1. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
В данной работе изучается устройство, основные технические характеристики и применение электромеханических измерительных приборов магнитоэлектрической, электродинамической и электромагнитной системы, измеряются величины постоянных напряжений и токов, производится анализ погрешностей измерений. Исследуется частотная зависимость показаний электромагнитного амперметра и производится косвенное измерение сопротивлений.
1.1. Краткие сведения об электромеханических измерительных приборах
Электромеханические приборы применяют для измерения напряжения, тока, мощности и других электрических величин в цепях постоянного и переменного тока низкой частоты. Название электроизмерительного прибора определяется его назначением. Различают вольтметры, амперметры, ваттметры, омметры, фазометры и комбинированные приборы - ампервольтметры, вольтомметры и другие.
По принципу действия электромеханические приборы делятся на приборы магнитоэлектрической, электродинамической, ферродинамической, электромагнитной, электростатической, индукционной и некоторых других систем, используемых реже. Принадлежность прибора к той или иной системе обозначается условным значком на его шкале.
Метрологические свойства прибора характеризуют его класс точности. Он обозначается числом на шкале прибора и указывает предел приведенной погрешности прибора, выраженный в процентах.
Основой электромеханического прибора является измерительный механизм (ИМ), имеющий отсчетное устройство, неподвижную и подвижную части и демпфер для успокоения собственных колебаний последней. Кроме ИМ прибор может содержать шунты и добавочные резисторы, расширяющие пределы измерения и размещенные в том же корпусе. На подвижную часть ИМ действует вращающий момент, возникающий под действием токов и напряжений, функционально связанных с измеряемой величиной. Для его уравновешивания используются спиральные пружинки или растяжки, создающие противодействующий момент, пропорциональный углу поворота подвижной части.
1.1.1. Магнитоэлектрические электроизмерительные приборы
Устройство магнитоэлектрического ИМ показано на рис. 1.1. Работа его основана на взаимодействии подвижной рамки 5, обтекаемой током, с полем постоянного магнита 1. Это поле с помощью магнитопровода 2, полюсных наконечников 3 и цилиндрического сердечника 4, изготовленных из магнитомягкого материала, концентрируется в зазоре, где движется рамка 5, сое
диненная полуосью 8 со стрелкой 6. Рамка 5 намотана на легком алюминиевом каркасе, в котором при движении возникают вихревые токи, способствующие успокоению ее колебаний. Ток подводится к рамке через спиральные пружинки 7, создающие противодействующий момент.
При протекании по обмотке рамки постоянного тока 
на нее действует вращающий момент
, (1.1)
где 
– индукция магнитного поля в зазоре; 
– площадь рамки; n – число витков обмотки рамки.
Учитывая, что противодействующий момент пропорционален углу поворота рамки, из выражения (1.1) можно найти угол отклонения, при котором наступает равновесие подвижной части ИМ
. (1.2)
где 
– коэффициент, зависящий от упругости пружинки. Коэффициент пропорциональности между углом отклонения и силой тока называется чувствительностью ИМ по току. Как следует из (1.2), при постоянстве индукции в зазоре чувствительность магнитоэлектрического ИМ постоянна и шкала линейна.
При протекании по обмотке рамки меняющегося во времени тока i(t) выражение (1.1) будет описывать связь мгновенных значений тока рамки и действующего на нее вращающего момента.
Если частота изменения тока намного меньше частоты собственных механических колебаний подвижной части ИМ, то отклонение рамки определяется мгновенными значениями ее тока. Такой режим работы характерен для регистрирующих приборов, например, самописца.
Частота собственных механических колебаний рамки мала и в большинстве случаев при проведении радиоизмерений частота тока рамки значительно превосходит ее. В этом случае угол отклонения рамки пропорционален постоянной составляющей ее тока
, (1.3)
где 
– постоянная времени подвижной части ИМ.
Магнитоэлектрические приборы для измерения постоянных токов и напряжений строятся по схемам, изображенным на рис. 1.2, а, б, в.
Н
епосредственно магнитоэлектрический ИМ, без дополнительных элементов, используют для измерения малых токов до 100 мА (рис. 1.2, а) и напряжений (до 100 мВ). Для измерения больших токов используют схему (рис. 1.2, б) с параллельным резистором – шунтом
, по которому течет большая часть измеряемого тока. Предел измерения тока амперметра с шунтом определяется следующим образом:
, (1.4)
где 
– сопротивление рамки ИМ; 
– ток полного отклонения рамки.
Для расширения диапазона измеряемых напряжений используют добавочные резисторы 
(рис. 1.2, в). При этом предел измерения
. (1.5)
Свойства магнитоэлектрических приборов. В магнитоэлектрическом ИМ собственное магнитное поле концентрируется в узком зазоре, что позволяет получить большие значения индукции и, следовательно, высокую чувствительность механизма. По той же причине этот ИМ мало чувствителен к внешним магнитным полям. Кроме того, на магнитоэлектрический ИМ не действуют высокочастотные наводки.
