Электромеханические приборы

Основы теории и конструкции:

С

X Y α

I(U) Mвр

Изм. механизм

Отсчетное устройство

труктурная схема электромеханического прибора

Изм. цепь

Изм. механизм – предназначенная для преобразования электромагнитной энергии в механическую

f(X) = f(Y) = α

Отсчетное устройства состоит из указателя, связанное с измерительным механихмом, и шкалы. Указатели бывают стрелочные и световые.

Шкала –совокупность отметок, представляющих ряд последовательных чисел вдоль какой-либо линии.

Общий принцип действия измерительного миханизма:

1. успокоитель – уменьшает колебания подвижной части около положения установившегося равновесия

2. неподвижная часть прибора

3. грузики противовесы – не дают смещаться с нулевой отметки при любых положениях прибора

4. спиральная пружинка – создает противодействующий момент

5. подвижная часть

6. указатель

7. шкала

8. корпус

Измеряемая величина X преобразуется во вращающийся момент, действующий на подвижную часть. Вращающий момент определяется по углу отклонения α. Противодействующий момент создается при помощи спиральных пружин и растяжек.

Nпрот = k*α

Момент успокоения – момент сил сопротивления движению. Пропорционален скорости перемещения стрелки. Равен ρ = dα/dt.

С истемы прибора:

1. Прибор магнитно электрический – с подвижной рамкой

2. – с подвижным магнитом

3. Прибор электромагнитный

4. Прибор электродинамический

5. Прибор ферродинамический

6. Прибор электростатический

7. Прибор индукционный

На приборе должны быть:

1. Единицы измеряемой величины

2. Класс точности прибор

3. ГОСТ по которому прибор изготовлен

4. Род тока

5. Система прибора

6. Группа прибора (Б - сухие помещения, В – полевые и морские условия, Т – тропический климат)

7. рабочее положение прибора _|_ вертикально, |-----| горизонтально, /_ под углом

8. Номинальная частота

9. Шифр прибора

10. Год выпуска

11. Заводской номер

12. Товарный знак завода изготовителя

Вращающий момент возникает в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля катушки (рамки) по которой протекает ток

1. Постоянный магнит

2. Магнитопровод

3. Полюсные наконечники

4. Неподвижный сердечник

5. Спиральная пружина

6. Подвижная катушка

7. Магнитный шунт

8. Указатель

В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником создается сильное магнитное поле, в котором находится подвижная прямоугольная рамка, намотанная тонким медным или алюминиевым проводом на каркас. Спиральные пружинки для создания противодействующего момента одновременно используются и для подачи тока в рамку. Рамка жестко соединена со стрелкой. Уравнение шкалы –это математическая зависимость, показывающая связь между измеряемой величиной и углом отклонения стрелки прибора. Энергия электромагнитного поля выражена формулой. W _Э = Ψ * I

Ψ = B*S*ω * α

Вращающий момент тогда будет выражен M_вр = B * S*ω*I

α = S_I * I

Назначение приборов магнитоэлектрической системы – измерение постоянных токов и напряжение, измерение сопротивлений.

+: наиболее точные и чувствительные, малое потребление энергии, равномерность шкалы

-: сложность конструкции, высокая стоимость, невысокая перегрузочная способность, невозможность работать на переменном токе без дополнительных преобразователей

Применяются в омметрах

Для создания вращающегося момента используется действия магнитного поля, создаваемого током в неподвижной катушке

1 - сердечник

2 – спиральная пружинка

3 – грузики противовесы

В основе их работы явление динамического взаимодействия двух проводников, отпекаемых электрическим током. При одинаковом направлении тока в проводниках они взаимно притягиваются, а при разном – отталкиваются. Две секции нужны для обеспечения более равномерного магнитного поля. Уравнение шкалы

Измерение мощности, измерение частоты, и фазы.

+: обладают высокой точностью, пригодность работы на постоянном и переменном токе

Вращающий момент возникает в результате взаимодействия подвижной катушки с током и магнитного поля создаваемого неподвижной катушкой.

A1 и A2 –половины неподвижной катушки. Подвижная катушка укреплена на одной оси со стрелкой.

α = S * In * I_Н * cos ϕ , S – чувствительность измерительного прибора, ϕ угол сдвига фаз.

независимость от внешних полей, т.к. сильное собственное поле. Большой вращающий момент. Недостатки:

Расширение пределов измерительных приборов

Шунт используют для расширения пределов измерений по току только для магнито-электрических механизмов. Для других механизмов шунты не применяют.

Добавочные сопротивления – используют для расширения по сопротивлению. От 600 до 1500 В.

Измерительные трансформаторы – преобразователи больших переменных токов и напряжений в относительно малые, допустимые для измерения приборами с небольшими стандартными номиналами. 5 А, 100 В.

