«Товарознавство»

Таблиця 7.2.

Технічні характеристики лічильників типу РГ

7.4.7. Електровимірювальні прилади

Електровимірювальні прилади призначені для вимірюван ня електричних величин: струму, напруги, потужності, часто ти, опору та ін.

Найбільш вживані електричні величини і їх одиниці: сила електричного струму – ампер (А); напруга – вольт (В); опір – ом (Ом); потужність – ват (Вт); частота – герц (Гц); кількість електрики – кулон (Кл); ємність – фарада (Ф). При вимірю ванні електричних величин використовують різні технічні за соби: міри, електровимірювальні прилади.

Електровимірювальні прилади можна розділити на наступні групи:

1. Прилади магнітоелектричної системи з рухомою рамкою або з рухомим магнітом, заснованим на взаємодії дії магнітних полів постійного магніту і котушки, по якій проходить струм.

278

Розділ 7. Засоби промислової автоматики

2.Прилади електромагнітної системи, засновані на власти вості котушки втягувати сталевий сердечник, коли по ній про ходить електричний струм.

3.Прилади електродинамічної системи, принцип дії яких заснований на взаємодії магнітних полів двох котушок, по яких проходить струм.

4.Теплові електровимірювальні прилади, у яких використо вується властивість дроту подовжуватися при проходженні по ньому електричного струму.

5.Прилади термоелектричної системи, що представляють собою сукупність термопари з чутливим магнітоелектричним приладом.

6.Прилади вібраційної системи, засновані на принципі ме ханічного резонансу вібруючих тел.

Існує ще декілька систем електровимірювальних приладів (ферродинамічна, індукційна, електростатична, біметалічна і т.д.). За умовними позначеннями можна визначити призна чення приладу, його систему, рід вимірюваної величини.

За родом вимірюваної величини прилади поділяють на ампер@ метри, вольтметри, омметри, ваттметри й ін. Однак варто враху

вати, що цей розподіл умовний, тому що деякі електричні вели чини можуть визначатися непрямим чином, наприклад електричний опір з даних амперметра і вольтметра. Крім того, є прилади, які дозволяють визначити декілька електричних розмірів. Найбільш масові з усіх електровимірювальних приладів – ампер метри і вольтметри. Амперметрами вимірюють силу електрично го струму, вольтметрами – напругу. Їх конструктивні схеми відрізняються лише внутрішнім опором, що в амперметрів пови нен бути можливо більш низьким, а у вольтметрів, навпаки, ви соким, щоб не вносити зміни в режим роботи ланцюга.

Для виміру малих струмів, напруг і їх співвідношень, а та кож для точного установлення відсутності струму в ланцюзі використовують гальванометри, що відрізняються високою чут ливістю. Їх часто застосовують також у якості так званих нуль індикаторів. У тих випадках, коли необхідно усунути вплив коливань напруги джерела струму на показання приладу (на

279

«Товарознавство»

приклад, при електричних вимірах неелектричних величин), за стосовують логометри, показання яких пропорційні відношен ню електричних величин.

За стійкістю до зовнішніх впливів усі засоби вимірів електрич них величин діляться на сім груп. Чим вище номер групи, тим при більш жорстких умовах може працювати прилад. Наприклад, при лади групи 1 можуть експлуатуватися, зберігатися і транспорту ватися при температурі 10…25° С, а групи 7 – 30...70° С.

Магнітоелектричні прилади

Побудова приладу магнітоелектричної системи з рухомою котушкою показана на рис 7.5. Нерухома частина приладу скла дається з постійного підкововидного магніту, полюсних надста вок і сталевого циліндра, поміщеного між надставками. Повітря ний зазор між полюсними надставками і сталевим циліндром робиться невеликим. Магнітне поле в зазорі утворюється дуже сильним (магнітний опір ланцюга малий), спрямованим по ра діусах циліндра і практично рівномірним.

Рухома частина приладу складається з легкої алюмінієвої рамки, на якій намотаний тонкий ізольований дріт. Рамка (ко тушка) укріплена на двох металевих півосях і може обертати ся. До передньої півосі прикріплена стрілка – покажчик. Один кінець стрілки переміщається уздовж шкали приладу, а інший має противаги для зрівноважування рухомої системи приладу. Дві спіральні пружини, прикріплені до півосей, призначені для протидії обертанню рамки, повернення стрілки у вихідне поло ження і підведення струму до обмотки рамки. Для установки стрілки на нуль є спеціальне пристосування, яке називається коректором. Його дія заснована на взаємодії магнітних полів постійного магніту і котушки, по якій проходить, електричний струм. В результаті такої взаємодії котушка повертається навко ло своєї осі і прагне зайняти таке положення, при якому через неї проходив би найбільший магнітний потік.

Але обертанню рамки приладу протидіють спіральні пружи ни. Тому залежно від величини струму, що проходить через об

280

Розділ 7. Засоби промислової автоматики

Рис. 7.5. Побудова приладу магнітоелектричної системи з рухомою котуш@ кою: 1 – постійний магніт; 2 — полюсні надставки;

3 – сталевий циліндр; 4 – рамка приладу; 5 – стрілка@покажчік; 7 – спіральна пружина; 8 – коректор; 9 – гвинт коректора.

мотку рамки, вона повертається на певний визначений кут. Чим більший струм пройде через обмотку рамки, тим на більший кут вона повернеться, і на більший кут повернеться стрілка покаж чик. Таким чином, за кутом відхилення стрілки можна судити про величину струму, що проходить по обмотці рамки.

При обертанні алюмінієвої рамки в магнітному полі пост ійного магніту в ній виникає індукований струм. За правилом Ленца напрямок цього струму такий, що створюване ним маг нітне поле перешкоджає обертанню рамки. За рахунок цього відбувається швидке заспокоєння стрілки після відхилення.

Такі механізми найбільш вигідно використовувати для ви міру малих струмів і напруг у мікроамперметрах, гальваномет рах, мілівольтметрах, логометрах. Для виміру великих струмів у вимірювальний ланцюг послідовно підключають шунт — до датковий провідник, що має невеликий опір. При цьому вели ка частина вимірюваного струму проходить через шунт, а мен ша через амперметр, що підключається паралельно шунту. Шунти можуть знаходитися як усередині приладу, так і поза ним.

281

«Товарознавство»

Основні переваги приладів магнітоелектричної системи:

висока точність;

висока чутливість;

мале споживання потужності;

рівномірність шкали;

мала залежність показань від впливу зовнішніх магніт

них полів.

До недоліків цих приладів варто віднести придатність їх для виміру тільки постійного струму, необхідність дотримання по лярності при включенні, чутливість до перевантажень (спіраль на пружина і тонкий дріт обмотки рамки при перевантаженні можуть згоріти) і відносну складність конструкції.

Безпосередньо за допомогою амперметра магнітоелектрич ної системи можна вимірювати струми до 30 мА, а за допомо гою вольтметра – напруги в декілька десятків мілівольт.

Електромагнітні прилади

Побудова приладу електромагнітної системи показана на рис. 7.6.

Нерухому частину приладу складає котушка з ізольованого дроту. Рухома частина приладу складається зі сталевого сердеч ника (пелюстка), укріпленого на осі.

Рис. 7.6. Принцип побудови приладу електровимірювальної системи: 1 – котушка,

2 – затиски для включення,

3 – щілина в котушці,

4 – сталевий сердечник,

5 – вісь, 6 – стрілка@покажчик,

7 – камера заспокоювача,

8 – спіральна пружина,

9 – поршень заспокоювача

282

Розділ 7. Засоби промислової автоматики

Електромагнітні прилади частіше усього використовуються в якості амперметрів і вольтметрів. Обмотка котушки ампермет ра виготовляється з товстого дроту і має дуже невеликий опір. Амперметри електромагнітної системи дозволяють безпосеред ньо вимірювати струми до 200 – 300 А.

Котушки вольтметрів електромагнітної системи намотані дуже тонким дротом і мають велике число витків. Завдяки ве ликому опорові електромагнітним вольтметром можна безпосе редньо (без додаткових опорів) вимірювати напруги до 600 А.

Переваги приладів електромагнітної системи:

простота і надійність конструкції;

невисока вартість (електромагнітні прилади майже вдвічі дешевше магнітоелектричних);

висока стійкість до перевантажень;

придатність для вимірів у ланцюгах змінного і постійно го струмів;

малий вплив змін температури навколишнього середови ща на точність показань.

Недоліки:

невисока точність;

мала чутливість;

залежність точності показань від зовнішніх магнітних полів;

нерівномірність шкали;

непридатність для виміру малих струмів і напруг;

залежність показань від частоти вимірюваного струму. Електродинамічні прилади Побудова приладу електродинамічної системи показана на

рис. 7.7.

Нерухомою частиною приладу є котушка з ізольованого товстого дроту. Число витків нерухомої котушки зазвичай не велике. Рухомою частиною приладу також є котушка, але на мотана тонким дротом з великим числом витків. Рухома ко тушка знаходиться на осі. На цій же осі укріплена стрілка покажчик. Дві спіральні пружини створюють протидію обертанню рухомої котушки.

