Электроизмерительные приборы
Измерение есть экспериментальное сравнение измеряемой величины с другой однородной величиной, принятой в качестве единицы. После измерения мы узнаем о численном значении измеряемой величины, ее связях и соотношениях с другими величинами больше, чем мы знали до измерения; измерение это физический эксперимент; чтобы произвести измерение, необходимо пользоваться узаконенной системой единиц и техническими средствами его осуществления. Основные единицы этой системы, их определения и сокращенные обозначения: Производные единицы СИ Наименование величин Единицы измерения Сокращенное обозначение единиц измерения Частота Герц Гц Мощность Ватт Вт Вольт В Вольт на метр В/м Ом Ом Фарада Ф Поток магнитной индукции Вебер Вб Индуктивность Генри Г Магнитная индукция Тесла Т Ампер на метр А/м Ампер А Электрическое напряжение Напряженность электрического поля Электрическое сопротивление Электрическая емкость Напряженность магнитного поля Магнитодвижущая сила
Приставки к единицам измерения Наименование приставок Отношение к главной единице Обозначение приставки русское латинское или греческое Пико 10 12 п p Нано 10 9 н n Микро 10 6 мк μ Милли 10 3 м m Санти 10 2 с c Деци 10 1 д d Дека 101 да da Гекто 102 г h Кило 103 к k Мега 106 М M Гига 109 Г G Тера 1012 Т Т
Классификация электроизмерительных приборов регламентирована ГОСТами. Электроизмерительные приборы различаются по следующим признакам: - по роду измеряемой величины: электроизмерительные приборы разделяют на амперметры (величина тока) А, вольтметры (напряжение) V, ваттметры (мощность) W, счетчики электрической энергии (киловатт час), омметры (электрическое сопротивление), фазометры (сдвиг фаз), фарадметры, частотомеры (герцметры) и т. д. - по роду тока: переменный, постоянный. - в зависимости от условий эксплуатации (при различных температурах) приборы и вспомогательные части по своему исполнению разделяются на семь (три – по старому) групп: группа А - для работы в закрытых сухих отапливаемых помещениях; +10 до +35, относительной влажности 80%; - группа Б - для работы в закрытых неотапливаемых помещениях; -20 до +50, относительной влажности 80%; - группа В - для работы в полевых (В 1) или морских (В 2) условиях; 40 до +60 относительной влажности 98%. Значения рабочих и предельных температур окружающей среды, а также относительной влажности для приборов разных групп приведены в таблицах в соответствии с ГОСТ 22261 – 94.
По классу точности: показывающие приборы имеют следующие классы точности: (по ГОСТу 9 классов) 0, 01; 0, 05; 0, 1; 0, 2; 0, 5; 1, 0; 1, 5; 2, 5 и 4. Приборы классов точности от 0, 01 до 0, 5 включительно используются для точных лабораторных исследований. Приборы классов точности от 1, 0 до 4, 0 включительно – технические, выше 4, 0 – внеклассовые Комбинированные приборы могут быть различных классов точности для разных измеряемых величин, родов тока и пределов измерений. Вспомогательные части к приборам шунты и добавочные сопротивления подразделяют на классы точности: 0, 02; 0, 05; 0, 1; 0, 2; 0, 5 и 1. Класс точности электроизмерительных приборов устанавливают на заводе при калибровке по образцовому прибору в нормальных условиях. При этом показание образцового прибора принимают за действительное значение измеряемой величины. Пусть в результате калибровки вольтметра магнитоэлектрической системы со шкалой 0 50 В получены следующие значения абсолютной погрешности. На отметках шкалы прибора 0, 10, 20, 30, 40, 50 В абсолютные погрешности составляют соответственно 0, 2, 0, 3, 0, 5, 0, 9 В. В этом случае приведенная погрешность поверяемого вольтметра γП = ΔАП / А ном*100 = 0, 9/50 *100 = 1, 8%, где ΔАП = 0, 9 максимальная абсолютная погрешность прибора, полученная на отметке шкалы 50. Абсолютная погрешность – величина равная разности между измеренным Аиз и действительным А значениями измеряемой величины: ΔA = Aиз - A. Класс точности 1, 8 для электроизмерительного прибора не установлен. Поэтому по ГОСТу определяют ближайшее большее его значение, равное 2, 5, и поверяемый вольтметр относят к этому классу точности.
