Тема 2. Измерительные системы аналоговых электромеханических приборов

2.1 Принцип действия и устройство приборов магнитоэлектрической системы

Принцип действия основан на взаимодействии рамки с током и поля постоянных магнитов. Результатом является вращающий момент, пропорциональный величине тока рамки. Поворот рамки или поворот указателя соответствует наибольшему моменту для данного тока. Это даёт равномерную шкалу отсчёта.

Измерительный механизм (ИМ) представляет собой рамку 4, (рис. 2.1) из тонкого медного провода, намотанного на лёгкий каркас. Для выравнивания магнитного поля между рамкой и полюсами 1 устанавливается тонкостенный алюминиевый цилиндр 3. Токоподвод осуществляется через спиральные противодействующие пружины 6.

Из-за малого веса подвижной части механизма и его малоинерционности магнитоэлектрические приборы не требуют успокоителей.

Рис. 2.1 Конструкция магнитоэлектрического механизма: 1 – постоянный магнит; 2 – магнитопровод; 3 – цилиндрический сердечник из магнитомягкого материала; 4 – рамка с измеряемым током; 5 – ось; 6 – спиральная пружина; 7 – указатель (стрелка); 8 - шкала

Достоинства приборов магнитоэлектрической системы:

1. высокая точность и чувствительность;

2. малоинерционны и не требуют успокоителей;

3. равномерность шкалы;

4. малое потребление энергии;

5. малочувствительны к внешним магнитным полям.

Недостатки:

1. сравнительно большая стоимость;

2. чувствительность к перегрузкам;

3. пригодность к измерениям только в цепях постоянного тока.

Магнитоэлектрический амперметр

ИМ имеет рамку с максимально малым собственным сопротивлением, т.к. прибор не должен оказывать влияния на измерения. Поэтому катушка выполняется с малым числом витков. В таком виде прибор используется для измерения токов малых величин: микро- и миллиамперов.

Чтобы измерять токи размеров в амперы используют подключение шунта. Назначение шунта – отведение большего тока от измерительного механизма, т.е он является преобразователем тока в напряжение. Шунт представляет собой резистор, имеющий две пары выводов: входные (токовые) и выходные (потенциальные). Схема подключения шунта и ИМ прибора показана на рис. 2.2.

Ш унт характеризуется номинальным значением входного тока I_ном и номинальным значением выходного напряжения U_ном. Их отношение определяет номинальное сопротивление шунта

R_ш = U_ном /I_ном

Рис. 2.2 Схема включения ИМ магнитоэлектрического амперметра

При наличии шунта ток I_ИМ, протекающий через ИМ, связан с измеряемым током I зависимостью

I_ИМ = I R_ш/(R_ш + R_ИМ)

где R_ИМ - внутреннее сопротивление ИМ.

Если необходимо, чтобы ток I_ИМ был в n раз меньше измеряемого тока, то сопротивление шунта должно быть равно

R_ш = R_ИМ/(n - 1)

где n = I/I_ИМ называют коэффициентом шунтирования.

С учётом влияния шунта внутреннее сопротивление амперметра определяется выражением

R_А = R_ш R_ИМ/(R_ш + R_ИМ)

Шунты выполняют из манганиновой или константановой проволоки. Шунты на большие токи изготавливают из листового манганина.

Показания амперметров с шунтами в большей степени, чем показания простейших рА, зависят от температуры окружающей среды. Сопротивление медной обмотки при нагреве на 10^оС изменяется на 4%, при этом сопротивление манганинового шунта остается практически неизменным. Поэтому возникает перераспределение токов и возникает температурная погрешность измерения. Это устраняется включением сопротивления температурной компенсации или терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Поэтому при расчётах при наличии шунта внутренним сопротивлением амперметра считается суммарное сопротивление измерительного механизма и сопротивления температурной компенсации.

Во многопредельных амперметрах установлены многопредельные шунты (рис. 2.3). Шунты на токи до 30 А монтируются внутри прибора, при больших токах используются стандартные серийные шунты до 5000 А. при токах более 5000 А выполняется параллельное соединение серийных шунтов.

Рис. 2.3 Многопредельные шунты: а – переключение рычажным переключателем; б – переключение переносом провода с одного зажима на другой

Магнитоэлектрический вольтметр

Чтобы магнитоэлектрический ИМ можно было использовать для измерения напряжения, необходимо значительно увеличить его сопротивление, что сведёт влияние сопротивления прибора на результаты измерения к минимуму. Для этого последовательно с ИМ включается значительное сопротивление R (рис. 2.4). Полученный прибор способен измерять микро- и милливольтовые значения напряжения. Его значение можно определить выражением

R = U_V1/I_ном – R_ИМ

Внутреннее сопротивление прибора будет определяться выражением

R_V = R + R_ИМ

Рис. 2.4 Схема включения многопредельного вольтметра

Для измерения напряжений порядка десятков и сотен вольт устанавливают добавочные сопротивления. Они являются преобразователями напряжений в малые величины токов.

Назначение добавочного сопротивления – понижение напряжения на зажимах вольтметра. При этом ток в цепи вольтметра с добавочным сопротивлением протекает один. Следовательно, добавочное сопротивление можно определить выражением

R_д1 = U_V2/I_ном – R_V

Чтобы расширить пределы измерения прибора в m раз, добавочное сопротивление определится выражением

R_д1 = R_V (m - 1)

где m = U/U_V2 – множитель добавочного сопротивления.

Добавочные сопротивления изготавливаются из изолированной манганиновой проволоки, намотанной на изолирующие каркасы. Применяют для расширения пределов измерения напряжений до 30 кВ.