Классификация и основные системы электроизмерительных приборов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЛЕКЦИЯ

ТЕМА №3 «КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ»

ВОПРОСЫ

1. Классификация электроизмерительных приборов и технические требования, предъявляемые к ним

2. Основные системы электроизмерительных приборов

2.1 Приборы электромагнитной системы

2.2 Приборы электродинамической системы

2.3 Приборы магнитоэлектрической системы

2.4 Приборы индукционной системы

ЛИТЕРАТУРА

1. Электротехника и электроника: учебное пособие для вузов/ Под ред. В.В. Кононенко. - Ростов н/Д: Феникс, 2008. - 778 с.

1. Классификация электроизмерительных приборов и технические требования, предъявляемые к ним

Электроизмерительные приборы классифицируют по различным признакам.

По роду измеряемой величины электроизмерительные приборы подразделяют на амперметры, вольтметры, ваттметры, счетчики электрической энергии, фазометры, частотомеры, омметры и т. д. Условное обозначение по роду измерительной величины (табл. 1) наносится на лицевую сторону прибора. На шкалах электроизмерительных приборов указывают также условные обозначения, отражающие род измеряемого тока, класс точности прибора, испытательного напряжения изоляции, рабочего положения прибора и т. д. (табл. 2).

Таблица 1. Классификация электроизмерительных приборов по роду измеряемой величины.

Таблица 2. Условные обозначения на измерительных приборах.

Измерительные приборы бывают аналоговыми и цифровыми. Аналоговыми называют измерительные приборы, показания которых являются непрерывной функцией измеряемой величины. Цифровыми называют измерительные приборы, показания которых выражены в цифровой форме.

В зависимости от вида получаемой информации измерительные приборы подразделяют на показывающие, интегрирующие, суммирующие (табл. 3).

Таблица 3. Условные обозначения на измерительных приборах.

Наибольшее распространение в электротехнической практике получили показывающие приборы, т.е. приборы непосредственной оценки, или прямого отсчета. Приборы этого типа независимо от принципа действия и назначения состоят из двух основных частей: измерительной цепи и измерительного механизма Простейшая измерительная цепь, например, вольтметра, представляет собой катушку с последовательно подсоединенным добавочным сопротивлением. При постоянном сопротивлении такой цепи через катушку проходит ток, пропорциональный измеряемому напряжению.

В простейшем амперметре измерительная цепь состоит из измерительной катушки, последовательно подключенной к электрической сети, в которой необходимо измерить ток.

Измерительный механизм предназначен для преобразования подводимой к нему электрической энергии в механическую энергию перемещения подвижной части прибора и связанной с ней стрелкой или другим указательным устройством, каждому положению которого соответствует определенное значение измеряемой величины. Одинаковый по конструкции измерительный механизм в сочетании с различными измерительными цепями можно применять для измерения различных электротехнических величин (тестер).

К электроизмерительным приборам предъявляются следующие основные требования:

1) погрешность прибора не должна превышать указанного на лицевой стороне предела (класса точности) и не должна изменяться с течением времени;

2) шкала прибора должна быть проградуирована в единицах СИ;

3) прибор должен быть снабжен успокоительной системой;

4) магнитные и электрические поля, температура окружающей среды не должны оказывать заметного влияния на показания прибора;

5) прибор должен потреблять минимальное количество энергии и должен выдерживать установленную соответствующим ГОСТом перегрузку.

2. ОСНОВНЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

2.1 Приборы электромагнитной системы

Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на механизме втягивания подвижного ферромагнитного сердечника внутрь неподвижной катушки под действием ее магнитного поля, создаваемого в катушке проходящим через нее измеряемым током.

Наиболее широко распространены электромагнитные приборы с плоской катушкой (рис. 1).

