Лекции

Щитовые приборы чаще всего имеют класс точности 1,0; 1,5; 2,5; переносные – 0,5. Переносные амперметры выпускаются на токи от 5 мА до 10 А на частотах до 1,5 кГц, щитовые – до 300 А с встроенным трансформатором и до 15 кА с наружным трансформатором. Вольтметры переносные имеют верхние пределы от 0,5 до 600 В при непосредственном включении и до 450 кВ с трансформаторами (частота от 45 до 1000 Гц).

Частотомеры используют логометрический исполнительный механизм, схема включения его показана на рисунке 6.10.

При изменении частоты токи I1 и I2 изменяются различно, т.к. характер сопротивлений цепей этих токов различен. Следовательно, соотношение этих токов и показания прибора будут зависеть от частоты. Выпускаются на узкий диапазон частот (к примеру, 45 55,450 550 Гц; классы точности 1,5; 2,5.)

Условные обозначения электромагнитных приборов приведены на рисунке 6.11.

Рис. 6.11

272Информационно-измерительная техника

6.5.3.Электродинамические и ферродинамические приборы

Электродинамические и ферродинамические приборы применяют для измерения постоянных и переменных токов и напряжений, мощности в цепях постоянного и переменного токов, фазовых сдвигов между переменными токами и напряжениями. Для цепей переменного тока это наиболее точные приборы.

Вращающий момент в этих приборах возникает в результате взаимодействия магнитных полей неподвижной и подвижной катушек с токами. Упрощенная схема измерительного механизма показана на рисунке 6.12, где 1 – неподвижная катушка, 2 – подвижная.

2

Ф2 J2

Рис. 6.12

Ток к подвижной катушке подводится через пружинки или растяжки, создающие заодно противодействующий момент. При наличии тока в обмотках измерительного механизма возникают силы, стремящиеся повернуть подвижную часть так, чтобы магнитные потоки неподвижной и подвижной катушек совпали.

В установившемся режиме угол поворота определяется следующим выражением для постоянного тока:

где W – удельный противодействующий момент пружинок; I1, I2 – токи соответствующих катушек;

M1,2 – взаимная индуктивность между катушками.

На переменном токе соответствующее выражение выглядит

так:

где – фазовый сдвиг между токами в подвижной и неподвижной катушках.

Вэлектродинамических логометрических механизмах подвижная часть состоит из двух жестко скрепленных между собой под определенным углом катушек, находящихся в поле неподвижных катушек. Угол отклонения подвижной части здесь определяется соотношением токов через подвижные катушки и зависит от фазовых сдвигов этих токов относительно тока через неподвижную катушку.

Электродинамические приборы изготавливаются главным образом в виде переносных приборов высокой точности – классов 0,1; 0,2 и 0,5. Недостатками электродинамических приборов является относительно большое потребление мощности, необходимость защиты от внешних магнитных полей, они достаточно сложны, дороги, имеют малую перегрузочную способность.

Ферродинамический измерительный механизм отличается от электродинамического тем, что его неподвижные катушки имеют магнитопровод из магнитомягкого листового материала, что значительно увеличивает магнитный поток, а следовательно, и вращающий момент. Но появляются дополнительные погрешности, вызванные его влиянием, в частности нелинейностью кривой намагничивания, от гистерезиса на постоянном токе и т.д. Зато влияние внешних полей здесь меньше.

Вамперметрах электродинамических и ферродинамических для токов до 0,5 А неподвижная и подвижная катушки соединяются последовательно, поэтому I1 I2 I и cos =1. Тогда угол от-

клонения

Для обеспечения линейности шкалы, т.е. f (I), необходимы дополнительные меры.

В амперметрах на токи, которые больше 0,5 А, катушки соединяют параллельно и при условии выполнения частотной и температурной компенсаций угол поворота

U·I=P – измеряемая мощность.

Конструктивно добиваются, чтобы dM1,2 d =const, тогда по-

лучается равномерная шкала.

При работе на переменном токе вектор IU, параллельный цепи, отстает от вектора напряжения U на некоторый угол (рис. 6.14) вследствие индуктивности подвижной катушки.

U

I

IU

Q Ф1

Рис. 6.14

Угол поворота получаем как

Из последнего выражения следует, что подвижной части пропорционально активной мощности при условии 0. Однако0 только на одной частоте, а в общем случае 0. Поэтому

276

появляется погрешность в измерении мощности – её называют угловой погрешностью. При малых cos 1.

Возможны две схемы включения параллельной цепи ваттметра, как показано на рисунке 6.15, а и б. Случай а используется при высокоомных объектах Z, а случай б – для низкоомной нагрузки.

Рис. 6.15

Для правильного включения ваттметра один из зажимов последовательной и параллельной цепей обозначается звездочкой (генераторный зажим). Электродинамические ваттметры обычно имеют несколько верхних пределов измерения по току и напряжению: чаще всего два по току, например 5 и 10 А, и три по напряжению – 30, 150 и 300 В. Для больших токов и напряжений применяют соответствующие измерительные трансформаторы. Чтобы найти значение мощности, измеренной ваттметром, надо число делений, указанное стрелкой, умножить на постоянную прибора (в ваттах на деление), которая определяется по формуле

С=Uном·Iном/lm,

где Uном и Iном – номинальные значения тока и напряжения для тех пределов, на которые включен ваттметр; lm – длина шкалы в делениях.

Промышленность выпускает ваттметры с пределами по току от 25 мА до 70 А и напряжению от 15 до 600 В, классы точности 0,1; 0,2; 0,5. Выпускаются и ферродинамические переносные и щитовые ваттметры классов точности 0,2; 0,5; 1.

Частотомеры используют логометрический механизм, т.е. систему из 2-х соединенных между собой подвижных катушек. Схема включения показана на рисунке 6.16.

Параметры цепи подвижной катушки Á1 подбирают так, чтобы фазовый сдвиг между I1 и напряжением UX измеряемой частоты был равен 90 . Подбором параметров подвижной катушки Á2, неподвижной А и элементов R2, C2, L2 добиваются резонанса на-

1

пряжения в этой цепи при частоте fxo 2 L2C2 , равной средне-

му значению диапазона измерений частотомера. При этом угол отклонения подвижной части логометрического измерительного механизма, оказывается, зависит от отношения реактивных сопротивлений в цепях подвижных катушек, т.е.

дуировать в единицах частоты. Частотомеры такие выпускаются для измерений частоты в узком диапазоне изменений (45 55,450 550 Гц и т.д.), классов точности 1; 1,5.

Фазометры также используют логометрический механизм, но схема включения иная (рис. 6.17).

Отклонение подвижной части связано с изменением емкости. Существуют механизмы, в которых изменение емкости происходит или вследствие изменения активной площади пластин, или при изменении расстояния между пластинами.

Представим первый тип механизма в виде плоского конденсатора, имеющего неподвижные пластины, между которыми может вводиться система подвижных пластин, при этом меняется площадь их перекрытия, а следовательно, и емкость конденсатора. Увеличивая число пластин, увеличивают емкость, а следовательно, чувствительность механизма. Если к пластинам подвижной и неподвижной систем подвести измеряемое напряжение, то они заряжаются противоположными по знаку зарядами, в результате чего под действием сил электростатического притяжения подвижные пластины втягиваются в полость между неподвижными пластинами. При этом закручиваются растяжки, на которых закреплена подвижная система, создавая тем самым противодействующий момент. При установлении состояния покоя по положению указателя на шкале можно определить измеряемое напряжение.

При измерении постоянного напряжения в возникающем вращающем моменте есть только постоянная составляющая, а при измерении переменного напряжения – как постоянная, так и гармоническая составляющие. Отклонение подвижной части как в том, так и в другом случае определяется постоянной составляющей момента. А сам угол поворота

где С – электрическая емкость, зависящая от ; U – действующее значение напряжения.

Очевидно, что зависимость f (U) нелинейна и что поворот подвижной части одинаков как при постоянном напряжении, так и при напряжении переменного тока, имеющем действующее значение, равное значению постоянного напряжения. Линейностьf (U) получают изготовлением подвижных пластин специальной формы.

К достоинствам этих типов приборов относится малое потребление мощности от измеряемой цепи (при постоянном токе это