Электрические измерения и электроизмерительные приборы

(2.2.6)

Как видно из формулы (2.2.6), чем меньше измеряемая величина Х по сравнению с нормирующим значением прибора X_N, тем больше погрешность измерения.

Поэтому, для более точного измерения физических величин, следует подбирать прибор так, чтобы измеряемое значение находилось в 2/3 диапазона его шкалы (золотое правило метрологии).

Погрешность, которая нормируется по отношению к результату измерения по относительной погрешности в этом случае, по ГОСТ 8.401-80 (взамен ГОСТ 13600-68), цифровое обозначение класса точности (в процентах) заключается в кружок -- для приборов, у которых относительная погрешность г = Д_max/X составляет 0,1, 0,4, 1,0% непосредственно от полученного значения измеряемой величины X;

Погрешность, которая нормируется по приведенной погрешности, класс точности, записывается в виде числа, например, 0,05 или 4,0 без кружка. Это число дает максимально возможную погрешность прибора, выраженную в процентах от наибольшего значения величины, измеряемой в данном диапазоне работы прибора.

Если класс точности используемого прибора неизвестен, за погрешность s прибора всегда принимают половину цены его наименьшего деления.

Класс точности средств измерений выбирается из ряда следующих чисел: (1; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0)*10^n, где показатель степени n = 1; 0; -1; -2 и т.д.

Для электроизмерительных стрелочных приборов принято указывать класс точности, записываемый в виде числа, например, 0,05 или 4,0. Это число дает максимально возможную погрешность прибора, выраженную в процентах от наибольшего значения величины, измеряемой в данном диапазоне работы прибора. Так, для вольтметра, работающего в диапазоне измерений 0 -- 30 В, класс точности 1,0 определяет, что указанная погрешность при положении стрелки в любом месте шкалы не превышает 0,3 В. Относительная погрешность указанного вольтметра, зависит от значения измеряемого напряжения, становясь недопустимо высокой для малых напряжений. При измерении напряжения 0,5 В погрешность составит 20 %.

По причине возникновения погрешности бывают:

· Инструментальные / приборные погрешности - погрешности, которые определяются погрешностями применяемых средств измерений и вызываются несовершенством принципа действия, неточностью градуировки шкалы, не наглядностью прибора.

· Методические погрешности - погрешности, обусловленные несовершенством метода, а также упрощениями, положенными в основу методики.

· Субъективные / операторные / личные погрешности - погрешности, обусловленные степенью внимательности, сосредоточенности, подготовленности и другими качествами оператора.

В технике применяют приборы для измерения лишь с определенной заранее заданной точностью - основной погрешностью, допускаемой нормали в нормальных условиях эксплуатации для данного прибора. Класс точности средства измерений -- обобщенная характеристика прибора, характеризующая допустимые значения основных и дополнительных погрешностей, влияющих на точность измерения. Основная погрешность прибора может быть обусловлена трением, неуравновешенностью подвижных частей, остаточной деформацией пружин, неправильной установкой шкалы и т. п.

Помимо основной могут возникнуть дополнительные погрешности прибора из-за отклонения условий его работы от нормальных (дополнительные погрешности от изменения температуры, от неправильной установки прибора, влияния внешних полей и т. п.). За нормальную температуру окружающего воздуха принимают 20°С, за нормальное атмосферное давление 101,325 кПа.

При измерениях приборами сравнения (измерительные мосты, потенциометры и др.) сами приборы и процедура измерений величин сложнее, но точность измерений выше. Так, при измерении нулевым методом значение известной образцовой величины регулируют до равенства со значением измеряемой величины

2.3 Основные классы погрешностей измерений

По характеру проявления погрешности измерений делят на три основных класса: систематические, грубые, случайные.

Влияние систематических погрешностей, зависящих от погрешностей средств измерений или несовершенства метода, можно учесть введением поправок.

Результаты, содержащие грубые погрешности (неверный отсчет, неверная запись показаний и т. п.), обычно не принимают во внимание.

Влияние на результат измерений случайных погрешностей снижается многократным измерением величины и нахождением среднего арифметического из n измерений:

Значение А_о называется наиболее вероятным значением величины.

Измерения произвести наиболее просто электроизмерительными приборами непосредственного отсчета. Точность таких измерений определяется точностью измерительного прибора.