Прибор состоит из прямоугольной неподвижной катушки 4, через которую проходит измеряемый ток. Катушка имеет узкую щель, в которую может входить сердечник, выполненный в виде тонкого лепестка 3 из магнитомягкой стали и закрепленной эксцентрично на оси 7 прибора. К этой же оси прикреплены указательная стрелка 2, спиральная пружина 5 и балансировочные грузы 6 и (или) может крепиться поршень воздушного успокоителя. Концы оси прибора удерживаются в подшипниках. Ток I, проходя через витки катушки, создает магнитный поток, который, намагничивая стальной сердечник, втягивает его в катушку, причем тем сильнее, чем больше магнитная индукция поля катушки. При втягивании стального сердечника ось прибора отклоняется и стрелка отклоняется на некоторый угол б.

Электрическая сила, действующая на стальной сердечник и вызывающая его перемещение, может быть выражена через соответствующее этому перемещению изменение энергии магнитного поля:

.

При повороте подвижной части прибора на угол при плече r за счет приложенной силы переменная . Тогда вращающий момент

.

Так как энергия магнитного поля катушки электромагнитного прибора , то при повороте подвижной часта прибора и, естественно, ферромагнитного сердечника изменяется индуктивность L, а значит, и энергия магнитного поля. Поэтому вращающий момент электромагнитного прибора

.

Противодействующий момент, уравновешивающий вращающий момент, пропорционален углу перемещения подвижной части электромагнитного прибора б, т. е. М_ПР = Кб . При установившемся состоянии подвижной части прибора, когда вращающий момент равен противодействующему, имеем M_ВР=M_ПР, или

,

откуда получаем зависимость, описывающую угол перемещения подвижной части электромагнитного прибора:

. (2)

Из выражения (2) видно, что угол перемещения подвижной части прибора, пропорционален квадрату измеряемого тока и изменению индуктивности прибора при повороте его подвижной части, т.е. .

При изменении направления тока в катушке электромагнитного прибора меняются одновременно на противоположные магнитные полюсы ферромагнитного сердечника, вследствие чего направление вращающего момента подвижной части прибора не меняется. Поэтому приборы электромагнитной системы пригодны для измерений в цепях как постоянного, так и переменного токов.

Основные достоинства приборов электромагнитной системы - простота и надежность устройства, высокая перегрузочная способность (сечение провода для катушки может быть взято с запасом), дешевизна и возможность использования для измерений в цепях постоянного и переменного токов.

К недостаткам приборов этой системы можно отнести невысокий класс точности измерений, который обычно не выше 1,0 из-за влияния гистерезиса; относительно большое собственное потребление мощности (в катушках амперметров - до 1 Вт. а в вольтметрах с потреблением мощности в добавочных сопротивлениях - до 6 Вт); неравномерность шкалы (особенно сильно она сжата в начале); низкая чувствительность, из-за чего эти приборы непригодны для измерения малых токов и напряжений; зависимость показаний от внешних магнитных полей, так как собственное поле катушки расположено в воздушной среде и поэтому его индукция незначительна; ограниченность диапазона частот (не выше 8000 Гц).

Необходимо отметить, что приборы электромагнитной системы из-за дешевизны, простоты устройства и большой перегрузочной способности широко используются в промышленных электротехнических устройствах низкой частоты в виде амперметров и вольтметров.

2.2 Приборы электродинамической системы

Принцип действия приборов электродинамической системы основан на взаимодействии проводников с токами. Известно, что два проводника с токами взаимно отталкиваются, если токи в них имеют одинаковое направление, и взаимно притягиваются при различном направлении токов.

Прибор этой системы (рис. 2) состоит из двух катушек: неподвижной 3, состоящей из двух секций, которые соединены между собой последовательно, и подвижной 5, закрепленной на оси 4 и вращающейся на ней внутри неподвижной катушки. Ток к подвижной катушке подводят через закрепленные на оси спиральные пружинки 6, которые одновременно создают противодействующий момент М_ПР, пропорциональный углу закручивания б. При этом пружина электрически изолирована от оси. На оси подвижной катушки закреплены также указательная стрелка 2 и крыло воздушного успокоителя (на рис. не показан). Для повышения класса точности прибора и его чувствительности обмотку подвижной катушки выполняют из тонкой изолированной проволоки на ток не более 0,5 А.

