Материал: Метроплогия. учебное пособие. Савельева Е.Л., Ситников Н.В

-индукционные;

-электростатические.

Вкачестве предварительных преобразователей (1) применяются: добавочные и шунтирующие резисторы, делители напряжения, полупроводниковые и вакуумные диоды, электронные усилители, термопары с нитью подогрева и другие.

Подвижная часть измерительного механизма (2) имеет одну степень свободы, которая позволяет ей вращаться или отклоняться на какой-то угол α.

Вобщем случае на такую подвижную систему действует сумма следующих механических моментов:

Mи Му Мпр Мт Мвр 0.

Момент инерции (Ми) позволяет измерять средние значения переменных

ипульсирующих токов, благодаря усредняющей реакции инерционной

подвижной части на мгновенные изменения момента вращения Мвр. Вместе с тем наличие Ми ухудшает динамические свойства приборов, вызывая длительные переходные процессы и запаздывание показаний за счет существования определенной массы подвижной части измерительного механизма (2).

Момент успокоения (Му) создается специально сконструированными успокоителями с целью улучшения динамических свойств приборов. Для этих целей применяют пневматические, гидравлические или электрические успокоители.

Всовременных стрелочных приборах время успокоения не должно превышать 4 с.

Момент трения (Мт) возникает в местах механических контактов подвижных и неподвижных частей измерительного механизма (в подпятниках, в опорах), а также за счет наличия трения о воздух. Приборы конструируют таким образом, чтобы момент трения был бы по возможности незначительным

ине препятствовал возвращению подвижной части в начальное положение при отключении прибора.

Противодействующий момент (Мпр) предназначен для уравновешивания вращающего момента Мвр. Создается электрическим путем в так называемых логометрах с помощью дополнительной рамки с током или механическим путем с помощью специальных пружин из бериллиевой бронзы по типу спирали Архимеда.

Вращающий момент (Мвр) создается токами, протекающими по измерительному механизму, и есть функция, зависящая от электромагнитного поля, связанного с током, протекающим через прибор, т.е. – функция от измеряемой величины X.

Через некоторое время после включения прибора, т.е. при установившемся

режиме (после окончания переходных процессов) момент инерции Ми уравновешивается моментом успокоения Му, поэтому равновесие подвижной части будет определяться уравнением

56

Мт Мпр Мвр .

При статическом равновесии моментом трения можно пренебречь, тогда

и подвижная часть прибора будет неподвижна и отклонена на определенный угол от своего начального положения.

Противодействующий момент удобно представить в виде произведения удельного момента на угол закручивания

Мпр D .

Вращающий момент есть изменение электромагнитной энергии по углу

Мвр dWэм . d

Подставим в уравнение статического равновесия (3.1) значения Мпр и Мвр, получим обобщенное уравнение шкалы для приборов электромеханической группы

Следовательно, отклонение подвижной части прибора можно градуировать в значениях измеряемой физической величины.

3.2. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Для расширения пределов измерения приборов применяются масштабные измерительные преобразователи.

1. Шунты. Для расширения пределов измерения по току измерительных механизмов магнитоэлектрической системы применяют специальные резисторы – шунты (рис. 3.2).

Сопротивление шунтового резистора вычисляется по формуле

сопротивление амперметра.

Уамперметров с шунтами собственное сопротивление всегда меньше, чем

уамперметров без шунтов. Однако погрешность измерения токов зависит не только от неточности показаний, но и от неточности изготовления (выбора) сопротивления шунта. Кроме этого возникает дополнительная температурная погрешность приборов.

57

2. Добавочные резисторы. Применяются для расширения пределов измерений вольтметров, измеряющих постоянные и переменные напряжения

(рис. 3.3).

Предел изменения по напряжению рассчитывается по формуле

сопротивление у более чувствительного прибора всегда будет больше, т.к. требуется меньший ток, а, следовательно, большее RДОБ для одинаковых пределов измерения.

Однако вольтметры с добавочными резисторами имеют большую погрешность за счет неравенства подбора реального добавочного резистора расчетному. Кроме того возникает дополнительная температурная погрешность.

3. Измерительные трансформаторы переменного тока. Измерительные трансформаторы тока (ИТТ) и напряжения (ИТН) используются как преобразователи больших переменных токов и напряжений в относительно малые токи и напряжения, допустимые для измерений приборами с небольшими стандартными пределами измерений (например, 5А и 100В). Применением измерительных трансформаторов в цепях высокого напряжения достигается безопасность персонала, обслуживающего приборы, т.к. приборы при этом включаются в заземленную цепь низкого напряжения.

