Меню

Средства измерения переменного тока

Средства измерения параметров цепей переменного тока: краткий обзор

В статье рассмотрены прошедшие за последние пять лет изменения на рынке средств измерений параметров цепей переменного тока. Рассказывается о технических характеристиках и особенностях новых моделей разных производителей приборов этого класса. Обозначены новые тенденции соответствующего рыночного сегмента.

Параметры цепей переменного тока (например, активной и реактивной составляющих сопротивления, добротности, тангенса угла потерь и т.д.) являются показателями качества или функционирования объекта исследования, а также индикаторами влияющих на них параметров окружающей среды. Круг задач измерения, контроля, диагностики и научных исследований процессов различной природы, в которых используется измерение параметров цепей переменного тока (ПЦПТ), постоянно расширяется. Специальные средства измерения (СИ) ПЦПТ — измерители (анализаторы) импеданса (иммитанса), RLC-измерители (анализаторы), виртуальные и портативные приборы, а также анализаторы цепей (Network Analyzer) измеряют как активные, так и пассивные параметры.
В большинстве случаев рассматриваемые СИ применяются в ходе научных исследований в электрохимии, физике и других дисциплинах, при диагностике и контроле элементов, устройств, материалов (радиоэлектронных компонентов), в медицинской диагностике и т.д.
Последний обзор СИ ПЦПТ был дан в работе [1]. В этом обзоре попробуем выяснить, что нового появилось среди приборов, и в каких новых областях они нашли свое применение.

Анализаторы иммитанса — приборы с наиболее широкими функциональными возможностями, позволяющие измерять параметры иммитанса при изменяющихся внешних условиях (в функции частоты, напряжения смещения, напряжения на объекте и т.д.), что необходимо в процессе разработки и исследования рассматриваемых объектов [1]. Примером может служить прибор IM3570 Impedance Analyzer фирмы HIOKI (Япония). Прибор имеет достаточно широкий диапазон частот: 4…5·10 6 Гц с погрешностью измерения 0,08%.
Измерители параметров иммитанса — приборы с широкими функциональными возможностями, обеспечивающие высокую точность измерения (порядка 0,1%). Эти приборы предназначены для применения в лабораторных и производственных условиях. Рабочий диапазон частот варьируется в диапазоне 0,1…3·10 9 Гц. Обеспечивают измерение параметров R, L, C до следующих значений: 10 11 Ом, 750·10 3 Гн и 100 Ф. Как правило, напряжение на объекте измерения составляет 0,003…200 В. Технические характеристики ряда измерителей параметров иммитанса зарубежных производителей приведены в таблице 1.
Отметим, что фирма Escort (торговая марка Аktаkоm, Тайвань) дополнительно разработала и поставляет программное обеспечение для серии измерителей иммитанса АМ-3016, позволяющее управлять прибором через последовательный интерфейс (RS-232) и удалённо наблюдать за результатами измерений. Кроме того, в главном меню окна программы есть функция просмотра и сохранения результатов в формате Excel или Access [2].

Фирма, страна, модель

Основная погрешность измерения, %

Рабочая частота, Гц

Диапазоны измеряемых величин

Напряжение смещения, В

Масса, кг

Энергопо­треб­ление, В·А (Вт)

R, Ом

C, Ф

L, Гн

QuadTech, США, 7600 Plus Precision LCR Meter

TEGAM INC., США, 3550

326·10 -9 …750·10 3

Escort, Тайвань, AM-3026 1
AM-3028

Wayne Kerr, Великобритания, 65120B

1 Торговая марка Аktаkоm.