При прохождении токов по катушкам электродинамического прибора ток подвижной катушки I₂ взаимодействует с магнитным потоком Ф₁, созданным током I₁ неподвижной катушки, т.е. создается вращающий момент M_ВР. Его определяют через изменение энергии магнитного поля при повороте его подвижной части, то есть согласно выражению . При перемещении подвижной катушки изменяются энергия магнитного поля и, следовательно, взаимная индуктивность М катушек. Энергия магнитного поля взаимной индуктивности

. (3)

Подставляя в выражение вращающего момента значение W_M из (3) и считая токи подвижной I₂ и неподвижной I₁ катушек неизменными, получают общее выражение вращающего момента для электродинамических приборов:

. (4)

Противодействующий момент, уравновешивающий вращающий момент, пропорционален углу перемещения подвижной части прибора: . При установившемся состоянии подвижной части прибора, когда вращающий момент равен противодействующему, имеем , или . Из этого выражения находят зависимость для угла перемещения подвижной части прибора:

. (5)

Из (5) следует, что угол поворота подвижной части электродинамического прибора пропорционален произведению токов в его катушках и изменению их взаимной индуктивности при повороте подвижной части прибора . На характер изменения взаимной индуктивности можно воздействовать путем подбора формы катушек и их начального взаимного положения.

При использовании электродинамического прибора в качестве амперметра на ток свыше 0,5 А подвижную и неподвижную катушки соединяют параллельно (рис. 3).

Рис. 3. Схема соединения катушек амперметра при токе более 0,5 А

При этом:

и

где .

Следовательно, в амперметре электродинамической системы шкала неравномерная (квадратичная), причем в ее начале деления сильно сжаты. Для получения более равномерной шкалы катушкам придают специальную форму.

В вольтметрах электродинамической системы катушки в большинстве случаев соединяют между собой последовательно и снабжают добавочным сопротивлением.

В вольтметрах электродинамической системы шкала прибора, как и в амперметрах этой системы, квадратичная.

В отличие от амперметров и вольтметров ваттметры электродинамической системы имеют практически равномерную шкалу.

Так как при одновременном изменении тока в обеих катушках электродинамических приборов направление вращающего момента не изменяется, то эти приборы пригодны для измерений в цепях как постоянного, так и переменного тока.

В цепях переменного тока приборы электродинамической системы применяют в основном для измерения мощности. Они имеют высокую точность, что обусловлено отсутствием ферромагнитных сердечников, и могут использоваться для измерений в цепях постоянного и переменного тока. При измерениях в цепях переменного тока электродинамические приборы являются самыми точными. Их выполняют в основном в виде переносных приборов, имеющих классы точности 0,1; 0,2; 0,5. Высокая точность приборов обусловлена тем, что для создания вращающего момента подвижной части приборов используют магнитные потоки, действующие в воздухе, что исключает возможность возникновения погрешностей из-за вихревых токов, гистерезиса и т. д.

Недостатками приборов электродинамической системы являются зависимость их показаний от внешних магнитных полей из-за незначительного собственного магнитного поля и слабая перегрузочная способность из-за того, что подвод тока к подвижной катушке осуществляется через тонкие спиральные пружинки. Кроме того, эти приборы потребляют довольно значительную мощность, так как для создания достаточного вращающего момента приходится из-за слабости собственного магнитного поля заметно увеличивать число витков неподвижной и подвижной катушек.

Для устранения влияния посторонних магнитных полей на показания приборов и увеличения их вращающего момента электродинамические приборы снабжают ферромагнитными сердечниками, усиливающими собственные магнитные поля катушек. Наличие ферромагнитных сердечников усиливает магнитные поля катушек и, следовательно, вращающий момент подвижной части прибора. Сердечники выполняются из изолированных друг от друга пластин магнитомягких сталей и пермаллоя, что уменьшает погрешности от вихревых токов и надежно защищает приборы от влияния посторонних магнитных полей.

