Электромагнитные измерительные приборы достоинства и недостатки

Основные понятия измерений

Измерением называют процесс сравнения измеряемой величины с величиной того же рода, условно приятой за единицу измерения.

Материальный образец единицы измерения ее дробного или кратного значения называется мерой.

Устройство, предназначенное для сравнения измеряемой величины с единицей измерения или с мерой, называют измерительным прибором.

Меры и приборы, предназначенные для хранения или воспроизводства единиц, а также для поверки и градуировки приборов, носят название образцовых.

Результат всякого измерения несколько отличается от действительного значения измеряемой величины. Действительное значение измеряемой величины это значение, определяемое при помощи образцовых приборов (образцовых мер).

Разность между измеренным и действительным значением величины составляет абсолютную погрешность измерения. Выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности к действительному или измеренному значению представляет собой относительную погрешность, которая применяется для оценки качества измерения.

Цифровые электроизмерительные приборы (рис. 3.19)

состоят из входного усилительного устройства ВУУ, аналого-цифрового преобра­зователя АЦП, который служит для преобразования непрерывного сигнала Y в цифровой код Y¢, генератора импульсов ГИ. цифровых счетчика и индикатора ЦСИ, управляющего устройства УУ с ком­мутационным и логическими блоками. Они предназначены для из­мерения и быстрого отсчета электрических величин и параметров с высокой точностью и надежностью. В них входной сигнал усили­вается и преобразуется в дискретный выходной сигнал А в цифро­вой форме.

Цифровые измерительные приборы (ЦИП) используются с 1960 г. как при научных и иных исследованиях, так и в обычной производ­ственной практике. ЦИП имеют, кроме высокой точности, возмож­ность запоминать, передавать на расстояние и вводить в ЭВМ измерительные значения, а также свободны от утомительного отсче­та и многих проблем технического обслуживания.

ЦИП по виду измеряемых величин делятся на вольтметры, ом­метры, мосты, измерители частоты и интервалов времени, комби­нированные и специализированные приборы. Последние служат для измерения температуры, массы грузов, скорости перемещения материалов и т. п. Комбинированные ЦИП позволяют измерять напряжение постоянного и переменного тока, сопротивление посто­янному току, емкость и индуктивность. Основой таких приборов являются цифровой вольтметр постоянного тока и ряд преобразователей электрических величин в напряжение постоянного тока.

Промышленность выпускает ряд типов ЦИП. Для примера приведем цифровой вольтметр типа Щ1513, который предназначен для измерения напряжения постоянного тока 0 – 1000 В со временем преобразования 0,02 с. Другой ЦИП переменного тока типа Ф219 служит для измерения средневыпрямленных значений переменных напряжений 0,2 – 1000 В при классах точности 0,4/0,25 и 1,0/0,5 со временем преобразования 120 мс.

Достоинства: 1- высокая чувствительность, 2- хорошая защищенность от внешних магнитных полей, 3- малое собственное потребление энергии, 4- приборы могут быть выполнены высокого класса точности.

Недостатки:1- прибор измеряет только постоянную составляющую сигнала, 2- прибор боится перегрузок.

Область применения – микро- и миллиамперметры в цепях постоянного тока, а с преобразованиями и в цепях переменного тока.

Из анализа характеристик рассмотренных электромеханических приборов следует, что приборы магнитоэлектрической системы по сравнению с другими приборами обладают рядом существенных достоинств, однако для применения их в цепях переменного тока необходимо преобразование переменного тока в постоянный.

В качестве преобразователей переменного тока в постоянный могут использоваться:

1 – термопреобразователи, такие приборы называются термоэлектрическими;

2 – полупроводниковые диоды, такие приборы называются выпрямительными.

Измерительный механизм прибора магнитоэлектрической системы состоит из двух частей.

Неподвижная часть состоит из постоянного магнита 1, его полюсных наконечников 2 и неподвижного сердечника 3. В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником существует сильное магнитное поле.

Подвижная часть измерительного механизма состоит из легкой рамки 4, обмотка которой навивается на алюминиевый каркас, и двух полуосей 5, неподвижно связанных с каркасом рамки. Концы обмотки припаяны к двум спиральным пружинам 6, через которые в рамку подводится измеряемый ток. К рамке прикреплены стрелка 7 и противовесы 8.

В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником устанавливается рамка. Ее полуоси вставляются в стеклянные или агатовые подшипники.

При прохождении тока по обмотке рамки последняя стремится повернуться, но ее свободному повороту противодействуют спиральные пружины. И тому углу, на который рамка все же развернется, оказывается, соответствует определенная сила тока, который протекает по обмотке рамки. Иными словами, угол поворота рамки пропорционален силе тока. Фиксируют угол поворота рамки по стрелке, которая к рамке жестко прикреплена. Так как угол поворота стрелки пропорционален силе тока, то шкала измерительного прибора магнитоэлектрической системы равномерная.

