Электромеханические амперметры и вольтметры - распространенный класс приборов непосредственной оценки. Используется как отдельно для измерения тока и напряжения, так и в качестве выходного преобразователя и отсчетного устройства большинства аналоговых РИП.
В зависимости от вида преобразования и принципа действия их делят на следующие системы:
- Магнитоэлектрические, основанные на взаимодействии рамки с током и поля постоянного магнита;
- Ферродинамические, у которых рамка взаимодействует с полем электромагнита;
- Электродинамические, использующие силы взаимодействия подвижной и неподвижной катушек с током;
- Электромагнитные, основанные на взаимодействии ферромагнитного сердечника с неподвижной катушкой, обтекаемой током;
- Электростатические, основанные на взаимодействии электрически заряженных тел;
- Индукционные, основанные на взаимодействии переменных магнитных полей, создаваемых неподвижными катушками, с током, индуцированными этими полями в подвижной части механизма.
Существуют также редко применяемые механизмы магнитоиндукционной, вибрационной и тепловой систем.
Для всех измерительных механизмов, в которых используются силы ЭМП, выражение для вращающего момента определяется уравнением Лагранжа второго рода, которое имеет вид:
,
где WЭМ – энергия ЭМП; a - угловое перемещение подвижной части.
Вращающему моменту противодействует момент плоской (спиральной) пружины, один конец которой закреплен на подвижной (оси), а другой на неподвижной части измерительного механизма. Пружина имеет достаточное количество витков (как (у маятника часов), ее противодействие пропорционально углу a и зависит от свойств материала и конструкции спирали. Для плоской пружины противодействующий вращающий момент линейно связан с углом поворота. Для большей линейности шкалы ставят две пружины, одна из которых закручивается, а другая раскручивается при движении оси. Во всех измерительных приборах достигается равновесие при равенстве моментов вращения и противодействия.
Линейная шкала получается для плоской пружины, когда вращающий момент пропорционален измеряемой величине (U, I, P), иначе шкала нелинейная.
Основные элементы конструкции: ось; опоры; пружинки; успокоители; отчетные устройства (шкалы, стрелки) корпус и др.
Важным элементом является ось со стрелкой. Стрелка обычно дополняется противовесами для создания центра тяжести в месте крепления к оси. На оси закрепляется то, что подвижно в зависимости от типа механизма. Важна шкала, система установки нуля.
Важным элементом является успокоитель — устройство, позволяющее сделать процесс отклонения стрелки апериодическим, плавным, без колебаний.
Воздушный успокоитель работает по принципу «насоса», у которого поршень с небольшим зазором, поэтому нет контакта и трения. Происходит повышение и разряжение давления в трубке — успокоение.
Часто применяют магнит, в зазор которого помещается закрепленный на оси немагнитный (алюминиевый) сектор. При повороте оси сектор приходит в движение, в нем возникают токи и таким образом магнит тормозит движение — магнитоиндукционный успокоитель.
1. Магнитоэлектрические приборы
Эти приборы самые распространенные.
Между полюсами магнита помещается катушка. Она вместе со стрелкой закреплена на оси. Вращающий момент и угол отклонения
;
где S – площадь рамки; - Число витков; Ip – ток рамки; B – индукция магнитного поля, W – удельный противодействующий момент пружин.
Чем сильнее магнит, тем чувствительнее прибор. Если ток изменяется во времени, то прибор будет усреднять. Если ток переменный, то прибор покажет ноль.
Достоинства магнитоэлектрической системы:
- высокая чувствительность (есть приборы с полным отклонением 0,01 мкА);
- высокая точность (классы 0,05; 0,1; 0,2);
- малое собственное потребление энергии (10-5…10-8 Вт);
- линейная шкала.
Недостатки: сложность, чувствительность к перегрузкам (перегорают пружинки), возможность измерения тока или напряжения только одной полярности (для измерения переменных токов и напряжений нужно ставить диоды, которые существенно увеличат погрешности).
