Приборы электромагнитной системы

Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током в неподвижной катушке, с подвижным ферромагнитным сердечником. Одна из конструкций электромагнитного механизма представлена на рис. 4.9, где 1 – катушка; 2 – сердечник, укрепленный на оси прибора; 3 – воздушный успокоитель; 4 – спиральная пружинка, создающая противодействующий момент.

При включении прибора под действием магнитного поля катушки сердечник втягивается внутрь катушки. Подвижная часть механизма поворачивается до тех пор, пока вращающий момент не уравновесится противодействующим моментом, создаваемым пружинкой.

Рис. 4.9. Устройство прибора электромагнитной системы

Вращающий момент, возникающий при прохождении тока I через катушку,

,

где L – индуктивность катушки; a – угол поворота подвижной части.

Из условия равенства вращающего и противодействующего моментов получим

. (4.6)

Из (4.6) следует, что при измерении в цепи переменного тока угол поворота подвижной части прибора электромагнитной системы пропорционален квадрату среднеквадратического значения тока, т.е. не зависит от направления тока. Поэтому электромагнитные приборы одинаково пригодны для измерений в цепях постоянного и переменного тока. В соответствии с (4.6) шкала прибора квадратичная, однако на практике ее можно приблизить к линейной подбором формы сердечника.

Достоинствами приборов электромагнитной системы являются простота конструкции, способность выдерживать значительные перегрузки, возможность градуировки приборов, предназначенных для измерений в цепях переменного тока, на постоянном токе. К недостаткам приборов можно отнести большое собственное потребление энергии, невысокую точность, малую чувствительность и сильное влияние магнитных полей.

Промышленностью выпускаются амперметры электромагнитной системы с верхним пределом измерения от долей ампера до 200 А и вольтметры с пределами измерения от долей вольта до сотен вольт.

При необходимости расширения пределов измерения амперметров и вольтметров применяются шунты и добавочные сопротивления. Для расширения пределов измерения амперметров в области повышенных частот используются трансформаторы тока. На рис. 4.10 показано включение амперметров во вторичную обмотку трансформатора тока.

Рис. 4.10. Включение амперметра с трансформатором тока

На рис. 4.10 w₁ – первичная обмотка; w ₂ – вторичная обмотка; I₁, и I₂ – соответствующие токи.

Приборы электромагнитной системы применяются в основном в качестве щитовых амперметров и вольтметров переменного тока промышленной частоты. Класс точности щитовых приборов 1,5 и 2,5. В некоторых случаях они используются для работы на повышенных частотах: амперметры до 8000 Гц, вольтметры до 400 Гц. Выпускаются также переносные приборы электромагнитной системы классов точности 0,5 и 1,0 для измерения в лабораторных условиях.

Выпрямительные приборы. Выпрямительные приборы применяются для измерения напряжения и силы тока в частотном диапазоне от звуковых частот до высоких и сверхвысоких частот. Принцип работы таких приборов заключается в выпрямлении переменного тока с помощью полупроводниковых диодов (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Выпрямительные приборы

Постоянная составляющая выпрямленного тока измеряется прибором магнитоэлектрической системы, например микроамперметром. В схеме прибора используют однополупериодные и двухполупериодные выпрямители.

В однополупериодных схемах (рис. 4.11, а) ток через магнитоэлектрический прибор, включенный последовательно с диодом Д₁, пропускается только в положительный полупериод. В отрицательный полупериод, для которого сопротивление диода Д₁ велико, ток протекает через диод Д₂, включенный параллельно прибору. Для уравнивания сопротивления параллельных ветвей последовательно со вторым диодом включен резистор R, сопротивление которого равно сопротивлению измерительной цепи прибора. Подвижная часть магнитоэлектрического прибора обладает механической инерцией и при частотах выше 10…20 Гц не успевает следить за мгновенными значениями вращающего момента, реагируя только на среднее значение момента. Из уравнения шкалы магнитоэлектрического прибора (4.5) следует, что отклонение стрелки выпрямительного прибора пропорционально среднему за период значению переменного тока. Для однополупериодного выпрямителя при токе синусоидальной формы среднее значение определяется как

,

и показания прибора

. (4.7)

В двухполупериодных схемах выпрямителя (рис. 4.11, б) ток, протекающий через прибор, увеличивается вдвое по сравнению с током, протекающим в схеме рис. 4.11, а. Для синусоидального тока значение средневыпрямленного тока

.

