из 16

1.1.3 ПРИБОРЫ МАГНИТО­ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Основной частью любого прибора является измерительный механизм, который в комплекте с дополнительными устройствами может быть использован для измерения различных электриче­ских и неэлектрических величин.

Существует несколько конструкций магнитоэлектрических измерительных механизмов. Наибольшее распространение получили приборы с неподвижным подковообразным магнитом и поворотной рамкой (рис. 1.1).



Рисунок 1.1 – Устройство магнитоэлектрического измерительного механизма:

1 – постоянный магнит; 2 – полюсные наконечники; 3 – сердечники; 4 – рамка;

5 – стрелка; 6 – противовес; 7 – пружины (вторая на рисунке не показана);

8 – корректор; 9 – винт корректор; 10 – полуоси
Постоянный магнит 1, полюсные наконечники 2 и неподвижный железный сердечник 3 образуют магнитную цепь прибора. В равномерном воздушном зазоре между наконечниками и сердечником помещается рамка 4 из тонкой изолированной проволоки, намотанной на алюминиевый каркас, к которому крепятся полуоси 10. Прибор имеет стрелку 5 с противовесами 6.Ток к рамке подводится через спиральные пружины 7, которые одновременно являются и противодействующими. Для установки стрелки на нуль имеется корректор 8, винт которого 9 выведен, на лицевую панель прибора. Весь механизм помещается в корпус, у некоторых приборов он заключен в магнитный экран.

Все приборы снабжаются демпфирующими (успокоительными) устройствами, служащими для успокоения подвижной системы. В магнитоэлектрическом механизме роль успокоителя выполняет алюминиевый каркас, представляющий собой замкнутый виток. При колебаниях системы каркас пересекает магнитное поле магнита, в нем индуктируются токи, магнитное поле которых при взаимодействии с полем постоянного магнита вызывает успокоение подвижной системы.

Принцип действия магнитоэлектрического измерительного механизма основан на явлении выталкивания проводника (рамки) с током из магнитного поля постоянного магнита (рис. 1.2).



Рисунок 1.2 – Принцип действия магнитоэлектрического измерительного механизма
При протекании по рамке измеряемого тока I на ее активные стороны l действуют электромагнитные силы F:

,

где В - магнитная индукция в воздушном зазоре;

N - число витков рамки.

Пара сил, действующих на рамку, создает вращающий момент

. (1.3)

Под действием вращающего момента подвижная система поворачивается, закручивая пружины, которые создают противодействующий момент

, (1.4)

где D - удельный противодействующий момент, т. е. момент, создаваемый пружинами при повороте рамки на 1°. Удельный противодействующий момент зависит от материала пружины и ее геометрических размеров;

α - угол закручивания пружины (угол поворота подвижной системы).

В установившемся режиме наступает равновесие моментов М_пр=M_вр.

Приравняв выражения (1.4) и (1.3), получим уравнение шкалы магнитоэлектрического измерительного механизма

. (1.5)

Все величины, входящие в правую часть равенства (1.5), кроме силы тока, являются постоянными.

Тогда окончательно

, (1.6)

где S₁ - чувствительность механизма.

Так как угол поворота подвижной системы магнитоэлектрического механизма прямо пропорционален току, протекающему по рамке, то прибор может быть применен для измерения данной электрической величины. Однако рамки механизмов изготавливаются из тонкого провода, и непосредственно (без дополнительных устройств) они могут быть использованы лишь в качестве милли- и микроамперметров при последовательном включении в цепь.

Если рамку прибора включить параллельно, то согласно закону Ома ток в ней , где - сопротивление подвижной системы прибора. В этом случае уравнение (1.6) примет вид

. (1.7)

Отсюда и второе назначение прибора - измерение напряжения в милливольтах.

И наконец, если к прибору подключить источник с постоянным по величине напряжением, а в цепь рамки включить последова­тельно неизвестное сопротивление R_x, то уравнение (1.6) примет вид

(1.8)

и угол поворота подвижной системы оказывается функцией измеряемого сопротивления.

В комбинированных электроизмерительных приборах (ампервольтметрах, ампервольтомметрах) в комплекте с дополнительными устройствами, расширяющими пределы измерения электрических величин, используется общий магнитоэлектрический измерительный механизм с несколькими шкалами.

Приборы магнитоэлектрической системы получили широкое практическое применение, так как по сравнению с измерительными механизмами других систем они имеют ряд преимуществ:

потребляют незначительную мощность;

обладают высокой точностью и чувствительностью;

имеют относительно небольшие габариты;

с помощью шунтов и добавочных сопротивлений у них достаточно просто расширяются пределы измерений;

внешние магнитные поля оказывают на работу приборов незначительное влияние.

К недостаткам приборов следует отнести сложность устройства и высокую стоимость; малую перегрузочную способность. Слабым местом у приборов является рамка и пружины, которые при незначительных токовых перегрузках могут перегореть.

Недостатком прибора является также то, что он может работать только в цепях постоянного тока. Если по рамке (см. рис. 1.2) пропускать переменный ток, то направление вращающего момента за период будет дважды меняться на обратное и средний вращающий момент окажется равным нулю.

