Средства для измерения силы тока и напряжения

Электромеханические измерительные приборы относятся к приборам прямого преобразования, в которых электрическая измеряемая величина х непосредственно определяет показания отсчетного устройства. Любой электромеханический прибор состоит из следующих главных частей:

• • неподвижной, соединенной с корпусом прибора;
• • подвижной, механической или оптической, связанной с отсчетным устройством.

Отсчетное устройство предназначено для наблюдения значений измеряемой величины. Оно состоит из шкалы и указателя, располагаемых на лицевой стороне прибора. Шкалой называется совокупность отметок (штрихов), расположенных в определенной последовательности, и проставленных у некоторых из них чисел отсчета, соответствующих ряду последовательных значений измеряемой величины. Шкалы могут быть равномерными и неравномерными (квадратичными, логарифмическими и др.). Расстояние между двумя соседними штрихами называется делением шкалы. Разность значений измеряемой величины, соответствующая двум соседним отметкам, называется ценой деления.

Указатели делятся на стрелочные и оптические. Оптические указатели состоят из источника света, зеркальца, расположенного на подвижной части, и системы зеркал, удлиняющих путь луча света и направляющих его на полупрозрачную шкалу. Эти указатели обеспечивают булыпую чувствительность прибора и меньшую погрешность отсчета по сравнению со стрелочным.

Подвижная часть прибора снабжается осью или полуосями, которые оканчиваются запресованными в них стальными кернами. Последние опираются на корундовые или рубиновые подпятники (рис. 3.3, а). Трение керна о подпятник снижает чувствительность и точность прибора, поэтому подвижную часть устанавливают на растяжках или подвесах (рис. 3.3, б, в).

Рис. 33. Способы установки подвижной части прибора:

а — на оси; б — на растяжках; в — на подвесе Электромеханический измерительный прибор содержит следующие узлы:

• • узел, создающий вращающий момент;
• • узел, создающий противодействующий момент;
• • успокоитель.

Электромагнитная энергия W_3M поступает от измеряемого объекта в узел, создающий вращающий момент, и вызывает поворот подвижной части прибора. Вращающий момент М_в можно описать уравнением.

Под воздействием вращающего момента подвижная часть всегда будет поворачиваться до упора. Противодействующий момент М _у направленный навстречу вращающему моменту, можно получить за счет механических или электрических сил. В первом случае он создается с помощью плоских спиральных пружин или металлических нитей, закрепленных концами на неподвижной и подвижной частях прибора и закручивающихся при повороте подвижной части.

Рис. 3.4. Зависимость угла поворота от величины вращающего момента.

Механический противодействующий момент прямо пропорционален углу поворота а

где W_a — удельный противодействующий момент, зависящий от свойств упругого элемента.

Во втором случае противодействующий момент создается за счет электромагнитной энергии измеряемой величины в соответствии с формулой (3.1).

Движение подвижной части прибора прекращается в некотором положении а₀, когда М_в = М_п (рис. 3.4). Подставляя значение М_ви М_п из формул (3.1) и (3.2), можно получить выражение для угла поворота подвижной части прибора в виде.

Если противодействующий момент создается за счет электромагнитной энергии, движение прекращается, когда М_х = М,_} противоположного направления. В общем виде на основе формулы (3.1) выражения для моментов можно записать М_х = a_xf (a)x_{ и М₂ = a₂f (a)x₂, где х_{ и х₂ — электрические измеряемые величины.

Успокоитель ускоряет процесс затухания колебаний подвижной части прибора, выведенной из равновесия. Момент успокоения.

где Р — коэффициент успокоения, зависящий от типа и конструкции успокоителя; da/dt — угловая скорость перемещения подвижной части.

Рис. 35. Успокоители:

а — воздушный; б — магнитоиндукционный Наиболее распространены воздушные, жидкостные и магнитоиндукционные успокоители (рис. 3.5), с помощью которых время успокоения сокращается до 3—4 с. По принципу преобразования электромагнитной энергии в механическую приборы разделяются на несколько групп (систем). Основными системами являются магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая (ферродинамическая) и электростатическая.

Магнитоэлектрические приборы применяются в качестве амперметров, вольтметров и гальванометров для измерений в цепях постоянного тока, а в сочетании с преобразователями переменного тока в постоянный — и для измерений в цепях переменного тока.

Узел, создающий вращающий момент, состоит из сильного постоянного магнита и легкой подвижной катушки, по которой протекает измеряемый ток (рис. 3.6, а).

Обмотка подвижной катушки состоит из витков тонкого провода, поэтому магнитоэлектрический прибор можно применять только в качестве микроили миллиамперметра и милливольтметра.

Катушка в форме прямоугольной рамки помещена в кольцевом зазоре между полюсными наконечниками магнита и цилиндрическим сердечником, т. е. в радиальном магнитном поле. Принцип действия магнитоэлектрических приборов заключается во взаимодействии ноля постоянного магнита с проводником (катушкой), по которому протекает измеряемый ток. При этом возникает пара сил F (pnc. 3.6, б), создающая вращающий момент. Энергия магнитоэлектрической системы является суммой энергий поля магнита W_{n м}, катушки с током и взаимодействия поля магнита и катушки с током ЧЧ, где Ч* — потокосцепление, численно равное произведению числа силовых магнитных линий, пересекаемых обеими сторонами катушки при ее повороте на угол а, на число витков п ее обмотки.

где В — магнитная индукция в зазоре, Тл; s — площадь обеих сторон катушки, м².

Рис. 3.6. Магнитоэлектрический прибор:

1 — корректор; 2 — противодействующие пружины; 3 — подвижная катушка; 4 — полюсные наконечники; 5 — стрелка; 6 — сердечник Таким образом, вся энергия, сосредоточенная в узле, вызывающем вращающий момент, равна.

На основании формулы (3.1), дифференцируя выражение (3.6) по перемещению, получаем уравнение вращающего момента.

На основании формулы (3.2) отклонение подвижной части прибора.

где Sj = Bns/W — чувствительность прибора по току.

Формула (3.8) описывает градуировку шкалы прибора магнитоэлектрической системы, эта шкала равномерна (линейна), а поскольку отклонение указателя пропорционально измеряемому току, при включении следует соблюдать полярность, так как прибор чувствителен к постоянному току. При включении прибора в цепь, где протекает пульсирующий или импульсный ток, отклонение указателя будет пропорционально постоянной составляющей (среднему значению) этих токов; в цепи с током синусоидальной формы вследствие инерционности подвижной части показания окажутся равными нулю и лишь при частоте переменного тока ниже 10 Гц подвижная часть с указателем будет совершать колебательные движения.

Время установления показаний сокращается с помощью электромагнитного успокоения, возникающего за счет индуцированного тока в катушке, возбуждаемого при пересечении ею магнитного поля I = e/R_v где е — индуцированная ЭДС, R_? — сумма сопротивлений подвижной катушки и внешней цепи, на которую она замкнута.

Момент электромагнитного успокоения.

Коэффициент успокоения в соответствии с формулой (3.4).

Для увеличения коэффициента успокоения нужно уменьшить общее сопротивление, что не всегда возможно. Выход состоит в том, что катушка наматывается на алюминиевом каркасе, в котором индуцируется ЭДС; тогда формула (3.9) примет вид.

где R_k — электрическое сопротивление каркаса.

Если катушку утяжелять нежелательно, то она выполняется бескаркасной (витки склеиваются), а для получения индуцированной ЭДС наматывают дополнительный короткозамкнутый виток.

Имеются конструкции магнитоэлектрических приборов с неподвижной катушкой и подвижным магнитом на одной оси с указателем (рис. 3.6, в).

К достоинствам магнитоэлектрических приборов относятся высокие чувствительность (до 3*10 ^ИА) и точность (до класса 0,05), малое потребление мощности от измеряемой цепи (И)⁵—10 ⁶Вт), влияющая величина — температура окружающей среды.

Недостатки: сложность изготовления и ремонта, недопустимость даже кратковременных перегрузок (деформируются или перегорают токоподводящие пружинки, нити растяжек и подвесов).

Амперметры, вольтметры. Для измерения токов параллельно зажимам прибора присоединяется электрический шунт, представляющий собой прямоугольную манганиновую пластину. Для измерения токов выше 50А применяют наружные шунты. Переносные приборы снабжаются внутренними с широкими пределами шунтами или наружными их наборами на несколько номинальных токов. Выбор шунта для данного прибора зависит от заданного расширения пределов измерения т = 1/1 _Л и внутреннего сопротивления прибора (сопротивления его катушки) R_v Для электрической цепи, приведенной на рис. 3.7, а, справедливо I_AR_A =

Рис. 3.7. Схема расширения пределов измерения:

а — амперметра; б — вольтметра.

Рис. 3.8. Графики различных режимов подвижной части гальванометра.

где S₍, — чувствительность вольтметра по напряжению; R_v — сопротивление проводов катушки.

Сопротивление обмотки катушки мало и для измерения больших напряжений последовательно ей включают добавочные резисторы с сопротивлением R _t. Пусть необходимо расширить предел измерений в т = U/U_v раз. Для электрической цепи (рис. 3.7, б) U_R //?_д= U_v/R_v, откуда R ₍= R_vU_r / U_v = R_v(m — i). Следовательно, на катушке прибора падение напряжения составит (1/т)-ю часть измеряемого напряжения, а на добавочном резисторе в (т — 1) раз больше. В формуле (3.10) вместо R_v нужно подставить R_v + R _{.

Гальванометры. Особо чувствительны магнитоэлектрические приборы для измерения токов, напряжений и количества электричества. Гальванометры часто используют в качестве пулевых индикаторов, показывающих отсутствие тока в цепи. Для этого выпускаются гальванометры с двухсторонней шкалой, т. е. с нулевой отметкой посередине.

Гальванометры подразделяются на переносные и стационарные. Подвижная катушка у переносных гальванометров крепится на растяжках, а внутреннее отсчетное устройство снабжено оптическим указателем. Стационарные (зеркальные) гальванометры выполняют с подвесом рамки (катушки) и внешней шкалой, на которую падает луч света, отраженный от зеркальца (см. рис. 3.3, в). Легкая катушка и малый удельный противодействующий момент создают условия для возникновения механических затухающих колебаний подвижной части гальванометра (рис. 3.8, кривая 1). Для ускорения затухания колебаний применяют электромагнитное успокоение. Коэффициент успокоения в соответствии с формулой (3.9).

где R_r — сопротивление проводов рамки гальванометра; R_H — сопротивление наружного резистора (цепи), на который замкнута рамка.

Зная, что Р =f (R_r+R_n), то изменяя наружное сопротивление, можно влиять на коэффициент успокоения и интервал времени успокоения. Положим, что при Р = Р_кр наступает критический режим, при котором в течение минимального интервала времени t наступает успокоение. Введем понятие степени успокоения Р.

где й — значение наружного сопротивления, при котором возникает критический режим.

В критическом режиме р = 1 процесс установления характеризуется кривой 3 на рис. 3.8. Если р_кр > 1, режим апериодический (кривая 2), если (З_кр < 1 — колебательный (кривая 1). В паспортных данных гальванометра приводятся значения R_r, R_H, собственный период механических колебаний Т₀ и длительность успокоения в критическом режиме t_y.