5.Приборы электродинамической системы

Конструкция и принцип действия.

Неподвижная катушка с током I₁ разделена на две части; подвижная катушка с током I₂ закреплена на оси внутри неподвижной катушки. Спиральная пружина служит для создания противодействующего момента.

Принцип действия основан на взаимодействии магнитных потоков двух катушек с токами I₁ и I₂. Протекающие по катушкам токи создают магнитные потоки, которые стремятся принять одно направление, при этом подвижная катушка поворачивается внутри неподвижной. Вращающий момент М для постоянных токов: М= ,

Электродинамические приборы могут быть использованы в цепях как постоянного, так и переменного тока. Во втором случае при синусоидальных токах вращающий момент определяется по формуле М= .

В схеме вольтметра использовано последовательное соединение катушек. Здесь, как и в вольтметрах электромагнитной системы, индуктивное сопротивление катушек растет с ростом частоты измеряемого сигнала. Поэтому для поддержания полного комплексного сопротивления примерно постоянным в некотором диапазоне частот, как и в случае с электромагнитными приборами, применяется частотная коррекция (конденсатор С_к и резистор R_к).

Произведение двух токов в выражении вращающего момента является основой для построения ваттметров на основе электродинамических механизмов. Если в одной катушке ток равен току, текущему в нагрузку, а во второй катушке ток пропорционален напряжению на нагрузке, то показания прибора будут пропорциональны активной мощности. Цепь катушки напряжения содержит элементы частотной коррекции (конденсатор С_к и резистор R_к).

Преимущества: высокая точность; возможность работы на постоянном и на переменном токе; амперметры и вольтметры этой системы реагируют на действующее значение переменного тока или напряжения.

Недостатками: сравнительно невысокая чувствительность; возможное влияние внешних магнитных полей; заметное влияние температуры окружающей среды на сопротивление катушек; значительная собственная мощность потребления энергии от источника сигнала; нелинейная (квадратичная) шкала; ограниченный частотный диапазон.

6.Электростатические вольтметры

Принцип действия устройства электростатического механизма основан на взаимодействии заряженных электродов. В основе конструкции этого измерительного механизма два электрода (алюминиевые пластины, между которыми воздушный зазор), образующих переменную емкость. Измеряемое напряжение U подается на неподвижную пластину, образующую своеобразную камеру, и подвижную, закрепленную на оси. Спиральная пружина служит для создания противодействующего момента М_пр. Стрелка и шкала 6 образуют отсчетное устройство.

Подведенное к пластинам напряжение U создает между пластинами электрическое поле. Под действием электростатических сил притяжения подвижная пластина втягивается в камеру неподвижной пластины, поворачивая при этом ось со стрелкой. Чем выше приложенное (измеряемое) напряжение U, тем глубже входит подвижная пластина внутрь неподвижной (увеличивается площадь перекрытия пластин) и тем больше угол поворота. Геометрия подвижной пластины выбирается такой, чтобы повысить линейность (равномерность) шкалы прибора.

Вращающий момент М равен производной энергии этой электромеханической системы по углу поворота α: М= , где U – напряжение на пластинах; С – емкость между пластинами; α – угол поворота оси сердечника.

Противодействующий момент: М_пр=αΩ, где Ω – удельный противодействующий момент. Моменты М и М_пр направлены навстречу друг другу. С ростом угла поворота α противодействующий момент М_пр пропорционально растет. Это происходит до тех пор, пока моменты не станут равными. При М=М_пр: = αΩ .

Следовательно, уравнение шкалы электростатических вольтметра: .

Из последнего уравнения следует, во-первых, что ЭС приборы могут измерять напряжение в цепях и постоянного, и переменного тока, а во-вторых, что шкала у ЭС вольтметров – нелинейная (квадратичная).

Расширение диапазонов измерения электростатических вольтметров можно выполнять несколькими способами. На постоянном токе это делается с помощью резистивного делителя напряжения. На переменном токе используют емкостной делитель напряжения или, в крайнем случае, добавочный конденсатор, который совместно с емкостью самого электростатического механизма также создает делитель напряжения.

Преимущества: высокое входное сопротивление; малое потребление энергии от источника измеряемого напряжения; реакция на среднее квадратическое значение напряжения не зависит от формы сигнала; широкий диапазон частот; сравнительно высокая точность; простая конструкции и достаточная надежность.

Недостатки: нелинейная шкала; малая чувствительность; возможное значительное влияние внешних электрических полей, требующее экранирования механизма.

Основное применение электростатических вольтметров – измерения в высоковольтных цепях, в маломощных цепях, а также в цепях с высокочастотными сигналами.