Воздушный успокоитель; 4 - спиральная пружина, создающая противодействующий момент.

Рис. 9 Устройство прибора электромагнитной системы.

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.

Таким образом, электромагнитные приборы одинаково пригодны

для измерений в цепях постоянного и переменного тока.

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.

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.

13. Электродинамические и ферродинамические измерительные механизмы и приборы (устройство и принцип действия электродинамического измерительного механизма, ферродинамический измерительный механизм, амперметры и вольтметры, ваттметр)?

Ответ:

4.1 Устройство и принцип действия электродинамического ИМ.

Работа измерительных механизмов электродинамической системы (рис.10а и 10б) основана на взаимодействии магнитных полей двух катушек с токами: неподвижной 1 и подвижной 2. Подвижная катушка, укреплённая на оси или растяжках, может поворачиваться внутри неподвижной.

Рис. 10а.

Рис. 10б.

При протекании в обмотках катушек токов I1 и I2 возникают электро-

магнитные силы, стремящиеся так повернуть подвижную часть, чтобы магнитные потоки подвижной и неподвижной катушек совпали.

Неподвижная катушка 1 обычно выполняется из двух одинаковых частей, разделённых воздушным зазором. Благодаря этому обеспечиваются требуемая конфигурация магнитного поля и удобство расположения оси. Неподвижная и подвижная катушки механизма (обычно бескаркасные) имеют круглую или прямоугольную форму и изготовляются из медного или алюминиевого

провода. Подвижная катушка укрепляется на опорах или растяжках. Для подвода тока к подвижной катушке используются спиральные пружины или растяжки. Применяются стрелочные или световые указатели.

Собственное магнитное поле электродинамических механизмов, силовые линии которого замыкаются по воздуху, невелико.

Внешнее магнитное поле вызывает появление дополнительного момента от взаимодействия тока в подвижной катушке с потоком этого поля. При работе электродинамического механизма на постоянном токе оказывают влияние постоянные магнитные поля. Если же измерительный механизм применяется в цепи переменного тока, то возникает погрешность от действия переменных магнитных полей той же частоты, что и частота тока в катушках. Для защиты от влияний внешних магнитных полей применяется экранирование, т.е. измерительный механизм помещают внутри одного или двух экранов из ферромагнитного материала.

Основными достоинствами электродинамических механизмов являются

одинаковые показания на постоянном и переменном токе (при последовательном соединении катушек), что позволяет с большой точностью градуировать их на постоянном токе, а также стабильность показаний во времени. Электродинамические механизмы не содержат ферромагнитных сердечников.

Указанные свойства электродинамических механизмов позволяют выпускать на их основе лабораторные многопредельные приборы высоких классов точности 0,5; 0,2; 0,1 для измерений на постоянном и переменном токе.

Выпускаются миллиамперметры и амперметры с пределами от 1 мА до 10 А на частоты до 10 кГц, многопредельные вольтметры с пределами от 1,5 В до 600 В на частоты до 5 кГц с током полного отклонения от 60 до 3 мА, многопредельные однофазные ваттметры с пределами по току от 25 мА до 10 А и по напряжению от 15 до 600 В.

Недостатки электродинамических механизмов: невысокая чувствительность, большое собственное потребление мощности, чувствительность к перегрузкам.

4.2 Ферродинамические измерительные механизмы.

Принцип действия ферродинамических ИМ не отличается от электродинамических. Механизмы ферродинамической системы отличаются от рассмотренных выше электродинамических тем, что неподвижная катушка имеет магнитопровод из магнитомягкого листового материала.

На рис. 11 приведена одна из конструкций такого ИМ.

Рис. 11 Устройство ферродинамического ИМ.

Неподвижная катушка 1, состоящая из двух половин, расположена на двух стержнях магнитопровода, между концами которого укреплён цилиндрический сердечник. Обе части магнитопровода выполняются из листовой стали.

В воздушном зазоре помещается подвижная катушка 2, укреплённая на одной оси со стрелкой. Подвижная катушка выполняется без каркаса во избежание появления в нём индуктированных токов.

B воздушном зазоре образуется сильное равномерное магнитное поле,

индукция которого пропорциональна току неподвижной катушки.

Взаимодействие тока подвижной катушки с магнитным полем в воздушном зазоре, создаёт вращающий момент, который, как и в электродинамическом измерительном механизме, пропорционален произведению токов катушек и косинусу угла сдвига фаз между ними.

Благодаря малому сопротивлению магнитной цепи в воздушном зазоре

может быть получена весьма значительная магнитная индукция, а следовательно, и весьма большой вращающий момент.

Значительное увеличение вращающего момента по сравнению с электродинамическими механизмами даёт возможность увеличить вес подвижной части без увеличения погрешности от трения и, следовательно, обеспечивает возможность получения прочной подвижной части.

Большая магнитная индукция в воздушном зазоре делает показания

прибора практически независимыми от внешних магнитных полей.

С другой стороны, применение стали влечет за собой появление составляющих основной погрешности от гистерезиса и вихревых токов.

4.3 Амперметры и вольтметры электродинамической и ферродинамической системы.

У электродинамических амперметров для токов до 0,5 А неподвижная и

подвижная катушки соединяются последовательно (рис. 12а).

Рис. 12а.

Рис. 12б.

У электродинамических вольтметров неподвижная и подвижная катушки соединены последовательно вместе с добавочным резистором из манганина (рис. 13). Секционированием добавочного резистора можно получить разные пределы измерения U1ном, U2ном, U3ном.

Рис. 13 Схема электродинамического вольтметра.

4.4 Ваттметры электродинамической и ферродинамической

системы.

Электродинамический (ферродинамический) измерительный механизм

позволяет построить прибор для измерения активной мощности – ваттметр.

В этом случае (рис. 14) неподвижную катушку включают последовательно с нагрузкой с сопротивлением Zн, мощность которой измеряется.

Рис. 14 Схема включения ваттметра.

Подвижная катушка с добавочным сопротивлением Rд включается параллельно нагрузке. Цепь неподвижной катушки называют последовательной цепью (токовой обмоткой), а цепь подвижной катушки – параллельной цепью (обмоткой напряжения).

14. Электростатические измерительные механизмы и приборы?

Ответ: В электростатических измерительных механизмах перемещение подвижной части происходит под действием энергии электрического поля системы двух или нескольких электрически заряженных проводников. Следовательно, в данном механизме, в отличие от механизмов других систем, перемещение подвижной части осуществляется за счёт действия непосредственно

приложенного напряжения. Поэтому основной областью применения электростатических механизмов являются приборы, измеряющие напряжение - вольтметры.

Перемещение подвижной части во всех конструкциях электростатических механизмов связано с изменением ёмкости системы. Распространение получили два вида механизмов: изменение ёмкости в одних осуществляется за счёт изменения активной площади электродов, а в других - за счёт изменения расстояния между электродами. Первые применяются в щитовых и переносных вольтметрах на напряжения от десятков до сотен вольт, вторые - в щитовых киловольтметрах.

Устройство механизма с изменением активной площади электродов

схематически показано на рис. 16.

Рис. 16 Устройство электростатического измерительного механизма.

Неподвижная часть (неподвижный электрод) состоит из одной или нескольких камер 1, которые представляют две одинаковые металлические пластины, соединённые вместе и имеющие воздушный зазор. В воздушный зазор входит подвижный секторообразный

электрод 2, укреплённый на оси 4. Электрод 2 и указатель 3, также укреплённый на оси 4, образуют подвижную часть.

Под действием подведённого к электродам напряжения U создаётся электрическое поле. Силы электрического поля стремятся повернуть подвижную часть так, чтобы энергия электрического поля была наибольшей, т. е. чтобы подвижный электрод втягивался в пространство между неподвижными электродами и поворачивал указатель. Подвижная часть может быть, укреплена на опорах, растяжках или подвесе, а в качестве указателя кроме стрелки применяют

также световой луч. Электроды изготовляются из алюминия.

В электростатических измерительных механизмах применяют большей

частью магнитоиндукционные успокоители, реже - воздушные.

15. Индукционные измерительные механизмы и приборы (устройство и принцип действия индукционного измерительного механизма, индукционный счетчик)?

Ответ:

6.1 Устройство и принцип действия индукционного измерительного

Механизма.

Принцип действия индукционных измерительных механизмов основан

на взаимодействии переменных магнитных потоков электромагнитов и вихревых токов, индуктированных этими магнитными потоками в подвижной части, выполненной обычно в виде алюминиевого диска.

По числу потоков, пересекающих подвижную часть, измерительные механизмы могут быть однопоточными и многопоточными. Наибольшее распространение получили многопоточные механизмы, а именно – двухпоточные (рис. 17).

Переменные токи I1 и I2 протекающие по обмоткам электромагнитов 1 и 2 создают переменные магнитные потоки Ф1 и Ф2, смещённые по фазе на угол ψ.

Переменные магнитные потоки Ф1 и Ф2, пересекая диск 3, индуктируют

в нём (в соответствии с явлением электромагнитной индукции) э.д.с. Е1 и Е2, отстающие от своих потоков на 90º.