По принципу действия: электромагнитные магнитоэлектрические электродинамические ферродинамические электростатические и др. По устойчивости к механическим воздействиям: с повышенной прочностью тряскопрочные ТП вибропрочные ВП не чувствительные к тряске – тряскоустойчивые ТН не чувствительные к вибрации – вибрационноустойчивые ВН ударопрочные – УП Маркировка: Электроизмерительные приборы исключительно разнообразны по назначению, конструктивному оформлению, принципу действия и техническим характеристикам. Чтобы легко получить необходимую и достаточную характеристику каждого электроизмерительного прибора, ГОСТом установлена специальная система их маркировки. Согласно этому ГОСТу на лицевой стороне прибора, обычно на шкале, при помощи условных обозначений указаны: единица измеряемой величины (А, V, W ит. д. ); класс точности прибора; ГОСТ, по которому прибор изготовлен; род тока и число фаз; система прибора; категория защищенности прибора от влияния внешних магнитных или электрических полей; группа прибора по условиям эксплуатации; рабочее положение прибора; испытательное напряжение прочности электрической изоляции токоведущих частей прибора относительно его корпуса; положение прибора относительно земного магнитного поля, если это влияет на показание прибора; номинальная частота, если она отличается от 50 Гц; тип (шифр) прибора; год выпуска и заводской номер прибора; товарный знак (фабричная марка) завода изготовителя.
Внешний вид шкалы с нанесенными условными обозначениями согласно требованиям ГОСТа показан на рис. Условные обозначения характеризуют прибор как электромагнитный типа ЭЗЗО на 10 А, класса точности 1, 5, пригодный для переменного тока на номинальную частоту 45 100 Гц и расширенную частоту до 300 Гц, относится к группе Б, рассчитан для работы в вертикальном положении, изоляция прибора испытана напряжением 2 к. В: амперметр изготовлен заводом ЗИП в 1971 году по ГОСТ 8711 60 и выпущен под № 00000. Таким образом, по условным обозначениям можно получить полное представление об основных технических характеристиках прибора. Для обозначения типа прибора в маркировке указывают следующие буквы: М магнитоэлектрическая; Д электродинамическая; Э электромагнитная; Ц выпрямительная; Т термоэлектрическая; Ф электронная. Условные обозначения для маркировки приборов:
ДЕТАЛИ И УЗЛЫ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ Опоры. Подвижную часть прибора устанавливают на кернах (а), растяжках (б) или подвесах (в). В переносных лабораторных приборах подвижную часть располагают вертикально, а в щитовых приборах горизонтально. Несмотря на малую массу подвижной части (от долей грамма до нескольких граммов) давление кернов на подпятник (рис. ) ввиду очень малого радиуса закругления (R = 0, 01 0, 15 мм) достигает больших значений. Оно, например, намного превышает удельное давление вала на подпятник в больших гидротурбинах и других сложных крупных машинах. Поэтому подпятники электроизмерительных приборов делают, как в часах, из полудрагоценных камней (агата, рубина, сапфира), а керны из легированных сортов стали: кобальто вольфрамовой. Чтобы придать кернам необходимые механические качества, их подвергают закалке, тщательной шлифовке и полировке.
Оправки для подпятников бывают различных конструкций. В щитовых и переносных приборах они выполнены в виде винтов 0, 3 - 3, 5 мм с мелкой нарезкой или круглыми без нарезки. В некоторых приборах применяют круглые оправки с пружинами для амортизации при ударах. В паре керн подпятник имеется трение, которое приводит к увеличению погрешностей прибора. Погрешности от трения уменьшаются, если подвижную часть устанавливают на растяжках, т. е. закрепляют ее через буксы двумя упругими ленточками, которые натягиваются плоскими пружинами (б). Растяжки это упругие ленты из бериллиевой и оловянно цинковой бронзы. Подвижная часть подвешивается на двух растяжках (рис. 12. 4), а концы последних крепятся к двум плоским пружинам. Растяжки могут служить для подвода тока в подвижную часть прибора В приборах высокой чувствительности подвижную часть крепят на подвесах, т. е. свободно подвешивают на упругой металлической нити (в). В этом случае прибор устанавливается по уровню, которым он обязательно снабжается. Растяжки и подвесы выполняют две задачи: крепят подвижную часть и создают противодействующий момент. Поэтому в приборах на растяжках или подвесах не нужны спиральные пружины.
Принцип работы большинства электроизмерительных стрелочных приборов основан на повороте подвижной их части под действием вращающегося момента. Последний создается током, связанным определенной зависимостью с измеряемой электрической величиной. Если этому повороту ничем не противодействовать, то подвижная часть прибора либо повернется на наибольший возможный угол, либо придет в ускоренное движение. Противодействующий момент у большинства приборов создается закручивающейся упругой бронзовой (фосфоритистая бронза) пружиной 1, концы которой прикреплены: один к оси подвижной части прибора 2, а другой к неподвижной части прибора ( к вилке пружинодержателя) 3. Очевидно, что чем больше ток, проходящий через прибор, тем больше вращающий момент, действующий на подвижную часть прибора. Под действием этого вращающего момента подвижная часть прибора поворачивается, закручивая спиральную пружину. Пружина, в свою очередь, препятствует этому повороту. Поворот будет происходить до тех пор, пока вращающий и противодействующий моменты не сравняются. Кроме того, спиральная пружина возвращает подвижную часть прибора в первоначальное (нулевое) положение после того, как прибор выключен из цепи. Для уравновешивания стрелки прибора иногда применяют грузики 4 (противовесы), навинченные на стержни с мелкой резьбой, посредством которой можно изменять расстояние грузиков от оси вращения. Для установки стрелки прибора против нулевого деления служит корректор, состоящий из поводка 5 и винта 6. Эксцентрично поворачивающийся выступ винта 6 изменяет положение пружино держателя 3 и одного конца спиральной пружины 1, поворачивая тем самым стрелку 7 в нужную сторону. У многих приборов по две противодействующих пружины. Они помещаются либо рядом, либо у концов оси подвижной системы.
Успокоители. Подвижную часть прибора с противодействующей спиральной пружиной можно рассматривать как некоторую колебательную систему. В самом деле, при включении прибора в цепь подвижная его часть под действием толчка, создаваемого быстро нарастающим вращающим моментом, поворачивается, но не сразу может остановиться в положении, в котором вращающий и противодействующий моменты равны (подобно тому, как маятник не в состоянии остановиться, проходя через положение равновесия). Подвижная часть прибора будет совершать затухающие колебания, и для снятия показаний необходимо некоторое время для полной остановки его стрелки. Для быстрой остановки подвижной части прибора применяют специальные устройства успокоители. Наиболее распространенными успокоителями являются воздушные и магнитоиндукционные. Воздушный успокоитель представляет собой дугообразный цилиндр 1, запаянный с одного конца. Внутри цилиндра находится поршень 2. Он жестко связан с подвижной частью прибора и не касается стенок цилиндра. Зазор между поршнем и цилиндром невелик и при быстрых перемещениях поршня давление внутри цилиндра не успевает выровняться с атмосферным. В цилиндре создаются то сгущения, то разрежения воздуха, которые препятствуют движению поршня и тем самым быстро успокаивают подвижную систему. При медленном же движении поршня часть воздуха может свободно входить в цилиндр и выходить из него через зазор, не препятствуя поворотам подвижной части прибора. Иногда воздушный успокоитель имеет форму замкнутой коробочки со щелью. Эта щель служит для перемещения рычага 1, на котором укреплена пластинка 2. Последняя не касается стенок коробочки и выполняет ту же роль, что и поршень. При движении пластинки в коробочке одновременно действуют и сгущения (по одну сторону пластинки) и разрежения (по другую сторону), препятствующие колебаниям.
Магнитоиндукционный успокоитель представляет собой перемещающуюся между полюсами постоянного магнита М легкую алюминиевую пластину А, жестко связанную с подвижной системой прибора. При колебаниях пластинки в магнитном поле постоянного магнита в соответствии с законом Ленца в ней индуцируются токи, препятствующие этим колебаниям, поэтому колебания подвижной системы и стрелки быстро прекращаются. Примеры стрелок и шкал: 1 – шкала, 2 – стрелка, 3 – зеркало; а) копьевидный указатель стрелки, б) ноже видный. Технические требования к шкалам измерительных приборов регламентирует ГОСТ, согласно которому шкалы разделяют: по начертанию на прямолинейные (горизонтальные или вертикальные) дуговые (при угле дуги до 180° включительно), горизонтальные, вертикальные или наклонные, круговые (при угле дуги более 180°); по характеру расположения отметок на равномерные (отношение длины наибольшего деления к наименьшему не превышает 1, 3 при постоянной цене деления) и неравномерные (отношение длины наибольшего деления к наименьшему той же цены превышает 1, 3); по освещенности на несветящиеся, подсвеченные (падающим или проходящим светом искусственного источника), светящиеся (со светящейся массой постоянного или временного действия); по месту расположения нуля на односторонние (нуль размещен в начале), двусторонние (нуль размещен между начальной и конечной отметками), безнулевые (на шкале вообще нет нулевой отметки); по количеству строк в одной шкале на однострочные, двухстрочные, многострочные. Для уменьшения погрешностей отсчета, вызываемых неправильным положением глаза наблюдателя относительно отсчетного устройства, в точных переносных измерительных приборах шкалы делают зеркальными. При отсчете значения измеряемой величины по зеркальной шкале необходимо так смотреть на стрелку и шкалу, чтобы стрелка перекрывала свое отражение в зеркале. Указателями служат ножевидные, копьевидные, нитевидные и другие стрелки, а также так называемые световые указатели. Чем длиннее стрелка, тем больше ее перемещение по шкале при одном и том же отклонении подвижной части.
