Для постоянных токов

. (14.7)

Таким образом, электродинамические механизмы дают одинаковые показания на постоянном и переменном токе. Это позволяет с большой точностью градуировать шкалу на постоянном токе. Показания стабильны во времени.

Недостатки электродинамических механизмов: низкая (по сравнению с магнитоэлектрическими измерительными механизмами) чувствительность, большое потребление мощности, чувствительность к перегрузкам и к воздействию внешних магнитных полей.

Механизмы ферродинамической системы отличаются от электродинамических тем, что неподвижная катушка имеет магнитопровод из магнитомягкого материала. В результате магнитный поток, а значит, и вращающий момент, существенно возрастают. Это позволяет уменьшить МДС (F= и потребляемую мощность. Сильное собственное магнитное поле механизма ферродинамической системы ослабляет влияние внешних магнитных полей.

Наличие ферромагнитного магнитопровода порождает дополнительные недостатки – гистерезис и вихревые токи в магнитопроводе вызывают появление дополнительных погрешностей. Общие выражения для вращающего момента и угла поворота ферродинамических измерительных механизмов с точностью до постоянной составляющей совпадают с (14.5), (14.6).

В электродинамических и ферродинамических амперметрах для токов до 0,5 А катушки измерительного механизма соединяются последовательно. Поэтому I₁ = I₂, cosψ = 1, а

. (14.8)

Для получения линейной зависимости , а значит, и равномерной шкалы измерительного прибора неподвижную катушку располагают так, чтобы функция (14.8) корректировалась к линейной. Практически шкала линейна в пределах (25-100)% её длины.

Для измерения больших токов катушки механизма включают параллельно.

Электродинамический вольтметр состоит из измерительного механизма и добавочного резистора, причем катушки механизма и резистор включены последовательно. Поэтому

,

где Z – полное сопротивление цепи вольтметра.

Для расширения пределов измерений добавочный резистор может быть многосекционным.

Электродинамические измерительные приборы применяют для точных измерений в цепях переменного тока на частотах от 40 Гц до 10 кГц, а также в качестве образцовых, при поверке и градуировке других приборов. Классы точности 0,1 0,5. Класс точности ферродинамических приборов 1,5 и 2,5. Диапазон частот 40 550 Гц.

3.1. Электродинамические ваттметры.

Для измерения мощности неподвижные катушки электродинамического (ферродинамического) механизма включают последовательно с объектом, потребляемая мощность которого измеряется. Подвижная катушка с добавочным резистором включается параллельно объекту (рис. 14.4). На основании (14.5) для ваттметра, работающего в цепи постоянного тока, легко получить выражение для угла поворота:

, (14.9)

где – сопротивление подвижной (токовой) катушки, – чувствительность механизма.

Для цепи переменного тока выражение (14.9) принимает вид:

, (14.10)

где - сдвиг фаз между током и напряжением, определяемый характером нагрузки.

Выражения (14.9) и (14.10) показывают, что отклонение подвижной катушки пропорционально активной мощности. В цепях переменного тока возникает погрешность за счет сдвига фаз между токами катушек – . Для компенсации этой погрешности в цепь катушки можно включать конденсатор С (см. рис. 14.4). Однако, такой способ эффективен только для частоты, значение которой определяется реактивным сопротивлением конденсатора.

В общем случае, при ваттметр измеряет мощность с погрешностью , называемую угловой погрешностью. Обычно сдвиг фаз между токами катушек мал и составляет (40÷50)'. При таком значении угла sinψ = ψ, а сosψ ≈ 1 и относительная угловая погрешность определяется выражением

.

Видим, что когда близко к 90⁰, угловая погрешность может достигать больших значений.

Погрешность измерения возникает и за счет мощности, потребляемой параллельной и последовательной цепями ваттметра. Возможны две схемы

включения параллельной цепи ваттметра (рис. 14.5).

Будем полагать, что , а . Тогда погрешность, обусловленная потреблением мощности катушками ваттметра, для схемы рис. 14.5, а определится выражением

,

а для схемы рис. 14.5, б выражением

,

где - мощность, потребляемая последовательной и параллельной цепями ваттметра соответственно.

Схему рис. 14.5, а целесообразно использовать при измерении мощности высокоомной нагрузки, а схему рис. 14.5, б – низкоомной.

Промышленность выпускает многопредельные ваттметры с пределами по току от 20 мА до 70 А и по напряжению от 15 до 600 В. Классы точности 0,1; 0,2; 0,5.

Ферродинамические ваттметры имеют класс точности 1,5 2,5.

4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРИБОРЫ

Электромагнитные приборы применяются для измерения постоянных и переменных токов и напряжений, частоты и фазового сдвига между переменными током и напряжением. Низкая стоимость и удовлетворитель-ные характеристики способствуют широкому применению приборов.

Измерительный механизм с плоской катушкой (рис. 14.6) состоит из катушки 1 с обмоткой из медного провода, имеющей воздушный зазор; сердечника 2 из ферромагнитного материала (пермалоя); оси с опорами 3 (или растяжки). Противодействующий момент создается спиральной пружиной или растяжками. Успокоение магнитоиндукционное или жидкостное.

При протекании тока I через катушку в ней возникает магнитное поле. Оно воздействует на сердечник 2, то есть стремится расположить его так, чтобы энергия магнитного поля была наибольшей. Известно, что максимальное значение энергии магнитного определяется выражением

,

где L – индуктивность катушки.

При перемещении сердечника меняется индуктивность катушки L, поэтому, в соответствии с (13.1), выражение для вращающего момента М принимает вид::

.

