Глава 7. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

7.1 Общие сведения

Электромеханический прибор в общем случае включает в себя измерительную цепь, измерительный механизм и отсчетное устройство.

Измерительная цепь служит для преобразования измеряемой электрической величины в другую электрическую величину, непосредственно воздействующую на измерительный механизм. Измерительный механизм преобразует электрическую величину в угол поворота подвижной части.

Отсчетное устройство служит для визуального отсчитывания значений измеряемой величины в зависимости от угла поворота подвижной части.

Несмотря на различие приборов с различными измерительными механизмами, имеется ряд деталей и узлов, общих для всех электромеханических приборов.

Корпус прибора защищает прибор от внешних воздействий, например от попадания в него пыли.

Отсчетное устройство электромеханического прибора состоит из шкалы и указателя. Шкала прибора обычно представляет собой пластину, на которой нанесены отметки, соответствующие определенным значениям измеряемой величины.

Указатель представляет собой перемещающуюся вдоль шкалы стрелку, жестко скрепленную с подвижной частью измерительного механизма прибора. В качестве указателя применяют также световой луч, отраженный от зеркальца, укрепленного на оси подвижной части. Луч света попадает на шкалу и образует на ней световое пятно, например, с темной нитью посередине. При повороте подвижной части световой указатель перемещается по шкале.

Крепление подвижной части осуществляется с помощью опор, растяжек или подвеса. Опоры состоят из кернов и подпятников. Керны представляют собой отрезки стальной проволоки, заточенные с одной стороны на конус. Подпятники имеют вид цилиндра с коническим углублением по оси. Они чаще всего изготовляются из агата или корунда. Керны, укрепленные на подвижной части по оси вращения, входят в углубления подпятников, расположенные на неподвижной части. Недостаток установки на опорах — трение, которое вызывает погрешность.

Подвижная часть может быть подвешена на двух растяжках, представляющих собой упругие металлические ленты, прикрепляемые одним концом к подвижной части, а другим — к неподвижным деталям прибора. В случае необходимости растяжки могут быть использованы и для подвода тока в обмотку подвижной части.

Подвешивание подвижной части на подвесе применяется в приборах высокой чувствительности — гальванометрах. Подвес — тонкая, упругая лента. Приборы, в которых применен подвес, требуют установки по уровню, поскольку подвижная часть висит свободно и отклонение положения прибора от вертикального может вызвать ее касание с неподвижной частью.

Необходимая степень успокоения (требуемое время успокоения) достигается в приборах путем применения устройств, называемых успокоителями. Применяют магнитоиндукционные, жидкостные и воздушные успокоители. Магнитоиндукционное успокоение создается при движении металлических деталей подвижной части в магнитном поле. Момент успокоения возникает в результате взаимодействия магнитных полей и наводимых токов, возникающих в движущихся металлических деталях. Магнитоиндукционный успокоитель состоит из постоянного магнита и перемещающейся в его рабочем зазоре металлической пластины (из алюминия), укрепленной на подвижной части. Роль успокоителя может играть также короткозамкнутый виток подвижной части, перемещающийся в поле магнита.

Жидкостное успокоение достигается тем, что подвижная часть измерительного механизма или ее отдельные детали помещаются в вязкую жидкость. Поэтому при колебаниях подвижной части расходуется энергия колебаний подвижной части, т. е. создается необходимое успокоение. В осциллографических гальванометрах с жидкостным успокоением в жидкость помещают либо всю подвижную часть, либо только часть растяжки.

Воздушный успокоитель состоит из камеры и находящейся внутри нее пластины, скрепленной с подвижной частью. При колебаниях подвижной части в камере создается разность давлений по обе стороны пластины. Эта разность давлений препятствует свободному перемещению подвижной части и вызывает ее успокоение.

Для установки указателя на требуемую отметку в электромеханических приборах применяют устройство, называемое корректором. Корректор содержит винт, укрепленный на корпусе прибоpa, поворачивая который, можно закручивать пружинки, растяжки или подвес и тем самым поворачивать подвижную часть прибора и устанавливать указатель на требуемую отметку.

