, Откуда ,
В режиме
установившегося отклонения при создании
противодействующего момента пружиной
,
т.е. с учетом того, что
,
получим
,
откуда
.
Из последнего выражения видно, что угол поворота пропорционален квадрату измеряемого тока. Это означает, что шкала приборов данной системы неравномерная. Линейную зависимость угла отклонения от величины измеряемого тока для значительной части рабочего диапазона отклонения указателя на шкале получают, изготавливая сердечник особой формы, для которой dL/dφ является требуемой функцией от угла поворота (рабочая часть шкалы прибора – правее точки в начале шкалы!). При этом знак угла отклонения стрелки прибора не зависит от направления тока в катушке, так как при изменении направления тока в обмотке меняется полярность намагничения сердечника, и при любом направлении тока в обмотке сердечник втягивается внутрь катушки, а стрелка отклоняется в одну и ту же сторону. Приборы пригодны для измерения в цепях не только постоянного, но и переменного токов. В цепи переменного тока они измеряют действующее значение тока или напряжения.
Электромагнитные измерительные механизмы просты по конструкции, надежны в работе, механически прочны и дешевы. Способны выдерживать большие перегрузки (отсутствуют токоподводы к подвижной части). Могут использоваться как в цепях постоянного, так и переменного токов с частотой не выше 10 кГц (из-за возрастания потерь в ферромагнитном сердечнике). К недостаткам следует отнести неравномерность шкалы, подверженность влиянию внешних магнитных полей (для устранения такого влияния применяют магнитное экранирование), низкую чувствительность приборов. Применяются в основном в щитовых амперметрах ( пределы измерений от 1,5 мА до 200 А ), вольтметрах (от 0,5 В до 600 В), частотомерах.
Электродинамические и ферродинамические приборы
Принцип действия основан на законах взаимодействия проводников с током (закон Ампера), протекающих по двум обмоткам, одна из которых неподвижна, а другая может вращаться. Обмотка неподвижной катушки имеет мало витков и называется токовой, обмотка подвижной имеет большое количество витков и называется обмоткой напряжения. Ток к подвижной катушке подводится через пружинки (рис. 13, 14 ), создающие противодействующий момент. Успокоение создается воздушным или магнитоиндукционным успокоителем. Конструкция ферродинамического механизма отличается тем, что неподвижная обмотка помещена на магнитопрововоде из магнитомягкого листового материала, что увеличивает магнитный поток и повышает чувствительность прибора. При протекании токов в обмотках катушек возникает вращающий момент, поворачивающий подвижную катушку на угол φ . Вращающий момент пропорционален (для постоянных токов) произведению этих токов:
( 29 ) ,
где к1 – коэффициент, зависящий от конструктивных данных прибора и взаимного расположения катушек.
Момент упругих сил в пружинах пропорционален углу поворота :
( 30 ).
При равенстве моментов
,
то есть
( 31 ).
Отсюда угол поворота подвижной катушки:
( 32 ).
Это означает, что шкала приборов данной системы будет неравномерной. В амперметрах катушки соединяются последовательно (угол поворота пропорционален квадрату измеряемого тока), в вольтметрах – параллельно.
Электродинамические (ферродинамические) приборы применяют для измерения постоянных и переменных токов (амперметры с пределами от 1,5 мА до 50 А) и напряжений (вольтметры с пределами от 1,5 до 600 В), мощности (ваттметры – от 1,5 Вт до 3 кВт) в цепях постоянного и переменного тока с частотой до 10 кГц, угла фазового сдвига между переменными токами и напряжениями. Электродинамические приборы являются наиболее точными электромеханическими приборами для цепей переменного тока (приведенная погрешность – доли процента).
Пригодность для переменного тока обусловлена тем, что направление тока в обмотках может изменяться только одновременно, поэтому независимо от направления тока подвижная катушка и стрелка измерительного механизма поворачиваются только в одну сторону. На показания приборов большое влияние оказывают внешние магнитные поля,
причем переменные магнитные поля почти не влияют на приборы для измерения
постоянных токов, а постоянные поля не влияют на приборы для измерения переменных токов. Приборы сравнительно дороги и мало устойчивы к перегрузкам, имеют неравномерную шкалу, имеют большое собственное потребление энергии.
Индукционные приборы
Принцип действия основан на воздействии магнитных полей токов, протекающих по двум обметкам, с магнитным полем тока, индуцируемого в подвижной части, находящейся между этими обмотками ( выполнена в виде алюминиевого диска – рис.15). Приборы данной системы используются в счетчиках электрической энергии в цепях переменного тока.
Электростатические приборы
Вращающий момент возникает в результате взаимодействия двух систем заряженных проводников, одна из которых является подвижной (рис.16). Применяются для измерения постоянного и переменного напряжений.
Если к подвижным и неподвижным пластинам приложить напряжение, то они окажутся заряженными противоположными по знаку зарядами. В результате подвижные пластины будут притягиваться к неподвижным , т.е. буду втягиваться в пространство между неподвижными. Угол поворота оказывается пропорциональным квадрату измеряемого напряжения, то есть шкала нелинейная. Линейность шкалы достигается для значительной части диапазона измерений за счет пластин специальной формы.
Позволяют измерять высокие напряжения, имеют малое собственное потребление энергии (на постоянном токе оно равно нулю), отсутствует влияние магнитных полей, слабая зависимость от температуры окружающей среды, частоты и формы измеряемого напряжения, пригодны для измерения постоянных и переменных напряжений. Но при этом имеют малую чувствительность и сильно подвержены влиянию электростатических полей.
Таким образом, по принципу действия различают аналоговые приборы следующих систем: магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, ферродинамические, индукционные, вибрационные, электростатические, тепловые.
Таблица 4. Обозначения на шкалах электроизмерительных приборов
Литература
Авдеев Б.Я. и др. Основы метрологии и электрические измерения. Л: Энергоатомиздат, 1987.-470с.
Практикум по общей физике. / Под ред. проф. В.Ф.Ноздрева. – М .:Просвещение. 1971, с. 154-167
Телеснин Р.Ф.: Яковлев В.Ф.: Курс физики. Электричество. М.: Просвещение, 1970.-488с.
Валяева З.Ю.Вводные методические указания к выполнению работ в лабораторном физическом практикуме по электромагнетизму: УГПИ, 1994.-30с.
Гершензон Е.М. и др. Электродинамика.- М.:Академия, 2002.-352с
Бурсиан Э.В. Физические приборы.- М.: Просвещение, 1984.-271с.
Методические указания к лабораторной работе
«Изучение электроизмерительных приборов.
Расширение пределов измерения электроизмерительных
приборов»
Составитель – кандидат педагогических наук, доцент
Самохина Светлана Сергеевна
Ответственный за выпуск – кандидат физико-математических наук, доцент
Кудрявцев Юрий Николаевич
Редактор Пыркина Ю.А. План Университета 2008. Поз.
Подписано к печати Формат бумаги 60х90 1/16
Бумага газетная Печ. л. Уч.-изд.л.
Усл. кр. отт. Печать оперативная Тираж 100 экз.
Бесплатно Заказ №
Ротапринт Ульяновского государственного педагогического университета имени И.Н.Ульянова