Приборы электромагнитной системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Приборы электромагнитной системы

2. Применение

3. Классификация

4. Обозначения

5. История

1. Приборы электромагнитной системы

прибор электромагнитный ток амперметр

Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля катушки, создаваемого измеряемым током, со стальным сердечником, помещенным в это поле (рис. 1).

Рисунок 1

При протекании измеряемого тока через катушку 1 в ее плоской щели 2 создается магнитное поле. Вне катушки на агатовых подпятниках установлена ось 3 с эксцентрично укрепленным сердечником 4 из магнитомягкой (с малой коэрцитивной силой и большой магнитной проницаемостью) стали и стрелкой 5. Магнитное поле катушки намагничивает сердечник и втягивает его внутрь, поворачивая тем самым ось со стрелкой прибора. Этому повороту препятствует закручивающаяся спиральная пружина 6, создающая противодействующий момент.

В отличие от приборов магнитоэлектрической системы у приборов электромагнитной системы отклонения стрелки пропорционален квадрату тока:

б=c*I² (1)

где с - постоянная для данного прибора величина, поэтому шкала электромагнитного прибора неравномерна.

Меняя форму сердечника и его расположение в катушке, можно получить почти равномерную шкалу, начиная с 20% от верхнего предела измерений.

При меньших значениях измеряемой величины электромагнитные приборы недостаточно чувствительны и начальная часть шкалы считается нерабочей.

Направление отклонения стрелки прибора не зависит от направления тока в катушке, так как при изменении направления тока одновременно изменяется направление вектора магнитной индукции внутри катушки и в сердечнике, а характер их взаимодействия (притяжение) остается прежним. Этот же вывод следует из выражения (1), в которое значение тока входит в квадрате. Следовательно, эти приборы пригодны для измерений в цепях и постоянного, и переменного тока. В цепи переменного тока они измеряют действующее значение. Электромагнитные приборы применяются и как амперметры, и как вольтметры. В последнем случае обмотка выполняется большим числом витков тонкой медной проволоки.

Внешние магнитные поля оказывают значительное влияние на показания электромагнитных приборов из-за относительно слабого собственного магнитного поля. Для ослабления этого влияния измерительный механизм защищают стальным экраном или применяют астатические измерительные механизмы.

Астатическое устройство - это совокупность двух измерительных механизмов, подвижные системы которых объединены в одном приборе и воздействуют на одну и ту же ось со стрелкой. При этом измерительные механизмы расположены так, что под действием внешнего поля вращающий момент одного из них увеличивается, а другого на столько же уменьшается, при этом общий вращательный момент, действующий на всю подвижную систему прибора, остается неизменным.

Достоинствами электромагнитных приборов являются простота конструкции, невысокая стоимость, пригодность для постоянного и переменного тока, способность выдерживать большие перегрузки, возможность непосредственного включения амперметров на большие токи. а также пригодность их для применения в качестве щитовых приборов. Их недостатки: неравномерность шкалы, низкая чувствительность, сравнительно большое собственное потребление энергии, высокая чувствительность к влиянию внешних магнитных полей.

Приборы электромагнитной системы. Приборы электромагнитной системы основаны на взаимодействии магнитного поля катушки с подвижным ферримагнитным сердечником. Узел для создания вращающего момента (рисунок 2) состоит из катушки, по которой протекает измеряемый ток, и сердечника, закрепленного на оси указателя.

Рисунок 2. - Электромагнитный прибор:

а - вид общий с плоской катушкой, б - вид общий с круглой катушкой,

1, 4 - неподвижные катушки; 2 - ферримагнитный подвижной

сердечник; 3 - ось

Энергия, которая запасена в катушке, Wем = L • I 2 / 2. Индуктивность катушки при движении сердечника меняется, следовательно, выражение для вращающего момента с формулой

будет иметь следующий вид

.

Из условия равенства вращающего и противодействующего моментов получаем

.

Из этого уравнения следует, что отклонение указателя пропорционально квадрату измеряемого тока, то есть шкала нелинейная и прибор пригоден для измерения как постоянного, так и переменного тока. Градировка шкалы на постоянном токе соответствует среднеквадратичному (действующему) значению переменного тока.

Достоинства электромагнитных приборов - простота конструкции и надежность. Недостатки электромагнитных приборов:

- малая чувствительность;

- значительное потребление мощности от измеряемой цепи (до 1 Вт);

- нелинейность шкалы (в начале сжата, в конце растянута);

- значительная погрешность;

- влияние многих величин: температура окружающей среды, внешнее магнитное поле, частота измеряемого переменного тока.

