книги из ГПНТБ / Овчаренко, В. М. Основы автоматизации производства и контрольно-измерительные приборы учебник

а) Обозначения рода тока

—Постоянный ток

Переменный (однофазный) ток

Постоянный и переменный ток

Трехфазный ток

Трехфазный ток при неравномерной нагрузке фаз

б) Обозначения класса точности, положения прибора, прочности изоляции

20

П р о д о л ж е н и е табл. 8

в) Обозначения зажимов, корректора и арретира

—Отрицательный зажим

21

г) Обозначения защищенности от влияния окружающей среды

БДля закрытых сухих неотапливаемых помещений (груп­

па Б)

Вх или В2 Для полевых и морских условий (группа В)

ТДля условий сухого и влажного тропического климата.

Пр и м е ч а н и е . Знак наносится вместе с заводским обозначением прибора, например Ф102Т

оп Обыкновенные с повышенной механической прочностью

тп Тряскопрочные

22

д) Обозначения по защите от электрических и магнитных полей

23'

Измерительные приборы магнитоэлектрической системы

Измерительный механизм магнитоэлектрической системы (рис. 1) состоит из двух основных частей: неподвижной и подвижной.

К неподвижной части относятся постоянный магнит 1, полюсные башмаки 2, охватывающие стальной цилиндр 3, и магнитный шунт (на^рис. 1 не показан). Воздушный зазор между башмаками и цн-

"линдром всюду одинаков; посто­ янный магнит создает в этом за­ зоре равномерное, радиально на­ правленное поле. Магнитный шунт выполнен в виде железной пла­ стинки, через которую отводится (шунтируется) некоторая часть магнитного потока. Перемещением пластинки можно изменять напря­ женность магнитного поля в воз­ душном зазоре и тем самым под­ гонять отклонение стрелки по шкале прибора.

Кподвижной части относится прямоугольный алюминиевый кар­ кас (рамка) 4 с обмоткой из мед­ ной изолированной проволоки диа­ метром от 0,02 до 0,2 мм. К рамке прикреплены две полуоси 5, на которых подвижная часть устана­ вливается в подпятники. К полу­ осям крепятся внутренние концы

Рис. 1. Измерительный механизм бронзовых токоподводящих пру­

магнитоэлектрической системы жин 6, балансные грузики 7 и

стрелка-указатель 8.

Принцип работы приборов магнитоэлектрической системы основан на взаимо­ действии постоянного магнитного поля и проводника с током. При прохождении тока по обмотке на рамку действует пара сил, которая создает вращающий мо­ мент

где Мцр — вращающий момент в Н м; В — магнитная индукция в Т; W — число витков обмотки рамки; I — сила тока в A; S — активная площадь рамки в м*.

Все величины, входящие в формулу (2.1), кроме силы тока, являются для данного прибора постоянными. Следовательно, вращающий момент прямо пропорционален силе тока

где Квр — постоянная величина, учитывающая особенности конструкции при­ бора.

Пружины создают противодействующий момент

где Кпр — постоянная величина; а — угол поворота рамки.

24

Подвижная часть прибора поворачивается до тех пор, пока не наступит равновесие между вращающим и противодействующим моментами. При этом

откуда

a= J b 2 - I= K I.

лПр

Отсюда следует, что угол поворота подвижной части пропорционален току в первой степени, благодаря чему шкала прибора магнитоэлектрической системы равномерная.

Основными достоинствами приборов этой системы помимо равно­ мерности шкалы являются высокая точность и чувствительность, малая зависимость показаний от внешних магнитных полей и не­ большое потребление мощности. Вместе с тем эти приборы обладают малой перегрузочной способностью, т. е. способностью выдерживать кратковременные токи, превышающие номинальные значения.

Если прибор магнитоэлектрической системы включить непосред­ ственно в цепь переменного тока, то при изменении направления тока будет изменяться и направление вращающего момента, но рамка вследствие своей инерции останется неподвижной; другими словами, при н е п о с р е д с т в е н н о м включении магнитоэлектрического прибора в цепь переменного тока измерение невозможно. Однако вследствие своих достоинств магнитоэлектрические приборы широко используются для измерения малых переменных токов путем пред­ варительного преобразования их с помощью термопар или выпрями­ телей в постоянные токи.

Измерительные приборы выпрямительной системы

Измерительный прибор выпрямительной системы состоит из при­ бора с магнитоэлектрическим измерительным механизмом и выпря­ мителя, который может быть собран по однополупериодной или двухполупериодной схеме (рис. 2). На рис. 2, а в одни полупериоды ток проходит через диод Д 1 и обмотку рамки измерительного механизма, а в другие полупериоды — через резистор R, значение которого подбирается равным сопротивлению рамки, и диодам Д 2. На рис. 2, б в одни полупериоды ток проходит через обмотку рамки и Д 2, а в другие полупериоды через Д а, обмотку рамки в том же направле­ нии и Д 4. Угол поворота подвижной части прибора пропорционален среднему значению вращающего момента, а следовательно, с р е д ­

25

где а — угол поворота подвижной части прибора; 1 0 — среднее значение выпрямленного тока; / т — амплитудное значение пере­ менного тока на входе выпрямительной схемы; К — постоянная величина, учитывающая особенности конструкции прибора.

Из (2.5) и (2.6) видно, что при двухполупериодном выпрямлении чувствительность прибора повышается в два раза. Хотя угол пово­ рота подвижной части прибора выпрямительной системы пропор­ ционален среднему значению тока, шкалы этих приборов градуи­ руются по действующему значению переменного тока I. При этом учитывается, что для синусоидального тока I = 1,14/ 0.

Л,

-м - ■ ф —

При идеальном выпрямлении шкала прибора выпрямительной системы, как и прибора магнитоэлектрической системы, была бы равномерной. Однако в действительности из-за значительной нели­ нейности вольтамперных характеристик диодов при малых значе­ ниях напряжений, начальная часть шкалы (до 15%) имеет неравно­ мерный характер.

Магнитоэлектрические логометры

Логометром называется прибор, измеряющий отношение двух то­ ков. Наибольшее распространение получили магнитоэлектрические логометры, измеряющие отношение двух постоянных токов; они подразделяются на два типа:

а) логометры с подвижными рамками и неподвижным постоянным магнитом;

б) логометры с подвижным внутрирайонным магнитом.

Принцип устройства магнитоэлектрического логометра с по­ движными рамками показан на рис. 3. К неподвижной части при­ бора относятся постоянный магнит 1, полюсные башмаки 2 и сталь­ ной сердечник миндалевидной формы 3. Воздушный зазор, а следо­ вательно, и индукция между башмаками и сердечником неодинаковы. Подвижные алюминиевые рамки с обмотками 4 насажены на общую ось со сдвигом относительно друг друга, благодаря чему в неравно­ мерном зазоре магнитная индукция в точках расположения рамок всегда неодинакова.

26

При измерении обмотки рамок включаются так, что протекающие по ним токи направлены в противоположные стороны. Поэтому вра­ щающие моменты, возникающие в результате взаимодействия изме­ ряемых токов с магнитным полем, также направлены в противо­ положные стороны и можно доказать, что угол поворота подвижной части прибора определяется отношением токов, протекающих по обмоткам рамок.

Основным достоинством логометров является независимость их показаний от колебания напряжения источника питания измери­ тельного прибора (например, омметра или измерительного моста).

Рис. 3. Принцип устройства магнитоэлектрического логометра с подвижными рамками

Если сохраняется линейная зависимость токов от напряжения, то при колебании последнего токи изменяются одинаково, благодаря чему их отношение, а следовательно, и угол поворота подвижной части прибора остаются неизменными.

Измерительные мосты

Для точных измерений параметров электрических цепей и не­ электрических величин, предварительно преобразованных в такие параметры, широко применяют электрические мосты постоянного и переменного тока. Электрические мосты относятся к приборам сравнения, в которых измеряемая величина сравнивается с извест­ ной величиной.

Мост постоянного тока (рис. 4) состоит из четырех сопротивле­ ний jRlf R 2, R 3, jR4, называемых плечами моста, гальванометра, включенного в диагональ а—б, и источника постоянного тока, включенного в диагональ в—г. В такой схеме возможны два состоя­ ния:

1.Потенциалы точек а и б одинаковы, вследствие чего ток через гальванометр не проходит; такое состояние называется равно­ весием моста.

2.Потенциалы точек а и б неодинаковы, вследствие чего через гальванометр проходит ток; в таком состоянии мост считается не­ уравновешенным.

Выясним зависимость равновесия моста от соотношения сопротивлений его плеч. Поскольку при равновесии ток через гальванометр не протекает, через резисторы R 1 и Т? 4 проходит одинаковый ток 4, а через резисторы Л2 и R3

также одинаковый ток / 2_3. Из условия равенства потенциалов в точках а

27

и б следует, что напряжения на участках в—в и в—б, а также а—з п б—в соответственно равны между собой, т. е.

Следовательно, условием равновесия моста является равенство произведе­ ний сопротивлений его противоположных плеч. Из условия равновесия

в

вытекает возможность использования моста для измерения. Действительно, если сопротивления трех плеч R lt Я2, R3 известны, а в четвертое плечо включено не­ известное сопротивление Rx, то при равновесии моста на основании (2.9)

R1R3—R^Rxi

откуда

Плечи моста R х и R 3 называют б а л а н с н ы м и . Обычно в из­ мерительных мостах отношение сопротивлений балансных плеч де­ лают кратным 10; в третье плечо включают магазин сопротивлений1, а в четвертое плечо — измеряемое сопротивление R x. При измерении регулировкой R J R 3 и R 3 добиваются равновесия моста. Если его удалось получить, например при R 1/ R 2 = 100 и й 3 = 140 Ом, то измеряемое сопротивление Rx = R J R 3 ■R 3 — 100-140 = 14000 Ом.

1 Магазином сопротивлений называют набор образцовых резисторов, со­ единяемых по определенной схеме.

28

Погрешность измерения сопротивлений уравновешенным мостом определяется главным образом погрешностью подгонки образцовых резисторов Д 1? 1?2 и R 3 и почти не зависит от погрешности измери­ тельного механизма, включенного в диагональ моста. Последнее объясняется тем, что мост уравновешивается при отсутствии тока в диагонали а—б и поэтому погрешность измерительного механизма, а также изменение напряжения источника питания мало влияют ца точность измерений.

Так как образцовые резисторы можно изготовить с большой сте­ пенью точности, то погрешность мостов постоянного тока, исполь­ зуемых для технических измерений, обычно находится в пределах от 0,05 до 0,5, что соответствует точности лучших приборов непосред­ ственной оценки.

Для измерения неэлектрических величин электрическими мето­ дами довольно широкое применение находят неуравновешенные мосты. В схеме, показанной на рис. 5, сопротивления трех плеч R u Я 2 и R s неизменны, а в четвертое плечо включено сопротивление Rx. Условие равновесия R iR 3 = R 3RXне соблюдается и в измерительной диагонали протекает ток, величина которого при постоянных значе­ ниях R lt R 2 и R 3 зависит только от Rx. Поэтому шкалу прибора можно проградуировать в значениях измеряемого сопротивления или неэлектрической величины, от которой оно зависит (темпера­ туры, перемещения и др.). Чтобы уменьшить зависимость резуль­ тата измерений от колебаний напряжения источника питания, в из­ мерительную диагональ неуравновешенных мостов часто включают магнитоэлектрические логометры.

Измерительные приборы компенсационной системы

В этих приборах измеряемое напряжение сравнивается с образ­ цовым напряжением, входящим в измерительную цепь. В процессе сравнения образцовое напряжение изменяется до тех пор, пока не станет равным по величине и противоположным по знаку измеря­ емому напряжению. При этом происходит компенсация, результи­ рующее напряжение становится равным нулю, что и фиксируется высокочувствительным измерительным механизмом. Метод компен­ сации может применяться как на постоянном, так и на переменном токе. Для измерения параметров бурения используются компенса­ ционные приборы переменного тока.

Для уравновешивания переменного напряжения компенсиру­ ющим напряжением должны быть выполнены следующие условия:

1)равенство частот измеряемого и компенсирующего напря­ жений;

2)сдвиг фаз этих напряжений на 180°;

3)равенство амплитуд этих напряжений.

Для выполнения первого и второго условий необходимо питать компенсатор переменного тока от того же источника, от которого питается объект измерения или датчик и соответствующим образом

29