Электроизмерительные приборы
· Типы измерительных приборов
По роду измеряемой величины электроизмерительные приборы подразделяются на амперметры, вольтметры, ваттметры, счетчики электрической энергии, частотомеры, фазометры, омметры и т.д.
В зависимости от вида получаемой измерительной информации приборы подразделяются на показывающие, самопишущие, печатающие, интегрирующие, суммирующие. Классификация наиболее употребительных электроизмерительных приборов непосредственной оценки по роду измеряемой величины и графическое условное обозначение этих приборов приведены в табл.1. Приложения 5.
В таблице 2. Приложения 5 приведены основные условные обозначения, проставляемые на панели электроизмерительных приборов. Эти обозначения и другие важнейшие характеристики приборов указываются на лицевой панели электрических измерительных приборов, как показано на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Лицевая панель со шкалой стрелочного аналогового
электроизмерительного прибора
В таблице 3. Приложения 5представлены условные обозначения основных систем электроизмерительных приборов. Наиболее распространенными системами аналоговых показывающих приборов непосредственной оценки являются магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая, ферродинамическая и индукционная системы [1,2].
· Магнитоэлектрические приборы
Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы (см. рис. 2.2) основан на воздействии магнитного поля постоянного магнита на подвижную катушку с током, помещенную в это поле. Измеряемый ток проходит по легкой катушке 1, выполненной из тонкого изолированного провода, помещенной между полюсами постоянного магнита с полюсными наконечниками 3. Для усиления потока между полюсами магнита и увеличения чувствительности магнитоэлектрического прибора внутри катушки размещен цилиндрический железный сердечник 2. Ток в катушку подводится через две спиральные пружины, одновременно служащие для создания противодействующего момента.
Рис. 2.2. Устройство прибора магнитоэлектрической системы
Электромагнитный вращающий момент, действующий на измерительную катушку, пропорционален току I, проходящему через катушку:
, (2.5)
где КI, конструктивный коэффициент пропорциональности.
Под действием электромагнитного момента, созданного в результате взаимодействия проводников с током в подвижной катушке и поля постоянного магнита, катушка и связанная с нею стрелка прибора поворачиваются на угол, прямо пропорциональный измеряемому току:
a = SI I, (2.6)
где a, град – угол поворота катушки и стрелки; I, А – измеряемый ток;
SI = const, град/А – чувствительность прибора магнитоэлектрической системы.
Так как направление поворота катушки и стрелки магнитоэлектрического прибора зависит от направления измеряемого тока, то для получения отклонения указателя стрелки в нужную сторону необходимо при включении прибора в цепь постоянного тока соблюдать указанную на приборе полярность.
При включении измерительного прибора магнитоэлектрической системы непосредственно в цепь переменного тока на подвижную катушку действуют быстроменяющиеся по величине и направлению вращающие электромагнитные моменты, среднее значение которых за период колебания тока равно нулю.
По этой причине магнитоэлектрический прибор пригоден для непосредственных измерений только в цепях постоянного тока, что является недостатком приборов магнитоэлектрической системы.
Достоинства приборов магнитоэлектрической системы:
· высокая чувствительность к измеряемой величине;
· высокая точность (класс точности до 0,05);
· малое собственное потребление активной мощности;
· малая чувствительность к внешним магнитным полям;
· равномерная шкала во всем диапазоне измерений.
Достоинства магнитоэлектрических приборов побудили приспособить их для измерения переменного тока с использованием специальных преобразователей. Наибольшее распространение получили выпрямительные (детекторные) и термоэлектрические приборы.
Магнитоэлектрический прибор с выпрямительным преобразователем
Измерительные приборывыпрямительной системы (детекторные приборы) представляют собойсочетание магнитоэлектрических приборов с преобразователями – полупроводниковыми выпрямителями. Выпрямитель преобразует измеряемый синусоидальный ток в пульсирующий ток одного направления, который измеряется магнитоэлектрическим прибором.
Детекторные приборы имеют высокую чувствительность, небольшую собственную потребляемую мощность. Их можно использовать при повышенных частотах (без частотной компенсации – до 2000 Гц, а с частотной компенсацией – до 40 кГц).