Значительная погрешность объясняется наличием ферримагнитного сердечника, в котором нелинейное намагничивания и магнитный гистерезис, а также возникают вихревые токи. Гистерезис приводит к вариации показаний, то есть к различным показаний при подходе к точке отсчета со стороны меньших или больших значений. Под влиянием изменения температуры изменяются сопротивление обмотки катушки 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 значительно влияет на показания. Для защиты от внешнего магнитного поля используют два пути - экранирование и астазування. Экранирование Магнитомягкие железом уменьшает влияние внешнего магнитного поля, но приборы тяготятся; неизбежны отверстия для проводов, подводящих и щели возле шкал ослабляют экранирования. Чаще используют астазування, основанное на взаимодействии внешнего и внутреннего магнитных полей, что приводит к нулевому суммарного эффекта.

Рисунок 3. - Астатической измерительный прибор электромагнитной

системы

Астатической прибор состоит из двух одинаковых узлов, создающих вращающий момент, катушки которых соединены так, что их магнитные поля противоположных, рисунок 3.

Внешний магнитный поток Ф состоит из потоком Ф1 первого катушки и вычитается из потока Ф2 второй катушки. В результате суммарный крутящий эффект остается неизменным.

Электромагнитные приборы благодаря простоте, дешевизне и надежности широко применяются для измерения токов и напряжений в сильноточных цепях постоянный и переменный токи промышленной частоты (50 и 400 Гц). Большинство электромагнитных амперметров и вольтметров выпускаются в виде щитовых приборов различных размеров класса 1,5 и 2,5. Есть приборы класса 1,5 и 1,0 для работы на дискретных частотах 50, 200, 800, 1000 и 1500 Гц.

Амперметры электромагнитной системы. 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 100 мА до 500 А. Измерительные трансформаторы тока применяют для расширения пределов измерения переменного тока. Они различаются классами точности (от 0,05 до 1,0), значением нормированного номинального сопротивления нагрузки в цепи вторичной обмотки (от 0,2 до 2,0 Ом). Основная рабочая частота 50 Гц, но есть трансформаторы на 400 и 1000 Гц.

Рисунок 4. - Измерительный трансформатор тока:

а - схема включения б - конструкция проходного трансформатора тока

- Начало первичной обмотки w1 и вторичной обмотки w2.

1 - магнитопровод, 2 - изолятор

Первичная обмотка трансформатора тока содержит малое число витков (часто - один проводник) и включается в разрыв цепи И1 последовательно, рисунок 4. Вторичная - с амперметром А на 5А (иногда на 1А). Значение измеряемого тока (тока в первичной обмотке) I1 = n • IA определяется по показанию амперметра путем умножения показания на коэффициент трансформации

n = w2 / w1,

где w2, w1 - число витков вторичной и первичной обмоток соответственно.

Трансформаторы тока выпускаются для работы с первичным током от 5 А до 15 кА. При больших значениях тока первичная обмотка представляет собой прямолинейный проводник, шину или стержень, которые проходят через окно магнитопровода (рисунок 4, б).

Опоры амперметров малы, поэтому нормальным режимом работы трансформатора тока является режим, близкий к режиму короткого замыкания.

Вольтметры электромагнитной системы. Катушку вольтметра изготавливают из большого числа витков тонкой медного провода, достаточного для полного отклонения указателя при данном значений тока. Уравнение для электромагнитного вольтметра принимает следующий вид:

где RV - сопротивление обмотки катушки.

Щитовые вольтметры непосредственного включения выпускают со шкалами от 7,5 до 250 В., а с дополнительными опорами - на 450, 600 и 750 В; класс точности 1,5.

Измерительные трансформаторы напряжения применяют для измерения более высоких напряжений, вплоть до 15 кВ. Они различаются классом точности (0,1 и 0,2) и коэффициентом трансформации. Рабочая частота 50 Гц.

Первичная обмотка трансформатора напряжения включается параллельно измеряемой цепи. К зажимам вторичной обмотки подключается вольтметр. Значение измеряемого напряжения (напряжения в первичной обмотке) определяется показанием вольтметра, умноженным на число, обратное коэффициента трансформации:



Трансформаторы напряжения рассчитываются для работы с первичной напряжением от 380 до 500 000 В, поэтому число витков первичной обмотки велико. 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 3 кВ и выше, обеспечиваются высоковольтными изоляторами, содержащиеся в кожухи, заполненные трансформаторной елеем. Масса их достигает сотен килограммов. Измерительные трансформаторы на более высокие напряжения разрабатываются и изготавливаются индивидуально и представляют собой сложные электротехнические сооружения.