Указанный недостаток устраняется путем включения в цепь прибора полупроводниковых диодов. Приборы, представляющие сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма с полупроводниковыми диодами, называют приборами выпрямительной (детекторной) системы.



Рисунок 1.3 – Схема прибора выпрямительной системы
На рис. 1.3 приведена однополупериодная схема выпрямления, в которой один полупериод измеряемого тока проходит через диод V₁и измерительный механизм; в другой - через диод V₂, минуя прибор.
Магнитоэлектрический амперметр

Магнитоэлектрические измерительные механизмы непосредственно используются в качестве милли- и микроамперметров.

Однако на практике значения токов, протекающих в авиационных электрических сетях, достигают значительных величин. Например, авиационный генератор постоянного тока мощностью 18 кВт при номинальной нагрузке отдает в бортовую сеть ток 600 А.

Для расширения пределов измерения магнитоэлектрического прибора по току применяют шунты. Шунт включается параллельно с измерительным механизмом, а с нагрузкой оба эти элемента включаются последовательно (рис. 1.4). При данном способе включения по указателю протекает незначительная часть измеряе­мого тока.



Рисунок 1.4 – Схема магнитоэлектрического амперметра
Для точки А схемы на рис. 1.4 согласно первому закону Кирхгофа имеем .

Это является основанием для того, чтобы, рассчитав шунт, проградуировать шкалу измерительного механизма непосредственно в значениях измеряемого тока. Очевидно, чем меньше со­противление шунта R_ш, тем больше его шунтирующее действие и тем больше предел измерения прибора.

Для расчета шунта необходимо знать: сопротивление указате­ля R_ук; ток полного отклонения указателя I_ук; предел измерения тока I, на который рассчитывается шунт.

При расчете шунта определяют коэффициент шунтиро­вания - число, показывающее, во сколько раз измеряемый ток больше тока полного отклонения указателя: .

Тогда для точки A схемы на рис. 1.4

.

Так как указатель и шунт включены параллельно, то

.

Отсюда

(1.9)

В амперметрах, рассчитанных на небольшие токи (до 0,5 А), шунты изготавливают в виде катушек; на большие токи - в виде пластин.

Для уменьшения влияния температуры на показания прибора шунты изготавливают из материалов с малым температурным коэффициентом сопротивления - константана или манганина.

По месту установки шунты делятся на внутренние (монтируются в корпусе прибора) и наружные. В последнем случае на шкале прибора делается надпись: НШ 400 А; 75тУ.

В целях унификации приборов шунты и указатели изготавли­вают на стандартные напряжения: 45; 75; 100 и 150 мВ. Таким образом, если имеется, например, указатель с напряжением полного отклонения 75 мВ и стандартный шунт на это же напряжение, то необходимость в расчете шунта отпадает: достаточно к прибору подключить шунт и амперметр будет измерять силу тока, указанную на нем.

В многопредельных амперметрах применяют схему комбинированного шунта, состоящую из нескольких резисторов. На рис. 1.5 показана схема трехпредельного амперметра с комбинированным шунтом.

При включении прибора на предел I₁(рис. 1.5, а) сопротивление шунта наибольшее: , предел измерения тока - наименьший.

При включении прибора на предел I₃ (на рис. 1.5, б начертание схемы несколько изменено) роль шунта выполняет только резистор с сопротивлением R₃, т. е. , а предел измерения тока - наибольший.

На летательных аппаратах устанавливаются малогабаритные амперметры магнитоэлектрической системы серии А с конструкцией магнитной цепи, несколько отличной от приведенной на рис. 1.1. Угол поворота подвижной системы механизма равен 270°. Приборы работают в комплекте с наружными шунтами и имеют приведенную (основную) погрешность γ = 2,5%. Все указатели имеют двустороннюю шкалу на следующие пределы измерений: 40-0-400 А (прибор типа А-1); 50-0-500 А (прибор А-2);



Рисунок 1.5 – Схема трехпредельного амперметра:

а – для наименьшего предела измерения; б – для наибольшего предела измерения
100-0-1000 А (прибор А-3). Эти приборы включаются в цепи генераторов постоянного тока. При отклонении стрелки от нуля вправо прибор измеряет ток, отдаваемый генератором в бортовую сеть; отклонение стрелки от нуля влево указывает на то, что генератор перешел в двигательный режим, т. е. потребляет ток от сети.
Магнитоэлектрический вольтметр
Магнитоэлектрический измерительный механизм непосредственно может быть использован в качестве милливольтметра. Однако напряжения в бортовых сетях летательных аппаратов и промышленных сетях измеряются десятками и сотнями вольт.

Для расширения пределов измерения магнитоэлектрического прибора по напряжению применяют добавочные сопротивления, которые включаются последовательно с измерительными механизмами (рис. 1.6).



Рисунок 1.6 – Схема магнитоэлектрического вольтметра
Известно, что падения напряжения на отдельных участках при последовательном соединении элементов прямо пропорциональны сопротивлениям этих участков, а между измеряемым напряжением Uи падениями напряжения на участках справедлива зависимость . Эти соотношения являются основанием для того, чтобы, рассчитав величину добавочного сопротивления, проградуировать шкалу механизма непосредственно в значениях измеряемого напряжения.

