Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике 3-2. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ АМПЕРМЕТРЫ И ВОЛЬТМЕТРЫЭлектромеханические измерительные приборы относятся к приборам прямого преобразования, в которых электрическая измеряемая величина х непосредственно преобразуется в показание отсчетного устройства. Таким образом, любой электромеханический прибор состоит из следующих главных частей: неподвижной, соединенной с корпусом прибора, и подвижной, механически или оптически связанной с отсчетным устройством. Отсчетное устройство предназначено для наблюдения значений измеряемой величины. Оно состоит из шкалы и указателя, располагаемых на лицевой стороне прибора. Шкалой называется совокупность отметок (штрихов), расположенных в определенной последовательности, и проставленных у некоторых из них чисел отсчета, соответствующих ряду последовательных значений измеряемой величины. Шкалы могут быть равномерными и неравномерными (квадратичными, логарифмическими и др.). Расстояние между двумя соседними штрихами называется делением шкалы. Разность значений измеряемой величины, соответствующая двум соседним отметкам, называется ценой деления. Цена деления Шкала называется односторонней, если нулевая отметка помещена у ее начала, и двусторонней — при нуле посередине. Шкалу наносят на циферблат прибора; на нем же помещают название прибора и условные обозначения (см. табл. П6). Указатели делятся на стрелочные и оптические. Оптические указатели состоят из источника света, зеркальца, расположенного на подвижной части, и системы зеркал, удлиняющих путь луча света и направляющих его на полупрозрачную шкалу. Оптические указатели обеспечивают большую чувствительность прибора и меньшую погрешность отсчета по сравнению со стрелочными. Подвижная часть прибора снабжается осью или полуосями, которые оканчиваются запрессованными в них стальными кернами. Последние опираются на корундовые или рубиновые подпятники (рис. 3-4, а). Трение керна о подпятник снижает чувствительность и точность прибора, поэтому подвижную часть устанавливают на растяжках (рис. 3-4, б), а в чувствительных гальванометрах — на подвесе (рис. 3-4,в). Растяжки и подвесы представляют собой тонкие упругие нити или ленты из платиново-серебряного сплава. Измеряемый ток поступает в подвижную часть прибора через эти нити или ленты; в приборе на подвесе вторым проводником является безмоментная лента. В особо чувствительных гальванометрах безмоментная лента делается из золота толщиной 200-300 нм.
Рис. 3-4. Способы установки подвижной части прибора: а — на оси; б - на растяжках; в — на подвесе 1 — корпус; 2 — регулировочный винт; 3 — подпятник; 4 — керн; 5 — ось; 6 — растяжка; 7 — пружина; 8 — крепящий контактный винт; 9 рамка; 10 — подвес; II — зеркало; 12 - безмоментная лента Электромеханический измерительный прибор содержит следующие узлы: узел, создающий вращающий момент; узел, создающий противодействующий момент; успокоитель. Электромагнитная энергия
Под воздействием вращающего момента подвижная часть всегда будет поворачиваться до упора. Необходим противодействующий момент противодействующий момент прямо пропорционален углу поворота а:
где Во втором случае противодействующий момент создается за счет электромагнитной энергии измеряемой величины в соответствии с формулой Движение подвижной части прибора прекращается в некотором положении
Если противодействующий момент создается за счет электромагнитной энергии, движение прекращается в момент достижения равенства двух моментов
Обозначим
Отсюда следует, что а зависит от отношения двух электрических величин. Такие приборы называются логометрами (от греческого Успокоитель предназначается для убыстрения процесса затухания колебаний подвижной части прибора, выведенной из равновесия. Момент успокоения
