Что положено в основу работы прибора магнитоэлектрической системы
Обновлено: 15.05.2024
Oпределение: Измерение - это процесс определения физической величины с помощью технических средств.
Мера - это средство измерения физической величины заданного размера.
Измерительный прибор - это средство измерения, в котором вырабатывается сигнал, доступный для восприятия наблюдателем.
Меры и приборы подразделяются на образцовые и рабочие.
Образцовые меры и приборы служат для поверки по ним рабочих средств измерений.
Рабочие меры и приборы служат для практических измерений.
З.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Электроизмерительные приборы можно классифицировать по следующим признакам:
методу измерения;
роду измеряемой величины;
роду тока;
степени точности;
принципу действия .
Существует два метода измерения: 1) метод непосредственной оценки, заключающийся в том, что в процессе измерения сразу оценивается измеряемая величина;
2) метод сравнения, или нулевой метод, служащий основой действия приборов сравнения: мостов, компенсаторов.
По роду измеряемой величины различают электроизмерительные приборы: для измерения напряжения (вольтметры, милливольтметры, гальванометры); для измерения тока (амперметры, миллиамперметры, гальванометры); для измерения мощности (ваттметры); для измерения энергии (электрические счетчики); для измерения угла сдвига фаз (фазометры); для измерения частоты тока (частотомеры); для измерения сопротивлений (омметры), и т.д.
В зависимости от рода измеряемого тока различают приборы постоянного, переменного однофазного и переменного трехфазного тока.
По степени точности приборы подразделяются на следующие классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; и 4,0. Класс точности не должен превышать приведенной относительной погрешности прибора, которая определяется по формуле:
где А - показания поверяемого прибора; А0 - показания образцового прибора; Amax - максимальное значение измеряемой величины (предел измерения).
В зависимости от принципа действия различают системы электроизмерительных приборов. Приборы одной системы обладают одинаковым принципом действия. Существуют следующие основные системы приборов: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая, индукционная.
3.3. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Приборы этой системы (рис. 3.3.1) содержат постоянный магнит - 1, к которому крепятся полюса - 2. В межполюсном пространстве расположен стальной цилиндр - 3 с наклеенной на него рамкой - 4. Ток в рамку подается через две спиральные пружины -5. Принцип действия прибора основан на взаимодействии тока в рамке с магнитным полем полюсов.
Это взаимодействие вызывает вращающий момент , под действием которого рамка и вместе с ней цилиндр повернутся на угол .
Спиральная пружина, в свою очередь, вызывает противодействующий момент .
Так как вращающий момент пропорционален току, , а противодействующий момент пропорционален углу закручивания пружин , то можно написать:
где k и D - коэффициенты пропорциональности. Из написанного следует, что угол поворота рамки
а ток в катушке
где - чувствительность прибора к току, определяемая числом делений шкалы, соответствующая единице тока; CI - постоянная по току, известная для каждого прибора.
Следовательно, измеряемый ток можно определить произведением угла поворота (отсчитывается по шкале) и постоянной по току CI.
К достоинствам этой системы относят высокую точность и чувствительность, малое потребление энергии.
Из недостатков следует отметить сложность конструкции, чувствительность к перегрузкам, возможность измерять только постоянный ток (без дополнительных средств).
3.4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СИСТЕМА
Приборы этой системы (рис. 3.4.1) имеют неподвижную катушку - 1 и подвижную часть в виде стального сердечника - 2, связанного с индикаторной стрелкой - 3 противодействующей пружины - 4.
Измеряемый ток, проходя по катушке, намагничивает сердечник и втягивает его в катушку.
При равенстве вращающего и тормозящего моментов система успокоится. По углу поворота подвижной части определяют измеряемый ток.
Среднее значение вращающего момента пропорционально квадрату измеряемого тока:
Так как тормозящий момент, создаваемый спиральными пружинами, пропорцио-нален углу поворота подвижной части , уравнение шкалы прибора запишем в виде:
Другими словами, угол отклонения подвижной части прибора пропорционален квадрату действующего значения переменного тока.
К главным достоинствам электромагнитной силы относятся: простота конструкции, надежность в работе, стойкость к перегрузкам.
Из недостатков отмечаются: низкая чувствительность, большое потребление энергии, небольшая точность измерения, неравномерная шкала.
3.5. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Эта система представляет собой две катушки (рис. 3.5.1), одна из которых неподвижная, а другая - подвижная. Обе катушки подключаются к сети, и взаимодействие их магнитных полей приводит к повороту подвижной катушки относительно неподвижной.
