3.3 Електромагнітні прилади

Електромагнітні вимірювальні прилади

Відмінною рисою електромагнітних приладів, зумовлюючої їх широке застосування до ланцюгах перемінного й постійного струмів як щитових амперметрів і вольтметрів, є їхньою високі експлуатаційні якості: простота конструкції, низька вартість, висока надійність, опірність електричним перевантажень, широкий діапазон вимірюваних величин. Основним недоліком цих приладів є невисока точність (вітчизняні електромагнітні прилади випускаються з класами точності до 0,5).

Усі електромагнітні прилади залежно від конструктивного виконання й характеру руху їх рухомий частини можна розділити на резонансні інерезонансние. Кожна з цих груп приладів у своє чергу ділиться на дві підгрупи: поляризовані інеполяризованние (в поляризованих приладах крімнамагничивающей котушки використовуються постійні магніти). Оскільки резонансні електромагнітні прилади нині використовуються дуже рідко, то теперішньому посібнику де вони розглядаються. Тут розглянуті лишенеполяризованниенерезонансние електромагнітні перетворювачі, найширше застосовувані велектроизмерительной техніці. Основу цих приладів становлять електромагнітні вимірювальні механізми, відмінні як у конструктивного виконання, і за своїми властивостями і параметрами.

Принцип дії всіх електромагнітних перетворювачів грунтується на взаємодії магнітного поля струму, викликаного в котушці, зферромагнитним сердечником.

ЕлектромагнітніИП може бути виконано отож у результаті взаємодії магнітного поля котушки із течією іферромагнитного сердечника останній буде намагнітіться однойменно з іншим нерухомим сердечником і відштовхуватися від цього (звані перетворювачі відразливого дії), або ж в такий спосіб, у результаті впливу магнітного поля котушки із течією наферромагнитний сердечник він втягуватись у магнітне полі котушки (перетворювачвтяжного дії).

Усі конструктивні різновиду електромагнітнихИП можна зводити до двом основним типам (малюнок 5).

  

а

б

Малюнок 5 – Електромагнітні вимірювальні перетворювачі

Перетворювачі з пласкою котушками (малюнок5,а) складаються з котушки 2, у магнітному полі якоюферромагнитний сердечник 1 у вигляді усіченого диска чи язичка,ексцентрически закріплений на осі рухомий частини. При протікання по котушці струмуферромагнитний сердечник втягується в магнітний зазор котушки, повертаючи у своїй вісь 3 з закріпленим у ньомууспокоителем 4 і стрілку 5 у бік зростання показань.Регулировка кута відхилення рухомий частини здійснюється з допомогою магнітного шунта 6. Перетворювачі з пласкою котушками менш технологічні їх виготовляти, ніж механізми з круглої котушками, але вони мають підвищену чутливістю, меншими габаритами та величезною кількістю.

Перетворювачі з круглої котушками (малюнок5,б) складаються з котушки 1, рухомого 2 і нерухомого 3ферромагнитних сердечників, форма яких визначається необхідністю отримання необхідного характеру шкали перетворювача. При протікання по котушці струму рухливий і нерухомий сердечники намагнічуються однойменно. Рухомий сердечник виходить із нерухомого, повертаючись разом із віссю 4 і закріпленої у ньому стрілкою 6. Причому сила відштовхування виявляється прямо пропорційної значенням струму, викликаного по котушці.Противодействующий момент створюється з допомогою спіральної пружини 5.Успокоение рухомий частини здійснюється повітряним (>крильчатим)успокоителем, що складається з закритою камери 7 і легкого алюмінієвого крила 8, жорстко що з віссю 4 рухомий частини. Перевагою таких перетворювачів був частиною їхнього простота, висока технологічність виготовлення й можливість отримання необхідного характеру шкали (з допомогою вибору форми сердечників. Конструктивно сердечники може бути циліндричними,призматическими чи мати іншу форму). Чутливість таких перетворювачів виявляється нижче, ніж в перетворювачів з пласкою котушками.

З розгляду можна зробити деякі висновки про властивості, достоїнствах і недоліках електромагнітних перетворювачів:

- електромагнітні перетворювачі можна застосовувати для до ланцюгах як постійного, і змінного струмів, оскільки напрям відхилення рухомий частини залежить від напрями струму в обмотці. При застосуванні їх задля до ланцюгах змінного струму вони вимірюютьсреднеквадратические значення струму чи напруги;

- точність електромагнітних перетворювачів порівняно невисока внаслідок впливу втрат надходжень у осердях (нагистерезис і вихрові струми), зовнішніх магнітних полів, температури довкілля та частоти вимірюваних електричних величин;

- чутливість електромагнітних перетворювачів крім перетворювачів з замкнутиммагнитопроводом невисока, отже, власне споживання потужності від джерелпреобразуемих сигналів вони досить значну;