Если через катушку протекает переменный ток , то подвижная часть, в силу ее инерционности, реагирует только на среднее значение вращающего момента, причем

,

где I – действующее значение тока.

При статическом равновесии измерительного механизма наступает равенство вращающего и противодействующего моментов . Подставляя в это равенство вместо моментов М и М_пр их значения, получаем:

,

откуда

.

Таким образом, шкала электромагнитного измерительного прибора неравномерная. Выбором формы сердечника удается приблизить её к равномерной, начиная с 15 20% конечного значения.

Достоинства механизмов: пригодность к работе в цепях постоянного и переменного тока, устойчивость к токовым перегрузкам, простота конструкции, повышенная чувствительность у механизма с замкнутым магнитопроводом.

Недостатки: неравномерная шкала, влияние внешних магнитных полей, большое потребление мощности. При использовании в цепях постоянного тока возникает погрешность от гистерезиса намагничивания сердечника.

Промышленность выпускает переносные амперметры и вольтметры с классом точности 0,5. Верхний предел измерения амперметров может изменяться от 0,5 мА до 10 А, а вольтметров – от 1,5 до 600 В. Приборы применяются в цепях постоянного и переменного тока рассчитаны на частоты от 45 до 10000 Гц.

Класс точности однопредельных щитовых электромагнитных приборов 1,0; 1,5; 2,5.

5. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Электростатические приборы применяются для измерения напряжения

постоянного и переменного тока. Вращающий момент в электростатических механизмах возникает в результате взаимодействия двух систем заряженных проводников, одна из которых подвижна. Источником вращающего момента является электрическое поле.

Устройство электростатического механизма приведено на рис. 14.7. Неподвижная часть 1 состоит из одной или нескольких камер. Камеры образованы двумя соединенными пластинами, образующими воздушный зазор. В этот зазор входит подвижный электрод 2. Он укреплен на оси 3 вместе с указателем 4. Под действием приложенного к электродам 1 и 2 напряжения U создается электрическое поле. Силы поля стремятся повернуть подвижную часть механизма так, чтобы энергия электрического поля была наибольшей. Успокоители подвижной части механизма – воздушные или магнитоиндукционные.

Вращающий момент при постоянном напряжении определяется выражением:

.

Если напряжение переменное – , то подвижная часть механизма, в силу своей инерционности, реагирует на среднее за период значение вращающего момента

,

где U – действующее значение переменного напряжения.

Следовательно, выражение для угла поворота имеет вид

. (14.11)

Выражение (14.11) показывает, что зависимость между углом отклонения подвижной части механизма и измеряемой величиной не линейная. Поэтому электродам придают такую форму, при которой зависимость обеспечивает линейность шкалы, начиная от 15%.

Вращающий момент электростатического механизма мал. Это не позволяет сделать на его базе вольтметр для измерения напряжений меньше 10 В.

Достоинства электростатических измерительных механизмов: на электростатические вольтметры почти не влияет температура, частота и форма напряжения, внешние магнитные поля; потребляемая мощность мала, а в цепи постоянного тока при установившемся режиме, равна нулю.

Отечественная промышленность выпускает переносные и щитовые однопредельные и многопредельные электростатические вольтметры классов точности 0,5; 1,0; 1,5 на напряжения от 10 В до 300 кВ, на частоты до 10 МГц. Для расширения диапазона электростатических вольтметров на переменном токе включаются добавочные конденсаторы С_Д или емкостные делители напряжения.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

14. 1. Назовите общие функциональные узлы электромеханических измерительных приборов.

14.2. Приведите упрощенную схему магнитоэлектрического измерительного механизма. Какое физическое явление используется в механизме для создания вращающего момента.

14.3. Приведите выражения для определения вращающего момента магнитоэлектрического измерительного механизма в цепях постоянного и переменного тока. Определите область применения измерительного механизма.

14.4. В чем заключаются достоинства магнитоэлектрических измерительных механизмов и чем обусловлены их недостатки?

14.5. Приведите схемы омметров, построенных на основе применения магнитоэлектрических измерительных механизмов. Почему класс точности омметров существенно ниже класса точности магнитоэлектрических амперметров?

14.6. Приведите упрощенную схему электродинамического измерительного механизма. Какое физическое явление положено в основу создания вращающего момента в механизме.

14.7. Почему электродинамические измерительные механизмы можно применять как для измерения постоянного, так и переменного тока?

14.8. В чем заключается отличие ферродинамических измерительных механизмов от электродинамических?

14.9. Почему ферродинамические измерительные механизмы уступают электродинамическим механизмам в точности и ширине частотного диапазона?

14.10. Назовите основные недостатки электродинамических измерительных механизмов.

14.11. Приведите схему включения электродинамического механизма для измерения мощности высокоомной нагрузки. Чем обусловлены погрешности измерения? Приведите выражения для их оценки.

14.12. Приведите схему включения электродинамического механизма для измерения мощности низкоомной нагрузки. Чем обусловлены погрешности измерения? Приведите выражения для их оценки.

14.13. Приведите упрощенную схему электромагнитного измерительного механизма. Какое физическое явление положено в основу создания вращающего момента в механизме.

14.14. Назовите достоинства электромагнитных измерительных механизмов. Какими причинами и физическими явлениями обусловлены их недостатки?

14.15. Приведите упрощенную схему электростатического измерительного механизма. Какое физическое явление положено в основу создания вращающего момента в механизме.

14.16. Назовите достоинства электростатических измерительных механизмов. Какими причинами обусловлены их недостатки?

ТЕМА 4