Системы показывающих приборов

Любой прибор непосредственного отсчета состоит из двух основных частей: измерительного механизма и измерительной цепи (измерительной схемы).

Назначение измерительного механизма — преобразование подводимой к нему электрической энергии в механическую энергию перемещения подвижной части и связанного с ней указателя. Измерительная цепь преобразует измеряемую электрическую величину (напряжение, мощность, ток и т. д.) в пропорциональную ей величину, непосредственно воздействующую на измерительный механизм. Например, в вольтметре измерительная цепь состоит из катушки измерительного механизма и добавочного резистора. При постоянстве сопротивления измерительной цепи ток в измерительном механизме вольтметра пропорционален измеряемому напряжению. Один и тот же измерительный механизм в соединении с различными измерительными цепями может служить для измерения различных величин.

В зависимости от принципа действия измерительного механизма различают несколько систем показывающих приборов, условные изображения которых даны в табл. 2.

1. Устройство и принцип работы приборов различных систем

Приборы МЭ системы.

В измерительных механизмах магнитоэлектрической системы вращающий момент создается взаимодействием измеряемого постоянного тока в катушке механизма с полем постоянного магнита. Существуют два основных типа приборов магнитоэлектрической системы: приборы с подвижной катушкой (подвижной рамкой) и приборы с подвижным магнитом, причем первые применяются значительно чаще, чем вторые. В магнитоэлектрическом механизме с подвижной катушкой (рис. 2) последняя установлена на опорах и может поворачиваться в воздушном зазоре магнитной цепи постоянного магнита I. Магнитную цепь измерительного механизма образуют магнитопровод 2, полюсные наконечники 3 и цилиндрический сердечник 4, которые изготовляются из магнитно-мягкого материала. Угол между направлениями вектора магнитной индукции В воздушном зазоре и тока I в активной части проводников длиной l подвижной катушки равен 90°. Следовательно, на каждый из проводников действует электромагнитная сила

F = В*I*l,

а на подвижную часть механизма — вращающий момент

Мвр = 2Fwd/2 = wlBdI = wSBI = к_врI, (2)

где d - диаметр каркаса катушки с числом витков w и площадью поперечного сечения S = ld, к_вр = wSB — коэффициент пропорциональности.

2. Рис. 2

3.

Так как противодействующий момент, создаваемый спиральными пружинами, прямо пропорционален углу закручивания, т. е. Мпр = к_прα, то угол поворота катушки при равенстве моментов Мвр = Мпр прямо пропорционален измеряемому току:

I = к_пр α/к_вр = С_пр α,

где Спр - постоянная прибора ("цена деления").

Постоянный магнит создает сильное магнитное поле в воздушном зазоре магнитной цепи прибора (0,2-0,3 Тл), и даже при малых значениях измеряемых токов можно получить достаточный вращающий момент. Поэтому магнитоэлектрические приборы весьма чувствительны, внешние магнитные поля мало влияют на их показания, и их собственное потребление энергии относительно мало. В частности, гальванометры в большинстве случаев изготовляются магнитоэлектрической системы. Высокая чувствительность прибора позволяет уменьшить плотность тока в токоведущих частях. Поэтому магнитоэлектрический прибор достаточно вынослив к перегрузкам. Этому способствует также линейная зависимость его вращающего момента от тока, а не квадратичная, характерная для большинства других систем приборов.

Для расширения пределов измерения приборы магнитоэлектрической системы, а также приборы других систем снабжают набором резисторов для делителей измеряемых величин. Резистор, включаемый последовательно с катушкой измерительного механизма, называется добавочным резистором; резистор, который включается параллельно с катушкой измерительного механизма или с ветвью, содержащей катушку и добавочный резистор, называется шунтом.

При изменении направления тока изменяется и направление вращающего момента. При переменном токе на подвижную часть прибора действуют быстро чередующиеся вращающие моменты противоположного направления. Их результирующее действие не изменит положения подвижной части прибора. Для измерения переменного тока магнитоэлектрический измерительный механизм должен быть соединен с тем или иным преобразователем. Преобразователем может быть, например, двухполупериодный выпрямитель (рис. 3).

Рис. 3

Ток в магнитоэлектрическом измерительном механизме с такими преобразователями периодически пульсирует, и так как у подвижной части прибора значительная инерция, то ее отклонение пропорционально среднему за период значению вращающего момента:

4.