Некоторые приборы снабжают арретиром — устройством, затормаживающим подвижную часть прибора.

На каждый прибор наносят условные обозначения. Как правило, на приборе обозначают: единицу измеряемой величины, класс точности, род тока, используемое положение прибора (горизонтальное или под углом), если это положение имеет значение.На шкале прибора указывают также условное обозначение типа измерительного механизма (см. табл.).

7.2 Магнитоэлектрические приборы.

Общие сведения. Магнитоэлектрические приборы состоят из магнитоэлектрического измерительного механизма с отсчетным устройством и измерительной цепи. Эти приборы применяют для измерения постоянных токов и напряжений (амперметры и вольтметры), сопротивлений (омметры), количества электричества (баллистические гальванометры и кулонметры). Магнитоэлектрические приборы применяют также для измерения или индикации малых токов и напряжений (гальванометры). Кроме того, магнитоэлектрические приборы используют для регистрации электрических величин (самопишущие приборы и осциллографические гальванометры).

Измерительный механизм. Вращающий момент в измерительном механизме магнитоэлектрического прибора возникает в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля катушки с током. Применяют магнитоэлектрические механизмы с подвижной катушкой и с подвижным магнитом. Наиболее распространен механизм с подвижной катушкой.

Ток к подвижной катушке подводится через две спиральные пружинки. При протекании тока через подвижную катушку возникает вращающий момент, мгновенное значение которого определяется выражением (1).

Энергия электромагнитного поля, сцепляющегося с подвижной катушкой, W_ЭМ=Ψ_i,

где Ψ=Bsωα – потокосцепление подвижной катушки;

В — индукция в воздушном зазоре между сердечником и полюсными наконечниками;

s — площадь катушки;

ω— число витков обмотки катушки;

а — угол поворота катушки;

На рис5-8. показано устройство магнитоэлектрического измерительного механизма с подвижной катушкой, где 1 — постоянный магнит, 2 — магнитопровод, 3 — полюсные наконечники, 4 — неподвижный сердечник, 5— спиральная пружинка, 6 — подвижная катушка, 7 — магнитный шунт, 8— указатель.

Мгновенный вращающий момент:

Если ток синусоидальный (i=I_msinωt), то вращающий момент i=BsωI_msinωt При этом работа механизма зависит от соотношения частоты тока ω и частоты собственных колебаний подвижной части механизма ω₀. У измерительных механизмов магнитоэлектрических амперметров, вольтметров, омметров период собственных (свободных) колебаний подвижной части примерно одна секунда (ω₀=6,28 с^-1). Следовательно, отклонение подвижной части измерительного механизма при частоте тока более 10 Гц практически равно нулю. В диапазоне частот до 10 Гц подвижная часть колеблется с частотой входного тока, причем максимальное отклонение зависит от частоты. Поэтому приборы с такими измерительными механизмами применяют в цепях постоянного тока.

При протекании через катушку постоянного тока вращающий момент

M=BswI. (5-14)

Если противодействующий момент создается упругими элементами, то

α=BsωI/W=S_iI (5-15)

где Bsω/W=S_i—чувствительность измерительного механизма к току.

Из выражения (5-15) следует, что при постоянной индукции В в зазоре угол отклонения подвижной катушки пропорционален току в катушке, а знак угла отклонения меняется при изменении направления тока.

Магнитный шунт 7 в виде пластины из ферромагнитного материала (см. рис. 5-8) используют для регулировки индукции в воздушном зазоре механизма путем перемещения шунта. При этом происходит перераспределение магнитных потоков через воздушный зазор и шунт. Это необходимо, например, для изменения чувствительности механизма.

В магнитоэлектрических логометрических измерительных механизмах подвижная часть выполняется в виде двух жестко скрепленных между собой катушек 1 и 2, по обмоткам которых протекают токи I₁ и I₂ (рис. 5-9). Ток к катушкам подводится с помощью металлических лент, практически не имеющих противодействующего момента. Моменты M₁и М₂, создаваемые взаимодействием магнитного поля постоянного магнита и токов катушек, направлены навстречу друг другу. Так как хотя бы один из моментов должен зависеть от угла поворота подвижной части, то для этого, например, зазор выполняют неравномерным.

