лабор раб 1,2,3,4, прак раб 1,2,3,4,5

4.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1.Что такое средство измерения? Какие функции реализует средство

измерения?

2.Назовите виды средств измерения.

3.Дайте определения понятий: «ИИС», «ИВК».

4.Что такое «измерение»? Перечислите виды измерений.

5.Что такое измерительный прибор?

6.Как классифицируются приборы?

7.Как классифицируются приборы по принципу действия?

8.В чем заключается принцип действия приборов магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, электростатической, термоэлектрической, выпрямительной, электронной систем?

9.Как делятся электроизмерительные приборы в зависимости от рода

тока?

10.Назовите основные метрологические и технические характеристики

приборов.

11.Что называется классом точности прибора? Какую погрешность характеризует класс точности прибора? Как определить приведенную; относительную погрешность по классу точности?

12.Что такое надежность средства измерения?

13.Как классифицируются электроизмерительные приборы в зависимости от положения прибора при измерении?

14.Как делятся электроизмерительные приборы по эксплуатационным

группам?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ

ПРИБОРОВ

1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ: ознакомиться с устройством и изучить принцип действия электрических приборов различных систем.

2.ПРИБОРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ.

В основе работы приборов электромагнитной системы лежит принцип механического взаимодействия магнитного поля и ферромагнитного материала. В настоящее время применяют два типа механизмов этой системы: механизмы с круглой катушкой и механизмы с плоской катушкой.

На рис. 1а показан механизм с круглой катушкой. В нем внутри круглой катушки 4 установлены два сердечника из магнитомягкой стали: подвижный, укрепленный на оси и неподвижный 2. Когда по катушке 4 проходит ток, оба сердечника намагничиваются, и отталкивание их одноименных полюсов создает вращающий момент, поворачивающий сердечник 1, связанный со стрелкой. Противодействующий моментсоздается спиральной пружиной.

Успокоитель в этом механизме - магнитоиндукционный многополюсный 5. Для защиты механизма от внешних магнитных полей у измерительного механизма существует ферромагнитный экран 3, надетый непосредственно на катушку.

Устройство электромагнитного прибора с плоской катушкой показано на рис. 1б. Неподвижная часть прибора представляет собой плоскую катушку 1 с обмоткой из изолированной проволоки. Концы обмотки присоединяются к зажимам прибора. Подвижная часть прибора имеет ось 4 установленную в подпятниках, на которой помещаются стальной сердечник, стрелка и успокоитель

2. Спиральная пружина 5, создающая противодействующий момент, соединена одним концомс корректором 6, а другим - с осью.

Когда по обмотке катушки протекает электрический ток, создается магнитное поле и стальной сердечник втягивается в катушку. В зависимости от силы тока в обмотке сердечник втягивается и катушку в большей или в меньшей степени, поворачивая на некоторый угол ось со стрелкой.

Вращающий момент электромагнитного механизма может быть определен, в общем, на основании того, что электромагнитная сила равна изменению энергии магнитного поля при перемещении тела, т.е. f = dWm/dx. Если подвижная часть механизма поворачивается на dα при плече силы l, то dx = l dα , а вращающий момент Мвр= f l = dWm / dα. Энергия магнитного поля катушки электромагнитного прибора определяется формулой Wm = L I2/2, где L - индуктивность катушки.

б)

Рисунок 1 Устройство электроизмерительного прибора электромагнитной системы

При повороте подвижной части прибора, т.е. при перемещении, сердечника, индуктивность L изменяется, а значит, изменяется и энергия магнитного поля электромагнитного механизма.

Вращающий момент механизма будет М вр = dW m / dα. = I2/2 dL / dα. Очевидно, что вращающий момент пропорционален квадрату тока и изме-

нению индуктивности при повороте подвижной части. Зависимость dL / dα = F(α) не поддается точному расчету, но на характер этой зависимости можно воздействовать определенным подбором формы сердечников и их положения в катушке.

Противодействующий момент создаваемый пружиной, будет Мпр= kα , где

k- некоторый постоянный коэффициент. При равновесии получим I2/2 dL / dα

=kα , откуда α = k /2 dL / dα I2

Последнее выражение показывает, что угол отклонения стрелки электромагнитного измерительного механизма пропорционален квадрату тока.

Для того, чтобы шкала прибора была равномерная, необходимо, чтобы α = const I , где const = I k/2 dL/dα.

Последнее условие невыполнимо, при малых токах, потому что тогда бы при I→0 нужно было бы, чтобы dL/dα→∞, а это невозможно. При больших значениях тока удается добиться относительной равномерности. Таким образом, шкала электромагнитного прибора неравномерная: начальные деления шкалы (1/5~1/10) сильно сжаты, во второй половине шкалы деления расположены равномерно.

При изменении направления тока направление момента в приборе не изменяется, т.к. втягивание сердечника происходит независимо от того, какой ток (постоянный или переменный) протекает по обмотке, в этом и другом случае ток возбуждает магнитное поле, действующее на сердечник, а сердечник при переменном токе соответственно перемагничивается. Поэтому электромагнитные приборы пригодны для измерения, как в цепях постоянного тока, так и в цепях переменного тока. Однако при переменном токе на показания прибора могут сказываться потери от гистерезиса и вихревых токов. В современных приборах со специальной сталью искажения не велики, что позволяет пользоваться одной и той же шкалой как для постоянного, так и для переменного тока.

Количество стали в приборе невелико, причем магнитное поле возбуждается самим измеряемым током и относительно слабо, так как большая часть пути магнитного потока проходит в воздухе. По этой причине измерительный механизм, электромагнитной системы обладает малой чувствительностью, а зна-

чит, трудно построить электромагнитный прибор на малые величины измеряемого параметра, например электромагнитный амперметр на малую силу тока (меньше 0,5А) или вольтметр на малое напряжение (меньше 10 В). Из-за слабости собственного магнитного поля электромагнитные приборы необходимо защищать ферромагнитными экранами.

Собственное потребление энергии электромагнитных приборов относительно велико: 0,3-1 Вт в катушке амперметра, а у вольтметра к собственному потреблению нужно прибавить еще потребление мощности в добавочном сопротивлении, в сумме они дадут 3-6 Вт.

Класс точности электромагнитных приборов обычно не выше 1,5 главным образом за счет влияния гистерезиса.

Электромагнитный измерительный механизм обладает и рядом хороших свойств. В его подвижную часть ток не подводится, а неподвижную катушку легко выполнить с достаточным запасом на перегрузки. Приборы электромагнитной системы выносливы к перегрузкам, дешевы и просты по устройству.

Приборами электромагнитной системы измеряют преимущественно переменные напряжения и токи (кроме токов высокой частоты).

3. ПРИБОРЫ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ.

В электроизмерительном приборе магнитоэлектрической системы вращающий момент создается за счет взаимодействия тока, проходящего по катушке измерительного механизма, с полем постоянного магнита.

Существует два основных типа приборов магнитоэлектрической системы: приборы с подвижной катушкой (подвижной рамкой) и приборы с подвижным магнитом.

Магнитоэлектрический прибор с подвижной рамкой (рис. 2) состоит из постоянного магнита, магнитопровода из мягкой стали, полюсных наконечников, стального цилиндра и легкой алюминиевой рамки, на которую намотана тонкая изолированная проволока. К рамке, установленной на двух полуосях, прикреплен стрелкодержатель со стрелкой. Рамка связана с противодействующими пружинами 2 и 3.

Рисунок 2 Устройство электроизмерительного прибора магнитоэлектрической систе-

мы.

Между полюсами постоянного магнита с помощью полюсных наконечников 5 и цилиндрического сердечника 8 создается воздушный зазор 6 такой формы, что силовые линии магнитного поля при любом положении рамки 7 перпендикулярны к ее проводникам. Сила, действующая на одну сторону рамки с током в магнитном поле, определяется по закону Ампера: F = I B l w, где I - ток, протекающий по проводникам рамки, l - длина той стороны рамки, которая находится в магнитном поле (активная длина); B - магнитная индукция в воздушном зазоре; w - число витков рамки.

На вторую сторону рамки действует такая же сила, но противоположно направленная. Эти силы создадут вращающий момент, который можно записать в виде, произведения силы на плечо, т.е.

Мвр = F p = I B l w p

р - ширина рамки, a S = l p - площадь рамки.

Величины B, S, w для каждого прибора постоянны, поэтому последнюю формулу можно записать в виде:

Мвр = K1 I , где

K1 - некоторый постоянный коэффициент.

Ток в рамке подводится через две спиральные пружинки, которые одновременно служат для создания противодействующего момента. Момент, создаваемый пружинкой, пропорционален углу закручивания пружины, поэтому Мвр

= K2 α, где

K2 - некоторый постоянный коэффициент, называемый постоянной прибо-

ра

α – угол поворота рамки (равный углу закручивания пружины).

