VI) Индукционные измерительные механизмы

В индукционном измерительном механизме вращающий момент обеспечивается взаимодействием магнитных потоков, создаваемых специальными катушками с ферромагнитными сердечниками, и вихревых токов, индуцируемых в проводящем диске. Зависимость показаний индукционного измерительного механизма от колебаний частоты, токов возбуждения, температуры окружающей среды ограничивает применение данного измерительного механизма.

Применение: самопишущие приборы; частотомеры; счётчики электрической энергии.

Рассмотрим принцип действия измерительного механизма на примере счетчика электрической энергии.

1, 5 - ферромагнитные сердечники с обмотками; 2 - счётный механизм;

3 - постоянный магнит; 4 - алюминиевый диск, расположенный на оси.

Условное обозначение

Под воздействием переменных магнитных полей сердечников с обмотками в диске индуцируются вихревые токи, а за счёт взаимодействия этих токов с полями, создаваемыми сердечниками, создается вращающий момент М_ВР.

М_ВР=К₁IUcosφ=K₁P,

где К₁ – постоянный коэффициент, зависящий от конструкции механизма; I,U – действующее значение тока и напряжения в нагрузке R_Н; cosφ – угол сдвига фазы между векторами тока и напряжения; P – мощность.

Тормозной момент Mт, действующий на диск возникает в результате взаимодействия постоянного поля магнита 3 и вихревых токов, индуцируемых в диске в процессе вращения в поле магнита 3.

Тормозной момент равен:

К₂ – постоянный коэффициент; α – угол поворота диска.

Тормозной момент пропорционален частоте вращения диска .

При неизменной активной мощности потребляемой нагрузкой вращающий и тормозной моменты равны между собой, т.е.: Мвр=Мт, откуда

K₁·U·Icosα= K₂·dα/dt

Число оборотов диска N за время Δt измерения энергии определяется интегралом по времени от частоты вращения диска , т.е.

, где – постоянная счетчика, Wэ – энергия, прошедшая через счетчик за интервал времени Δt.

, А – передаточное число измерительного механизма.

Значения А и Сн зависят только от конструкции счетного механизма и для данного счетчика остаются неизменными.

На самом деле количество электричества, проходящее через нагрузку за один оборот диска, зависит от внешних условий и тока нагрузки и характеризуется действительной постоянной С_д.

Значение С_д определяется экспериментально. Для этого определяют действительную израсходованную энергию, измеряя потребляемую мощность за определенное время

W_д=Pt=C_дN, .

Разница между С_д и С_н – причина относительной погрешности механизма.

Передаточное число А указывается на щитке счетчика.

Важным параметром счетчика является порог чувствительности – это минимальная нагрузка, выражаемая в процентах от номинальной, при которой начинается постоянное вращение диска. Наряду с этим счетчик не должен иметь самоход диска при разомкнутой токовой цепи и изменении питающего напряжения в пределах 220 В ± 10 %.

Счетчики активной энергии выпускаются классов точности 0,5; 1; 2,0; 2,5.

Порог чувствительности не должен превышать 0,4% для класса 0,5 и 0,5% для классов 1; 2,0; 2,5.

Применение: измерение электрической энергии в однофазных и трехфазных цепях.

Далее рассмотрим группу электромеханических приборов с преобразователями.

Лекция №7

Электромеханические приборы с преобразователями.

Магнитоэлектрический механизм имеет высокую точность, но не позволяет измерять переменные токи и напряжения. Для обеспечения этой возможности магнитоэлектрический механизм снабжают преобразователями переменного тока в постоянный.

1) Выпрямительные приборы.

Высокая точность, чувствительность и малое потребление энергии выгодно отличают магнитоэлектрические приборы от других электромеханических приборов. Поэтом их используют и на переменном токе, благодаря преобразователям переменного тока в постоянный. Они представляют собой сочетание электронного выпрямителя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Применяют однополупериодные и двухполупериодные схемы выпрямления.

Рассмотрим однополупериодную схему выпрямления. В этом случае через измерительный механизм проходит только одна полуволна переменного тока, а обратная пропускается через диод VD2 и резистор R. Цепь из диода VD2 и резистора R, сопротивления которого равно сопротивлению нагрузки (измерительного механизма) используется для выравнивания обеих полуволн тока в общей цепи, а также для защиты от пробоя диода VD1 при обратной полуволне напряжения U.

Магнитоэлектрический измерительный механизм реагирует на среднее значение тока за счет инерционности механизма.

Вращающий момент:

,

m_t – мгновенное значение момента.

Вращающий момент для магнитоэлектрического измерительного механизма:

М_вр=ВSWI, m_t=BSWi(t).