Тема 3. Электроизмерительные приборы непосредственной оценки

3.1 Устройство подвижной части измерительного механизма

> Устройство этих приборов разнообразно, но ряд деталей и узлов многих из них имеют много общего. Это относится к деталям для установки подвижной части, для создания противодействующего момента, для уравновешивания подвижной части, а также к успокоителям, корректорам.

При воздействии измеряемой величины на подвижную часть измерительного механизма прибора создается вращающий момент.

Кроме вращающего в измерительных приборах создается противодействующий момент (вследствие кручения растяжек, пружин, подвесок). Этот момент возрастает с увеличением угла поворота подвижной части. Стрелка прибора устанавливается в том положении, которое соответствует равенству двух моментов.

На рис. 1 представлено устройство подвижной части измерительного механизма, где ось 1 установлена в в подпятниках 2, а противодействующий момент создается спиральными пружинами 6 и 7 из специальной бронзы. На оси закреплена стрелка 3, которая указывает на шкале 4 значение измеряемой величины. Для уравновешивания подвижной части служит противовес 10, для уста-ковки стрелки на нулевую отметку -- корректор. Корректор состоит из винта //, эксцентрично насаженного пальца 9, вилки 8 с поводком 5.

Рис. 3.1.1. Установка подвижной части измерительного механизма на опорах

В современных приборах применяют также установку подвижной части с помощью растяжек и подвесов на упругих металлических нитях. В таких конструкциях практически отсутствует трение между подвижными частями. Они более чувствительны и устойчивы к тряске и вибрациям.

Для уменьшения времени колебаний подвижной части Приборы снабжаются успокоителями.

В воздушных успокоителях (рис. 2, а) используется сопротивление воздуха движению поршня (крыла) 1 в закрытой камере 2; в магнитоиндукционных успокоителях колебания тормозятся за счет взаимодействия вихревых токов с полем постоянных магнитов 3 (рис. 2, б).

Для повышения точности отсчета приборы класса точности 0,5 и выше снабжают ножевидной стрелкой и зеркальной шкалой. Отсчет в этом случае производится при том положении глаза, когда стрелка закрывает свое изображение в зеркале.

В приборах с относительно малым отклонением подвижной части для повышения чувствительности применяют световой указатель. На рис. 3 изображены основные элементы такого прибора: 1 -- катушка подвижной части с креплением на подвесе; 2 -- зеркальце, закрепленное на подвижной части; 3 -- шкала; 4 -- источник света. Световой указатель, по сути дела, равноценен очень длинной стрелке.

Рис. 3.1.2. Устройство воздушного (а) и магнитного (б) успокоителей



Рис. 3.1.3. Устройство зеркального гальванометра со световым указателем

3.2 Магнитоэлектрические механизмы

Принцип действия магнитоэлектрических механизмов основан на взаимодействии магнитного потока постоянного магнита и тока, проходящего по катушке (измерительной рамке). Возникающий при этом вращающий момент отклоняет подвижную часть механизма относительно неподвижной части.

Рис 3.2.1 Магнитоэлектрическая система

Магнитная цепь измерительного механизма (рис. 3.2.1) состоит из сильного постоянного магнита, полюсных наконечников N, S с цилиндрической поверхностью и стального цилиндра 2 обеспечивают в зазоре 1 равномерное радиальное магнитное поле с индукцией В.

Подвижная часть механизма представляет собой катушку 3 (рамку) прямоугольной формы из тонкого медного провода, намотанного на алюминиевый каркас, которая может поворачиваться вокруг стального цилиндра 2 в магнитном поле. Катушка 3 жестко соединена с двумя полуосями О и О?, которые своими концами опираются на подшипники. На полуоси О закреплены указательная стрелка 4 и две спиральные пружинки 5 и 5?, через которые к катушке подводится измеряемый ток I. Уравновешивание подвижной части осуществляется противовесами 6.

В результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и тока, проходящего по обмотке катушки 3, создается вращающий момент. Рамка с обмоткой при этом поворачивается, и стрелка 4 отклоняется на угол б. Стрелка 4 и циферблат со шкалой образуют отсчетное устройство.

Измеряемый ток I подводится к обмотке рамки через спиральные пружины, которые создают противодействующий момент. Противодействующий момент пропорционален углу поворота подвижной части.

При протекании по обмотке рамки постоянного тока I возникает вращающий момент, который отклоняет подвижную часть механизма относительно неподвижной. Вращающий момент можно рассчитать по формуле:

M_ВР = B*S*N*I = ₀ I,

Где: В - магнитная индукция в воздушном зазоре;

S - активная площадь рамки, которая находится в магнитном потоке постоянного магнита;

N - количество витков измерительной рамки;

₀=B*S*N-потокосцепление обмотки рамки.