- функція перетворення електромагнітних перетворювачів за своїм характером єквадратичной, проте відповідним вибором форми і розташуванням сердечника, тобто. закону зміни індуктивності за зміни кута повороту рухомий частини, можна було одержати практично рівномірну шкалу дільниці від 20 до 100 % від неї верхньої межі;

- електромагнітні перетворювачі найбільш прості за своєю конструкцією, мають низькій вартості і надійні у роботі;

- електромагнітні перетворювачі здатні витримувати тривалі електричні перевантаження, оскількитокоподводящими елементами вони є мідні провідники відповідного перерізу, а чи не пружні елементи, створюють протидіючий моментМПР і першими що виходять із ладу при перевантаженнях впреобразователях інших груп;

- діапазон робочих частот для електромагнітних перетворювачів обмежений згори частотами порядку кілька десятків кілогерц через виникнення великий частотною похибки на високих частотах внаслідок впливу вихрових струмів в сердечнику та інших металевих деталей перетворювача, і навіть через зміну індуктивного опору котушки за зміни частоти. Для зменшення додаткових частотних похибок сердечники імагнитопроводи електромагнітних перетворювачів роблять змагнитомягких матеріалів з великим питомим опором (>пермаллоев).

Є також електромагнітнілогометрические перетворювачі, що застосовуються вфазометрах,частотомерах,фарадометрах тощо. Їх основні властивості аналогічні властивостями перетворювачів з механічним протиборчим моментом.

Електромагнітні прилади знаходять широке використання у практиці електричних вимірів головним чином вигляді різних щитових і лабораторних амперметрів і вольтметрів змінного струму. З іншого боку, з урахуваннямлогометрических перетворювачів створюютьсяфазометри, частотоміри іфарадометри.

>Амперметри. Електромагнітні амперметри утворюються шляхом безпосереднього послідовного включення перетворювача в ланцюг вимірюваного струму. Їх використовують для виміру порівняно невеликих струмів, бо за великих токах сильний вплив на показання приладів надають магнітні поля струмопровідних проходів.Щитовие амперметри, зазвичай, виготовляютьсяоднопредельними. Лабораторні прилади може мати кілька меж вимірів, які змінюються шляхів секціонування обмотки котушки і включення секцій послідовно чи паралельно. Для розширення меж виміру амперметрів великі струми використовуються вимірювальні трансформатори струму.

>Вольтметри.Вольтметри утворюються шляхом послідовного включення електромагнітного перетворювача і додаткового резистораRД. У цьому зменшення температурної похибки зміну опору ланцюга перебігу вимірюваного струму ставлення опору додаткового резистораRД, виконуваного зазвичай зманганина, до опору мідного дроти котушки повинно бути меншою від визначеного значення,задаваемого припустимою температурної похибкою. Тож увольтметрах, виділені на виміру малих напруг, доводиться зменшувати опір котушки рахунок зменшення числа її витків, що веде до їх зниження чутливості приладів. Для запобігання цього, розширення меж виміру вольтметрів убік малих напруг здійснюється, зазвичай, не було за рахунок зміниRД, а шляхом секціонування котушок і переходу з послідовного включення секцій на паралельне. Розширення меж до бік великих напруг здійснюється до 600 У з допомогою додаткових резисторів, але в вищі напруги - з допомогою вимірювальних трансформаторів напруги. Через різного характеру частотною залежності додаткового опоруRД та опору котушки у вольтметрів можуть з'являтися додаткові (протиамперметрами) частотні похибки.

Електромагнітніфазометри, частотоміри іфарадометри з урахуваннямлогометрических перетворювачів скільки-небудь широко він велектроизмерительной техніці не отримали і у даному посібнику не розглядаються.