В магнитоэлектрических механизмах осуществляется магнитоиндукционное успокоение за счет взаимодействия токов, наводимых в дюралюминиевом каркасе подвижной катушки при ее перемещении, и поля постоянного магнита и за счет взаимодействия токов, наводимых в цепи катушки, и поля магнита.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы имеют некоторые особенности, которые придают магнитоэлектрическим приборам определенные положительные свойства. Магнитоэлектрические измерительные механизмы имеют высокую чувствительность и малое собственное потребление энергии, имеют линейную и стабильную номинальную статическую характеристику преобразования a=f(I}, что объясняется стабильностью свойств применяемых материалов. У этих механизмов отсутствует влияние электрических полей и мало влияние магнитных полей из-за достаточно сильного поля в воздушном зазоре (0,2— 1,2 Тл). Однако эти механизмы имеют малую перегрузочную способность по току, относительно сложны и дороги. Недостаток их также в том, что обычные механизмы реагируют только на постоянный ток.

Амперметры и вольтметры. В магнитоэлектрических амперметрах измерительный механизм включается в цепь измеряемого тока либо непосредственно либо при помощи шунта. Непосредственное включение применяется для измерения токов до 30 mA, допустимых для обмотки, пружин или растяжек.

Изменение температуры на прибор влияет следующим образом: Упругость пружин или растяжек уменьшается приблизительно на 0,2–0,4% на каждые 10⁰ К. Магнитный поток в зазоре уменьшается приблизительно на 0,2% на каждые 10⁰ К. Таким образом, эти явления оказывают противоположное влияние на показания прибора и поэтому в приборах малой и средней точности температурное влияние пренебрежимо мало.

2. Изменяется электрическое сопротивление обмотки катушки и токоподводов. Это влияние — основной источник температурной погрешности магнитоэлектрических приборов.

Амперметры без шунта не имеют температурной погрешности. В амперметрах с шунтом температурная погрешность может оказаться значительной вследствие перераспределения токов между шунтом и подвижной катушкой. Для ее уменьшения применяют специальные цепи температурной компенсации, одна из которых показана на рис. 5-10. В этом случае температурная погрешность снижается за счет включения последовательно с подвижной катушкой резистора R_д из манганина.

В многопредельных амперметрах для изменения пределов измерения применяют многопредельные шунты. Поэтому многопредельные амперметры снабжают переключателями диапазонов измерений или несколькими входными зажимами.

В магнитоэлектрических вольтметрах для получения нужного диапазона измерений последовательно с измерительным механизмом включают добавочный резистор стабильного сопротивления, например выполненный из манганина.

Влияние температуры на магнитоэлектрический вольтметр зависит от соотношения сопротивления катушки и резистора, а также от температурных коэффициентов электрического сопротивления их.

В многопредельных вольтметрах используют несколько добавочных резисторов. Поэтому многопредельные вольтметры снабжают переключателем диапазонов или несколькими входными зажимами. Пропорциональная зависимость угла отклонения подвижной части от тока в катушке приводит к равномерной шкале у магнитоэлектрических амперметров и вольтметров.

Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры выпускают переносными и щитовыми. Переносные приборы в большинстве случаев делают высокоточными (классов 0,1—0,5), многопредельными (до нескольких десятков пределов) и часто комбинированными (вольтамперметрами). Щитовые приборы выпускают однопредельными классов точности 0,5—5.

Амперметры выпускают с верхним пределом измерений от 10^-7 до 7,5*10³А ; вольтметры с верхним пределом измерений от 0,5*10^-3 до 3*10³ В.

7.3 Электродинамические и ферродинамические приборы.

