Конспект по дисциплине метрология БГУИР. Метрология и измерения Содержание
 Скачать 5.83 Mb.
|
Амперметры. В электродинамических амперметрах используются последовательное и параллельное включения подвижной 2 и неподвижной 1 катушек. Последовательное включение катушек (рисунок 2.7,а) применяется в амперметрах, предназначенных для измерения малых (до 0,5 А) токов. В этом случае токи I1 и I2в неподвижной и подвижной катушках равны между собой и фазовый сдвиг между ними равен нулю, т.е. cos = 1. Выражение для уравнения шкалы для такого амперметра запишется следующим образом:  . (2.2)Шкала прибора в принципе является квадратичной, однако путем соответствующего выбора формы, размеров и взаимного расположения катушек можно добиться такого закона изменения взаимной индуктивности М1,2 при изменении угла поворота подвижной части α, что на участке шкалы начиная с 15 – 20 %от ее верхнего предела она будет иметь практически линейный характер. 
Рисунок 2.7 – Амперметры на основе электродинамических преобразователей Ваттметры. В электродинамических ваттметрах подвижная и неподвижная катушки включаются независимо друг от друга (рисунок 2.8). 
Рисунок 2.8 – Ваттметры на основе электродинамического преобразователя Фазометры. Электродинамические фазометры создаются на базе логометрического преобразователя. Электрическая схема фазометра показана на рисунке 2.9,а. Неподвижная катушка 5-6 преобразователя образует последовательную (токовую) цепь прибора. Подвижные катушки 1-2 и 3-4 образуют параллельную цепь. Последовательно с подвижной катушкой 3-4 включен резистор R1, имеющего активное сопротивление, а последовательно с катушкой 1-2 - комплексное индуктивное сопротивление, образованное резистором R и индуктивностью L . При такой схеме включения фазометра и индуктивном характере нагрузки ZH векторная диаграмма фазометра будет соответствовать рисунку 2.9,б. 
Рисунок 2.9 – Фазометр на основе электродинамического преобразователя Электродинамические фазометры позволяют измерять фазовые сдвиги в пределах от 0 до 180° (чаще градуируются от плюс 90 до минус 90° с нулем в середине шкалы). Промышленностью выпускаются фазометры с классами точности до 0,1. Достаточно высокая точность их обеспечивается благодаря достоинствам, присущим электродинамическим преобразователям. Основными недостатками рассмотренных фазометров является то, что они могут работать на фиксированных частотах и напряжениях. Изменение напряжения U требует изменения элементов схемы фазометра R и R1 (для выполнения условия I1 = I2), а значит, и характер шкалы прибора при этом изменится. Изменение частоты также приводит к изменению характера шкалы из-за изменения реактивного сопротивления цепи катушки 1-2, а значит, и соотношения токов I1 и I2. 2.2.3 Электромагнитные измерительные приборы Отличительной особенностью электромагнитных приборов, обусловливающей их широкое применение для измерений в цепях переменного и постоянного токов в качестве щитовых амперметров и вольтметров, являются их высокие эксплуатационные качества: простота конструкции, низкая стоимость, высокая надежность, устойчивость к электрическим перегрузкам, широкий диапазон измеряемых величин. Основным недостатком этих приборов является невысокая точность (отечественные электромагнитные приборы выпускаются с классами точности до 0,5). Все электромагнитные приборы в зависимости от конструктивного исполнения и характера движения их подвижной части могут быть разделены на резонансные и нерезонансные. Каждая из этих групп приборов в свою очередь делится на две подгруппы: поляризованные и неполяризованные (в поляризованных приборах кроме намагничивающей катушки используются постоянные магниты). Так как резонансные электромагнитные приборы в настоящее время используются очень редко, то в настоящем пособии они не рассматриваются. Здесь рассмотрены лишь неполяризованные нерезонансные электромагнитные преобразователи, наиболее широко применяемые в электроизмерительной технике. Основу этих приборов составляют электромагнитные измерительные механизмы, отличающиеся как по конструктивному исполнению, так и по своим свойствам и параметрам. Принцип действия всех электромагнитных преобразователей основан на взаимодействии магнитного поля тока, протекающего в катушке, с ферромагнитным сердечником. Электромагнитные ИП могут быть выполнены так, что в результате взаимодействия магнитного поля катушки с током и ферромагнитного сердечника последний будет намагничиваться одноименно с другим неподвижным сердечником и отталкиваться от него (так называемые преобразователи отталкивающего действия), или же таким образом, что в результате воздействия магнитного поля катушки с током на ферромагнитный сердечник он будет втягиваться в магнитное поле катушки (преобразователь втяжного действия). Все конструктивные разновидности электромагнитных ИП можно свести к двум основным типам (рисунок 2.10).  
Рисунок 2.10 – Электромагнитные измерительные преобразователи Преобразователи с плоской катушкой (рисунок 2.10,а) состоят из катушки 2, в магнитном поле которой находится ферромагнитный сердечник 1 в форме усеченного диска или язычка, эксцентрически закрепленный на оси подвижной части. При протекании по катушке тока ферромагнитный сердечник втягивается в магнитный зазор катушки, поворачивая при этом ось 3 с закрепленным на ней успокоителем 4 и стрелку 5 в сторону увеличения показаний. Регулировка угла отклонения подвижной части осуществляется с помощью магнитного шунта 6. Преобразователи с плоской катушкой менее технологичны в изготовлении, чем механизмы с круглой катушкой, однако они обладают повышенной чувствительностью, меньшими габаритами и массой. Преобразователи с круглой катушкой (рисунок 2.10,б) состоят из катушки 1, подвижного 2 и неподвижного 3 ферромагнитных сердечников, форма которых определяется необходимостью получения требуемого характера шкалы преобразователя. При протекании по катушке тока подвижный и неподвижный сердечники намагничиваются одноименно. Подвижный сердечник отталкивается от неподвижного, поворачиваясь вместе с осью 4 и закрепленной на ней стрелкой 6. Причем сила отталкивания оказывается прямо пропорциональной значению тока, протекающего по катушке. Противодействующий момент создается с помощью спиральной пружины 5. Успокоение подвижной части осуществляется воздушным (крыльчатым) успокоителем, состоящим из закрытой камеры 7 и легкого алюминиевого крыла 8, жестко связанного с осью 4 подвижной части. Достоинством таких преобразователей является их простота, высокая технологичность изготовления и возможность получения требуемого характера шкалы (за счет выбора формы сердечников. Конструктивно сердечники могут быть цилиндрическими, призматическими или иметь другую форму). Чувствительность таких преобразователей оказывается ниже, чем у преобразователей с плоской катушкой. Из проведенного рассмотрения можно сделать некоторые выводы о свойствах, достоинствах и недостатках электромагнитных преобразователей: - электромагнитные преобразователи могут применяться для измерений в цепях как постоянного, так и переменного токов, так как направление отклонения подвижной части не зависит от направления тока в обмотке. При применении их для измерений в цепях переменного тока они измеряют среднеквадратические значения тока или напряжения; - точность электромагнитных преобразователей сравнительно невысокая вследствие влияния потерь в сердечниках (на гистерезис и вихревые токи), внешних магнитных полей, температуры окружающей среды и частоты измеряемых электрических величин; - чувствительность электромагнитных преобразователей за исключением преобразователей с замкнутым магнитопроводом невысока, следовательно, собственное потребление мощности от источников преобразуемых сигналов у них довольно значительное; - функция преобразования электромагнитных преобразователей по своему характеру является квадратичной, однако соответствующим выбором формы и местом расположения сердечника, т.е. закона изменения индуктивности при изменении угла поворота подвижной части, можно получить практически равномерную шкалу на участке от 20 до 100 % от ее верхнего предела; - электромагнитные преобразователи наиболее просты по своей конструкции, имеют низкую стоимость и надежны в работе; - электромагнитные преобразователи способны выдерживать длительные электрические перегрузки, так как токоподводящими элементами у них являются медные проводники соответствующего сечения, а не упругие элементы, создающие противодействующий момент МПР и первыми выходящие из строя при перегрузках в преобразователях других групп; - диапазон рабочих частот для электромагнитных преобразователей ограничен сверху частотами порядка нескольких десятков килогерц из-за возникновения большой частотной погрешности на высоких частотах вследствие влияния вихревых токов в сердечнике и других металлических деталей преобразователя, а также вследствие изменения индуктивного сопротивления катушки при изменении частоты. Для уменьшения дополнительных частотных погрешностей сердечники и магнитопроводы электромагнитных преобразователей выполняются из магнитомягких материалов с высоким удельным сопротивлением (пермаллоев). Существуют также электромагнитные логометрические преобразователи, которые применяются в фазометрах, частотомерах, фарадометрах и т.п. Их основные свойства аналогичны свойствам преобразователей с механическим противодействующим моментом. Электромагнитные приборы находят широкое применение в практике электрических измерений главным образом в виде различных щитовых и лабораторных амперметров и вольтметров переменного тока. Кроме того, на базе логометрических преобразователей создаются фазометры, частотомеры и фарадометры. Амперметры. Электромагнитные амперметры образуются путем непосредственного последовательного включения преобразователя в цепь измеряемого тока. Они используются для измерения сравнительно небольших токов, так как при больших токах сильное влияние на показания приборов оказывают магнитные поля токопроводящих проходов. Щитовые амперметры, как правило, изготавливаются однопредельными. Лабораторные приборы могут иметь несколько пределов измерений, которые изменяются путей секционирования обмотки катушки и включения секций последовательно или параллельно. Для расширения пределов измерения амперметров на большие токи используются измерительные трансформаторы тока. Вольтметры. Вольтметры образуются путем последовательного включения электромагнитного преобразователя и добавочного резистора RД. При этом для уменьшения температурной погрешности из-за изменения сопротивления цепи протекания измеряемого тока отношение сопротивления добавочного резистора RД, выполняемого обычно из манганина, к сопротивлению медного провода катушки не должно быть меньше определенного значения, задаваемого допустимой температурной погрешностью. Поэтому в вольтметрах, предназначенных для измерения малых напряжений, приходится уменьшать сопротивление катушки за счет уменьшения числа ее витков, что ведет к снижению чувствительности приборов. Для избежания этого, расширение пределов измерения вольтметров в сторону малых напряжений осуществляется, как правило, не за счет изменения RД, апутем секционирования катушек и перехода с последовательного включения секций на параллельное. Расширение пределов измерений в сторону больших напряжений осуществляется до 600 В с помощью добавочных резисторов, а на более высокие напряжения - с помощью измерительных трансформаторов напряжения. Из-за различного характера частотной зависимости добавочного сопротивления RД и сопротивления катушки у вольтметров могут появляться дополнительные (по сравнению с амперметрами) частотные погрешности. Электромагнитные фазометры, частотомеры и фарадометры на базе логометрических преобразователей сколько-нибудь широкого применения в электроизмерительной технике не получили и поэтому в данном пособии не рассматриваются. 2.2.4 Электростатические измерительные приборы Электростатические приборы обладают целым рядом отличительных особенностей, обусловливающих их значительные преимущества по сравнению с приборами других систем. Это, прежде всего, малое собственное потребление мощности от источника измеряемого напряжения, сравнительно высокая точность, возможность использования их в широком диапазоне частот (от 20 Гц до 35 МГц), незначительная зависимость показаний от частоты и формы кривой измеряемых напряжений, возможность использования для непосредственного измерения (без применения измерительных трансформаторов напряжения) высоких напряжений (до 300 кВ), независимость показаний от внешних магнитных полей и др. К основным недостаткам этих приборов относятся: сильная зависимость показаний от внешних электрических полей, малое значение вращающего момента и низкая чувствительность, неравномерная шкала и др. Основу всех электростатических приборов составляют электростатические измерительные механизмы. Принцип действия электростатических преобразователей основан на взаимодействии электрических полей двух тел (систем пластин), заряженных разноименными зарядами. В результате такого взаимодействия одна из систем, являющаяся подвижной, перемещается относительно неподвижной системы пластин, вызывая при этом отклонение стрелки отсчетного устройства, связанной с подвижной частью преобразователя, в сторону возрастающих показаний. Перемещение подвижной части преобразователя относительно неподвижной вызывает изменение емкости между ними. Конструктивно подвижная и неподвижная части ИМ выполняются в виде пластин. Все существующие электростатические преобразователи можно разделить на два вида: преобразователи, у которых изменение емкости достигается за счет изменения активной площади взаимодействующие пластин (рисунок 2.11,a), и преобразователи, у которых емкость изменяется за счет изменения расстояния между пластинами (рисунок 2.11,б).  
Рисунок 2.11 – Электростатические измерительные преобразователи Преобразователи первого вида применяются в вольтметрах, предназначенных для измерения низких напряжений, второго вида - в киловольтметрах. Подвижная часть преобразователя с изменяющейся активной площадью пластин (см. рисунок 2.11,а) состоит из одной или нескольких тонких алюминиевых пластин 2, закрепленных на оси 3. Неподвижная часть образуется одной или несколькими камерами 1, состоящими из металлических пластин с воздушным зазором между ними. Увеличение числа камер и лучей у подвижных пластин приводит к повышению чувствительности преобразователя. Форма подвижных и неподвижных пластин выбирается или рассчитывается исходя из необходимости обеспечения равномерного характера шкалы прибора. При подаче на подвижные и неподвижные пластины измеряемого напряжения они окажутся заряженными разноименными зарядами и между ними возникнут силы электростатического притяжения, в результате действия которых подвижные пластины будут поворачиваться, стремясь зайти внутрь камер. Вместе с подвижными пластинами будет поворачиваться и ось 3 с закрепленной на ней стрелкой отсчетного устройства. При этом будут закручиваться упругие элементы, создающие противодействующий момент. Подвижная часть остановится при равенстве вращающего и противодействующего моментов. Значение измеряемого напряжения будет определяться углом отклонения стрелки относительно начала шкалы. Для успокоения подвижной части в электростатических преобразователях используются магнитоиндукционные или крыльчатые, воздушные успокоители. Вследствие того, что вращающий момент у электростатических преобразователей мал, для увеличения их чувствительности применяют крепление подвижней части на растяжках и световой отсчет. При этом уменьшаются масса и момент инерции подвижной части и улучшается характер шкалы. У электростатических преобразователей с изменяющимся расстоянием между пластинами (рисунок 2.11,б) неподвижная часть образована двумя пластинами 1, между которыми находится подвешенная на тонких неупругих металлических подвесах 2 подвижная пластина 3, гальванически соединенная с одной из неподвижных пластин и изолированная от другой. При подаче на подвижную и изолированную неподвижную пластины измеряемого напряжения подвижная пластина будет притягиваться к разноименно заряженной изолированной неподвижной пластине и одновременно отталкиваться от одноименно заряженной неподвижной пластины (независимо от полярности подключения измеряемого напряжения). Через тягу 7 и мостик 4 перемещение подвижной пластины вызывает поворот оси 6 с закрепленной на ней стрелкой 5. При этом возникает противодействующий момент, создаваемый массой подвижной пластины. Установившееся показание стрелки будет при равенстве вращающего и противодействующего моментов. Вольтметры с такими преобразователями требуют первоначальной установки в такое положение, при котором стрелка будет находиться на нулевой отметке (при отсутствии измеряемого напряжения). Из вышесказанного можно сделать некоторые выводы о свойствах, достоинствах и недостатках электростатических преобразователей и приборов на их основе: - электростатические преобразователи могут непосредственно измерять только напряжение; - электростатические преобразователи могут применяться для измерений напряжений постоянного и переменного токов; - вращающий момент в электростатических преобразователях сравнительно мал, и они обладают низкой чувствительностью по напряжению; - точность электростатических преобразователей может быть достаточно высокой, так как на их показания незначительно влияют частота и форма кривой измеряемого напряжения, внешние магнитные поля и температура окружающей среды. Электростатические вольтметры могут изготавливаться с классами точности до 0,05; - собственное потребление мощности из измерительной цепи для электростатических преобразователей мало, так как при измерениях в цепях постоянного тока оно обусловлено лишь кратковременным током заряда и незначительными токами утечки через изоляцию, а на переменном токе определяется током, протекающим через малую емкость преобразователя и диэлектрическими потерями в изоляции; - функция преобразования электростатических преобразователей по своему характеру является квадратичной, однако соответствующим выбором формы пластин, т.е. закона изменения емкости при изменении угла поворота, можно получить практически равномерную шкалу на участке от 20 до 100 % от ее верхнего предела; - электростатические преобразователи сильно подвержены влиянию внешних электрических полей и требуют их экранировки; - электростатические преобразователи могут работать в широком частотном диапазоне (до 35 МГц), который ограничивается влиянием собственной емкости преобразователя, паразитных реактивностей и активного сопротивления проводов и растяжек; - с помощью электростатических вольтметров можно непосредственно измерять высокие напряжения (до 300 кВ); - электростатические преобразователи могут использоваться для измерения кроме напряжения и других электрических величин: мощности, сопротивления и индуктивности. Электростатические вольтметры и электрометры Электростатические приборы наиболее широко используются в электроизмерительной технике в виде различных вольтметров. Кроме того, для измерения напряжения и других функционально связанных с ним величин (мощность, сопротивление и т.п.) используются так называемые электрометры электростатической системы. Для измерения низких напряжений (от десятков до сотен вольт) используются преимущественно вольтметры, созданные на базе ИП с изменяющейся активной площадью пластин (см. рисунок 2.11,а). При этом для обеспечения достаточной чувствительности расстояние между подвижными и неподвижными пластинами делается очень малым (десятые доли миллиметра) и при случайных ударах, толчках, вибрации и т.д. возникает опасность короткого замыкания пластин, а значит и источника измеряемого напряжения. Для предохранения преобразователя от выхода из строя вследствие протекания через него больших токов при коротком замыкании внутрь низковольтных вольтметров встраивается защитный резистор, ограничивающий эти токи (рисунок 2.12). Значение защитного сопротивления определяется исходя из допустимого тока через растяжки, на которых крепится подвижная часть, при коротком замыкании пластин. Вольтметр при этом подключается к источнику измеряемого напряжения с помощью зажимов 1 и 2. При частотах измеряемого переменного напряжения порядка сотен килогерц защитный резистор вызывает большие дополнительные частотные погрешности за счет емкостного тока, поэтому он отключается и вольтметр включается в электрическую цепь зажимами 1 и Э (экран). В вольтметрах, рассчитанных на измерение более высоких напряжений, расстояния между пластинами достаточно велики и защитные резисторы не используются. При измерениях высокочастотных напряжений в электрических цепях с несимметричным выходом зажим Э, соединенный с внутренним экраном прибора, должен обязательно заземляться.  Рисунок 2.12 – Схема включения электростатического измерительного преобразователя Расширение пределов электростатических вольтметров осуществляется главным образом с помощью делителей напряжения: емкостных - при измерениях на переменном токе и резистивных - на постоянном токе. |