Очевидно, чем больше будет величина добавочного сопротивления, тем при большем значении измеряемого напряжения ток в механизме достигает предельного значения.

Для расчета добавочного сопротивления необходимо знать:

сопротивление указателя R_ук;

напряжение полного отклонения указателя U_ук;

предел измерения напряжения U, на которое рассчитывается добавочное сопротивление.

При расчете добавочного сопротивления определяют коэффициент - число, показывающее, во сколько раз расширяется предел измерения указателя: .

Ток, протекающий по вольтметру:

(1.10)

С другой стороны, для указателя

(1.11)

Так как элементы соединены последовательно и , приравняем правые части равенств (1.10) и (1.11) и полученное выражение преобразуем к виду

или .

Окончательно

. (1.12)

Конструктивно добавочные сопротивления выполняются в виде катушек из изолированной константановой или манганиновой проволоки и монтируются или внутри прибора, или отдельно от него (отдельные добавочные сопротивления).

На летательных аппаратах устанавливается магнитоэлектрический вольтметр типа В-1 с верхним пределом измерения напряжения 30 В. Указатель прибора имеет конструкцию прибора, аналогичную амперметрам серии А. Добавочное сопротивление смонтировано в корпусе прибора. Приведенная (основная) погрешность γ = 2,5%.


Рисунок 1.7 – Схема многопредельного магнитоэлектрического вольтметра
В многопредельных вольтметрах применяют схему комбинированного добавочного сопротивления, состоящую из нескольких резисторов (рис. 1.7). При включении прибора на предел U₁ указатель используется в качестве милливольтметра (R_доб = 0).

На пределе U₂добавочное сопротивление равно сопротивлению R₁, т. е. R_доб = R₁; при включении на предел U₃ прибор будет измерять наибольшее напряжение; так как R_доб = R₁+R₂.



Рисунок 1.8 – Схема многопредельного вольтметра выпрямительной системы
Если в цепь вольтметра включить полупроводниковые диоды (рис. 1.8), то данным прибором можно измерять напряжения в цепях переменного тока.

На некоторых типах летательных аппаратов применяется комбинированный прибор - вольтамперметр серии ВА с измеритель­ным механизмом, аналогичным механизму прибора серии А.

Указатель имеет кнопку с надписью на корпусе «V нажать» и двухрядную шкалу: верхнюю - для измерения напряжения в пределах 0-30 В и нижнюю - для измерения силы тока с пределами 10-0-30 А (прибор ВА-1), 20-0-60 А (прибор ВА-2), 40-0-120 А (прибор ВА-3). Указатель работает в комплекте с наружным шунтом и внутренним добавочным сопротивлением.

В обычном состоянии прибор работает по схеме на рис. 1.4 и измеряет силу тока. При нажатии кнопки указатель отключается от шунта и последовательно с ним включается добавочное сопро­тивление. Вольтметр прибора работает по схеме на рис. 1.6.
Магнитоэлектрический омметр

Омметр - прибор, предназначенный для измерения сопротивлений.

Упрощенная схема омметра приведена на рис. 1.9. В цепь измерительного механизма включают низковольтный (1,5-6 В) химический источник питания, смонтированный в корпусе прибора, а к внешним клеммам подключают измеряемое сопротивление R_x.



Рисунок 1.9 – Упрощенная схема магнитоэлектрического омметра
Согласно закону Ома ток, протекающий по рамке указателя:

,

окажется зависящим от величины противления К_х.

Предположим, что э. д. с. источника и его внутреннее сопротивление - величины постоянные. Тогда каждому значению сопротивления R_x соответствует, определенное значение тока в цепи и шкала указателя может быть проградуирована непосредственно в омах. Заметим, что сила тока, протекающая по указателю, и сопротивление обратно пропорциональны друг другу: отсутствие тока соответствует обрыву в измеряемой цепи (R_x = ∞), а максимальный ток -сопротивлению, равному нулю. Отсюда вывод: шкала омметра, собранного по схеме на рис. 1.9, обратная и читается справа налево.

Реальные схемы омметров имеют дополнительные элементы.

При измерении малых сопротивлений ток в цепи указателя может оказаться больше тока полного отклонения и для его уменьшения последовательно с механизмом включают ограничивающее сопротивление R_огр(рис. 1.10).


Рисунок 1.10 – Принципиальная схема магнитоэлектрического омметра
Со временем (и при измерениях) химические источники разряжаются и их параметры изменяются: э. д. с. уменьшается, внутреннее сопротивление возрастает. Для исключения (точнее, уменьшения) влияния параметров ис­точника на точность измерения параллельно указателю (рис. 1.10) включают регулируемый резистор, рукоятка которого выводится на панель прибора.

Методика работы с омметром заключается в следующем: корректором при разомкнутой внешней цепи (R_x = ∞) стрелку прибора устанавливают на крайнюю левую отметку шкалы;

внешними проводниками замыкают клеммы (из-за малого сопротивления соединительных проводов можно считать, что R_x = 0), и, изменяя величину сопротивления регулируемого резистора, уста­навливают стрелку на нулевую отметку на шкале омметра, что соответствует предельному значению тока, протекающего по рамке;

размыкают внешние проводники и подключают их к измеряемому сопротивлению.

