Индукционные измерительные механизмы

Индукционные измерительные механизмы основаны на взаимодействии переменных магнитных полей и токов, которые индуктируются в проводящей подвижной части этими же полями. Таким образом, из самого принципа действия механизмов следует, что они могут работать только на переменном токе.

Зависимость угла отклонения от токов в катушках можно вывести на примере измеряемого механизма, изображенного на (рис. 3.10).

На (рис. 3.10 а) переменные потоки Ф₁ и Ф₂, создаваемые переменными токами I₁ и I₂, пронизывают алюминиевый диск 2. Следы полюсов этих потоков располагаются вдоль хорды диска. Кроме алюминиевого диска индукционный измерительный механизм включает в себя электромагниты 1 и 4, ось 3 вращения диска и опоры оси 5. К обмотке электромагнита 1 присоединен добавочный резистор R, а к обмотке электромагнита 4 — добавочная катушка индуктивности L.

На (рис. 3.10 б) показана схема токов и магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ в диске; I_д1 и I_д2 — токи в диске, создаваемые потоками Ф₁ и Ф₂; M_вр — момент вращения.

Среднее за период значение силы F взаимодействия переменных потоков и тока можно выразить формулой

F_cp = ФIcosγ, (3.9)

где γ — сдвиг по фазе между потоком Ф и током I.

На (рис. 3.10 в) приведена векторная диаграмма потоков Ф₁ и Ф₂ и токов, индуктированных этими потоками в диске. Поток Ф₁, создаваемый током I₁, индуктирует в диске электродвижущие силы E_д1, которые создают в диске токи I_д1, совпадающие по фазе с E_д1. Поток Ф₂, создаваемый током I₂ обязательно должен быть сдвинут по фазе относительно потока Ф₁. Предположим, что он отстает от Ф₁ на угол ψ в связи с тем, что в цепь тока I₁ включено активное сопротивление R, а в цепь тока I₂ — индуктивность L (см. рис. 3.10 а).

Поток Ф₂ индуктирует в диске электродвижущие силы E_д2 создающие в нем токи I_д2. Два потока и две системы токов в диске должны были бы создать четыре силыF, однако взаимодействие потока Ф₁ с токами I_д1, так же как и взаимодействие потока Ф₂ с токами I_д2, согласно формуле (3.9) не создает силы, поскольку сдвиг по фазе между ними равен 90° и cosγ = 0. Следовательно, остаются две силы, создающие вращающий момент:

F_cp1 = Ф₁I_д2cosγ₁; M_вр1 = k₁Ф₁I_д2cosγ₁;

F_cp2 = Ф₂I_д1cosγ₂; M_вр2 = k₂Ф₂I_д1cosγ₂.

Так как γ₁ = + ψ и cosγ₁ = ‒sinψ, а γ₂ = ‒ ψ и cosγ₂ = sinψ, то

M_вр1 = ‒k₁Ф₁I_д2sinψ;

M_вp2 = k₂Ф₂I_д1sinψ;

Из этих выражений очевидно, что моменты M_вр1 и M_вр2, действующие на диск, имеют разные знаки. Однако именно благодаря разным знакам оба момента будут действовать на диск, вращая его в одну сторону. Разные знаки у моментов M_вр1 и M_вр2 свидетельствуют лишь о том, что один контур токов притягиваетсяк взаимодействующему с ним полю, а другой контур выталкивается из взаимодействующего с ним поля.

Предположим, что контур тока I_д1 притягивается к потоку Ф₂, тогда вращающий момент M_вр будет вращать диск в направлении, указанном на (рис. 3.10 б) стрелкой. Тогда контур тока I_д2 будет отталкиваться от потока Ф₁ что создает вращающий момент в том же направлении. Таким образом, суммарный момент, действующий на диск, можно выразить формулой

M_вр = ‒k₁Ф₁I_д2sinψ + k₂Ф₂I_д1sinψ.

