Урок 5. Электромеханические приборы с преобразователями

Высокая чувствительность, большая точность, малое собственное потребление мощности и другие положительные свойства магнитоэлектрических приборов выгодно отличают их от других электромеханических приборов. Задача использования их для измерений в цепях переменного тока решена путем преобразования переменного тока в постоянный с помощью преобразователей. В соответствии с используемым преобразователем, приборы называют выпрямительными, термоэлектрическими, электронными.

Выпрямительные приборы - это сочетание выпрямительного преобразователя и магнитоэлектрического ИП с отсчетным устройством. В качестве преобразователей (выпрямителей) используются полупроводниковые выпрямители (диоды) на основе кремния или германия. В зависимости от числа применяемых диодов и схемы их включения осуществляется одно- и двухполупериодное выпрямление (преобразование) переменного тока. В цепи однополупериодного выпрямления (см. рис. 2.18.а) ток через измеритель (микроамперметр), включенный последовательно с диодом VD1 протекает только в положительный полупериод напряжения U(t). В отрицательный полупериод ток протекает через диод VD2. Подвижная часть магнитоэлектрического микроамперметра из-за своей инерционности реагирует на среднее значение момента:

где m_t – мгновенное значение вращающего момента

Используя выражение (2.6) получим:

Приравнивая M_ВР к M_ПР получим выражение для уравнения шкалы прибора:

(2.27)

Шкалу прибора градуируют обычно в действующих значениях синусоидального тока I_д, тогда выражение (2.27) принимает вид:

(2.28)

Где К_ф = I/I_CP = 1,11 – коэффициент формы для синусоиды.

Рис.2.18. Схемы однополупериодного (а) и двухполупериодного (б) выпрямления.

В цепи двухполупериодного выпрямления с четырьмя диодами (см. рис. 2.18.б) ток Iи, протекает через микроамперметрв одном и том же направлении оба полупериода:

и для этого случая уравнение шкалы прибора будет:

(2.29)

Достоинства: высокая чувствительность, малое потребление мощности от объекта измерения, широкий частотный диапазон - возможность работы без частотной компенсации на частотах до 2000 Гц, с частотной компенсацией - до 20 кГц.

Недостатоки: зависимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения, необходимость введения частотной и температурной компенсации, невысокая точность из-за нелинейности вольтамперных характеристик диодов.

Применение: широко используются в качестве комбинированных приборов для измерения постоянных и переменных токов, напряжения и сопротивления – ампервольтомметры (авометры). Также с помощью приборов электромеханической системы измеряют фазу (cos φ) и частоту.

Рис. 2.19. Ампервольтомметр типа ''АВО-5М”.

Ампервольтомметр типа ''АВО-5М'' (рис. 2.19) представляет собой многопредельный электроизмерительный прибор, используемый для измерения напряжения и величины переменного и постоянного тока а также и измерения сопротивлений до 30 МОм. Прибор применяется при температуре окружающей среды от -10°С до +50 °С и относительной влажности воздуха 30-80%.  Прибор имеет пределы измерения:  Сила постоянного тока 60 мкА, 300 мкА, 3 мА, 30 мА, 120 мА, 1,2 А, 12 А. Напряжение постоянного тока З В, 12 В, 30 В, 300 В, 600 В, 1200 В, 6000 В. Сила переменного тока: 3 мА, 30 мА, 120 мА, 1,2 А, 12 А. Напряжение переменного тока  3, 12, 30, 300, 600, 1200, 6000 В.  Прибор имеет сопротивление постоянному току: 3-300 Ом, 0,3-30 кОм, 0,03-3 МОм. Прибор может работать при децибелах сигнала от -12 до +78 ДБ.   На больших пределах измерения прибор применяется только с отдельными делителями напряжения. Входное сопротивление прибора 20 кОм/В  для всех пределов измерений постоянного напряжения и 2 кОм/В,  на всех пределах измерений  переменного напряжения.

Термоэлектрические приборы - это сочетание магнитоэлектрического механизма с отсчетным устройством и термоэлектрического преобразователя. Термоэлектрический преобразователь состоит из одной или нескольких термопар и нагревателя по которому протекает измеряемый ток. Нагреватель обычно изготавливается из материала с большим удельным сопротивлением (нихром, константан, вольфрам) с допустимой температурой 600-800 градусов по Цельсию. Для термопары подбирают материалы, дающие в паре высокую термо- э.д.с., обладающие устойчивыми термоэлектрическими характеристиками (хромель - копель, медь - копель и др.).

Различают контактные термоэлектрические преобразователи, у которых горячий спай термопары 2 приварен к нагревателю 1 (рис. 2.20.а), и бесконтактные термоэлектрические преобразователи (рис.2.20.б), у которых нагреватель 1 и горячий спай разделены изолятором (каплей стекла), что уменьшает чувствительность и увеличивает инерционность преобразователя. Преимуществом бесконтактных преобразователей является изоляция цепи термопары от нагревателя и возможность создания термобатарей (рис.2.20.в)

Под действием тепла, выделяемого нагревателем и при разности температур горячего и холодного спаев термопары возникает термо- э.д.с., пропорциональная величине тока, протекающего по нагревателю, и измеряемая магнитоэлектрическим ИМ.

Рис. 2.20. Контактные (а), бесконтактные (б) термопреобразователи и термобатарея (в).

Достоинства: малое влияние частоты ( и формы кривой) переменного тока и как следствие - высокий частотный диапазон (от 10 Гц до 100 МГц), просты в устройстве, достаточно высокий класс точности: 0,5; 1,0 и ниже, диапазоны измерения по току от 100 мА до 10 А; по напряжению от 0,75 В до 50 В. Используя усилители (поставленные перед измерительным механизмом) можно повысить чувствительность - по напряжению до 75 мВ, по току до 100 мкА, возможность измерения мощности в цепях с частотой до 2 МГц.

Недостатки: малая перегрузочная способность, зависимость показаний от температуры окружающей среды, низкое входное сопротивление (200 – 300 Ом/В), малая чувствительность, большое собственное потребление мощности, ограниченный срок работы, неравномерная шкала.

Применение - в качестве амперметров, вольтметров, ваттметров. Термоэлектрические приборы используются для измерения мощности.

Измерение мощности в цепях повышенных и высоких частот производится термоэлектрическими ваттметрами, Достоинства таких ваттметров: безинерционность; частотный диапазон достигает сотен МГц; простота конструкции; высокая надежность; точность измерения 1-3%. Недостатком является зависимость показаний прибора от температуры внешней среды.

Прямое измерение cosj осуществляется с использова-нием электромеханических фазометров.

Наиболее часто для электромеханических фазометров применяются электродинамические логометры. Шкала у этих приборов линейная. Используются на диапазоне частот от 50 Гц до 6-8 кГц. Классы точности 0.2; 0.5. Большая потребляемая мощность (5-10 ВА). Для измерения фазы в трехфазных цепях существуют трехфазные фазометры.

Прямое измерение частоты реализуется с использованием электромеханических частотомеров.

Частотомеры электромеханические используют измерительный механизм электромагнитной, электродинамической и ферродинамической систем. Они просты в устройстве и эксплуатации, надежны, обладают довольно высокой точностью. Классы точности: 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5.