Тема 5.2 Устройство и принцип действия измерительных приборов

Лекция 22 Измерительные механизмы магнитоэлектрической системы

Момент вращения в магнитоэлектрических приборах создается в результате воздействия магнитного поля постоянного магнита на проводники с током. Подвижная часть может выполняться или в виде рамки с обмоткой, или в виде постоянного магнита, закрепленного на оси. Более распространена конструкция с подвижной рамкой.

Приборы с подвижным магнитом имеют более низкие классы точности и изготовляют как указательные (класс 4,0 и ниже) для транспортных средств.

На рисунке 5.14 приведена принципиальная схема прибора с подвижной рамкой. Рамка 1 с обмоткой помещается в зазоре 3 между магнитом 4, расположенным внутри рамки, и магнитным ярмом 5. Так как воздушный зазор вдоль окружности магнита постоянен, то магнитная индукция В в зазоре также постоянна. Если в обмотке с числом витков w существует ток I, то создается вращающий момент

М_вр = BwIS_p = wФI, (5.5)

где S_p — площадь рамки в плоскости радиуса вращения; Ф = BS_P — магнитный поток.

Под действием вращающего момента рамка поворачивается на угол α и закручивает пружину 2. Противодействующий момент, создаваемый пружиной,

М_пр = т α, (5.6)

где т — удельный противодейству­ющий момент.

При некотором значении тока I в обмотке рамки, учитывая, что Ф = const и w=const, вращающий момент М_вр = const. Следовательно, при некотором угле поворота рамки противодействующий момент пружины будет равен вращающему моменту:

М_пр = М_вр,

или

т α = wФI = kI,

где wФ = k = const.

Тогда

α = kI / m = сI, (5.7)

где с = k/m = const.

Угол поворота стрелки прибора — это угол поворота рамки, поэтому из выражения (5.7) видно, что шкала такого прибора равномерная.

Величина с = α /I называется чувствительностью прибора. Повышение чувствительности может быть получено за счет увеличения магнитной индукции В и произведения S_pw и уменьшения т. Уменьшить удельный момент можно, переходя к использованию светового указателя и растяжек.

Магнитную индукцию в воздушном зазоре увеличивают за счет применения постоянных магнитов из сплавов, содержащих никель, алюминий и кобальт и обеспечивающих индукцию в зазоре 0,2...0,3 Тл. Увеличить произведение S_pw можно в основном только за счет изменения w, так как увеличение площади рамки увеличивает размеры всех остальных элементов и ухудшает весовые характеристики подвижной части.

Магнитоэлектрические приборы пригодны только для измерения в цепях постоянного тока. При включении их в цепь переменного тока применяют преобразовательные устройства (выпрямители, термоэлектрические преобразователи и т. д.).

Обмотку рамки измерительного механизма рассчитывают на токи до 100 мА, если прибор используют как амперметр, и до 10 мА, если как вольтметр. Большие токи вызвали бы увеличение сечения проводов обмотки рамки (обычно диаметр проводов не превышает 0,2 мм), а следовательно, массы и момента инерции подвижной части прибора. Пределы измерения по току в магнитоэлектрических приборах расширяют с помощью шунтов, а по напряжению — с помощью добавочных резисторов.

Для компенсации изменения сопротивления обмотки рамки под действием температуры во всех приборах используют специальные резисторы, выполненные из материалов с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

Влияние внешних магнитных полей на магнитоэлектрические приборы весьма незначительно, так как измерительная рамка экранирована магнитной системой при­бора. Такие приборы благодаря своим качествам — равномерности шкалы, высокой чувствительности (до 10^–11 А и 10^–7 В), точности отсчета, простоте расширения диапазона измерений, малому собственному потреблению энергии — нашли широкое применение для измерения не только постоянных токов и напряжений, но и переменных токов (со встроенными преобразователями).

