книги из ГПНТБ / Скрипкин В.В. Электрооборудование изотермического подвижного состава учебник

Г л а в а VI

КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ. ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ЛАМПЫ

1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Контрольно-измерительные приборы предназначены для измере­ ния различных параметров, позволяющий правильно оценивать рабо­ ту и состояние энергосилового и холодильного оборудования. Они под­ разделяются на приборы непосредственного измерения и приборы сравнения. В зависимости от допустимой основной погрешности при­ боры подразделяются на восемь классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0 (ГОСТ 1845—59).

На лицевой стороне приборов имеется шкала отсчета измеряемой величины, указывается назначение прибора, его система, положение при работе, в цепь какого тока он включается, ГОСТ, класс точности прибора, номинальная частота. Число в звездочке указывает, что из­ мерительная цепь изолирована от корпуса и испытана под напряже­ нием в киловольтах. Приборы, имеющие нуль в звездочке, испытанию прочности изоляции не подлежат. Римская цифра в сплошном прямо­ угольнике показывает дополнительную погрешность прибора. Для I категории дополнительная погрешность не должна превышать 0,5%; для II категории — 1%; для III категории —2,5%. Римская цифра

вштриховом прямоугольнике показывает степень защищенности при­ бора от внешних электрических полей. Красная ломаная стрелка на лицевой стороне некоторых приборов означает, что изоляция измери­ тельной цепи по отношению к корпусу не соответствует нормам. Если

вприборе имеется магнитный экран, то соответствующий знак прибора рисуется в кружке.

На подвижном составе с машинным охлаждением применяются кон­ трольно-измерительные приборы различных систем и классов точно­ сти. Их особенностью является высокая виброустойчивость, что име­ ет большое значение в условиях движущегося вагона.

2. АМПЕРМЕТРЫ И ВОЛЬТМЕТРЫ

На подвижном составе с машинным охлаждением для измерения тока и напряжения используются амперметры и вольтметры трех систем: электромагнитной, магнитоэлектрической и детекторной.

Амперметры и вольтметры электромагнитной системы используют­ ся в распределительных щитах вагона-дизель-электростанции и ваго- на-машинного отделения.

102

П р и б о р э л е к т р о м а г н и т н о й с м е т е м ы состоит из неподвижной катушки 1 (рис. 76) с сердечником 2 и подвижного сер­ дечника 3. Действие прибора основано на взаимодействии магнитного поля катушки и подвижного сердечника.

Сердечник 3 установлен на оси 6, несущей указательную стрелку 9. При прохождении тока по катушке 1 сердечники 2 и 3 будут одно­ именно намагничиваться и отталкиваться, вследствие чего подвижной сердечник 3 будет поворачиваться вместе со стрелкой 9. Повороту оси прибора препятствует спиральная пружина 7. Когда усилие, создава­ емое пружиной, уравновесит силу, возникающую между сердечника­ ми, подвижная система прибора остановится и стрелка зафиксирует на шкале 10 величину тока. Так как сила взаимодействия между сердеч­ никами и величина угла поворота, стрелки прибора пропорциональны квадрату силы тока, протекающего по катушке, то шкала,прибора от­ градуирована неравномерно. Для сглаживания этой неравномерности сердечникам придается клинообразная форма.

При использовании прибора в качестве амперметра неподвижная катушка, имеющая небольшое количество витков из толстой проволоки, включается в цепь, последовательно. Для расширения диапазона дей­ ствия амперметра (шкалы) иногда параллельно катушке включаются шунты калиброванного сечения. Амперметры, рассчитанные на неболь­ шой ток, шунтов не имеют и включаются в измеряемую цепь непосред­

циональны напряжению между этими проводами. Для уменьшения про­ текающего по катушке тока, а также компенсации влияния температуры и частоты тока на показания прибора в вольтметрах последовательно с катушкой включается добавочное сопротивление. Величина этого сопротивления значительно больше сопротивления катушки. Оно вы­ полняется из материала, не изменяюще­

103

навливается корректором S, который переме­ щает неподвижно закрепленный конец пру­ жины 7, а через нее и стрелку 9.

В приборах электромагнитной системы вместо круглой катушки может применяться плоская катушка / (рис. 77), имеющая щель3. Сердечник эксцентрично укреплен на оси. Ток, проходя по катушке, создает магнитное поле, которое втягивает сердечник 2 в щель. При этом поворачиваются ось и укрепленная на ней стрелка 4.

Направление перемещения стальной пла­ стинки в магнитном поле прибора с плоской катушкой, так же как и в приборах с круг­ лой катушкой, не зависит от направления тока в обмотке, поэтому приборы электромаг­ нитной системы пригодны как для постоян­ ного, так и для переменного тока.