Общие сведения. Электродинамические (ферродинамические) приборы состоят из электродинамического (ферродинамического) измерительного механизма с отсчетным устройством и измерительной цепи. Эти приборы применяют для измерения постоянных и переменных токов и напряжений, мощности в цепях постоянного и переменного тока, угла фазового сдвига между переменными токами и напряжениями. Электродинамические приборы являются наиболее точными электромеханическими приборами для цепей переменного тока.

Измерительный механизм. Вращающий момент в электродинамических и ферродинамических измерительных механизмах возникает в результате взаимодействия магнитных полей неподвижных и подвижной катушек с токами.

Электродинамический измерительный механизм (рис. 5-15) имеет две последовательно соединенные неподвижные катушки 1, разделенные воздушным зазором, и подвижную катушку 2. Ток к подвижной катушке подводится через пружинки, создающие противодействующий момент.

Успокоение создается воздушным или магнитоиндукционным успокоителем.

При протекании токов в обмотках катушек измерительного механизма возникает момент, поворачивающий подвижную часть. Электромагнитная энергия двух катушек с токами

где L₁ и L₂ — индуктивности неподвижных и подвижной катушек;

M₁, M₂ — взаимная индуктивность неподвижных и подвижной катушек;

i₁ и i₂ — токи в неподвижных и подвижной катушках.

Так как индуктивности L₁ и L₂не зависят от угла поворота подвижной части, то мгновенный вращающий момент

В электродинамических логометрических механизмах подвижная часть состоит из двух жестко скрепленных между собой под определенным углом подвижных катушек, находящихся в поле неподвижных катушек. Токи к подвижным катушкам подводят с помощью безмоментных токоподводов. Анализ работы механизма показывает, что угол отклонения подвижной части определяется отношением токов через подвижные катушки и зависит от фазовых сдвигов этих токов относительно тока через неподвижную катушку.

На работу электродинамических измерительных механизмов сильное влияние оказывают внешние магнитные поля, так как собственное поле механизма невелико. Для защиты от внешних магнитных полей применяют магнитное экранирование. Иногда применяют так называемые астатические измерительные механизмы, на которые внешние поля действуют значительно слабее.

Особенности электродинамических измерительных механизмов придают электродинамическим приборам определенные положительные свойства. Электродинамические измерительные механизмы работают как на постоянном, так и на переменном токе (примерно до 10 кГц) с высокой точностью и обладают высокой стабильностью своих свойств.

Однако электродинамические измерительные механизмы имеют низкую чувствительность по сравнению с магнитоэлектрическими механизмами. Поэтому приборы с электродинамическими механизмами обладают большим собственным потреблением мощности. Электродинамические измерительные механизмы имеют малую перегрузочную способность по току, относительно сложны и дороги.

Ферродинамический измерительный механизм отличается от электродинамического механизма тем, что его неподвижные катушки имеют магнитопровод из магнитомягкого листового материала, позволяющий существенно увеличивать магнитный поток, а следовательно, и вращающий момент. Однако использование ферромагнитного сердечника приводит к появлению погрешностей, вызванных его влиянием, например погрешностей от нелинейности кривой намагничивания, от гистерезиса при работенапостоянном токе и т. д. Ферродинамические измерительные механизмы мало подвержены влиянию внешних магнитных полей, так как имеют достаточно сильные собственные поля.

Амперметры и вольтметры. В электродинамических и ферро-динамических амперметрах для токов до 0,5 А неподвижные и подвижная катушки измерительного механизма соединяют последовательно. Практически у электродинамических амперметров шкала равномерна в пределах 25—100 % ее длины.

При последовательном включении катушек температурная и частотная (до 2000 Гц) погрешности электродинамических амперметров незначительны.

В амперметрах на токи свыше 0,5 А подвижную и неподвижные катушки включают параллельно. В этом случае осуществляют компенсацию температурной и частотной погрешностей, возникающих из-за перераспределения токов в катушках при изменении температуры и частоты. Компенсацию температурной погрешности осуществляют подбором сопротивлений добавочных резисторов из манганина и меди, включаемых в каждую из параллельных ветвей так, чтобы температурные коэффициенты сопротивления этих ветвей были одинаковыми. Компенсацию частотной погрешности выполняют включением добавочных катушек индуктивности или конденсаторов в соответствующие ветви схемы так, чтобы были равными постоянные времени этих ветвей.