Установившееся отклонение подвижной части определяется равенством:

М_ВР = -Мпр (3.1.)

Подставив в формулу (1) выражение, М_ВР и М пр получим:

I₀ = Wб,

откуда угол поворота подвижной части измерительного механизма определится по формуле:

б = ₀ I / W = С* I (3.2.)

где: С = ₀ /W -- чувствительность механизма к току.

Таким образом, угол отклонения подвижной части измерительного механизма прямо пропорционален току, проходящему через обмотку рамки магнитоэлектрического прибора. Следовательно, магнитоэлектрические приборы имеют равномерную шкалу.

В приборах магнитоэлектрической системы успокоение (демпфирование) стрелки происходит благодаря тому, что при перемещении алюминиевой рамки в магнитном поле постоянного магнита в ней индуктируются вихревые токи. В результате взаимодействия этих токов с магнитным полем возникает момент, действующий на рамку в направлении, противоположном ее перемещению, что и приводит к быстрому успокоению колебаний рамки.

Измерительные приборы магнитоэлектрической системы находят применение также при измерениях в цепях переменного тока. При этом в цепь подвижной катушки включают преобразователи переменного тока в постоянный или пульсирующий ток. Наибольшее распространение получили выпрямительная система.

Вольтметры и амперметры выпрямительной и термоэлектрической системы применяются для измерений в цепях переменного тока как промышленного тока, так и тока повышенных частот.

Достоинства приборов магнитоэлектрической системы - точность показаний, малая чувствительность к посторонним магнитным полям, незначительное потребление мощности, равномерность шкалы.

К недостаткам следует отнести необходимость применения специальных преобразователей при измерениях в цепях переменного тока и чувствительность к перегрузкам (тонкие токопроводящие пружинки 5 и 5? из фосфористой бронзы при перегрузках нагреваются и изменяют свои упругие свойства).

В зависимости от класса точности и конструкции прибора применяются различные конструкции магнитной цепи. От магнитной цепи требуется постоянство индукции во времени, при изменении температуры, при наличии внешнего магнитного поля и т.п.

Рис, 3.2.2. Конструкции магнитных цепей

Магнитоэлектрические механизмы, применяемые в амперметрах и вольтметрах, обладают сравнительно большим моментом инерции подвижной части и могут применяться только на постоянном токе. При пропускании по обмотке рамки переменного тока:

i = I_m sin t

где i - мгновенное значение силы переменного тока;

I_m - амплитуда переменного тока в данный момент.

Тогда, мгновенное значение вращающего момента:

M(t) = ₀i = ₀ I_m sin t,

а его среднее значение за период равно:

(3.3.)

Так как среднее за период значение вращающего момента равно нулю поворота подвижной части не произойдет.

Достоинствами магнитоэлектрического механизма по сравнению с механизмами других измерительных систем, являются большая чувствительность, малое собственное потребление мощности, малое влияние внешних магнитных полей благодаря сильному собственному магнитному полю, прямая пропорциональность между током в обмотке рамки и углом отклонения т.е. равномерная шкала.

Недостатками магнитоэлектрических механизмов являются сложность конструкции, высокая стоимость, а также чувствительность к перегрузкам. Последнее обстоятельство связано с тем, что измеряемый ток подводится к рамке через весьма тонкие проволоки -- токоподводы.

Благодаря отмеченным достоинствам магнитоэлектрические приборы с внешним и внутренним магнитами являются наиболее точными на постоянном токе и характеризуются классами точности вплоть до 0,1. Температурные погрешности компенсируются с помощью специальных схем.

Магнитоэлектрические приборы находят широкое применение в качестве амперметров и вольтметров постоянного тока с пределами измерений от наноампер до килоампер и от долей милливольта до киловольт; в гальванометрах постоянного, переменного тока и в осциллографических гальванометрах. В сочетании с различного рода преобразователями переменного тока в постоянный они используются для измерений в цепях переменного тока.

Широкое применение находят также логометрические магнитоэлектрические механизмы. В магнитоэлектрических логометрических механизмах (Рис.3.4.) в поле постоянного магнита 1 находится подвижная часть из двух жестко укрепленных на оси рамок 2.