где Наиболее паспространены воздушные, жидкостные и магнитоиндукыионные успокоители (рис. 3-5), с помощью которых время успокоения сокращается до 3—4 с. Электромеханические приборы по точности делятся на восемь классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. По принципу преобразования электромагнитной энергии в механическую они разделяются на несколько групп (систем). Основными системами являются: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая (ферродинамичё-ская) и электростатическая. Магнитоэлектрические приборы. Узел для создания вращающего момента состоит из сильного постоянного магнита и легкой подвижной катушки, по которой протекает измеряемый ток (рис. 3-6, а). Катушка в форме прямоугольной рамки помещена в кольцевом зазоре между полюсными наконечниками магнита и цилиндрическим сердечником, т. е. в радиальном магнитном поле. Принцип работы магнитоэлектрических приборов заключается во взаимодействии поля постоянного магнита с проводником (катушкой), по которому протекает измеряемый ток. При этом возникает пара сил
Рис. 3-5. Успокоители: а — воздушный; б - магнитоиндукционный Энергия магнитоэлектрической системы является суммой энергии поля магнита
Здесь В — магнитная индукция в зазоре, Таким образом, вся энергия, сосредоточенная в узле, вызывающем вращающий момент, равна
На основании формулы
На основании формулы
где
Рис. 3-6. Магнитоэлектрический прибор 1 — корректор; 2 — противодействующие пружины; 3 — подвижная катушка; 4 — полюсные наконечники; 5 стрелка; 6 — сердечник Формула (3-16) является уравнением шкалы прибора магнитоэлектрической системы. Из этого уравнения следует, что отклонение указателя пропорционально измеряемому току, шкала равномерна (линейна), при включении следует соблюдать полярность, так как прибор чувствителен к постоянному току. При включении прибора в цепь, по которой протекает пульсирующий или импульсный ток, отклонение указателя будет пропорционально постоянной составляющей (среднему значению) этих токов; в цепи с током синусоидальной формы вследствие инерционности подвижной части показания будут равны нулю и лишь при частоте переменного тока ниже 10 Гц подвижная часть с указателем будет совершать колебательные движения. Это свойство магнитоэлектрических приборов используется для индикации частоты, близкой к нулю, например частоты биений. Время установления показаний сокращается с помощью электромагнитного успокоения, возникающего за счет индуцированного тока в катушке, возбуждаемого при пересечении ею магнитного поля:
Аналогично формуле (3-15) находим момент электромагнитного успокоения
Коэффициент успокоения в соответствии с формулой (3-12)
Для увеличения коэффициента успокоения нужно уменьшать общее сопротивление, что не всегда возможно. Простой выход состоит в том, что катушка наматывается на алюминиевом каркасе, в котором индуцируется
где Если катушку утяжелять нежелательно, то она выполняется бескаркасной (витки склеиваются), а для получения индуцированной ЭДС наматывают дополнительный короткозамкнутый виток. Имеются конструкции магнитоэлектрических приборов с неподвижной катушкой и подвижным магнитом на одной оси с указателем (рис. 3-6, в). Достоинства магнитоэлектрических приборов: высокая чувствительность окружающей среды. Недостатки: сравнительная сложность изготовления и ремонта; недопустимость даже кратковременных перегрузок (обычно деформируются или перегорают токоподводящие пружинки, нити растяжек и подвесов). Магнитоэлектрические приборы применяются в качестве амперметров, вольтметров и гальванометров для измерений в цепях постоянного тока, а в сочетании с преобразователями переменного тока в постоянный — и для измерений в цепях переменного тока. Амперметры. Обмотка подвижной катушки состоит из витков тонкого провода, поэтому магнитоэлектрический прибор можно применять непосредственно только в качестве микро- или миллиамперметра и милливольтметра. Для измерения больших постоянных токов параллельно зажимам прибора присоединяется электрический шунт, представляющий собой прямоугольную манганиновую пластину. Для измерения токов выше 50 А применяют наружные шунты. Переносные приборы снабжаются внутренними многопредельными шунтами или наружными магазинами шунтов на несколько номинальных токов. Выбор шунта для данного прибора зависит от заданного расширения пределов измерения Погрешность шунтированного амперметра возрастает вследствие неточности изготовления шунтов (от 0,005 до Вольтметры. При параллельном подключении магнитоэлектрического прибора к участку электрической цепи можно измерить напряжение. В этом случае уравнение (3-16) следует переписать в виде
где Как уже было сказано, сопротивление обмотки катушки мало и для измерения больших напряжений последовательно ей включают добавочные резисторы с сопротивлением Пусть задано расширить предел измерения в