Одной из тенденций является добавление в разрабатываемые приборы USB-интерфейса для подключения к компьютеру или внешних портативных блоков памяти. Завод «Калибр» (Белоруссия) представил новый прибор E7-20, работающий в диапазоне частот от 25 до 106 Гц с погрешностью измерения 0,1% [3]. ГП «Укрметртестстандарт» (Ук­ра­ина) разработало измеритель им­пе­данса МНС-1100, предназначенный для автоматического измерения параметров импеданса (емкости, индуктивности, активного сопротивления, взаимной индуктивности, тангенса угла потерь и тангенса угла фазового сдвига) по любой из двухэлементных схем замещения, а также процентных отклонений с представлением результатов измерений в цифровом виде. Измеритель может быть использован для выполнения метрологических работ, при контроле электро- и радиотехнических изделий, в научных исследованиях, при измерениях не­электрических величин с использованием измерительных преобразователей любого типа. Прибор имеет достаточно широкий диапазон частот: 0,1…105 Гц, а погрешность его измерения составляет 0,01/0,002% [4].
Портативные приборы — малогабаритные приборы с автономным (батарейным) питанием. Портативные СИ ПЦПТ характеризуются меньшими функциональными возможностями, габаритами, массой и стоимостью. Основная погрешность измерения таких приборов составляет около 2%.
Компания Agilent Technologies Inc. (США) представила новую линейку ручных измерителей иммитанса U1731C, U1732C и U1733C LCR, которые позволяют инженерам и специалистам быстро и максимально удобно выполнять основные измерения. По сравнению с предыдущими моделями данной серии следует отметить такие улучшения как возможность выбора измерительных частот до 10 5 Гц (U1733C) и обеспечение погрешности измерений 0,2%. Кроме того, серия U1730C позволяет проводить автоматическую идентификацию компонентов, в результате которой на экране отображается тип устройства и подробный анализ таких параметров как полный импеданс, сопротивление постоянному току и эквивалентное последовательное сопротивление [5].
Уже упоминавшийся белорусский завод «Калибр» разработал новый прибор E7-18, работающий в диапазоне частот 20…1000 Гц с погрешностью измерения 0,08%.
Виртуальные приборы. Под данным классом средств измерений принято понимать приборы, созданные на базе персонального компьютера, обеспечивающего функции не только управления и обработки данных, но и вывода и графического представления информации. Сегодня на рынке нет функционально-ориентированных виртуальных приборов для измерения ПЦПТ, выпускаемых серийно. Единственным, разрабатываемым под различные задачи измерения, является прибор «Виртуальный измеритель-анализатор параметров импеданса» Института проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН (Москва) [6], созданный в нескольких модификациях и использующийся в ряде НИИ и вузов. Базовый вариант прибора такого типа работает в диапазоне частот 10…2·106 Гц и обеспечивает измерение параметров комплексного сопротивления с модулем в диапазоне 10 -3 …10 9 Ом. Основная погрешность измерений составляет около 0,2%. Последняя разработка описана в [7].
Проблемно-ориентированные приборы. ООО «НТЦ Транспорт» (Омск) выпускает цифровой измеритель параметров иммитанса «Имметр», предназначенный для измерения параметров (индуктивности, добротности, сопротивления постоянному току) приемных катушек автоматической локомотивной сигнализации всех типов, в том числе и применяемых на метрополитене, а также для измерения наведенной ЭДС и сопротивления постоянному току. Прибор допускает измерение при синусоидальном напряжении параметров объектов, представляемых параллельной или последовательной двухэлементной схемой замещения в диапазоне частот 20…1000 Гц с погрешностью измерения 0,08 % [8].
Для решения проблемно-ориентированных задач фирма SY-LAB Gerate GmbH (Австрия) [9] разработала микробиологические анализаторы BacTrac 4300 и BioTrac 4250, предназначенные для автоматической регистрации роста широкого спектра микроорганизмов (например, для обеспечения безопасности и контроля качества готовой продукции, для определения стерильности различных материалов и растворов).
В последние годы метод измерения импеданса в данной области получил широкое распространение на рынке благодаря своей универсальности и надежности. Прибор BacTrac 4300 регистрирует два параметра: М-параметр (импеданс среды) и Е-параметр (электродный импеданс), которые учитываются отдельно или в комбинации. Измерительная система прибора BacTrac 4300 является высокочувствительной к микробным метаболитам и позволяет проводить измерения даже в селективных питательных средах.

Важно отметить, что метод измерения параметров импеданса нашел широкое применение при исследованиях нанокомпозиционных материалов [10–12], поскольку изменения импеданса легко регистрируются, а его параметры являются весьма информативными. Например, электрохимический импеданс (сопротивление и емкость) может изменяться вследствие разрушения структуры, а электрический импеданс материала может быть измерен и отслежен по всей толщине, и в случае растрескивания или расслоения можно отследить его изменение.
На основе рассмотренного материала можно сделать вывод, что использование метода измерения импеданса в различных областях науки и техники по-прежнему остается актуальным. Особых изменений в технических характеристиках разрабатываемых приборов не появилось. Основное внимание уделяется расширению и улучшению пользовательских функций, а также обучению потенциальных потребителей с помощью методических и демонстрационных материалов.

