книги из ГПНТБ / Быков М.А. Электрические измерения электрических величин [учеб. пособие]

В многопредельных вольтметрах последовательно с катуш­ ками включается не одно, а несколько добавочных сопротив­ лений.

Подключая к схеме вольтметра соответствующие добавоч­ ные сопротивления, меняют таким образом предел измерения прибора.

Ul>U2>U3).

Рис. 111-29

Электродинамические ваттметры

В электродинамических ваттметрах (рис. III-30) подвиж­ ная и неподвижная катушки прибора образуют самостоятель­ ные цепи: неподвижная катушка / включается последователь­ но с нагрузкой (как амперметр) и называется стоковой или последовательной обмоткой» ваттметра, подвижная катушка 2

вместе с добавочным сопротивлением / ? д о б включается па­

схемы.

Щ

ветствующие преобразования, получим уравнение шкалы элек­ тродинамического ваттметра для постоянного тока:

Из уравнения (Ш-21) следует, что угол отклонения под­ вижной части электродинамического ваттметра а пропорцио­ нален произведению мощности (в первой степени) и множите-

дМ-

101

В цепях переменного тока входное напряжение и и токи і

и ів , протекающие в обмотках прибора, сдвинуты между собой по фазе на определенные фазовые углы. Примем, что

и — Uт sin mt; i — I m sin (<ot — 9); iB = 7m .B sin (mt—Ô).

В общем случае сопротивление обмотки напряжения Z B сле­ дует считать комплексным, так как катушка 2 обладает неко­

Подставив мгновенные значения токов в уравнение для •Мвр.ср и проделав тригонометрические преобразования (при-

Угол сдвига фаз между напряжением и током в обмотке напряжения ваттметра ô усложняет выражение для тИвр.ср>

усложняет характер зависимости между углом отклонения прибора и измеряемой мощностью. В приборах, где активная составляющая сопротивления этой обмотки значительно боль­ ше индуктивной составляющей, угол ô пренебрежимо мал и практически можно считать, что ток / в и напряжение U сов­ падают ло фазе. Если же это условие не выполняется, в ватт­ метрах принимаются специальные меры (ом. ниже), позво­ ляющие скомпенсировать влияние индуктивного сопротивле­ ния, т. е. сделать 0=0. Тогда при ô = 0 cosô—1, cos((p—ô) = =*cos<p и уравнение шкалы электродинамического ваттметра на переменном токе принимает вид

*

Таким образом, на переменном токе электродинамический ваттметр измеряет активную мощность (P = £//cos<p), при­ чем показания прибора как на переменном токе, так и на по­ стоянном будут совпадать, так как в каждом случае угол от­ клонения подвижной части прямо пропорционален мощности.

102

Это позволяет градуировать ваттметры и поверять их на по­ стоянном токе, а пользоваться для измерения—на переменном токе промышленной и низких звуковых частот (до нескольких сотен герц).

Большая часть ваттметров рассчитывается не на один, а на несколько пределов измерения по току и напряжению, что позволяет значительно расширить их рабочий диапазон.

Расширение пределов измерения по току производится пе­ реключением секций неподвижной катушки с последователь­ ной схемы на параллельную (если катушка состоит из двух частей), аналогично тому, как это делается в электродинамиче­ ских амперметрах.

Пределы намерения по напряжению изменяют путем под­ бора добавочных сопротивлений, как это делается в электро­ динамических вольтметрах. В лабораторной практике широко распространены ваттметры с двумя пределами по току (на­ пример, на 2,5 и 5 а) и тремя пределами по напряжению (на-" пример, на 75, 150 и 300 в), обеспечивающие шесть значений номинальных мощностей шкалы.

<хн^-полное число делений шкалы.

Пользуясь ваттметрами, следует иметь в виду, что направ­ ление отклонения стрелки прибора зависит от взаимного на­ правления токов в подвижной и неподвижной катушках. Если изменить направление тока одновременно в обеих катушках,

Зажимы со звездочками называют «генераторными», по­ скольку этими зажимами прибор включается в сторону генера­ тора, питающего данную цепь и нагрузку.

На рис. III-32 приведены две возможные схемы включения ваттметра, выполненные с соблюдением правила «генератор­ ных зажимов».

103

При измерении небольших мощностей собственная мощность, расходуемая в приборе, может оказаться соизмеримой с мощ­

пользуются схемой рис. Ш-32, а, поскольку мощность, потреб­

ляемая в последовательной цепи ваттметра, несколько мень­ ше, чем в параллельной.

В ваттметрах высокого класса точности применяют темпе­ ратурную и частотную компенсацию, одна из схем которых приведена на рис. Ш-ЗЗ.

0

температура оказывает на работу прибора небольшое влияние и в ваттметрах класса точности ниже, чем 0,5, этой погрешно­

стью пренебрегают.

104

Изменение частоты питающего напряжения вызывает Изме­

1) возрастание угла сдвига фаз между напряжением и током в обмотке напряжения ваттметра б и 2) появление наведенной э. д. с. в рамке за счет взаимной индуктивности между катуш­ ками.

В схеме рис. Ш-33 индуктивное сопротивление подвижной

Электродинамический логометр

Устройство электродинамического логометра схематически изображено на рис. III-34.

Рис. Ш-34

На подвижной оси прибора укреплены две рамки с током— подвижные катушки 2 и 2', механически жестко связанные

между собой под определенным углом (чаще всего под углом 90°).

105

Магнитный поток в приборе создается неподвижной катуш­ кой /, состоящей из двух или нескольких секций, и принимает­ ся равномерным в зоне расположения катушек 2 и 2'.

Принцип действия электродинамического логометра тот же, что во всех приборах этой системы: вращающие моменты возникают от взаимодействия магнитного поля неподвижной катушки с токами, протекающими по двум подвижным катуш­ кам.

Поскольку в приборе имеется две подвижных катушки, воз­

один из моментов .можно считать вращающим, а другой — про­ тиводействующим.

между катушками в зависимости от угла поворота системы.

106

Общие свойства электродинамических приборов

Электродинамические приборы отличаются высокой точ­ ностью показаний и стабильностью во времени. Наивысший класс точности этих приборов достигает 0,1.

На переменном токе промышленной частоты электродина­ мическая система является самой точной из всех сущест­ вующих.

Приборы электродинамической системы способны измерять постоянный и переменный ток, причем при хороших конструк­ ции и расчете прибора показания на том и другом токе совпа­ дают. Амперметры и вольтметры электродинамической, систе­ мы измеряют действующее значение тока и напряжения, при­ чем шкалы их равномерны на большей части длины (кроме начального участка).

Начальный участок отличается неравномерностью и низкой чувствительностью, в силу чего может быть 'использован лишь для ориентировочных измерений.

Шкала электродинамического ваттметра равномерна на всем протяжении. Мощность собственного потребления элект­ родинамических приборов доходит до 15—£0 вт.

Приборы электродинамической системы весьма чувстви­ тельны к изменению частоты питающего схему источника. Не­ которые типы приборов выпускаются для работы только на промышленной частоте (50 гц), другие — на частотах в сотни

герц. В приборах, предназначенных для более высоких частот (в несколько килогерц) применяют разные типы частотных компенсаций.

Электродинамические приборы подвержены влиянию внешних магнитных полей, поскольку собственное магнитное поле в приборе мало и соизмеримо с магнитным полем Земли.

107

невысокую магнитную проницаемость в слабых полях, но до­ вольно значительную в более сильных полях; насыщение ее происходит только в очень сильных полях, от которых практи­ чески экранировать прибор не приходится.

Если прибор попадает в зону действия слабого магнитного поля, то внешний экран от такого поля почти не экранирует, но эффективно действует внутренний экран. Если же прибор попадает в зону действия сильного магнитного поля, то внутрь

Внешний поток, если он имеет в зонах расположения под­ вижных катушек 2—2' одинаковое направление и одинаковую

интенсивность, вызовет в этих катушках дополнительные мо­ менты, равные друг другу по абсолютному значению, но на­ правленные" в противоположные стороны, вследствие чего ре­ зультирующий момент, вызываемый таким полем, равен нулю. Электродинамические приборы дороги, так как измерительный механизм их конструктивно сложен, требует высококачествен­ ной обработки деталей и высокой точности сборки.

Электродинамические приборы применяются в лаборатор­ ной практике и во всех случаях, когда требуется высокая точ­ ность измерений.

П р и б о р ы ф е р р о д и н а м и ч е с к о й с и с т е м ы

Действие приборов ферродинамической системы основано на том же принципе, что и приборов электродинамической си­ стемы. Вращающий момент, отклоняющий подвижную часть измерительного механизма, возникает в этих приборах от

108

взаимодействия тока подвижной катушки с магнитным полем, образованным током неподвижной катушки.

Ферродинамические приборы отличаются от электродина­ мических только тем, что в них введен сердечник из ферро­ магнитного материала, как это показано на рис. 111-37.

На рисунке приведены: подвижная катушка /, закреплен­ ная на оси прибора; неподвижная катушка 2 (одна или две); цилиндрический сердечник 3 из магнитомягкого материала,

вокруг которого свободно вра­ щается подвижная катушка 1; магнитопровод 4 из магнито-

мягкой стали; стрелка прибо­ ра 5.

На рисунке не показаны ос­ тальные элементы подвижной части механизма (противодей­ ствующие пружинки, грузики и пр.), рассмотренные ранее (§ 2

настоящей главы).

Ферродинамические прибо­ ры, как это видно из приведен­ ного рисунка, конструктивно

напоминают приборы магнитоэлектрической системы: та же рамка с током в магнитном поле, но уже не постоянного маг­ нита, а электромагнита, питаемого током неподвижной ка­ тушки.

Введение стального сердечника в измерительный ферродинамический механизм сообщает ему некоторые новые качества по сравнению с электродинамическим. Основные из них—это значительное увеличение чувствительности прибора, происхо­ дящее вследствие возрастания магнитного ноля неподвижной катушки, а также снижение собственного потребления энер­ гии в приборе. Кроме того, возрастание собственного магнит­ ного поля устраняет существенный недостаток, свойственный

\электродинамическим приборам: ферродинамические приборы практически не подвержены влиянию внешних магнитных по­ лей и в этом отношении они также близки к приборам магни­ тоэлектрической системы.

Отрицательное влияние сердечника на работу ферродинамических приборов сказывается в уменьшении их точности, возникающей от потерь в сердечнике на вихревые токи и ги­ стерезис. Кроме того, введение стали в измерительный меха­ низм вызывает нелинейность зависимости между намагничи­ вающим током (током в неподвижной катушке) и индукцией магнитного поля в воздушном зазоре магнитопровода непод­ вижной катушки, что в некоторых случаях вызывает дополни­ тельную погрешность измерения. Частотный диапазон ферро-

109