Так как прибор имеет собственный источник питания, измерения омметром производятся в обесточенных цепях. Настройку прибора на нуль омметра и измерения сопротивлений рекомендуется производить по возможности быстрее, так как при разрядке источника изменяются его параметры, что приводит к уменьшению точности измерения.

1.1.4 АВИАЦИОННЫЕ ФЕРРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Малогабаритные ферродинамические приборы на летательных аппаратах применяются для измерения напряжения, силы тока, частоты, активной мощности в бортовых электрических сетях с номинальной частотой 400 Гц. Все эти приборы имеют измерительный механизм одной конструкции (рис. 1.12).



Рисунок 1.12 – Устройство ферродинамического измерительного механизма
Принципиальное отличие конструкции ферродинамического измерительного механизма от магнитоэлектрического прибора (см. рис. 1.1) состоит в том, что вместо постоянного магнита здесь применен электромагнит, состоящий из П-образного ферромагнитного сердечника, собранного из отдельных пластин, на кото­рый помещается неподвижная катушка ω_н. В равномерном магнитном зазоре помещается подвижная рамка ω_п.

Вольтметры ферродинамические (ВФ) выпускаются на 3 различных предела измерения напряжения: 45, 150 и 250 В (числа, следующие за маркой прибора, указывают на верхний предел измерения: вольтметров - в вольтах; амперметров - в амперах). Обе обмотки с встроенным в корпус добавочным сопротивлением включаются последовательно. Данные приборы имеют две моди­фикации ВФ-0,4 и ВФ-1, отличающиеся друг от друга габарит­ными размерами и массой.

Амперметры ферродинамические (АФ) выпускаются на следую­щие пределы измерения тока: 25; 50; 75; 100; 150; 200; 300; 400 и 600 А. Упрощенная схема авиационного ферродинамического амперметра приведена на рис. 1.13. Обе обмотки измерительного механизма АФ включаются между собой последовательно. Для уменьшения тока в подвижной рамке она шунтируется резистором R_ш. Все механизмы авиационных амперметров серии АФ имеют ток полного отклонения 1 А.



Рисунок 1.13 – Схема авиационного ферродинамического амперметра
Для расширения пределов измерения указатели работают в комплекте с трансформаторами тока типа ТФ-1 или ТФ-2.

Трансформатор тока представляет собой тороидальный (в виде кольца) ферромагнитный сердечник, собранный из отдельных пла­стин, на который наматывается вторичная обмотка w₂с выводами u₁ и u₂.С этой обмоткой соединяется цепь измерительного ме­ханизма.

Первичной обмотки у трансформатора тока нет - она создается проводом, ток I в котором измеряется. Например, у амперметра типа АФ-25, работающего в комплекте с трансформатором тока ТФ-1, проводом в тороиде делается четыре витка; у прибора АФ-50 - 2 витка и т. п.

Переменный ток, протекая по проводу (первичной обмотке), создает переменный магнитный поток, под действием которого во вторичной обмотке индуктируется э. д. с. взаимной индукции и в цепи указателя протекает вторичный ток I₂, величина которого пропорциональна току первичной обмотки. Шкалы амперметров градуируются непосредственно в амперах.

1.1.5 ПРИБОРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ

На рис. 1.14 показано устройство электромагнитного измерительного механизма наиболее распространенной конструкции. Механизм состоит из неподвижной катушки 1 с клеммами 2. Каркас катушки имеет узкую щель 5, против которой располагается сердечник 4,изготовленный из магнитно-мягкого материала, закрепленного эксцентрично на оси 5 вместе со стрелкой 6.

Неподвижная изогнутая камера 7 с алюминиевым поршнем 9,скрепленным с осью, образуют воздушный успокоитель. Вследствие малого зазора между камерой и поршнем при движении последнего давление воздуха с разных сторон поршня меняется, чем и создается демпфирующий момент.

Спиральные пружины 8 служат только для создания противодействующего момента.



Рисунок 1.14 – Устройство электромагнитного измерительного механизма:

1 – катушка; 2 – клеммы; 3 – щель; 4 – сердечник; 5 – ось; 6 – стрелка; 7 – камера;

8 – пружины (на рисунке показана одна); 9 – поршень
Принцип действия электромагнитного измерительного механизма основан на втягивании в катушку, по которой протекает измеряемый ток, ферромагнитного сердечника.

При прохождении по обмотке измеряемого тока создается магнитное поле. Под действием магнитного поля сердечник намагничивается и втягивается в щель, поворачивая подвижную систему.

Угол поворота подвижной системы электромагнитного измерительного механизма пропорционален квадрату тока, протекающего по катушке:

.

Отсюда следуют два вывода:

шкала электромагнитного измерительного механизма неравномерная (квадратичная), т. е. сжатая вначале и растянутая в конце. Соответствующим подбором формы сердечника практически оказывается возможным шкалу прибора сделать более равномерной;

измерительный механизм пригоден для измерения в цепях как постоянного, так и переменного тока. Вращающий момент при измерениях в цепях переменного тока не меняет своего направления, так как при изменении направления тока в катушке одновременно меняется и полярность магнитно-мягкого сердечника.

Электромагнитные измерительные механизмы по своей конструкции являются наиболее простыми и надежными в эксплуатации. Приборы этой системы широко используются для измерения электрических величин в промышленных цепях переменного тока.

По точности приборы электромагнитной системы уступают приборам магнитоэлектрической системы.

Главным достоинством электромагнитных приборов является их высокая перегрузочная способность, обусловленная тем, что ток по спиральным пружинам не протекает и они выполняют роль только противодействующих.

1.2.1 МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЛОГОМЕТР С НЕПОДВИЖНЫМ МАГНИТОМ И ПОДВИЖНЫМИ РАМКАМИ

К логометрам относится значительная группа измерительных механизмов различных систем. На основе логометрических измерительных механизмов созданы приборы непосредственной оценки для измерения сопротивлений, частоты, емкости и других элек­трических величин, функционально не связанных с напряжением.

На летательных аппаратах логометры используются для измерения неэлектрических величин: давлений в различных системах, температур сред, запаса топлива и т. п.

Магнитоэлектрические логометры делятся на две группы:

логометры с неподвижным магнитом и подвижными рамками;

логометры с неподвижными рамками и поворотным магнитом.

От рассмотренного выше (см. рис. 1.1) однорамочного измерительного механизма логометры отличаются тем, что имеют не менее двух рамок.

Логометры с неподвижным магнитом и подвижными рамками имеют несколько конструктивных разновидностей:

с подковообразным постоянным магнитом и эллиптическим ферромагнитным сердечником (рис. 1.15);

с внутрирамочным эллиптическим магнитом и цилиндрическим сердечником и т. п.

Независимо от типа конструкции в магнитоэлектрических логометрах выдерживается один принцип - распределение магнитной индукции в воздушном зазоре должно быть неравномерным, т. е. B = f(α). Напомним, что в однорамочном магнитоэлектрическом измерительном механизме воздушный зазор между полюсными наконечниками и железным сердечником равномерен и B = const.

Выбор конструкции механизма обусловлен уравнением шкалы, которую необходимо получить для измерения той или иной величины.

Вторая особенность логометров состоит в том, что рамки пи­таются от одного источника напряжения. Ток к рамкам подво­дится через токоподводящие практически безмоментные пружины.

Отсюда - два вывода:

логометр не имеет корректора (и корректорного винта на лицевой панели);

в обесточенном состоянии подвижная система логометра может находиться, в принципе, в произвольном положении, т. е. не на нулевой отметке шкалы.



Рисунок 1.15 – Устройство магнитоэлектрического логометра с неподвижным магнитом
При протекании по рамкам тока пара сил (рис. 1.15), действующих на рамку 1-1, создает момент М₁,направленный по часовой стрелке.

Пара сил, действующих на рамку 2-2,создает момент М₂,направленный против часовой стрелки.

Если в однорамочном измерительном механизме вращающий момент определялся выражением ,то в логометре из-за неравномерного воздушного зазора эта зависимость будет иной, так как величина магнитной индукции в воздушном зазоре зависит от угла поворота рамок, т. е. B₁ = f(α) и B₂ = f(α).

Если обе рамки расположены симметрично относительно оси ОО',то магнитные индукции равны: B₁ = В₂.

При повороте подвижной системы, например по часовой стрелке, воздушный зазор для рамки 2-2 начнет уменьшаться и индукция В₂начнет возрастать. Одновременно для рамки 1-1 зазор увеличивается, а индукция B₁ - уменьшается.

Изменяя форму сердечников и полюсных наконечников, т. е. применяя различные конструкции магнитных цепей, создают различные законы изменения магнитной индукции.

Так как в логометре магнитная индукция функционально связана с углом поворота, т. е. B = f(α), то момент, создаваемый рамкой 1-1,определится в виде

. (1.13)

Аналогично момент, создаваемый рамкой 2-2:

. (1.14)

Если считать, что одна рамка создает вращающий момент, а другая - противодействующий, то оба момента в механизме создаются одним способом - за счет взаимодействия рамки с током в магнитном поле. Отсюда и другое название механизма - прибор без механического противодействующего устройства.

Преддоложим, что при неизменном токе I₂ = const ток в рамке 1-1 увеличился. Согласно уравнению (1.13) момент М₁ возрастет и подвижная система начнет поворачиваться по часовой стрелке. Магнитная индукция В₁ в зазоре рамки 1-1 уменьшится, а магнитная индукция В₂возрастет. В новом положении подвижной системы наступит равенство моментов М₁ = М₂.

Приравняем правые части выражений (1.13) и (1.14)



и полученному выражению придадим вид отношения

. (1.15)


Рисунок 1.16 – График распределения магнитной индукции в воздушном зазоре магнитоэлектрического логометра
Из графика на рис. 1.16 видно, что законы изменения магнитных индукций В₁ и В₂от угла поворота различны. Следовательно, отношение этих величин есть функция, зависящая от угла по­ворота, т. е.

.
Тогда уравнение (1.15) примет вид

. (1.16)

Разрешая уравнение (1.16) относительно угла поворота подвижной системы, получим общее уравнение шкалы логометра

. (1.17)

Из выражения (1.17) видно, что угол поворота подвижной системы логометра пропорционален отношению токов, протекающих по его рамкам (но не величине тока, как это имело место в однорамочном механизме).

