Электромеханические приборы (таблица 4).

Электромеханический прибор включает в себя измерительную цепь (для преобразования измеряемой электрической величины в другую величину, непосредственно воздействующую на измерительный механизм), измерительный механизм(преобразует электрическую величину в угол поворота подвижной части) и отсчетное устройство (для визуального отсчитывания

значений измеряемой величины в зависимости от угла поворота подвижной части.).

Рис. 10 Шкала электроизмерительного прибора

На каждый прибор наносят условные обозначения (класс точности, род тока, рабочее положение прибора, тип измерительного механизма, напряжение пробоя изолирующих частей прибора и т.д.(рис.10)

Род измеряемого тока:

- постоянный

~ переменный

Рабочее положение прибора:

→ или ┌┐ - горизонтальное

↑ или ┴ -вертикальное

30 º - под углом в 30 градусов.

Напряжение, при котором испытана изоляция прибора( в киловольтах):

2 или 2

Cтепень защищенности от внешних магнитных полей:

I

II

III

IY

Условия эксплуатации:

А- нормально работают при температуре окружающей среды от +10 до +35 градусов Цельсия и относительной влажности до 80 % (закрытые сухие отапливаемые помещения)

Б – нормально работают при температуре окружающей среды от -20 до +50 градусов Цельсия и относительной влажности до 80%(закрытые неотапливаемые помещения)

В – нормально работают при температуре окружающей среды от -40 до+60 градусов Цельсия и относительной влажности до 98 % (полевые и морские условия)

Т – работают в тропическом климате.

Предел измерения – это максимальное или номинальное значение измеряемой величины (указывается у края шкалы у однопредельных или около переключателя у многопредельных приборов).

Цена деления показывает, сколько единиц измеряемой величины соответствует одному делению шкалы прибора на данном пределе измерения.

Чувствительность прибора есть величина, обратная цене деления, и определяет, сколько делений шкалы прибора соответствуют единице измеряемой величины.

Относительная приведенная погрешность прибора представляет собой отношение абсолютной погрешности прибора к номинальному значению на данном пределе измерения.

Класс точности – это наибольшая допустимая приведенная погрешность прибора, определяемая его конструктивными особенностями. Существуют электроизмерительные приборы 8 классов точности (ГОСТ 2.710-81): 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 1.5, 2.5, 4.0 . Класс точности выражается в процентах и указывается в виде числа в нижнем углу на шкале прибора.

Магнитоэлектрические приборы

Принцип действия основан на взаимодействии магнитного поля тока, проходящего по обмотке рамке, с магнитным полем постоянного магнита (сила Ампера). Для измерения в цепях постоянного тока используют приборы магнитоэлектрической системы. Принцип их действия основан на законе Ампера, согласно которому на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила.

Неподвижный подковообразный магнит 1 (рис.11 ) имеет выполненные из мягкого железа полюсы, которые охватывают сплошной железный сердечник 3. Между сердечником и полюсами имеется кольцевой зазор. На одной оси с сердечником находится легкая прямоугольная многовитковая проволочной рамки с размерами от 3х5 до

25х35 мм ( 2 ),_ имеющая обмотку из тонкого изолированного медного провода (по ней протекает измеряемый ток). Рамка может свободно вращаться в воздушном зазоре между сердечником и полюсами магнита. Рамка закреплена на оси в специальных подпятниках. На оси закреплена стрелка-указатель. Ток к началу и концу рамки подводится через гибкие спирали-пружины 4 или растяжки из немагнитного материала (фосфористая бронза), оказывающие противодействие вращению рамки. Из-за наличия железного цилиндра линии магнитной индукции в зазоре направлены радиально, а модуль постоянен.

При протекании тока по рамке из N витков в магнитном поле с индукцией В на сторону длиной l действует сила Ампера:

(17).

Вращающий момент, действующий на рамку шириной b , равен:

(18),

где - число витков провода в рамке,

- площадь рамки,

β - угол между плоскостью витков рамки и направлением вектора В.

Под действием вращающего момента рамка поворачивается, закручивая пружину 4 на угол .

В пределах упругой деформации момент упругих сил _упр пропорционален углу поворота оси рамки :

(19),

где - коэффициент, зависящий от упругих свойств материала пружины и ее размеров.

При достижении равновесия подвижной системы

(20).

Таким образом, угол поворота рамки φ пропорционален величине тока в рамке:

где - постоянная прибора, определяемая конструкцией прибора.