Магнитоэлектрические ИМ относятся к числу точных. При использовании в них высокостабильных магнитов могут быть созданы приборы классов точности до 0,05.
К недостаткам приборов этой системы можно отнести их относительно высокую стоимость и малую стойкость к перегрузкам.
1.1.2. Электродинамические электроизмерительные приборы
Устройство электродинамического ИМ поясняется рис. 1.3, а. Работа его основана на взаимодействии магнитных полей неподвижной и подвижной катушек с токами, взаимное расположение которых поясняется рис. 1.3, б. Неподвижную катушку 1 выполняют обычно из двух частей, между которыми проходит ось с закрепленной на ней подвижной катушкой (рамкой) 2 и стрелкой 3. Спиральная пружинка 4 служит для создания противодействующего момента и подвода тока к рамке. Для уменьшения времени успокоения колебаний подвижной катушки применяют воздушный успокоитель, не показанный на рис. 1.3.
Д
ля вывода зависимости угла поворота рамки электродинамического ИМ от токов, протекающих через его катушки, используют следующее обобщенное выражение вращающего момента, справедливое для всех электромеханических ИМ:
, (1.6)
где 
– работа, совершаемая при повороте рамки на угол 
; 
– энергия электромагнитного поля в ИМ. Для электродинамического ИМ
, (1.7)
где 
и 
– индуктивности подвижной и неподвижной катушек соответственно; 
и 
– мгновенные значения токов, протекающих через катушки; 
– взаимная индуктивность катушек.
При повороте рамки изменение энергии электромагнитного поля происходит за счет изменения взаимной индуктивности подвижной и неподвижной катушек. Используя (1.6) и (1.7), можно показать, что
, (1.8)
где K и Т имеют тот же смысл, что и в формулах (1.2) и (1.3).
Э
лектродинамические приборыстроятся по схеме с последовательным, параллельным или независимым включением катушек, что иллюстрируется рис. 1.4 а, б, в, где показаны соответственно схемы вольтметра, амперметра и ваттметра.
Используя (1.8), можно показать, что для схемы, изображенной на рис. 1.4, а,
, (1.9)
где 
– среднеквадратическое значение измеряемого напряжения. Подбирая форму и взаимное расположение катушек, стремятся выполнить следующее условие, при котором угол отклонения рамки пропорционален 
:
. (1.10)
Для схемы, изображенной на рис. 1.4, б, можно таким же образом получить
, (1.11)
где 
– постоянный коэффициент; 
– среднеквадратическое значение измеряемого тока. Ввиду того, что выражение (1.11) подобно (1.9), условие линеаризации шкалы в этом случае будет аналогично (1.10).
Для схемы, изображенной на рис. 1.4, в,
, (1.12)
где 
– активная мощность в нагрузке 
. Из выражения (1.12) следует условие линеаризации шкалы ваттметра 
, при выполнении которого отклонение рамки прибора пропорционально 
.
На практике удается сделать шкалу электродинамических приборов равномерной начиная с 15 ...20% от конечного ее значения.
Свойства электродинамических приборов. Электродинамические амперметры и вольтметры измеряют среднеквадратическое значение тока или напряжения и поэтому могут использоваться для измерений в цепях не только постоянного, но и переменного тока.
Электродинамические приборы являются наиболее точными среди других приборов переменного тока, поскольку в них отсутствуют ферромагнитные элементы и, следовательно, отсутствуют и погрешности, связанные с нелинейностью и нестабильностью ферромагнетиков. Класс точности этих приборов – до 0.05 и лучше. Столь малая погрешность, однако, имеет место только на низких частотах (до 1.5 кГц), где не сказывается влияние индуктивности катушек.
К недостаткам приборов этой системы следует отнести чувствительность к внешним магнитным полям и наводкам, что требует тщательной экранировки. Кроме того, чувствительность у электродинамических приборов меньше, чем у приборов магнитоэлектрических.
1.1.3. Электромагнитные электроизмерительные приборы
У
стройство электромагнитного ИМ показано на рис. 1.5. Работа его основана на взаимодействии подвижного ферромагнитного сердечника 2, укрепленного вместе со стрелкой 4 на оси 3, с неподвижной катушкой 1, обтекаемой током. Спиральная пружинка 5 используется здесь только для создания противодействующего момента. Успокоение колебаний подвижной части происходит за счет вихревых токов, возникающих в ферромагнитном сердечнике 2.
Для вывода зависимости угла поворота подвижной части такого прибора от протекающего через катушку тока можно воспользоваться (1.6). Учитывая, что при повороте сердечника изменение 
происходит только за счет изменения индуктивности катушки L, можно показать, что 
, где 
– среднеквадратическое значение тока, протекающего через катушку. Подбирая форму подвижного сердечника, стремятся выполнить условие 
, при котором угол отклонения подвижной части пропорционален среднеквадратическому значению тока а катушке.
Электромагнитные приборы включаются в цепь по тем же схемам, что и приборы магнитоэлектрические (см. рис. 1.2).
Свойства электромагнитных приборов . Как и электродинамические приборы, электромагнитные амперметры и вольтметры измеряют среднеквадратическое значение тока или напряжения и могут использоваться для измерений в цепях постоянного и переменного тока.
Основное достоинство электромагнитных приборов – простота конструкции и связанная с этим высокая надежность и низкая стоимость. Кроме того, эти приборы довольно стойки к перегрузкам. Все это обусловило широкое применение электромагнитных приборов для контроля токов и напряжений в различных силовых цепях.
Недостатком приборов этой системы является низкая точность и малая чувствительность, а также подверженность влиянию внешних магнитных полей.
1.2. Погрешности электроизмерительных приборов
Для характеристики точности электроизмерительных приборов используют приведенную погрешность, определяемую как отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению, которое принимают обычно равным конечному значению рабочей части шкалы прибора. Предел приведенной погрешности определяет класс точности прибора.
Предел относительной погрешности прибора для других значений шкалы
, (1.13)
где C – класс точности прибора; 
– предел измерений величины X; 
– измеренное значение этой величины. Погрешность имеет систематическую и случайную составляющие.
Из–за конечной величины внутреннего сопротивления прибора при включении его в цепь происходит нарушение режима работы цепи. Это вызывает методическую погрешность измерений. Так, при измерении тока в нагрузке 
амперметром с внутренним сопротивлением 
относительная методическая погрешность
. (1.14)
Основная составляющая погрешности обусловлена нестабильностью градуировки из–за температурных уходов и старения деталей ИМ, шунтов и дополнительных резисторов, трением в опорах подвижной части ИМ и другим факторам. Эта погрешность может иметь как случайную, так и систематическую составляющие.
При измерении переменных токов и напряжений электродинамическими приборами из–за влияния индуктивности их катушек возникает погрешность, зависящая от частоты. Так, показания электромагнитного амперметра зависят от частоты f следующим образом:
, (1.15)
где 
– показания прибора на низкой частоте; 
и 
– индуктивность и активное сопротивление катушки прибора; 
– сопротивление нагрузки, через которое протекает ток. При этом 
и 
сами зависят от частоты, но на низких частотах этим можно пренебречь.
1.3. Описание лабораторного макета
Схема лабораторного макета приведена на рис. 1.6. Макет содержит исследуемые амперметры Р2 и Р3, первый из которых магнитоэлектрической, а второй – электромагнитной системы, а также эталонный прибор Р1 более высокого класса точности (магнитоэлектрической системы) с шунтом 
и дополнительными резисторами 
и 
. Цепочка VD 
используется при контроле амплитуды переменного входного н
апряжения.
В макете имеется источник напряжения G , на выходах 2 ...5 которого присутствуют постоянное напряжение, переменное напряжение частотой 50 Гц и пульсирующие напряжения той же частоты, полученные с помощью одно– и двухполупериодного выпрямителей. Кроме того, макет содержит набор нагрузочных резисторов 
.
1.4. Задание и указания к выполнению работы
Внимание! Перед началом работы запишите необходимые для расчетов значения 
, 
, 
, сопротивления приборов 
и величину индуктивности катушки электромагнитного амперметра 
, указанные на лицевой панели лабораторного макета. Запишите также классы точности приборов Р1 ... Р3 (указывается на шкале прибора) и максимальное значение тока рамки 
прибора Р1, которое будет необходимо при расчете пределов по формулам (1.4) и (1.5).
1.4.1. Измерение постоянного тока и напряжения
Рассчитайте (дома) пределы измерения эталонным прибором Р1 тока и напряжения при использовании шунта 
и добавочных резисторов 
и 
. При расчете воспользуйтесь (1.4) и (1.5).
Подайте на вход измерительной схемы макета постоянное напряжение, установив переключатель S1 на лабораторном макете в положение 2. Включите в схему амперметры Р2 и Р3, для чего тумблеры S4 и S5 выключите (разомкните).
Устанавливая переключатель S3 в положения 1 ... 5, измеряйте ток нагрузки амперметрами Р2 , Р3 и эталонным прибором Р1. Для измерения тока эталонный прибор подключается с помощью переключателя S2 параллельно шунту 
. Измеряйте также величину напряжения 
на входе схемы с помощью эталонного прибора, который для этого подключается переключателем S2 к добавочному резистору 
.
Измерьте ток нагрузки эталонным прибором, последовательно выключая амперметры Р2 и Р3 с помощью тумблеров S4 и S5.