Рисунок 5. - Измерительный трансформатор напряжения и схема

включения трансформаторов тока и напряжения

Шунт - масштабный измерительный преобразователь, предназначенный для изменения значения измеряемой величины в заданное число раз.

Рисунок 6. - Схема включения магнитоэлектрического измерительного

механизма Р с шунтом Rш

Шунты изготавливаются из манганин. На небольшие токи (до 30 А) шунты обычно помещаются в корпусе прибора (внутренние шунты), на большие токи (до 7500 А) применяются внешние шунты.

Внешние шунты имеют две пары зажимов: токовые и потенциальные. Токовые зажимы служат для включения шунта в цепь с измеряемым параметрам; к потенциальным зажимов, сопротивление между которыми равен Rш, подключают измерительный механизм прибора.

Если необходимо иметь ток IP в измерительном механизме меньшим в n раз измеряемого тока I, то сопротивление шунта

,

где Rp - сопротивление измерительного механизма;

n = I / IP - коэффициент шунтирования.

Внешние (взаимозаменяемые) шунты разделяют на классы точности: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2 и 0,5. Шунты применяют главным образом в цепях постоянного тока с магнитоэлектрическим измерительными механизмами.

Применение шунтов с электромагнитными, электродинамическими, феродинамичнимы и индукционными измерительными механизмами нерационально из-за сравнительно большое потребление мощности этими механизмами, что приводит к существенному увеличению размеров шунтов и потребляемой мощности. Кроме того, при включении шунтов с измерительными механизмами на переменном токе возникает дополнительная погрешность от изменения частоты, поскольку с изменением частоты сопротивление шунта и измерительного механизма меняться неодинаково.

Делители напряжения. Для расширения пределов измерения измерительных механизмов по напряжению (вольтметров) применяют дополнительные резисторы, которые включают последовательно с измерительным механизмом; они образуют делители напряжения. Если напряжение постоянного тока, необходимая, для полного отклонения подвижной части измерительного механизма равна UP, а измеряемое напряжение U = m * UP, тот дополнительное сопротивление

Rд = RP * (n-1),

где RP - сопротивление измерительного механизма.

Дополнительные резисторы делаются из манганинового проволоки. Они бывают щитовыми и переносными, калиброванными и ограниченно взаимозаменяемыми, т.е. такими, которые предназначены для приборов типа, имеющие одинаковые электрические параметры. Дополнительные резисторы применяются для напряжений до 30 кВ постоянного и переменного тока частот от 10 Гц до 20 кГц.

По точности дополнительные резисторы разделяют на классы 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 и 1,0.

2. Применение

Электроизмерительные приборы - класс устройств, применяемых для измерения различных электрических величин. В группу электроизмерительных приборов входят также кроме собственно измерительных приборов и другие средства измерений - меры, преобразователи, комплексные установки.

Рисунок 7. ? Амперметр переменного тока



Рисунок 8. ? Вольтметр переменного тока

Рисунок 9. ? Омметр

Рисунок 10. ? Мультиметр (тестер)

Средства электрических измерений широко применяются в энергетике, связи, промышленности, на транспорте, в научных исследованиях, медицине, а также в быту - для учёта потребляемой электроэнергии. Используя специальные датчики для преобразования неэлектрических величин в электрические, электроизмерительные приборы можно использовать для измерения самых разных физических величин, что ещё больше расширяет диапазон их применения.

3. Классификация

Наиболее существенным признаком для классификации электроизмерительной аппаратуры является измеряемая или воспроизводимая физическая величина, в соответствии с этим приборы подразделяются на ряд видов:

- амперметры - для измерения силы электрического тока;

- вольтметры - для измерения электрического напряжения;

- омметры - для измерения электрического сопротивления;

- мультиметры (иначе тестеры, авометры) - комбинированные приборы

- частотомеры - для измерения частоты колебаний электрического тока;

- магазины сопротивлений - для воспроизведения заданных сопротивлений;

- ваттметры и варметры - для измерения мощности электрического тока;

- электрические счётчики - для измерения потреблённой электроэнергии, и множество других видов.