Электродинамические и ферродинамические измерительные приборы

Э лектродинамические и ферродинамические приборы основаны на принципе взаимодействия токов разных обмоток, из которых одна неподвижная, а другая может изменять свое положение относительно первой. К подвижной обмотке прибора электрическая энергия подводится спиральными пружинами или растяжками. Электродинамические и ферродинамические измерительные приборы применяют для измерения тока, напряжения, мощности и других электрических величин постоянного и переменного токов. Шкалы вольтметров и амперметров — неравномерные, а ваттметров — практически равномерные. Электродинамические приборы обеспечивают наиболее высокую точность при измерениях в цепях переменного тока частотой до 20 кГц, однако они не выносят перегрузку, отличаются значительной мощностью потребления электрической энергии и на их показания влияют внешние магнитные поля. Для уменьшения этого влияния в приборах высокого класса точности применяют экранирование и астатическое построение измерительной системы. Стоимость электродинамических приборов высокая. Шкала электродинамических измерительных приборов часто бывает разделена на делений без указания значений этих делений в измеряемых единицах. В этом случае постоянную прибора, т. е. число измеряемых единиц, отвечающих одному делению шкалы, находят по формулам: для вольтметра для амперметра  для ваттметра  где Uном и Iном– соответственно номинальные напряжение и ток прибора, αмах— полное число делений шкалы. В электродинамических амперметрах на номинальный ток до 0,5 А и вольтметрах обе обмотки прибора соединены между собой последовательно, а в амперметрах с пределами измерения свыше 0,5 А — параллельно. Расширение пределов измерения электродинамических амперметров обеспечивают разделением неподвижной обмотки на секции, что позволяет изменять диапазон измерений прибора вдвое, а также применением шунтов на постоянном токе и измерительных трансформаторов тока при измерениях в цепях переменного тока. Расширение пределов измерения электродинамических вольтметров достигается применением добавочных резисторов, а при измерениях в цепях переменного тока, кроме того, использованием измерительных трансформаторов напряжения.  Рис. 1. Схемы включения однофазного ваттметра: а — непосредственно в сеть, б — через измерительные трансформаторы напряжения и тока. Среди электродинамических измерительных приборов наибольшее распространение получил ваттметр (рис. 1, а), у которого неподвижная обмотка с небольшим числом, витков толстой проволоки включена в цепь последовательно, а подвижная, соединенная со встроенным в корпус или с наружным добавочным резистором — параллельно тому участку цепи, в котором измеряют мощность. Для отклонения стрелки ваттметра в необходимом направлении следует соблюдать правила включения прибора: электрическая энергия должна поступать в прибор со стороны генераторных зажимов обмоток, которые отмечены на приборе знаком «*». На шкале каждого ваттметра приведены номинальные напряжение и ток, для которых предназначен прибор. При необходимости допускается в течение 2ч напряжение и ток доводить до 120 % их номинальных значений. Некоторые электродинамические ваттметры имеют переключаемые пределы измерения как по номинальному напряжению, так и по номинальному току, например 30/75/150/300 В и 2,5/5 А. Расширение шкалы электродинамических ваттметров по току осуществляют так же, как у электродинамических амперметров, а расширение шкалы по напряжению — аналогично электродинамическим вольтметрам. Если электродинамический ваттметр включен через измерительные трансформаторы напряжения и тока (рис. 1, б), измеряемую мощность находят по формуле где Кu и Ki —номинальные коэффициенты трансформации соответственно измерительных трансформаторов напряжения и тока, Cвт — постоянная ваттметра, α — число делений, отсчитанных по прибора. При включении электродинамического фазометра в цепь переменного тока (рис. 2) надо следить, чтобы провода, подводящие энергию к прибору, были присоединены к генераторным зажимам, отмеченным на приборе знаком «*». Такое непосредственное включение возможно, если напряжение сети соответствует номинальному напряжению фазометра, а ток нагрузки не превышает его номинального тока. тока. Номинальное напряжение и ток фазометра приведены на его шкале, где также имеются обозначения: «ИНД» для части шкалы, соответствующей току, отстающему от напряжения, и «ЕМК» для части шкалы, отвечающей опережающему току. В том случае, если напряжение и ток цепи превышают соответствующие номинальные напряжение и ток фазометра, его необходимо включать через соответствующие измерительные трансформаторы напряжения и тока.  Рис. 2. Схема включения фазометра. Ферродинамические приборы аналогичны электродинамическим приборам, но отличаются от них усиленным магнитным полем неподвижной обмотки за счет магнитопровода из ферримагнитного материала, что увеличивает вращающий момент, повышает чувствительность, ослабляет влияние внешних магнитных полей и уменьшает мощность потребления электрической энергии. Точность ферродинамических измерительных приборов ниже точности электродинамических прибором. Они пригодны для использования и цепях переменного тока частотой от 10 Гц до 1,5 кГц.    Рис. 3. Принципиальная схема ферродинамического частотомера    Рис. 4. Схема включения частотомера: а - непосредственно в сеть, б - через добавочное сопротивление Ферродинамические частотомеры обычно включают в сеть переменного напряжения параллельно или через добавочное устройство ДУ (рис. 4, а, б), представляющее собой электрическую цепь с резисторами, индуктивными катушками и конденсаторами, находящимися в отдельном кожухе. При включении частотомера нужно проверять соответствие напряжения сети номинальному напряжению прибора, которое указано на его шкале. Изготовляют также ферродинамические частотомеры без добавочных устройств на несколько номинальных напряжений, каждому из которых соответствуют определенный зажим прибора и общий зажим, отмеченный знаком «*».

Достоинства электродинамической системы

высокая точность измерения.

Недостатки электродинамической системы

малая перегрузочная способность;

низкая чувствительность к малым сигналам;

заметное влияние внешних магнитных полей.