Напомним, что рамки логометров питаются от общего источника. Если при неизменном значении измеряемого параметра изменится напряжение питания, то согласно закону Ома в одина­ковой степени изменятся токи, протекающие по рамкам, а их отношение (и угол поворота подвижной системы) останется неизменным.

Независимость показаний логометра от колебаний напряжения источника питания является ценным свойством измерительного механизма.

Рассмотренные выше особенности магнитоэлектрического логометра с неподвижным магнитом и подвижными рамками являются общими для логометров других систем и конструкций.

Рассмотрим примеры использования данного измерительного механизма для измерения физических величин.

Кроме измерения сопротивлений проводников и приемников (единицы, десятки и сотни Ом) на практике необходимо проверять качество изоляции электрических сетей и электрических устройств. В этих случаях речь идет о сопротивлениях в тысячи и миллионы Ом. Измерить такие сопротивления обычным омметром не представляется возможным, так как напряжение его низковольтного источника недостаточно для работы измерительного механизма. Кроме того, по требованиям техники безопасности измерение сопротивления изоляции должно производиться с ее одновременным испытанием на электрическую прочность, т. е. под напряжением, большим номинального напряжения устройства.

В промышленных приборах, предназначенных для измерения больших по величине сопротивлений, мегаом метр ах вместо низковольтных химических источников тока применяют высоковольтные (от 100 до 2500 В) генераторы постоянного тока, роторы которых приводятся во вращение от руки.

Из-за различной частоты вращения напряжение, выдаваемое генератором, оказывается меняющимся и применить в приборе однорамочный магнитоэлектрический измерительный механизм нельзя, так как его показания будут зависеть не только от величины измеряемого сопротивления, но и частоты вращения ротора генератора.

В качестве указателя в промышленных мегаомметрах применяют магнитоэлектрический логометр с подвижными рамками и неподвижным магнитом (рис. 1.17).



Рисунок 1.17 – Схема мегаомметра
Обе рамки подключаются параллельно к генератору постоян­ного тока Г. В цепь рамки 2-2 включено добавочное сопротивление R_д, а в цепь рамки 1-1 - измеряемое сопротивление R_x.

При постоянной частоте вращения ротора генератора ток I₂ является величиной постоянной, а ток I₁ зависит от величины сопротивления R_x. Отношение токов I₁/I₂оказывается функционально связанным с величиной измеряемого сопротивления, и уравнение шкалы прибора имеет вид

. (1.17)

Изменение скорости вращения ротора генератора (при R_x = const) вызовет изменение обоих токов в одинаковой степени, а их отношение останется неизменным, т. е. колебания напряжения источника не будут влиять на точность измерения.

В авиационных топливомерах в качестве указателя применяют логометр с поворотными рамками и регулируемым резистором R, включенным по схеме делителя тока (рис. 1.18).



Рисунок 1.18 - Схема авиационного топливомера с магнитоэлектрическим логометром
Прибор питается от бортовой сети постоянного тока. В цепи обеих рамок оказывается включенным часть сопротивления резистора R.

Общий ток, потребляемый прибором, в точке А разветвляется (делится) на два тока: ток I₁и ток I₂, которые протекают по соответствующим рамкам (отсюда и название схемы - делитель тока).

Если ползунок С находится в среднем положении, сопротивления обеих частей делителя равны, равны и токи I₁ и I₂, отношение токов I₁/I₂ = l и подвижная система логометра находится в среднем положении.

При заполнении бака топливом ползунок С перемещается по схеме вправо, сопротивление в цепи первой рамки уменьшается, а в цепи второй - увеличивается. В итоге меняются оба тока, их отношение и угол поворота подвижной системы логометра. Здесь токи рамок функционально связаны с количеством топлива Q и уравнение шкалы имеет вид

. (1.18)

Изменение напряжения в бортовой сети (при Q = const) в одинаковой степени изменит токи в рамках, а их отношение (и угол поворота подвижной системы) останется без изменения.

Рассмотренная конструкция магнитоэлектрического логометра имеет два существенных недостатка:

наличие подковообразного постоянного магнита увеличивает массу и габариты прибора;

наличие токоподводящих пружин уменьшает устойчивость прибора к электрическим перегрузкам и механическим воздействиям (тряскам, вибрациям, ударам).

В авиационных приборах более широкое применение получили магнитоэлектрические логометры другого типа - с неподвижными рамками и поворотным магнитом.

1.2.2 МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЛОГОМЕТР С НЕПОДВИЖНЫМИ РАМКАМИ И ПОВОРОТНЫМ МАГНИТОМ

Устройство логометра с неподвижными рамками и поворотным магнитом показано на рис. 1.19.



Рисунок 1.19 – Устройство магнитоэлектрического логометра с поворотным магнитом

1 - двухсекционные рамки; 2 - каркас; 3 - поворотный магнит;

4 - стрелка с про­тивовесами; 5 - магнитный экран; 6 - установочный магнит
Основными деталями логометра являются:

две неподвижные одинаковые двухсекционные рамки 1, расположенные под углом друг к другу;

медный каркас 2, выполняющий роль успокоителя (демпфера), в котором при колебаниях постоянного магнита индуктируются токи, успокаивающие подвижную систему;

поворотный магнит 3, закрепленный на оси в корундовых подпятниках;

стрелка 4 с противовесами, соединенная с осью;

магнитный экран 5 из пермаллоя, уменьшающий влияние внешних магнитных полей на показания логометра;

установочный магнит 6.