Рассчитайте предел относительной погрешности всех измерений тока амперметрами Р2 и Р3 с помощью (1.14), взяв величины 
из результатов п. 1.4.4.
Результаты измерений и расчетов занесите в таблицу 1.1. Результаты измерений прибором Р1 в протоколе будут выражены в делениях его шкалы. При оформлении отчета в табл. 1.1 следует пересчитать эти деления в единицы тока и напряжения, воспользовавшись формулами (1.4) и (1.5), а также свойством линейности шкалы прибора.
1.4.2. Измерение среднего и среднеквадратического значений пульсирующего и переменного тока
Переключателем S3 включите в схему нагрузочный резистор 
. Включите амперметры Р2 и Р3 , разомкнув тумблеры S4 и S5.
Подавая на вход измерительной схемы с помощью переключателя S1 (положения 3 ... 5), напряжения различной формы, фиксируйте показания приборов Р2 и Р3 . Одновременно измеряйте постоянную составляющую напряжения на входе схемы с помощью прибора Р1, устанавливая переключатель S2 в положение 2 или 3, так, чтобы отклонение стрелки прибора было наибольшим. (Дома не забудьте пересчитать показания прибора Р1 в единицы напряжения, как это предписывалось в п. 1.4.1).
Рассчитайте предел относительной погрешности всех измерений исходя из класса точности приборов, как и в п. 1.4.1.
Результаты измерений и расчетов занесите в таблицу 1.2.
1.4.3. Исследование частотной зависимости показаний электромагнитного амперметра
Включите генератор низкой частоты Г3–109. Соедините кабелем клеммы ВЫХОД 2 генератора Г3–109 с гнездом ВХОД лабораторного макета. Установите переключатель НАГРУЗКА , на лицевой панели Г3–109 в положение 5, а переключатель РЕГУЛИРОВКА ВЫХ. – в положение 15 V. С помощью переключателя S1 соедините выход генератора низкой частоты со входом измерительной схемы, переключателем S3 включите в цепь резистор 
, а эталонный прибор Р1 переключателем S2 подключите к цепочке VD 
для контроля амплитуды переменного входного напряжения. С помощью тумблеров S4 и S5 включите в схему прибор Р3 и выключите прибор Р2.
Исследование частотной зависимости показаний электромагнитного амперметра Р3 производите в диапазоне частот 0,05 ... 20 кГц. Для этого на частоте 50 Гц с помощью ручки РЕГУЛИРОВКА ВЫХ. генератора Г3–109 установите ток электромагнитного амперметра Р3 1А и зафиксируйте показания эталонного прибора Р1. Далее изменяйте частоту генератора Г3–109 , поддерживая амплитуду его выходного напряжения постоянной (контролируется прибором Р1), и фиксируйте показания электромагнитного амперметра Р3.
Используя (1.15), рассчитайте частотную зависимость показаний электромагнитного амперметра, взяв величину сопротивления 
из результатов п. 1.4.4.
Результаты занесите в таблицу 1.3. Постройте графики.
1.4.4. Расчет сопротивлений нагрузки
Этот пункт выполняется на основании результатов измерений, проделанных в п. 1.4.1. По измеренным значениям тока 
и напряжения 
(табл. 1.1) при выключенных приборах Р2 и Р3 рассчитайте величину сопротивлений 
(не забудьте при этом учесть сопротивление 
).
Рассчитайте предел относительной погрешности этих косвенных измерений. Необходимые для этого расчетные соотношения получите самостоятельно, пользуясь лекционным материалом или учебником. Результаты занесите в таблицу 1.4.
1.6. Содержание отчета
Отчет должен содержать схему лабораторного макета, а также результаты измерений и расчетов, выполненных в соответствии с заданием, оформленные в виде таблиц и графиков.
1.7. Рекомендуемые формы таблиц
Таблица 1.1
Таблица 1.4
1.8. Контрольные вопросы
1. Назовите основные типы электромеханических измерительных приборов.
2. Укажите источники погрешностей при измерении токов и напряжений электромеханическими приборами.
3. Поясните устройство электромеханического прибора магнитоэлектрической системы.
4. Поясните устройство электромеханического прибора электродинамической системы.
5. Поясните устройство электромеханического прибора электромагнитной системы.
6. Объясните влияние шунта и добавочного резистора на пределы измерения токов и напряжений электромеханическими приборами.
7. Объясните влияние формы измеряемого напряжения или тока на показания электромеханических приборов различной системы (по результатам п. 1.4.2).
8. Чем вызвана частотная зависимость показаний прибора электромагнитной системы?
9. Укажите источники погрешностей при косвенном измерении сопротивлений (по результатам п. 1.4.4).