В равновесном состоянии K1 I = K2 α откуда: α = I K1 / K2 = I K Таким образом, угол поворота рамки и стрелки указателя пропорционален

току, т.е. прибор может быть проградуирован как амперметр.

После подстановки получаем α = U K / rпр

Поскольку отношение K/rпр — для данного прибора – величина постоянная, то последнее выражение показывает, что прибор магнитоэлектрической системы может быть проградуирован как вольтметр.

Направление вращающего момента прибора определяется по правилу левой руки: подвижная катушка стремится принять положение, при котором направление ее поля совпадает с направлением поля магнита. При изменении направления тока изменяет свое направление и вращающий момент. При переменном токе частотой 50 Гц подвижная часть прибора будет испытывать быстро чередующиеся импульсы противоположного направления, поэтому стрелка прибора останется на нулевом делении шкалы. Это означает, что приборы магнитоэлектрической системы можно использовать только в цепях постоянного тока.

Шкала у приборов магнитоэлектрической системы равномерная. Приборы магнитоэлектрической системы с подвижной рамкой обладают высокой чувствительностью (чувствительность отношение - α / I), сильным собственным магнитным полем, поэтому внешние магнитные поля мало влияют на их показания. Вследствие высокой чувствительности собственное потребление энергии магнитоэлектрическими механизмами относительно мало.

Магнитоэлектрические приборы применяются для всех лабораторных и промышленных измерений в цепях постоянного тока. Магнитоэлектрические вольтметры снабжаются добавочными сопротивлениями, а амперметры при токах свыше 0,1 А - шунтами. Замена шунтов и добавочных сопротивлений дает возможность использовать один и тот же механизм для измерения самых различных токов и напряжении.

В приборах магнитоэлектрической системы с подвижным магнитом вращающим момент создается воздействием на подвижный магнит магнитного поля измеряемого тока, проходящего по неподвижной катушке. В них нет пружины. Ее заменяет направляющая сила неподвижного постоянного магнита.

Приборы с подвижными магнитами просты по устройству, устойчивы к перегрузкам и дешевы, но точность их низка из-за влияния гистерезиса. Они используются в качестве дешевых приборов для ориентировочных измерений, например на щитках автомобилей.

Широкое применение получили электроизмерительные приборы, которые могут измерять силу тока, напряжение и сопротивление.

4. ПРИБОРЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ И ФЕРРОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ.

В электродинамических измерительных механизмах используют взаимодействие полей катушек, по которым проходят токи.

Различают механизмы без ферромагнитных сердечников - электродинамические и механизмы с ферромагнитными сердечниками - ферродинамические.

На рис. 4 показано устройство электродинамического измерительного механизма. Основными частями механизма является:

неподвижная 2 и подвижная 1 катушки, подвижная катушка расположена на оси 6, к которой прикреплена стрелка 5. Ось связана с алюминиевым крылом воздушного успокоителя 4, помещенного в камере 3. Ток к подвижной катушке подводится через спиральные пружины 7, создающие также противодействующий момент. С нижней пружиной соединен корректор 8.

При протекании тока по обмоткам катушек, они взаимодействуют между собой. Сила этого взаимодействия поворачивает подвижную катушку вместе с осью и стрелкой.

Вращающий момент электродинамического измерительного механизма определяется через изменение энергии магнитного поля механизма при повороте его подвижной части, т.е. Мвр=dWm/dα.

В электродинамическом механизме энергия магнитного поля изменяется вследствие изменения положения подвижной катушки, что вызывает изменение взаимной индуктивности катушек М.

Энергия магнитного поля взаимной индуктивности определяется формулой Wm= Iп Iн , где Iп - ток подвижной катушки; Iн - ток неподвижной катушки. С учетом последней формулы, выражение для вращающего момента будет иметь вид: Мвр= Iп Iн dM/dα.

Рисунок 3 Устройство астатического прибора электромагнитной системы.

Рисунок 4 Устройство электроизмерительного прибора электродинамической систе-

мы (а); к пояснению принципа действия прибора (б)

Зависимость dM/dα не рассчитывается, но на ее характер можно влиять путём изменения формы катушек и их начального положения. При установившемся отклонении подвижной части механизма вращающий момент равен противодействующему, т.е. Мвр=Мпр или Iп Iн dM/dα = kα., откуда угол перемещения подвижной части электродинамического механизма выразится формулой α

= IпIн/k dM/dα.

Это значит, что угол перемещения подвижной части механизма пропорционален произведению токов подвижной и неподвижной катушек.