Если потоки Ф₁ и Ф₂ изменяются синусоидально, то действующие значения ЭДС, индуктируемых в диске этими потоками, определяются следующими формулами:

E_д1 = 4k_ffФ_1max = k₃fФ₁; E_д2 = 4k_ffФ_2max = k₄fФ₂,

где k_f — коэффициент формы синусоиды; f — частота; Ф_1max и Ф_2max — максимальные значения потоков.

Если принять сопротивление токам в диске только активным, то можно записать:

I_д1 = k₅fФ₁; I_д2 = k₆fФ₂.

Тогда формула вращающегося момента после подстановки в нее выражений для I_д1 и I_д2 и объединения постоянных коэффициентов примет вид

M_вр = M_вp1 + M_вp2 = kfФ₁Ф₂sinψ.

Если принять, что потоки Ф₁ и Ф₂ пропорциональны создающим их токам, то

M_вр = kfI₁I₂sinψ.

Индукционные механизмы обладают следующими свойствами:

Ø могут работать только на переменном токе;

Ø применяются исключительно для измерения электрической энергии, т.е. в счетчиках переменного тока.

Поэтому дальнейшие сведения об устройстве и эксплуатационных характеристиках этих механизмов приводятся далее.

Измерительные цепи

Преобразователи электрических величин в электрические обычно применяются для измерений при любом токе, в цепях высокого напряжения, высокой частоты и т.д. Преобразователи могут выполняться либо как самостоятельные конструкции, либо в сочетании с измерительным механизмом. Использование таких преобразователей расширяет эксплуатационные характеристики приборов.

К преобразователям электрических величин в электрические, используемым в электроизмерительной технике, относятся: шунты, добавочные резисторы, добавочные конденсаторы, делители напряжения (на резисторах и емкостные), измерительные, разделительные и согласующие трансформаторы, выпрямители и т.д.

При рассмотрении преобразователей целесообразно обратить внимание на те их параметры, которые помогли бы оценить влияние преобразователей на свойства прибора в целом, в частности на точность результата измерения и диапазон измерения.

Шунты. Они применяются для расширения пределов измерения измерительного механизма по току и представляют собой резистор, параллельно которому включается измерительный механизм. Пример правильного включения шунта представлен на (рис. 3.11 а).

В соответствии с обозначениями на (рис. 3.11) можно записать

= ,

где I_p — измеряемый ток в рамке; I_ш — измеряемый ток, проходящий через шунт; R_p — сопротивление рамки измерительного механизма; R_ш — сопротивление шунта.

Откуда

R_ш = = ,

где I — измеряемый ток.

Обычно сопротивление шунта R_ш значительно меньше, чем сопротивление рамки измерительного механизма R_p, поэтому большая часть измеряемого тока I проходит через шунт:

R_ш = .

Значение I_pR_p = I_шR_ш, т.е. падение напряжения на шунте при номинальном значении измеряемого тока, является стандартизованным и составляет 45, 75, 100 или 150мВ. Падение напряжения и номинальное значение измеряемого тока всегда указываются на шунте.

Шунты подразделяются на индивидуальные и калиброванные. Индивидуальные шунты пригодны только для того измерительного механизма, с которым они градуировались. В этом случае не требуется точной подгонки шунта на заданное падение напряжения. Калиброванные шунты подгоняются на заданное падение напряжения с высокой точностью и пригодны для работы с любым измерительным механизмом, имеющим такое же падение напряжения при номинальном отклонении.

Каждый шунт снабжен двумя парами зажимов (см. рис. 3.11 а). Первая пара зажимов (а-а) служит для включения шунта в цепь измеряемого тока и называется токовыми зажимами. Вторая пара зажимов (б-6) подключается к шунту измерительного механизма и называется потенциальными зажимами.

На (рис. 3.11 б, в) приведены примеры неправильного включения шунта, поскольку при таком включении измерительный механизм измеряет падение напряжения большее, чем I_шR_ш, на величину падения напряжения в контактах (см. рис. 3.11 б) и соединительных проводахR_c.пр (см. рис. 3.11 в).