Из уравнения видно, что шкала электродинамической системы имеет квадратичный характер. Для устранения этого недостатка подбирают геометрические размеры катушек таким образом, чтобы подучить шкалу, близкую к равномерной.
Эти системы чаще всего используются для измерения мощности, т.е. в качестве ваттметров, тогда:
В этом случае шкала ваттметра равномерная.
Основным достоинством прибора является высокая точность измерения.
К недостаткам относятся малая перегрузочная способность, низкая чувствительность к малым сигналам, заметное влияние внешних магнитных полей.
3.6. ИНДУКЦИОННАЯ СИСТЕМА
Приборы индукционной системы получили широкое распространение для измерения электрической энергии. Принципиальная схема прибора приведена на рис. 3.6.1. Электрический счетчик содержит магнитопровод - 1 сложной конфигурации, на котором размещены две катушки; напряжения - 2 и тока - 3. Между полюсами электромагнита помещен алюминиевый диск - 4 с осью вращения - 5. Принцип действия индукционной системы основан на взаимодействии магнитных потоков, создаваемых катушками тока и напряжения с вихревыми токами, наводимыми магнитным полем в алюминиевом диске.
Вращающий момент, действующий на диск, определяется выражением:
где ФU - часть магнитного потока, созданного обмоткой напряжения и проходящего через диск счетчика; ФI - магнитный поток, созданный обмоткой тока; - угол сдвига между ФU и ФI. Магнитный поток ФU пропорционален напряжению Магнитный поток ФI пропорционален току:
Для того чтобы счетчик реагировал на активную энергию, необходимо выполнить условие:
т.е. вращающий момент пропорционален активной мощности нагрузки.
Противодействующий момент создается тормозным магнитом - 6 и пропорционален скорости вращения диска:
В установившемся режиме и диск вращается с постоянной скоростью. Приравнивая два последних уравнения и решив полученное уравнение относительно угла поворота диска
Таким образом, угол поворота диска счетчика пропорционален активной энергии. Следовательно, число оборотов диска n тоже пропорционально активной энергии.
3.7. ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ
Измерение тока производится прибором, называемым амперметром.
Существуют четыре схемы включения амперметра в цепь. Первые две (рис. 3.7.1) предназначены для измерения постоянного тока, а две вторые схемы - для измерения переменного тока.
Вторая и четвертая схемы применяются в тех случаях, когда номинальные данные амперметра меньше измеряемой величины тока. В этом случае при определении истинного значения тока нужно учитывать коэффициент преобразования:
где Iист - истинное значение тока,
Iизм - измеренное значение тока,
kпр - коэффициент преобразования.
Измерение напряжения производится вольтметром. Здесь также возможны четыре различных схемы подключения прибора (рис. 3.7.2).
В этих схемах также используются методы расширения пределов измерения напряжения (вторая и четвертая схемы).
3.8. ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ
Для измерения мощности постоянного тока достаточно измерить напряжение и ток. Результат определяется по формуле:
Метод амперметра и вольтметра пригоден и для измерения полной мощности, а также активной мощности переменного тока, если cos j = 1.
Чаще всего измерение мощности осуществляется одним прибором - ваттметром.
Как было сказано ранее, для измерения мощности лучшей является электродинамическая система.
Ваттметр снабжен двумя измерительными элементами в виде двух катушек: последовательной и параллельной. По первой катушке течет ток, пропорциональный нагрузке, а по второй - пропорциональный напряжению в сети.
Угол поворота подвижной части электродинамического ваттметра пропорционален произведению тока и напряжения в измерительных катушках:
На рис. 3.8.1 показана схема включения ваттметра в однофазную сеть.
В трехфазных сетях для измерения мощности используют один, два и три ваттметра.
Если нагрузка симметричная и включена "звездой", то достаточно одного ваттметра (рис. 3.8.2, а). Если в этой же схеме нагрузка несимметрична по фазам, то используются три ваттметра (рис. 3.8.2, б). В схеме соединения потребителей "треугольником" измерение мощности производится двумя ваттметрами (рис. 3.8.2, в).
3.9. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ
Электрическое сопротивление в цепях постоянного тока может быть определено косвенным методом при помощи вольтметра и амперметра. В этом случае:
Можно использовать омметр - прибор непосредственного отсчета. Существуют две схемы омметра: а) последовательная; б) параллельная (рис. 3.9.1).