Рис. 17 Индукционный двухпоточный измерительный механизм:

а - устройство; б – векторная диаграмма; в – диск со следами потоков

и контурами токов.

6.2 Индукционные счётчики электрической энергии.

На рис. 18а схематично показано устройство одноэлементного индукционного счётчика, а на рис. 18б приведена упрощённая векторная диаграмма, поясняющая принцип работы счетчика.

Напряжение U, приложенное к обмотке напряжения, создаёт ток IU,

имеющий угол сдвига фаз относительно напряжения U, близкий к 90º

из-за большого реактивного сопротивления обмотки. Ток IU создаёт магнитный поток Ф в среднем стержне магнитопровода 1 (рис. 18а). Поток Ф делится на два потока: ФU и ФL. Рабочий поток ФU пересекает диск 3 и замыкается через противополюс 4. Нерабочий поток ФL замыкается через боковые стержни магнитопровода 1 и непосредственного участия в создании вращающего момента не

принимает. Потоки ФU и ФL отстают от тока IU на углы потерь αU и αL. Угол αU > αL, так как поток пересекает диск 3 и проходит через противополюс 4, в котором возникают дополнительные потери.

Рис. 18а. Одноэлементный индукционный счетчик:

1 – трёхстержневой магнитопровод с обмоткой цепи напряжения; 2 -

двухстержневой магнитопровод с двумя последовательно соединёнными токовыми обмотками; 3 – алюминиевый диск; 4 – противополюс из магнитомягкого материала; 5 – поводокиз магнитомягкого материала; 6 – постоянный магнит;

7 – короткозамкнутые витки; 8 – обмотка; 9 – счётный механизм;

10 и 11 – крючок и пластина с флажком из магнитомягкого материала.

Рис. 18б. Векторная диаграмма индукционного счётчика.

16. Мосты постоянного тока?

Ответ:

1 Мосты постоянного тока.

Мосты постоянного тока используются для измерения активных сопротивлений. Различают одинарные (четырёхплечие) и двойные (шестиплечие) мосты.

Одинарные мосты.

Схема одинарного моста приведена на рис. 1.

Рис. 1 Схема одинарного моста постоянного тока.

Ветви АС, СВ, BD и DA называются плечами моста. Диагональ AB,

к которой подключён источник постоянного тока, называется диагональю питания, а диагональ CD – измерительной диагональю.

В измерительной диагонали включён прибор P, который называется указателем равновесия. Раньше в качестве указателя равновесия обычно использовались магнитоэлектрические гальванометры, в настоящее время для этих целей чаще применяются электронные

нуль-индикаторы, имеющие более высокую чувствительность.

Схема такого подключения показана на рис.2.

Рис.2 Схема одинарного моста при четырёхзажимном подключении.

Сопротивления контактов и проводов r1 и r3 включены в диагонали моста и не влияют на результат измерения. Сопротивление r2 включено последовательно с сопротивлением плеча R2, а сопротивление r4 последовательно с сопротивлением плеча R4. Если выполняются условия: R2 ≫ r2 и R4 ≫ r4, очевидно, что влияние r2 и r4 на результат будет незначительным.

Двойные мосты. Для измерения с большой точностью малых сопротивлений (˂ 10 Ом) применяют так называемые двойные мосты, устройство и принцип действия которых поясняется схемой, показанной на рис. 3.

Рис. 3 Схема двойного моста постоянного тока.

Показанный на рис. 3 двойной шестиплечий мост работает по принципу

сравнения измеряемого сопротивления Rx , с мерой сопротивления R0. Для уменьшения влияния переходных сопротивлений контактов измеряемое сопротивление включается в цепь через специальное четырехзажимное приспособление.

Плечами двойного моста служат: измеряемое сопротивление Rx , образцовое сопротивление R0 и две пары сопротивлений R1, R3 и R2, R4, которые имеют значения не меньше 10 Ом каждое. Благодаря этому сопротивления соединительных проводов и контактов, относящихся к этим плечам, практически не оказывают влияния на результат измерения, поскольку обладают существенно

меньшими величинами (тысячные доли Ома).

17. Мосты переменного тока?

Ответ: Мосты переменного тока используются для точных измерений ёмкости, индуктивности, тангенса угла потерь конденсаторов, добротности катушек и некоторых других величин. Наибольшее распространение получили четырёхплечие мосты переменного тока, работающие в равновесном режиме.

Мост переменного тока отличается от одинарного моста постоянного

тока тем, что: