Будова і принцип дії електромагнітних приладів

Міністерство освіти і науки України

УКРАЇНСЬКА АКАДЕМІЯ ДРУКАРСТВА

КОНТРОЛЬНА РОБОТА

з дисципліни

«ТЕХНОЛОГІЧНІ ВИМІРЮВАННЯ І ПРИЛАДИ»

студента групи ЗКТ-41

Іванціва Богдана

Варіант 7

ЛЬВІВ-2016

Завдання 1.Два однакових вимірювальних механізми магнітоелектричної системи мають шкалу поділок. Відомо також, що номінальний струм рамки механізму , чутливість до напруги под/мВ, границя вимірювання по струму , границя вимірювання напруги , відхилення приладів при вимірюванні под, под, класи точності приладів та .

Розв 'язування:

1. Згідно з умовою задачі визначимо номінальну напругу на затискачах вимірювального механізму:

Опір рамки вимірювального механізму

Згідно з вищевикладеним матеріалом визначимо опір шунта:

Опір додаткового резистора:

Оскільки шунт вмикається паралельно до вимірювального механізму – ампер-метра, то внутрішній опір нового амперметра визнається як:

Оскільки додатковий резистор вмикається послідовно до вимірювального механізму – вольтметра, то внутрішній опір нового вольтметра буде рівний:

2. Для визначення схеми, яка дозволяє з меншою похибкою виконати вимірювання перш за все визначимо значення струму та напруги при вимірюванні.

Визначимо ціну поділки амперметра та вольтметра.

Ціна поділки амперметра:

Ціна поділки вольтметра:

Тоді значення виміряних величин:

струму

напруги

При вимірюванні опору методом амперметра та вольтметра значення опору за показами приладів визначимо за законом Ома:

Значення опору при включенні обчислюється за формулою:

Значення опору обчислюється за формулою:

Відносні похибки вимірювання опору для кожної схеми:

Таким чином, в даному випадку слід використовувати схему, яка дає меншу методичну похибку.

3. Визначимо похибку опосередкованого вимірювання величин. Для цього визначимо відносні похибки прямих вимірювань.

Відносна похибка вимірювання напруги:

Відносна похибка вимірювання струму:

Відносна похибка результату вимірювання опору:

4. На результат вимірювання величини будуть впливати як методична так і інструментальна систематичні похибки. Результуюча похибка вимірювання визначається за формулою:

57%

Методична похибка дорівнює інструментальна похибка дорівнює . Результуюча похибка дорівнює =57%

Абсолютна похибка вимірювань 0,19 Ом

Результат вимірювання опору:

R=0.551 0.19 Ом

Абсолютна похибка вимірювань для потужності:

Вт.

Результат вимірювань:

Р=0,551 Вт.

Будова і принцип дії електромагнітних приладів

Прилади електромагнітної системи засновані на взаємодії магнітного поля котушки з рухливим феромагнітним сердечником. Вузол для створення обертаючого моменту (рисунок 1) складається з котушки, по якій протікає вимірюваний струм, і сердечника, закріпленого на осі покажчика.

1, 4 — нерухомі котушки; 2 — феромагнітний рухомий сердечник; 3 — вісь.   Рисунок 1 - Електромагнітний прилад: а – вигляд загальний з плоскою котушкою. б – вигляд загальний з круглою котушкою.

Енергія, яка запасена в котушці, W_ем = L∙I ² /2. Індуктивність котушки при русі сердечника міняється, отже, вираз для обертаючого моменту з формули буде мати наступний вид . З умови рівності обертаючого і протидіючого моментів одержуємо .

З цього рівняння випливає, що відхилення покажчика пропорційно квадрату вимірюваного струму, тобто шкала нелінійна і прилад придатний для виміру як постійного, так і перемінного струму. Градировка шкали на постійному струмі відповідає середньоквадратичному (діючому) значенню перемінного струму.

Достоїнства електромагнітних приладів — простота конструкції і надійність. Недоліки електромагнітних приладів: мала чутливість; значне споживання потужності від вимірюваного кола (до 1 Вт); нелінійність шкали (на початку стиснута, наприкінці розтягнута); значна погрішність; вплив багатьох величин: температура навколишнього середовища, зовнішнє магнітне поле, частота вимірюваного перемінного струму.