2. Электродинамические приборы
Неподвижная катушка состоит из двух частей, между которыми проходит ось подвижной катушки. Момент вращения
, где МL – взаимная индуктивность катушек. Угол , где W – удельный противодействующий момент пружины.
Катушки включаются последовательно (iH=in) в вольтметрах, параллельно в амперметрах и последовательно-параллельно в ваттметрах:
; .
Достоинства:
- применяют в цепях постоянного и переменного тока;
- измеряют действующее значение;
- высокая точность (классы 0,1; 0,2; 0,5) (при измерении переменного тока);
- можно измерять мощность.
Недостатки:
- небольшой диапазон частот (до 5 кГц);
- необходима экранировка механизма от внешних полей (высокая чувствительность даже к полю земли);
3. Электромагнитные приборы
В электромагнитном приборе поле катушки (соленоида) втягивает в узкую щель сердечник в виде стальной пластины. Здесь
;
,
где L – индуктивность, а R - сопротивление катушки, W – удельный противодействующий момент пружины.
Достоинства:
- шкалу можно градуировать как по I, так и по U;
- знак угла поворота не зависит от направления тока (можно измерять переменные токи и напряжения).
Недостатки:
- шкала неравномерная – квадратичная (сжатая вначале);
- классы точности и чувствительность невелики (классы 1,0; 1,5; 2,5…).
4. Электростатические приборы
Электростатические ИП – по конструкции напоминают конденсатор переменной емкости с подвижными и неподвижными пластинами. При подаче напряжения поле втягивает подвижные пластины в пространство между неподвижными силами электростатического взаимодействия.
Эта система реагирует и на переменное, и на постоянное напряжения. Такие системы чаще используют для измерения больших напряжений (киловольты).
Достоинства:
- можно измерять постоянное и переменное напряжение;
- незначительное потребление энергии;
- независимость от внешних магнитных полей;
- широкий диапазон напряжений от 1 В до 100 кВ;
Недостатки:
- нелинейная (квадратичная) шкала;
- малая чувствительность.
Условные обозначения систем
1. Магнитоэлектрическая с подвижной рамкой
2. Магнитоэлектрическая с подвижным магнитом
3. Электромагнитная
4. Электродинамическая
5. Ферродинамическая
6. Электростатическая
7. Индукционная
8. Термоэлектрическая (на базе магнитоэлемента)
9. Выпрямительная (на базе магнитоэлемента)
10. Электронная.
В последних трех системах в качестве индикатора используется прибор магнитоэлектрической системы, а на входе включен соответствуюший преобразователь.
Условные знаки на приборах:
– прибор постоянного тока
~ прибор переменного тока
^ обязательно вертикальное положение шкалы
обязательно горизонтальное положение шкалы
Ð 30о обязательно наклонное положение шкалы
2,5; 0,1 ; 1,0 — обозначения класса точности
- испытательное напряжение (кВ)
Электромеханические приборы с преобразователями
Электромеханические приборы с преобразователями применяются для различных аналоговых измерений, а также в качестве индикаторных устройств. Преобразователи расширяют пределы измерений и возможности электромеханических приборов. Комплектуя электромеханические приборы переключаемыми шунтами и добавочными сопротивлениями, строят простейшие многофункциональные приборы - мультиметры.
1. Шунты используют для измерителей тока. Шунт ответвляет заданную часть тока, увеличивая предел измерения.
Коэффициент шунтирования (отношение полного тока IS к току прибора IП) выбирается целым (2, 5, 10 ... 100).): , Значение сопротивления шунта вычисляется ппо формуле . Шунты бывают классов 0,02; 0,05; 0,1; 0,5; 1,0. Входное сопротивление прибора с шунтом (параллельное соединение) равно RП/n, т.е. оно уменьшается в n раз, что очень хорошо для измерителей тока.
2. Добавочное сопротивление делит входное напряжение.
Если последовательно с прибором включить добавочное сопротивление, то можно повысить внутреннее сопротивление (это важно для измерителей напряжения) и увеличить предел шкалы измерения напряжения.