Электродинамические амперметры чаще всего выпускают на два диапазона измерений. Изменение пределов при этом производится путем включения неподвижных катушек последовательно или параллельно. Для расширения пределов измерения используют измерительные трансформаторы тока.

Электродинамический вольтметр состоит из электродинамического измерительного механизма и добавочного резистора стабильного сопротивления, причем все катушки механизма и добавочный резистор включены последовательно.

В многопредельных вольтметрах последовательно с измерительным механизмом включается секционированный добавочный резистор. Поэтому многопредельные вольтметры снабжают переключателем пределов или несколькими входными зажимами. Для увеличения верхнего предела измерений вольтметра применяют измерительные трансформаторы напряжения.

В электродинамических вольтметрах при изменении температуры возникает температурная погрешность от изменения сопротивления цепи вольтметра. В вольтметрах с малым верхним пределом измерений температурная погрешность может достичь недопустимой величины. Поэтому в таких вольтметрах уменьшают сопротивление катушек, уменьшая число витков, что приводит к увеличению тока, потребляемого прибором. Частотная погрешность, вызванная изменением Z прибора, компенсируется путем шунтирования части добавочного резистора конденсатором.

Основная область применения электродинамических амперметров и вольтметров — точные измерения в цепях переменного тока, чаще всего в диапазоне частот от 45—50 Гц до тысяч герц. Их применяют также в качестве образцовых при поверке и градуировке других приборов.

Промышленность выпускает электродинамические миллиамперметры и амперметры с верхними пределами от 1 мА до 10 А на частоты до 10 кГц, многопредельные вольтметры с верхними пределами от 1,5 до 600 В на частоты до 5 кГц. Классы точности амперметров и вольтметров 0,1; 0,2; 0,5.

Область применения ферродинамических амперметров и вольтметров — измерения переменных токов и напряжений в узком диапазоне частот при тяжелых условиях эксплуатации. Выпускаются щитовые ферродинамические амперметры и вольтметры классов точности 1,5 и 2,5, в тряско-, вибро- и ударопрочном исполнении, переносные амперметры и вольтметры класса 0,5 на узкий диапазон частот (45—55 Гц; 450—550 Гц).

7.4 Электромагнитные приборы.

Общие сведения. Электромагнитные приборы состоят из электромагнитного измерительного механизма с отсчетным устройством и измерительной цепи. Они применяются для измерения переменных и постоянных токов и напряжений, для измерения частоты и фазового сдвига между переменными током и напряжением. Из-за относительно низкой стоимости и удовлетворительных характеристик электромагнитные приборы составляют большую часть всего парка щитовых приборов.

Измерительный механизм. Вращающий момент в этих механизмах возникает в результате взаимодействия одного или нескольких ферромагнитных сердечников подвижной части и магнитного поля катушки, по обмотке которой протекает ток. В настоящее время наибольшее применение получили конструкции измерительных механизмов с плоской катушкой, с круглой катушкой и с замкнутым магнитопроводом.

На рис. показан механизм с плоской катушкой.

1 — ось; 2 — стрелка; 3 — катушка, по обмотке которой протекает ток; 4 — эксцентрически укрепленный на оси ферромагнитный (пермаллоевый) сердечник;

5 — пружины для создания противодействующего момента; 6 — воздушный успокоитель.

При протекании тока i через катушку, сердечник намагничивается и втягивается в зазор катушки.

Вращающий момент

где W_ЭМ — энергия электромагнитного поля катушки с сердечником;

L — индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника.

При постоянном токе I вращающий момент:

Если противодействующий момент создается упругими элементами, то угол поворота подвижной части:

Из выражения следует, что зависимость угла отклонения подвижной части от тока нелинейна и что поворот подвижной части одинаков как при постоянном токе, так и при переменном токе, имеющем действующее значение, равное значению постоянного тока. Линейную зависимость угла отклонения α от тока получают для значительной части рабочего диапазона отклонения α, изготовляя сердечник специальной формы.