Источник



Измерения переменных токов и напряжений

Рабочими средствами измерений переменных токов и напря­жений являются амперметры (микро-, милли-, килоамперметры), вольтметры (микро-, милли-, киловольтметры), компенсаторы переменного тока, универсальные и комбинированные приборы, а также регистрирующие приборы и электронные осциллографы.

Читайте также:  Фонарик с генератором тока

Особенностью измерений переменных токов и напряжений является то, что они изменяются во времени. В общем случае изменяющаяся во времени величина может быть полностью пред­ставлена мгновенными значениями в любой момент времени.

Переменные во времени величины могут быть также охарактери­зованы своими отдельными параметрами (например, амплиту­дой) или интегральными параметрами.

К интегральным параметрам относятся:

где x(t) — изменяющаяся во времени величина.

Таким образом, при измерении переменных токов и напряжений могут измеряться их действующие, амплитудные, средневыпрямленные, средние и мгновенные значения. В практике электрических измерений чаще всего приходится измерять синусоидальные переменные токи и напряжения, которые обычно характеризуются действую­щим значением. Поэтому подавляющее большинство средств измерений переменных токов и напряжений градуируются в дей­ствующих значениях для синусоидальной формы кривой тока или напряжения.

Малые переменные токи измеряют цифровыми, элек­тронными и выпрямительными приборами, малые переменные напряжения — электронными вольтметрами. Наиболее широкий диапазон измерений переменных токов при прямом включении средств измерений обеспечивают выпрямительные приборы. Они имеют относительно широкий диапазон и при измерении перемен­ных напряжений. Эти приборы делают, как правило, многопредельными.

Следует также учесть, что эти приборы при отключе­нии выпрямителя используются как магнитоэлектрические приборы для измерений постоянных токов и напряжений. Благодаря такой универсальности и небольшим габаритам выпрямительные приборы широко применяются в лабораторной и производствен­ной практике.

Переменные токи свыше килоампера и переменные напряжения свыше киловольта измеряют с помощью наружных измери­тельных трансформаторов тока или напряжения электромагнитными, выпрямительными и электродинамическими приборами.

Измерения высоких переменных напряжений (до 75 кВ) прямом включении средств измерений позволяют осуществлять электростатические киловольтметры.

Наиболее точные измерения действующих значений синусои­дальных токов и напряжений можно осуществить электродинами­ческими приборами, цифровыми приборами и компенсаторами переменного тока. Однако погрешность измерений переменных токов и напряжений больше, чем постоянных.

Активная мощность измеряется ваттметром, а реактивная мощность измеряется варметром.

Измерение больших мощностей.При измерении больших мощностей используются трансформатор тока и трансформатор напряжения.

Схема подключения показана на рисунке 8.4.

Рисунок 8.4 Схема подключения ваттметра для измерения

8.3 Измерение токов и напряже­ний в трехфазных цепях

В общем случае в несимметричных трехфазных цепях число необходимых средств измерений токов и напряжений соответствует числу измеряемых величин, если каждая измеряемая величина измеряется своим прибором. При измерениях в симметричных трехфазных цепях достаточно про­извести измерение тока или напряжения только в одной линии (фазе), так как в этом случае все линейные (фазные) токи и на­пряжения равны между собой. Связь между линейными и фазны­ми токами и напряжениями зависит от схемы включения нагруз­ки.

В несимметричных трехфазных цепях при измерениях токов и напряжений с помощью измерительных трансформаторов можно сэкономить на количестве исполь­зуемых измерительных трансформаторов.

Для примера на рисунке 8.5приведена схема измерений трех линейных токов с использованием двух измерительных трансформаторов тока, а на рисунке 8.6- аналогичная схема измерений линейных напряжений (V1 — UAB, V2 — UBС, V3 — U СA ).

Эти схемы основаны на известных соотношениях для трехфазных цепей.

Следует иметь в виду, что для правильного суммирования токов необходимо следить за правильностью вклю­чения генераторных зажимов измерительных трансформаторов. Неправильное включение генераторных зажимов одного из транс­форматоров (в первичной или вторичной цепи) приведет к изме­нению фазы одного из суммируемых токов, и результат получится неправильный. Схема для измерений линейных напряжений рабо­тает аналогично. Подобные схемы могут быть использованы для измерения фазных токов и напряжений.

