Измерительные преобразователи и приборы

Принцип действия электродинамических и ферродинамических приборов практически одинаков. Вращающий момент в них возникает в результате взаимодействия магнитных полей неподвижных и подвижных (одной или двух) катушек с токами. Различие заключается лишь в том, что в ферродинамических приборах неподвижные катушки расположены на сердечнике из ферромагнитного материала, который набирается из листов электротехнической стали или пермаллоя, что существенно увеличивает магнитный поток, а следовательно и вращающий момент.

Число подвижных катушек зависит от способа создания противодействующего момента. Если противодействующий момент создается механическим путем с помощью пружинки, то подвижная часть имеет одну катушку. Если противодействующий момент создается электрическим путем, то измерительный механизм включает две подвижные катушки и называется логометром. Нужная степень успокоения обеспечивается с помощью воздушного (как правило, у электродинамических приборов) или магнитоиндукционного успокоителей.

Электродинамический измерительный механизм (рис. 8.13) содержит две электрически последовательно соединенные неподвижные катушки 1, разделенные воздушным зазором, и одну подвижную катушку 2, в обесточенном состоянии, находящуюся под углом β (обычно 135°) к горизонтальной плоскости. От расстояния между неподвижными катушками зависит конфигурация магнитного поля, что влияет на характер шкалы. Ток к подвижной катушке подводится через пружинки, создающие противодействующий момент.

Рис. 8.13. Устройство электродинамического измерительного механизма

с механическим противодействующим моментом

Рис. Схема электродинамического вольтметра

В измерительных механизмах с механическим противодействующим моментом угол поворота подвижной части равен:

при постоянных токах

при синусоидальных токах

при несинусоидальных токах

где М₁₂ – взаимная индуктивность неподвижных и подвижной катушек; I₀₁, I₀₂ – постоянные составляющие токов в катушках; I₁₁, I₂₁... - действующие значения гармонических составляющих тока, протекающего по обмоткам неподвижных катушек; I₁₂, I₂₂... - действующие значения гармонических составляющих тока, протекающего по обмотке подвижной катушки; ψ₁, ψ₂... – углы фазовых сдвигов между соответствующими гармоническими составляющими токов в подвижной и неподвижных катушках; W – удельный противодействующий момент.

Из этих уравнений следует:

1. При одновременном изменении направлений токов I₁ и I₂ знак угла отклонения не меняется, то есть электродинамические измерительные механизмы могут применяться для измерений как постоянного, так и переменного токов.

2. Характер шкалы прибора зависит от произведения токов, протекающих в катушках, от формы катушек и их взаимного расположения.

Эти зависимости будут справедливы и для ферродинамических измерительных механизмов, только коэффициенты пропорциональности перед произведением токов и dM₁₂/dα будут включать в себя помимо удельного противодействующего момента W еще и компоненты, учитывающие наличие магнитопровода в неподвижной катушке.

Электродинамические и ферродинамические измерительные механизмы с одной подвижной катушкой применяются для измерения токов (амперметры), напряжения (вольтметры), мощности (ваттметры), а также для измерения энергии на постоянном токе (счетчики энергии постоянного тока).

Электродинамические и ферродинамические ваттметры.Основное применение электродинамический принцип нашел в ваттметрах. Произведение двух токов в выражении вращающего момента является основой для построения ваттметров на основе ЭД механизмов. Если в одной катушке ток равен току нагрузки, а во второй катушке ток пропорционален напряжению на нагрузке, то показания прибора будут пропорциональны активной мощности. Схема включения ваттметра приведена на рис. 3.12. Цепь катушки напряжения содержит элементы частотной коррекции (конденсатор С_к и резистор R_к).

Рис. 8.14. Схема включения электродинамического ваттметра

Достоинства ЭД приборов:

- высокая точность (до 0,1 %);

- возможность работы как на постоянном, так и на переменном токе;

- амперметры и вольтметры этой системы реагируют на действующее значение переменного тока или напряжения.

Недостатками являются:

- сравнительно невысокая чувствительность;

- возможное влияние внешних магнитных полей (что может потребовать экранирования механизма);

- заметное влияние температуры окружающей среды на показания прибора (вследствие изменения сопротивления катушек);

- значительная собственная мощность потребления энергии от источника сигнала;

- нелинейная (квадратичная) шкала;

- ограниченный частотный диапазон (1...5 кГц).

Ферродинамические ваттметры аналогичны электродинамическим, однако у них магнитные потоки катушек замыкаются не по воздуху, а по вспомогательным магнитопроводам. Благодаря заметному уменьшению магнитного сопротивления значительно возрастает вращающий момент механизма, поэтому может быть снижена мощность собственного потребления прибора и (или) повышена его чувствительность. Кроме того, наличие магнитопроводов ослабляет влияние внешних магнитных полей и поэтому не требуется экранирование механизма. Точность ферродинамических приборов ниже, а диапазон частот несколько уже, чем у электродинамических.