Уравнение шкалы последовательной схемы намерения:
где г - сопротивление цепи гальванометра. При угол поворота подвижной части прибора определяется величиной измеряемого сопротивления Rx. Поэтому шкала прибора может быть непосредственно проградуирована в Омах. Ключ K используется для установки стрелки прибора в нулевое положение. Омметры параллельного типа удобнее применять для измерения небольших сопротивлений
Измерение сопротивлений можно также осуществлять логометрами. На рис. 3.9.2 приведена принципиальная схема логометра.
Для этой схемы имеем:
Отклонение подвижной части логометра:
Таким образом, показание прибора не зависит от напряжения источника питания и определяется величиной измеряемого сопротивления Rx.
Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы (рис. 2-5) основан на взаимодействии проводника G током (рамки 3) с магнитным полем постоянного магнита М.
Подковообразный постоянный магнит М, стальные полюсные наконечники N и S, стальной цилиндр 2 образуют магнитную цепь (полюсные наконечники и стальной цилиндр служат для уменьшения магнитного сопротивления этой цепи). Благодаря форме полюсных наконечников в бэльшей части воздушного зазора между цилиндром и наконечником создается радиально направленное однородное магнитное поле, в котором может поворачиваться подвижная рамка 3. Рамку прибора (обмотку) чаще всего выполняют из изолированного провода на легком алюминиевом каркасе, укрепленном на двух полуосях. Измеряемый ток проходит в рамку через токоведущие спиральные пружины 5,
служащие одновременно и для создания противодействующего момента.
При протекании тока по рамке на ее стороны, находящиеся в воздушном зазоре, действует пара сил (токи в этих сторонах рамки имеют противоположное направление), создающая вращающий момент и поворачивающая эту рамку в ту или иную сторону вокруг оси. Направление силы F, действующей на одну сторону рамки, может быть определено по правилу левой руки, а значение — по закону Ампера:
где В — магнитная индукция в зазоре, l — длина активной стороны рамки, сила тока в рамке, w — число витков рамки, Р — угол между плоскостью рамки и вектором индукции в воздушно зазоре.
Благодаря тому что магнитное поле в рабочем зазоре радиальное то момент этой пары сил (вращающий момент) равен
где d — ширина рамки, являющаяся плечом пары. Так как величины В, I, w и d для данного прибора постоянные, то их произведение дает также постоянную величину, которую обозначим через
Под действием этого вращающего момента рамка поворачивается/закручивая (или раскручивая) спиральные пружины, создающие противодействующий момент
где — постоянная, характеризующая жесткость пружин, а — угол поворота оси со стрелкой. Очевидно, что рамка будет поворачиваться до тех пор, пока противодействующий момент, увеличиваясь с углом поворота, не окажется равным вращающему, т. е.
где — постоянная данного прибора по току.
Таким образом, угол поворота стрелки магнитоэлектрического прибора пропорционален току в рамке и шкала такого прибора равномерная. Механизм магнитоэлектрического прибора может быть использован для устройства гальванометра, амперметра и
вольтметра. Ток, проходя по обмотке рамки, создает напряжение равное приложенному, тогда
где - постоянная прибора по напряжению.
Из последнего соотношения следует, что магнитоэлектрический механизм можно использовать для изготовления вольтметра. В этом случае сопротивление рамки должно быть достаточно большим g тем, чтобы прибор можно было включать параллельно нагрузкам. Однако для этого пришлось бы рамку делать из большего числа витков тонкой проволоки (а для амперметра — из небольшого числа витков толстой проволоки). Как в том, так и в другом случае рамка получилась бы тяжелой, а прибор — грубым. На практике рамки амперметров и вольтметров не имеют принципиального различия. В первом случае рамку шунтируют, а во втором — последовательно с ней включают добавочное гасящее сопротивление.
Принцип градуирования магнитоэлектрического прибора в качестве вольтметра основан на прямой пропорциональной зависимости между током в рамке и приложенным к ней измеряемым напряжением.
Специальных успокоителей в магнитоэлектрических приборах не делают. Их роль выполняет алюминиевый замкнутый каркас, на который навивается рамка. При колебаниях каркаса в нем индуцируются токи, препятствующие этим колебаниям, и подвижная система прибора быстро успокаивается.