283

«Товарознавство»

Рис. 7.7. Прилад електродинамічної системи

Принцип дії приладів електродинамічної системи заснова ний на взаємодії магнітних полів, створюваних нерухомою і рухомою котушками.

При розгляді взаємодії магнітного поля і провідника зі стру мом вказувалося, що рамка зі струмом прагне зайняти в магн ітному полі таке положення, щоб через неї проходив можливо більший магнітний потік. Це ж явище спостерігається в прила дах електродинамічної системи.

Кут повороту рухомої котушки залежить від розміру струму, що проходить через прилад, і сили протидії спіральних пружин.

Прилади електродинамічної системи частіше усього викори стовуються в якості амперметрів, вольтметрів і ваттметрів. У вольтметрі нерухома і рухома котушки з’єднуються послідовно. Послідовне з’єднання котушок застосовується також в ампермет рах, використовуваних для виміру малих струмів (до 0,5 А). В амперметрах, використовуваних для виміру великих струмів (більше 0,5А) нерухома і рухома котушки з’єднуються паралельно.

Переваги електродинамічних приладів:

придатність для виміру постійного і змінного струмів

рівномірність шкали у ваттметрів;

відносно висока точність.

Недоліки:

сильніше вплив зовнішніх магнітних полів на точність вимірів;

284

Розділ 7. Засоби промислової автоматики

Прилади індукційної системи

Прилади індукційної системи в даний час служать для ви міру витрати електричної енергії в ланцюгах змінного струму. Дія індукційного лічильника заснована на взаємодії вихрових струмів з обертовим магнітним полем. Основними деталями індукційного лічильника є два електромагніти 1 і 2, рухомий алюмінієвий диск 5, редуктор 3, рахунковий механізм 4 і галь мівний магніт 6 (рис. 7.8.).

Рис. 7.8. Лічильник електричної енергії

Магнітна система електромагнітів 1 і 2 має повітряні зазори, причому котушка електромагніта 1 включається з навантаженням послідовно, а котушка електромагніта 1 – паралельно. При визна ченому розташуванні електромагнітів між їхніми полюсами ство рюється обертове магнітне поле, у якому вільно поміщається обер товий алюмінієвий диск. Обертове магнітне поле, пронизуючи алюмінієвий диск, індукує у ньому вихрові струми. У результаті взаємодії вихрових струмів з обертовим магнітним полем вини кає механічна сила, що приводить диск 5 в обертання. Певне число обертів відповідає одиниці електричної енергії (зазвичай 1 кВт/год). Це співвідношення називається передаточним числом і вказуєть ся на лічильнику, наприклад 1 кВт/год=1250 обертів. Індукційні

285

«Товарознавство»

механізми мають сильне власне магнітне поле і тому слабо чут ливі до зовнішніх полів, стійкі до струмових перевантажень, од нак придатні лише до змінного струму і, крім того, володіють відносно низькою точністю.

На даний час все більш широке застосування знаходять більш точні електронні лічильники електричної енергії.

Прилади вібраційної системи

Прилади вібраційної системи призначені для виміру часто ти змінного струму. Дія вібраційних приладів заснована на використанні явищ електромагнетизму і механічного резонан су. Кожна механічна система, здатна здійснювати коливальні рухи, має визначену частоту власних коливань, що обумов люється масою і пружністю системи. При резонансі, тобто при збігу частот власних коливань системи і коливань зовнішнього джерела, амплітуда коливань даної механічної системи різко збільшується. Ця властивість використовується у вимірюваль них приладах вібраційної системи.

Вібраційний частотомір (рис. 7.8.) складається з електромаг ніта 1, сталевого якоря 2, укріпленого на бруску 5, і декількох вібраторів 3 із різною довжиною або масою. Кінці вібраторів відігнуті під прямим кутом і розміщені горизонтально в щілині на шкалі частотоміра. Брусок 5 кріпиться до пластинчастих пружин 4, що забезпечує деяку рухливість механічної системи.

Рис. 7.8. Побудова частотоміра вібраційної системи

286

Розділ 7. Засоби промислової автоматики

Якщо по обмотці електромагніта пропустити змінний струм, то якір 2 буде сильніше протягатися до полюсів у ті моменти, коли струм має найбільше значення, тобто два рази за період.

Більшість частотомірів вібраційної системи призначене для вимірювання частот 45 55 Гц. Однак зустрічаються частотом іри, розраховані для вимірювання більш високих частот до 1550 1650 Гц).