Шунты на сравнительно малые пределы измерения обычно монтируются внутри корпуса прибора, а на большие токи — отдельно от измерительного механизма, например шунт на 500A (рис. 3.12). Сопротивление шунта 4 выполняется из манганиновой проволоки, ленты или пластины, припаянной серебряным припоем к наконечникам 2 из красной меди.

Внутренний шунт крепится к колодке с зажимами внутри корпуса прибора. Отдельный шунт присоединяется калиброванными проводами к измерительному механизму. Эти провода подключаются к потенциальным зажимам 3. Присоединение шунта к измерительному механизму случайными проводами может повлечь за собой изменение сопротивления цепи рамки. Следовательно, перераспределение измеряемого тока между шунтом и рамкой также может увеличивать погрешность прибора. Присоединение шунта к измеряемой цепи производится в отдельных шунтах с помощью болтов, проходящих через отверстия 1.

Переносные (лабораторные) приборы часто снабжаются многопредельными калиброванными шунтами. Пример схемы подобного шунта представлен на (рис. 3.13). Переключение предела измерений осуществляется штепселем, помещаемым в соответствующее гнездо.

Расширение пределов измерений с помощью шунтов практически возможно лишь на постоянном токе, потому что на переменном токе распределение измеряемого тока между шунтом и измерительным механизмом будет обусловлено не только сопротивлениями их постоянному току, но и их реактивными (индуктивными) сопротивлениями, которые зависят от частоты.

Добавочные резисторы. Все измерительные механизмы (за исключением электростатических) по принципу своего действия характеризуются зависимостью угла отклонения — α от тока — I (или токов) в рамке либо катушке, т.е. все механизмы, по существу, являются амперметрами. Однако любой из измерительных механизмов можно использовать и для измерения напряженияU, включив его параллельно к тому участку цепи, напряжение на котором необходимо измерить. Схема включения добавочного резистора параллельно нагрузке R_н представлена на (рис. 3.14 а).

Если номинальное значение тока измерительного механизма обозначить через I_н, а номинальное значение измеряемого напряжения — через U_н, то сопротивление всей цепи вольтметра

R_V = U_н/I_н. (3.10)

Однако сопротивление рамки R_p измерительного механизма обычно значительно меньше, чем необходимое значение R_V, поэтому последовательно с R_p включается добавочное сопротивление такого значения R_д, намотанное манганиновой проволокой, при котором удовлетворяется уравнение (3.10) т.е.

R_p + R_д = U_н/I_н,

откуда

R_д = U_н/I_н ‒ R_p.

На (рис. 3.14 б) представлена схема многопредельного вольтметра (на 3, 15, 30 и 150B) с добавочным сопротивлением, состоящим из нескольких резисторов. На схеме R1, R2, R3 и R4 — добавочные резисторы. Чаще всего добавочные резисторы располагаются внутри корпуса прибора. Многопредельные добавочные резисторы иногда выпускаются и отдельно от прибора, т.е. в собственном корпусе.

Добавочные конденсаторы. Их применяют для расширения предела измерения электростатического измерительного механизма на переменном токе (рис. 3.15).

Если принять, что сопротивления изоляции измерительного механизма r₀ и добавочного конденсатора r_д равны бесконечности, то напряжение U₀ на зажимах измерительного механизма емкостью C₀ запишется в виде

U₀ = U_д = U_д ,

где ω — частота измеряемого напряжения; C_д — емкость добавочного конденсатора; U_д — напряжение на добавочном конденсаторе.

Так как

U = U₀ + U_д и = ,

то

U = U₀ .

Делители напряжения на резисторах. С помощью таких делителей напряжения (ДН) осуществляют уменьшение измеряемого напряжения в определенное, обычно кратное 10, число раз, чтобы на выходе делителя получить значение, соответствующее пределу измерения (или меньшее) напряжения измерительного механизма. Делители напряжения обычно выполняются многопредельными.

В качестве примера на (рис. 3.16) представлена схема включения делителя на высокоомных резисторах для уменьшения измеряемого напряжения U_x. Величина n = U_x/U_л называется переводным множителем. Здесь U_л — напряжение, подаваемое на измерительный прибор. На (рис. 3.16) r₁, r₂, r₃ и r₄ — сопротивления ДН.