Пружины, создающие противодействующий момент, здесь не нужны. Токи I₁ и I₂ подводятся к рамкам с помощью «безмоментных» токоподводов. Противодействующие моменты, обусловленные ими, малы, и их можно не учитывать. При этом на рамки действуют моменты, направленные в противоположные стороны (один можно считать вращающим, а другой -- противодействующим). Форма сердечника 3 и полюсных наконечников 4, выполненных из магнитомягкого материала, выбирается так, чтобы индукция в воздушном зазоре была неравномерной и направленной нерадиально.



Рис. 3.2.3. Магнитоэлектрический логометрический механизм

Тогда моменты, действующие на подвижную часть, можно выразить следующим образом:

М₁ =I₁ F₁(a); -М₂ =I₂ F₂(a);

Подвижная часть занимает положение установившегося отклонения при условии

Или

или

= F (I ₁ / I ₂)

Таким образом, логометр магнитоэлектрической системы дает возможность измерить отношение токов, протекающих в обмотках рамок.

3.3 Электромагнитные механизмы

3.3.1 Устройство и принцип действия электромагнитных механизмов

Принцип работы электромагнитных измерительных механизмов основана на взаимодействии электромагнитного поля, созданного неподвижной катушкой, по обмотке которой протекает измеряемый ток, с ферромагнитным сердечником, укрепленными на оси.

Поэтому подвижный сердечник вместе с осью и другими деталями, укрепленными на ней, поворачивается на некоторый угол.

Наибольшее распространение в настоящее время получили измерительные механизмы с плоской и круглой катушками, а также с замкнутым магнитопроводом.

Принцип действия и устройство наиболее распространенным типов электромагнитных измерительных механизмов показаны на рис. 3.3.1. (с плоской катушкой) и рис. 3.3.2 (с круглой катушкой)|

Рис. 3.3.1.1. Электромагнитный измерительный механизм с плоской катушкой: 1 -- неподвижная катушка: 2 -- ферромагнитный сердечник; 3 -- ось; 4 -- противодействующая пружина



Рис. 3.3.1.2. Электромагнитный измерительный механизм с круглой катушкой: 1 -- неподвижная катушка;: 2 -- неподвижный сердечник; 3 -- подвижный сердечник 4 -- противодействующая пружина; 5 -- ось

Измерительный механизм с плоской катушкой (рис. 3.3.1.) состоит из катушки 1 с обмоткой из медного провода, имеющей воздушный зазор, и сердечника 2 из высококачественного ферромагнитного материала, пермаллоя; сердечник укрепляется на оси 3 с опорами или на растяжках. Противодействующий момент создается спиральной пружиной 4 или растяжками. Успокоение магнитоиндукционное или жидкостное.

В механизме с круглой катушкой (рис. 3.12) в электромагнитном поле, создаваемом измеряемым током, протекающим по неподвижной катушке 1 помещаются два ферромагнитных сердечника. Сердечник 2 укреплен неподвижно внутри катушки, а подвижный сердечник 3 закреплен на оси 5. Оба сердечника под воздействием поля катушки намагничиваются одноименно, в результате подвижный сердечник 3 отталкивается от неподвижного сердечника 2, поворачивая, таким образом, ось 5 со стрелкой и крылом успокоителя. Противодействующий момент создается пружиной 4.

Рис. 3.3.1.3. Электромагнитный механизм с замкнутым магнитопроводом.

Механизмы с замкнутым магнитопроводом (рис. 3.3.3.) отличаются рядом преимуществ по сравнению с механизмами без магнитопровода.

Катушка 1 расположена на неподвижном магнитопроводе 3 с двумя парами полюсных наконечников 4 и 5. Магнитопровод и полюсные наконечники выполнены из магнитомягкого материала. Подвижный сердечник 2 из магнитомягкой стали или пермаллоя, укрепленный на растяжках, может перемещаться в зазоре между полюсными наконечниками. Успокоитель жидкостный, состоящий из двух дисков: один укреплен на подвижной части, а другой -- на неподвижной. В маленький зазор между хорошо, отполированными поверхностями дисков заливается маловысыхающая жидкость определенной вязкости. При движении подвижной части из-за трения между слоями жидкости возникает момент успокоения.

При протекании постоянного тока I через катушку возникает электромагнитное поле, которое, воздействуя на подвижный сердечник 2, стремится расположить его так, чтобы энергия магнитного поля была наибольшей.

Энергия магнитного поля электромагнитного механизма, имеющего катушку с током I, равна:

где: L -- индуктивность катушки; I -- ток в обмотке катушки.

При перемещении подвижной части изменяется индуктивность системы.