Перевагою приладів вібраційної системи є незалежності показань від напруги мережі. Недоліки – залежність показань від механічних вібрацій, неможливість виміру високих частот і переривчастість шкали, унаслідок чого ускладнюються вимірю вання на проміжних частотах, коли одночасно коливається де кілька вібраторів.

Вимірювання окремих електричних величин

Для вимірювання струму і напруги використовуються вим ірювальні прилади різних систем – амперметри і вольтметри.

Прилади, призначені для виміру струму, одержали назву амперметрів. Амперметр включають у ланцюг таким чином, щоб через нього проходив весь струм, що вимірюється, тобто по слідовно. Для виміру постійного струму переважно використо вуються амперметри магнітоелектричної системи, а для виміру змінного струму частотою 50 Гц в основному використовують ся амперметри електромагнітної системи. Опір амперметра по винно бути дуже малим, щоб у ньому не відбувалося помітно го падіння напруги. Існують амперметри якими можна вимірювати і напругу, у цьому випадку на них є шкала, гра дуйована в мілівольтах і підключення здійснюється паралель но в мережу, з обов’язковим підключенням опору. Для вимірю вання малих значень струму, використовуються гальванометри, мікроамперметри, міліамперметри.

Електровимірювальні прилади, призначені для виміру на пруги, називаються вольтметрами. Вольтметр включають пара лельно ділянці електричного ланцюга, на якій вимірюють напру гу. При цьому вольтметр повинен мати дуже великий опір порівняно з опором елемента ланцюга, на якому вимірюють

287

«Товарознавство»

напругу. Це необхідно для зменшення погрішності виміру і для того, щоб не було зміни режиму роботи ланцюга. Для виміру напруги в ланцюгах постійного струму застосовують магнітое лектричні вольтметри, а в ланцюгах змінного – електромагнітні й електродинамічні вольтметри. При вимірі малих перемінних напруг використовуються випрямні й електронні мілівольтмет ри, причому при підвищених частотах переважно електронні.

У тих випадках, коли вольтметром потрібно вимірювати напругу, що перевищує межі шкали, то послідовно з вольтмет ром включають додатковий резистор

Шунти і додаткові резистори можна вмонтовувати як усе редині приладу, так і підключати до його затисків на час вимірів, в останньому випадку на шкалі приладу вказують: "З окремим шунтом" або "З окремим додатковим резистором".

Для вимірювання опору може бути використаний метод ам перметра і вольтметра. Опір можна визначити, розділивши по казання вольтметра, підключеного до випробуваного резисто ра, на показання амперметра, включеного послідовно з цим резистором, R=U/Iм.

Рис. 7.9. Схема включення амперметра і вольтметра при вимірюванні опорів

Для безпосереднього вимірювання опору служать прилади, які називаються омметрами і мегаомметрами, що можуть вклю чатися в схему послідовно або паралельно.

Омметр представляє собою вимірювальний прилад магніто електричної системи з внутрішнім і додатковим резисторами. Послідовно з омметром включається вимірюваний опір. Омметр

288

Розділ 7. Засоби промислової автоматики

має самостійне джерело живлення у вигляді сухих елементів. Недоліком такого омметра є залежність його показань від на пруги джерела живлення.

Для прикладу розглянемо омметр моделі М372 (рис. 7.10.). Призначений, за допомогою спеціального щупа і струбцини, для вимірювання опору заземленої про водки, установлення факту обриву її, а також для виявлення при ко роткочасному впливі змінної напру ги на устаткуванні. Омметр призна чений для роботи при температурі навколишнього повітря від 30°С до +40°С і відносній вологості до 90% при температурі 30° С. Прилади мо жуть виготовлятися в тропічному виконанні для роботи при темпера турі навколишнього повітря від 10° С до 45° С і відносній вологості 98%

при температурі 35° С. Прилади призначені для роботи в при міщеннях в умовах відсутності різких змін температури зовніш нього середовища, впливу сонячної радіації, дощу і пилу. При цьому заводське позначення приладу повинно бути М372 04.2.

Одним із методів вимірювання опору й інших електрич них параметрів (індуктивностей, ємностей) є застосування моста постійного і змінного струму. Міст для виміру опору (мал. 7.11.) складається з трьох плечей із регульованими ре зисторами R1, R2, R3 (магазинів опорів), що разом із четвер тим вимірюваним резистором, Rх утворять замкнутий кон тур А, Г, Б, В. До. точок В і Г приєднується джерело живлення, а до точок А і Б – гальванометр Г. Регулюванням резисторів R1, R2 і R3 домагаються нульового відхилення стрілки гальва нометра. При вимірюваннях малих опорів велику погрішність вносять опори контактів і сполучних проводів. У таких випад ках використовуються більш складні схеми (подвійні мости).