Кроме этого существуют классификации по другим признакам:

- по назначению - измерительные приборы, меры, измерительные преобразователи, измерительные установки и системы, вспомогательные устройства;

- по способу представления результатов измерений - показывающие и регистрирующие (в виде графика на бумаге или фотоплёнке, распечатки, либо в электронном виде);

- по методу измерения - приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;

- по способу применения и по конструкции - щитовые (закрепляемые на щите или панели), переносные и стационарные;

- по принципу действия:

? электромеханические:

? магнитоэлектрические;

? электромагнитные;

? электродинамические;

? электростатические;

? ферродинамические;

? индукционные;

? магнитодинамические;

? электронные;

? термоэлектрические;

? электрохимические.

4. Обозначения

В зарубежных странах обозначения средств измерений устанавливаются предприятиями-изготовителями, в России (и частично в других странах СНГ) традиционно принята унифицированная система обозначений, основанная на принципах действия электроизмерительных приборов. В состав обозначения входит прописная русская буква, соответствующая принципу действия прибора, и число - условный номер модели. Например: С197 - киловольтметр электростатический. К обозначению могут добавляться буквы М (модернизированный), К (контактный) и другие, отмечающие конструктивные особенности или модификации приборов.

В - приборы вибрационного типа (язычковые);

Д - электродинамические приборы;

Е - измерительные преобразователи;

И - индукционные приборы;

К - многоканальные и комплексные измерительные установки и системы;

Л - логометры;

М - магнитоэлектрические приборы;

Н - самопишущие приборы;

П - вспомогательные измерительные устройства;

Р - меры, измерительные преобразователи, приборы для измерения параметров элементов электрических цепей;

С - электростатические приборы;

Т - термоэлектрические приборы;

У - измерительные установки;

Ф - электронные приборы;

Х - нормальные элементы;

Ц - приборы выпрямительного типа;

Ш - измерительные преобразователи;

Щ - ?

Э - электромагнитные приборы.

5. История

В 1733-1737 гг. французский учёный Ш. Дюфе создал электроскоп. В 1752-1754 гг. его работы продолжили М.В. Ломоносов и Г.В. Рихман в процессе исследований атмосферного электричества. В середине восьмидесятых годов XVIII века Ш. Кулон изобрёл крутильные весы - электростатический измерительный прибор.

В первой половине XIX века, когда уже были заложены основы электродинамики (законы Био - Савара и Фарадея, принцип Ленца), построены гальванометры и некоторые другие приборы, изобретены основные методы электрических измерений - баллистический (Э. Ленц, 1832 г.), мостовой (Кристи, 1833 г.), компенсационный (И. Поггендорф, 1841 г.).

В середине XIX века отдельные ученые в разных странах создают меры электрических величин, принимаемые ими в качестве эталонов, производят измерения в единицах, воспроизводимых этими мерами, и даже проводят сличение мер в разных лабораториях. В России в 1848 г. академик Б.С. Якоби предложил в качестве эталона единицы сопротивления применять медную проволоку длиной 25 футов (7,61975 м) и весом 345 гран (22,4932 г), навитую спирально на цилиндр из изолирующего материала. Во Франции эталоном единицы сопротивления служила железная проволока диаметром в 4 мм и длиной в 1 км (единица Бреге). В Германии таким эталоном являлся столб ртути длиной 1 м и сечением 1 ммІ при 0°С.

Вторая половина XIX века была периодом роста новой отрасли знаний - электротехники. Создание генераторов электрической энергии и применение их для различных практических целей побудили крупнейших электротехников второй половины XIX в. заняться изобретением и разработкой различных электроизмерительных приборов, без которых стало немыслимо дальнейшее развитие теоретической и практической электротехники.

В 1871 году А.Г. Столетов впервые применил баллистический метод для магнитных измерений и исследовал зависимость магнитной восприимчивости ферромагнетиков от напряженности магнитного поля, создав этим основы правильного подхода к расчету магнитных цепей. Этот метод используется в магнитных измерениях и в настоящее время.

В 1880-1881 гг. французские инженер Депре и физиолог д'Арсонваль построили ряд высокочувствительных гальванометров с зеркальным отсчетом.

В 1881 г. немецкий инженер Ф. Уппенборн изобрел электромагнитный прибор с эллиптическим сердечником, а в 1886 г. он же предложил электромагнитный прибор с круглой катушкой и двумя цилиндрическими сердечниками.

В 1894 г. немецкий инженер Т. Бругер изобрел логометр.

В развитии электроизмерительной техники конца второй половины XIX и начала XX ст. значительные заслуги принадлежат М.О. Доливо-Добровольскому. Он разработал электромагнитные амперметры и вольтметры, индукционные приборы с вращающимся магнитным полем (ваттметр, фазометр) и ферродинамический ваттметр.

Размещено на Allbest.ru