Электромагнитные измерительные механизмы просты по конструкции и как следствие дешевы и надежны в работе. Они способны выдержать большие перегрузки, что объясняется отсутствием токоподводов к подвижной части. Электромагнитные измерительные механизмы могут работать как в цепях постоянного, так и переменного тока (примерно до 10 кГц).

Малая точность и низкая чувствительность этих механизмов отрицательно сказывается на точности и чувствительности электромагнитных приборов. На работу электромагнитных измерительных механизмов сильное влияние оказывают внешние магнитные поля. Для устранения их влияния применяют магнитное экранирование. Иногда применяют так называемые астатические измерительные механизмы, на которые внешние поля действуют значительно слабее, чем на обычные механизмы.

Амперметры и вольтметры. В электромагнитных амперметрах катушка измерительного механизма включается непосредственно в цепь измеряемого тока.

Щитовые амперметры выпускают с одним диапазоном измерений, переносные могут иметь несколько диапазонов измерений. Выбор диапазонов измерений производят путем переключения секций обмотки катушки, включая их последовательно или параллельно. При использовании амперметров в цепях переменного тока для расширения диапазона измерений используют измерительные трансформаторы тока.

Шкала электромагнитного амперметра обычно равномерна (в пределах 25—100 %), что достигается подбором формы сердечника.

В электромагнитных амперметрах при изменении температуры возникает температурная погрешность, обусловленная изменением упругости пружинок, создающих противодействующий момент. Эта погрешность существенна для амперметров классов точности 0,2; 0,1.

При использовании амперметров в цепях постоянного тока появляется погрешность от гистерезиса намагничивания сердечника, проявляющаяся в неодинаковых показаниях при увеличении и уменьшении измеряемого тока. При изменении частоты измеряемого тока в амперметрах возникает частотная погрешность вследствие действия вихревых токов в сердечнике и других металлических частях измерительного механизма, пронизываемых магнитным потоком катушки.

Электромагнитный вольтметр состоит из электромагнитного измерительного механизма и включенного последовательно добавочного резистора со стабильным сопротивлением, предназначенного для обеспечения необходимого диапазона измерений.

Изменение верхних пределов измерений осуществляется путем подключения различных добавочных резисторов, а также с помощью измерительных трансформаторов напряжения.

Шкала электромагнитного вольтметра в пределах 25— 100 % обычно равномерна, что достигается подбором формы сердечника.

В электромагнитных вольтметрах при изменении температуры возникает температурная погрешность, обусловленная изменением сопротивления цепи вольтметра. В вольтметрах с малым верхним пределом измерений температурная погрешность может достигать больших значений.

Вольтметры имеют погрешность от гистерезиса намагничивания сердечника при использовании в цепях постоянного тока.

Частотная погрешность у электромагнитных вольтметров выше, чем у электромагнитных амперметров, что объясняется зависимостью сопротивлений катушки и добавочного резистора от частоты.

Основное назначение электромагнитных амперметров и вольтметров — измерения в цепях переменного тока промышленной частоты. Наибольшее распространение получили щитовые приборы классов точности 1,0; 1,5 и 2,5. Переносные приборы имеют более широкий частотный диапазон, чем щитовые и класс точности 0,5.

Промышленность выпускает переносные амперметры класса точности 0,5 с верхними пределами измерений от 5 мА до 10 А на частоты до 1500 Гц; щитовые однопредельные амперметры классов точности 1,0; 1,5; 2,5 на токи до 300 А со встроенными трансформаторами тока и до 15 кА с наружными трансформаторами тока; переносные вольтметры класса точности 0,5 с верхними пределами измерений от 1,5 до 600 В на частоты 45—100 Гц и классов точности 1 и 2,5 на частоты до 10 кГц; щитовые вольтметры классов точности 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 частоты в диапазоне от 45 до 1000 Гц.