Направление магнитных потоков, создаваемых при протекании токов в рамках 1-1 и 2-2, определяется правилом правой руки для соленоида (рис. 1.20).



Рисунок 1.20 – Определение направления магнитного потока в рамке с током по правилу правой руки
На рис. 1.21, а показаны две рамки логометра, сдвинутые в пространстве на угол 90°, а на рис. 1.21,б - векторная диаграмма магнитных потоков Ф₁ и Ф₂, создаваемых этими рамками, для случая равенства токов I₁и I₂.



Рисунок 1.21 – Логометр (а) и векторные диаграммы магнитных потоков (б и в)
Принцип действия логометра с неподвижными рамками заключается в том, что поворотный постоянный магнит устанавливается в направлении результирующего магнитного потока Ф_Р, определяемого как геометрическая сумма потоков, создаваемых токами катушек.

Если изменить силу тока в рамках (на рис. 1.21, в показана диаграмма для случая I₁ > I₂), то при геометрическом сложении магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ произойдет поворот результирующего магнитного потока Ф_Р, а за ним и поворотного магнита со стрелкой.

При уменьшении величины питающего напряжения уменьшатся в одинаковой степени магнитные потоки обеих рамок (на рис. 1.21, в - до величины Ф₁и Ф₂), уменьшится величина результирующего магнитного потока Ф_p,.но его направление и положение магнита, а следовательно и показания логометра, не изменятся.

Угол полного отклонения поворотного магнита можно увеличить, развернув рамки. Однако если угол между магнитными потоками окажется более 120°, устанавливающий момент в середи­не шкалы начнет значительно уменьшаться (рис. 1.22). На практике в двухрамочных логометрах этот угол не превышает 130°.



Рисунок 1.22 - Векторная диаграмма магнитных потоков логометра для определения устанавли­вающего момента в се­редине шкалы
Для получения больших углов поворо­та подвижной системы (а в авиации при­меняют измерительные механизмы с углом поворота более 360°) используют трех- и четырехрамочные логометры.

В некоторых конструкциях логометров для увеличения установочного момента рамки наматывают на ферромагнитные сердечники.

И наконец, еще одна особенность авиационных логометров. Выше отмечалось, что логометры не имеют противодействующих пружин и подвижная система в обесточенном состоянии может находиться в любом положении. В авиационных логометрах в целях исключения ложной информации подвижная система в обесточенном положении прибора перемещается до упора влево за нулевую отметку шкалы.

В логометре рассматриваемого типа (см. рис. 1.19) возврат подвижной системы за начало шкалы осуществляется за счет взаимодействия магнитных полей поворотного и установочного магнитов. Установочный магнит практически не оказывает влияния на показания включенного логометра, но его магнитный поток оказы­вается достаточным для возврата подвижной системы в исходное положение.

Достаточное распространение получили логометры магнитоэлектрической системы, у которых в цепи рамок включают полупроводниковые диоды - логометры выпрямительной системы. Эти приборы работают в цепях переменного тока и могут быть использованы для измерения емкости, индуктивности, частоты.

На летательных аппаратах детекторные приборы в комплекте с соответствующими преобразователями применяются для измерения давлений в различных системах, температур и т. п.

1.2.3 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МОСТОВЫЕ СХЕМЫ

Электрические мостовые схемы относятся к наиболее точным и чувствительным схемам, применяемым в электроизмерительных приборах и устройствах авиационной автоматики.



Рисунок 1.23 – К пояснению принципа образования мостовой схемы
На рис. 1.23 представлена электрическая схема, в которую включены четыре резистора, образующие две параллельные ветви с эквивалентными сопротивлениями R_1,3и R_2,4. К узловым точкам С и Dподключен источник питания с напряжением U.



Рисунок 1.24 – Схема электрического моста постоянного тока
На рис. 1.24 начертание схемы несколько изменено, а между точками А и В дополнительно включен измерительный прибор, который образует «мост» между параллельными ветвями. Отсюда и происходит название «электрическая мостовая схема». Таким образом, «мостом» в схеме рис. 1.24 является ветвь АВ,но этот термин распространяют на всю схему.

Сопротивления R₁-R₄ называют плечами моста: точки A, В, C, D- вершинами моста, ветвь АВ - измерительной диагональю, ветвь CD - питающей диагональю.

По роду тока мостовые электрические схемы делятся на мосты постоянного и мосты переменного тока.

При включенном источнике питания возможны два состояния мостовой схемы:

уравновешенное - ток в измерительной диагонали не протекает;

неуравновешенное - ток в измерительной диагонали протекает.

На практике используются оба состояния мостовой схемы.

Если мост уравновешен, то I_пр = 0, т. е. можно считать, что эта ветвь выключена и схема моста превращается в схему, как на рис. 1.23. В свою очередь, это может иметь место при равенстве потенциалов точек A и В, т. е. φ_A = φ_B.

Но потенциалы φ_A и φ_B равны при равенстве падений напряжений на смежных плечах моста, т. е. U₁ = U₂и U₃ = U₄.