Рис. 3-7. Схема расширения пределов измерения: а — амперметра; б - вольтметра
Рис. 3-8. Графики различных режимов движения подвижной части гальванометра Гальванометры. Особо чувствительные магнитоэлектрические приборы для измерения токов, напряжений и количества электричества называются гальванометрами. Класс точности гальванометрам не присваивается. Гальванометры часто используют в качестве нулевых индикаторов, показывающих отсутствие тока в цепи. Для этого выпускаются гальванометры с двусторонней шкалой, т. е. с нулевой отметкой посередине. Гальванометры разделяются на переносные и стационарные. Подвижная катушка у переносных гальванометров крепится на растяжках; внутреннее отсчетное устройство снабжено оптическим указателем. Стационарные (зеркальные) гальванометры выполняют с подвесом рамки (катушки) и внешней шкалой, на которую падает луч света, отраженный от зеркальца (см. рис. 3-4, в). Легкая катушка и малый удельный противодействующий момент создают условия для возникновения механических затухающих колебаний подвижной части гальванометра (рис. 3-8, кривая [см. формулу (3-17)]
где Очевидно, что
В критическом режиме Электромагнитные приборы. Узел для создания вращающего момента (рис. 3-9, а) состоит из плоской или круглой катушки, по которой протекает измеряемый ток, и сердечника, закрепленного на оси указателя. Принцип действия приборов электромагнитной системы заключается во взаимодействии магнитного поля катушки с подвижным ферромагнитным сердечником. Энергия, запасенная в катушке,
Из условия равенства вращающего и противодействующего моментов получаем
Из этого уравнения следует, что отклонение указателя пропорционально квадрату измеряемого тока. Прибор пригоден для измерения как постоянного, так и переменного тока. Градуировка шкалы на постоянном токе соответствует среднеквадратическим (действующим) значениям переменного тока. Достоинства электромагнитных приборов — простота конструкции и надежность. Недостатки: малая чувствительность; значительное потребление мощности от измеряемой цепи
Рис. 3-9. Электромагнитный прибор 1, 4 — плоская и круглая неподвижные катушки: 2 - ферромагнитный подвижный сердечник; 3 - ось значительная погрешность; много влияющих величин: температура окружающей среды, внешнее магнитное поле, частота измеряемого переменного тока. Значительная погрешность объясняется наличием ферромагнитного сердечника, в котором возникают вихревые токи и магнитный гистерезис. Последний приводит к вариации показаний, т. е. к разным показаниям при подходе к точке отсчета со стороны меньших или больших значений. Под влиянием изменения температуры изменяются сопротивление обмотки катушкн и ее геометрические размеры. Полное сопротивление катушки переменному току зависит от. частоты, поэтому градуировка электромагнитного прибора действительна для определенной частоты или в узком диапазоне частот. Магнитное поле катушки очень слабое, поэтому внешнее магнитное поле оказывает значительное влияние на показания. Для защиты от магнитного поля используют два пути — экранирование и астазирование. Экранирование магнито-мягким железом уменьшает влияние внешнего магнитного поля, но приборы утяжеляются; неизбежные отверстия для подводящих проводов и щели возле шкал ослабляют экранирование. Чаще используют астазирование, основанное на взаимодействии внешнего и внутреннего магнитных полей, приводящем к нулевому суммарному эффекту. Астатический прибор состоит из двух одинаковых узлов, создающих вращающий момент, катушки которых соединены так, что их магнитные поля противоположны (рис. 3-9 б, в). Внешний магнитный поток Электромагнитные приборы благодаря простоте, дешевизне и надежности широко применяются для измерения токов и напряжений в сильноточных цепях постоянного и переменного тока промышленной частоты (50 и 400 Гц). Большинство электромагнитных амперметров и вольтметров выпускаются в виде щитовых приборов различных размеров класса 1,5 и 2,5. Имеются приборы класса 1,5 и 1,0 для работы на дискретных частотах 50, 200, 800, 1000 и 1500 Гц. Амперметры. Катушку амперметра изготовляют из медного провода, рассчитанного на номинальное значение тока, например 5 А. Число витков определяют из условия полного отклонения указателя амперметра при номинальном токе. Щитовые амперметры непосредственного включения выпускают со шкалами от Первичная обмотка трансформатора тока содержит малое число витков и включается последовательно в разрыв цепи (рис. 3-10). Начало и конец ее обозначаются буквами Трансформаторы тока выпускаются для работы с первичным током от 5 А до