Магнитоэлектрический прибор с термопреобразователем
Приборы термоэлектрической системы представляют собой сочетание магнитоэлектрического прибора с измерительным преобразователем в виде термопреобразователя, состоящим из термопары и нагревательного элемента, через который проходит измеряемый переменный ток. Постоянный ток, текущий через катушку магнитоэлектрического прибора и вызывающий отклонение стрелки, пропорционален электродвижущей силе (ЭДС) термопары, Эта ЭДС в свою очередь пропорциональна количеству теплоты, выделяемом в проволочном нагревательном элементе и квадрату измеряемого действующего значения переменного тока.
Основным достоинством приборов термоэлектрической системы является возможность измерения с их помощью переменных токов высокой частоты, в частности, тока в пределах 0,001 – 50 А частотой до 5 МГц, а также напряжения в пределах 0,1 – 1000 В частотой от 20 Гц до 3 МГц.
К недостаткам термоэлектрических приборов относятся малая перегрузочная способность, значительное собственное потребление мощности, сравнительно низкая чувствительность и точность, зависимость показаний прибора от температуры окружающей среды, ограниченный срок службы термопар.
· Электромагнитные приборы
Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на физическом явлении воздействия магнитного поля на ферромагнитное тело. Железный (стальной) подвижный сердечник под действием магнитного поля катушки с током намагничивается и стремится расположиться внутри катушки так, чтобы магнитный поток был наибольшим.
В электромагнитном приборе (рис. 2.3) измеряемый ток, проходя через витки плоской катушки, создает магнитное поле, которое втягивает внутрь катушки 1 тонкий листок электротехнической стали 3, закрепленный эксцентрично на оси прибора. К этой же оси прикреплены указательная стрелка и спиральная пружина 2, создающая противодействующий момент. Успокоение подвижной системы осуществляется воздушным демпфером 4.
Вращающий момент, действующий на ферромагнитный листок и отклоняющий стрелку прибора, пропорционален квадрату действующего значения тока, проходящего через катушку, и изменению индуктивности катушки при повороте подвижной части прибора:
МВР = К1I2. (2.7)
Рис. 2.3. Устройство прибора электромагнитной системы
При изменении направления тока в катушке на обратное, одновременно меняются на противоположные магнитныеполюсаферромагнитного сердечника. Поэтому сердечник по-прежнему втягивается в катушку и направление вращающего момента подвижной части прибора не меняется. Следовательно, приборы электромагнитной системы пригодны для измерения в цепях как постоянного, так и переменного тока.
Основные достоинства электромагнитных приборов:
· непосредственное измерение в цепях постоянного и переменного тока без дополнительных преобразователей;
· простота конструкции и сравнительная дешевизна этих приборов;
· большая перегрузочная способность и, как следствие, высокая надежность эксплуатации;
К недостаткам этих приборов можно отнести:
· мала точность (не высокий класс точности);
· низкая чувствительность;
· неравномерность шкалы (особенно сильно она сжата в начале).
Последнее объясняется тем, что вращающий момент и, следовательно, угол отклонения стрелки прибора пропорционален квадрату измеряемого тока (2.7).
Несмотря на это, из-за своих достоинств, приборы электромагнитной системы широко используются в электротехнических устройствах постоянного тока и промышленной частоты 50 Гц в виде щитовых амперметров и вольтметров, где не требуется высокая точность измерений.
· Электродинамические приборы
Электродинамические приборы (рис. 2.4) основаны на принципе взаимодействия проводников, по которым протекает ток: два проводника с одинаково направленными токами взаимно притягиваются, а с противоположно направленными токами взаимно отталкиваются.
Прибор этой системы состоит из неподвижной катушки 2, через которую протекает ток I1 и подвижной катушки 3 с током I2. В подвижную катушку ток подводится через спиральные пружинки 1, которые одновременно служат для создания противодействующего момента. Подвижная катушка стремится повернуться таким образом, чтобы направление ее магнитного поля совпало с направлением поля неподвижной катушки. Успокоение подвижной системы осуществляется воздушным демпфером 4.
Вращающий момент и угол поворота стрелки электродинамического прибора пропорционален произведению токов в катушках и косинусу угла сдвига меду токами cosj:
МВР=K1I1I2cosj. (2.8)
Электродинамические приборы в основном применяют для измерения тока, напряжения и мощности в цепях постоянного и переменного тока.
