4.2. Разновидности электроизмерительных приборов.

А) Магнитоэлектрические ЭИП.

Действие прибора магнитоэлектрической системы основано на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с током, проходящим по обмотке подвижной катушки (рамки), движущейся между полюсами магнита (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Устройство магнитоэлектрического ЭИП

1. - Постоянный магнит ; 2 - стрелка; 3 – магнитопровод;

4. - противовесы; 5 – рамка из медного провода;

6 - цилиндрический сердечник; 7 - спиральные пружины.

В зазоре между полюсными наконечниками и сердечником создается практически равномерное радиальное магнитное поле с индукцией В = 0,1 – 0,3 Тл.. Подвижная рамка с обмоткой из медного провода диаметром 0,03 – 0,1 мм на алюминиевом каркасе может поворачиваться вокруг сердечника.

При протекании по рамке постоянного тока на ее витки действуют силы, перпендикулярные вектору индукции в зазоре. Эти силы создают вращающий момент, пропорциональный току в рамке. Противодействующий момент, пропорциональный углу поворота рамки, создают пружины.

В результате после поворота на некоторый угол a рамка приходит в равновесие. Угол отклонения подвижной части механизма

• = S _i I , где S _i – чувствительность механизма по току.

Приборы магнитоэлектрической системы используют для измерений в цепях постоянного тока. Их достоинствами являются высокая точность (из-за высокой стабильности элементов конструкции и малого влияния внешних магнитных полей); высокая чувствительность (прибор обладает сильным собственным магнитным полем, поэтому даже при малых токах создается достаточный вращающий момент); незначительное влияние на режим измеряемой цепи (так как мощность потребления ЭИП мала); хорошее успокоение; равномерность шкалы.

Недостатки ЭИП: сложность изготовления; плохая перегрузочная способность, обусловленная легким перегревом пружин и изменением их свойств; температурные влияния на точность измерения.

Б) Электромагнитные ЭИП.

Действие приборов электромагнитной системы основано на взаимодействии магнитного поля измеряемого тока с подвижным ферромагнитным сердечником (рис. 4.2).

Энергия магнитного поля катушки W = L I ² / 2

При прохождении тока через катушку в ее зазор втягивается сердечник (пермаллоевый лепесток). Так как ферромагнетики втягиваются в магнитное поле независимо от того, куда оно направлено, электромагнитные ЭИП можно применять для измерения как постоянных, так и переменных токов. При этом угол поворота подвижной части пропорционален квадрату силы тока в катушке .и скорости изменения ее индуктивности ( dL/da).

Достоинства электромагнитных приборов: простота и надежность, хорошая перегрузочная способность и одинаковая пригодность для измерений в цепях постоянного и переменного токов;

Недостатки – большое собственное потребление энергии, невысокая точность (при измерениях в цепях постоянного тока сказывается явление гистерезиса в ферромагнитном сердечнике), малая чувствительность, влияние внешних магнитных полей из-за слабого собственного магнитного поля. Применяют данные системы ЭИП как измерители токов и напряжений преимущественно в цепях переменного тока промышленной частоты. Использование их в цепях высокой частоты недопустимо из-за больших частотных погрешностей.

Рис. 4.2. Устройство электромагнитного ЭИП.

1 - Катушка ; 2-сердечник; 3 - пружина; 4 – стрелка.

В) Электродинамические ЭИП.

Работают на принципе взаимодействия магнитных потоков двух катушек, по которым протекают токи. Измерительные механизмы (рис. 4.3) состоят из пары неподвижных катушек 1 (круглой или прямоугольной формы), соединенных последовательно.

Внутри этих катушек на оси находится бескаркасная подвижная катушка (рамка) 2.

Для подвода тока в подвижную катушку и создания противодействующего момента применяют спиральные пружины.

Рис. 4.3. Устройство электродинамического ЭИП

Угол отклонения подвижной части ЭИП пропорционален произведению токов в катушках (точнее – их среднеквадратических значений) на косинус угла сдвига фаз между ними и на скорость изменения взаимной индуктивности катушек (dM/da).

Электродинамические ЭИП содержат две цепи тока, поэтому являются множительными устройствами и обладают фазочувствительностью.

Данная особенность позволяет применять их для измерения не только тока и напряжения, но мощности и фазы.

Достоинства – высокая точность и возможность использования в цепях постоянного и переменного токов;

Недостатки – малая чувствительность, влияние внешних магнитных полей (слабое собственное магнитное поле), большая мощность потребления, ограниченный частотный диапазон (до 1,5 кГц).

Электродинамические ЭИП используют в амперметрах. Вольтметрах, ваттметрах при лабораторных измерениях в цепях постоянного и переменного токов промышленной частоты, фазометрах.

Г) Электростатические ЭИП.

Принцип работы электростатических ЭИП основан на взаимодействии электрически заряженных электродов, разделенных диэлектриком. Конструктивно они представляют собой разновидность плоского конденсатора, так как в результате перемещения подвижной части изменяется емкость системы (рис. 4.4).

Измеряемое напряжение приложено между подвижными и неподвижными электродами и создает между ними электрическое поле с энергией W = C U ² / 2

Электростатические силы взаимодействия заряженных электродов создают вращающий момент, под действием которого подвижные электроды втягиваются в пространство между неподвижными и изменяют активную площадь электродов, т.е. изменяют емкость С. Противодействующий момент создается пружиной.

Угол поворота подвижной части пропорционален произведению квадрата приложенного напряжения на скорость изменения емкости

(dC/ da). Шкала прибора квадратичная, поэтому изменение полярности приложенного напряжения не изменяет направления вращения. При приложенном переменном напряжении прибор реагирует на среднее значение вращающего момента за период. Показания прибора соответствуют среднеквадратическому значению приложенного напряжения.

Достоинства электростатических приборов – высокое входное сопротивление; малая, но переменная входная емкость; малая мощность потребления; возможность использования в цепях как постоянного, так и переменного тока; широкий частотный диапазон; независимость показаний от формы кривой приложенного напряжения.

Рис. 4.4. Устройство электростатического ЭИП.

1. - Неподвижные электроды; 2 - подвижные электроды

.

Недостатки электростатических ЭИП – квадратичная шкала, малая чувствительность из-за слабого собственного электрического поля, невысокая точность, возможность пробоя между электродами, необходимость экрана.

Область применения – измерения в цепях с маломощными источниками и при лабораторных исследованиях в цепях высокого напряжения. В совокупности с электронными усилителями их используют как высокочувствительные электрометры и вольтметры переменного тока.