Магнитное поле возникает в пространстве, окружающем движущиеся электрические заряды и постоянные магниты. Оно воздействует только на движущиеся заряды. Общеизвестно действие постоянных магнитов и электромагнитов на ферромагнитные тела, существование и неразрывное единство полюсов магнитов и их взаимодействие (разноименные полюсы притягиваются, одноименные отталкиваются). По аналогии с магнитными полюсами Земли полюсы магнитов называют северным и южным. Магнитное поле наглядно изображается магнитными силовыми линиями, которые задают направление магнитного поля в пространстве. Эти линии не имеют ни начала, ни конца, т. е. являются замкнутыми. В пространстве, окружающем магнит или электромагнит, за положительное направление магнитных силовых линий условно принято направление от северного полюса к южному. Чем интенсивнее магнитное поле, тем выше плотность силовых линий. Силовые линии магнитного поля прямолинейного проводника представляют собой концентрические окружности, охватывающие провод. Чем сильнее ток, тем сильнее магнитное поле вокруг провода. При удалении от провода с током магнитное поле ослабевает. Магнитные поля прямого и подковообразного магнитов Направление магнитных силовых линий определяется правилом буравчика: если ввинчивать винт по направлению тока, то магнитные силовые линии будут направлены по ходу винта. Для получения более сильного магнитного поля применяют катушки с обмоткой из проволоки. В этом случае магнитные поля отдельных витков катушки складываются и их силовые линии сливаются в общий магнитный.
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ПРОВОДНИКА С ТОКОМ Любой проводник с током создает магнитное поле. Направление силовых линий соответствует вращательному направлению винта с правой резьбой, если его поступательное движение совпадает с направлением тока. Магнитное поле прямолинейного проводника Изображение проводника с током в разрезе Правило правой руки Если обхватить проводник пальцами правой руки так, чтобы отставленный на 90° большой палец указывал направление тока, то сжатые пальцы указывают направление силовых магнитных линий. Указание: существуют и другие основанные на этом же принципе правила определения направления: правило буравчика и правило винта. При практическом применении всех этих правил учитывается положительное направление тока. На практике применяют также и другие формы изображения магнитного поля проводника с током. Например, прямолинейный проводник изображается в сечении, а направление тока изображается, как показано на рис. Движение тока к наблюдателю изображается точкой, а от наблюдателя крестиком.
Любая катушка, если через нее пропустить ток, создает внутри себя и в окружающем пространстве электромагнитное поле. При этом необходимо учитывать, что магнитные поля отдельных витков суммируются в результирующее электромагнитное поле катушки. Правило правой руки Если обхватить катушку пальцами правой руки так, чтобы сжатые пальцы указывали направление тока, то отставленный на 90° большой палец будет указывать на северный полюс магнитного поля катушки. Магнитная индукция. Интенсивность магнитного поля характеризуется магнитной индукцией В. Рассмотрим проводник с током I, расположенный перпендикулярно направлению магнитных силовых линий однородного магнитного поля. Направление действия электромагнитной силы F на проводник определяется «правилом левой руки» : если расположить левую руку так, чтобы магнитные линии пронизывали ладонь, а вытянутые четыре пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый большой палец укажет направление действия электромагнитной силы.
Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии проводника с током (рамки) с магнитным полем постоянного магнита М. Подковообразный постоянный магнит М, стальные полюсные наконечники N и S, стальной цилиндр 4 образуют магнитную цепь (полюсные наконечники и стальной цилиндр служат для уменьшения магнитного сопротивления этой цепи). Благодаря форме полюсных наконечников в большей части воздушного зазора между цилиндром и наконечником создается радиально направленное однородное магнитное поле, в котором может поворачиваться подвижная рамка 2. Рамку прибора (обмотку) чаще всего выполняют из изолированного провода на легком алюминиевом каркасе, укрепленном на двух полуосях. Измеряемый ток проходит в рамку через токоведущие спиральные пружины, служащие одновременно и для создания противодействующего момента. При протекании тока по рамке на ее стороны, находящиеся в воздушном зазоре, действует пара сил (токи в этих сторонах рамки имеют противоположное направление), создающая вращающий момент и поворачивающая эту рамку в ту или иную сторону вокруг оси. Направление силы F, действующей на одну сторону рамки, может быть определено по правилу левой руки, а значение по закону Ампера.
Для переменных токов эти приборы без дополнительных устройств выпрямителей непригодны, так как направление отклонения стрелки прибора зависит от направления тока в рамке. Следовательно, в цепи переменного тока подвижная часть прибора ничего не покажет. Поэтому, если нулевое деление шкалы находится не в ее середине, а на левом краю, то около зажимов прибора ставятся знаки "+" и "—", к которым следует подключать провода соответствующей полярности. При неправильном включении такого прибора стрелка упирается в ограничитель, стремясь уйти в противоположную сторону за нулевое деление шкалы. Специальных успокоителей в магнитоэлектрических приборах не делают. Их роль выполняет алюминиевый замкнутый каркас, на который навивается рамка. При колебаниях каркаса в нем индуцируются токи, препятствующие этим колебаниям, и подвижная система прибора быстро успокаивается. Изменения температуры окружающей среды могут влиять на изменения сопротивления прибора, плотности магнитного потока в воздушном зазоре и упругих свойств пружин, создающих противодействующий момент. Однако два последних обстоятельства приблизительно компенсируют друга.