У трансформаторов тока первичный ток I1 обычно больше вторичного I2, поэтому число витков первичной обмотки w1 меньше числа витков вторичной w2. У трансформаторов с I1 500A первичная обмотка состоит из одного витка в

58

напряжений.

Первичную обмотку трансформатора тока включают в разрыв измеряемой цепи (фазы), а трансформатора напряжения параллельно. Измерительные приборы (амперметры, вольтметры, ваттметры, счетчики электрической энергии) включают во вторичные обмотки трансформаторов.

По показаниям приборов определяют значения измеряемых величин, умножая их показания на коэффициент трансформации по току КI и по напряжению КV. Однако, токи I2 и напряжения U2 изменяются не пропорционально токам I1 и напряжениям U1 ,т.к. КI и КV не постоянны. Они зависят от этих токов и напряжений (а не только от соотношения числа витков), от конструкции трансформаторов и материала сердечников. Поэтому показания приборов умножают не на действительные, а на расчетные (номинальные) коэффициенты трансформации

Определение измеряемых величин по номинальным коэффициентам трансформации приводит к погрешностям. Класс точности измерительных трансформаторов указывает пределы относительных погрешностей номинальных коэффициентов трансформации, если первичные I1и U1 не превышают 20 % их номинальных значений.

Кроме этого измерительные трансформаторы вызывают еще так называемую угловую погрешность из-за неточности передачи фазы первичной величины во вторичную цепь. Эта погрешность оказывает влияние на показания приборов, отклонение подвижной части которых зависит от фазового сдвига между токами в цепях этих приборов. К ним относятся ваттметры, счетчики электрической энергии, фазометры.

3.3. АНАЛОГОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Принцип действия. Используется взаимодействие поля постоянного магнита с катушкой (рамкой), по которой протекает ток. Конструктивно измерительный механизм может быть выполнен либо с подвижным магнитом, либо с подвижной рамкой, намотанной на облегченный каркас микропроводом. Эти приборы применяют для измерения постоянных токов и напряжений, сопротивлений, количества электричества (баллистические гальванометры, кулонметры). Магнитоэлектрические приборы применяют также для измерения или индикации малых токов и напряжений (гальванометры). Кроме этого их испольхуют для регистрации величин в самопишущих приборах и как гальванометры в электромеханических (светолучевых) осциллографах.

Энергия электромагнитного поля, сцепляющегося с подвижной катушкой

WЭМ Bsw I ,

59

где В – индукция магнитного поля между полюсами постоянного магнита, s – площадь катушки, – угол поворота катушки, w – число витков катушки, I

– ток катушки.

Подставляя значение энергии в обобщенное уравнение шкалы (формула 3.2), получим уравнение шкалы магнитоэлектрических приборов

где SI BSw – конструктивный коэффициент, называемый чувствительностью

D

по току.

Если к прибору приложено напряжение U, то с учетом внутреннего сопротивления рамки Rпр можно получить выражение для чувствительности по напряжению

Следовательно, механизм магнитоэлектрической системы можно применить для непосредственного измерения напряжений и токов.

В соответствии с законом Ома предел по напряжению Uпр вычисляется как произведение сопротивления рамки на предел по току Iпр

Uпр R пр Iпр .

Из уравнения шкалы (3.5) видно, что угол отклонения пропорционален току, следовательно, шкала прибора будет линейной, т.е. равномерной, а SI и SU

– постоянны. Кроме этого к достоинствам этих приборов следует отнести высокую чувствительность, т. к. применяются сильные постоянные магниты с большим значением индукции.

Недостатки: нельзя измерять переменные токи и напряжения, т.к. с частотой переменного тока, протекающего через рамку, будет изменяться направление вращающего момента. Однако за счет инерционности подвижной части прибор не будет реагировать на переменный ток, который может привести к перегоранию микропровода рамки.

В некоторых случаях можно применять эти приборы для измерения постоянной составляющей переменного или пульсирующего тока, если при этом переменная составляющая в сумме с постоянной не превышает Iпр.

Приборы магнитоэлектрической группы применяют как щитовые, лабораторные, узкопрофильные (с высотой фланца не более 30 мм), со светофильтрами на краях шкал, с сигнализирующими контактными устройствами. Имеют малые габариты, так приборы типа М288К имеют габариты 120×105 мм, пределы измерений от 0 до 100 мкА и от 0 до 15 мВ, классы точности 1.5, по контактам 4.0.

60