Лекция 23 Измерительные механизмы электромагнитной системы

Электромагнитные приборы действуют по принципу перемещения подвижного сердечника из ферромагнитного материала под влиянием магнитного поля неподвижной катушки. Сердечник укреплен на одной оси со стрелкой указателя. Распространены две конструкции: приборы с плоской катушкой (рисунок 5.15) и приборы с круглой катушкой (рисунок 5.16).

В первой конструкции лепесток 2 из ферромагнитного материала (мягкой стали или специального сплава), эксцентрично насаженный на ось со стрелкой, втягивается магнитным полем неподвижной катушки 1, которое образуется током в катушке.

Во второй конструкции имеется два ферромагнитных элемента 3, 4, размещенных внутри неподвижной круглой катушки 5. Элемент 3 прикреплен к внутренней поверхности катушки и является неподвижным, а элемент 4 жестко связан с осью 2 прибора. При наличии тока в катушке оба элемента одноименно намагничиваются и стремятся оттолкнуться, как два магнита одинаковой полярности. В результате такого взаимодействия подвижный элемент поворачивается вместе с осью. В приборах обеих конструкций противодействующий момент создается спиральной пружиной (3 на рисунке 5.15, 7 на рисунке 5.16). Успокоители (6, 10) в таких магнитных системах бывают воздушные и магнитоиндукционные.

Вращающий момент в электромагнитных приборах может быть определен исходя из изменения энергии магнитного поля катушки прибора при изменении в ней тока I и ее индуктивности L при перемещении сердечника. Энергия магнитного поля

W_M = L I² /2,

а механическая энергия, вызванная перемещением сердечника

W_MX = М_врα.

При вращении оси

M_вpdα = I²dL/2,

откуда

M_вp = I²dL/(2dα).

В режиме установившегося отклонения при создании противодействующего момента пружинами М_пр = М_вр, т. е. с учетом (5.6):

тα = I²dL/(2dα),

откуда

α = I²dL/(2тdα). (5.8)

Из выражения (5.8) видно, что знак угла отклонения стрелки прибора не зависит от направления тока в катушке. Следовательно, приборы пригодны для измере­ния в цепях постоянного и переменного токов. В цепи переменного тока они измеряют действующее значение тока или напряжения.

Шкала прибора неравномерная. Меняя форму сердечника и его расположение в катушке, можно получить почти равномерную шкалу начиная с 20% верхнего предела диапазона измерений.

При меньших значениях измеряемой величины электромагнитные приборы недостаточно чувствительны и эта часть шкалы считается нерабочей.

Конструктивная особенность электромагнитного прибора позволяет изготовить амперметры этой системы на токи 200...300 А для прямого включения в цепь, т. к. неподвижная катушка может быть выполнена из провода любого сечения. Амперметр на 150...300 А выполняют с катушкой в виде одного витка из медной шины. Вольтметры электромагнитной системы изготовляют на напряжение до 660 В, катушку выполняют из большого числа витков медной проволоки небольшого сечения, а для компенсации температурной погрешности включают добавочные резисторы из манганина.

Ввиду относительно слабого собственного магнитного поля на показания электромагнитных приборов весьма значительное влияние оказывают внешние магнитные поля. Для снижения их влияния измерительный механизм защищают стальным экраном (1 на рисунке 5.16). В приборе имеется корректор (8, 9).

Встречаются конструкции, в которых устанавливают две неподвижные катушки с самостоятельными сердечниками, насаженными на одну ось, так называемые астатические приборы (рисунок 5.17). Здесь обе обмотки включены последовательно, но так, что их потоки Ф₁ и Ф₂ направлены встречно, а моменты, создаваемые этими потоками и действующие на подвижную часть прибора, согласны. При такой конструкции внешний магнитный поток Ф_вш в одной катушке усиливает, а в другой уменьшает вращающий момент прибора на равные значения. Этим исключается влияние внешнего магнитного поля.

Астатические приборы изготовляют для классов точности 0,5 и 1,0 и только переносного исполнения (лабораторные, испытательные комплекты). Простота конструкции, невысокая стоимость, пригодность для постоянного и переменного то­ков, большая перегрузочная способность, возможность непосредственного включения амперметров на большие токи привели к широкому распространению этих приборов в промышленных установках.

Недостатками электромагнитных приборов можно считать неравномерность шкалы, низкую чувствительность, сравнительно большое собственное потребление (амперметры — до 5 ВА, вольтметры — до 10 ВА), чувствительность к влиянию внешних магнитных полей.

Лекция 24 Цифровые приборы

Электронный цифровой вольтметр. Основным элементом цифровых электронных измерительных приборов является аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Это устройство предназначено для преобразования напряжения в пропорциональное ему число. На рисунке 5.18 показана упрощенная структурная схема и временные диаграммы работы отдельных устройств цифрового вольтметра постоянного напряжения с время-импульсным АЦП.

Измеряемое напряжение U_вх подают на один из входов устройства сравнения УС. На другой вход УС подают напряжение U_гпн, формируемое генератором пилообразного напряжения ГПН и изменяющееся во времени по линейному закону:

U_гпн = kt,

где k — коэффициент, называемый крутизной преобразования, и равный скорости изменения напряжения U_гпн.

Высокочастотный образцовый генератор импульсов ГИ генерирует прямо­угольные импульсы напряжения U_ги с частотой f_ги, подаваемые на вход селектора.

Устройство управления УУ, на выходе которого формируются отрицательные импульсы напряжения U_y, следующие с частотой f_у, синхронизирует совместную работу всех блоков цифрового вольтметра. В момент времени t₁ импульсы управления U_y одновременно подаются на вход селектора и вход генератора пилообразного напряжения ГПН. При этом ГПН запускается, и на его выходе напряжение U_гпн начинает увеличиваться, а селектор соединяет ГИ со счетчиком импульсов СИ. В момент времени t₂, когда U_гпн становится равным измеряемому напряжению U_вх, на выходе УС формируется положительный импульс напряжения U_c, подаваемый на вход селектора, который отключает ГИ от СИ.

Поскольку за промежуток времени ∆t = t₂ – t₁ напряжение U_гпн увеличивается до значения, равного U_вх, то можно записать, что U_вх = k∆t. Отсюда следует, что при заданной частоте f_ги и k = const промежуток времени ∆t, в течение которого СИ соединен с ГИ, с одной стороны, пропорционален напряжению U_вх:

∆t = U_вх / k,

а с другой стороны,

∆t = N / f_ги,

где N — количество импульсов, поступающих на вход СИ за этот промежуток времени.

Следовательно, количество импульсов N оказывается пропорциональным измеряемому напряжению:

N = f_ги ∆t = f_ги U_вх / k.

В интервале t₂ ... t₃ сигнал в виде цифрового кода передается на цифровой индикатор. В момент времени t₃ происходит сброс показаний цифрового индикатора и цикл повторяется.

Чтобы обеспечить высокую чувствительность прибора, необходимо иметь ГПН с относительно небольшой крутизной преобразования k и ГИ очень высокой частоты. Тогда даже малым значениям измеряемого напряжения U_вх будет соответствовать большое количество импульсов N, за счет чего и обеспечивается высокая чувствительность этих приборов.

Вопросы для самоконтроля:

1 Объясните принцип действия измерительного механизма магнитоэлектрической системы.

2 Объясните принцип действия измерительного механизма электромагнитной системы.

3 Перечислите достоинства и недостатки измерительного механизма магнитоэлектрической системы.

4 Перечислите достоинства и недостатки измерительного механизма электромагнитной системы.

5 Что является основным элементом цифровых электронных измерительных приборов

Рекомендуемая литература:

1 Иванов И. И. Электротехника и основы электроники — с 267 – 275, 290 – 292.