Электрические измерения. Электрические измерения 12. 1 Значение электрических измерений

• Название: Электрические измерения 12. 1 Значение электрических измерений
• Анкор: Электрические измерения.doc
• Дата: 23.05.2018
• Размер: 0.69 Mb.
• Имя файла: Электрические измерения.doc
• Тип: Документы; #19564
• страница: 3 из 6

Электродинамическая система. В электродинамических измерительных механизмах для создания вращающего момента используется принцип взаимодействия проводников с токами: два параллельных проводника с одинаково направленными токами взаимно притягиваются, с противоположно направленными токами — взаимно отталкиваются. Измерительный механизм этой системы состоит в основном из неподвижной 1 и подвижной 2катушек (рис. 12.16). Противодействующий момент создают специальные пружины 3, которые вместе с тем служат для подвода тока в подвижную катушку. Последняя под действием электромагнитных сил стремится занять такое положение, при котором направление ее магнитного поля совпадает с направлением поля неподвижной катушки.

Вращающий момент электродинамического измерительного механизма определяется так же, как у электромагнитного механизма: М_вр= dW_м/dа. В электродинамическом механизме энергия магнитного поля изменяется вследствие поворота подвижной катушки, т. е. изменения взаимной индуктивности М катушек. Энергия совместного магнитного поля двух катушек (2.80)



где I₁ — ток подвижной катушки, I₂ — ток неподвижной катушки. Поэтому вращающий момент



На характер зависимости взаимной индуктивности М от положения подвижной катушки можно воздействовать изменениями формы катушек, иx начального положения и т. д.

Так как в приборе две катушки, то можно существенно расширить область применения этого механизма. В зависимости от назначения прибора изменяется и характер его шкалы.

В вольтметре обе катушки с большими числами витков обычно соединяются последовательно между собой (рис. 12.17, а) и последовательно с добавочным резистором, имеющим сопротивление r_д. Таким образом, в электродинамическом вольтметре



где U— измеряемое напряжение; r_v = r_к+ r_д— общее сопротивление измерительной цепи вольтметра, равное сумме сопротивлений двух катушек r_ки добавочного резистора r_д.

Подставив выражения токов I₁ иI₂ в (12.3), получим:



Следовательно, квадратичный характер шкалы вольтметра можно исправлять посредством воздействия на зависимость М = f (α). В начале шкалы ее деления неизбежно сильно сжаты по тем же причинам, что и у шкалы приборов с электромагнитным механизмом.

В электродинамических амперметрах на токи до 0,5 А подвижная и неподвижная катушки также соединяются последовательно. При большем значении измеряемого тока / подвижная и неподвижная катушки соединяются параллельно (рис. 12.17, б). В этом случае ток подвижной катушки составляет только часть тока неподвижной, т. е. I₁ = k₁1₂, при этом I₂ = k₂1. Следовательно,



т. е. вращающий момент у амперметра — квадратичная функция тока, как у вольтметра — квадратичная функция напряжения.

В ваттметре (рис. 12.17, в) ток в неподвижной катушке равен току в контролируемой установке, т. е. I₂ =I. К цепи подвижной катушки приложено напряжение этой установки, т. е. I₁ = U/r_v, где r_v — общее сопротивление цепи напряжения (параллельной цепи) ваттметра.

Подставив в выражение (12.3) значения токов катушек, получим:



где UI = Р — мощность контролируемой установки.

Следовательно (в отличие от вольтметра и амперметра), вращающий момент ваттметра пропорционален значению измеряемой мощности. Чтобы шкала ваттметра была равномерной, нужно лишь выполнить условие М = k_ма, где k_м— постоянная, и в этом случае dМ/dа = = const. Практически при конструировании ваттметра выполнения этого условия добиваются относительно легко, так что большинство ваттметров имеет равномерную шкалу.

Выражение (12.5) получено для постоянного тока. При переменном токе вследствие инерции подвижной части ее отклонение определяется средним значением момента за период:



где р — мгновенное значение мощности, а



— активная мощность цепи переменного тока. Следовательно, при переменном токе среднее значение вращающего момента ваттметра



т. е. аналогично выражению вращающего момента ваттметра в цепи постоянного тока (12.5).

Таким образом, электродинамические приборы пригодны для измерений в цепях как постоянного, так и переменного токов, причем в обоих случаях шкала у приборов одна и та же.

В электродинамическом приборе измеряемые токи возбуждают магнитное поле в воздухе, и оно относительно слабое. Поэтому для получения достаточного вращающего момента нужны катушки измерительного механизма с большими числами витков и собственное потребление энергии прибором относительно велико. Из-за слабого магнитного поля прибор чувствителен к внешним магнитным влияниям («магнитобоязнь»); для защиты от этих влияний приборы имеют экраны. Так как есть ток в подвижной части и условия охлаждения плохие (теплоотдача через слой воздуха), то электродинамические механизмы не допускают сколько-нибудь значительной перегрузки (в особенности амперметры). Наконец, приборы этой системы дорогие. Однако благодаря отсутствию в магнитном поле ферромагнитных сердечников — нелинейных элементов — точность электродинамического прибора может быть высокой, класса 0,2 и даже 0,1.

Достоинства и недостатки электродинамических механизмов определяют область их применения — лабораторные и контрольные измерения в цепях переменного тока, главным образом измерения мощности. В большинстве случаев переносные ваттметры изготовляются электродинамической системы.

Недостатки электродинамических механизмов — чувствительность к внешним магнитным влияниям, малые вращающий момент и устойчивость к перегрузкам — могут быть устранены применением ферромагнитных сердечников. В простейшем случае это может быть цилиндрический сердечник для подвижной катушки, подобный сердечнику в измерительном механизме магнитоэлектрической системы приборов (см. рис. 12.10). Однако применение ферромагнитных сердечников существенно уменьшает точность прибора вследствие влияния гистерезиса и вихревых токов. По этим причинам электродинамические приборы с ферромагнитными сердечниками — ферродинамические приборы — для точных измерений малопригодны. Они применяются главным образом в качестве щитовых ваттметров и самопишущих приборов.

Индукционная система. Индукционная измерительная система основана на использовании вращающегося магнитного поля. Если синусоидальные токи в двух катушках, определенным образом ориентированных в пространстве, не совпадают по фазе, то в части пространства результирующее магнитное поле этих двух катушек будет вращающимся вокруг некоторой оси. Если на этой оси находится тело из материала с малым удельным сопротивлением, то в нем возникнут вихревые токи. Взаимодействие вихревых токов с вращающимся магнитным полем создает вращающий момент, под действием которого тело придет в движение.

В индукционном измерительном механизме вращающий момент создается воздействием результирующего магнитного поля двух электромагнитов переменного тока на подвижную часть — алюминиевый диск, в котором это поле индуктирует вихревые токи. Электромагниты возбуждаются измеряемыми переменными токами. Поэтому значение вращающего момента зависит от значений токов в обоих электромагнитах и угла сдвига фаз между ними. Это ценное свойство индукционного измерительного механизма положено в основу построения приборов для измерения мощности и энергии в цепях переменного тока.

В течение многих лет индукционный ваттметр был в СССР основным типом щитового ваттметра: вскоре после Отечественной войны его сняли с производства и заменили более точным ферродинамическим ваттметром. Но для счетчиков энергии переменного тока промышленной частоты применяются только индукционные измерительные механизмы, теория которых рассмотрена далее (см. § 12.9).

Прочие системы. В измерительных механизмах Приборов электростатической системы вращающий момент создается электростатическими силами взаимодействия заряженных электродов.

Среди приборов этой системы наиболее распространен вольтметр. Под действием измеряемого напряжения заряжаются системы подвижных 1 и неподвижных 2 пластин прибора (рис. 12.18). Возникающие при этом электростатические силы притяжения создают вращающий момент. Противодействующий момент создается пружиной.

Изменение полярности напряжения не изменяет направления действия вращающего момента, следовательно, электростатический вольтметр пригоден для измерения постоянного и переменного напряжений. В ряде случаев весьма существенным преимуществом прибора является то, что он практически не потребляет энергии. Однако при небольших напряжениях вращающий момент весьма мал, приходится увеличивать число пластин и вместо установки на кернах подвешивать подвижную часть на нити.

Электростатические вольтметры применяются преимущественно в лабораториях для измерений в цепях малой мощности и при непосредственных измерениях высоких напряжений.

Приборы тепловой системы основаны на использовании для отклонения подвижной части удлинения металлической нити, нагреваемой измеряемым током. К достоинствам этих приборов относится независимость показаний от частоты и формы кривой переменного тока. Однако теми же достоинствами обладают и термоэлектрические приборы. Кроме того, тепловые приборы неустойчивы к перегрузкам, неточны вследствие чувствительности к температурным влияниям и их потребление энергии относительно велико. По всем этим причинам тепловые приборы применяются редко — лишь для измерения токов высокой частоты.

Прочие системы приборов применяются для измерения немногих величин (например, вибрационный принцип для измерения частоты) и будут частично описаны ниже.

Выбор системы прибора зависит от предъявляемых метрологических, эксплуатационных и производственных требований. Если по условиям эксплуатации для измерения переменных токов и напряжений нужны устойчивые к перегрузкам и дешевые приборы, то выбирается электромагнитная система. Если требуются точные приборы, то следует иметь в виду, что классы точности 0,1 и 0,2 при постоянном токе обеспечивают лишь магнитоэлектрические приборы, а при переменном токе — класс 0,2 — электродинамические. Электромагнитные приборы, снабженные сердечником из пермаллоя, могут обеспечить класс 0,5, (0,2 при установке на растяжках), ферродинамические приборы имеют точность не выше класса 1,0, а выпрямительные — класса 1,5. Для измерения мощности применяются приборы электродинамической и ферродинамической систем.

При повышенных частотах (до 1000 Гц) могут применяться электродинамические, электромагнитные с сердечниками из пермаллоя и ферродинамические приборы; при частотах до 10—20 кГц — выпрямительные приборы; наконец, при более высоких частотах (до нескольких мегагерц) — термоэлектрические приборы.
12.8. ЛОГОМЕТРЫ
Отклонение подвижной части у большинства электроизмерительных механизмов зависит от значений токов в их катушках. Но в тех случаях, когда механизм должен служить для измерения величины (сопротивления, индуктивности, емкости, сдвига фаз, частоты и т. д.), не являющейся прямой функцией тока, необходимо сделать результирующий вращающий момент зависящим от величины, подлежащей измерению, и не зависящим от напряжения источника питания.

Для таких измерений применяют механизм, отклонение подвижной части которого определяется только отношением токов в двух его катушках и не зависит от их значений. Приборы, построенные по этому общему принципу, называются логометрами (по-гречески «логос» —отношение). Могут быть построены логометрические механизмы любой электроизмерительной системы с характерной особенностью отсутствием механического противодействующего момента, создаваемого закручи­ванием пружин или растяжек.

В качестве простого примера рассмотрим работу магнитоэлектрического логометра с эллипсовидным сечением сердечника.

Подвижная часть такого механизма отличается от обычного механизма с механическим противодействующим моментом тем, что она состоит из двух катушек 1 и 2(рис. 12.19, а), укрепленных на общей оси и жестко скрепленных между собой под некоторым углом. Токи в эти катушки подводятся через три мягкие серебряные спирали, не создающие при закручивании механического момента (одна из спиралей — общая для цепей токов обеих катушек). Если подвижная часть прибора достаточно хорошо уравновешена, то при отсутствии токов она находится в состоянии безразличного равновесия — стрелка указателя может быть на любом делении шкалы прибора.

Если в цепях обеих катушек есть токи I1и I2, то на .подвижную часть действуют два вращающих момента, противоположных по направлению и создаваемых воздействием поля постоянного магнита с индукциями В1 и В₂на токи в катушках (.12.2):




и

где ω₁ и ω₂ — числа витков катушек; S — их одинаковая площадь поперечного сечения.

Предположим, что М_вр1> М_вр2Под действием большего вращающего момента подвижная часть поворачивается, но при этом первая катушка, на которую действует больший вращающий момент, перемещается в более слабое магнитное поле (с меньшим значением индукции В₁из-за большего воздушного зазора в магнитопроводе).

Одновременно вторая катушка, на которую действует меньший вращающий момент, перемещается в область более сильного магнитного поля (воздушный зазор в магнитопроводе меньше и индукция В₂ больше). Таким.образом, по мере поворота подвижной части больший вращающий момент убывает, а меньший возрастает. Следовательно, при некотором определенном положении подвижной части должно установиться равновесие моментов: М_вр1= М_вр2

На схеме (рис. 12.19, 6) показано включение логометра для измерения сопротивлений. Здесь Е — ЭДС источника; r₁ — постоянное сопротивление цепи первой катушки; r₂— постоянная часть сопротивления цепи второй катушки; r _х— сопротивление измеряемого объекта, находящегося вне прибора. Токи в катушках



и при равенстве вращающих моментов (установившееся отклонение подвижной части)




или

Отношение В₂/В₁определяется конструкцией магнитной цепи прибора и зависит от угла а — положения подвижной части. Следовательно, каждому значению измеряемого сопротивления r_хсоответствует определенное положение подвижной части логометра, которое не зависит от ЭДС Е.

В действительности неизбежно действует и некоторый механический момент — от неполной уравновешенности подвижной части и от закручивания токоподводящих спиралек.

Будем считать, что вращающие моменты обеих катушек пропорциональны на пряжению, причем один из них является некоторой функцией измеряемой величины х и оба момента зависят от угла а положения подвижной части, но эта зависимость различная: f₁ (α) и f₂(α). Таким образом,



Уравнение равновесия моментов с учетом механического момента;
или

Следовательно, из-за наличия механического момента показания логометрического механизма зависят от напряжения II, причем это влияние тем больше, чем меньше напряжение. На шкале логометрического прибора указываются низший'и высший пределы рабочего напряжения; низший определяется условиями механических влияний, а высший — условиями нагревания измерительных цепей прибора.

В ряде случаев нежелательно безразличное положение подвижной части логометра, так как это может привести к ложному отсчету показания прибора при выключенном источнике питания. Например, на самолете логометр может служить уровнемером бензина в баке и при отключении источника питания показания такого бензиномера могли бы ввести в заблуждение летчика. Чтобы предупредить подобный ложный отсчет, конструкцией логометра предусматривается удаление стрелки за пределы шкалы. Простейшим способом такого удаления стрелки является использование небольшого механического момента, создаваемого неполной уравновешенностью подвижной части.