Из (4.7) видно, что шкала выпрямительного прибора линейна, и при любой форме кривой измеряемого тока отклонение стрелки прибора пропорционально среднему за период значению. Однако на практике шкалу выпрямительных приборов всегда градуируют в среднеквадратических значениях напряжения (тока) синусоидальной формы. Следовательно, в приборах с двухполупериодным выпрямлением все значения оцифрованных делений шкалы как бы умножены на коэффициент формы К_Ф = 1,11. Отсюда следует, что при измерении тока или напряжения несинусоидальной формы полученный отсчет по шкале такого выпрямительного прибора сначала нужно разделить на 1,11 (получить выпрямленное значение измеряемой величины), а затем умножить на коэффициент формы, соответствующий форме реального сигнала. В приборах с однополупериодным выпрямлением вместо 1,11 подставляют 2,22.

Выпрямительные приборы получили широкое распространение в качестве комбинированных измерителей постоянного и переменного тока и напряжения классов точности 1,5 и 2,5; с пределами измерения по току от 2 мА до 600 А; по напряжению – от 0,3 до 600 В.

Достоинствами выпрямительных приборов являются высокая чувствительность, малое собственное потребление энергии и возможность измерения в широком диапазоне частот. Частотный диапазон выпрямительных приборов определяется возможностями применяемых диодов. Так, применение точечных кремниевых диодов обеспечивает измерение переменных токов и напряжений до частот порядка 10⁴…10⁵ Гц. Основными источниками погрешностей этих приборов являются изменения параметров диодов с течением времени, влияние окружающей температуры, а также отклонение формы кривой измеряемого тока или напряжения от той, при которой произведена градуировка прибора.

Термоэлектрические приборы. Эти приборы используются для измерения токов в диапазоне высоких частот. Термоэлектрический прибор состоит из термоэлектрического преобразователя и прибора магнитоэлектрической системы. Простейший термопреобразователь (рис. 4.12) содержит нагреватель Н, по которому протекает измеряемый ток I, и связанную с ним термопару ТП.

Термоэлектрические преобразователи разделяются на контактные (рис. 4.12, а) и бесконтактные (рис. 4.12, б). В контактном преобразователе имеется гальваническая связь между нагревателем и термопарой, т.е. между входной и выходной цепью, что не всегда допустимо.

Рис. 4.12. Термоэлектрический преобразователь

В бесконтактном преобразователе нагреватель отделен от термопары изолятором из стекла или керамики, либо воздушной прослойкой.

Рабочий спай термопары (см. рис. 4.12, а) находится в тепловом контакте с нагревателем, который представляет собой тонкую проволоку из сплава с высоким удельным сопротивлением (нихром, манганин). Для изготовления термопары применяются еще более тонкие проволочки из термоэлектродных материалов. При прохождении измеряемого тока через нагреватель место контакта нагревателя и термопары нагревается до температуры t₁, а холодный спай b остается при температуре окружающей среды t₀.

В установившемся тепловом режиме мощность, выделяемая в нагревателе P_выд, и мощность, рассеиваемая нагревателем в окружающую среду P_рас, равны. Если учесть, что

,

где a_m – коэффициент теплоотдачи от нагревателя к окружающей среде; S – площадь теплоотдающей поверхности нагревателя; q – перегрев рабочего спая термопары над температурой окружающей среды (q = t₁–t₀); R_н – сопротивление нагревателя, то

.

При перегреве рабочего спая термопары на величину q в цепи термопары возникает термоэлектродвижущая сила

,

где k – коэффициент пропорциональности.

Таким образом, при прохождении измеряемого тока через нагреватель в цепи магнитоэлектрического прибора возникает постоянный ток I_V, пропорциональный квадрату среднеквадратического значения измеряемого тока,

,

где R_V – сопротивление магнитоэлектрического прибора.

Поскольку действие прибора основано на тепловом действии тока, то понятно, что магнитоэлектрический прибор с термоэлектрическим преобразователем измеряет среднеквадратическое значение переменного тока любой формы. Шкала термоэлектрического прибора близка к квадратичной.

Термоэлектрические приборы получили распространение преимущественно для измерения токов. В качестве вольтметров они практически не применяются, так как их входное сопротивление чрезвычайно мало.

К достоинствам приборов термоэлектрической системы можно отнести высокую чувствительность к измеряемому току, широкий диапазон частот, а также возможность измерения среднеквадратических значений токов произвольной формы. Недостатками термоэлектрических приборов являются неравномерность шкалы, зависимость показаний от температуры окружающей среды и большая инерционность термопреобразователей. Термоэлектрические приборы очень чувствительны к перегрузкам.

В зависимости от назначения термоэлектрические приборы имеют различные пределы измерения (от 1 мА до 50 А), классы точности (от 1,0 до 2,5) и частотный диапазон (от 45 Гц до сотен мегагерц).