книги из ГПНТБ / Электрические измерения. Общий курс учебник

Конструкция, показанная на рис. 36, в, представляет собой ферродннамический механизм с внутрирамочным возбуждением. В та­ кой системе поток, создаваемый неподвижной катушкой 1, замы­ кается через сердечник 2 и ярмо 3 из ферромагнитного материала. Подвижная катушка 4 охватывает сердечник и может свободно вра­ щаться вокруг него. Такая конструкция имеет незначительные по­ токи рассеяния, обладает малым собственным потреблением и ис­ пользуется для создания приборов небольших габаритов.

На рис. 36, г показан механизм с углом шкалы 240°. Такая шкала при малых поперечных размерах имеет большую длину, что увели­ чивает точность отсчета.

Рис. 36. Конструкции ферродшіамических измеритель­ ных механизмов

Вращающий момент ферродинамического измерительного меха­ низма возникает в результате взаимодействия подвижной катушки с током и потока, создаваемого неподвижными катушками. Если магнитное поле в воздушном зазоре радиально, то для определения мгновенного значения вращающего момента Mt можно воспользо­ ваться выражением (55). При этом будем иметь

зазоре; s2, w2, і2 — соответственно площадь, число витков и ток под­ вижной катушки.

Из-за своей инерции подвижная часть будет реагировать не на мгновенное значение момента, а на среднее, которое можно опреде­

80

где В п І2 — действующие значения соответственно индукции в воз­ душном зазоре и тока в подвижной катушке.

Если допустить, что при работе используется линейный участок кривой намагничивания материала сердечника, то можно написать

где к л — коэффициент, зависящий от выбора системы единиц и кон­ структивных параметров измерительного механизма.

Подставляя полученное для В значение в выражение (65) и пре­

Если противодействующий момент создается при помощи упру­ гих элементов, то для статического равновесия

k^wj\12cos (А,/2 ) =Wa,

откуда

создать переносные ферродинамические приборы высокой точности (класса 0,5), предназначенные для измерений в цепях переменного и постоянного тока.

Все же применение ферродинамических приборов для измерений в цепях постоянного тока следует считать пока исключением, и по­

одна из которых является подвижной. Из принципа работы электро­ статических измерительных механизмов следует, что непосредственно они могут измерять только напряжение, т. е. применяться в вольт­ метрах. В электростатических измерительных механизмах отклоне­ ние подвижной части связано с изменением емкости. В настоящее время практическое применение находят электростатические меха­ низмы, в которых изменение емкости происходит или вследствие изменения активной площади пластин или при изменении расстояния между пластинами. Первый тип механизмов используется главным образом для создания вольтметров на низкие напряжения (в десятки и сотни вольт), а второй — для киловольтметров.

81

На рис. 37 показан принцип устройства механизма с изменяю­ щейся активной площадью пластин. Неподвижная часть этих меха^

равенстве вращающего и противодействующего моментов подвижная

здается весом подвижной пластины. Это требует установки прибора в такое положение, чтобы при отсутствии

напряжения стрелка стояла на нулевой отметке.

82

ное потребление приборов лгало, на постоянном токе оно равно нулю.

Эти свойства определяют области применения электростатических вольтметров и особенности их конструкции.

Электростатические вольтметры используются для измерения, напряжений в широком диапазоне частот (20 Гц—30 МГц) в мало­ мощных цепях, а также в цепях высокого напряжения для измере­ ния напряжений до десятков и сотен киловольт без применения гро­ моздких, дорогих и потребляющих большую мощность добавочных сопротивлений. По точности эти приборы соответствуют чаще всего классам 1,0—1,5 — 2,5. Однако они могут быть выполнены и очень точными — класса 0,1 и даже 0,05.

При конструировании электростатических вольтметров предъявляются высо­ кие требования к качеству изоляции между подвижными и неподвижными электро­ дами. Д л я уменьшения влияния внешних электрических іюлеіі применяется электростатическое экранирование. В стационарных приборах таким экраном служит сам металлический корпус, а в переносных приборах внутренняя поверх­ ность корпуса металлизируется, для чего, например, она окрашивается токонроводяіцей краской. Экран соединяется с одним из зажимов прибора, который при измерениях заземляется. Ввиду малого значения вращающего момента в боль­ шинстве случаев подвижная часть электростатических приборов укрепляется на растяжках и применяется световой отсчет.

Выражение для угла отклонения подвижной части электроста­ тического измерительного механизма может быть получено на основа­ нии следующих рассуждений.

Энергия электрического поля системы заряженных тел

Г/72

W — —

е2 '

где С — емкость системы заряженных тел; U — напряжение, при­ ложенное к ним.

На основании общего выражения (51) для вращающего момента получим

da 2 da

Если противодействующий момент создается при помощи упру­ гих элементов, то для режима установившегося равновесия можем написать

откуда

Из выражения (06) следует, что электростатические вольтметры могут применяться для измерений в цепях постоянного и перемен­ ного тока, так как при изменении полярности напряжения U на­ правление отклонения подвижной, части не меняется.

83

При линейном приросте емкостп, т. е. если бы = const элект­ ростатический вольтметр имел бы квадратичную шкалу. Для при­ ближения характера шкалы к равномерному выбирают соответствую­ щим образом форму подвижных и неподвижных пластин, т. е. за­ даются определенным законом изменения емкости с изменением угла поворота. Этот способ позволяет получить практически равномерной шкалу на участке от 15—25 до 100% ее номинального значения.

Индукционные измерительные механизмы. Индукционный изме­ рительный механизм состоит из одного или нескольких неподвижных электромагнитов и подвижной части, выполненной обычно в виде алюминиевого диска.

Переменные магнитные потоки, направленные перпендикулярно плоскости диска, пронизывая последний, индуктируют в нем вихре­ вые токи. Взаимодействие потоков с токами в диске вызывает пере­ мещение подвижной части.

Индукционные измерительные механизмы по устройству делятся на несколько типов. По числу потоков, пересекающих подвижную часть, они могут быть однопоточными и многопоточными.

Однопоточные измерительные механизмы имеют один электромаг­ нит и подвияшую часть в виде диска, асимметрично расположенного на оси. Такие механизмы, хотя и просты по устройству, но в изме­ рительной технике в настоящее время не применяются из-за малой величины вращающего момента.

Многопоточные индукционные измерительные механизмы де­ лятся на два типа — механизмы с бегущим магнитным полем и ме­ ханизмы с вращающимся полем. В первых поток (амплитудное зна­ чение) в зависимости от времени перемещается поступательно от полюса к полюсу. В механизмах с вращающимся полем этот поток перемещается по окружности или по эллипсу.

Теорию многопоточных измерительных механизмов рассмотрим примени­

иостей.

Выражение для вращающего момента индукционного механизма можно по­ лучить из общего уравнения (51) для момента измерительных механизмов. Од­ нако значительно проще это можно сделать, пользуясь известным соотношением, определяющим взаимодействие потока и тока.

Мгновенное значение момента Mt от взаимодействия потока Ф ^ и потока, созданного током г 1 і 2 в диске,

где с — коэффициент пропорциональности. Если

Ф і / = Ф і т З І п Ш a г ' і , 2 = / ь s m sin (ш/ — у),

84

Ввиду относительно большого момента инерции подвижной части измери­ тельного механизма она не будет следовать за изменениями мгновенных значений момента и ее движение будет определяться средним зачением вращающего мо­ мента M за период переменного тока, т. е.

Рис. 39. Индукционный двухпоточный измерительный механизм: а — идея устройства; б — векторная диаграмма; в — диск со следами потоков и контурами токов

Из выражений (68) и (69) видно, что моменты имеют различные знаки и, ка­ залось бы, действие их на подвижную часть будет противоположно. Однако оба момента будут действовать на подвижную часть в одну сторону, что можно до­ казать, основываясь на физических процессах, происходящих в измерительном механизме. Действительно, взаимодействие потока и тока в диске, который имеет возможность перемещаться, сводится к втягиванию в магнитное поле полюсов или выталкиванию из него диска с контуром тока.

Различие знаков у моментов Мх и Мг указывает на то, что один контур тока втягивается в поле, а другой — выталкивается из соответствующего поля . На -

85

изменения потоков можно допустить, что вихревые токи связаны с порождаю­ щими их потоками зависимостью

2)вращающий момент достигает своего максимального значения, если сдвпг по фазе между потоками равен 90°;

3)вращающий момент зависит от частоты тока.

Особое место среди электромеханических приборов занимают аналоговые сигнализирующие контактные приборы (AGK), позво­ ляющие существенно усовершенствовать контроль и управление раз­ личными объектами. В СССР создан унифицированный комплекс АСК и принят стандарт на эти приборы (ГОСТ 15182—70).

Основным типом приборов АСК является плоскопрофильный прибор (рис. 40). Он имеет литой корпус 1, закрытый крышкой 2. Внутри корпуса размещен измерительный механизм (магнитоэлект­ рический, электромагнитный или ферродинамический) с оптическим указателем. С задней стороны корпуса расположен патрон освети­ тельной лампы 3, закрываемой крышкой 4. Штепсельный разъем 5 служит для подключения измерительной цепи, цепи питания лампы и цепей сигнализации и регулирования (см. далее). Шкала 7 за­ крыта наличником, состоящим из стекла и рамки 8. Шкала снабжена прорезью, закрытой матовым экраном 9, на который проектируется световой указатель 10.

Конструктивное оформление плоскопрофильного прибора поз­ воляет эффективно использовать площадь панели щита или.пульта оператора. При приблизительно равной длине шкалы прибора АСК занимают на щитах в 5—10 раз меньшую площадь по сравнению

86

с приборами обычного исполнения (с круглыми или квадратными корпусами).

Сигнализирующие приборы АСК снабжены двумя цветными све­

сопротивление резко уменьшается, ток в цепи управления возра­ стает, что используется для переключения цепей регулирования посредством релейных устройств.

87

Объединение нескольких плоскопрофильных приборов в один корпус позволило создать многоканальные и многошкальные при­ боры АСК. Многоканальные приборы занимают в два раза меньшую площадь, чем равное по числу каналов количество узкопрофильных приборов. Многошкальные приборы посредством специального ме­ ханизма позволяют переключать световой указатель с одной шкалы на другую одновременно с переключением измеряемого параметра.

13. Шунты и добавочные сопротивления

Общие замечания. В практике электрических измерений встре­

Шунты изготовляются из манганина. На небольшие токи (до 30 А) шунты обычно помещаются в корпусе прибора (внутренние шунты);

наконечники 1 из красной меди, между которыми впаяны манганино­ вые пластины 2. Наружные шунты на большие токи имеют зажимы А и В (рис. 43, б) для включения проводников с измеряемым током и так называемые потенциальные зажимы В и Г для включения изме­ рительного механизма. Между этими зажимами и заключено сопро­ тивление шунта. Наружные шунты обычно делаются калиброван­ ными, т. е. рассчитываются на определенные токи и падения напря­ жения. По ГОСТ калиброванные шунты должны иметь номинальное

88