Рис. 3-10. Измерительный трансформатор тока: а — схема включения; б - конструкция проходного трансформатора тока 1 — магннтопровод; 2 изолятор Сопротивления амперметров малы, поэтому нормальным режимом работы трансформатора тока является режим, близкий к режиму короткого замыкания. Вольтметры. Катушку вольтметра изготовляют из большого числа витков тонкого медного провода, достаточного для полного отклонения указателя при данном значении тока. Уравнение (3-19) для электромагнитного вольтметра приобретает следующий вид:
где Щитовые вольтметры непосредственного включения выпускают со шкалами от 7,5 до 250 В и добавочными сопротивлениями — на 450, 600 и Они различаются классом точности (0,1 и 0,5) и коэффициентом трансформации. Рабочая частота 50 Гц. Первичная обмотка трансформатора напряжения (рис. 3-11) обозначается буквами
Трансформаторы напряжения рассчитываются для работы с первичным напряжением от 380 до 500 000 В, поэтому число витков первичной обмотки велико.
Рис. 3-11. Измерительный трансформатор напряжения
Рис. 3-12. Электродинамический прибор 1 - неподвижная катушка; 2 - подвижная катушка Вторичная обмотка нагружена на вольтметр с большим сопротивлением, поэтому нормальным режимом работы трансформатора напряжения является режим, близкий к режиму холостого хода. Трансформаторы, первичная обмотка которых предназначена для работы с напряжением Электродинамические приборы. Узел для создания вращающего момента состоит из неподвижной катушки, внутри которой помещена подвижная. Принцип действия заключается во взаимодействии магнитных полей неподвижной и подвижной катушек, по которым протекают измеряемые токи (рис. 3-12). Неподвижная катушка разделена на две половины, по которым протекает ток Подвижная катушка расположена внутри неподвижной, и по ней протекает ток
где Дифференцируя выражение (3-21), получаем формулу вращающего момента
и уравнение отклонения указателя [с учетом формулы (3-9)]
Если через катушки пропустить переменные синусоидальные токи
Здесь Таким образом, уравнение (3-23) для переменного тока примет следующий вид:
Из формул (3-23) и (3-24) следует, что показания приборов электродинамической системы пропорциональны произведению токов, протекающих по катушкам; градуировка шкалы на постоянном токе справедлива и для переменных токов. Достоинства этих приборов следующие: возможность перемножать измеряемые величины, т. е. измерять мощность; малая погрешность, так как в механизме нет железа. Недостатки: малая чувствительность; значительное потребление мощности; сложность конструкции; недопустимость перегрузки; нелинейность шкалы; влияние температуры, частоты и внешнего магнитного поля. Для уменьшения влияния магнитных полей электродинамические приборы часто изготовляют астатическими. Промышленность выпускает много щитовых и переносных амперметров, вольтметров и ваттметров электродинамической системы для применения в цепях постоянного и переменного тока с частотой 50, 400, 1000, 2000 и 3000 Гц. Класо точности щитовых приборов 1,5; переносных
Рис. 3-13. Соединение катушек электродинамического прибора для работы его в качестве: а — амперметра; б - вольтметра; в — ваттметра Амперметры. Для измерения силы тока обе катушки соединяют параллельно или последовательно (рис. 3-13, а). При этом один и тот же ток протекает по обеим катушкам; уравнение (3-23) для амперметра имеет следующий вид;
где Очевидно, что при параллельном соединении катушек пределы измерения тока будут больше, чем при последовательном. Щитовые амперметры непосредственного включения выпускают с пределами измерения от 1 до 200 А. Расширение пределов Вольтметры. Для измерения напряжения обе катушки соединяют последовательно (рис. 3-13, б). Уравнение (3-28) для вольтметра примет вид