У амперметров и вольтметров измерительные механизмы в принципе одинаковы. Их отличие заключается лишь в электрическом сопротивлении рамок. У амперметра сопротивление рамки значительно меньше, чем у вольтметра.

Электрический прибор имеет электрический измерительный механизм с недвижной катушкой, по обмотке которой протекает электронный ток, и один либо несколько ферромагнитных сердечников, установленных на оси.

Электрические измерительные приборы употребляют в амперметрах, вольтемтрах, частотометрах и фазометрах.

Электрические приборы изготавливают или с плоской, или с круглой катушкой. Плоскую недвижную катушку (рис. 1, а) наматывают обычно из толстой проволоки 1 на неферромагнитный каркас 2 так, что в ней появляется зазор. Рядом с зазором располагают ферромагнитную пластинку 7, ось пластинки размещена асимметрично, на оси укрепляют стрелку 8 прибора, перемещающуюся повдоль шкалы 3 прибора. На оси укреплены противодействующая пружина 6 и дюралевый сектор 5, который может поворачиваться в поле неизменного магнита 4.

Рис. 1. Электрический измерительный механизм: а — с плоской катушкой, б — с круглой катушкой

Плюсы электрических измерительных устройств

Угол отличия стрелки электрического измерительного прибора находится в зависимости от квадрата тока. Это гласит о том, что приборы электрической системы могут работать в цепях неизменного и переменного тока.

При протекании по катушке переменного тока подвижный сердечник перемагничивается сразу с конфигурацией направления магнитного поля, и направление крутящего момента не изменяется, другими словами изменение знака тока не оказывает влияние на символ угла отличия. Показание прибора в цепи переменного тока пропорционально действующим значениям измеряемых величин.

Электрические измерительные приборы ординарны по устройству, дешевы, в особенности щитовые. Они могут конкретно определять огромные токи, потому что катушки у их недвижны и их просто сделать из проводов с большой площадью сечения.

Индустрия изготовляет амперметры электрической системы для конкретного включения на токи до 150 А.

Электрические измерительные приборы выдерживают не только лишь краткосрочные, да и долгие перегрузки, если таковые появляются в процессе измерения.

Недочеты электрических измерительных устройств

К недочетам электрических измерительных устройств можно отнести: неравномерность шкалы и относительно низкую чувствительность при измерении малых токов, другими словами сравнимо низкую точность измерения сначала шкалы, зависимость показаний устройств от воздействия наружных магнитных полей, маленький частотный спектр измерений, огромную чувствительность устройств к колебаниям частот тока и огромное их собственное потребление (достигающее 2 Вт у амперметров на токи до 10 А и 3 — 20 Вт у вольтметров зависимо от напряжения).

У многих устройств шкала близка к равномерной.

Электрические измерительные приборы подвержены воздействию наружных магнитных полей, потому что имеют очень слабенькое собственное магнитное поле. Дело в том, что катушки изготовляют без ферромагнитных сердечников, потому создаваемое в их магнитное поле замыкается по воздуху, а понятно, что воздух представляет собой, среду с очень огромным магнитным сопротивлением. Для устранения воздействия магнитных полей обширно употребляют разные магнитные экраны либо изготовляют приборы в астатическом выполнение

В астатических измерительных устройствах заместо одной катушки с сердечником используют две недвижные катушки и два сердечника, соответственно насаженных на одну ось со стрелкой. Обмотки катушек соединены меж собой поочередно и так, что при прохождении через их измеряемого тока в их создаются магнитные потоки, направленные навстречу один другому.

Если измерительный прибор оказывается во наружном магнитном поле, то оно увеличивает магнитное поле у одной катушки и уменьшает у другой. Как следует, повышение крутящего момента у одной катушки компенсируется таким же уменьшением крутящего момента у 2-ой. Так компенсируется воздействие наружного однородного магнитного поля. Если наружное магнитное поле неоднородно, то происходит только частичная компенсация.

Основной частью электромагнитного прибора является электромагнитный ИМ. Принцип действия электромагнитного измерительного механизма основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого проводником с током, и ферромагнитного сердечника.

В настоящее время применяется большое число различных типов электромагнитных приборов, которые различаются по назначению, конструкции ИМ, форме катушек и сердечников и т. д.

В зависимости от инерционности подвижной части или частоты ее собственных колебаний все электромагнитные приборы разде­ляются на две группы: резонансные и нерезонансные. Резонансные работают только на переменном токе. В нерезонансных приборах момент инерции подвижной части значителен, и смещение подвижной части пропорционально квадрату действующего значения тока.

Обе группы приборов делятся на две подгруппы: поляризован­ные и неполяризованные. В поляризованных приборах кроме намагничивающей катушки имеется постоянный магнит. Поляри­зованные нерезонансные приборы не обладают высокой точностью. Из резонансных приборов в основном применяются язычковые герцметры.

