12.2 Классификация электроизмерительных приборов

Любой прибор непосредственного отсчета состоит из двух частей: измерительного механизма и измерительной цепи.

Измерительная цепь – преобразует измеряемую электрическую величину (напряжение, ток и т.п.) в пропорциональную величину, которая воздействует на измерительный механизм. Например, в вольтметре измерительная цепь состоит из катушки измерительного механизма и резистора. При постоянстве сопротивления измерительной цепи ток в измерительном механизме вольтметра пропорционален измеряемому напряжению.

Измерительный механизм – преобразует подводимую к нему электрическую энергию в механическую энергию перемещения подвижной части.

Один и тот же измерительный механизм в соединении с различными измерительными цепями может служить для измерения различных величин.

В зависимости от принципа действия измерительного механизма различают несколько основных систем показывающих приборов: магнитоэлектрическую, электромагнитную, электродинамическую и индукционную.

Магнитоэлектрическая система. В измерительных механизмах магнитоэлектрической системы вращающий момент создается воздействием магнитного поля постоянного магнита на проводники с током. Существуют два основных типа приборов магнитоэлектрической системы: приборы с подвижной катушкой (подвижной рамкой) и приборы с подвижным магнитом.

Постоянный магнит создает сильное магнитное поле в воздушном зазоре магнитной цепи прибора (0,2-0,3 Тл), и даже при малых значениях измеряемых токов можно получить достаточный вращающий момент. Поэтому магнитоэлектрические приборы чувствительны, выносливы к перегрузкам, а внешние магнитные поля практические не влияют на их показания, и их собственное потребление энергии относительно мало. Для расширения пределов измерения приборы магнитоэлектрической системы снабжают набором резисторов, при этом резистор, включаемый последовательно с катушкой измерительного механизма, называется добавочным резистором; а резистор, который включается параллельно – шунтом.

Магнитоэлектрические приборы пригодны для измерения в цепях постоянного тока, а при включении в цепь переменного тока применяются встроенные преобразовательные устройства. Прибор имеет равномерную шкалу, измеряет среднее значение тока в цепи, а для измерений в цепях переменного тока на шкале указываются действующие значения.

Электромагнитная система. В измерительных механизмах электромагнитной системы вращающий момент обусловлен действием магнитного поля неподвижной катушки на подвижный ферромагнитный якорь. Магнитное поле катушки образуется током, который проходит по ее обмотке. Механические силы в подобном устройстве стремятся переместить якорь так, чтобы энергия магнитного поля устройства стала большей.

Класс точности электромагнитных приборов не выше 1,5 из-за влияния гистерезиса (остаточного намагничивания), что сказывается при измерениях постоянного тока, и потерь энергии на перемагничивание при измерениях переменного.

У измерительного механизма электромагнитной системы малая чувствительность. Из-за слабости собственного магнитного поля прибор приходится защищать от внешних магнитных влияний, для чего применяются ферромагнитные экраны или же измерительные механизмы изготовляются астатическими, т.е. таким образом, что на показания прибора не влияет внешнее однородное магнитное поле.

Астатические приборы имеют две неподвижные катушки с самостоятельными сердечниками, насаженными на одну осью. Соединение обмоток задается так, что их магнитные потоки уменьшают и увеличивают вращающий момент прибора на равные значения, исключая влияние внешнего магнитного поля.

Электромагнитными приборами измеряют преимущественно переменные напряжения и токи невысоких частот. В промышленных установках переменного тока низкой частоты большинство амперметров и вольтметров – приборы электромагнитной системы. Недостатком приборов электромагнитной системы является неравномерность шкалы, но, изменяя форму сердечника и его расположение в катушке, можно получить практически равномерную шкалу, начиная с 20% верхнего предела диапазона измерений. При меньших значениях измеряемой величины эта часть шкалы нерабочая.

Электродинамическая система. В электродинамических измерительных механизмах для создания вращающего момента используется взаимодействие двух катушек (неподвижной и подвижной) с токами. При прохождении тока по катушкам возникают два магнитных поля, которые поворачивают подвижную катушку в положение, когда электромагнитная энергия всего механизма максимальна.

Наличие в электродинамическом приборе двух катушек расширяет область его применения: приборы пригодны для измерений в цепях как постоянного, так и переменного тока, причем в обоих случаях шкала у приборов равномерная. В цепях переменного тока приборы электродинамической системы измеряют действующее значение. В зависимости от способа взаимного включения катушек прибор может быть использован как амперметр, вольтметр, ваттметр и фазометр. При использовании в качестве ваттметра обмотку неподвижной катушки включают в цепь последовательно, а обмотку подвижной катушки – параллельно. Направление отклонения подвижной системы прибора зависит от взаимного направления токов в катушках. Поэтому для правильного включения обмоток их зажимы маркируют: у «генераторных» зажимов обмоток (зажимов, к которым присоединяют провода со стороны источника питания) ставится знак «*» (звездочка).

В электродинамическом приборе измеряемые токи возбуждают слабое магнитное поле, поэтому для получения достаточного вращающего момента необходимы катушки измерительного механизма с большими числами витков. Из-за слабого магнитного поля прибор чувствителен к внешним магнитным влияниям, для защиты от которых имеются специальные экраны. Точность электродинамического прибо­ра высокая – классов 0,2 и 0,1.

Индукционная система. Индукционная измерительная система основана на использовании вращающегося магнитного поля. Вращающий момент создается воздействием результирующего магнитного поля двух электромагнитов переменного тока на подвижную часть – алюминиевый диск, в котором это поле индуктирует вихревые токи. Электромагниты возбуждаются измеряемыми переменными токами. Поэтому значение вращающего момента зависит от значений токов в обоих электромагнитах и угла сдвига фаз между ними. Это свойство индукционного измерительного механизма положено в основу построения приборов для измерения мощности и энергии в цепях переменного тока (счетчика электрической энергии), где число поворотов диска пропорционально расходу электроэнергии.