Значна погрішність пояснюється наявністю феромагнітного сердечника, у якому нелінійне намагнічування і магнітний гістерезис, а також виникають вихрові струми. Гістерезис приводить до варіації показань, тобто до різних показань при підході до точки відліку з боку менших чи великих значень. Під впливом зміни температури змінюються опір обмотки котушки і її геометричні розміри. Повний опір котушки перемінному струму залежить від частоти, тому градуювання електромагнітного приладу дійсна для визначеної частоти чи у вузькому діапазоні частот.

Магнітне поле котушки дуже слабке, тому зовнішнє магнітне поле значно впливає на показання. Для захисту від зовнішнього магнітного поля використовують два шляхи - екранування й астазування. Екранування магнітом'яким залізом зменшує вплив зовнішнього магнітного поля, але прилади обтяжуються; неминучі отвори для проводів, що підводять, і щілини біля шкал послабляють екранування. Частіше використовують астазування, засноване на взаємодії зовнішнього і внутрішнього магнітних полів, що приводить до нульового сумарного ефекту.

Рисунок 2 – Астатичний вимірювальний прилад електромагнітної системи.

Астатичний прилад складається з двох однакових вузлів, що створюють обертаючий момент, котушки яких з'єднані так, що їх магнітні поля протилежні, рисунок 2. Зовнішній магнітний потік Ф складається з потоком Ф1 першої котушки і віднімається з потоку Ф2 другої котушки. В результаті сумарний обертаючий ефект залишається незмінним.

Електромагнітні прилади завдяки простоті, дешевині і надійності широко застосовуються для виміру струмів і напруг у потужнострумових ланцюгах постійний і перемінний токи промислової частоти (50 і 400 Гц). Більшість електромагнітних амперметрів і вольтметрів випускаються у виді щитових приладів різних розмірів класу 1,5 і 2,5. Є прилади класу 1,5 і 1,0 для роботи на дискретних частотах 50, 200, 800, 1000 і 1500 Гц.

Амперметри електромагнітної системи. Котушку амперметра виготовляють з мідного проводу, розрахованого на номінальне значення струму, наприклад 5 А. Число, витків визначають з умови повного відхилення покажчика амперметра при номінальному струмі. Щитові амперметри безпосереднього включення випускають зі шкалами від 100 мА до 500 А. Вимірювальні трансформатори струму застосовують для розширення меж виміру перемінного струму. Вони розрізняються класами точності (від 0,05 до 1,0), значенням нормованого номінального опору навантаження в ланцюзі вторинної обмотки (від 0,2 до 2,0 Ом). Основна робоча частота 50 Гц, але є трансформатори на 400 і 1000 Гц.

– початок первинної обмотки w1 та вторинної обмотки w2. 1- магнітопровід; 2 – ізолятор.     Рисунок 3 - Вимірювальний трансформатор струму: а-схема включення; б — конструкція прохідного трансформатора струму

Первинна обмотка трансформатора струму містить мале число витків (часто – один провідник) і включається в розрив ланцюга І1 послідовно, рисунок 3. Вторинна - з амперметром А на 5А (іноді на 1А). Значення вимірюваного струму (струму в первинній обмотці) I1 = n∙IA визначається по показанню амперметра шляхом множення показання на коефіцієнт трансформації n = w2 / w1 , де w2, w1 — число витків вторинної і первинної обмоток відповідно.

Трансформатори струму випускаються для роботи з первинним струмом від 5 А до 15 кА. При великих значеннях струму первинна обмотка являє собою прямолінійний провідник, шину чи стрижень, які проходять через вікно магніто проводу (рисунок 3, б).

Опори амперметрів малі, тому нормальним режимом роботи трансформатора струму є режим, близький до режиму короткого замикання.

Вольтметри електромагнітної системи. Котушку вольтметра виготовляють з великого числа витків тонкого мідного проводу, достатнього для повного відхилення покажчика при даному значень струму. Рівняння (3-19) для електромагнітного вольтметра приймає наступний вид:

де R_V - опір обмотки котушки.