Вращающий момент определяется:

При протекании в обмотке катушки переменного тока:

i = I_m sin t

где i - мгновенное значение силы переменного тока;

I_m - амплитуда переменного тока в данный момент подвижная часть вследствие инерционности реагирует на среднее значение вращающего момента, равное:

где I -- действующее значение переменного тока в обмотке катушки.

Противодействующий момент, создаваемый пружиной,

где W -- удельный противодействующий момент.

Установившееся отклонение подвижной части наступает при равенстве вращающего и противодействующего моментов. Условие статического равновесия:

М_ВР = -Мпр

???????????????????

можно получить выражение для угла отклонения

Шкала у электромагнитного измерительного прибора неравномерная (квадратичная), т. е. между измеряемой величиной (током) и углом отклонения нет пропорциональной зависимости (зависимость квадратичная).

Выбором формы сердечника удается приблизить шкалу к равномерной, начиная с 15--20 % ее конечного значения, но в начале шкалы деления обычно сильно сжаты

При работе электромагнитного механизма на переменном токе в окружающих металлических частях и сердечнике возникают вихревые токи, размагничивающие сердечник. Вследствие этого его показания на переменном токе немного меньше, чем на постоянном.

Указанное различие в показаниях прибора увеличивается с ростом частоты, но на частоте f = 50 Гц оно невелико.

Магнитное поле в электромагнитных механизмах без магнитопроводов, замыкающееся в основном по воздуху, невелико, поэтому внешние магнитные поля существенно влияют на показания приборов с такими механизмами.

Для уменьшения влияния внешних магнитных полей применяют экранированные конструкции.

При магнитном экранировании измерительный механизм помещается внутрь замкнутого ферромагнитного кожуха с достаточно большой магнитной проницаемостью. Такой кожух имеет экранирующее действие и в некоторой степени служит магнитопроводом, через который замыкается магнитный поток катушки. Для улучшения экранирующего действия применяют два или несколько экранов.

В механизмах с магнитопроводом собственное магнитное поле сильное, поэтому экранировать приборы с такими механизмами нет необходимости.

Недостатки электромагнитных механизмов: неравномерная квадратичная шкала, влияние внешних магнитных полей на механизмы без магнитопровода большое собственное потребление мощности.

Достоинства электромагнитных механизмов:

пригодность для работы на постоянном и переменном токе,

устойчивость к токовым перегрузкам,

простота конструкции,

повышенная чувствительность у измерительного механизма с замкнутым магнитопроводом.

Благодаря отмеченным достоинствам электромагнитные механизмы используются в щитовых амперметрах и вольтметрах класса 1,0 и более низких классов для измерений в цепях переменного тока. Кроме того, они применяются в переносных многопредельных приборах класса 0,5.

3.3.2 Электромагнитные амперметры и вольтметры

В амперметрах электромагнитной системы весь измеряемый ток проходит по катушке измерительного механизма. Значение номинальной МДС, необходимой для создания магнитного поля в зазоре катушки, составляет: 100 А в механизмах, подвижная часть которых крепится на опорах; 50 А в механизмах с подвижной частью, укрепленной на растяжках; 20 А в механизмах с замкнутым магнитопроводом.

Поэтому для расширения диапазонов измерения электромагнитных однопредельных амперметров одного типа необходимо уменьшить число витков катушки. В амперметре на номинальный ток 100 А катушка имеет один виток, выполненный из толстой медной шины. Такие амперметры для прямого включения на токи больше 200 А не изготовляют из-за нагрева шины и сильного влияния на показания прибора магнитного поля токоподводящих проводов. Диапазоны измерения электромагнитных амперметров, работающих на переменном токе, расширяют с помощью измерительных трансформаторов тока.

Электромагнитные щитовые амперметры обычно выпускаются однопредельными, а переносные -- многопредельными (до четырех пределов измерения).

Для расширения диапазонов измерения переносных многопредельных электромагнитных амперметров катушки выполняют секционированными.

Секции включаются в последовательно-параллельные комбинации. Переключение секций производится с помощью переключающих устройств.

Температурная погрешность у электромагнитных амперметров невелика и обусловлена только изменением упругости спиральных пружин или растяжек. Изменение сопротивления обмотки катушки, вызванное влиянием внешней температуры, не вызывает погрешности, так как весь измеряемый ток проходит по обмотке.

Дополнительная частотная погрешность в электромагнитных амперметрах вследствие вихревых токов в сердечнике и поверхностного эффекта в проводах обмотки также невелика.