Представим данные напряжения по закону Ома через произведения соответствующих токов и сопротивлений:

; (1.19)

. (1.20)

Из схемы на рис. 1.24, имея в виду, что ток в измерительную диагональ не ответвляется, следует, I₁ = I₃и I₂ = I₄. Поделим выражение (1.19) на выражение (1.20), тогда получим:

или . (1.21)

В уравновешенной мостовой схеме произведения сопротивлений противоположных плеч равны.

Зная численные значения сопротивлений трех плеч и введя схему в равновесное состояние (I_пр = 0), из уравнения (1.21) можем определить численное значение сопротивления четвертого плеча:

. (1.22)

В неуравновешенном состоянии ток, протекающий по измерительной диагонали, зависит от соотношения сопротивлений плеч, сопротивления указателя и величины напряжения источника питания.

Электрическая мостовая схема является основой ряда измерительных приборов, применяемых для измерения электрических и неэлектрических величин.

В мостах постоянного тока - приборах, предназначенных для точного измерения сопротивлений, используется уравновешенное состояние электрической мостовой схемы.

Для питания мостов применяют марганцево-цинковые химические элементы, монтируемые внутри приборов (внутренний источник). Во многих промышленных мостах к зажимам внутреннего источника присоединены клеммы с надписью БАТ для подключения внешнего источника питания.

Три плеча моста изготавливаются с высокой точностью и представляют собой меры сопротивлений. Однозначная мера выполняется в виде катушки из манганиновой проволоки на одно из следующих.сопротивлений: 10^±пОм, где п - целое число.

Десять последовательно соединенных мер с одинаковыми со­противлениями образуют декаду сопротивлений.

Набор декад с различными сопротивлениями, отличающимися друг от друга в 10, 100, 1000 и т. д. раз, называют магазином сопротивлений (рис. 1.25). Декады соединяют между собой последовательно и с помощью переключателей на магазинах набирают различные сопротивления.



Рисунок 1.25 – Принципиальная схема магазина сопротивлений
Измерительным прибором, применяемым в мостах постоянного тока, является высокочувствительный магнитоэлектрический гальванометр, который выполняет роль индикатора, определяющего наличие тока и указывающего на неуравновешенное состояние моста.

От рассмотренного ранее магнитоэлектрического прибора галь­ванометр отличается тем, что не имеет спиральных пружин. В гальванометре рамка подвешивается вертикально на металли­ческой нити-подвеске, работающей на скручивание (рис. 1.26), Отсутствие осей (и трения в них) повышает чувствительность указателя в тысячи раз.


Рисунок 1.26 – К пояснению устройства магнитоэлектрического гальванометра
Упрощенная схема лабораторного моста постоянного тока представлена на рис. 1.27. Под сопротивлением R₃ подразумевается магазин сопротивлений, под сопротивлениями R₁ и R₂ - меры сопротивлений. Плечо R₂изготавливают из нескольких мер такой величины, чтобы отношение плеч моста R₁/R₂ оказывалось равным величине 10^±n, где п - целое число. Вместе взятые плечи R₁и R₂ называют плечом отношения, а плечо R₃ - плечом сравнения.



Рисунок 1.27 – Упрощенная схема лабораторного моста постоянного тока
Методика работы с промышленными мостами заключается в следующем:

к клеммам R_xподключают резистор, электрическое сопротивление которого измеряется;

включают источник питания;

изменяя положение рукояток переключателей плеч отношения и сравнения, вводят мостовую схему в равновесие, т. е. добиваются нулевого показания гальванометра;

В авиационных приборах для измерения неэлектрических величин, функционально связанных с сопротивлением (давления, температуры и т. п.), находят применение неуравновешенные мостовые электрические схемы.

Если мостовая схема находится в неуравновешенном состоянии, то ток, протекающий по измерительной диагонали, зависит от величины питающего напряжения. Для исключения этого влияния при измерении неэлектрических величин в мостовую схему включают магнитоэлектрический логометр.

Мостовая электрическая схема с логометром отличается от рассмотренной выше схемы моста с гальванометром наличием дополнительной ветви-полудиагонали СЕ с сопротивлением R₅, которое ограничивает силу тока в рамках логометра, что в конечном счете увеличивает чувствительность прибора (рис. 1.28).



Рисунок 1.28 – Мостовая схема с логометром
В приведенной схеме сопротивления плеч R₁и R₂равны. Если сопротивления плеч R₃ и R_xтакже равны, то мостовая схема находится в равновесии и потенциалы точек А и В равны. В этом состоянии от точки С к точке Е по сопротивлению R₅протекает ток I₅, который в точке E разветвляется на два одинаковых тока:

.

Отношение токов , и подвижная система прибора находится в среднем положении.

При уменьшении сопротивления R_xравновесие моста нарушается, потенциал точки В понизится и в измерительной диагонали от точки А к точке В потечет уравнительный ток I_ур. Теперь токи в рамках логометра определятся следующими выражениями:

и

Отношение токов в рамках станет другим, а именно:

,

и подвижная система займет новое положение.

Так как при разбалансе моста токи рамок изменяются в противоположных направлениях, то их отношение меняется более резко, что значительно увеличивает чувствительность прибора