Для измерений токов и напряжений в трехфазных цепях можно использовать средства измерений этих величин, предназначенные для однофазных це­пей. Кроме этих средств, промышленностью выпускаются специ­альные приборы для измерения в трехфазных цепях, позволяю­щие более быстро и удобно выполнить необходимые измерения.

Источник

Методы и средства измерений электрических величин. Измерение постоянного тока и напряжения. Измерение переменного тока и напряжения.

Измерение постоянного тока и напряжения.

Измерения постоянного тока и напряжения производятся в основном с помощью магнитоэлектрических амперметров и вольтметров с пределами измерений 0,1 мкА. 6 кА и 0,3 мВ. 1,5 кВ. Возможно применение также аналоговых электромагнитных, электродинамических, ферродинамических, электростатических, цифровых приборов, потенциометров (компенсаторов) постоянного тока. Для определения малых количеств электричества быстропротекающих импульсов тока используются баллистические гальванометры, для больших количеств электричества – кулонометры.

Выбор измерителя обусловлен мощностью объекта измерения и необходимой точностью. При включении прибора в измерительную цепь он изменяет ее параметры. Для уменьшения величины методической погрешности при измерении напряжения сопротивление используемого вольтметра должно быть как можно большим, а при измерении тока сопротивление амперметра как можно меньшим, тогда и потребление мощности от объекта измерения будет малым.

Измерительный механизм магнитоэлектрических амперметров и вольтметров принципиально не различаются, а в зависимости от назначения прибора меняется его измерительная цепь. В амперметрах измерительный механизм непосредственно или с помощью шунта включается в цепь последовательно с нагрузкой. В вольтметрах последовательно с измерительным механизмом включается добавочный резистор, и прибор подключается к тем точкам схемы, между которыми необходимо измерить напряжение. Характер измерительной цепи также определяется допустимой температурной погрешностью и пределом измерения прибора. Для компенсации температурной погрешности необходимо применять специальные схемы температурной компенсации.

Измерение малых токов и напряжений. Прямое измерение этих физических величин выполняют с помощью гальванометров магнитоэлектрической системы (от 0,1 нА и от 1 нВ), цифровых пикоамперметров (от 1 нА), микровольтметров (от 10 мкВ), нановольтметров (от 10 нВ), компенсаторов (от 1 мкВ). Косвенное измерение выполняется с помощью компенсаторов (до 10 нА); по величине заряда конденсатора (до 1 нА); с использованием электрометра (до 10 нА).

Измерение больших постоянных токов.Для токов более 10 кА использование шунтов уже не целесообразно. Наиболее простым способом измерения в этом случае является параллельное включение шунтов и использование магнитных преобразователей. Для более точных измерений (порядка 0,01 %) больших токов используются преобразователи из меди в виде стержня с определенным диаметром, имеющим приспособление для включения в разрыв шины с током.

Измерение высоких напряжений. Измерение напряжений до 1,5 кВ осуществляется магнитоэлектрическими вольтметрами с добавочными резисторами. При более высоких напряжениях (до 300 кВ) целесообразно включать электростатические вольтметры или обычные вольтметры через измерительные трансформаторы напряжения.

Измерение переменного тока и напряжения. Для оценки величины переменного тока и напряжения используют понятия действующего, амплитудного и среднего значений. Если сигнал синусоидален, то эти значения жестко связаны между собой через коэффициент формы кривой и коэффициент амплитуды . Значения этих коэффициентов зависят от формы кривой используемого сигнала. Чем острее форма исследуемого сигнала, тем больше будут значения и .

Для измерения переменного тока и напряжения могут быть использованы измерительные механизмы всех систем.

В этом случае магнитоэлектрические приборы используются с преобразователями переменного тока в постоянный. Это выпрямительные, термоэлектрические и электронные приборы. Обычно они градуируются в действующих значениях тока или напряжения. В приборах, предназначенных для измерения среднего и амплитудного значений, делается соответствующая отметка на шкале.

Электромагнитные амперметры и вольтметры.Амперметры на токи 250. 300 А непосредственно в цепь не включаются из-за сильного влияния на показания приборов магнитного поля токопроводящих проводов и значительного нагрева шины. Изменение предела измерения производится путем секционирования обмотки катушки и включения секций последовательно или параллельно. Для переключения секций используются штепсельные и рычажные переключающие устройства. Расширение пределов измерения на переменном токе производится при помощи измерительных трансформаторов тока.

Читайте также:  Что такое каскадные трансформаторы тока

Для расширения пределов измерения электромагнитных вольтметров применяется включение добавочных сопротивлений и секционирование; для измерения больших напряжений (свыше 500 В) на переменном токе – измерительные трансформаторы напряжения.

Собственное магнитное поле электромагнитных приборов невелико и внешние магнитные поля влияют на показания приборов. Для защиты от внешних магнитных полей применяется астазирование и экранирование.

Электродинамические амперметры и вольтметры.Уамперметров на токи до 0,5 А неподвижные и подвижные катушки соединяются последовательно. При таком соединении катушек компенсация частотной и температурной погрешностей не требуется, так как изменения температуры t и частоты ƒ (до 2000. 3000 Гц) не оказывают значительного влияния на показания приборов.

При токах более 0,5 А подвижная катушка соединяется параллельно с неподвижной (так как последовательное соединение вызвало бы перегрев и изменение свойств токоподводящих пружин). В этом случае необходима компенсация температурной и частотной погрешностей, которые возникают в результате перераспределения токов в катушках при изменении времени t и частоты ƒ. Для компенсации температурной погрешности необходимо, чтобы температурные коэффициенты сопротивления параллельных ветвей были одинаковые. Для исключения частотной погрешности необходимо, чтобы постоянные времени обеих катушек были бы равны между собой.

У вольтметров неподвижная и подвижная катушки включаются последовательно. Для расширения пределов измерения применяют секционирование и измерительные трансформаторы напряжения.

Электростатические вольтметры. Схемы включения электростатических вольтметров (ЭВ)обладают некоторыми особенностями. У ЭВна малые пределы измерения воздушный зазор между пластинами очень мал, поэтому возникает опасность короткого замыкания пластин, а, следовательно, и сети при случайных ударах, трясках, вибрациях. Для исключения этой опасности внутрь ЭВвстраивается защитный резистор и прибор включается в сеть через этот резистор. При повышении частоты до нескольких сотен герц защитный резистор во избежание дополнительной погрешности выключается. Номинальная область частот – 20 Гц. 10 МГц.

Расширение пределов измерения ЭВна переменном токе осуществляется включением последовательно с ЭВдобавочных конденсаторов или емкостных делителей. Применение делителей значительно снижает точность электростатических вольтметров. Источником погрешности является собственная емкость прибора на повышенных частотах. Электростатические вольтметры применяются в основном в качестве лабораторных вольтметров.

Источник

Тема: Методы и средства измерения переменных токов и напряжений средней и низкой частоты

Содержание.

1. Методы измерения 3

1.1 Метод непосредственной оценки 4

1.2 Метод сравнения 5

2. Средства измерения (Электромеханические амперметры и вольтметры) 5

2.1 Магнитоэлектрические приборы 8

2.2 Электромагнитные приборы 13

2.3 Электродинамические приборы 16

2.4 Ферродинамические приборы 18

2.5 Электростатические приборы 18

2.6 Термоэлектрические приборы 20

2.7 Выпрямительные приборы 21

Введение.

В эпоху научно-технической революции темпы развития науки и техники в значительной степени определяются научным и техническим уровнем измерения. В свою очередь уровень развития измерительной техники является одним из важнейших показателей прогресса науки и техники. Это особенно справедливо для электрорадиоизмерений, поскольку исследования в области физики, радиотехники, электроники, космонавтики, медицины, биологии и других отраслей человеческой деятельности базируются на измерениях электромагнитных величин.

Основными направлениями качественной стороны развития электрорадиоизмерительной техники являются:

    повышение точности измерения; автоматизация процессов измерения; повышение быстродействия и надежности измерительных приборов; уменьшение потребляемой мощности питания и габаритов всех средств измерительной техники.

Электрорадиоизмерения, как и другие измерения, основаны на метрологии.

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Перед измерением тока (напряжения) нужно иметь представление о его частоте, форме, ожидаемом значении, требуемой точности измерения и сопротивлении цепи, в которой производится измерение. Эти предварительные сведения позволят выбрать наиболее подходящий метод измерения и измерительный прибор.

Для измерения тока и напряжения применяют метод непосредственной оценки и метод сравнения.