В вольтметрах электромагнитной системы последовательно с катушкой измерительного механизма включается добавочный резистор R_Д с очень малой остаточной реактивностью, выполненный из манганина (рис. 3.3.2.1.).

Рис. 3.3.2.1. Схема электромагнитного вольтметра

Добавочные резисторы могут быть внутренними и наружными. В многопредельных вольтметрах добавочные резисторы делают секционными. Для компенсации температурной погрешности у вольтметров необходимо, чтобы отношение сопротивления добавочного резистора из манганина к сопротивлению катушки из меди было достаточно велико Обычно у вольтметров на напряжение больше 100 В это условие соблюдается, и диапазоны измерения их расширяются за счет изменения сопротивлений добавочных резисторов при неизменном токе полного отклонения. Вместе с тем имеются также конструкции вольтметров с замкнутым магнитопроводом, у которых катушка намотана манганиновым проводом, а добавочный резистор отсутствует. Очевидно, что показания таких вольтметров мало зависят от температуры.

Изменение частоты сказывается на показаниях вольтметров больше, чем на показаниях амперметров. Это обусловлено тем, что с повышением частоты тока увеличивается реактивная составляющая сопротивления катушки вольтметра, вызывающая уменьшение тока в цепи прибора и, следовательно, уменьшение его показаний. Поэтому для расширения частотного диапазона необходимо вводить частотную компенсацию с помощью включения конденсатора С параллельно добавочному резистору (см. рис. 3.13).

Электромагнитные вольтметры и амперметры обладают следующими достоинствами:

они пригодны для работы на постоянном и переменном токе;

устойчивы к токовым перегрузкам;

имеют простую конструкцию.

Недостатки:

неравномерность шкалы;

зависимость показаний от внешних магнитных полей;

большое собственное потребление мощности (за исключением приборов с замкнутым магнитопроводом).

Существуют также электромагнитные перегрузочные амперметры, вольтметры номинального значения и нулевые вольтметры.

Отечественная промышленность выпускает:

переносные амперметры класса 0,5 с верхними пределами измерений от 10 мА до 10 А на частоты до 1500 Гц;

щитовые однопредельные амперметры классов 1,0; 1,5; 2,5 на токи до 300 А с встроенными трансформаторами тока и до 15 кА с наружными трансформаторами тока;

переносные вольтметры класса 0,5 с верхними пределами измерений от 1,5 до 600 В;

щитовые вольтметры классов 1,0; 1,5; 2,5 с верхними пределами измерений от 0,5 до 600 В непосредственного включения и до 450 кВ с трансформаторами напряжения на различные фиксированные частоты от 50 до 1000 Гц.

3.4 Ферродинамические измерительные механизмы

Ферродинамический измерительный механизм отличается от магнитоэлектрического измерительного механизма тем, что магнитный поток в нём создаётся не постоянным магнитом, а электромагнитом.

Устройство ферродинамического измерительного механизма показано на рис. 3.4.1. Магнитная цепь электромагнита, состоит из ярма 1 и сердечника 2, выполнена из листовой мягкой стали или из прессованного ферромагнитного порошка, обладающего малыми потерями на гистерезис и вихревые токи. Ток в катушках 3, надетых на ярмо, индуцирует (возбуждает, наводит) в воздушном зазоре равномерное радиальное поле, в котором помещена подвижная катушка (рамка) 4, Противодействующий момент создается двумя пружинами 5, одновременно служащими для подвода тока к рамке. Ферродинамический измерительный механизм применяемый для измерений на переменном токе

i = I_m sin t

где i - мгновенное значение силы переменного тока;

I_m - амплитуда переменного тока в данный момент.

При мгновенных значениях тока в рамке и потоке можно написать выражение для мгновенного значения вращающего момента в виде:

М_ВРt = B_t*S*N*i,

Где: B_t и i -- мгновенные значения магнитной индукции в зазоре и тока в рамке; S и N -- активная площадь рамки и число витков в рамке.

Положим, что

B_t = В_maxsin б t,

Где: В_max -- максимальная индукция в зазоре; б-- угол отклонения; i_Р = I_{р max} sin (бt - ц)

Где: I _max -- максимальный ток в рамке; ц-- сдвиг по фазе между током в рамке и магнитным потоком.