В зависимости от характера магнитной цепи нерезонансные приборы разделяются на приборы с магнитопроводом, условно называемым замкнутым, и без магнитопровода. Приборы с магнитопроводом имеют меньшее собственное потребление мощности, но вместе с этим и значительные погрешности из-за потерь в магнитопроводе от вихревых токов и гистерезиса. Приборы без магнитопровода имеют малое собственное магнитное поле и большую зависимость показаний от влияния внешних магнитных полей и позволяют создать приборы высокой точности для работы на постоянном и переменном токе. Эти приборы подразделяются на приборы отталкивающего и втяжного действия. В приборах первого типа расположенные внутри катушки с током ферромагнитные сердечники намагничиваются одноименно и отталкиваются друг от друга (рис. 3.9).

1 – катушка; 2 – подвижный сердечник; 3 – неподвижный сердечник; 4 – ось; 5 – пружинка; 6 – стрелка

1 – катушка; 2, 3 – призматические сердечники; 4 – ось; 5 -пружинка; 6 – стрелка

В приборах второго типа подвижный ферромагнит­ный сердечник втягивается в магнитное поле катушки с током (рис. 3.10)

1 – плоская катушка; 2 – сердечник; 3 – магнитный шунт; 4 – ось;

1 – катушка; 2 – стержень; 3, 5 – полюсные наконечники; 4 – сердечник

В настоящее время чаще других применяют электромагнитные измерительные механизмы с прямоугольными и круглыми намагничивающими катушками, призматическими и цилиндрическими сердечниками.

При прохождении тока J по намагничивающей катушке 1 в результате взаимодействия электромагнитного поля катушки и сердечника возникает вращающий момент МВР, который определяется по формуле

где L -индуктивность катушки.

Противодействующий момент может со­здаваться как с помощью спиральных пружинок так и электрическим способом (в электромагнитных логометрах), а успокоение подвижной части механизма осуществляется воздушным или магнитоиндукционным успокоителем.

При создании противодействующего момента с помощью пружинок получим уравнение преобразования электромагнитного прибора

Из выражения (3.14) следует, что угол отклонения подвижной части электромагнитного механизма не зависит от направления тока, и эти ИМ могут использоваться в цепях постоянного и переменного тока. В цепи переменного тока они измеряют действующее значение тока (или напряжения).

Электромагнитный логометр содержит две катушки и два ферромагнитных сердечника, укрепленных на одной оси. Конструкция выполнена так, что при протекании токов J1 и J2 по катушкам движение одного из сердечников увеличивает индуктивность соответствующей катушки, а второго – уменьшает. Это приводит к тому, что вращающие моменты будут направлены в противоположные стороны, т. е. один момент будет вращающим, а второй – противодействующим. Уравнение преобразования электромагнитного логометрического измерительного механизма можно записать как:

Электромагнитные приборы обладают рядом достоинств, к которым можно отнести: 1) возможность использования, как на постоянном, так и на переменном токе; 2) простоту конструкции и дешевизну; 3) надежность в эксплуатации; 4) широкий диапазон пределов измерений; 5) способность выдерживать большие перегрузки и др.

Приборы на основе электромагнитного измерительного механизма применяются для измерения тока и напряжения в цепях постоянного и переменного тока. Наиболее просто реализуются однопредельные электромагнитные амперметры и миллиамперметры.

Классификация электроизмерительных приборов

Электроизмерительные приборы делятся на приборы непосредственной оценки и приборы сравнения.

К приборам непосредственной оценки, например, относятся: ваттметр, счетчик, т.е. приборы, дающие численное значение измеряемой величины по их отсчетному приспособлению.

Прибор сравнения применяется для сравнения измеряемой величины с мерой, например мост для измерения сопротивлений.

При технических измерениях чаще применяют приборы непосредственной оценки как более простые, дешевые и требующие мало времени для измерения.

Приборы сравнения используют для более точных измерений.

Разнообразие систем измерительных приборов, обладающих различными свойствами, вызвано разнообразием условий и требований при измерениях электрических величин.

По степени точности электроизмерительные приборы делятся на восемь классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5 и 4. На шкалах приборов число класса точности пишется внутри окружности.

Число класса точности прибора обозначает основную допустимую приведенную погрешность прибора. Основной допустимой приведенной погрешностью называется выраженное в процентах отношение наибольшей допустимой по стандарту абсолютной погрешности прибора, находящегося в нормальных условиях эксплуатации, к номинальной величине прибора.

Прибор находится в нормальных условиях, если установлен в положение, указанное на шкале прибора, находится в среде с нормальной температурой (+20 °C) и не подвергается действию внешнего магнитного поля (кроме земного).

