Приборы термоэлектрической системы

Рис.3.6. Схемы термоэлектрических приборов: а - ТЭ преобразователя; б - ТЭ амперметра;

в - ТЭ волтметра.

Свободные концы термопары подключаются к магнитоэлектри­ческому ИМ (рис. 3.6, б). Ток I_м, текущий через ИМ:

I_м = е_т /R_Σ

где е_т – термоЭДС термопары; R_Σ – суммарное сопротивление термопары и ИМ.

Показание прибора α определяется по следующей формуле:

α = k I ²

где k – коэффициент пропорциональности, определяемый осо­бенностями конструкции ТП; I – действующее значение измеря­емого тока i(t).

На рис. 3.6, б приведена схема ТЭ амперметра, а на рис. 3.6, в – схема ТЭ вольтметра.

Для измерения малых токов и напряжений (поскольку значе­ния термоЭДС термопары незначительны – единицы – десятки милливольт) в схему прибора вводится усилитель постоянного тока, повышающий выходной сигнал термопары (см. подразд. 3.3). Расширение диапазонов измерения ТЭ амперметров в сторону увеличения значений осуществляется с помощью измерительных трансформаторов тока. В случае расширения пределов ТЭ вольтметров применяют добавочные резисторы с различными сопротивлениями.

К достоинствам ТЭ приборов можно отнести следующие:

• работа как с постоянными, так и с переменными токами и напряжениями;

• реакция на истинное среднее квадратическое (действующее) значение независимо от формы сигнала;

• широкий диапазон частот измеряемых сигналов (до десятков мегагерц);

• сравнительно высокая точность приборов (типичные классы точности 1,0... 1,5).

К недостаткам ТЭ приборов относятся:

• невысокое быстродействие в силу значительной тепловой инерционности ТП;

• заметное собственное потребление приборов от источника ис­следуемого сигнала;

• неравномерность (квадратичность) шкалы приборов;

• зависимость точности от изменения температуры свободных концов термопары;

• малая перегрузочная способность.

Обозначение термоэлектрических приборов на шкалах:

3.2.4. Приборы электромагнитной системы

В щитовых измерительных приборах, предназначенных для ра­боты в электрических цепях переменного тока промышленной ча­стоты, широко применяется электромагнитная (ЭМ) система, ко­торая имеет ряд преимуществ перед магнитоэлектрической.

Конструкция и принцип действия. Воснове самой простой кон­струкции (рис. 3.7) этого ИМ полая катушка с измеряемым током I (или с током, пропорциональным измеряемому напряжению U в случае вольтметра).

Протекающий по катушке 1 ток создает магнитный поток, кото­рый притягивает (втягивает внутрь катушки) сердечник 4, выпол­ненный из магнитомягкого материала и закрепленный на оси 2.

При этом возникает вращающий момент М, равный произ­водной энергии этой электромеханической системы по углу по­ворота α:

М=

где I – действующее значение тока в катушке; L – индуктивность катушки; α – угол поворота сердечника.

Спиральная пружина 3 служит для создания противодейству­ющего момента М_ПР:

М_ПР = αΩ,

где Ω – удельный противодействующий момент.

Моменты М и М_ПР направлены навстречу друг другу. С ростом угла поворота α противодействующий момент М_ПР пропорционально растет. Это происходит до тех пор пока моменты не станут равными.

Рис. 3.7. Устройство электромагнитного механизма:

1 – катушка с измеряемым током; 2 – ось; 3 – спиральная пружина; 4 – сердеч­ник из магнитомягкого материала; 5 – стрелка; 6 – шкала

При М= М_ПР

= αΩ.

Следовательно, угол поворота

Отсчетное устройство – стрелка 5 и шкала 6 – преобразует угол поворота сердечника в показания (отсчет).

Из последнего уравнения следует, что ЭМ приборы могут ра­ботать как в цепях постоянного, так и переменного тока; а также, что шкала у ЭМ приборов – нелинейная (квадратичная).

Существуют и другие конструкции ЭМ измерительных меха­низмов, в частности с замкнутым магнитопроводом, которая обес­печивает лучшую защищенность от внешних магнитных полей.

Амперметры и вольтметры.В основе конструкции амперметров ЭМ системы лежит катушка, состоящая из нескольких секций (рис.3.8,а), переключением которых можно изменять пределы измере­ния токов: I₁ > I₂ > I₃.

В простейшей схеме вольтметра последовательно с катушкой включается добавочный резистор R_V (рис.3.8,б). В такой схеме с ростом частоты напряжения ω линейно растет индуктивное со­противление X_L катушки измерительного механизма:

X_L =jωL.

При этом растет суммарное сопротивление цепи, ток в катуш­ке падает, что приводит к уменьшению показаний прибора.

Для поддержания полного комплексного сопротивления при­мерно постоянным в достаточно широком диапазоне частот в схе­му вольтметра (рис.3.8,в)

вводится цепь частотной коррекции (конденсатор С_к и резистор R_к), сопротивление которой с рос­том частоты падает, компенсируя возрастание сопротивления катушки. С помощью добавочных резисторов R_Дl и R_Д2 обеспечивается возможность работы в нескольких диапазонах измере­ния напряжения.

Особенности ЭМ приборов.Приборы электромагнитной систе­мы могут быть использованы для измерения и постоянных, и пе­ременных напряжений и токов. При этом они реагируют на истин­ное среднее квадратическое (действующее) значение переменно­го сигнала независимо от его формы (правда, в пределах своего сравнительно неширокого частотного диапазона). Кроме того, важ­ным преимуществом является то, что приборы этой системы вы­держивают значительные перегрузки (возможны двух- и трехкрат­ные перегрузки), имеют сравнительно простую конструкцию и, следовательно, надежны и дешевы. Достаточно сказать, что ЭМ приборы – это самые распространенные щитовые приборы.

Недостатки приборов ЭМ системы следующие:

• нелинейная (квадратичная) шкала;

• узкий частотный диапазон измеряемых сигналов (сотни герц – единицы килогерц);

• заметное влияние внешних магнитных полей;

• невысокий класс точности (типично – 1,5...2,5%).

Обозначение приборов ЭМ системы на шкалах: