30. Общие сведения о магнитоэлектрических механизмах.

Принцип работы основан на взаимодействии тока, протекающего по обмотке подвижной катушки, с магнитным полем постоянного магнита.

Основные детали: постоянный магнит и подвижная катушка(рамка), по которой проходит ток, пружины.

При прохождении тока через рамку возникает вращающий момент, под действием которого подвижная часть прибора поворачивается вокруг своей оси на некоторый угол φ.

Вращающий момент приборов магнитоэлектрической системы прямо пропорционален силе тока:

M_вр.= k₁ · I,

где: k₁= B · S · n, B – магнитная индукция поля постоянного магнита, S – площадь катушки, n – число витков катушки.

Противодействующий момент создается спиральными пружинами и пропорционален углу поворота рамки:

M_пр.= k₂ · φ ,

где k₂ - коэффициент, характеризующий упругие свойства пружины.

При равновесии подвижной части прибора вращающий момент равен противодействующему. Из этого условия равновесия для приборов магнитоэлектрической системы φ ∼ I, и поэтому их шкалы равномерны.

Поворачиваясь, катушка отклоняет стрелку прибора. Магнитоэлектрические приборы служат только для измерения постоянного тока и напряжения, так как направление поворота рамки зависит от направления тока в ней. Если по катушке пропустить переменный ток частотой 50 Гц, то направление вращающего момента станет меняться сто раз в секунду, подвижная часть не будет успевать за током и стрелка не отклонится. Приборы данной системы пригодны для использования в цепях постоянного тока.

31. Общие сведения об электродинамических механизмах.

Принцип работы основан на взаимодействии двух катушек(рамок), по которым течет ток. Одна из них неподвижна, а другая подвижна. Перемещение катушек относительно друг друга обусловливается тем, что проводники, по которым протекают токи одного направления, притягиваются, а с токами противоположных направлений – отталкиваются.

Вращающий момент, действующий на подвижную катушку, пропорционален произведению силы тока в подвижной I_п и неподвижной I_н катушках:

M_вр.= С · I _п · I_н ,

где С – коэффициент, зависящий от числа витков катушек, размеров и формы катушек и их взаимного расположения. Из условия равновесия несложно определить, что угол поворота стрелки пропорционален токам, протекающим через катушки и шкалы амперметра и вольтметра электродинамической системы неравномерны, а для ваттметров равномерны.

32. Общие сведения об электростатических механизмах.

Электростатические механизмы.

В электростатических измерительных преобразователях и приборах вращающий момент создается в результате взаимодействий двух систем заряженных пластин, одна из которых является неподвижной.

Применяются две конструкции электростатических приборов.

В первой (рис. 10) под действием разности потенциалов подвижные пластины 2 стремятся втянуться между неподвижными 1, при этом изменяется активная площадь взаимодействия пластин (такая конструкция применяется в вольтметрах для измерения низких напряжений – до единиц киловольт). Для увеличения чувствительности при этом применяется световой указатель, зеркальце 3 которого непосредственно крепится на подвижной части. Растяжки 4 создают противодействующий момент.

Рис. 10. Устройство (а) и конструкция (б) электростатического измерительного

механизма, применяемого для измерений низких напряжений

Во второй (рис. 12) конструкции разность потенциалов изменяет расстояние между пластинами (эта конструкция применяется в вольтметрах для измерения высоких напряжений – до сотен киловольт – в киловольтметрах).

По существовавшей классификации в названии типа прибора используется буква С (например, С511).

Энергия электростатического поля системы заряженных тел

где С –электрическая емкость между подвижными и неподвижными пластинами;

и –напряжение (разность потенциалов) между ними.

Рис. 11. Устройство электростатического измерительного механизма,

применяемого для измерений высоких напряжений:

1 – магнитоиндукционный успокоитель, 2 – ось, 3 – тяга, 4, 6 – подвижные пластины,

5 – металлическая лента, 7 – алюминиевая лёгкая пластина

Мгновенный вращающий момент будет равен:

Если приложенное напряжение постоянно (u = U), то вращающий момент:

Если u = U_m sin ωt, то мгновенное значение вращающего момента:

(29)

Как видно из выражения (29), мгновенный вращающий момент имеет постоянную и гармоническую составляющие. При этом на частотах свыше 10 Гц подвижная часть измерительного механизма в силу своей инерционности не будет успевать реагировать на изменения напряжения. Вследствие этого угол поворота подвижной части будет определяться средним за период T значением вращающего момента:

(30)

где U –действующее значение измеряемого синусоидального напряжения.

Если измеряется напряжение несинусоидальной формы с периодом Т, которое аналитически может быть представлено в виде разложения в ряд Фурье по гармоническим составляющим:

где U_o –постоянная составляющая;

k – номер гармоники;

U_mk – амплитуда k-й гармоники;

ω – начальная фаза k-й гармоники, то, согласно (30), для среднего значения вращающего момента получим следующее выражение:

Здесь U₀, U₁, U₂ ... –постоянная составляющая и действующие значения гармонических составляющих напряжения; U –действующее значение переменного несинусоидального напряжения.

Поскольку противодействующий момент создается упругим элементом, то угол поворота подвижной части (для всех трех рассмотренных видов напряжения):

(31)

Из выражения (31) вытекают следующие положения:

- зависимость угла поворота подвижной части от напряжения нелинейна;

- поворот подвижной части одинаков при постоянном и при переменном напряжении, имеющем действующее значение, равное значению постоянного напряжения;

- показание прибора не зависит от формы кривой измеряемого напряжения.

Линейную зависимость угла поворота α от напряжения получают для значительной части рабочего диапазона показаний, изготавливая подвижные пластины специальной формы.

В этом случае является требуемой функцией α.

Электростатические приборы применяются главным образом в качестве измерителей напряжения –вольтметров. Измеряемое вольтметром напряжение непосредственно подается на измерительный механизм. Схемы включения электростатических вольтметров обладают некоторыми особенностями. У вольтметров с малыми и средними пределами измерения воздушный зазор между пластинами очень мал, поэтому возникает опасность короткого замыкания пластин, а, следовательно, и источника измеряемого напряжения, при случайных ударах, тряске и т. п. Для исключения этого внутрь вольтметра встраивается защитный резистор. В этом случае прибор включается в цепь с помощью зажимов 1 и 2 (рис. 12, здесь C_v – емкость вольтметра). При измерении напряжений повышенной частоты (сотни килогерц и более) во избежание дополнительной погрешности защитный резистор отключается путем включения вольтметра через зажимы 1 и Э (экран).

Рис. 12. Схема подключения электростатического вольтметра

В настоящее время промышленностью выпускаются несколько типов электростатических вольтметров с верхними пределами измерений от 30 В до 75 кВ классов точности 0,5; 1,0; 1,5 для работы в частотном диапазоне до 30 МГц.

К достоинствам электростатических приборов относится в первую очередь очень малое собственное потребление мощности от измеряемой цепи. При измерении постоянного напряжения оно определяется сопротивлением изоляции между входными зажимами вольтметра (порядка 10¹⁰ –10¹⁴ Ом), при измерении переменного напряжения –зависит от емкости измерительного механизма (приблизительно 3 –30 пФ) и частоты измеряемого напряжения. Кроме того, показания электростатических вольтметров не зависят от формы кривой измеряемого напряжения, на них слабое влияние оказывает температура окружающей среды и совершенно не влияют магнитные поля. К достоинствам приборов следует отнести довольно широкий диапазон рабочих частот и возможность изготовления вольтметров для измерения больших напряжений –до сотен киловольт –без применения громоздких, дорогих и потребляющих большую мощность добавочных резисторов и измерительных трансформаторов.

Недостатками электростатических приборов являются малая чувствительность, неравномерность шкалы в пределах только 25 –100 % и сильное влияние внешних электростатических полей, для защиты от которых измерительный механизм помещается в заземляемый металлический экран.

Вывод: в электростатических измерительных преобразователях и приборах вращающий момент создается в результате взаимодействий двух систем заряженных пластин, одна из которых является неподвижной. Электростатические приборы применяются главным образом в качестве измерителей напряжения –вольтметров.

К достоинствам электростатических приборов относится в первую очередь очень малое собственное потребление мощности от измеряемой цепи.

Недостатками электростатических приборов являются малая чувствительность и сильное влияние внешних электростатических полей.