Вывод уравнения шкалы в виде, позво­ ляющем точно рассчитать закон ее изменения в приборах электро­ магнитной системы, затруднителен в силу сложности расчета магнит­ ного поля катушки, часть объема которого занята стальными пласти­ нами, а также из-за того, что магнитная проницаемость этих пластинок является нелинейной функцией тока в обмотке катушки.

Уравнение шкалы в общем виде, выражающем основные закономер­ ности механизма электромагнитного прибора, может быть получено из обобщенного уравнения вращающего момента М вр для приборов элек­ тромеханической группы:

d\V ^вр da.

где W — энергия поля;

а — угол поворота стрелки.

Энергия магнитного поля W уединенной катушки, обтекаемой то­ ком /, при отсутствии ферромагнитного сердечника выражается формулой

W = PL

2

где L — индуктивность катушки.

Имея в виду, что объем стального сердечника в электромагнитных приборах весьма невелик по сравнению с общим объемом магнитного поля, можно воспользоваться этой формулой и записать

= _1_ j 2 dL

/МВр

104

Запас электромагнитной энергии в контуре с током I, находящемся в поле постоянного магнита, равен

11/ = /і|),

где ф — полное потокосцепленне данного контура с магнитным по­ лем.

Таким образом,

Цф Мвр = / da,

При повороте рамки на угол da каждая ее сторона опишет дугу

da (здесь b — путь, пройденный торцом рамки), пересекая при этом

силовые линии магнитного поля. Число пересеченных линий будет рав-

рамки I и на индукцию в зазоре В.

Полное изменение потокосцепления с рамкой равно произведению числа силовых линий, пересеченных обеими сторонами рамки, на чис­ ло витков ее обмотки, т. е.

d\p = 2 daJBw,

где w — число витков обмотки.

Произведение Ы равно площади, описываемой рамкой. Обозначив ее через F, получим

d\\i = BFwda.

Если положить da = 1 (1 рад), то произведение BF — величина постоянная для каждого данного прибора — будет равно изменению потокосцепления при повороте рамки на 1 рад. Обозначив ее через ф0 (бб!рад), запишем

1|}0 = BFw,

тогда

d\|) = я|)0(2а.

Подставив выражение для dty в формулу для /Ивр, получим выра­ жение вращающего момента для магнитоэлектрического механизма в виде

М„р = /фо.

Противодействующий момент в приборах магнитоэлектрической системы создается при помощи пружинок уИпр = Wa. Из уравнения равновесия УИпр = М вр следует, что

Wa = /ф0.

107

Отсюда находим уравнение шкалы измерительного механизма магни­ тоэлектрической системы

а = 1 ^ .

W I

Полученное уравнение показывает, что угол отклонения подвижной части прямо пропорционален силе тока в первой степени, поэтому магнитоэлектрические приборы имеют равномерные шкалы. Отноше-

Поскольку іро = BFw, можно написать S =

Таким образом, для приборов данной системы чувствительность может быть подсчитана по основным конструктивным параметрам.

Из формулы для а видно, что в зависимости от направления тока ( + / или—/) изменяется и направление отклонения рамки от нулевого положения, т. е. прибор полярен. По этой причине измерительный ме­ ханизм магнитоэлектрической системы, включенный в цепь переменного тока, не дает показания, стрелка его только немного вибрирует. Это не исключает возможности применения данных механизмов и в цепях переменного тока. Магнитоэлектрическим механизмом можно измерять переменный ток, но только после предварительного его выпрямления.

Наличие сильного постоянного магнитного поля позволяет полу­ чить в магнитоэлектрическом механизме достаточно большой враща­ ющий момент при весьма малом потреблении электрической энергии. Потребление энергии в рамке прибора магнитоэлектрической системы при отклонении подвижной части на полную шкалу у обычных техни­ ческих приборов лежит в пределах 10-е— 10~5ß/n. Общая мощность, потребляемая электроизмерительными приборами с механизмом маг­ нитоэлектрической системы, значительно больше приведенных зна­ чений из-за потерь энергии в измерительных схемах и составляет обыч­ но несколько десятых долей ватта.

Для амперметра магнитоэлектрической системы, включенного так, что весь измеряемый ток проходит по обмотке рамки, можно записать согласно приведенным выше выражениям для а и ф0, что

а = — Bslw.

\ѵ

Из этого выражения видно, что при различных значениях тока мож­ но достигнуть одного и того же отклонения подвижной части, если из­ менять число витков в рамке. Выполнив рамку из большого числа витков тонкой проволоки, можно измерять очень малые токи; при рамке с малым числом витков из проволоки большого сечения измеряют более значительные токи. Так, применив тончайший провод диаметром

108

0,03 мм, можно уложить на рамку около 500 витков и получить весьма чувствительный прибор — микроамперметр, отклонение стрелки кото­ рого на полную шкалу достигается при токе в десятые доли милли­ ампера.

Иначе обстоит дело с изменением предела измерения в сторону увеличения измеряемого тока. Указанный путь — уменьшение числа витков с одновременным увеличением сечения проволоки — ограничи­ вается тем, что нельзя сделать обмотку с числом витков менее одного. Кроме того, наличие в приборе пружинок, необходимых для. образова­ ния противодействующего момента и имеющих весьма незначительное поперечное сечение, также ограничивает наибольший ток, который можно пропустить через них, значением порядка 0,5 а.

Для расширения пределов измерения амперметров применяют шун­ ты. Измеряемый ток распределяется между шунтом / ш и рамкой при­ бора / пр обратно пропорционально их сопротивлениям, т. е.

Ли Лпр

Лір Лш

но так как / = / ш + / пр, то

/ = / пр( і + ^ - ) = «/а.

где п — коэффициент шунтирования, на который нужно умножить показание прибора, чтобы получить значение измеряемого тока /.

Приборы градуируют вместе с шунтом и на их шкалу наносят числа, соответствующие значениям измеряемого тока.

Из последней формулы следует, что

Если известно сопротивление прибора R nv, то, задавшись коэффицн

ентом п = 7/-, можно подсчитать сопротивление шунта

* а

Лпр

R Ш

п — 1

Дополнительное сопротивление в цепи рамки является корректи­ рующим, изменяя которое регулируют показания прибора. Кроме того, оно уменьшает влияние изменений температуры окружающего возду­ ха на показания прибора.

Из формулы для выражения / получаем

/=

Яш+ Лпр

Отсюда видно, что ток в рамке / а, а следовательно, и показание прибо­ ра прямо пропорциональны величине IRIU, т. е. тому падению напря­ жения, которое создалось бы на шунте при прохождении по нему всего

109

измеряемого тока. Учитывая это, прибор, подключенный к шунту, можно рассматривать как вольтметр, измеряющий падение напряже­ ния на шунте, поэтому в практике часто говорят не «амперметр», а «милливольтметр» с шунтом.

Шунты изготовляют из манганиновых проволок, полос или стерж-' ней, впаиваемых в латунные или бронзовые наконечники, снабжен­ ные зажимами. Калиброванные шунты в зависимости от точности их подгонки подразделяют на классы: 0,02; 0,05; 0,2; 0,5. Число, обо­ значающее класс, показывает наибольшую допустимую погрешность сопротивления, выраженную в процентах.

Вольтметры магнитоэлектрической системы имеют добавочное со­ противление R n. Если обозначить через / мш;о ток, вызывающий от­ клонение стрелки механизма на полную шкалу, то

Отсюда .находим верхний предел измерения вольтметра

^ м а к с ^макс С ^ п р "I- ^ д ) -

У вольтметров с верхним пределом измерения до 300 в добавочное сопротивление встраивают, как правило, внутри корпуса прибора. При устройстве вольтметров с верхним пределом измерения свыше 300 вдобавочное сопротивление из-за его размеров и по условиям охлаж­ дения трудно поместить внутри корпуса прибора и его обычно вы­ полняют в виде отдельной от прибора коробки. Такие добавочные со­ противления являются измерительными принадлежностями и назы­ ваются отдельными добавочными сопротивлениями. Отдельное добавоч­ ное сопротивление можно подобрать к определенному прибору и при­ менять только с ним. В этом случае на сопротивлении делается над­ пись. «К вольтметру № ...». Чаще применяются калиброванные от­ дельные добавочные сопротивления. Они применяются с любым при­ бором, требующим добавочного сопротивления определенного значе­ ния. В зависимости от точности подгонки калиброванные добавочные сопротивления подразделяют согласно ГОСТ 8623—69 на классы: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1.

Добавочное сопротивление вольтметра, предназначенного для ра­ боты в цепях переменного тока, должно быть безреактивным, т. е. не зависящим от частоты. Для этого оно наматывается бифилярно или на плоских пластинах.

Отклонение температуры окружающей среды от нормальной (-)-20о С) вызывает изменение упругости'пружинок и магнитного пото­ ка постоянного магнита. Эти изменения малы (порядка 0,04% на 1° С), влияние их на показания прибора почти полностью взаимно компенси­ руется. Сложнее обстоит дело с устранением погрешностей показаний, вызываемых изменением сопротивления проводников, образующих из­ мерительную схему прибора: обмотки рамки и добавочного сопротив­ ления. Обмотка рамки выполняется из медной или алюминиевой прово­ локи с температурным коэффициентом сопротивления а р, имеющим зна­ чение около 0,4% на Г С изменения температуры. Добавочное сопро-

110