Емкостные делители напряжения. Они состоят из ряда последовательно соединенных конденсаторов и предназначены для расширения пределов измерения электростатических измерительных механизмов на переменном токе, а также для измерения напряжений на высокой частоте.

Схема емкостного ДН, которая может применяться в сочетании с электростатическим измерительным механизмом, представлена на (рис. 3.17). Здесь измеряемое напряжение U_x подключено к конденсаторам C1 и C2, составляющим делитель. Измерительный механизм C0 подключен параллельно к С1, причем C1 >> C0. Так как сопротивления изоляции измерительного механизма весьма велики, то

= .

Тогда

U_x = U₀ + U₁ = U₀ .

Измерительные трансформаторы. Такие трансформаторы применяют:

1для расширения пределов измерения (по току и напряжению) измерительных механизмов и приборов при работе на переменном токе;

2в случае проведения измерений в цепях высокого напряжения — для электрической изоляции измерительной аппаратуры от высокого напряжения, что, в частности, обязательно с точки зрения безопасности обслуживания приборов. В зависимости от назначения измерительные трансформаторы выполняются в качестве трансформаторов тока и трансформаторов напряжения.

Измерительные трансформаторы, как и силовые, представляют собой замкнутый сердечник из листовой электротехнической стали (или из специальных сплавов) с двумя обмотками: первичной и вторичной.

Схема включения измерительных трансформаторов тока и напряжения в цепь переменного тока показана на (рис. 3.18). На схеме X-A — зажимы обмотки трансформатора напряжения, подключенные к сети; x-a — зажимы обмотки трансформатора напряжения, подключенные к вольтметру; Л₁-Л₂ — зажимы трансформатора тока, подключенные в цепь измерения; И₁-И₂ — зажимы трансформатора тока, подключенные к амперметру; Z — нагрузка в измеряемой цепи; U_и — измеряемое напряжение; I_и — измеряемый ток.

Согласно ГОСТУ номинальное значение вторичного тока для всех трансформаторов тока равно 5A, а номинальное значение вторичного напряжения для всех трансформаторов напряжения составляет 100B. Это значит, что амперметры, работающие с измерительными трансформаторами тока, выполняются только на 5A. Однако эти амперметры могут градуироваться на значение измеряемого тока I₁ в первичной цепи, с учетом номинального коэффициента трансформации K_Iном:

K_Uном = I_1ном/I_2ном.

Таким образом, для измерения переменного тока, номинальное значение которого равно, например, 1000A, применяется трансформатор тока с номинальным коэффициентом трансформации K_Iном = 1000/5 = 200, и все цифровые отметки амперметра на 5A умножаются на K_Iном = 200, а на шкале прибора ставится обозначение: «С трансформатором тока — 1000/5».

Аналогично для измерительного трансформатора напряжения номинальный коэффициент трансформации

K_Uном = U_1ном/U_2ном.

Конструкции измерительных трансформаторов тока весьма разнообразны. В качестве примера на (рис. 3.19) показана схема устройства трансформатора тока. Этот трансформатор состоит из кольцевого сердечника, выполненного из пермаллоя, секционированной первичной обмотки (зажим Л₁ и зажимы, обозначенные 15 и 50A) и вторичной обмотки (зажимы И₁ и И₂).

Другим примером является трансформатор тока с разъемным сердечником, позволяющий измерять ток без разрыва цепи. Первичной обмоткой трансформатора выступает сам провод, по которому протекает измеряемый ток. Амперметр (на 5А) встроен в корпус трансформатора. Вторичная обмотка трансформатора секционирована, что позволяет иметь несколько пределов измерения. Погрешность коэффициента трансформации подобного трансформатора — порядка 2%.

В измерительных трансформаторах напряжения вторичный ток определяется потреблением тока вольтметром (или параллельными обмотками ваттметра, счетчика и т.д.), обычно не превышающим 20...30мА. Поэтому трансформатор напряжения работает в условиях, близких к режиму холостого хода.

Значение допустимой мощности приборов (в вольт-амперах), подключаемых к вторичной обмотке, всегда обозначено на щитке трансформатора. Поэтому, прежде чем подключить несколько приборов к трансформатору напряжения, необходимо проверить, не будет ли мощность всех параллельно включенных приборов

P = , или P = U₂I₂,

больше, чем допустимая мощность для данного трансформатора. В формуле под U₂ понимается измеряемое напряжение; R₂ — сумма сопротивлений, включенных во вторичную обмотку; I₂ — сумма токов всех приборов, включенных во вторичную обмотку трансформатора напряжения.

Разделительные трансформаторы применяются для устранения токов утечек от источника питания переменного тока через элементы измерительной цепи прибора. Эти токи утечки могут оказаться сравнимыми с измеряемыми токами, поэтому измерительную цепь в подобных случаях подключают к источнику питания через разделительный трансформатор, изолирующий измерительную цепь от источника питания. Особенно необходимо применение разделительных трансформаторов при питании прибора от силовой сети, так как такие сети, как правило, либо заземлены, либо имеют плохую изоляцию относительно земли.

При измерениях на переменном токе необходимо считаться не только с утечками тока через плохую изоляцию на землю, но и с утечками тока через емкостные связи между отдельными элементами измерительной цепи и прибора в целом. В частности, подобная емкость существует и между обмотками разделительного трансформатора. Для того чтобы гальванические и емкостные связи между обмотками были возможно меньше, обмотки в разделительных трансформаторах тщательно изолируются друг от друга и разделяются металлическим экраном.

Коэффициент трансформации разделительных трансформаторов чаще всего равен единице. Лишь в тех случаях, когда такой трансформатор также выполняет функции согласующего трансформатора, его коэффициент трансформации выбирается отличным от единицы.

Согласующие трансформаторы обеспечивают передачу мощности от одного звена прибора к другому с наименьшими потерями мощности, т.е. с наибольшим коэффициентом полезного действия.

В теоретических основах электротехники доказывается, что наибольшая мощность, получаемая нагрузкой, имеет место при равенстве внутреннего сопротивления источника питания и сопротивления нагрузки. В приборах со сложной структурой, т.е. с большим числом различных преобразователей между измеряемой величиной и отсчетным устройством, это положение можно распространить на связь между двумя любыми соседними преобразователями, так как всегда эквивалентную схему прибора можно изобразить таким образом, чтобы один преобразователь отображал источник питания, а следующий за ним преобразователь — нагрузку.

Однако далеко не всегда можно так выбрать и рассчитать параметры отдельных преобразователей, чтобы они имели одинаковое сопротивление. В подобных случаях и применяются согласующие трансформаторы. Если, например, передача мощности поступает от высокоомного преобразователя к низкоомному, то между ними следует включить понижающий трансформатор, первичная обмотка которого по сопротивлению согласуется с сопротивлением высокоомного преобразователя, а вторичная обмотка (с малым числом витков) — с низкоомным преобразователем.

Потеря мощности при использовании согласующих трансформаторов определяется только коэффициентом полезного действия самого трансформатора. Небольшие трансформаторы, применяемые в качестве согласующих, обычно имеют коэффициент полезного действия в пределах 70...75%. Однако без согласующего трансформатора потеря мощности была бы значительно больше.

Контрольные вопросы

1В чем состоит суть работы электромагнитных и электростатических механизмов? Нарисуйте их схемы.

2Каковы особенности работы индукционных измерительных механизмов?

3В чем заключается назначение шунтов? Нарисуйте схемы правильного и неправильного включения шунтов.

4Каково назначение добавочных резисторов, добавочных конденсаторов и делителей напряжения? Нарисуйте схемы их включения.

5Какие различия имеют измерительные трансформаторы тока и напряжения? Нарисуйте схемы их включения.

6Что такое согласующие и разделительные трансформаторы?

7Как работает измерительный прибор с внутренним световым отсчетом?

8В каких случаях применяются подвесы рамок измерительных механизмов на растяжках?

9Каким образом регулируется нулевое положение стрелок измерительных приборов?