5.

Следовательно, прибор измеряет среднее значение тока в цепи. Для измерений в цепях переменного тока на шкале прибора указываются действующие значения. При синусоидальном токе действующее значение больше среднего в 1,11 раза.

Для измерения токов высокой частоты применяются термопреобразователи (рис. 4). Термопреобразователь обычно состоит из одной или нескольких термопар 1 и нагревателя 2, через который проходит измеряемый переменный ток. Можно считать ЭДС термопары пропорциональной разности температур между ее горячим и холодным концами, т. е. мощности нагревателя, которая пропорциональна квадрату действующего значения I переменного тока. Поэтому и вращающий момент, действующий на подвижную часть измерительного механизма, пропорционален I², а следовательно, шкала прибора квадратичная.

Рис. 4

Приборы ЭМ системы.

В измерительных механизмах электромагнитной системы вращающий момент обусловлен действием магнитного поля измеряемого тока в неподвижной катушке прибора на подвижный ферромагнитный якорь. Механические силы в подобном устройстве стремятся переместить якорь так, чтобы энергия магнитного поля устройства стала возможно большей.

В механизме с плоской катушкой (рис. 5) якорь 1 втягивается в катушку 2 с измеряемым током. Для усиления магнитного поля и регулирования вращающего момента служит неподвижный сердечник 3. Противодействующий момент создается спиральной пружиной. Для защиты от внешних магнитных полей измерительный механизм со всех сторон закрыт ферромагнитным экраном 4 (на рис. 5 верхняя крышка экрана снята).

В общем случае вращающий момент, действующий на подвижную часть, равен производной энергии магнитного поля

по координате перемещения α:

, (3)

где L(α) и i - индуктивность и ток катушки.

Рис. 5

Если ток катушки синусоидальный

,

то равновесие подвижной части наступит при равенстве среднего за период вращающего момента и противодействующего момента пружины:

. (4)

где I - действующее значение тока. Следовательно, действующее значение измеряемого тока

, (5)

где С (α) - цена деления.

Аналогичную зависимость имеет электромагнитный механизм при измерении постоянного тока i = I. Неравномерность шкалы - недостаток приборов электромагнитной системы.

Магнитное поле прибора возбуждается самим измеряемым током и относительно слабое, так как большая часть пути магнитного потока проходит в воздухе. По этой причине у измерительного механизма электромагнитной системы малая чувствительность. Из-за слабости собственного магнитного поля прибор приходится защищать от внешних магнитных влияний. Для этого применяются ферромагнитные экраны (рис. 5) или же измерительные механизмы изготовляются астатическими.

Общий принцип астатического устройства измерительной системы заключается в следующем. Число катушек в механизме удваивается, причем обе катушки в равной мере участвуют в образовании вращающего момента, но их собственные магнитные поля имеют противоположные направления. Всякое внешнее однородное магнитное поле, усиливая магнитное поле одной катушки, на столько же ослабляет магнитное поле второй катушки. В результате внешнее магнитное поле не изменяет общий вращающий момент измерительного механизма.

Класс точности электромагнитных приборов обычно не выше 1,5, главным образом из-за влияния гистерезиса (остаточного намагничивания), что особенно сказывается при измерениях постоянного тока, и потерь энергии на перемагничивание при измерениях переменного тока (частотой не выше 1500 Гц).

Электромагнитный измерительный механизм обладает рядом ценных свойств. Неподвижную катушку с током легко выполнить с достаточным запасом сечения проводов на случай перегрузок. Приборы этой системы допускают большие перегрузки, дешевы и просты по устройству. Электромагнитными приборами измеряют преимущественно переменные напряжения и токи (невысоких частот). В промышленных установках переменного тока низкой частоты большинство амперметров и вольтметров - приборы электромагнитной системы.

Приборы ЭД системы.

В электродинамических измерительных механизмах для создания вращающего момента используется взаимодействие двух катушек с токами. Измерительный механизм этой системы состоит в основном из неподвижной 1 и подвижной 2 катушек (рис. 6). Противодействующий момент создают специальные пружины 5, 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 (максимальная энергия суммарного магнитного поля).

Вращающий момент электродинамического измерительного механизма определяется так же, как электромагнитного механизма [см. (3)]:

, (6)

где в выражении энергии магнитного поля от угла поворота α подвижной катушки зависит только составляющая М(α) i₁i₂; i₁ и i₂ - переменные (синусоидальные) токи подвижной и неподвижной катушек.

Рис. 6

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. 7, а) и последовательно с добавочным резистором, сопротивление которого r_д.

Таким образом, в электродинамическом вольтметре

i₁ = i₂ = u/r_V,

где u - измеряемое напряжение; r_V=r_k+r_Д - общее сопротивление измерительной цепи вольтметра, равное сумме сопротивлений двух катушек r_k и добавочного резистора r_д.

Подставив выражения токов в (6) и выполнив преобразования, аналогичные (4) и (5), по лучим

6.

где С_U(α) - цена деления; U - действующее значение напряжения.

В электродинамических амперметрах на токи до 0,5 А подвижная и неподвижная катушки также соединяются последовательно. При большем значении измеряемого тока I подвижная и неподвижная катушки соединяются параллельно (рис. 7, б). В этом случае токи

7.

Следовательно,

где С_I (α) - цена деления; I - действующее значение тока.

Электродинамические вольтметры и амперметры имеют неравномерную шкалу.

В ваттметре (рис. 7, в) ток в неподвижной катушке равен току в контролируемой установке (в сопротивлении нагрузки r_н), т. е. i₂ = i. К цепи подвижной катушки приложено напряжение этой установки, т. е. i₁=u/r_v, где г_v - общее сопротивление цепи напряжения (параллельной цепи) ваттметра.

Рис. 7

Подставив эти выражения в (6) и выполнив преобразования, подобные (4) и (5), получим

где Ср (α) — цена деления. Если цена деления изменяется мало от значения угла поворота подвижной катушки, то шкала электродинамического ваттметра близка к равномерной.

Электродинамические приборы пригодны для измерений в цепях как постоянного, так и переменного тока, причем в обоих случаях шкала у приборов одна и та же.

В электродинамическом приборе измеряемые токи возбуждают относительно слабое магнитное поле в воздухе. 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; для защиты от этих влияний приборы имеют экраны. Так как 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 — элементов с нелинейными свойствами - точность электродинамического прибора может быть высокой - класса 0,2 и даже 0,1.

Цифровые электронные приборы.

Цифровые измерительные приборы широко применяются для измерения частоты, интервалов времени, напряжения, разности фаз и т. д. К их общим достоинствам относятся высокие чувствительность и точность, объективность отсчета показаний, возможность сопряжения с другими цифровыми устройствами для обработки результатов измерения, а к недостаткам - сложность изготовления и ремонта, высокая стоимость, а также утомление оператора при длительном наблюдении за цифровым индикатором. Ограничимся здесь рассмотрением структурной схемы цифрового вольтметра постоянного напряжения (рис. 8). На рис. 9 приведена совмещенная временная диаграмма работы различных блоков структурной схемы.

Рис. 8

Рис. 9

Совместную работу блоков цифрового вольтметра синхронизирует блок управления, например мультивибратор, на выходных выводах которого формируются отрицательные импульсы напряжения u₁ их с периодом повторения Т. Импульсы напряжения u₁ одновременно включают генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) и селектор. На выходе ГЛИН формируется напряжение, нарастающее по линейному закону, u_глин = St, которое подается на вход блока сравнения, т. е. компаратора.

Селектор связывает выход высокочастотного импульсного генератора (частота f) со входом счетчика. В блоке сравнения линейно нарастающее напряжение ГЛИН сравнивается с измеряемым постоянным напряжением Uвх.

Через интервал времени Δt от начала запуска ГЛИН в работу напряжение на его выходе становится равным измеряемому напряжению, т.е. Uвх= SΔt, где S называется крутизной преобразования. В этот момент времени на выходе блока сравнения формируется положительный импульс напряжения u₂, который поступает на вход селектора и прекращает связь между выходом высокочастотного генератора и входом счетчика. Таким образом, в цифровом вольтметре измеряемое напряжение сначала преобразуется в пропорциональный интервал времени Δt = Uвх/S, а затем этот интервал времени преобразуется в пропорциональное интервалу число импульсов

n = Δt f = f U_вх/S,

которое фиксируется цифровым индикатором. Так как частота f велика, а крутизна преобразования S мала, то даже малым значениям входного напряжения Uвх соответствует большое число импульсов n, что обеспечивает высокие чувствительность и точность прибора. Цифровая индикация результатов измерения обеспечивает объективность отсчета показаний.