Шкалы электродинамических вольтметров и амперметров – неравномерные, а ваттметров – практически равномерные.
Рис. 2.4. Устройство прибора электродинамической системы
Электродинамические приборы обеспечивают наиболее высокую точность (класс точности до 0,1) при измерении в цепях переменного тока частотой до 20 кГц (достояинства), однако они не выносят перегрузку, потребляют довольно значительную мощность и на их показания влияют внешние магнитные поля (недостатки).
· Ферродинамические приборы
Разновидностью приборов электродинамической системы являются ферродинамические приборы (см. рис. 2.5), у которых для повышения вращающего электромагнитного момента магнитный поток неподвижной катушки создается в специальном магнитопроводе. Конструкция ферродинамического прибора, показанного на рис. 2.5, аналогична вышеописанной конструкции прибора магнитоэлектрической системы (рис. 2.2), но вместо постоянного магнита стоит электромагнит. Неподвижная катушка 1 из двух секций расположена на двух стержнях магнитопровода 4. Между полюсными наконечниками магнитопровода укреплен цилиндрический сердечник 3. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод и цилиндрический сердечник изготавливают из тонких листов (0,5 мм) электротехнической стали или прессуют из ферромагнитного порошка с электроизоляционным наполнителем.
В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником помещается подвижная катушка 2, укрепленная на одной оси со стрелкой 5. Ток в подвижную катушку подается через спиральные пружины, создающие противодействующий момент.
В воздушном зазоре образуется достаточно сильное равномерное магнитное поле, индукция которого пропорциональна току в неподвижной катушке.
Рис. 2.5. Устройство прибора ферродинамической системы
Взаимодействие тока подвижной катушки с магнитным полем в воздушном зазоре создает вращающий электромагнитный момент, который, как и в электродинамических приборах, зависит от токов в неподвижной I1 и подвижной I2 катушках и косинусу угла сдвига между ними
МВР = K1I1I2cosj. (рис. 2.9)
Ферромагнитный сердечник вносит дополнительные погрешности в измерения, однако применение качественных материалов и современной технологии позволяет получить феррродинамические ваттметры класса точности 0,2.
Существенным недостатком приборов ферродинамической системы является зависимость их параметров от частоты измеряемого тока.
· Индукционные приборы
В индукционных приборах вращающий момент создается взаимодействием вихревых переменных токов, индуктируемых в подвижной части (в диске) прибора магнитными потоками двух электромагнитов. Противодействующий момент создается спиральной пружиной или тормозным действием наводимых в диске токов. Вращающий момент индукционного прибора пропорционален произведению магнитных потоков, создаваемых электромагнитами и синусу угла сдвига фаз между этими потоками, близкого к 900. Индукционные приборы выпускают в виде вольтметров, амперметров, ваттметров. Наиболее широкое распространение получили индукционные счетчики электрической энергии. Подробные сведения о счетчиках электроэнергии приведены в разделе 2.7.
· Электростатические приборы
В измерительных механизмах приборов электростатической системы вращающий момент создается электростатическими силами взаимодействия заряженных электродов. Среди приборов этой системы наиболее распространен электростатический вольтметр.
Рис. 2.6. Устройство прибора электростатической системы
Под действием измеряемого напряжения заряжаются системы подвижных 1 и неподвижных 2 пластин прибора. Возникающие при этом электростатические силы притяжения создают вращающий момент. Противодействующий момент создается пружиной.
Изменение полярности напряжения не влияет на направления действия вращающего момента. Следовательно, электростатический вольтметр пригоден для измерения и постоянного, и переменного напряжений. В ряде случаев весьма существенным преимуществом прибора следует считать то, что он практически не потребляет энергии. Однако при небольших напряжениях вращающий момент весьма мал, приходится увеличивать число пластин и вместо установки на кернах подвешивать подвижную часть на нити.
Электростатические вольтметры применяются преимущественно в лабораториях для измерений в цепях малой мощности и при непосредственных измерениях высоких напряжений.
Дата добавления: 2016-04-11; просмотров: 8789;