Mierniki analogowe
Miernik jest to przyrząd pomiarowy, który wskazuje (bez rejestracji) mierzoną wartość wielkości mierzonej z określoną dokładnością. Wskazania miernika analogowego (wskazówkowego, elektromechanicznego) są ciągłą (lub skokową, ale nie cyfrową) funkcją mierzonej wielkości. W mierniku wyróżniamy układ pomiarowy i ustrój (mechanizm) pomiarowy, składający się z części nieruchomej i ruchomej, zwanej organem pomiarowym. Zadaniem układu pomiarowego jest przekształcenie mierzonej wielkości w inną, działającą bezpośrednio na ustrój pomiarowy, powodującą przesunięcie (odchylenie kątowe) wskazówki związanej mechanicznie z organem pomiarowym.
W miernikach analogowych wykorzystuje się kilka różnych typów ustrojów pomiarowych. Najważniejsze z nich to:
magnetoelektryczny,
elektromagnetyczny,
elektrodynamiczny,
elektrostatyczny,
i ich odmiany. Różnią się one:
zasadą działania,
budową,
własnościami oraz
przeznaczeniem,
mają jednak pewne wspólne cechy. Mianowicie, ruch (obrót) organu ruchomego miernika można wyznaczyć na podstawie II zasady dynamiki ruchu obrotowego:
Na poruszający się organ ruchomy miernika działają następujące momenty:
moment napędowy,
moment zwrotny (zawracający),
moment tłumiący.
Moment napędowy – wymusza ruch organu ruchomego i wynosi:
gdzie - W jest energia zużytą na przesunięcie organu ruchomego o kąt a.
Moment zwrotny – jest wytworzony zwykle przez dwie sprężyny wykonane z krzemobrązu (lub fosforobrązu), zwykle w postaci spirali Archimedesa o kilku – kilkunastu zwojach. Jest on proporcjonalny do kąta wychylenia organu ruchomego.
Moment tłumiący – każdy ruch podlega tłumieniu wskutek np. tarcia. Dzięki temu możliwe jest osiągnięcie stanu ustalonego. Jako „tłumik” można wykorzystać dużą lepkość oleju silikonowego, którego kropla umieszczona jest w czopie organu ruchomego. Stosuje się też tłumiki rozpraszające energię (powietrzny lub magnetyczny).
Ogólne równanie:
W stanie ustalonym:
a więc
MIERNIKI MAGNETOELEKTRYCZNE
Zasada działania miernika magnetoelektrycznego polega na oddziaływaniu pola magnetycznego magnesu trwałego na uzwojenie z prądem elektrycznym. Najczęściej stosuje się magnes trwały (stop Alni lub Alnico) 11, który wraz z nabiegunnikami 9 i rdzeniem 8 z miękkiego materiału ferromagnetycznego stanowią nieruchome (ciężkie) elementy. Służą one do wytworzenia w szczelinie powietrznej 12 promieniowego pola magnetycznego o stałej indukcji B. Organem ruchomym jest cewka 1, nawinięta na ramce 2 cienkim (0,02-0,1mm) drutem miedzianym i tak ułożyskowana, aby jej oś obrotu 6 pokrywała się z geometryczną osią szczeliny. Do osi przymocowana jest wskazówka 3 oraz masy dodatkowe 5, tak dobrane, aby środek ciężkości organu ruchomego znajdował się dokładnie w osi cewki. Dwie spiralne sprężyny 4, dostarczają do cewki prąd i wytwarzają moment zwrotny. Korektor zera (10) służy do nastawienia wskazówki dokładnie w pozycji zero.
Przy stałej wartości indukcji w szczelinie (B = const) siła działająca na jeden bok ramki wynosi
Na obydwa boki cewki, oddalone o szerokość a, działa siła F o zwrotach przeciwnych, wytwarzając moment obrotowy
gdzie kn – wartość stała dla danego ustroju miernika.
który w stanie ustalonym jest równoważony przez moment zwrotny sprężyn kz:
Si – czułość miernika
Stąd wychylenie organu ruchomego miernika a jest proporcjonalny do prądu I. Podziałka miernika jest więc (dla prądu stałego) podziałką regularną. Z podziałki pomiarowej odczytuje się wskazania w działkach obliczeniowych. Dokonując pomiaru należy wyznaczyć stałą podziałki przyrządu. Stała podziałki jest to wartość wielkości mierzonej odpowiadająca jednej działce obliczeniowej.
(3)
gdzie:
zakres pomiarowy Un,„In - napięcie, prąd odpowiadający maksymalnemu wychyleniu wskazówki, podane przy przełącznikach zakresów;
liczba działek „amax” - liczba umieszczona przy ostatniej kresce podziałki (np. 30).
Wartość mierzonego napięcia, (lub prądu) wynosi:
lub (4)
CU , CI - stała podziałki,
a - wskazanie woltomierza, (amperomierza) w działkach.
Każdy przyrząd pomiarowy pobiera pewną energię z mierzonego układu, a więc wpływa na rozpływ prądów, (rozkład spadków napięć) w badanym urządzeniu.
Amperomierz, który włączamy zawsze szeregowo w obwód powinien mieć jak najmniejszą rezystancję. Idealna była by rezystancja przyrządu równa 0W. Niestety zazwyczaj wynosi nawet do kilku W i powoduje zmianę rozpływu prądów. Rezystancja ta jest związana z budową amperomierzy, w których znajduje się przetwornik o pewnej rezystancji r zbocznikowany rezystorami pomiarowymi Rb, umożliwiającymi pomiar większych prądów i zmienianie zakresów pomiarowych. Rezystancja wewnętrzna amperomierza jest więc rezystancją wypadkową połączonych równolegle rezystorów bocznikujących i rezystancji ustroju pomiarowego (przetwornika).
Bocznik
Woltomierz, który włączamy zawsze równolegle do pewnej rezystancji Rd w obwodzie badanym również może powodować pewne zmiany w rozkładzie napięć i prądów. Idealny woltomierz powinien mieć nieskończenie wielką rezystancję wewnętrzną. Woltomierze uniwersalne zawierają dzielnik napięcia umożliwiający zmianę zakresu pomiarowego. Tak więc rezystancja wewnętrzna przyrządu w pierwszym przypadku jest sumą rezystancji rezystora i przetwornika, a w drugim zależy od stanu dzielnika napięcia, oraz rezystancji przetwornika.
Posobnik
Klasy dokładności 0,1 0,2 0,5 1
Omomierz szeregowy
Błędy
Wpływ obcego pola B pomijalny
Temperatura
Zmiana temperatury działa na:
indukcję B
stałą kz sprężyn
rezystancję Rc cewki
1 czynnik wynosi – 0,2-0,4%/10K
3 – 0,2-0,3%/10K i się znoszą
1
W. Spytkowski – W-M
albert123010