Угол поворота рамки регистрируется поворотом стрелки прибора, жестко связанной с рамкой 2. Из выражения (21) следует, что угол поворота подвижной системы пропорционален величине измеряемого тока, следовательно, шкала такого прибора равномерная. Рамка поворачивается в противоположную сторону, если изменить

направление тока в рамке. Поэтому приборы такого типа пригодны только для измерения постоянных токов.

М агнитоэлектрические приборы состоят из магнитоэлектрического измерительного механизма с отсчетным устройством и измерительной цепи. Применяют магнитоэлектрические механизмы с подвижной катушкой и подвижным магнитом, но наибольшее распространение получил механизм с подвижной катушкой. Ток в обмотке рамки идет через две спиральные пружины. Вращающий момент в измерительном механизме магнитоэлектрического прибора возникает в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля катушки с током, причем угол поворота пропорционален измеряемому току (напряжению). Направление поворота рамки и, следовательно, стрелки, зависит от направления тока в рамке.

В магнитоэлектрических механизмах осуществляется магнитоиндукционное успокоение за счет взаимодействия токов, наводимых в дюралюминиевом каркасе подвижной катушки при ее перемещении с полем постоянного магнита(правило Ленца) и за счет токов, наводимых в цепи катушки с полем магнита.

Магнитоэлектрические приборы относятся к числу точных. Наличие равномерной шкалы уменьшает погрешности градуировки и отсчета. Магнитоэлектрические измерительные механизмы имеют высокую чувствительность и малое собственное потребление энергии, имеют линейную и стабильную статическую характеристику преобразования, что связано со стабильностью магнитных свойств материалов. Наличие равномерной шкалы уменьшает погрешности градуировки и отсчета. Собственное магнитное поле концентрируется в узком зазоре, что позволяет получить большие значения индукции и, следовательно, высокую чувствительность механизма. По той же причине магнитоэлектрические измерительные механизмы мало чувствительны к внешним магнитным полям. При использовании в них высокостабильных магнитов могут быть созданы приборы классов точности до 0,05. Кроме того, на магнитоэлектрические измерительные механизмы не действуют высокочастотные наводки.

Для переменного тока магнитоэлектрические приборы неприменимы, так как подвижная часть вследствие инерционности при частотах выше 10 Гц не успевает реагировать на изменение направления тока. К недостаткам приборов этой системы можно отнести их

относительно высокую сложность, высокую стоимость и малую стойкость к перегрузкам. Магнитоэлектрические приборы используются в цепях постоянного тока в качестве амперметров (от 10 ^-6 до 10 ³ А), вольтметров (10 ^-3 - 10 ³ В) гальванометров для измерения малых токов ( порядка 10 ^*9 А ), омметров, флюксметров. Входят в состав приборов других систем для измерения переменных токов и напряжений.

Электромагнитные приборы

Рис. 12. Приборы электромагнитной системы

Принцип действия основан на воздействии магнитного поля измеряемого тока, проходящего в неподвижном проводнике (по обмотке короткой катушки), на подвижный сердечник из магнитомягкого ферромагнитного материала, находящегося в этом магнитном поле. В зависимости от конструкции различают 3 основных разновидности электромагнитных приборов (рис.12).

Наибольшее распространение получила конструкция с замкнутым магнитопроводом, обладающая более высокой чувствительностью и менее подверженная влиянию внешних магнитных полей. Прибор состоит из катушки 1 с узкой щелью (прорезью). Сердечник 2 изготовлен из ферромагнитного материала (мягкой стали или специального сплава) и эксцентрично насажен на ось 3 со стрелкой 4 (рис.12 а). Материал сердечника должен обладать высокой магнитной проницаемостью, что способствует увеличению вращающего момента при заданном значении потребляемой прибором мощности, и минимальной коэрцитивной силой, что уменьшает погрешность от гистерезисных потерь. При протекании по катушке тока ферромагнитный сердечник намагничивается и втягивается магнитным полем неподвижной катушки 1 в зазор катушки. Обычно материалом сердечника в щитовых приборах служит электротехническая сталь, а в точных переносных приборах – пермаллой. Колебания гасятся воздушным успокоителем (демпфером). Вращающий момент в электромагнитных приборах может быть определен исходя из измерения энергии магнитного поля катушки прибора при изменении в ней тока и ее индуктивности при перемещении сердечника. Энергия магнитного поля катушки с постоянным током:

Потенциальная энергия упруго деформированной пружины, обусловленная поворотом сердечника на угол ,

При вращении сердечника, а, следовательно, и оси