Номинальной величиной измерительного прибора называется верхний предел его измерения. Погрешность может быть положительной или отрицательной.

Относительной погрешностью при измерении прибором величины называют выраженное в процентах отношение наибольшей возможной абсолютной погрешности прибора к измеренному значению величины, то есть погрешность измерения равна погрешности прибора, умноженной на отношение номинальной величины прибора к измеренному значению.

Чем меньше измеряемая величина по сравнению с номинальной величиной прибора, тем больше погрешность измерения этой величины; следовательно, измеряемая величина должна иметь значение не менее половины номинальной величины прибора.

Таблица 1. Условные обозначения принципа действия прибора

Таблица 2. Дополнительные обозначения, указываемые на приборах

Таблица 3. Достоинства, недостатки и область применения приборов

Таблица 4. Классификация приборов по способу защиты от внешних полей

Электросчетчики

Для учета электрической энергии промышленностью выпускаются электросчетчики активной и реактивной энергии.

На рис. 7 изображен электросчетчик активной энергии. Счетчик имеет две обмотки — параллельную ОН, включенную на напряжение сети, и последовательную ТО, через которую протекает ток, потребляемый электроприборами. Принцип действия следующий. Магнитные потоки Ф от последовательной и параллельной обмоток пересекают край алюминиевого диска Д, в котором наводятся местные вихревые токи, порождающие в нем магнитные поля. Последние, взаимодействуя с основными магнитными потоками, приводят диск во вращение. Обороты диска передаются счетному механизму СМ, который дает отсчет в киловатт-часах. Магнит М предназначен для торможения диска, устраняет самоход счетчика.

Рис. 7. Схема устройства и включения счетчика активной энергии: ТО — токовая обмотка; ОН — обмотка напряжения; Д — диск алюминиевый; ЧМ — червячный механизм; СМ — счетный механизм; М — магнит для притормаживания диска от самохода

Израсходованная энергия регистрируется счетным механизмом (рис. 8), приводимым в движение от червячной передачи (или шестеренки) В, укрепленной на оси счетчика. Движение диска передается пяти роликам, на боковых поверхностях которых нанесены цифры от 0 до 9. Ролики свободно надеты на ось А.

Первый (на рис. 8 — правый) скреплен с шестеренкой и при движении диска счетчика беспрерывно вращается. Один оборот первого ролика вызовет поворот второго ролика на 1/10 часть оборота. Один оборот второго — вызовет поворот третьего ролика на 1/10 часть оборота и т.д. Ролики прикрыты алюминиевым щитком, через отверстия в котором видно только по одной цифре каждого ролика. Прочитанное через отверстия в щитке числовое значение дает величину энергии, учтенную счетчиком за весь период его работы с того момента, когда показания его соответствовали нулевому значению.

Рис. 8. Схема счетного механизма

На шкале электросчетчика указан его тип, напряжение, на которое он рассчитан, величина номинального тока и так называемая постоянная счетчика.

Для измерения электрической энергии в трехфазных четырехпроводных цепях применяется трехэлементный счетчик. Он имеет три электромагнитные системы такие же, как и у однофазного счетчика, которые воздействуют на три диска, укрепленные на одной оси. Счетчик имеет один счетный механизм.

Для измерения электроэнергии в трехфазных трехпроводных цепях применяются двухэлементные двухдисковые или однодисковые счетчики (рис. 9).

Рис. 9. Схема устройства и включения двухэлементного однодискового счетчика

Измерительные механизмы приборов

Измерительный механизм — основная часть каждого измерительного прибора. При воздействии на измерительный механизм измеряемой или функционально связанной с ней вспомогательной величины происходит перемещение его подвижной части. По углу поворота или по линейному перемещению подвижной части определяется значение измеряемой величины.

Магнитоэлектрический измерительный механизм

Подвижная часть магнитоэлектрического измерительного механизма (рис. 1) состоит из прямоугольной катушки (рамки) В. Обмотка рамки из тонкого изолированного медного провода наложена на алюминиевый каркас. На рамке укреплены две полуоси — керны, установленные в опорах. На одной из полуосей укреплены стрелка и концы спиральных пружин, через которые ток подводится к обмотке рамки.

Рис. 1. Магнитоэлектрический измерительный механизм

Боковые стороны рамки расположены в узком воздушном зазоре А между неподвижным стальным цилиндром Б и полюсными башмаками N, S. Сильный постоянный магнит N—S создает в воздушном зазоре однородное радиальное магнитное поле.

На боковые стороны рамки, расположенные в магнитном поле, при наличии тока в обмотке, будет действовать пара сил F, F (рис. 2). Таким образом создается вращающий момент, пропорциональный току в рамке. Под действием этого момента рамка повернется на угол a, при котором вращающий момент уравновесится противодействующим моментом пружин. Последний пропорционален углу закручивания пружин. Угол поворота рамки пропорционален току.

Рис. 2. Получение вращающего момента в магнитоэлектрическом измерительном механизме

Успокоителем называется приспособление, предназначенное для уменьшения времени колебаний подвижной части, возникающих после включения прибора. В магнитоэлектрическом измерительном механизме успокоителем является алюминиевый каркас рамки. При повороте подвижной части изменяется магнитный поток, пронизывающий каркас. В каркасе индуктируются токи, взаимодействие которых с магнитным полем магнита создает тормозной момент, обеспечивающий успокоение.

Рассмотренный измерительный механизм в связи с малым сечением пружин и провода обмотки изготавливается на малые номинальные токи 10—100 мА и меньше.

При включении магнитоэлектрического измерительного механизма рассмотренной конструкции в цепь переменного тока вращающий момент будет изменяться пропорционально мгновенному значению тока. При таком быстром изменении момента вследствие инерции подвижная часть не успеет следовать за изменением момента, и она отклонится на угол, пропорциональный среднему за период значению вращающего момента. При синусоидальном токе среднее значение тока, а следовательно, и момента равно нулю и подвижная часть не отклонится. Таким образом, рассмотренный измерительный механизм пригоден только для измерений в цепи постоянного тока.

Ферродинамический измерительный механизм

Принцип работы этого измерительного механизма тот же, что и электродинамического. Он отличается от последнего наличием стального сердечника из листовой стали, на который наложена неподвижная катушка, и неподвижного цилиндра из той же стали, который охватывается подвижной катушкой (рис. 6).

Стальной магнитопровод усиливает поле измерительного механизма, вследствие чего увеличивается вращающий момент, что приводит к более прочной конструкции и уменьшает влияние внешних магнитных полей на показания измерительного механизма. Применение стали увеличивает погрешности от остаточной индукции и вихревых токов в магнитопроводе.

Рис. 6. Ферродинамический измерительный механизм

Электромеханические измерительные приборы.

Устройство электромеханических приборов

Электромеханические измерительные приборы (ЭИП) отличаются простотой, дешевизной, высокой надежностью, разнообразием применения, относительно высокой точностью.

Любой ЭИП состоит из ряда функциональных преобразователей, каждый из которых решает свою элементарную задачу в цепи преобразований. Так, самый простейший измерительный электромеханический прибор прямого преобразования (вольтметр, амперметр) состоит из трех основных преобразователей: измерительной цепи (ИЦ), измерительного механизма (ИМ) и отсчетного устройства (ОУ) (рис. 1).

Измерительная цепь обеспечивает преобразование электрической измеряемой величины X в промежуточную электрическую величину Y (ток или напряжение), функционально связанную с измеряемой величиной и непосредственно воздействующую на измерительный механизм.

Измерительный механизм является электромеханическим преобразователем, осуществляющим преобразование электрической величины Y в наглядное аналоговое показание а. На магнитном воздействии электрического тока основаны магнитоэлектрический, электромагнитный, индукционный, электродинамический и вибрационный измерительные механизмы. Тепловое воздействие электрического тока используют биметаллический и тепловой измерительные механизмы. На взаимодействии заряженных электродов, находящихся под напряжением, основан принцип работы электростатического измерительного механизма.

Отсчетное устройство состоит из указателя, жестко связанного с подвижной частью ИМ, и неподвижной шкалы. Указатели бывают стрелочные (механические) и световые. Шкала — это совокупность отметок в виде штрихов, расположенных вдоль линии, по которым определяют числовое значение измеряемой величины. Шкалы градуируют в единицах измеряемой величины — именованная шкала — либо в делениях — неименованная шкала.

В общем случае на подвижную часть ИМ при ее движении воздействуют моменты: вращающий Мвр, противодействующий Мщ и успокоения Мусп.

Виды электромеханических измерительных механизмов.

Магнитоэлектрические приборы приборы (МЭП) состоят из измерительной цепи, измерительного механизма и отсчетного устройства (см. рис. 1). Конструктивно измерительный механизм может быть выполнен либо с подвижным магнитом, либо с подвижной катушкой. На рис.2 показана конструкция прибора с подвижной катушкой. Постоянный магнит 1,магнитопровод с полюсными наконечниками 2 и неподвижный сердечник 3 составляют магнитную систему механизма. В зазоре с полюсными наконечниками и сердечником создается сильное равномерное радиальное магнитное поле, в котором находится подвижная прямоугольная катушка 4, намотанная медным или алюминиевым проводом на алюминиевом каркасе (применяются и бескаркасные рамки). Катушка (рамка) 4 может поворачиваться в зазоре на полуосях 5 и 6. Спиральные пружины 7 и 8 создают противодействующий момент и используются для подачи измеряемого тока от выходных зажимов прибора в рамку (механические и электрические соединения на рис.2 не показаны), рамка жестко соединена со стрелкой 9. Для балансировки подвижной части имеются передвижные грузики 10. Запас электромагнитной энергии в контуре с током I, находятся в поле постоянного магнита, выражается формулой:

WМ — полное потокосцепление данного контура с магнитным полем постоянного магнита.