Изменения температуры окружающей среды могут влиять на изменения сопротивления прибора, плотности магнитного потока в воздушном зазоре и упругих свойств пружин, создающих противодействующий момент. Однако два последних обстоятельства приблизительно компенсируют друг друга. Например, повышение температуры вызывает ослабление магнитного потока в воздушном зазоре, т. е. вращающий момент уменьшается, при этом уменьшение упругости пружин примерно на столько же уменьшает противодействующий момент. Изменение сопротивления прибора из-за изменения температуры окружающей среды значительно сказывается на показаниях амперметров с шунтами, но почти не сказывается на показаниях вольтметров. У вольтметра сопротивление рамки
значительно меньше добавочного сопротивления, а последнее изготовляют из манганиновой проволоки, имеющей незначительный температурный коэффициент. Поэтому сопротивление всего прибора почти не изменяется.
Для устранения температурной погрешности в некоторых приборах применяют специальные схемы так называемой температурной компенсации.
К достоинствам магнитоэлектрических приборов относятся: равномерная шкала; большая точность при малой чувствительности, высокая чувствительность при малой точности (гальванометр); малая чувствительность к внешним магнитным полям; малое потребление энергии.
Недостатками таких приборов являются: пригодность только для постоянных токов (без выпрямителей), большая чувствительность к перегрузкам, сравнительно высокая стоимость.
Действие приборов магнитоэлектрической системы основано на взаимодействии магнитного потока постоянного магнита и измеряемого тока, проходящего по обмотке подвижной катушки, помещенной в этом магнитном поле (рисунок 1).
Основными частями прибора являются постоянный магнит 2, между полюсами 1 которого укреплен ферромагнитный сердечник 3 цилиндрической формы. Сердечник предназначен для уменьшения магнитного сопротивления между полюсами и обеспечения равномерного распределения магнитного потока в воздушном зазоре. В воздушном зазоре между полюсами постоянного магнита и сердечником расположена катушка 4, которая жестко связана с осью и стрелкой, перемещающейся своим концом по шкале прибора. При прохождении тока через катушку возникает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита.
Электромагнитный вращающий момент, действующий на катушку, пропорционален силе тока и магнитной индукции в воздушном зазоре. Так как магнитное поле в воздушном зазоре распределено равномерно и направлено радиально, а противодействующий момент, создаваемый пружинами, пропорционален углу поворота подвижной части прибора, то угловое отклонение стрелки пропорционально измеряемому току, то есть oc=SI, где S - чувствительность прибора.
Достоинства приборов магнитоэлектрической системы: высокая чувствительность, большая точность, относительно небольшое влияние внешних магнитных полей, малое потребление энергии, малое влияние температуры, равномерность шкалы.
Недостатки: работает только в цепи постоянного тока, чувствителен к перегрузкам, высокая стоимость, обусловленная сложностью конструкции.
Электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы предназначаются для измерения силы тока и напряжения в качестве амперметров и вольтметров. Магнитоэлектрический прибор является составной частью омметра, с помощью которого непосредственно измеряют электрическое сопротивление.
Применяя термопреобразователи и выпрямители, магнитоэлектрические приборы используют для измерений в цепях переменного тока.
Почти все технические измерения в цепях постоянного тока осуществляются приборами данной системы. Лишь в немногих случаях, когда значение имеет не точность, а дешевизна и надежность приборов, постоянный ток измеряется электроизмерительными приборами электромагнитной системы.
Приборы электромагнитной системы
Действие приборов электромагнитной системы основано на взаимодействии магнитного поля тока неподвижной катушки 1 и сердечника 2 из ферромагнитного материала, выполненного в форме пластины (рисунок 2). Созданное измеряемым током магнитное поле катушки намагничивает сердечник и втягивает его в катушку, поворачивая при этом стрелку, укрепленную на одной оси с сердечником.
При изменении направления тока в катушке меняются и магнитные полюса сердечника, следовательно, направление перемещения подвижной частей остается неизменным, и прибор оказывается пригодным для измерения в цепях как постоянного, так и переменного токов.
Угол поворота а стрелки прибора определяется по формуле
где I - ток, протекающий по катушке; L-индуктивность катушки; k - постоянный коэффициент.
Противодействующий момент создается пружиной 3, воздушный успокоитель 4 обеспечивает плавное перемещение стрелки.
Так как угол поворота стрелки пропорционален квадрату силы тока, а производная индуктивности катушки является величиной непостоянной, то шкала прибора оказывается неравномерной.
Достоинства приборов электромагнитной системы: пригодность для работы в цепях постоянного и переменного токов, простота и надежность конструкции, дешевизна, устойчивость к перегрузкам.
Недостатки: чувствительность к внешним магнитным полям, сравнительно большая потребляемая мощность, относительно низкие чувствительность и точность.