Рис. 3.4.1. Ферродинамический измерительный механизм

1 - ярмо; 2- сердечник, 3- катушки; 4- подвижная катушка; 5 - токоподводы (пружины)

Подвижная часть механизма из-за своей инерционности не может следовать за мгновенными изменениями вращающего момента, и ее отклонение будет пропорционально среднему значению вращающего момента за период Т:

Переходя к действующим значениям, получим:

Противодействующий момент, создаваемый пружинами:

где: W -- удельный противодействующий момент пружины;

б -- угол отклонения подвижной части.

Установившееся отклонение будет иметь место при равенстве вращающего и противодействующего моментов:

Откуда:



Так как индукция в зазоре пропорциональна току в неподвижных катушках, т.е. В = к_L I_L то

(3.4)

где I_L -- сила тока в неподвижных катушках; 1_Р -- сила тока в рамке.

В зависимости от назначения измерительного механизма катушки возбуждения 2 и рамка 1 между собой могут соединяться последовательно (рис. 3.9, а), параллельно (рис. 3.9, б) или же включаться в различные участки измеряемой цепи (например, в случае ваттметра).

Если катушки возбуждения питаются независимо от измерительной цепи и в нее включается лишь рамка измерительного механизма (рис. 3.9, в), то справедлива формула (3.4). В данном случае шкала а= f(I_р)) измерительного механизма получается равномерной.

При соединении катушек последовательно (см. рис. 3.9, а)I₁ = I = I,

где I -- измеряемый ток и cosш = 1. Тогда:

(3.5)

При соединении катушек параллельно (см. рис. 3.9, б) токи в катушках будут пропорциональны измеряемому току

I: I_L = k₂ I;

I_р = k ₃I.

Следовательно:

(3.6)

где: k, k₁...k₃, -- коэффициенты пропорциональности.

Формулы (3.5) и (3.6) показывают, что шкала неравномерная (квадратичная).

а) б)

в)

Рис. 3.4.2. Схемы соединений катушек ферродинамического измерительного механизма:

а) -- последовательно (вольтметр); б) -- параллельно (амперметр);

в) -- независимо (ваттметр);

1 -- рамка; 2 --катушки возбуждения

Для вольтметров ферродинамической системы, катушки которых вместе с добавочным резистором включаются последовательно, получим:

где z -- полное сопротивление вольтметра.

Шкала вольтметра также имеет квадратичный характер.

Влияние изменения частоты на ферродинамические приборы большое, т.к большие значения индуктивностей катушек ферродинамических приборов. Компенсация частотной погрешности осуществляется подключением конденсатора, рис: 3.38.

Ферродинамический механизм обладает следующими свойствами:

* угол отклонения подвижной системы пропорционален действующим значениям переменных токов, протекающих по катушкам;

* шкала может быть либо равномерной, либо неравномерной;

* непосредственное измерение тока при независимом возбуждении и креплении рамки на кернах ограничено, так же, как и у магнитоэлектрических приборов, верхним пределом, не превышающим долей ампера, и нижним пределом -- порядка долей миллиампера. При параллельном соединении катушек возбуждения и рамки верхний предел может достигать 5... 10 А. Повышение предела измерения требует применения дополнительных преобразователей;

* потребление мощности при независимом возбуждении аналогично потреблению мощности магнитоэлектрическим механизмом; при последовательном или параллельном соединении рамки и катушек возбуждения потребление мощности возрастает.

Достоинствами ферродинамических приборов являются меньшие, чем у электродинамических приборов, восприимчивость к внешним магнитным полям и собственное потребление мощности, большой вращающий момент. Однако их точность ниже, а частотный диапазон уже по сравнению с электродинамическими приборами.

Указанные свойства ферродинамических приборов определяют область их применения -- они используются в качестве щитовых и переносных приборов переменного тока, а также самопишущих приборов.

3.5 Электродинамические измерительные механизмы

Принцип действия электродинамических измерительных механизмов основаны на взаимодействии полей двух токов, протекающих соответственно по двум катушкам: неподвижной катушке 1 и подвижной катушке (рамке) 2 (рис. 3.5.1.).

Рис. 3.5.1. Электродинамический измерительный механизм:

1 -- неподвижная катушка; 2 -- подвижная катушка (рамка): 3-- ось; 4 крыло успокоителя; 5 -- камера успокоителя

Неподвижную катушку выполняют из двух частей, между ними проходит сквозная ось 3, на которой укреплена подвижная катушка. Противодействующий момент создается пружинами, служащими также и для подвода тока к подвижной катушке.