Например, повышение температуры вызывает ослабление магнитного потока в воздушном зазоре, т. е. вращающий момент уменьшается, при этом уменьшение упругости пружин примерно на столько же уменьшает противодействующий момент. Изменение сопротивления прибора из за изменения температуры окружающей среды значительно сказывается на показаниях амперметров с шунтами, но почти не сказывается на показаниях вольтметров. У вольтметра сопротивление рамки значительно меньше добавочного сопротивления, а последнее изготовляют из манганиновой проволоки, имеющей незначительный температурный коэффициент. Поэтому сопротивление всего прибора почти не изменяется. Для устранения температурной погрешности в некоторых приборах применяют специальные схемы так называемой температурной компенсации. К достоинствам магнитоэлектрических приборов относятся: равномерная шкала; большая точность при малой чувствительности; высокая чувствительность при малой точности (гальванометр); малая чувствительность к внешним магнитным полям; малое потребление энергии. Чувствительность – отношение линейного или углового перемещения указателя к изменению измеряемой величины, вызвавшую это перемещение. Недостатками таких приборов являются: пригодность только для постоянных токов (без выпрямителей), большая чувствительность к перегрузкам, сравнительно высокая стоимость. Приоры такого вида систем обозначаются следующим образом:
Приборы с подвижным магнитом. Принцип действия прибора с подвижным магнитом можно понять из схемы, изображенной на рис. При протекании измеряемого тока по неподвижной катушке, состоящей из двух секций, образуется магнитное поле. Подвижный магнит 4 укрепленный на оси 5, начинает под действием поля катушки поворачивается. Спиральная пружина 2 (а в некоторых приборах неподвижный магнит) создает противодействующий момент. По отсчетному устройству 1 (шкала и указатель) узнают числовое значение измеряемой величины. В качестве успокоителя служит медный или алюминиевый стакан 5, в стенках которого при повороте подвижного магнита наводятся вихревые токи, взаимодействующие с полем магнита и создающие успокаивающий момент. Для исключения влияния внешних магнитных полей прибор экранируется корпусом из материала с большой магнитной проницаемостью. Приборы с подвижным магнитом имеют относительно низкую точность. Конструктивное оформление этих приборов весьма разнообразно. Основные их достоинства малые габариты и низкая (по сравнению с приборами, имеющими подвижную рамку) стоимость.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ Электромагнитные измерительные приборы работают на принципе взаимодействия магнитного поля, создаваемого измеряемым током, с сердечником из ферромагнитного материала, помещенным в поле и являющимся подвижной частью прибора. По конструкции электромагнитные приборы делятся на два типа: приборы с плоской катушкой и приборы с круглой катушкой. Рассмотрим сначала устройство первого типа приборов, рис. а). Обмотка прибора представляет собой плоскую катушку 1 со щелью. Обмотка катушки у вольтметров выполняется из тонкой (диаметр 0, 05 0, 1 мм) медной проволоки с большим числом витков (2000 10000). Обмотка амперметров на токи до 30 А изготовляется из небольшого числа витков толстой проволоки. На токи до 200 А обмотка выполняется из медной ленты или в виде одного шинного витка (на токи 300 500 А). Второй основной частью прибора является сердечник из ферромагнитного материала (например, пермаллоя) в форме лепестка 2, укрепленного эксцентрично на оси прибора 3. пермаллой содержит примерно 79% Ni, 17% Fe, 4% Мо
При прохождении тока по виткам катушки возникает магнитное поле, которое втягивает сердечник в щель катушки тем больше, чем больший ток протекает по виткам катушки. Укрепленная на оси стрелка 4 будет отклоняться по шкале 5. Противодействующий момент создается спиральной пружиной 6, связанной одним концом с осью, а другим концом с неподвижной частью прибора. Для успокоения электромагнитных приборов обычно применяются воздушные успокоители 7. Поршенек успокоителя, закрепленный на оси при помощи проволоки, перемещаясь в изогнутом цилиндре, испытывает со стороны воздуха в цилиндре сопротивление своим колебаниям, что приводит к успокоению стрелки. Изменение величины тока в катушке вызывает непропорциональное изменение угла поворота стрелки, поскольку вращающий момент, действующий на подвижную систему, зависит от квадрата тока. Поэтому шкала электромагнитного прибора неравномерна. Внешние магнитные поля оказывают влияние на работу электромагнитного прибора, но железный кожух прибора значительно ослабляет это влияние. Изменение направления тока в обмотке прибора приводит к перемагничиванию сердечника (или сердечников), и сила взаимодействия не меняет своего направления. Поэтому электромагнитные приборы мо гут работать в цепях постоянного и переменного токов. При переменном токе прибор будет показывать действующее значение тока или напряжения. Потребление мощности в амперметрах составляет 2 8 ват, в вольтметрах 5 6 вт. Простота конструкции, дешевизна, возможность выдерживать перегрузку, пригодность для постоянного и переменного токов привели к тому, что приборы электромагнитной системы нашли себе широкое применение для технических измерений. К недостаткам прибора нужно отнести малую точность, неравномерность шкалы, зависимость показаний прибора от внешних магнитных полей и от частоты. Электромагнитные приборы изготовляются главным образом в качестве технических щитовых приборов классов точности 1; 1, 5; 2, 5. Придавая специальную форму сердечнику (лепестку) и изменяя его расположение относительно катушки, можно добиться некоторого уменьшения неравномерности шкалы у этих приборов, рис. б) и в).