7.5 Электростатические приборы

Общие сведения. Основой электростатических приборов является электростатический измерительный механизм с отсчетным устройством. Они применяются, главным образом, для измерения напряжений переменного и постоянного тока. Находят применение также электрометры — электростатические приборы специальной конструкции, требующие вспомогательных источников питания. Электрометры обладают повышенной чувствительностью к напряжению.

Измерительный механизм. Вращающий момент в электростатических механизмах возникает в результате взаимодействия двух систем заряженных проводников, одна из которых является подвижной.

Устройство одного из видов электростатических измерительных механизмов с изменяющейся активной площадью пластин показано на рис.

где 1 — система неподвижных металлических пластин;

2 — зеркало; 3 — растяжки для создания противодействующего момента и подвода напряжения к подвижным пластинам; 4 — система подвижных металлических пластин.

Если к неподвижным и подвижным пластинам приложить напряжение, то они окажутся заряженными противоположными по знаку зарядами, в результате чего подвижные пластины будут притягиваться к неподвижным, т. е. будут стремиться втянуться между неподвижными.

Зависимость угла отклонения подвижной части от напряжения нелинейна и поворот подвижной части одинаков как при постоянном напряжении, так и при напряжении переменного тока, имеющем действующее значение, равное значению постоянного напряжения. Линейную зависимость угла отклонения от напряжения (для значительной части диапазона измерений) получают, изготовляя подвижные пластины специальной формы.

Следующие особенности электростатических измерительных механизмов придают электростатическим приборам положительные свойства. Электростатические измерительные механизмы имеют малое собственное потребление мощности от измеряемой цепи; на постоянном токе это потребление равно нулю. На эти механизмы малое влияние оказывают температура окружающей среды, частота и форма измеряемого напряжения, отсутствует влияние магнитных полей. К достоинствам следует отнести возможность изготовления вольтметров для высоких напряжений до сотен киловольт без громоздких, дорогих и потребляющих большую мощность добавочных резисторов и измерительных трансформаторов.

Однако электростатические измерительные механизмы имеют малую чувствительность и на них сильно влияют внешние электростатические поля. Для защиты от внешних электростатических полей применяют металлические экраны.

Вольтметры. Основой электростатических вольтметров является электростатический измерительный механизм, входной величиной которого является напряжение. Поэтому измеряемое вольтметром напряжение непосредственно подается на измерительный механизм. Вольтметры на разные пределы измерений имеют разные конструкции измерительного механизма. У вольтметров на малые и средние напряжения воздушный зазор между пластинами очень мал, поэтому возникает опасность короткого замыкания пластин, а следовательно, и источника измеряемого напряжения при случайных ударах, тряске и т. п. Для исключения этого внутрь вольтметра встраивается защитный резистор и прибор включается в цепь посредством зажимов 1 и 2 (рис. 5-23). При измерении напряжений повышенной частоты (сотни килогерц) защитный резистор во избежание дополнительной погрешности отключается путем включения прибора через зажимы 1 и Э (экран). При измерениях в несимметричных цепях, особенно при повышенных частотах, заземляющий провод обязательно подключается к зажиму, соединенному с внутренним экраном прибора (зажимы Э или 2). Для уменьшения дополнительной погрешности при измерениях в цепях высокой частоты длина проводов должна быть минимальной.

Шкала электростатических вольтметров в пределах 25— 100 % обычно равномерна, что достигается подбором формы подвижных пластин.

Расширение пределов измерений электростатических вольтметров на постоянном токе осуществляют с помощью резистивных делителей напряжения.

В настоящее время промышленность выпускает несколько типов электростатических вольтметров с верхними пределами измерений от 30 В до 75 кВ классов точности 0,5; 1,0; 1,5 на частотный диапазон до 14 МГц. Потребление мощности на постоянном токе очень мало и определяется несовершенством изоляции. Входное сопротивление электростатических вольтметров достигает 10¹⁰—10¹⁴ Ом, Потребление мощности при измерении в цепях переменного тока зависит от емкости измерительного механизма и частоты измеряемого напряжения.