Электродинамические приборы, катушки которых имеют ферромагнитные сердечники, получили название ферродинамических. Эти приборы в отличие от электродинамических обладают меньшей точностью из-за влияния гистерезиса и вихревых токов, их высший класс точности 1,5. Ферродинамические приборы применяют главным образом для измерений в цепях переменного тока в качестве щитовых и самопишущих приборов (благодаря их большому вращающему моменту) в диапазоне частот от 10 до 1500 Гц.

2.3 Приборы магнитоэлектрической системы

электроизмерительный прибор катушка амперметр

Магнитоэлектрическая система измерительных приборов (рис. 4) отличается тем, что в ней используется взаимодействие поля постоянного магнита 1 с токовым контуром катушки 2, внутри которой располагается неподвижный магнитный сердечник 3.

Рис. 4. Магнитоэлектрическая система измерительных приборов

Измерительный механизм такого прибора так же, как и в предыдущем случае, включает в себя ось, установленную в подшипниковых опорах и имеющую противодействующие пружины, указательную стрелку с балансировочными грузами и циферблат. Рамка с катушкой 2 жестко соединена со стрелкой прибора. Ток в рамку поступает через две спиральные пружины. Один конец спиральки закреплен неподвижно на корпусе прибора, а другой - на оси. Конечно, спиральки изолированы специальными прокладками и от оси, и от корпуса. Пружинки выполнены из специальной фосфористой бронзы. Они хорошо проводят электрический ток и обладают упругими свойствами. Их механические параметры не должны изменяться со временем под влиянием нагрева.

Направление силы, с которой магнит действует на рамку с током, может быть найдено по правилу левой руки.

Магнитоэлектрические приборы пригодны только для измерения токов постоянного направления. Переменный ток низкой частоты вызывает колебания стрелки вправо и влево, а при частоте 50 Гц стрелка прибора не успевает перемещаться вслед за изменением тока и останавливается вблизи нулевой отметки.

В магнитоэлектрическом приборе сильное магнитное поле, поэтому даже небольшой ток создает значительную движущую силу. Это означает, что прибор обладает высокой чувствительностью, позволяет измерять очень маленькие токи.

Сила, действующая на стрелку, пропорциональна току, поэтому и угол поворота стрелки прямо пропорционален току - шкала прибора получается равномерной. Это важное преимущество, так как с равномерной шкалой работать очень удобно. Поскольку магнитная система прибора имеет свое сильное магнитное поле, влияние внешних магнитных полей на работу прибора пренебрежительно мало.

К недостаткам приборов данной системы можно отнести: измерение токов и напряжений только постоянной величины и изменение магнитного поля постоянного магнита с течением времени.

2.4 Приборы индукционной системы

Работа приборов индукционной системы основана на использовании явления возникновения вращающегося (или бегущего) магнитного поля, т. е. на способности этих полей создавать вращающий момент, действующий на подвижное металлическое тело, помещенное в такое поле.

Индукционные приборы применяют для измерения тока, напряжения, мощности и энергии в цепях переменного тока. Поэтому принцип действия индукционных приборов рассмотрим на примере работы счетчика электрической энергии однофазного переменного тока (рис. 5).

Рис. 5. Магнитоэлектрическая система счетчика электрической энергии однофазного переменного тока

В индукционном сердечнике бегущее магнитное поле, создается токами его катушек, индуцирует в алюминиевом подвижном диске вихревые токи. Взаимодействие бегущего магнитного поля с вихревыми токами создает вращающий момент, заставляющий диск вращаться в ту же сторону, в которую вращается поле. Противодействующий момент создается в результате взаимодействия постоянного магнита 8 с наводимыми им во вращающемся алюминиевом диске вихревыми токами.

Подвижная часть прибора представляет собой алюминиевый диск 5, укрепленный на оси 4. Неподвижная часть счетчика состоит из двух электромагнитов с сердечниками 1 и 6 и обмотками (намагничивающими катушками) 2 и 7 соответственно. Сердечник 1 является трехстержневым, а катушка 2 состоит из большого числа витков изолированного проводника малого сечения. Эта катушка включается параллельно измеряемой цепи и называется обмоткой напряжения. Ток I_U, проходящий через катушку напряжения, и магнитный поток этой катушки Ф_U пропорциональны приложенному к цепи напряжению U. Так как индуктивность катушки 2 достаточно велика, то ток I_U отстает по фазе от напряжения U на угол р/2 (рис.6).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Векторная диаграмма работы однофазного счетчика

Сердечник 6 имеет П-образную форму. Катушка 7 состоит из небольшого числа витков изолированного провода достаточно большого сечения. Эту катушку включают последовательно с измеряемой цепью и называют токовой обмоткой прибора. Ток I проходящий через катушку 7 и являющийся током нагрузки, создает поток Ф₁ пропорциональный току I, причем поток Ф₁ отстает по фазе от тока I на некоторый угол, называемый углом потерь. Угол потерь весьма мал, так как поток Ф₁ значительное расстояние проходит через воздух. Токи I_U и I и соответственно создаваемые ими магнитные потоки Ф_U и Ф₁ совпадают по фазе (см. рис. 6). Поток Ф₁, дважды пересекает алюминиевый диск 5. Ток I и напряжение U сдвинуты по фазе на угол ц, значение которого зависит от характера нагрузки.

Катушка 2 расположена на среднем стержне сердечника 1, поэтому магнитный поток этой катушки Ф_U разветвляется на потоки Ф₂ и Ф₃, один из которых Ф₂, проходя по среднему стержню сердечника и участку 3 магнитной цепи, огибает диск и пересекает его. Потоки Ф₃ не пересекают диска прибора, так как замыкаются по боковым стержням сердечника 1. Следовательно, поток Ф₃ используют в сердечнике для создания необходимого угла сдвига фаз ш между рабочими потоками Ф₁ и Ф₂.

Вращающий момент диска, создаваемый магнитными потоками Ф₁ и Ф₂, пропорционален произведению максимальных значений этих потоков и синусу угла сдвига фаз между ними:

, (6)

где С₁ - коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты переменного тока.

Так как можно считать, что магнитный поток Ф₂ пропорционален напряжению U, т.е. Ф₂ = С_U U, и поток Ф₁ пропорционален току нагрузки I, т.е. Ф₁ = С₁I, а синус угла сдвига фаз между этими потоками cosц (рис. 6), то формулу (6) можно заменить выражением

, (7)

где cosц - коэффициент мощности потребителя; P - активная мощность; С₁ и С_U - коэффициенты пропорциональности.

Вихревые токи, возникающие в диске при вращении его в поле постоянных магнитов, пропорциональны частоте вращения диска n_Д(об/мин), поэтому противодействующий момент М_ПP = С_Д n_Д.

При вращении диска с равномерной скоростью его вращающий и противодействующий момент равны, т.е. М_ВР = M_ПР или СР= С_Д n_Д, откуда частота вращения диска

.

Если диск за время t сделал n оборотов, то энергия A, полученная из сети потребителем за это время

, (8)

так как

.

Таким образом, согласно (8), электроэнергия, учитываемая счетчиком, пропорциональна частоте вращения диска. Величина А/n = С_Д/С получила название постоянной счетчика и представляет собой энергию, приходящуюся на один оборот диска.

Счетчик электроэнергии имеет счетный механизм, который связан червячной передачей с осью диска. По показаниям счетного механизма определяют количество электроэнергии, которое израсходовал потребитель.

К достоинствам индукционных счетчиков следует отнести их большую надежность в работе, значительную перегрузочную способность по току (~300%), незначительную чувствительность к внешним магнитным полям и большое значение вращающего момента.

Так как в уравнение (7) входит коэффициент С₁, зависящий от частоты сети f, индукционные приборы пригодны для переменного тока одной определенной частоты, что является в какой-то степени недостатком таких приборов. Другим недостатком можно считать зависимость показаний прибора от температуры окружающей среды: с повышением температуры окружающей среды увеличивается сопротивление прибора и уменьшаются вихревые токи, что приводит к уменьшению вращающего момента (примерно на 0,4% при нагревании на 1 °С).

Размещено на Allbest.ru