Необходимое сопротивление шунта

R_ш = R_A/(n - 1)

R_A – собственное сопротивление амперметра

n – коэффициент шунтирования

n = I/I_A

Шкалу амперметра с шунтом градуируют с учетом коэффициента шунтирования. n обычно кратно 10.

Измерительные трансформаторы:

1. Трансформаторы тока – преобразование измеряемых переменных токов в относительно малые токи, не превышающие обычно 5 А. Во вторичную цепь включают амперметры, последовательные обмотки ваттметров, счетчиков и других приборов.

2. Трансформаторы напряжения – понижают напряжение в заданное число раз. Получаемое низкое напряжение (не превышающее обычно 100 В) подводится к вольтметрам, параллельным цепям ваттметров, счетчиков и других измерительных приборов.

Счетчики электрической энергии

В приборах индукционной системы перемещение подвижной части диска происходит из-за взаимодействия переменных магнитных потоков с вихревыми токами, наведенными в диски. Индукционные приборы пригодны только для цепей переменного тока.

Осн. элементы:

неподвижная часть (стержневой или П-образный сердечник)

подвижная часть (неферромагнитный диск вращающийся на оси)

Назначение: используются в качестве счетчика электроэнергии в цепи переменного тока.

+: мало подвержена влиянию внешних магнитных полей, имеет большую перегрузочную способность

-: большое само потребление мощности, зависимость показаний от частоты и температуры.

Классификация по роду тока:

• постоянного

• переменного

  • однофазные

  • трехфазные

• трехпроводные СА3

• четырехпроводные СА4

K –передаточное число счетчиков (число оборотов диска счетчика соответствующее единице энергии, регистрируемое счетчиком)

W = P * t = Сд * n * t = Cд * N

Cд = P * t / N

Измерение мощности и сопротивления

Измерение мощности в цепях постоянного тока

1. Косвенный метод

P = UI

2. Прямой метод. Ваттметр.

Реактивная мощность измеряется только в 3-х фазных цепях с целью расширения пределов измерения ваттметра. Его включают через измерительные трансформаторы тока и напряжения. При этом P = P_W * K_I * K_U. В трехфазных цепях активную мощность измеряют электродинамическими и ферродинамическими ваттметрами. В зависимости от вида 3х фазной системы, ее симметрии, схем соединения фаз приемника энергии различают несколько схем соединения.

1. 3-х проводная система с симметричной нагрузкой фаз (метод одного ваттметра)

Цифровые измерительные приборы

Виды напряжений:

• Мгновенное – в определенный момент времени

• Амплитудное – наибольшее мнгновенное значение за период

• Среднее – среднее арифметическое всех его мгновенных значений за время измерения

• Средневыпрямленное – среднее арифметическое абсолютных мгновенных значений за период (3)

• Среднеквадратическая – (1)

Разность между максимальным и минимальным значениями напряжения сигнала называют размахом сигнала.

Обобщенная схема цифрового измерительного прибора (4).ЦОУ ­– цифровое отсчетное устройство. АЦП включает следующие операции: дискретизация, квантование, кодирование.

• Аналоговый сигнал ­– непрерывный по времени и расстоянию.

• Дискретный сигнал – дискретный по времени, непрерывный по состоянию.

• Цифровой сигнал – дискретный по времени и по состоянию. Значения – уровни квантования.

Цифровые вольтметры делятся на: кодоимпульсные, времяимпульсные, частотоимпульсные.

Цифровой вольтметр с времяимпульсным преобразованием (5). График (6).

Цифровые вольтметры позволяют измерять как постоянное, так и переменное напряжение. Однако переменное напряжение предварительно преобразуется в постоянное. Измеряемое напряжение Ux после усиления сравнивается на компараторе с пилообразным напряжением Uп. В момент равенства компаратор выдает стартовый импульс, который через формирователь запуска селектор (шлюз) открывается, и импульс из генератора счетных импульсов поступает через селектор на счетчик. Эти импульсы называются метками времени. В момент перехода пилообразного напряжения через нулевой уровень компаратор формирует стоповый импульс, который закрывает селектор и счет прекращается. Т.о. число импульсов пропорционально напряжению.

Недостатки: низкая помехоустойчивость.

Осциллограф – служит для наблюдения, измерения и записи, изменяющихся во времени, электрических процессов. Состоит из ЭЛТ, канала вертикального и горизонтального отклонения луча, канала управления яркостью луча и калибратора. Чувствительность ЭЛТ – величина, равная отношению отклонения луча на экране к напряжению, приложенному к отклоняющим пластинам.

Метрологические службы России

В состав ГМС (Государственная метрологическая служба) входят:

1. Подразделения РосСтандарта России

2. Государственные научно-метрологические центры (Сибирский НИИМ, Уральский НИИМ…)

3. Территориальные органы ГМС субъектов российской федерации.

4. Государственные справочные службы

5. Государственная служба стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов.

6. Метрологические службы органов власти и юридических лиц

7. МОЗМ (85 стран мира)

8. Международное бюро мер и весов