где Для расширения пределов измерения постоянного напряжения применяют добавочное сопротивление. Тогда в знаменатель уравнения (3-26) вместо Щитовые вольтметры непосредственного включения выпускаются со шкалами до 450 В, переносные — от 7,5 до 600 В. Для расширения пределов измерения вплоть до Ваттметры. Для измерения мощности одна катушка включается последовательно, а вторая параллельно нагрузке. Уравнение (3-23) для ваттметра приобретает следующий вид:
— для постоянного тока;
— для переменного тока; Щитовые ваттметры выпускают обычно с пределами измерения от 15 до Ферродинамические приборы являются разновидностью электродинамических с тем отличием, что неподвижные катушки заключены в сердечнике из ферромагнитного материала. Такая конструкция обеспечивает значительное увеличение вращающего момента и хорошую защиту от внешних магнитных полей. Однако наличие сердечника приводит к увеличению погрешности прибора. Электростатические приборы. Принцип действия приборов электростатической системы основан на взаимодействии двух электрически заряженных тел. Конструктивно они выполняются в виде неподвижной и подвижной пластин, к которым прикладывается измеряемое напряжение (рис. 3-14). Энергия электрического поля поэтому формула вращающего момента будет иметь вид
и отклонение указателя
Противодействующий момент создается спиральной пружинкой (рис. 3-14, а) или весом подвижной пластины (рис. 3-14, б). Из уравнения (3-28) следует, что электростатические приборы являются вольтметрами и киловольтметрами, пригодными для измерения постоянного и переменного напряжения.
Рис. 3-14. Устройство электростатических приборов: а — с изменяющейся рабочей площадью пластин; б - с изменяющимся расстоянием между пластинами; в — высоковольтного 1 и 2 — неподвижная и подвижная пластины; 3 — высоковольтный электрод; 4 — заземленный электрод; 5 металлическая труба; 6 - изолятор Шкала, градуированная на постоянном напряжении, справедлива для действующего значения переменного напряжения любой формы. Достоинства электростатических приборов: большие пределы измерений шкалы; влияние температуры окружающей среды и внешнего электрического поля. Для уменьшения влияния внешнего электрического поля применяется экранирование. Электростатический экран представляет собой в простейшем виде слой электропроводящей краски на внутренних стенках корпуса прибора. Экран лучшего качества делают из латунной фольги. Электростатические приборы выполняют в виде щитовых и переносных вольтметров и киловольтметров для применения в цепях постоянного и переменного тока с частотой от 20 Гц до
Рис. 3-15. Термоэлектрический прибор Входная емкость для разных приборов составляет от 4 до Термоэлектрические приборы. Приборы с термопреобразованием предназначены для работы в цепях переменного тока в диапазоне низких и высоких частот. Термоэлектрический прибор состоит из термоэлектрического преобразователя и магнитоэлектрического милли- или микроамперметра (рис. 3-15, а). Преобразователь (рис. 3-15, б) представляет собой нагреватель 1, по которому протекает измеряемый ток связаниую с ним термопару. Во время измерения температура места соединения нагревателя и термопары приобретает значение
Таким образом, характеристика термоэлектрического преобразователя квадратичная. Нагреватель включают последовательно в разрыв измеряемой цепи, а возникающую термоЭДС измеряют микроамперметром, работающим как милливольтметр. Шкалу последнего градуируют в среднеквадратических значениях измеряемого тока. Термоэлектрические преобразователи разделяются на контактные (рис. 3-15, б), бесконтактные (рис. 3-15, в) и вакуумные (рис. 3-15, г). 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 стеклянной или керамической бусинкой, так что между ними существует только незначительная емкостная связь. Чувствительность бесконтактного преобразователя ниже, чем контактного. В вакуумном термопреобразователе нагреватель и термопара помещены в стеклянный баллончик с давлением воздуха Нагреватель представляет собой тонкую проволочку из манганина или нихрома. Термопара состоит из разнородных металлов или сплавов, устойчивых при высоких температурах. Распространены пары хромель—копель, рабочая температура Максимальное значение измеряемого тока определяется сечением нагревателя и составляет от единиц миллиампер до десятков ампер. При необходимости измерения токов больших значений применяют трансформаторы тока. Максимальная частота измеряемого тока также зависит от сечения нагревателя и его длины и при минимальных