Область применения: в качестве амперметров и вольтметров для технических измерений.
В лабораторных приборах высокого класса точности для уменьшения влияния внешних магнитных полей применяют экранирование.
§ 33-1. Электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы
Постоянный электрический ток характеризуют силой тока I, напряжением U, мощностью Р и энергией W, а электрическую цепь — электрическими величинами: сопротивлением резистора, электроёмкостью С конденсатора, индуктивностью L. Для измерения электрических величин используют следующие электроизмерительные приборы: амперметры, вольтметры, ваттметры, счётчики электрической энергии, омметры, а также фарадометры и приборы для измерения индуктивности. Как устроены электроизмерительные приборы и каков принцип их действия?
Электроизмерительный прибор — это техническое устройство, предназначенное для сравнения электрической величины с однородной величиной, принятой за единицу. Электроизмерительные приборы подразделяют на приборы непосредственной оценки и приборы сравнения. Для измерения электрических величин в приборах непосредственной оценки часто используют физические процессы, создающие вращающий момент и перемещение подвижной части прибора. Вращающий момент может быть создан взаимодействием магнитного поля постоянного магнита и тока в контуре (рамке), магнитного поля катушки с током и ферромагнетика * , взаимодействием магнитных полей катушек с током, взаимодействием заряженных тел. В зависимости от природы физического взаимодействия, происходящего в приборах, их принято подразделять на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, индукционные, электростатические, термодинамические и ряд других систем.
Измерительный прибор магнитоэлектрической системы устроен следующим образом ( рис. 188.1 ). На лёгкой алюминиевой рамке прямоугольной формы намотана катушка 1, состоящая из нескольких десятков витков изолированного провода. Катушка может перемещаться в узком зазоре между полюсными наконечниками N и S постоянного магнита 5 и цилиндром 2, изготовленным из магнитомягкого железа. Рамка с катушкой жёстко крепятся на двух полуосях, к одной из которых прикреплена указательная стрелка 6. Электрически изолированно одна от другой установлены две спиральные пружины 3, обеспечивающие подвод измеряемого тока к катушке и создающие противодействующий момент. Если бы в подвижной части измерительного механизма не было пружин 3, то при пропускании тока через рамку происходил бы её поворот, заканчивающийся выходом из узкого зазора между полюсными наконечниками N и S постоянного магнита 5 при любом значении силы тока. Заострённые концы полуосей (керны) опираются на подпятники из агата, рубина или другого твёрдого камня. Уравновесить подвижную часть прибора в поле тяжести при любом положении указательной стрелки помогают противовесы 4.
В исходном состоянии пружины 3 удерживают рамку в определённом положении равновесия, при котором стрелка 6 прибора указывает на нулевое деление шкалы 7. При прохождении тока через катушку рамка поворачивается. При этом пружины деформируются и в них возникают силы упругости, вращающий момент Мвр которых пропорционален углу поворота рамки. Вращающий момент Мвр создают и магнитные силы, действующие на те прямолинейные участки катушки с проходящим по ней током, которые параллельны полуосям прибора ( рис. 188.2 , а).
В однородном магнитном поле величина вращающего момента Мвр зависит не только от силы тока I в катушке и модуля индукции В магнитного поля, но и от угла θ между индукцией и нормалью ( рис. 188.2 , б), проведённой к плоскости катушки: Мвр = NISBsinθ , где N — число витков в катушке, S — площадь поверхности, ограниченной одним витком.
Успокоителем измерительного механизма магнитоэлектрических приборов является алюминиевый каркас рамки. При колебаниях катушки в магнитном поле в алюминиевом каркасе возбуждаются индукционные токи, взаимодействие которых с магнитным полем постоянного магнита создаёт тормозящий момент, успокаивающий колебания катушки и указательной стрелки.
В электроизмерительных приборах других систем подвижная часть обычно устроена примерно так же, как и в приборах магнитоэлектрической системы.
1. Как устроен электроизмерительный прибор магнитоэлектрической системы?
2. Как вела бы себя рамка с током, если бы не было пружин 3?
3. Для чего в электроизмерительных приборах нужны успокоители?
4. Какие моменты сил уравновешиваются после отклонения стрелки измерительного прибора на определённый угол?
5. Почему приборы магнитоэлектрической системы пригодны для измерения только в цепях постоянного тока?
* Ферромагнетики — это вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью, которая существенно изменяется под влиянием внешних воздействий — магнитного поля, деформации, температуры. ↑
Читайте также: