Электромагнитные измерительные приборы

Устройство приборов электромагнитной системы. Принцип работы основан на взаимодействии магнитного поля тока, протекающего по обмотке неподвижной катушки, с подвижным железным сердечником, помещённом в этом магнитном поле. Прибор состоит из (см. рис. 3) прямоугольной катушки А, внутрь которой при наличии в ней тока втягивается ферромагнитный магнитопровод (сердечник, изготовленный из мягкого железа) В в виде фигурной пластинки, укрепленной эксцентрично на оси со стрелкой С. Противодействующий момент создается спиральной пружиной D.

Принцип действия.Ток, протекающий по катушке А образует внутри нее магнитное поле, под действием которого железный сердечник, поворачиваясь вокруг оси, втягивается внутрь катушки. При увеличении тока возрастает индукция в щели катушки и увеличивается намагничивание железного сердечника.

Механическая сила магнитного поля в направлении x равна производной от энергии по линейному перемещению:

(14)

Если магнитопровод катушки занимал не среднее, не симметричное положение относительно катушки, то равнодействующая всех механических сил магнитного поля стремится «втянуть» его в центр, середину катушки, так, чтобы он занимал симметричное положение. Такое положение сердечника обеспечивает наибольшую магнитную проницаемость среды и соответствует максимальному значению индуктивности катушки. Увеличение энергии магнитного поля происходит при этом за счет электрической энергии внешнего источника.

Если ток в обмотке катушки поддерживается за счет внешнего источника электрической энергии постоянным, то вращающий момент равен:

, (15)

где L – индуктивность неподвижной обмотки, увеличивающаяся при втягивании фигурной пластинки.

Вращающий момент за счет магнитного поля обмотки уравновешивается противодействием пружины:

(16)

Приравниваем формулы (15) и (16) и получаем:

(17)

Между углом отклонения стрелки и величиной тока наблюдается квад-ратичная зависимость:

(18)

Следовательно, шкала таких приборов неравномерна.

Основные свойства и область применения. Приборы электромагнитной системы используются в основном для измерения переменного тока, хотя могут применяться и для измерения постоянного тока, а также для измерения напряжения промышленной частоты.

Механические силы магнитного поля используются в мощных грузоподъемных электромагнитах, в тормозах, электромагнитных муфтах, соединяющих вращающиеся механизмы, и других устройствах.

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Устройство приборов электродинамической системы.Работа электродинамического ИМ основана на взаимодействии магнитных полей неподвижной К₁и подвижной К₂ катушек с токами (рис. 4). Неподвижную катушку 1 обычно выполняют из двух частей; между ними проходит ось, на которой крепят подвижную катушку 2; угол поворота ее регистрирует стрелка 3. Спиральная пружинка 4 служит для создания проти-водействующего момента и подведения тока к подвижной катушке. Для уменьшения времени успокоения применяют воздуный успокоитель (на рисунке не показан). Катушки электродинамической системы могут иметь круглую или прямоугольную форму.

Шкала прибора неравномерная, квадратичная. Потребляемый ток и внутреннее сопротивление зависят от конструкции прибора.

Напряженность собственного магнитного поля электродинамического ИМ невелика, поэтому внешние магнитные поля (в частности, магнитное поле Земли) заметно влияют на его показания. Для уменьшения этого влияния применяют экранирование или астазирование.

При экранировании измерительный механизм помещают внутри одинарного или двойного экрана из ферромагнитного материала. При астазировании измерительный механизм выполняют из двух неподвижных и двух подвижных катушек. Подвижные катушки крепят на общей оси. При соответствующих направлениях токов в катушках вращающий момент не зависит от внешнего магнитного поля. Однако астатические ИМ сравнительно дороги и применяются редко.

Принцип действия. В измерительном приборе электродинамической системы электромагнитная энергия преобразуется в механическое перемещение его подвижной части. Изменение электромагнитной энергии равно работе сил поля:

(19)

При угловом перемещении подвижной части:

(20)

Откуда

(21)

Полученное соотношение называют обобщенным выражением вращающего момента. Оно справедливо для всех электромеханических измерительных приборов (см. вывод уравнения преобразования или уравнения шкалы в разделе «Моменты, действующие на подвижную часть ИМ»).

Дальнейший вывод относится к электродинамическому измерительному прибору. Мгновенное значение электромагнитной энергии системы, состоящей из двух катушек равно:

, (22)

где L_в – индуктивность неподвижной катушки (катушки возбуждения); L_р - индуктивность подвижной катушки (рамки); М – взаимная индуктивность катушек; i_в и i_р – мгновенные значения соответствующих токов.

При повороте рамки меняется только взаимная индуктивность. Поэтому

(23)

Вращательный момент для рассматриваемого механизма:

(24)

При установившемся отклонении момент. Определяемый выражением (24), уравновешивается противодействующим моментом:

М_вр = М_пр = Wφ (25)

Из выражений (24) и (25) следует:

(26)

Угол поворота подвижной катушки К₂ зависит от величины тока, проходящего по катушкам.

Основные свойства и область применения. Приборы электродинамической системы применяют для измерений в цепях переменного тока. На основе этой системы разработаны амперметры, вольтметры и ваттметры высоких классов точности.

Приборы электродинамической системы могут применяться для измерения электрических величин в цепях как постоянного, так и переменного тока, но наиболее широко используют их для измерения тока и напряжения низкой (промышленной) частоты, а также для измерения мощности.

Электродинамические амперметры и вольтметры измеряют среднеквадратическое (действующее) значение тока или напряжения.

В электродинамическом ИМ отсутствуют ферромагнитные элементы. Это устраняет погрешности, связанные с нелинейностью и нестабильностью свойств ферромагнетиков. Поэтому электродинамические приборы являются наиболее точными среди других приборов переменного тока (класс точности 0,5; 0,2; 0,1). Однако столь малая погрешность имеет место лишь на низких частотах. На повышенных частотах появляется погрешность, обусловленная влиянием индуктивных сопротивлений катушек.

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Устройство приборов электростатической системы. Пластины конденсатора могут быть не только неподвижны, но и перемещаться относительно друг друга (рис. 5).

При относительном линейном перемещении пластин работа может совершаться либо за счет внешнего источника электрической энергии, подсоединенного к выводам пластин, либо за счет энергии электрического поля предварительно заряженных пластин, либо за счет стороннего источника неэлектрической энергии, механически перемещающего пластины.

Если конденсатор отключен от внешних источников энергии, то механическая работа может совершаться только за счет предварительно накопленной энергии электрического поля. При этом энергия электрического поля может только уменьшаться. Это уменьшение равномеханической работе по перемещению пластин на расстояние dx:

dA = F_xdx = -dW_э (27)

Отсюда следует,что механическая сила электрического поля

(28)

равна производной от энергии по линейному перемещению.

Принцип действия.Измеряемое напряжение подводится одним полюсом к неподвижным пластинам, а другим к подвижным, которые втягиваются при этом внутрь неподвижных.

Как известно из механики, механический момент равен производной от энергии по углу поворота:

(29)

Этот момент стремится так повернуть пластины относительно друг друг друга, чтобы увеличить эквивалентную емкость системы этих пластин.

Если угловое движение пластин совершается только за счет энергии электрического поля емкости, то это движение при неизменном заряде q конденсатора происходит до тех пор, пока емкость не станет возможно наибольшей при данной конфигурации пластин. Энергия электрического поля при этом будет минимальной. Механический момент при q = const

(30)

пропорционален производной .

Механический момент в электрическом поле может создаваться и при поддержании напряжения на обкладках конденсатора постоянным за счет внешнего источника электрической энергии.

Механический момент при U = const.

(31)

пропорционален производной от емкости по углу и квадрату напряжения.

Угловое движение пластин при этом приводит к увеличению и емкости, энергии электрического поля.

Механический момент электрического поля в точке равновесия уравновешивается моментом противодействующей пружины M_п (φ):

, (32)

где k – коэффициент жесткости пружины.

Тогда из равенства вращающего и противодействующего моментов получим следующую зависимость:

(33)

Угол поворота стрелки зависит от величины приложенного напряжения.

Прибор практически не потребляет мощности. Шкала сжата вначале и почти равномерна в остальной части.

Основные свойства и область применения. Применяется для измерения высоких напряжений в цепях постоянного и переменного тока.

ТЕПЛОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Устройство приборов тепловой системы. Туго натянутая тонкая платино-иридиевая нить Н нагревается проходящим через нее измеряемым током. Вызываемое этим удлинение нити влечет за собой вращение оси стрелки.

Принцип действия тепловой системы основан на изменении длины проводника при его нагреве. Шкала прибора неравномерная, квадратичная. Сопротивление нити порядка 0,1 Ом. Система невосприимчива к внешним мешающим полям. Показания зависят от окружающей температуры.

Основные свойства и область применения. Применяется для грубых измерений токов высокой частоты.

ПРИБОРЫ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Устройство приборов и принцип действия термоэлектрической системы.Измеряемый ток проходит через нить Н и подогревает место спая термопары, состоящей из стальной С и константановой К проволок. Между этими проволоками возникает термо – э. д. с., которая создает постоянный ток через магнитоэлектрический прибор П. Прибор градуируется на значения переменного тока, протекающего через нить Н. Шкала прибора неравномерная, близкая к квадратичной.

Основные свойства и область применения. Точность прибора невысокая: порядка 2,5% на технической частоте и порядка 5% на высокой частоте. Применяется для измерения переменных токов низкой и высокой частоты.

Амперметр

Амперметрами называют приборы, служащие для измерения силы тока. При измерениях амперметр включают в цепь последовательно. Слабые токи измеряются обычно магнитоэлектрическими амперметрами с высокой чувствительностью. Такие приборы называются миллиамперметрами (токи до 10 ^-3 А ) и микроамперметрами ( токи до 10 ^{- 6} А ).

Вольтметр

Вольтметрами называют приборы служащие для измерения напряжения» При измерениях вольтметр включают параллельно тому участку цепи, на концах которого хотят измерить разность потенциалов.

Гальванометры

Гальванометрами называют чувствительные приборы, служащие для измерения малых токов, напряжений и количеств электричества, ими можно измерить токи до 10 ^{- 11} А и напряжение до 10 ^{– 8} В. Чаще всего встречаются гальванометры магнитоэлектрической системы.

МНОГОПРЕДЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Измерительный прибор, электрическую схему которого можно переключить для изменения интервалов измеряемой величины, называется многопредельным. В многопредельные амперметры внутрь прибора вмонтирован шунт (рис. 6а). Шунтом называется сопротивление, включаемое в цепь параллельно амперметру, вследствии чего в амперметр ответвляется только часть измеряемого тока. Величину сопротивления, которое необходимо подключить в качестве шунта, можно рассчитать:

Пусть , где I_A – ток, измеряемый амперметром,

I – ток, который необходимо измерить.

Согласно I правилу Кирхгофа: I_Ш = I - I_A

I_Ш = I_A n - I_A; I_Ш = I_A (n – 1)

Если контур не содержит э. д. с., то напряжение на амперметре и шунте будет одинаковым. По закону Ома:

U_Ш = I_Ш∙R_Ш; U_А = I_А∙R_А

I_Ш∙R_Ш = I_А∙R_А;

Отсюда:

Следовательно, чтобы измерить амперметром ток в «n» раз больший максимально возможного для данного прибора, необходимо взять сопротивление шунта в (n – 1) раз меньше сопротивления амперметра.

В многопредельные вольтметры вмонтированы добавочные сопротивления, которые включаются последовательно с вольтметром. Величина необходимого дополнительного сопротивления рассчитывается следующим образом (см. схему, рис. 6б):

, где U_В – напряжение, измеряемое вольтметром,

U – напряжение, которое нужно измерить.