размерах достигает сотен мегагерц. К достоинствам термоэлектрических приборов следует отнести независимость показаний от формы кривой измеряемого тока; к недостаткам — малую чувствительность, неравномерность шкалы, тепловую инерцию и недопустимость перегрузки. Влияющими величинами являются температура окружающей среды и частота измеряемого тока. Для уменьшения дополнительной температурной погрешности последовательно с магнитоэлектрическим миллиамперметром включают резистор из манганиновой проволоки (рис. 3-15, д). Дополнительная частотная погрешность зависит от размеров нагревателя, его поверхностного эффекта и паразитной емкости прибора Термоэлектрические приборы получили распространение преимущественно в качестве амперметров и миллиамперметров. Термоэлектрические вольтметры применяются редко вследствие малого входного сопротивления и низкой чувствительности Выпрямительные приборы. Для измерения тока и напряжения в цепях повышенной частоты широко применяются выпрямительные приборы, состоящие из выпрямительного преобразователя и магнитоэлектрического микро- или миллиамперметра (рис. 3-16, а). В качестве выпрямительных элементов используются полупроводниковые (германиевые или кремниевые) диоды, выпрямляющее действие которых определяется коэффициентом выпрямления
где Коэффициент выпрямления зависит от частоты и значения преобразуемой электрической величины и от темпера туры окружающей среды. С повышением частоты часть тока ответвляется через внутреннюю емкость диода и коэффициент выпрямления уменьшается. Такое же действие оказывает и повышение температуры окружающей среды. В нормальных условиях у германиевых диодов Выпрямительные приборы работают по схемам одно- или двухполупериодного выпрямления. В схеме однополупериодного выпрямления (рис. 3-16, б) ток в течение положительного полупериода проходит по измерительной ветви (открытый диод
Рис. 3-16. Схемы выпрямительных амперметров и графики токов и напряжений: а, б, в — при однополупериодном выпрямлении; г, д - при двухполупериодном выпрямлении Через диод
и показание В схеме двухполупериодного выпрямления (рис. 3-16, г) измеряемый ток в течение положительного полупериода проходит по цепи значению переменного тока. Для синусоидального тока (рис. 3-16, д)
и показание прибора Таким образом, очевидно, что характеристика выпрямительного преобразователя линейна. Измеряемый ток любой формы вызывает отклонение подвижной части выпрямительного прибора, пропорциональное средневыпрямленному значению. Шкалу выпрямительных приборов всегда градуируют в среднеквадратических значениях тока синусоидальной формы. Следовательно, все оцифрованные деления шкалы умножены на коэффициент формы
Рис. 3-17. Схемы выпрямительных приборов Отсюда следует, что при измерении тока или напряжения несинусоидальной формы полученный отсчета нужно разделить на 1,11 (получим средневыпрямленное значение измеряемого тока) и умножить на коэффициент формы измеряемого тока результат измерения:
Если выпрямительный прибор работает по схеме однополупериодного выпрямления, то вместо 1,11 подставляют 2,22. Главными источниками погрешностей выпрямительных приборов являются: погрешность градуировки миллиамперметра; емкость диодов; изменение температуры окружающей среды; выход частоты за пределы рабочего диапазона; отклонение формы кривой измеряемого тока от синусоидальной. Для измерения больших токов применяют приборы со схемой, представленной на рис. 3-17, а. Здесь резисторы многопредельных амперметрах набор таких шунтов помешают внутри корпуса прибора и переключают наружным ручным переключателем. Выпрямительный вольтметр состоит из выпрямительного миллиамперметра и добавочного резистора (рис. 3-17, б). Добавочные резисторы располагают внутри корпуса многопредельного вольтметра и переключают их при изменении предела измерения. Внутреннее сопротивление выпрямительного вольтметра на каждом пределе разное, поэтому его выражают в виде числа ом, приходящегося на 1 В, например Выпрямительные приборы получили широкое распространение в качестве комбинированных измерителей постоянного и переменного тока и напряжения. Снабженные источником постоянного напряжения (малогабаритный аккумулятор или химический элемент), они могут использоваться для измерения электрического сопротивления.
|
1 |
Оглавление
|