Вследствие инерционности магнитоэлектрического измерительного механизма получим:

I_ср – среднее значение тока в измеряемой цепи.

В измеряемой цепи ток существует в каждый полупериод:

Через резистор ток протекает в другой полупериод.

R≈R_ИМ (чтобы уменьшить влияние на измеряемую цепь, для уравновешивания в отрицательный полупериод).

Уравнение шкалы:

; М_пр=W_удα; М_вр=М_пр; ; .

W_уд – удельный противодействующий момент.

Часто прибор градуируется в действующих значениях: ,

К_ф – коэффициент формы; К_ф=1,11 (для синусоиды)

.

2) Двухполупериодный выпрямитель с измерительным механизмом.

Уравнение шкалы:

Достоинства: высокая чувствительность магнитоэлектрического измерительного механизма, малое собственное потребление мощности, широкий частотный диапазон (без частотной компенсации до 2кГц, с частотной компенсацией до 20кГц).

Недостатки: зависимость показаний от формы измеряемого напряжения, необходимость введения частотной и температурной компенсации, нелинейные ВАХ диодов снижают класс точности.

Классы точности: 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Широко применяются в качестве комбинированных приборов для измерения постоянных и переменных токов и напряжений, а также для измерения сопротивлений.

Диапазон по току от 0,2 мА до 6 А, по напряжению от 0,2мВ до 600 В.

Термоэлектрические приборы.

Эти приборы представляют собой сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма и термоэлектрического преобразователя. Преобразователь состоит из одной или нескольких термопар и нагревателя, по которому протекает измеряемый ток. Нагреватель изготовлен из материала с большим удельным сопротивлением (нихром, вольфрам). В качестве термопары выбирают датчики с высоким значением термоЭДС.

1 – нагреватель, по которому протекает измеряемый ток; 2 – термопара.

Нагреватель и термопара могут иметь электрический контакт, либо могут быть изолированными.

Вариант с несколькими термопарами:

Под действием тепла, выделяемого нагревателем, возникает термоЭДС е_t, пропорциональная действующему значению тока в нагревателе.

Достоинства: малое влияние частоты и формы переменного тока, широкий частотный диапазон (от 10 Гц до 100 МГц). Диапазон измерения по току 10 мА-10 А, по напряжению 0,75 В-50 В.

Классы точности 0,1; 0,5.

Недостатки: малая перегрузочная способность, низкая чувствительность, большое собственное потребление мощности, неравномерная шкала, зависимость показаний от температуры окружающей среды.

Применение: амперметры, вольтметры, ваттметры.

Измерительные мосты и компенсаторы (потенциометры)

Погрешность приборов непосредственной оценки не лучше 0,05%. Большую точность обеспечивают приборы сравнения: компенсаторы (потенциометры) и измерительные мосты.

Для измерения постоянных ЭДС и напряжений широко используются компенсаторы постоянного тока. Схема компенсатора постоянного тока

Схема содержит три контура: первый контур (нормальный элемент E_N=1.0185…В); второй контур (источник питания E_K), U_x – измеряемое напряжение, Г – гальванометр (магнитоэлектрического типа), декады сопротивлений R_рег , R_N, R_к а также переключатель П находятся внутри корпуса прибора, ручки R_рег, R_к выведены на панель прибора. Г – нуль индикатор может быть встроенным, и может подключаться к соответствующим зажимам.

Измерение U_x производится в два этапа: в начале в контуре II устанавливают рабочий ток I_р, при этом переключатель П переводят в положение 1 и с помощью R_рег добиваются такого значения тока при котором показания гальванометра равны 0 т.е. в этом случае будет выполняться равенство ; далее, переводя переключатель в положение 2 с помощью R_к добиваются компенсации напряжения U_x

, ,

- это часть сопротивления R_к установленное для обеспечения компенсации по нулевому показанию гальванометра.

Погрешности измерения напряжения компенсатором определяется тремя составляющими: погрешностью установки и поддержания неизменным тока I_р, погрешностью изготовления и подгонки образцового резистора R_N, компенсационного R_к и регулируемых сопротивлений R_рег , также погрешность зависит от чувствительностью нуль-индикатора.

Существует 9 классов точности: 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2.

Особенностью является возможность измерять ЭДС т.к. для измерения ЭДС необходимо максимально малое потребление тока от этого источника, если не учесть этого, то измерим напряжение на внутреннем сопротивлении источника. Компенсаторы используются также для точных косвенных измерений токов и сопротивлений.

Для измерения силы тока I_x в исследуемую цепь включают образцовый резистор сопротивлением R₀, которое известно, а с помощью компенсатора измеряют падение напряжения на резисторе R₀.

Также можно измерять сопротивление постоянному току

,

Лекция №8