При последовательном соединении

;

По закону Ома

;

Отсюда

Таким образом, чтобы измерить вольтметром напряжение в «n» раз большее максимально возможного для данного прибора, необходимо взять добавочное сопротивление в (n – 1) раз большее сопротивления вольтметра.

Пользуются многопредельными приборами так, чтобы выбранная шкала измерений давала наименьшую погрешность ; многопредельные приборы могут иметь одну или несколько шкал, поэтому приходиться делать пересчет для каждого предела и каждой шкалы. т.е. находить цену деления каждой шкалы.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Сделать описание каждого измерительного прибора (название, система, класс точности и т.д. ), находящегося на лабораторном столе.

2. По формулам (11) и (12) вычислить чувствительность и цену деления каждого прибора. Для многопредельных приборов определяют цену деления для всех диапазонов. Указать по какой шкале проводились измерения.

3. Собрать схему, которая имеется в методическом пособии (рис. 7) согласно базовой работе на лабораторном столе и найти значение измеряемых величин (тока и напряжения на реостате, катушке индуктивности, соленоиде, в зависимости от электрической схемы).

4. Определить измеряемую величину, ее абсолютную и относительную погрешности. Полученные в ходе работы результатаы записать в следующей форме:

I = Iизм ± ΔI

U = Uизм ± ΔU,

где

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Цель и производство работы.

2. Измерительные приборы и их назначение. Классификация

электроизмерительных приборов.

3. Принцип действия электроизмерительных приборов различных систем: магнитоэлектрических, электромагнитных,электродинамических, электростатических, тепловых, термоэлектрических.

4. Абсолютная и относительная погрешности измерений. Класс точности прибора. Чувствительность прибора. Цена деления шкалы прибора.

5. Принцип работы гальванометра, амперметра, вольтметра. Единицы измерения заряда, силы тока, напряженности в СИ, их обозначение согласно

ГОСТу.

6.Способы изменения диапазонов измерения приборов. Расчет шунтов для амперметра и вольтметра.

а) б)
	в)
	г)
Рис. 1 К выводу выражения для вращающего момента магнитоэлектрического измерительного механизма.

а)	б)     в)
Рис. 2 Магнитоэлектрические измерительные приборы. а) Устройство магнитоэлектрического измерительного механизма: 1. постоянный магнит; 2. пластина магнитопровода; 3. полюсный наконечник; 4. сердечник; 5. рамка; 6. стрелка. в) Устройство магнитоэлектрического измерительного механизма: 1 постоянный магнит 2 магнитопровод; 3 полюсные наконечники; 4 цилиндрический сердечник; 5 подвижная прямоугольная рамка; 6 подпятники; 7 стрелка; 8 грузики; 9 усики; 10. спиральные пружины.
	Рис. 3 Устройство электромагнитной системы: 1 - неподвижная катушка; 2 - железная пластинка; 3 - пружинка; 4 - стрелка; успокоитель: 5- цилиндр; 6- поршень.
	Рис. 4 Электродинамический измерительный механизм: а) Устройство, б) Упрощённое изображение. 1- неподвижные катушки; 2- подвижная катушка; 3- стрелка; 4- спиральная пружинка.
	Рис. 5 Устройство электростатической измерительной системы:   1- подвижные пластины; 2- неподвижные пластины.

	а)		б)
Рис. 6 К описанию многопредельных приборов: а) расширение пределов измерения амперметра; б) расширение пределов измерения вольтметра.

	а)   б)		в)   г)
Рис. 7 Электрические схемы для изучения электроизмерительных приборов: а) на базе лабораторной работы 5э; б) на базе лабораторной работы 7э; в) на базе лабораторной работы 2э, 3э ,4э, 8э, 9э, 10э, 11э, 12э; г) на базе лабораторной работы 6э.

Работа № 2