Рис. 2. Схема устройства магнитоэлектрического прибора

Достоинства: высокий класс точности — 0,05 и ниже, равномерная шкала, высокая и стабильная чувствительность, малое собственное потребление мощности, большой диапазон измерений, на показания МЭП не влияют внешние магнитные и электрические поля.

Недостатки: без преобразователей МЭП используют только в цепях постоянного тока, имеют малую нагрузочную способность, сложны и дороги, на их показания влияют колебания температуры.

Применение: магнитоэлектрические ИМ используют в амперметрах, вольтметрах, омметрах и гальванометрах (обычных, баллистических и вибрационных).

2. Вольтметры. Магнитоэлектрический измерительный механизм, включенный параллельно нагрузке. Для расширения пределов измерения по напряжению последовательно с ИМ включают добавочный резистор Rдоб, сопротивление которого больше сопротивления Rnp:

Rдоб = Rпр(m-1)

где m — коэффициент шунтирования по напряжению, m = U/ Unp.

3. Логометры. Приборы электромеханической группы, измеряющие отношение двух электрических величин, обычно двух токов a =f(I1/I2), что позволяет сделать их показания независимыми в известных пределах от напряжения источника питания.

В логометрах вращающий и противодействующий моменты создаются электрическим путем и направлены навстречу друг другу.

4. Омметры. Магнитоэлектрические логометры широко применяются в приборах для измерения сопротивления — омметрах и мегомметрах, в выпрямительных частотомерах и устройствах для измерения неэлектрических величин (температуры, давления, уровня жидкости и др.).

Электромагнитные измерительные приборы.В электромагнитных измерительных приборах (ЭМИП) для перемещения подвижной части используется энергия магнитного поля системы состоящей из катушки с измеряемым током и одного или нескольких сердечников, выполненных из ферромагнитных материалов. Получили распространение три конструкции ЭМИП: с плоской катушкой; с круглой катушкой; с замкнутым магнитопроводом. В ЭМИП с плоской катушкой сердечник из пермаллоя под действием сил поля втягивается в узкий воздушный зазор катушки с обмоткой из медного провода. Ось сердечника со стрелкой , спиральной пружиной и подвижной частью успокоителя крепится на опорах или растяжках. Успокоители в ЭМИП могут быть воздушные, жидкостные или магнитоиндукционные.

Уравнение преобразования для ЭМИП:

Электродинамические измерительные приборы. В электродинамических измерительных приборах (ЭДИП) для перемещения подвижной части используется энергия системы, состоящей из подвижной и неподвижной рамок с токами. Неподвижная часть может: иметь одну, чаще две катушки, соединенные между собой параллельно или последовательно, намотанные медным проводом, внутри которых располагается подвижная катушка, обычно каркасная. Для ее включения в цепь измеряемого тока используются пружинки или растяжки. Успокоение подвижной части — воздушное или магнитоиндукционное (рис. 3). Внутри неподвижной катушки 1 вращается укрепленная на оси подвижная катушка 2. Ток к ней подводится по спиральным токопроводящим пружинам, служащим одновременно для создания противодействующего момента. Электромагнитная энергия системы двух катушек с токами I1 и I2

Рис. 3. Схема устройства электродинамического прибора

Ферродинамические измерительные приборы(ФДП) отличаются от ЭДИП тем, что неподвижная катушка расположена на сердечнике из ферромагнитного материала. Это приводит к значительному увеличению Мвр и уменьшению влияния внешних магнитных полей. Однако наличие магнитопровода снижает точность этих приборов за счет наличия потерь на гистерезис и вихревые токи.

Достоинства: не боятся вибраций и тряски, внешние магнитные поля мало влияют на их показания, классы точности 0,2; , 1,0; 1,5; 2,5. Успокоение подвижной части — воздушное и магнитоиндукционное.

Применение: в основном используют в цепях переменного тока на промышленной частоте в качестве амперметров, вольтметров, ваттметров, большая величина Мвр позволяет использовать их в самописцах, расширение пределов измерения осуществляется так же, как у электродинамических приборов.

Электростатические измерительные приборы. В электростатических измерительных приборах (ЭСИП) для перемещения подвижной части используется принцип взаимодействия двух или нескольких электрически заряженных проводников, т. е. здесь в отличие от механизмов других систем перемещение подвижной части осуществляется за счет непосредственного приложенного напряжения, таким образом, эти приборы по своему принципу действия являются приборами, измеряющими только напряжение. Конструктивно электростатические ИП можно представить в виде плоского конденсатора с подвижными и неподвижными электродами, перемещение подвижной части связано с изменением емкости системы, которая может быть осуществлена либо изменением площади электродов, либо изменением расстояния между ними. На рис. 3 приведена схема устройства электростатического прибора.