Во второй конструкции имеется два ферромагнитных элемента 3, 4; размещенных внутри неподвижной круглой катушки 5. Один из них подвижный 4, жестко связан с осью 2 прибора, другой неподвижен 3. При прохождении тока по катушке оба элемента одноименно намагничиваются и стремятся оттолкнуться, как два магнита одинаковой полярности. В результате такого взаимодействия подвижный элемент поворачивается вместе с осью. В приборах обеих конструкций противодействующий момент создается спиральной пружиной 7. Успокоители (6, 10) в таких магнитных системах бывают воздушные и магнито индукционные. Шкала прибора, как это видно из последнего выражения, неравномерная. Меняя форму сердечника и его расположение в катушке, можно получить почти равномерную шкалу, начиная с 20% верхнего предела диапазона измерений. При меньших значениях измеряемой величины электромагнитные приборы недостаточно чувствительны и эта часть шкалы считается нерабочей. Конструктивная особенность электромагнитного прибора позволяет изготовить амперметры этой системы на токи 200 300 А для прямого включения в цепь. Действительно, неподвижная катушка может быть выполнена из провода любого сечения. Амперметр на 150 300 А выполняется с катушкой в виде одного витка из медной шины. Вольтметры электромагнитной системы изготовляют на напряжение до 660 В, катушку выполняют из большого числа витков медной проволоки небольшого сечения, а для компенсации температурной погрешности включают добавочные резисторы из манганина. Ввиду относительно слабого собственного магнитного поля на показания электромагнитных приборов весьма значительное влияние оказывают внешние магнитные поля. Для снижения их влияния измерительный механизм защищают стальным экраном (1 на рис. ). В приборе имеется корректор (8, 9).
Электростатические измерительные приборы. Принцип действия электростатического измерительного механизма основан на взаимодействии сил, возникающих между двумя разнозаряженными пластинами. Достоинства электростатических приборов. Приборы электростатического типа имеют высокое входное сопротивление, малую, но переменную входную емкость, малую мощность самопотребления, широкий частотный диапазон. Данные приборы могут использоваться в цепях переменного и постоянного тока. Показания приборов соответствуют среднеквадратическому значению измеряемой величины, и показания не зависят от формы кривой измеряемого сигнала. Недостатки электростатических приборов. Приборы имеют квадратичную шкалу, малую чувствительность из за слабого электростатического поля и невысокую точность. Кроме того, приборы требуют применения экрана и не исключают возможность электрического пробоя.
Принцип работы этих приборов заключается во взаимодействии электрически заряженных подвижных и неподвижных проводников (пластин). При перемещении подвижных пластин, происходящем под воздействием энергии электрического поля, изменяется электрическая емкость между пластинами вследствие изменения их активной поверхности или из за изменения расстояния между ними.
Измерительный механизм с изменяющейся активной поверхностью пластин конструктивно напоминает конденсатор переменной емкости. Между неподвижными пластинами 1 закрепляются на оси 3 (или на растяжках) подвижные 2. К подвижным и неподвижным пластинам подводится напряжение, создающее между ними электрическое поле. Под воздействием сил поля подвижные пластины втягиваются в пространство между неподвижными и увеличивают свою активную поверхность. Пластины обычно изготовляют из алюминия. Противодействующий момент создается спиральной пружинкой. Отсчет угла поворота производится либо с помощью стрелки, либо световым указателем. Чувствительность измерительного механизма повышается увеличением числа подвижных и неподвижных пластин. Электростатический механизм с изменяющимся расстоянием между пластинами изображен на рис. 5 б. Между неподвижными пластинами 4 и 6 перемещается подвижная легкая алюминиевая тина 7, подвешенная на металлической ленточке 5. Пластина 7 электрически соединена с пластиной 4 и изолирована от пластины 6. При наличии между пластинами разности потенциалов, одноименно заряженные пластины отталкиваются, а разноименно заряженные притягиваются. Перемещаясь, пластина 7 через тягу 3 поворачивает ось 2, на которой жестко укреплен указатель. Противодействующий момент создается весом подвижной пластины 7, а успокоение осуществляется с помощью магнитоиндукционного успокоителя 1.
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ Принцип действия электродинамических приборов основан на взаимодействии магнитных полей двух катушек одной, неподвижно закрепленной, и другой, сидящей на оси и могущей поворачиваться. На рис. а) показано устройство электродинамического прибора. Катушка 1 (здесь состоящая из двух половин) неподвижно закреплена. К подвижной катушке 2, укрепленной на оси прибора 3, ток подводится через спиральные пружины 4, которые одновременно служат для создания противодействующего момента. При пропускании тока по виткам обеих катушек они создадут магнитные поля, которые, взаимодействуя между собой, будут стремиться повернуть катушку 2 так, чтобы ее магнитное поле и поле катушки 1 совпадали по направлению. Кроме круглых катушек, встречаются конструкции приборов с прямоугольными катушками. Магнитное поле каждой катушки зависит от тока, поэтому сила взаимодействия обеих катушек пропорциональна квадрату тока. Следовательно, шкала прибора неравномерна. Успокоение приборов этой системы воздушное, так как применение электромагнитного тормоза вызвало бы искажение показаний прибора. Это объясняется тем, что собственные магнитные поля катушек очень малы и сильное поле постоянного магнита электромагнитного тормоза оказывало бы влияние на работу прибора.
Одновременное изменение направления тока в обеих катушках не меняет направления силы взаимодействия. Поэтому электродинамические приборы применяются в цепях как постоянного, так и переменного тока. В цепях переменного тока приборы этой системы показывают действующее значение измеряемой величины. Точность электродинамических приборов I велика (класс точности 0, 2 0, 5), и поэтому они нашли себе применение как контрольные приборы для измерений на переменном токе. К недостаткам приборов нужно отнести достаточно большое потребление мощности, составляющее в амперметрах 5 10 Вт, в вольтметрах 7 15 Вт, чувствительность к перегрузкам и влияние на показание прибора внешних магнитных полей вследствие слабого собственного поля прибора. При перегрузках прибора спиральные пружинки теряют упругость и могут перегореть. На рис. в показано устройство электродинамического прибора в упрощенном виде, где хорошо видно взаимное расположение катушек.
На рис. показано устройство электродинамического прибора неподвижная катушка, которого состоит из двух полукатушек, внутри которых расположена подвижная катушка.
Измерительный механизм ин дукционной системы используют в счетчиках электроэнергии. По движная часть этих приборов вращается, и частота вращения ее должна быть пропорциональна мощности контролируемой на грузки. Счетчик, по сути дела, является маленьким двигателем переменного тока. В приборе переменные потоки двух неподвижных электромагнитов 1 и 4 пронизывают установленный на оси алюминиевый диск 2, индуцируя в нем токи, взаимодействие которых с потоками электро магнитов создает вращающиймомент. Обмотка одного электромагнита с большим числом витков и, следовательно, обладающая большой индуктив остью, включается параллельно нагрузке; обмотка дру гого, с малым числом витков, н включается в цепь после довательно с нагрузкой. Таким образом, один магнитный поток пропорционален напряжению U, а другой току I нагрузки. Устройство прибора индукционной системы Вращающему моменту в приборе противодействует тормозной, который создается за счет взаимодействия поля постоянного магнита 3 с током, индуцируемым этим полем во вращающемся диске. Этот момент тем больше, чем больше частота n вращения диска: Частота вращения диска п пропорциональна мощ ности нагрузки и соответственно число оборотов TV про порционально количеству электроэнергии, полученной нагрузкой за время вращения диска. Вращение диска через червячную передачу и систему зубчатых колес передается счетному механизму, показа ния которого выражаются в киловатт часах или гекто ватт часах. Приборы индукционной системы устойчивы к пере грузкам, имеют большой вращающий момент, малую чувствительность к внешним магнитным полям. Однако они недостаточно чувствительны и их показания зависят от частоты измеряемого тока и температуры окружаю щей
В зазоре между магнитопроводом 8 обмотки напряжения 7 и магнитопроводом 10 токовой обмотки 13 размещен подвижной алюминиевый диск 17, насаженный на ось 1, установленную в пружинящем подпятнике 15 и верхней опоре 5. Через червяк 2, укрепленный на оси, и соответствующие зубчатые колеса вращение диска 17 передается к счетному механизму. Для прикрепления счетного механизма к счетчику имеется отверстие 4. Токовая обмотка 13, включаемая последовательно в исследуемую цепь, состоит из малого числа витков, намотанных толстым проводом (соответственно номинальному току счетчика). Обмотка напряжения 7, включаемая в цепь параллельно, состоит из большего числа (8000 12000) витков, намотанных тонким проводом диаметром 0, 08 0, 12 мм. Когда к этой обмотке приложено переменное напряжение, а по токовой обмотке протекает ток нагрузки, в магнитопроводах 8 и 10 появляются переменные магнитные потоки, замыкающиеся через алюминиевый диск. Переменные магнитные потоки, пронизывая диск, наводят в нем вихревые токи. Эти токи, взаимодействуя с соответствующими потоками, образуют вращающий момент, действующий на подвижный алюминиевый диск. При помощи постоянного магнита 3, в поле которого вращается диск счетчика, создается тормозной (противодействующий) момент. Установившаяся скорость вращения диска наступает при равенстве вращающего и тормозного моментов.