Метод непосредственной оценки

Метод непосредственной оценки осуществляют с помощью прямопоказывающих приборов – амперметров и вольтметров со шкалами, градуированными в единицах измеряемой величины. Амперметр включают последовательно с нагрузкой (в разрыв цепи); вольтметр присоединяют параллельно участку цепи, падение напряжения на котором нужно измерить (рис.1). Включенный в цепь прибор оказывает на ее режим определенное влияние, для уменьшения которого необходимо строго выполнять следующие условия:

    внутреннее сопротивление амперметра RA должно быть много меньше сопротивления нагрузки Rн; внутреннее сопротивление вольтметра RV должно быть много больше сопротивления нагрузки Rн;

Невыполнение этих условий приводит к систематической методической погрешности, которая приблизительно совпадет со значениями отношений RA/RН и RН/RV. Условие RV > RН особенно трудно выполнить при измерении напряжения на участках (нагрузках) с большим сопротивлением в так называемых слаботочных цепях. Для этой цели применяют электронные вольтметры с входным сопротивлением до сотен мегаом.

С повышением частоты погрешность измерений тока увеличивается.

Метод сравнения обеспечивает более высокую точность измерения. Его осуществляют с помощью приборов – компенсаторов, отличающихся тем свойством, что в момент измерения мощность от измеряемой цепи не потребляется, т. е. входное сопротивление практически бесконечно. Это свойство позволяет применять компенсаторы для измерения ЭДС. Метод сравнения реализуется также в цифровых вольтметрах дискретного действия и аналоговых компенсационных вольтметрах, благодаря чему погрешность измерения составляет десятые, сотые и даже тысячные доли процента.

Электромеханические измерительные приборы относятся к приборам прямого преобразования, в которых электрическая измеряемая величина х непосредственно преобразуется в показания отсчетного устройства. Таким образом, любой электромеханический прибор состоит из следующих главных частей:

    неподвижной, соединенной с корпусом прибора; подвижной, механической или оптической связанной с отсчетным устройством.

Отсчетное устройство предназначено для наблюдения значений измеряемой величины. Оно состоит из шкалы и указателя, располагаемых на лицевой стороне прибора. Шкалой называется совокупность отметок (штрихов), расположенных в определенной последовательности, и проставленных у некоторых из них чисел отсчета, соответствующих ряду последовательных значений измеряемой величины. Шкалы могут быть равномерными и неравномерными (квадратичными, логарифмическими и др.). Расстояние между двумя соседними штрихами называется делением шкалы. Разность значений измеряемой величины, соответствующая двум соседним отметкам называется ценой деления.

Получить полный текст Подготовиться к ЕГЭ Найти работу Пройти курс Упражнения и тренировки для детей

Указатели делятся на стрелочные и оптические. Оптические указатели состоят из источника света, зеркальца, расположенного на подвижной части, и системы зеркал удлиняющих путь луча света и направляющих его на полупрозрачную шкалу. Оптические указатели обеспечивают большую чувствительность прибора и меньшую погрешность отсчета по сравнению со стрелочным.

Подвижная часть прибора снабжается осью или полуосями, которые оканчиваются запресованными в них стальными кернами. Последние опираются на корундовые или рубиновые подпятники (Рис.2,а). Трение керна о подпятник снижает чувствительность и точность прибора, поэтому подвижную часть устанавливают на растяжках или подвесах (Рис.2,б, в).

Электромеханический измерительный прибор содержит следующие узлы:

    узел, создающий вращающий момент; узел, создающий противодействующий момент; успокоитель

Электромагнитная энергия Wэм поступает от измеряемого объекта в узел, создающий вращающий момент, и вызывает поворот подвижной части прибора. Вращающий момент Мв можно выразить уравнением Лангранжа второго рода:

(1)

Под воздействием вращающего момента подвижная часть всегда будет поворачиваться до упора. Необходим противодействующий момент Мп, направленный навстречу вращающему моменту. Противодействующий момент можно получить за счет механических или электрический сил. В первом случае он создается с помощью плоских спиральных пружин или металлических нитей, закрепленных концами на неподвижной и подвижной частях прибора и закручивающихся при повороте подвижной части. Механический противодействующий момент прямо пропорционален углу поворота а:

, (2)

где W – удельный противодействующий момент, зависящий от свойств упругого элемента.

Во втором случае противодействующий момент создается за счет электромагнитной энергии измеряемой величины в соответствии с формулой .