Рис. 3. Схема устройства электростатического прибора

1- подвижная пластина; 2 — неподвижные пластины; 3 — ось

Подвижная алюминиевая пластина 1, закрепленная вместе стрелкой на оси 3, может перемещаться, взаимодействуя с двумя электрически соединенными неподвижными пластинами 2. Входное напряжение подается на подвижную и неподвижную пластины. Под действием электростатических сил подвижная пластина втягивается между неподвижными пластинами.

Недостатки: низкая чувствительность, неравномерная шкала, сказывается влияние внешних электрических и электростатических полей.

Применение: электростатические измерительные приборы используют в цепях постоянного и переменного токов в качестве вольтметров. Для расширения пределов измерения по напряжению используются резисторные и емкостные делители напряжения.

Индукционные измерительные приборы.В индукционных измерительных приборах (ИИП) особым положением катушек получают вращающееся электромагнитное поле, которое, пронизывая алюминиевый цилиндр, индуцирует в нем вихревые токи, что вызывает возникновение вращающего момента. С помощью спиральных бестоковых пружин создается противодействующий момент и обеспечивается пропорциональность измеряемой величины отклонению подвижной системы.

Зависимость показаний ИИП от колебаний частоты тока возбуждения и температуры окружающей среды ограничивает применение этих приборов.

Индукционный измерительный механизм используется в самопишущих приборах, для построения указателя вращающегося поля, синхроскопа, частотомера и в счетчиках электрической энергии.

Рис. 4. Схема однофазного индукционного счетчика

Механизм прибора состоит из двух неподвижных магнитопроводов: трехстержневого сердечника с катушкой напряжения 1 и П-образного сердечника 5 с двумя последовательно соединенными токовыми катушками, счетного механизма 2, алюминиевого диска 3, жестко укрепленного на оси, и постоянного магнита 4, служащего для создания тормозного момента.

Анализ работы индукционного счетчика показывает, что его вращающий момент пропорционален активной мощности переменного.

Важным параметром счетчика является порог чувствительности, под которым понимается минимальная нагрузка, выражаемая обычно в процентах от номинальной, при которой подвижная часть начинает безостановочно вращаться.

Наряду с этим счетчик не должен иметь самоход при разомкнутой токовой цепи и изменении напряжения в пределах 220 В ±10%.

Счетчики активной энергии выпускаются классов точности 0,5; 1,0; 2,0; 2,5. Порог чувствительности счетчика не должен превышать 0,4 % для счетчиков класса точности 0,5 и 0,5 % для счетчиков класса точности 1,0; 2,0; 2,5.

Применение: индукционные счетчики используют для измерения электрической энергии в однофазных и трехфазных цепях.

Электромагнитный измерительный механизм

Электромагнитный измерительный механизм показан на рис. 3. Он состоит из неподвижной катушки А и подвижной части — стального сердечника Б, указательной стрелки, пружины и секторообразного алюминиевого листка В успокоителя, укрепленного на одной оси.

Измеряемый ток, проходя по неподвижной катушке, создает магнитное поле, которое намагничивает сердечник Б и втягивает его внутрь катушки. По углу поворота сердечника определяют величину тока в катушке.

При движении листка В успокоителя в магнитном поле магнита М в нем индуктируются вихревые токи. Взаимодействие этих токов с полем магнита создает тормозной момент, обеспечивающий успокоение.

Рис. 3. Электромагнитный измерительный механизм

Электромагнитный измерительный механизм применим для цепей постоянного и переменного тока, так как втягивание сердечника в катушку не зависит от направления тока.

Вследствие влияния остаточной индукции сердечника втягивание, а следовательно, и показания измерительного механизма может быть различным при одинаковых значениях тока при увеличении тока и при уменьшении его. Следовательно, возможна погрешность от остаточной индукции. Для уменьшения этой погрешности сердечники изготавливают из пермалоя, остаточная индукция которого ничтожна.

Для уменьшения погрешности от внешних полей измерительный механизм окружают стальными экранами или кожухами. Для этой же цели применяют астатические измерительные механизмы с двумя последовательно соединенными катушками и соответственно с двумя сердечниками на одной оси. Измеряемый ток создает в катушках поля противоположного направления. Внешнее однородное поле уменьшает магнитное поле одной катушки и настолько же увеличивает поле второй катушки, таким образом, результирующее влияние внешнего поля будет ничтожным.

Электродинамический измерительный механизм

Электродинамический измерительный механизм (рис. 4 и 5) состоит из двух катушек — неподвижной А, имеющей две секции, и подвижной Б, укрепленной на одной оси с указательной стрелкой, крылом В воздушного успокоителя и двумя спиральными пружинами.

