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 α.

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 α 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 „αmax” - liczba umieszczona przy ostatniej kresce podziałki (np. 30).

Wartość mierzonego napięcia, (lub prądu) wynosi:

lub
(4)

gdzie:

CU , CI - stała podziałki,

α - 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 0Ω. Niestety zazwyczaj wynosi nawet do kilku Ω 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

---