10. Укажите возможные причины расхождения между экспериментально полученной частотной зависимостью показаний электромагнитного амперметра и данными теоретического расчета.
studfiles.net
Для измерения напряжения и силы тока широко применяются электромеханические приборы. Общим термином электромеханические приборы обозначают средства измерений, структурная схема которых представлена на рисунке 4. Эта схема включает в себя измерительную схему ИС, измерительный механизм ИМ и отсчетное устройство ОУ. К электромеханической группе принадлежат измерительные приборы магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, электростатической и индукционной систем. Приборы этих систем часто входят в состав и других, более сложных, средств измерений. По физическому принципу, положенному в основу построения и конструктивному исполнению, эти приборы относятся к группе аналоговых средств измерения, т.е. средств измерения, показания которых являются непрерывной функцией измеряемой величины.
Измерительная схема представляет собой совокупность сопротивлений, индуктивностей, емкостей и иных элементов электрической цепи прибора и имеет своей … основной задачей преобразовать измеряемую физическую величину 
в некоторую новую величину 
, под воздействием которой происходит перемещение 
подвижной части измерительного механизма, отсчитываемое с помощью отсчетного устройства. Таким образом, если выполняется зависимость 
, то прибор может быть проградуирован в единицах измеряемой величины. Понятно, что для этого необходимо, чтобы каждому значению измеряемой величины соответствовало одно, и только одно, определенное отклонение . Не менее важно, чтобы параметры схемы и измерительного механизма не изменялись при изменении внешних условий, например, температуры окружающей среды, частоты питающего схему тока и других факторов.
В большинстве электромеханических приборов выходным перемещением является угловое перемещение стрелки. Реже встречаются конструкции приборов с линейным перемещением указателя. Рассмотрим работу электромеханического прибора с угловым перемещением стрелки. Подвижная часть измерительного механизма с угловым перемещением изображена на рисунке 5 и представляет собой ось 1 со стрелкой 2, вращающуюся в подпятниках 3. Возможный угол поворота стрелки ограничен упорами 4; шкала прибора – 5.
При подаче на вход измерительной схемы прибора измеряемой величины возникает вращающий момент, описываемый выражением:
. (1)
Чтобы каждому значению измеряемой величины соответствовало определенное отклонение стрелки необходимо уравновесить вращающий момент 
противодействующим моментом 
, противоположным вращающему и возрастающим по мере увеличения угла поворота подвижной части.
В большинстве электроизмерительных приборов противодействующий момент создается плоской спиральной пружинкой 6, для которой справедливо соотношение:
, (2)
где 
– коэффициент, зависящий от свойств материала и размеров пружинки. При совместном воздействии вращающего и противодействующего моментов положение равновесия, т.е. установившееся отклонение стрелки, определяется из условия 
. Учитывая (1) и (2), получим:
. (3)
Решение этого уравнения представляет собой градуировочную характеристику прибора. Из (3) следует, что характер градуировочной характеристики определяется видом функциональной зависимости (2).
Подвижная часть измерительного механизма представляет собой колебательную систему. Для того чтобы в процессе достижения установившегося положения стрелка прибора не испытывала слишком долгих колебаний в электромеханических приборах, применяются успокоители, создающие момент успокоения, пропорциональный скорости перемещения стрелки:
,
где 
– коэффициент успокоения.
Различают воздушные, жидкостные и магнитоиндукционные успокоители. В воздушных и жидкостных успокоителях успокоение достигается торможением специального элемента подвижной части (лепестка, поршня) за счет трения о воздух или жидкость.
В магнитоиндукционных успокоителях торможение осуществляется за счет взаимодействия магнитных полей магнита и токов, индуцированных в проводящих элементах подвижной части при их движении в поле этого магнита.
Наиболее распространенными в практике технических измерений являются электромеханические приборы магнитоэлектрической и электромагнитной систем.
Приборы магнитоэлектрической системы. Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы основан на использовании взаимодействия поля постоянного магнита и катушки (рамки), по которой протекает ток.
Устройство прибора схематически изображено на рисунке 5. Между полюсами постоянного магнита NS с помощью полюсных наконечников 3 и цилиндрического сердечника 2 создается воздушный зазор такой формы, что силовые линии магнитного поля при любом положении рамки 1 перпендикулярны ее проводникам.
Сила, действующая на одну сторону рамки в магнитном поле (рисунок 6), определяется законом Ампера: 
,где 
– ток в проводниках рамки, 
– длина той части стороны рамки, которая находится в магнитном поле (активная длина), 
– магнитная индукция в воздушном зазоре, 
– число витков рамки.
загрузка…
На другую сторону рамки действует такая же сила, но противоположно направленная.
Момент сил определяется как произведение силы на плечо. Следовательно, 
, где 
–ширина рамки, 
– площадь рамки.
Значения , 
, для каждого прибора постоянны, поэтому последнюю формулу можно записать в виде 
, где 
– постоянный коэффициент.
Ток к рамке подводится через две спиральные пружины, которые одновременно служат для создания противодействующего момента. Момент, создаваемый пружиной, пропорционален углу закручивания, поэтому 
, где 
– постоянный коэффициент, – угол поворота рамки (равный углу закручивания пружины).
Учитывая, что в момент отсчета, когда стрелка неподвижна, , получаем 
. Из этого равенства находим
.
Таким образом, угол поворота рамки и стрелки-указателя пропорционален току, т.е. прибор может быть отградуирован как амперметр.
На основании закона Ома имеем 
, где 
– напряжение на зажимах прибора, 
– электрическое сопротивление рамки прибора.
После подстановки получаем:
.
Поскольку отношение 
для данного прибора – величина постоянная, последнее выражение показывает, что прибор может быть отградуирован как вольтметр.
Демпфирующий момент в магнитоэлектрических приборах создается за счет вихревых токов, возникающих в алюминиевом каркасе рамки при перемещениях подвижной системы.
Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры являются основными измерительными приборами в цепях постоянного тока.
Приборы магнитоэлектрический системы обладают высокими точностью и чувствительностью, малым собственным потреблением энергии. Они имеют равномерную шкалу (угол отклонения стрелки пропорционален току), их показания почти не зависят от влияния внешних магнитных полей. Основной недостаток этих приборов – невозможность измерений в цепях переменного тока.
Для измерений в цепях переменного тока магнитоэлектрические приборы включают через выпрямители. Высокочувствительный магнитоэлектрический прибор, соединенный с выпрямительной схемой, называют прибором выпрямительной системы. Выпрямительные элементы (диоды) монтируют в корпусе прибора и обеспечивают одно- или двухполупериодное выпрямление переменного тока.
Приборы выпрямительной системы находят широкое применение. Обычно их изготовляют комбинированными, т.е. предназначенными для измерения тока, напряжения, сопротивления в цепях постоянного и переменного тока с различными пределами измерения.
Выпрямительные схемы вносят дополнительные погрешности в измерения, поэтому класс точности приборов выпрямительной системы относительно невысок и обычно составляет 1,5–2,5.
Приборы электромагнитной системы. В основе работы приборов электромагнитной системы лежит принцип механического взаимодействия магнитного поля и ферромагнитного материала.
Устройство прибора схематически изображено на рисунке 7. Сердечник 3 из магнитомягкого (для уменьшения потерь на гистерезис) материала втягивается в катушку 1 при прохождении тока по ее обмотке. Противодействующий момент создается пружиной 2. Демпфирование осуществляется воздушным демпфером 4, представляющим собой гильзу, в которой может перемещаться легкий поршень, связанный со стрелкой.
Вращающий момент пропорционален квадрату тока, так как магнитные поля катушки и сердечника создаются одним и тем же измеряемым током, проходящим по катушке:
; 
Последнее выражение показывает, что угол отклонения стрелки пропорционален квадрату тока или напряжения. Шкала прибора квадратичная, сжатая вначале.
Приборы электромагнитной системы широко применяют для измерений в цепях постоянного и переменного токов. Они просты и надежны, обладают высокой перегрузочной способностью и механической прочностью. Однако этим приборам присущ ряд недостатков, основными из которых являются низкая чувствительность, невысокая точность, значительное собственное потребление энергии, неравномерность шкалы, влияние внешних магнитных полей на показания приборов.
Приборы электродинамической системы. Приборы электродинамической системы основаны на принципе механического взаимодействия проводников, по которым проходит ток.
Устройство прибора поясняется рисунке 8. Катушка 2 неподвижна, катушка 3 помещается на оси и может поворачиваться вместе с закрепленной на ней стрелкой. Ток к подвижной катушке подводится с помощью пружин 1, которые одновременно служат для создания противодействующего момента. Успокоение подвижной системы осуществляется воздушным демпфером 4.
Амперметры и вольтметры электродинамической системы имеют квадратичную шкалу.
Широко распространены электродинамические ваттметры – приборы для измерения электрической мощности в цепях постоянного и переменного токов. Электродинамические ваттметры имеют равномерную шкалу.
Основное достоинство приборов электродинамической системы – большая точность измерений в цепях постоянного и переменного тока. К недостаткам этих приборов следует отнести значительное собственное потребление энергии и подверженность воздействию внешних магнитных полей.
Разновидностью приборов электродинамической системы являются ферродинамические приборы, у которых для повышения вращающего момента магнитный поток неподвижной катушки создается в специальном магнитопроводе.
Конструкция ферродинамического прибора аналогична конструкции прибора магнитоэлектрической системы, у которого постоянный магнит заменен электромагнитом. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод ферродинамического прибора изготовляют из тонких листов электротехнической стали или прессуют из ферромагнитного порошка с электроизоляционным наполнителем.
Ферромагнитный сердечник вносит дополнительные погрешности в измерения, однако, применение высококачественных материалов и совершенной технологии изготовления позволяет получить ферродинамические ваттметры класса точности 0,2.