Если надо увеличить предел в m раз, где , то добавочное сопротивление:.
Измерение сопротивления
Измеритель сопротивления использует дополнительный источник питания, включаемый последовательно с прибором. Пусть электромеханический прибор имеет внутреннее сопротивление RП=1 кОм и предел шкалы 1мА. Тогда при напряжении 1 В будет полное отклонение стрелки прибора. Если разорвать цепь и включить в нее дополнительное сопротивление Rх=1 кОм, то стрелка остановиться в точке I=0.5 мА, т.е. в центре шкалы. Тогда точка 1мА будет соответствовать 0 Ом, 0.5 мА – 1 кОм. Следовательно, имея внешний источник напряжения можно проградуировать новую шкалу в единицах сопротивления, но она будет нелинейной.
Если использовать дополнительный шунт, то изменится общий ток и если коэффициент шунтирования взять равный 100, то полное отклонение будет при токе I=100 мА, а входное сопротивление прибора будет равно R=10 Ом. Это будет уже другая шкала - в центре ее точка 10 Ом.
При необходимости могут использоваться добавочные сопротивления. Комбинируя добавочные сопротивления и шунты можно построить многопредельные омметры.
Если прибор должен быть многофункциональным и измерять также переменные напряжения и токи, а головка не позволяет этого делать, то можно использовать полупроводниковый диод.
Контрольные вопросы
1. Каковы различия требований к внутренним сопротивлениям вольтметров и амперметров?
2. Какие параметры сигналов могут измерять вольтметры?
3. Что такое среднеквадратическое, среднее и средневыпрямленное значения переменного напряжения?
4. Как измеряется среднеквадратическое значение переменного напряжения?
5. Как измеряется средневыпрямленное значение переменного напряжения?
6. Какие бывают преобразователи пикового значения и как они работают?
7. Как работают селективные вольтметры?
8. Каких типов бывают электромеханические приборы?
9. Как работают измерительные механизмы электромеханических приборов?
10. Каковы достоинства и недостатки магнитоэлектрических приборов?
11. Каковы достоинства и недостатки электродинамических приборов?
12. Каковы достоинства и недостатки электромагнитных приборов?
13. Каковы достоинства и недостатки электростатических приборов?
14. Дан магнитоэлектрический прибор постоянного тока с внутренним сопротивлением 10/N кОм, на входе которого включен преобразователь пикового значения с открытым входом. Какая емкость конденсатора должна использоваться, чтобы на частоте 10N Гц относительная систематическая погрешность преобразования не превышала 1%?
15. Дан прибор тока со шкалой 10 мкА и внутренним сопротивлением 0,1*N кОм. Какие нужны шунты для шкал тока 1 мА и 1 А? Какое будет входное сопротивление прибора на шкалах амперметра? На какие шкалы (2 шкалы) можно построить вольтметр, и какие должны быть при этом добавочные сопротивления? Какое будет входное сопротивление прибора на шкалах вольтметра? Предложите шкалу омметра и напряжение источника питания.
16. Как минимизировать погрешность измерения постоянного тока, значение которого N мА?
17. Когда при измерении силы постоянного тока амперметром используются шунты?
Примечание: N – номер студента по списку группы.
лекция: Цифровые вольтметры
В значительной степени ЦВ характеризуются видом АЦП и наличием МПС. АЦП является основным измерительным преобразователем ЦВ. Современные ЦВ переменного тока и универсальные ЦВ, как правило, представляют собой сочетание ЦВ ПТ и блока преобразователя, поэтому вольтметры постоянного тока (ПТ) являются основой всех ЦВ.
По принципу работы АЦП различают ЦВ:
- времяимпульсные (1 -, 2- , 2 –х кратным интегрированием);
- частотно-импульсные (также интегрирующие);
- кодово-импульсные или поразрядного кодирования (взвешивания);
- комбинированные.
Времяимпульсный вольтметр с преобразованием Ux®Tx и последующем измерением Tx методом дискретного счета.