В электродинамических механизмах обычно применяются воздушные успокоители. На рис. 3.5.1. цифрой 4 обозначено крыло успокоителя, а цифрой 5 -- камера успокоителя.

В данном механизме подвижная катушка помещается в неравномерном поле. Поэтому вращающий момент, действующий на подвижную катушку, зависит от взаимного расположения катушек.

В этом случае выражение для вращающего момента в общем виде можно получить, исходя из того, что подвижная часть любого электромеханического устройства стремится расположиться таким образом, чтобы электромагнитная энергия устройства была наибольшей. При этом вращающий момент определяется скоростью изменения электромагнитной энергии А_е при перемещении подвижной части на угол б:

Электромагнитная энергия механизма, состоящего из двух катушек с токами I₁ I₂, может быть представлена в виде:

Следовательно, вращающий момент зависит не только от токов I₁ и I₂, но и от взаимного расположения катушек, т.е. от угла отклонения б подвижной катушки.

При одновременном изменении направления токов I₁ и I₂ направление вращающего момента не изменится. Следовательно, электродинамический измерительный механизм может применяться как на постоянном, так и на переменном токе.

Однако при измерениях на переменном токе последнее выражение будет справедливо лишь для мгновенных значений токов i₁ и i₂.

Руководствуясь теми же рассуждениями, которые были приведены для ферродинамических приборов, получим среднее за период значение вращающего момента (определяющее угол отклонения подвижной части):

где: ш -- сдвиг по фазе между токами I₁ и I₂.

Противодействующий момент, создаваемый пружинами, будет следующим:

где W -- удельный противодействующий момент пружины. Установившееся отклонение будет наступать при равенстве:

Если неподвижная и подвижная катушки соединены последовательно или параллельно, то



где: I-- значение измеряемого тока; к₁, к₂ -- коэффициенты пропорциональности.

Шкала электродинамического измерительного механизма имеет квадратичный характер. Однако при правильном выборе геометрических размеров катушек и их начального взаимного расположения можно достичь такой зависимости М_1.2 от угла отклонения, чтобы вращающий момент практически не зависел от угла поворота а на значительном участке шкалы при включении катушек в различные участки измерительной цепи шкала измерительного механизма имеет практически равномерный характер.

Электродинамические измерительные механизмы обладают следующими свойствами:

* применяются как для измерений на постоянном, так и на переменном токе. На переменном токе эти механизмы измеряют действующее значение;

* характер шкалы неравномерный; при использовании электродинамического измерительного механизма в ваттметрах шкала практически равномерна;

* непосредственное измерение тока обычно ограничивается верхним пределом, составляющим 5 А (редко 10 А), и нижним пределом порядка 30...60 мА. Повышение предела измерения требует использования дополнительных преобразователей (трансформаторов тока);

* потребление мощности относительно велико. Например, при пределе измерения 5 А потребление мощности достигает порядка 5 Вт, что примерно в 20 раз больше, чем у магнитоэлектрического измерительного механизма с дополнительным преобразователем (шунтом) на тот же предел измерения.

Основными достоинствами электродинамических механизмов являются:

* одинаковые показания на постоянном и переменном токе, что позволяет с большой точностью градуировать их на постоянном токе, на переменном токе эти механизмы измеряют действующее значение;

* стабильность показаний во времени, не содержат ферромагнитных сердечников.

* непосредственное измерение тока возможно примерно до 100 А, дальнейшее увеличение предела измерения требует использования дополнительных преобразователей;

Указанные свойства электродинамических механизмов позволяют выпускать на их основе лабораторные многопредельные приборы высоких классов точности 0,5; 0,2; 0,1 для измерений на постоянном и переменном токе.

Выпускаются миллиамперметры и амперметры с пределами от 1 мА до 10 А на частоты до 10 кГц, многопредельные вольтметры с пределами от 1,5 до 600 В на частоты до 5 кГц с током полного отклонения от 60 до 3 мА, многопредельные однофазные ваттметры с пределами по току от 25 мА до 10 А и по напряжению от 15 до 600 В.

Недостатки электродинамических механизмов:

невысокая чувствительность;

большое собственное потребление мощности;

чувствительность к перегрузкам;

характер шкалы неравномерен: в начале ее деления сильно сжаты, однако последние (примерно) две трети шкалы можно сделать близкими к равномерной;

* потребление мощности относительно велико. Например, при пределе измерения, равном 5 А. потребление мощности достигает порядка 2...5 Вт.

Размещено на Allbest.ru