289

«Товарознавство»

Рис. 7.11. Схема моста для вимірювання опору

Надійна робота будь якої електротехнічної установки у ве ликій мірі залежить від стану ізоляції як між проводами, так і між струмоведучими частинами і землею. Ця ізоляція відносно легко піддається старінню під дією вологи, високої температу ри і т.ін., тому опір ізоляції необхідно періодично вимірювати. Опори ізоляції мережі, що не знаходиться під робочою напру гою, вимірюють мегаомметром, один затиск якого приєднують до випробуваного проводу, а другий його затиск з’єднують із землею. Обертаючи рукоятку індуктора магаомметра, що пред ставляє маленький магнітоелектричний генератор, відраховують на шкалі приладу значення опору, що вимірюється.

Для вимірювання потужності в ланцюзі постійного струму не потрібно спеціального приладу, тому що потужність Р=UI легко може бути підрахована за показниками вольтметра й амперметра.

У ланцюзі змінного струму потужність залежить не тільки від напруги і струму, але і від зрушення фаз між ними: Р=UIсоs . Тому для вимірювання потужності у цьому випадку необхідний спеціальний прилад – ваттметр електродинамічної або феродинамічної систем. Обертаючий момент в електроди намічного ваттметра пропорційний добутку напруги і струму. Феродинамічні ваттметри мають меншу точність і в ланцюгах

290

Розділ 7. Засоби промислової автоматики

постійного струму непридатні через вплив гістерезису.Для ви мірювання витрати електричної енергії змінного струму засто совують лічильники індукційної системи.

Логометри

Логометрами (від грецького слова "логос" – відношення) на зиваються прилади, кут повороту вимірювальних механізмів яких залежить від відношення струмів.

У більшості електровимірювальних приладів безпосереднь ого відліку відхилення рухливої частини залежить від струму, що проходить через прилад. При вимірюванні деякого електрич ного або неелектрического параметра Х (переміщення, тиск, кут повороту і т.д.) необхідно, щоб струм, що проходить через при лад , залежав від параметра. Однак струм пропорційний напрузі і показання приладу для виміру деякого параметра Х стають залежними від двох змінних – вимірюваного параметра і на пруги джерела струму. При відсутності прямої залежності Х і вимірюваним параметром залежність показання приладу від напруги виключає можливість градуювати його шкалу в одини цях Х (наприклад, в омах), тому що зміна напруги призведе до погрішностей при вимірюванні. Для усунення впливу змін на пруги на показання приладу в логометрах положення рівнова ги рухливої частини визначається відношенням струмів.

Всі електровимірювальні прилади можна класифікувати на підгрупи:

Підгрупа А. Прилади для вимірювання сили струму Підгрупа Б. Джерела живлення для вимірювання і вимірю

вальних приладів Підгрупа В. Прилади для вимірювання напруги

Підгрупа Г. Генератори вимірювальні Підгрупа Д. Аттенюатори і прилади для вимірювання ослаблень;

Підгрупа Е. Прилади для вимірювання параметрів компо нентів і ланцюгів із зосередженими постійними

Підгрупа И. Прилади для імпульсних вимірювань Підгрупа К. Комплексні вимірювальні установки

291

«Товарознавство»

Підгрупа Л. Прилади загального застосування для вимірю вання параметрів електронних ламп і напівпровідникових приладів

Підгрупа М. Прилади для вимірювання потужності Підгрупа П. Прилади для вимірювання напруженості поля

і радіоперешкод Підгрупа Р. Прилади для вимірювання параметрів елементів

і трактів із розподіленими постійними Підгрупа С. Прилади для спостереження, вимірювання і

дослідження форми сигналу і спектра Підгрупа У. Підсилювачі вимірювальні

Підгрупа Ф. Прилади для виміру фазового зрушення і гру пового часу запізнювання

Підгрупа X. Прилади для спостереження і дослідження ха рактеристик радіопристроїв

Підгрупа Ч. Прилади для вимірювання частоти і часу Підгрупа Ш. Прилади для вимірювання електричних і маг

нітних властивостей матеріалів Підгрупа Э. Вимірювальні пристрої коаксиальних і хвильо

водних трактів Підгрупа Я. Блоки радіовимірювальних приладів.

Для указання призначення електровимірювального прила ду в його позначення вписують умовне графічне позначення, встановлене стандартом, а також буквене позначення одиниці вимірювання або вимірюваних величин (табл. 7.3, 7.4.).

292

Розділ 7. Засоби промислової автоматики

293

«Товарознавство»

294