Читайте также:  Разъем для подключения щупа для измерения силы тока до 20а

Движение подвижной части прибора прекращается в некотором положении а0 , когда вращающий и противодействующий моменты окажутся равными друг другу: Мв = Мп (Рис.3). Подставляя значение Мв и Мп из формул 1 и 2, можно получить выражение для угла поворота

подвижной части прибора в виде

(3)

Если противодействующий момент создается за счет электромагнитной энергии, движение прекращается в момент достижения равенства двух моментов М1 и М2 противоположного направления. В общем виде на основе формулы (1) выражения для моментов можно записать так: и , где х1 и х2 – электрические измеряемые величины.

Успокоитель предназначается для убыстрения процесса затухания колебаний подвижной части прибора, выведенной из равновесия. Момент успокоения

, (4)

где Р – коэффициент успокоения, зависящий от типа и конструкции успокоителя;

da/dt – угловая скорость перемещения подвижной части.

Наиболее распространены воздушные жидкостные и магнитоиндукционные успокоители (Рис.4), с помощью которых время успокоения сокращается до 3-4с. По принципу преобразования электромагнитной энергии в механическую приборы разделяются на несколько групп (систем). Основными системами являются: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая (ферродинамическая) и электростатическая.

Магнитоэлектрические приборы применяются в качестве амперметров, вольтметров и гальванометров для измерений в цепях постоянного тока, а в сочетании с преобразователями переменного тока в постоянный – и для измерений в цепях переменного тока.

Узел для создания вращающего момента состоит из сильного постоянного магнита и легкой подвижной катушки, по которой протекает измеряемый ток (Рис.5, а).

Обмотка подвижной катушки состоит из витков тонкого провода, поэтому магнитоэлектрический прибор можно применять непосредственно только в качестве микро — или миллиамперметра и милливольтметра.

Катушка в форме прямоугольной рамки помещена в кольцевом зазоре между полюсными наконечниками магнита и цилиндрическим сердечником, т. е. в радиальном магнитном поле. Принцип действия магнитоэлектрических приборов

заключается во взаимодействии поля постоянного магнита с проводником (катушкой), по которому протекает измеряемый ток. При этом возникает пара сил F (Рис.5, б), создающая вращающий момент. Энергия магнитоэлектрической системы является суммой энергии поля магнита Wп. м. , энергии катушки с током и энергии взаимодействия поля магнита и катушки с током ΨI, где Ψ — потокосцепление, численно равное произведению числа силовых магнитных линий, пересекаемых обеими сторонами катушки при ее повороте на угол а, на число витков n ее обмотки:

(5)

Получить полный текст Подготовиться к ЕГЭ Найти работу Пройти курс Упражнения и тренировки для детей

Здесь В – магнитная индукция в зазоре, Тл; s – площадь обеих сторон катушки, м2.

Таким образом, вся энергия, сосредоточенная в узле, вызывающем вращающий момент, равна

(6)

На основании формулы (1), дифференцируя выражение (6) по перемещению, получим уравнение вращающего момента

(7)

На основании формулы (2) отклонение подвижной части прибора подчинено следующей зависимости:

(8)

где Si = Bns/W – чувствительность прибора по току.

Формула (8) является уравнением шкалы прибора магнитоэлектрической системы. Из этого уравнения следует, что отклонение указателя пропорционально измеряемому току, шкала равномерна (линейна), при включении следует соблюдать полярность, так как прибор чувствителен к постоянному току. При включении прибора в цепь по которому протекает пульсирующий или импульсный ток, отклонение указателя будет пропорционально постоянной составляющей (среднему значению) этих токов; в цепи с током синусоидальной формы вследствии инерционности подвижной части показания будут равны нулю и лишь при частоте переменного тока ниже 10 Гц подвижная часть с указателем будет совершать колебательные движения.

Время установления показаний сокращается с помощью электромагнитного успокоения, возникающего за счет индуцированного тока в катушке, возбуждаемого при пересечении ею магнитного поля: I = e/RΣ , где е – индуцированная ЭДС, а RΣ – сумма сопротивлений подвижной катушки и внешней цепи, на которую она замкнута;

Находим момент электромагнитного успокоения

Коэффициент успокоения в соответствии с формулой (4)

(9)

Для увеличения коэффициента успокоения нужно уменьшиь общее сопротивление, что не всегда возможно. Выход состоит в том, что катушка наматывается на алюминиевом каркасе, в котором индуцируется ЭДС; тогда формула (9) примет вид:

,

где Rk – электрическое сопротивление каркаса.

Если катушку утяжелять нежелательно, то она выполняется бескаркасной (витки склеиваются), а для получения индуцированной ЭДС наматывают дополнительный короткозамкнутый виток.

Имеются конструкции магнитоэлектрических приборов с неподвижной катушкой и подвижным магнитом на одной оси с указателем (рис. 5,в ).

К достоинствам магнитоэлектрических приборов относятся: высокая чувствительность (до 3*10-11 А); высокая точность (до класса 0,05); малое потребление мощности от измеряемой цепи (10-5 – 10-6 Вт); влияющая величина –температура окружающей среды.

Недостатки: сложность изготовления и ремонта; недопустимость даже кратковременных перегрузок (деформируются или перегорают токоподводящие пружинки, нити растяжек и подвесов).

Амперметры. Для измерения токов параллельно зажимам прибора присоединяется электрический шунт представляющий собой прямоугольную манганиновую пластину. Для измерения токов выше 50 А применяют наружние шунты. Переносные приборы снабжаются внутренними многопредельными шунтами или наружными наборами шунтов на несколько номинальных токов. Выбор шунта для данного прибора зависит от заданного расширения пределов измерения m = I/IA и внутреннего сопротивления прибора (сопротивления его катушки) RA. Для электрической цепи, приведенной на рис.6, а, справедливы следующие равенства: IaRa=IшRш; I=mIa; Iш=I-Ia. Отсюда находим сопротивление шунта: Rш=RаIa/Iш=RaIa/(mIa-Ia)=Ra/(m-1). Через катушку прибора будет протекать (1/m)-я часть измеряемого тока, а через шунт – в (m-1) раз больше.

Погрешность шунтированного амперметра возрастает вследствие неточности изготовления шунтов (от 0,005 до 0,5%) и различных температурных коэффициентов сопротивления катушки и шунта.

Вольтметры. При параллельном подключении магнитоэлектрического прибора к участку электрической цепи можно измерить напряжение. В этом случае уравнение (8) примет вид:

, (10)

где Su – чувствительность вольтметра по напряжению; Rv – сопротивление проводов катушки.

Сопротивление обмотки катушки мало и для измерения больших напряжений последовательно ей включают добавочные резисторы с сопротивлением Rд. Пусть задано расширить предел измерений в m=U/Uv раз. Для электрической цепи представленной на рис. 6, б, можно написать: URд/Rд=Uv/Rv, откуда Rд=RvURд/Uv=Rv(m-1). Значит на катушке прибора падение напряжения составит (1/m)-ю часть измеряемого напряжения, а на добавочном резисторе в (m-1) раз больше. В формуле (10) вместо Rv нужно подставить Rv+Rд.

Гальванометры. Особо чувствительные магнитоэлектрические приборы для измерения токов, напряжений и количества электричества. Гальванометры часто используют в качестве нулевых индикаторов, показывающих отсутствие тока в цепи. Для этого выпускаются гальванометры с двухсторонней шкалой, т. е. с нулевой отметкой посередине.

Гальванометры разделяются на переносные и стационарные. Подвижная катушка у переносных гальванометров крепится на растяжках; внутреннее отсчетное устройство снабжено оптическим указателем. Стационарные (зеркальные) гальванометры выполняют с подвесом рамки (катушки) и внешней шкалой, на которую падает луч света, отраженный от зеркальца (Рис.2,в). Легкая катушка и малый удельный противодействующий момент создает условия для возникновения механических затухающих колебаний подвижной части гальванометра (Рис.7, кривая 1). Для убыстрения затухания колебаний применяют электромагнитное успокоение. Коэффициент успокоения (9)

,

где Rг – сопротивление проводов рамки гальванометра; Rн – сопротивление наружного резистора (цепи), на который замкнута рамка.

Зная, что P=f(Rг+Rн); изменяя наружное сопротивление, можно изменять коэффициент успокоения и интервал времени успокоения. Положим, что при некотором P=Pкр наступает критический режим, при котором в течении минимального интервала времени tу наступает успокоение. Введем понятие степени успокоения β :

,

где Rн. кр – некоторое значение наружного сопротивления, при котором возникает критический режим.

В критическом режиме βкр = 1 и процесс установления характеризуется кривой 3 на рис.7. Если βкр > 1, режим апериодический (кривая 2), если βкр

Источник