На основе электростатических электрометров могут быть построены ваттметры для измерения мощности в широком диапазоне частот токов и напряжений с искаженной формой кривой, для измерения мощности при малом коэффициенте мощности.

7.6 Индукционные приборы

Общие сведения. Индукционные приборы состоят из индукционного измерительного механизма с отсчетным устройством и измерительной схемой.

Принцип действия индукционных измерительных механизмов основан на взаимодействии магнитных потоков электромагнитов и вихревых токов, индуктированных магнитными потоками в подвижной части, выполненной в виде алюминиевого диска.

В настоящее время из индукционных приборов находят применение счетчики электрической энергии в цепях переменного тока.

Счетчики электрической энергии. Устройство и схема включения индукционного счетчика показаны на рис., где 1 — трехстержневой магнитопровод с обмоткой напряжения; 2 — счетный механизм; 3 — алюминиевый диск, укрепленный на оси;

4 — постоянный магнит для создания тормозного момента; 5 — П-образный магнитопровод с токовой обмоткой.

Анализ работы индукционного счетчика показывает, что вращающий момент пропорционален мощности переменного тока, т. е.

На подвижную часть счетчика (алюминиевый диск) действует тормозной момент, пропорциональный частоте вращения диска. Этот момент создается в результате действия тока, наводимого во вращающемся между полюсами постоянного магнита диске.

Отсчет энергии производится по показаниям счетного механизма — счетчика оборотов, градуированного в единицах энергии. Единице электрической энергии (обычно 1 кВт-ч), регистрируемой счетным механизмом, соответствует определенное число оборотов подвижной части счетчика. Это соотношение, называемое передаточным числом, указывается на счетчике.

Величину, обратную передаточному числу, т. е. отношение зарегистрированной энергии к числу оборотов диска, называют номинальной постоянной С_ном. Значения А и Сном зависят только от конструкции счетного механизма и для данного счетчика остаются неизменными.

Под действительной постоянной счетчика С понимают количество энергии, действительно прошедшей через счетчик за один оборот подвижной части. Действительная постоянная в отличие от номинальной зависит от тока нагрузки, а также от внешних условий (температуры, частоты и т. д.). Зная С и Сном, можно определить относительную погрешность счетчика

Счетчики активной энергии выпускают классов точности 0,5; 1,0; 2; 2,5; счетчики реактивной энергии — 1,5; 2 и 3. Класс точности счетчиков нормирует относительную основную погрешность и другие метрологические характеристики.

Государственным стандартом устанавливается порог чувствительности (в процентах) счетчика,— минимальное значение тока, при котором диск счетчика начинает безостановочно вращаться.

Согласно ГОСТ 6570—75 порог чувствительности не должен превышать 0,4 % — для счетчиков класса точности 0,5 и 0,5 % — для классов 1,0; 1,5 и 2. Для счетчиков реактивной энергии классов 2,5 и 3 значение AS должно быть не более 1 %.

Вращение диска при отсутствии тока в нагрузке и при наличии напряжения в параллельной цепи счетчика называют самоходом. Согласно ГОСТ 6570—75 самохода не должно быть при любом напряжении от 80 до 110 % номинального.

Погрешность счетчика зависит от режима его работы, поэтому государственным стандартом нормируется разная относительная погрешность при различных нагрузках.

Под действием внешних факторов у счетчика появляются дополнительные погрешности, также нормируемые государственным стандартом. Дополнительные погрешности возникают вследствие искажения формы кривой тока и напряжения, колебаний напряжения и частоты, резкого перепада мощности, потребляемой нагрузкой, и некоторыми другими факторами.

Кроме однофазных индукционных счетчиков, промышленность выпускает также трехфазные счетчики активной и реактивной энергии. Трехфазные счетчики представляют собой как бы три (трехэлементные) или два (двухэлементные) счетчика, объединенные одной осью вращения. Двухэлементные счетчики применяют при измерении энергии в трехпроводных трехфазных цепях, а трехэлементные счетчики — в четырехпроводных цепях.