книги из ГПНТБ / Савенко, В. Г. Измерительная техника учеб. пособие

где /из — действующее значение переменного тока.

При установившемся отклонении подвижной части вра­ щающий момент уравновешен противодействующим. Из этого следует, что

Из этого следует, что шкалу измерительного механизма можно отградуировать в единицах силы тока и напряже­ ния; знак угла поворота подвижной части не зависит от на­ правления тока в катушке, поэтому электромагнитные при­ боры можно применять для измерений в цепях постоянного и переменного токов. На переменном — они измеряют дей­ ствующее значение. Градуировку прибора можно произво­ дить на постоянном 'токе: шкала электромагнитных прибо­ ров неравномерная, сжатая в начале, определяется зако­

сердечника катушки. Характеристику шкалы можно улуч­ шить подбором определенной формы сердечника, по сде­ лать ее совсем равномерной невозможно [18].

Электромагнитные приборы проще по конструкции и де­ шевле других, надежны в работе и из-за отсутствия токо- \ подводов к подвижной части способны выдерживать боль­ шие перегрузки.

Рассмотренные конструкции электромагнитных прибо­ ров используются в качестве амперметров и вольтметров. Основная область их применения — измерения в цепях пе­ ременного тока промышленной частоты. Широко распрост­ ранены щитовые приборы классов точности 1,5 и 2,5. В на- ' стоящее время изготавливаются переносные приборы и для более точных, лабораторных измерений; чувствительность таких приборов повышается за счет применения растяжек

150

и светового отсчета, а увеличение точности достигается применением специальных магнитных материалов для сер­ дечников и различных способов уменьшения влияния маг­ нитных полей, температуры, частоты.

Полное отклонение стрелки электромагнитного измери­ тельного механизма ИМ достигается при определенном ко­ личестве ампервитков. Поэтому катушки ампервитков на меньшие пределы измерения наматывают из большего чис­ ла витков, а для измерения больших токов — катушки из­ готавливают из не­ скольких витков тол­ стого провода. У вольт­ метров номинальный ток / исчисляется де­ сятками миллиампер, поэтому их катушки имеют большое число витков тонкого медно­ го провода.

Для расширения предела измерения приборов катушки ИМ изготавливают секци­ онированными и ис­ пользуют их последо­ вательное и парал­ лельное включение.

Шунты в электромагнитных амперметрах не применяют, так как они получаются громоздкими. Расширение преде­ лов измерения электромагнитных вольтметров производит­ ся последовательным включением с катушкой ИМ добавоч­ ного сопротивления из манганина. Кроме того, расширение пределов измерения амперметров и вольтметров на пере­ менном токе производится с помощью измерительных трансформаторов тока и напряжения [16, 20].

Собственное магнитное поле катушки ИМ невелико, по­ этому для защиты прибора от воздействия внешних маг­ нитных полей применяют экранирование или изготавлива­ ют приборы астатическими.

При магнитном экранировании (рис. 5.10) измеритель­ ный механизм ИМ окружают ферромагнитной оболочкой Э с высокой магнитной проницаемостью, которая приводит к такой трансфигурации наружного поля Нн, при которой магнитное поле Нв внутри экрана Э оказывается во много

151

раз меньше Н„. Кожух прибора, изготовленный из листовой стали, также служит экраном. Однако практика показыва­ ет, что даже при наличии кожуха поле порядка 400 а/м вызывает изменение показаний электромагнитных прибо­ ров до 2%. Поэтому приходится изготавливать еще специ­ альные экраны в виде цилиндров. При надлежащем экра-

Рис. 5.11. Астатический электромагнитный прибор:

а — устройство; 6 — магнитные поля

нировании влияние внешнего магнитного поля на ИМ прак­ тически исключается.

Устройство астатического прибора показано на рис. 5.11, а. На общей оси укреплены два сердечника из пермал­ лоя, каждый из которых может втягиваться в свою катуш­ ку. Катушки включены между собой последовательно, а на­ правление обмоток и токов выбрано таким, что их магнит­ ные потоки Фі и Фг равны по величине, но противополож­ ны по направлению (рис. 5.11,6). Если такое устройство поместить во внешнее поле Ф, то магнитный поток Фі од­ ной из катушек будет ослабляться, а Фг другой — возра­ стать. Суммарный момент, действующий на ось при изме­ рении определенного тока, будет неизменным — при нали­ чии внешнего поля или без него. В данном случае точность измерения повышается за счет усложнения и удорожания конструкции прибора.

Изменение температуры окружающей среды на показа­ ния электромагнитных амперметров не влияет, так как они не имеют шунтов и весь ток проходит через катушку изме­

152

рителя. У вольтметров температурные погрешности могут быть значительными, так как часть их сопротивления, при­ ходящаяся на долю медной обмотки катушки, может быть соизмерима с сопротивлением добавочного сопротивления из манганина. При работе электромагнитных приборов в цепях переменного тока в сердечниках и других метал­ лических частях ИМ появляются вихревые токи, которые искажают магнитное поле катушки. Это приводит к появ­ лению частотной погрешности. У вольтметров частотная погрешность больше, чем у амперметров, так как на их по­ казания еще влияет возрастающее от частоты реактивное сопротивление катушек ИМ и добавочного сопротивления. В лучших конструкциях электромагнитных приборов ме­ таллические детали заменяют керамическими, сердечники выполняют из материалов с большим удельным электриче­ ским сопротивлением. Это приводит к тому, что некоторые

переменный ток не превышала класса точности прибора, на его шкале указывается номинальная частота.

§ 5.5. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Принцип действия электродинамических измерительных механизмов основан на взаимодействии неподвижных и по­ движных контуров с токами. Конструктивно контуры с то­ ками изготавливают в виде катушек разной конфигура­ ции — чаще круглой или прямоугольной. На рис. 5.12, а и б показано устройство электродинамического измерительного механизма, а на рис. 5.12, в — расположение катушек в электрических схемах. Внутри неподвижных катушек А вращается бескаркасная подвижная катушка В. Для под­ вода тока к катушке В используются пружинки или рас­ тяжки, которые создают противодействующий момент. Соб­ ственное магнитное поле катушек слабое, поэтому для защиты их от влияния внешних полей применяют экрани­ рование или изготавливают приборы астатическими. Успо­ коение подвижной части прибора достигается с помощью воздушного успокоителя (реже магнитоиндукционным).

Электродинамические приборы, у которых магнитные потоки проходят через ферромагнитные магнитопроводы, называются — ферродинамическими.

153

впя, создается вращающий момент, который можно опре­ делить из (1.7). Электромагнитная энергия системы кату­ шек соответственно равна

Ѵ . ’ ~ \ і Л ГА + \ і в Ч ± М А в І Л I В

w . ~ Y L A i 'A+ T L ‘ p‘ ± M « > i * ‘ ° ’

между катушками А и В.

Дифференцируя эти выражения согласно (1.7), надо учитывать, что индуктивности L A, LB и токи не зависят от пространственного расположения катушек. Тогда

да

Рис. 5.12. Электродинамический измерительный механизм с катушками:

154

При протекании переменных токов подвижная часть из­ мерителя не успевает следовать за мгновенными измене­ ниями момента M (t), а реагирует на среднее его значе­ ние Мср:

При установившемся отклонении подвижной части из­ мерителя момент вращающий (5.17) или (5.18) уравнове­ шен противодействующим (1.9). Тогда

Из этого выражения следует, что измерительный механизм

зе, то измерительный механизм может иметь одну шкалу

дМдВ

для постоянных и переменных токов; изменением — _

да

можно менять характер шкалы (за счет размеров, формы и взаимного расположения неподвижной и подвижной ка­ тушек).

В основном электродинамические приборы изготавлива­ ют в виде переносных классов 0,1; 0,2 и 0,5 для измерения тока, напряжения и мощности в цепях постоянного и пе­ ременного токов при частотах 50— 100 гц. Электродинами­ ческие приборы бывают и для переменного тока более вы­ соких частот (1— 1,5 кгц). В [5] рассматриваются ампер­ метры особого конструктивного исполнения для измерения силы тока на частотах до 100 Мгц и выше.

Электродинамические приборы являются самыми точны­ ми среди других систем при измерении переменных токов. Магнитоэлектрическим приборам они уступают только в чувствительности. На рис. 5.13, а дана схема амперметра для токов до 0,5 а, ток через катушки і = іа = ів , поэтому

1 5 5

■Г

шек А и В, последовательно которым включается добавоч­ ное сопротивление КД (рис. 5.13, в). Ток в катушках при измерениях оси в цепях постоянного тока будет:

!а ~ Iв ~ 1V = U/Rv

где Rv — Ra ~\~Rb ~{-Rr.

156

При измерениях в цепях переменного тока

Іѵ = U/Zv ,

где Z v — полное сопротивление цепи вольтметра.

Поэтому для вольтметров переменного тока

1dWAR

а= —------- — U \ wZy да

Обычно при низких частотах в вольтметрах переменного тока выдерживаются соотношения /?а+ $ в <С#д, Xv <^.Rv и R v ttZ y . Это позволяет градуировать шкалу вольтметра на постоянном токе и иметь одну шкалу для измерений по­ стоянных напряжений.

Электродинамические вольтметры обычно выпускают на несколько пределов измерения, которые получают с помо­ щью нескольких добавочных сопротивлений. Измерение больших напряжений (свыше 600 в) осуществляют с помо­ щью измерительных трансформаторов напряжения. Наибо­ лее точные вольтметры электродинамической системы (классов 0,2; 0,5) изготавливают астатическими, на рас­ тяжках, со световым отсчетом.

§ 5.6. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Электростатические приборы применяют для измерения напряжения. Принцип их действия основан на взаимодей­ ствии подвижных и неподвижных электрически заряжен­ ных пластин. Во всех электростатических механизмах при перемещении подвижной части изменяется емкость между пластинами или вследствие изменения их активной площа­ ди, или за счет изменения расстояния между ними. Устрой­ ство измерительных механизмов показано на рис. 5.14.

Механизмы с изменяющейся активной поверхностью пластин (электродов) конструктивно представляют собой конденсатор переменной емкости (рис. 5.14, а). Между не­ подвижными электродами I могут поворачиваться на оси 3 или растяжках подвижные 2. К подвижной и неподвижной системам электродов подводится напряжение, создающее между электродами электрическое поле. Под воздействием сил поля подвижные электроды втягиваются в простран­ ство между неподвижными и увеличивают свою активную

157

поверхность. Электроды обычно изготавливают из алюми­ ния. Противодействующий момент создается спиральной пружинкой. Отсчет угла поворота подвижной части произ­ водится либо с помощью стрелки, либо световым указате­ лем. Повышение чувствительности измерительного меха­ низма достигается увеличением числа подвижных и непо­ движных электродов.

и

Рис. 5.14. Электростатический механизм, работающий на прин­ ципе изменения:

а — активной поверхности пластин; б — расстояния между пластинами

Электростатический механизм с изменяющимся расстоя* нием между электродами показан на рис. 5.14,6. Между неподвижными электродами / и 2 может перемещаться подвижный электрод в виде легкой алюминиевой пласти­ ны 3, подвешенной на металлической ленточке 4. Подвиж­ ная пластина 5 электрически соединена с неподвижной пла­ стиной 1 и изолирована от пластины 2. При наличии между электродами разности потенциалов одноименно заряжен­ ные пластины будут отталкиваться, а разноименно заря­ женные — притягиваться. Перемещение электрода <3 пере­ дается с помощью тяги 5 на ось 6 с жестко укрепленным на ней указателем. Противодействующий момент здесь созда­ ется весом подвижной пластины 3, а успокоение осуществ­ ляется с помощью магнитоиндукционного успокоителя 7.

В электростатических механизмах вращающий момент

158

создается изменением энергии электростатического поля системы, вызванного перемещением заряженных электро­ дов. Энергия электрического поля измерительного механиз­ ма с емкостью С, к которому приложено напряжение U,

е2

Величину вращающего момента М определим на осно­ вании общего выражения (1.7) и уравнения (5.20)

Если противодействующий момент создается растяжка­ ми или пружинками, то при равенстве его вращающему m o j менту получим выражение для угла поворота подвижной части механизма

2w да

Из этого выражения следует, что электростатические механизмы могут измерять напряжение, шкалу прибора можно градуировать в единицах напряжения; измерение напряжения можно производить в цепях постоянного и пе­ ременного тока, так как при изменении полярности напря­ жения на (— U) направление отклонения подвижной части не меняется. При измерении переменного напряжения от­ клонение а будет определяться величиной среднего за пе­ риод вращающего момента, пропорционального квадрату действующего значения приложенного напряжения; шкалу прибора можно приблизить к равномерной, если стремить­

ся произведение U поддерживать постоянной величи­

ной. Это можно выполнить в некоторых пределах (пример­ но на 80% длины шкалы) выбором особой формы подвиж­ ных и неподвижных пластин.

Электростатические вольтметры могут непосредственно, без расширения пределов измерений, измерять напряжение от десятков вольт до десятков киловольт. Они изготавлива­ ются как стационарные — для измерений высоких напря­ жений (100 кв и выше), так и переносные (до 30 кв). Вра­ щающий момент, действующий на подвижную часть, имеет небольшую величину, поэтому нижний предел измерения ограничен напряжениями порядка единиц вольт. Для изме­ рения малых напряжений используют высокочувствитель-

159