Существенным недостатком приборов ферродинамической системы является зависимость их параметров от частоты измеряемого тока.
Кроме рассмотренных выше систем существует еще целый ряд других систем. Например, электростатическая система, в основе которой лежит взаимодействие двух систем заряженных проводников, одна из которых является подвижной; индукционная система, в основе которой лежит взаимодействие магнитных потоков электромагнитов и вихревых токов, индуцированных магнитными потоками в подвижной части, выполненной в виде алюминиевого диска; тепловая система, основанная на изменении длины проводника, по которой протекает измеряемый ток.
Термоэлектрические приборы используются для измерения токов в диапазоне высоких частот. Термоэлектрический прибор состоит из термоэлектрического преобразователя и прибора магнитоэлектрической системы. Простейший термопреобразователь (рисунок 9) содержит нагреватель Н, по которому протекает измеряемый ток и связанную с ним термопару ТП. Рабочий спай термопары а находится в тепловом контакте с нагревателем. Нагреватель представляет собой тонкую проволоку из сплава с высоким удельным сопротивлением (нихром, манганин). Еще более тонкие проволочки из термоэлектродных материалов применяют для изготовления термопары. При прохождении измеряемого тока через нагреватель место контакта нагревателя и термопары нагревается до температуры 
а холодный спай b остается при температуре окружающей среды 
. В установившемся тепловом режиме мощность, выделяемая в нагревателе 
и мощность, рассеиваемая нагревателем в окружающую среду 
, равны. Если учесть, что:
, а 
,
где 
– коэффициент теплоотдачи от нагревателя к окружающей среде, – площадь теплоотдающей поверхности нагревателя, 
– перегрев рабочего спая термопары над температурой окружающей среды ( 
), 
– сопротивление нагревателя, то:
.
При перегреве рабочего спая термопары на величину 
в цепи термопары возникает термоэлектродвижущая сила:
,
где 
– коэффициент пропорциональности.
Таким образом, при прохождении измеряемого тока через нагреватель в цепи магнитоэлектрического прибора возникает постоянный ток 
– пропорциональный квадрату среднего квадратического значения измеряемого тока.
,
где 
– сопротивление магнитоэлектрического прибора.
Так как действие прибора основано на тепловом действии тока, то понятно, что магнитоэлектрический прибор с термоэлектрическим преобразователем измеряет среднее квадратическое значение переменного тока любой формы. Шкала термоэлектрического прибора близка к квадратичной.
Термоэлектрические преобразователи разделяются на контактные (рисунок 9) и бесконтактные (рисунок 10). В контактном преобразователе имеется гальваническая связь между нагревателем и термопарой, т.е. между входной и выходной цепями, что не всегда допустимо. В бесконтактном преобразователе нагреватель отделен от термопары изолятором из стекла или керамики, либо воздушной прослойкой.
Термоэлектрические приборы получили распространение преимущественно для измерения токов. В качестве вольтметров они практически не применяются, так как их входное сопротивление чрезвычайно мало.
К достоинствам приборов термоэлектрической системы можно отнести высокую чувствительность к измеряемому току, широкий диапазон частот, а также возможность измерения средних квадратических значений токов произвольной формы. Недостатком термоэлектрических приборов является неравномерность шкалы, зависимость показаний от температуры окружающей среды и большая инерционность термопреобразователей. Термоэлектрические приборы очень чувствительны к перегрузкам.
В зависимости от назначения термоэлектрические приборы имеют различные пределы измерения (от 1 мА до 50 А), классы точности (от 1,0 до 2,5) и частотный диапазон (от 45 Гц до сотен мегагерц).
refac.ru
В электромеханических приборах измерительный механизм (ИМ), состоящий из подвижной и неподвижной частей, преобразует подводимую к нему электрическуюэнергию в механическую энергию перемещения подвижной части и связанного с ней указателя отсчетного устройства. В соответствии с этим электромеханические приборы по способу формирования вращающего момента разделяются на магнитоэлектрические(МЭ), электромагнитные(ЭМ), электродинамические(ЭД), электростатические(ЭС) и индукционные(И). При работе с прибором необходимо знание его системы т.к. от этого зависят способы его применения.
а) -магнитоэлектрический (МЭ) ИМ, в) — ферродинамический (ФД) ИМ, б) — электродинамический (ЭД )ИМ, г) электростатический (ЭС) ИМ
1 — Магнитоэлектрическая система (МЭ) — состоят из неподвижного магнита и одной (или несколько) … подвижных катушек, отклоняющихся под действием проходящего по ним тока.
МЭ прибор основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и тока в подвижной катушке (рис. 1).
