Системы электроизмерительных приборов

В приборах магнитоэлектрической системевращающий момент создается в результате взаимодействия постоянного магнита с проводником с током. Подвижной частью может быть рамка с током или постоянный магнит, расположенный на оси.

Приборы магнитоэлектрической системы с подвижным магнитом являются приборами низких классов точности и применяются как указательные в транспортных средствах и др.

Электроизмерительные приборы с подвижной рамкой имеют высокую точность и применяются при более точных измерениях.

На рамку с током в магнитном поле действует электромагнитная сила.

Поскольку сила определяется по закону электромагнитной силы, то и вращательный момент будет пропорционален току, протекающему в рамке. Если противодействующий момент создается пружиной

= m,

то угол поворота рамки (стрелки прибора) пропорционален току в рамке

cI,

где m - удельный противодействующий момент,

с - постоянная величина.

Величина называется чувствительностью прибора и характеризует класс точности.

Поскольку угол поворота стрелки пропорционален току, шкала приборов магнитоэлектрической системы равномерная, что является преимущество таких приборов.

Магнитоэлектрические приборы применяют для измерения постоянных токов и напряжения.Они также могут использоваться для измерения сопротивления как гальванометры.

Амперметры и вольтметры магнитоэлектрической системы имеют высокий класс точности(до 0,1) и сравнительно небольшие внутренние потери энергии.

Недостаток приборов этой системы можно считать непригодность к работе в цепях переменного тока, чувствительность к перегрузкам и зависимость от окружающей температуры.

Магнитоэлектрическим прибором можно проводить измерения в цепях переменного тока, если в цепь подвижной катушки включить преобразователь переменного тока в постоянный.

Электроизмерительный прибор электромагнитной системы имеет неподвижную катушку и расположенную на оси ферромагнитную пластинку. Если в катушки протекает измеряемый ток, то созданное катушкой поле втягивает вглубь ферромагнитный лепесток. Если измеряется величина в цепи постоянного тока, то вращательный момент пропорционален квадрату тока. Если в катушке протекает синусоидальный ток, то вращающий момент пропорционален квадрату действующего значения этого тока

,

где k - коэффициент пропорциональности.

Угол отклонения подвижной части также пропорционален квадрату тока

.

С помощью специальной формы ферромагнитного лепестка можно немного уменьшить неравномерность. Создаются приборы, в которых шкала неравномерна только в начальной части.

Квадратичная пропорциональность означает, что направление отклонения стрелки не зависит от направления тока, т.е. приборами электромагнитной системы можно измерять как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока.

Приборы электромагнитной системы могут непосредственно измерять значительные токи (до 300 А) и напряжение (до 600 В). измерительный механизм амперметра на большой ток имеет катушку в виде одного витка медной шины. Электромагнитный вольтметр на большое напряжение имеет катушку с большим количеством витков провода малого сечения с дополнительными резисторами, которые компенсируют температурные погрешности.

Точность электромагнитного прибора значительно ограничивается из-за наличия ферромагнитного сердечника и связанного с этим явления остаточного намагничивания. Для уменьшения влияния гистерезиса (т.е. повышение класса точности прибора) сердечник изготавливают из специальных ферромагнитных сплавов (например, пермаллоев) с небольшой коэрцитивной силой.

Такие приборы имеют высокий класс точности, до 0,2.

Основными преимуществами приборов электромагнитной системы можно считать:

а) простоту, надежность, дешевизну;

б) возможность использования в цепях постоянного и переменного тока;

в) высокую перегрузочную способность.

К недостаткам приборов электромагнитной системы относят:

а) невысокую точность;

б) невысокую чувствительность;

в) большое собственное потребление электроэнергии (0,5…15 Вт);

г) ограниченный частотный диапазон измеряемых величин;

д) неравномерность шкалы;

е) чувствительность к влиянию внешних магнитных полей.

Собственное магнитное поле прибора очень слабое, поэтому внешнее поле значительно влияет на его показания. Для уменьшения влияния внешнего поля измерительный механизм защищают стальным экраном. Значительно меньше влияет внешнее поле на приборы электромагнитной системы с астатическим измерительный механизмом.

Астатический измерительный механизм имеет две неподвижные обмотки и два сердечника на одной оси. Обмотки включаются последовательно таким образом, что их потоки встречные, а действующие на сердечник моменты - согласные. В этом случае внешний магнитный поток усиливает момент второго сердечника. Поэтому в астатических электромагнитных приборах общий вращательный момент не зависит от внешнего магнитного поля.

Приборы электромагнитной системы применяются в промышленных электротехнических устройствах низкой частоты и постоянного тока, а также (достаточно широко) как щитовые амперметры и вольтметры классов 1,0; 1,5; 2,0.

Приборы электромагнитной системы имеют измерительных механизм, состоящий из двух катушек: неподвижной и подвижной. Неподвижная катушка имеет две секции, внутри которых на оси расположена подвижная катушка. При наличии тока в катушке возникают электромагнитные силы взаимодействия, стремящиеся повернуть подвижную катушку, т.е. вращающий момент пропорционален (для постоянных токов и соответствующей конструкции механизма) произведению токов:

.

Если прибор включить в цепь синусоидального тока, то вращающий момент пропорционален произведению действующих значений тока и косинуса сдвига фаз между ними

.

Электродинамические приборы можно использовать как амперметры, вольтметры, ваттметры в цепях постоянного и переменного токов.

Противодействующий момент создается двумя пружинами, по которым осуществляется и подвод тока к подвижной катушки. Подбирая формы катушек и их расположение , можно получить почти линейную шкалу вольтметров и амперметров, начиная с 20% верхней границы измерения.

Используя электродинамический прибор как амперметр, катушки включают параллельно, так как подвод большого тока к подвижной катушке через пружины ограничен. Обе обмотки включаются через дополнительные резисторы.

При измерении напряжения обмотки включаются последовательно друг с другом и также с дополнительными резисторами.

Если прибор используется как вольтметр, то неподвижную обмотку включают последовательно, а подвижную с дополнительным резистором - параллельно нагрузке. Угол отклонения стрелки пропорционален мощности нагрузки, поэтому шкала ваттметров электродинамической системы всегда равномерная. Направление отклонения подвижной части зависит от относительного направления тока в катушке. Поэтому зажимы токовой обмотки и обмотки напряжения, которые включают на источник питания, обозначаются звездой.

Приборы электродинамической системы имеют преимущество перед приборами других систем:

а) очень высокую точность (классы 0,1; 0,2; 0,5);

б) возможность использовать в цепях постоянного и переменного тока.

Высокая точность этих приборов обусловлена тем, что магнитные потоки замыкаются по воздуху, а не в ферромагнитных сердечниках, т.е. исключаются влияние погрешности явления гистерезиса, вихревых токов и др. Поэтому приборы электродинамической системы в виде переносных широко применяются в точных лабораторных исследованиях.

Основными недостатками приборов электродинамической системы считаются:

а) зависимость показания от влияния внешних магнитных полей из-за слабого собственного магнитного поля;

б) слабую перегрузочную способность вследствие ограничения токоподвода к подвижной катушке;

в) значительную потребляемую мощность;

г) незначительный вращающий момент.

Для уменьшения влияния внешних магнитных полей и с целью увеличения вращающего момента в приборах ферродинамической системыприменяется ферромагнитный сердечник. Неподвижная катушка этих приборов расположена на стальном магнитопроводе. Прибор создает мощный магнитный поток, который защищает его от влияния внешних полей и повышает вращающий момент.

Измерительные приборы ферродинамической системы имеют сравнительно низкую точность измерения и ограниченный диапазон частот. Приборы этой системы используют в основном как щитовые в цепях переменного тока. Большой вращающий момент дает возможность использовать ферродинамические системы в самопишущих приборах в цепях с частотой от 10 до 1500 Гц.

Принципиально приборы индукционной системыможно сделать любого назначения (амперметры, вольтметры, ваттметры, и т. п.). но самое большое распространение получили индукционные счетчики электрической энергии.

Индукционный счетчик - это маленький двигатель переменного тока. Принцип действия основывается на взаимодействии вращающегося (или бегущего) магнитного поля с вихревыми токами в подвижной части прибора.

Бегущее поле создается двумя магнитными потоками, которые сдвинуты по фазе на некоторый угол. Эти потоки создаются двумя электромагнитами. Обмотка одного электромагнита (с большим количеством витков) включена параллельно нагрузке. Обмотка второго имеет малое количество витков и включается последовательно с нагрузкой, т.е. один поток пропорционален напряжению, а второй - току нагрузки. Создается вращающий момент, пропорциональный мощности переменного тока

.

Противодействующий момент создается постоянным магнитом, в поле которого вращается подвижная часть - алюминиевый диск. В результате взаимодействия постоянного магнитного потока с вихревыми токами создается тормозящий момент . При постоянной частоте вращения

,

,

где W - энергия, потребляемой нагрузкой;

n - количество оборотов счетчика;

c - постоянный коэффициент (постоянная счетчика показывает количество киловатт-часов электроэнергии, соответствующее одному обороту диска).

Преимуществами приборов индукционной системы можно считать:

а) сравнительно большой вращающий момент;

б) устойчивость к значительным перегрузкам (по току до 300%);

в) независимость от внешних магнитных полей.

Стоит отметить, что счетчики индукционной системы используют для переменного тока лишь одной частоты. Показания приборов этой системы в значительной степени зависят от температуры окружающей среды.

Вообще счетчики индукционной системы очень надежны в эксплуатации. Они выпускаются промышленностью классов 1,0; 2,0; 2,5 (счетчики активной энергии) и 2,0; 3,0 (счетчики реактивной энергии). Бывают счетчики однофазные и трехфазные.

Для расширения пределов измерения энергии переменного тока по напряжению и току используют измерительные трансформаторы напряжения и тока.

Измерительный механизм прибора электростатической системысостоит из металлических изолированных пластин. Под действием потенциала подвижная пластина отклоняется, т.е. создается вращающий момент

,

пропорциональный квадрату постоянного напряжения, или действующего значения синусоидального напряжения.

Подбором формы и размеров пластин можно получить равномерную шкалу.

Приборы электростатической системы используются только как вольтметры постоянного и переменного напряжения.

Преимущество электростатических вольтметров можно считать:

а) малое собственное потребление электрической энергии;

б) нечувствительность к внешним магнитным полям и колебаниям температуры;

в) возможность измерять высокое напряжение без применения измерительных трансформаторов напряжения.

К недостаткам приборов этой системы можно отнести сравнительно низкую чувствительность приборов.

Для разрешения пределов измерения электростатическими вольтметрами применяются емкости и резистивные делители напряжения.

Цифровые приборы измеряют значения непрерывной электрической величины в отдельные моменты времени. Результат выдается в цифровой форме.

Промышленность изготовляет цифровые вольтметры постоянного напряжения от 1мкВ до 1000 В. Благодаря применению калиброванных шунтов эти приборы можно использовать как цифровые амперметры до 7500 А, а также как вольтметры переменного напряжения, частотометры, омметры и др.

Эти приборы имеют большую точность измерения (погрешности от 0,1 до 1%), большое быстродействие, широкий диапазон измерений. Цифровые приборы можно коммутировать с вычислительными машинами.