Щитові вольтметри безпосереднього включення випускають зі шкалами від 7,5 до 250 В., а з додатковими опорами — на 450, 600 і 750 В; клас точності 1,5.

Вимірювальні трансформатори напруги застосовують для виміру більш високих напруг, аж до 15 кВ. Вони розрізняються класом точності (0,1 і 0,2) і коефіцієнтом трансформації. Робоча частота 50 Гц.

Первинна обмотка трансформатора напруги, рисунок 3.9, включається паралельно вимірюваного ланцюга. До затисків вторинної обмотки підключається вольтметр. Значення вимірюваної напруги (напруги в первинній обмотці) визначається показанням вольтметра, помноженим на число, зворотне коефіцієнту трансформації:

Трансформатори напруги розраховуються для роботи з первинною напругою від 380 до 500 000 В, тому число витків первинної обмотки велике. Вторинна обмотка навантажена на вольтметр із великим опором, тому нормальним режимом роботи трансформатора напруги є режим, близький до режиму холостого ходу. Трансформатори, первинна обмотка яких призначена для роботи з напругою 3 кВ і вище, забезпечуються високовольтними ізоляторами, містяться в кожухи, заповнені трансформаторною оливою. Маса їх досягає сотень кілограмів. Вимірювальні трансформатори на більш високі напруги розробляються і виготовляються індивідуально і являють собою складні електротехнічні спорудження.

Рисунок 3 - Вимірювальний трансформатор напруги і схема включення трансформаторів струму та напруги.

Шунт- масштабний вимірювальний перетворювач, призначений для зміни значення вимірюваної величини в задане число раз.

Рисунок 1 - Схема включення магнітоелектричного вимірювального механізму Р з шунтом Rш.

Шунти виготовляються з манганіну. На невеликі струми (до 30 А) шунти як правило поміщаються в корпусі приладу (внутрішні шунти); на великі струми (до 7500 А) застосовуються зовнішні шунти.

Зовнішні шунти мають дві пари затисків: струмові і потенційні. Струмові затиски служать для включення шунта в ланцюг з вимірюваними параметрами; до потенційних затисків, опір між якими рівний R_ш, підключають вимірювальний механізм приладу.

Якщо необхідно мати струм I_P у вимірювальному механізмі меншим в n раз вимірюваного струму I, то опір шунта ,

де R_p — опір вимірювального механізму; n = I/I_P — коефіцієнт шунтування.

Зовнішні (взаємозамінні) шунти розділяють на класи точності: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2 і 0,5. Шунти застосовують головним чином в ланцюгах постійного струму з магнітоелектричними вимірювальними механізмами.

Застосування шунтів з електромагнітними, електродинамічними, феродинамічними і індукційними вимірювальними механізмами нераціонально через порівняно велике споживання потужності цими механізмами, що приводить до істотного збільшення розмірів шунтів і споживаної потужності. Крім того, при включенні шунтів з вимірювальними механізмами на змінному струмі виникає додаткова погрішність від зміни частоти, оскільки із зміною частоти опір шунта і вимірювального механізму змінюватимуться неоднаково.

Дільники напруги. Для розширення меж вимірювання вимірювальних механізмів по напрузі (вольтметрів) застосовують додаткові резистори, які включають послідовно з вимірювальним механізмом; вони утворюють дільники напруги. Якщо напруга постійного струму, необхідна, для повного відхилення рухомої частини вимірювального механізму рівна U_P, а вимірювана напруга U = m•U_P, той додатковий опір R_Д = R_P•(n-1),

де R_P — опір вимірювального механізму.

Додаткові резистори робляться з манганінового дроту. Вони бувають щитовими і переносними, каліброваними і обмежено взаємозамінними, тобто такими, які призначені для приладів певного типу, що мають однакові електричні параметри. Додаткові резистори застосовуються для напруг до 30 кВ постійного і змінного струму частот від 10 Гц до 20 кГц.

По точності додаткові резистори розділяють на класи

0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 і 1,0.