При прохождении тока I1, по неподвижной катушке и тока I2 по подвижной катушке между ними возникает электродинамическое взаимодействие. В результате на подвижную катушку будет действовать пара сил FF (рис. 4), то есть вращающий момент. Поворот подвижной катушки происходит до тех пор, пока вращающий момент не уравновесится противодействующим моментом пружин.

При постоянном токе вращающий момент и угол поворота подвижной катушки пропорционален произведению токов в катушках. При переменном токе

Рис. 4. Электродинамический измерительный механизм

Рис. 5. Получение вращающего момента в электродинамическом измерительном механизме

вращающий момент и пропорциональный ему угол поворота подвижной катушки определяется произведением действующих значений токов в катушках и косинусу угла сдвига между ними.

Отсутствие стали в измерительном механизме, а следовательно, и погрешности от остаточной индукции обеспечивают возможность изготовить эти механизмы для измерений высокой точности.

Для уменьшения погрешностей от внешних магнитных полей, обусловленных слабым магнитным полем измерительного механизма, применяются те же средства, что и для электромагнитных измерительных механизмов.

Слабому магнитному полю соответствует слабый вращающий момент и, следовательно, для получения высокой точности необходимо уменьшить погрешность от трения. Это достигается уменьшением веса подвижной части и безупречной обработкой осей и опор. Кроме того, поперечное сечение пружин и проводов подвижной катушки мало, поэтому электродинамический измерительный механизм чувствителен к перегрузке.

Прибор электромагнитной системы(тоже самое).

Электромагнитный прибор имеет электромагнитный измерительный механизм с неподвижной катушкой, по обмотке которой протекает электрический ток, и один или несколько ферромагнитных сердечников, установленных на оси.

Достоинствами приборов электромагнитной системы являются простота конструкции, способность выдерживать значительные перегрузки, возмож­ность градуировки приборов, предназначенных для измерений в цепях пере­менного тока, на постоянном токе. К недостаткам приборов этой системы можно отнести большое собственное потребление энергии, невысокую точ­ность, малую чувствительность и сильное влияние магнитных полей.

Электромагнитные измерительные приборы используют в амперметрах, вольтемтрах, частотометрах и фазометрах.

Электромагнитные приборы изготавливают либо с плоской, либо с круглой катушкой. Плоскую неподвижную катушку (рис. 1, а) наматывают обычно из толстой проволоки 1 на неферромагнитный каркас 2 так, что внутри нее образуется воздушный зазор. Рядом с зазором располагают ферромагнитную пластинку 7, ось пластинки расположена асимметрично, на оси крепят стрелку 8 прибора, перемещающуюся вдоль шкалы 3 прибора. На оси укреплены противодействующая пружина 6 и алюминиевый сектор 5, который может поворачиваться в поле постоянного магнита 4.

Электромагнитный прибор с круглой катушкой устроен следующим образом. Из толстой проволоки намотана круглая катушка 10 (рис. 1, б) с воздушным центральным зазором. Внутри зазора неподвижно расположена ферромагнитная пластина 11, а на оси закреплена вторая, но уже подвижная ферромагнитная пластина 12. На оси пластины 12 закреплены противодействующая пружинка 13 и стрелка 14 прибора. Для создания противодействующего момента закрепляют на оси алюминиевый сектор и устанавливают постоянный магнит – на рисунке не показаны.

Рис. 1. Электромагнитный измерительный механизм: а – с плоской катушкой, б – с круглой катушкой

Достоинства электромагнитных измерительных приборов

Угол отклонения стрелки электромагнитного измерительного прибора зависит от квадрата тока. Это говорит о том, что приборы электромагнитной системы могут работать в цепях постоянного и переменного тока.

Электромагнитные измерительные приборы просты по устройству, дешевы, особенно щитовые.

Они могут непосредственно измерять большие токи, так как катушки у них неподвижны и их легко изготовить из проводов с большой площадью сечения.

Промышленность изготовляет амперметры электромагнитной системы для непосредственного включения на токи до 150 А.

Электромагнитные измерительные приборы выдерживают не только кратковременные, но и длительные перегрузки, если таковые возникают в процессе измерения.

Недостатки электромагнитных измерительных приборов

неравномерность шкалы и относительно низкую чувствительность при измерении малых токов, то есть сравнительно низкую точность измерения в начале шкалы,

зависимость показаний приборов от влияния внешних магнитных полей,

низкий частотный диапазон измерений,

большую чувствительность приборов к колебаниям частот тока и большое их собственное потребление

Электромагнитные измерительные приборы подвержены влиянию внешних магнитных полей, так как имеют очень слабое собственное магнитное поле.

—магнитоэлектрическая измерительная система;

—электростатическая измерительная система;