Конструктивно ИМ м б выполнен либо с подвижным магнитом, либо с подвижной рамкой. Постоянный магнит 1 с полюсными наконечниками 2 и неподвижный ферромагнитный якорь 3 составляют магнитную систему измерительного механизма. В зазоре между полюсными наконечниками и якорем создаётся сильное радиальное магнитное поле, в котором находится подвижная прямоугольная рамка 4, намотанная тонким медным проводом на алюминиевом каркасе. Рамка закреплена между полуосями 5, установленными в опорах. Спиральные пружинки 6, создающие противодействующий момент, используются в качестве токоподводов. На оси вращения рамки закреплена стрелка 7 указателя. Рисунок 1
Балансировка подвижной части осуществляется с помощью передвижных грузиков 8.
Приборы с магнитоэл-м ИМ маркируются буквой М, условным графическим значком « 
» и цифровой группой, напр М 4200, где цифрами обозначен порядковый номер конструктивной разработки.
Основными достоинствами МЭ приборов явл высокая точность (классы точности переносных лабораторных приборов 0,1; 0,2; 0,5 и щитовых- 1,0; 1,5; 2,5), высокая чувствительность, очень малое собственное потребление эл-й энергии (единицы микроватт), равномерность шкалы, хор-я защищённость от влияния внешних магн-х полей (магнитная индукция собственного магнитного поля не менее 0,4 Тл). Шкала — равномерная.
К недостаткам МЭ приборов следует отнести сравнительную сложность их устройства, чувствительность к перегрузкам, малое значение тока через рамку (не более 20 мА), зависимость погрешности измерения от нагрева спиральных противодействующих пружин, возможность измерения только постоянных токов и напряжений. Приборы с магнитоэлектрическими ИМ применяются для измерения постоянных токов и напряжений в широких пределах, а в сочетании с выпрямительными устройствами – и для измерения переменных токов и напряжений.
В приборах выпрямительной системы магнитоэлектрический измерительный механизм включается в диагональ выпрямительного моста на полупроводниковых диодах (рис. 2).
Приборы выпрямительной системы маркируются буквой «Ц», условным знаком 
и цифровой группой, напр, mA Ц 4200.
Шкала прибора выпрямительной системы линейна при любой форме переменного тока и напряжения. Приборы выпрямительной системы применяются
— в качестве щитовых в частотном диапазоне до 20 кГц с классами точности 1,5; 2,5 и
— в качестве переносных лабораторных с классами точности 0,5; 1,0.
Достоинства приборов выпрямительной системы: возможность измерения постоянных и переменных токов и напряжений, высокая чувствительность, малое собственное потребление энергии. К недостаткам -следует отнести зависимость погрешности измерений от температуры окружающей среды, внешних переменных магнитных полей и формы кривой измеряемого тока и напряжения (отличной от синусоидальной).
Термоэлектрические – из одной (нескольких) термопар. Термопары подогреваются током, пропорциональным измеряемому току (U) и дают постоянный I в измеритель МЭ.
2 —Электромагнитные (ЭМ) (с подвижным железом) – состоят из одной/ нескольких неподвижных катушек и одного /неск подвижных железных частей (ферромагнитный сердечник), изменяющих своё положение под действие тока, проходящего по катушкам
Приборы ЭМ системы основаны на взаимодействии м.п, создаваемого током в неподвижной катушке 1 с подвижным ферромагнитным якорем 2 (рис. 3). При включении прибора в изм. цепь под действием м.п. катушки якорь втягивается внутрь катушки, вызывая поворот оси 3 ИМ и перемещение жёстко связанной с ней стрелки указателя. Подвижная часть ИМ поворачивается до тех пор, пока вращ. момент не уравновесится противодействующим мом, создаваемым спиральной пружиной 5..
Угол поворот стрелки указателя не зависит от направления тока, что позволяет использовать пр. в цепях ~ и пост. тока.
Шкала прибора неравномерна, на начальном участке имеет разрыв. Выравнивание шкал начиная с 15% — 20% её конечного значения осуществляют путём выбора формы якоря (сердечника) и места его расположения относительно катушки.
Достоинства приборов ЭМ системы: простота конструкции, способность выдерживать значительные перегрузки, единая шкала для измерения постоянных и переменных токов и напряжений, большие величины измеряемых токов.
К недостаткам приборов следует отнести значительное собственное потребление энергии, невысокую точность (классы точности 0,5; 1,0; 1,5; 2,5), сильное влияние внешних магнитных полей и частоты источника энергии. Приборы ЭМ системы маркируются буквой «Э», условным знаком 
и цифровой группой, например, Э 421, Э 8021- и применяются в качестве щитовых амперметров и вольтметров в цепях постоянного и переменного тока с указанием на шкале частоты 50; 400; 500 или 1000 Гц.
| | | следующая страница ==> | |
| Электромеханические измерительные приборы | | | Электродинамические |
Дата добавления: 2014-12-09; просмотров: 1.
Поделиться с ДРУЗЬЯМИ:refac.ru