Число оборотов диска за определенное время будет пропорционально израсходованной энергии или установившаяся равномерная скорость вращения диска будет пропорциональна мощности при условии, что вращающий момент, действующий на диск, пропорционален мощности цепи, в которую включен счетчик. Трение в механизме индукционного счетчика приводит к появлению погрешностей в показаниях. Особенно велико влияние сил трения при малых (5 10% номинальной) нагрузках индукционного счетчика, когда отрицательная погрешность достигает 12 15%. Для уменьшения влияния сил трения в счетчиках применяют специальные устройства, называемые компенсаторами трения. На рисунке это пластинка 11, перемещая которую, регулируют величину компенсационного момента. Величина этого момента пропорциональна напряжению. Поэтому, при повышении приложенного напряжения, компенсационный момент может оказаться больше момента трения и появляется так называемый самоход, для устранения которого предусмотрено противосамоходное устройство в виде стальных крючка и пластинки 16. Важным параметром счетчиков электрической энергии переменного тока является также чувствительность или порог чувствительности, под которым понимают минимальную мощность, выраженную в процентах от номинальной, при которой диск счетчика начинает безостановочно вращаться. Согласно ГОСТу, значение чувствительности для счетчиков разных классов точности должно быть не менее 0, 5 1, 5%.
Электроизмерительные клещи предназначены для измерения электрических величин тока, напряжения, мощности, фазового угла и др. без разрыва токовой цепи и без нарушения ее работы. Соответственно измеряемым величинам существуют клещевые амперметры, ампервольтметры, ваттметры и фазометры. Наибольшее распространение получили клещевые амперметры переменного тока, которые обычно называют токоизмерительными клещами. Они служат для быстрого измерения тока в проводнике без разрыва и без вывода его из работы. Электроизмерительные клещи применяются в установках до 10 к. В включительно. Простейшие токоизмерительные клещи переменного тока работают на принципе одновиткового трансформатора тока, первичной обмоткой которого является шина или провод с измеряемым током, а вторичная многовитковая обмотка, к которой подключен амперметр, намотана на разъемный магнитопровод (рис. а).
Схемы токоизмерительных клещей переменного тока: а схема простейших клещей с использованием принципа одновиткового трансформатора тока, б схема, сочетающая одновитковый трансформатор тока с выпрямительным устройством, 1 проводник с измеряемым током, 2 разъемный магнитопровод, 3 вторичная обмотка, 4 выпрямительный мостик, 5 рамка измерительного прибора, 6 шунтирующий резистор, 7 переключатель пределов измерений, 8 – рычаг. Для охвата шины магнитопровод раскрывается подобно обычным клещам при воздействии оператора на изолирующие рукоятки или рычаги клещей. Переменный ток, проходя по токоведущей части, охваченной магнитопроводом, создает в магнитопроводе переменный магнитный поток, индуктирующий электродвижущей силой (ЭДС) во вторичной обмотке клещей. В замкнутой вторичной обмотке ЭДС создает ток, который измеряется амперметром, укрепленным на клещах. В современных конструкциях токоизмерительных клещей применяется схема, сочетающая трансформатор тока с выпрямительным прибором. В этом случае выводы вторичной обмотки присоединяются к электроизмерительному прибору не непосредственно, а через набор шунтов. Электроизмерительные клещи бывают двух типов: одноручные для установок до 1000 В и двуручные для установок от 2 до 10 к. В включительно. Электроизмерительные клещи имеют три основные части: рабочую, включающую магнитопровод, обмотки и измерительный прибор, изолирующую от рабочей части до упора, рукоятки от упора до конца клещей. У одноручных клещей изолирующая часть служит одновременно рукояткой. Раскрытие магнитопровода осуществляется с помощью нажимного рычага. Электроизмерительные клещи для установок 2 10 к. В имеют длину изолирующей части не менее 38 см, а рукояток не менее 13 см. Размеры клещей до 1000 В не нормируются. Правила пользования клещами. Электроизмерительные клещи могут применяться в закрытых электроустановках, а также в открытых в сухую погоду. Измерения клещами допускается производить как на частях, покрытых изоляцией (провод, кабель, трубчатый патрон предохранителя и т. п. ), так и на голых частях (шины и пр. ).
Скачать презентацию Электроизмерительные приборы Измерение есть экспериментальное сравнение измеряемой
электроизмерительные приборы.pptx