Ізоляція приладів

Безпечність експлуатації вимірювальних приладів вимагає, щоб всі доступні

частини приладу були надійно ізольовані від струмопровідних частин, а також щоб була усунена можливість замикання через корпус приладу на землю.

Ізоляція кожного приладу перевіряється високою напругою, прикладеною між корпусом і з’єднаними разом затискачами. Випробувальна напруга перевершує робочу інколи в 10 разів і більше. Крім гарантії від пробою на землю ставиться вимога, щоб відстань між струмопровідними частинами та металевим корпусом були не менше нормативної величини. Ці відстані встановлюються окремо для повітря (розрядна відстань) і для поверхні ізоляції (шляхи поверхневих втрат). При цьому береться до уваги, що з часом, внаслідок забруднення, ізоляція погіршується, особливо ізоляція, що знаходиться зовні корпуса.

Вплив зовнішніх магнітних полів

Всі електровимірювальні прилади, за винятком приладів електростатичної та теплової систем, піддаються впливу магнітних полів. Зовнішні магнітні поля, складаючись з власним магнітним полем приладу, змінюють його показання. Вплив зовнішніх магнітних полів виключають в приладах, що звуться астатичними. В цих приладах зовнішнє магнітне поле компенсують особливим влаштуванням схеми так, щоб в одній частині схеми воно посилювало внутрішнє поле, а в іншій послабляло.

Класифікація електровимірювальних приладів

Електровимірювальні прилади можна класифікувати за різними ознаками:

а) призначенням або родом вимірюваної величини (амперметри, вольтметри, омметри і т.д.);

б) рід струму (постійний, змінний або обидва);

в) ступень точності (клас точності);

г) принцип дії і інше.

За принципом дії електровимірювальні прилади розподіляють на 12 систем:

1. магнітоелектричну;

2. електромагнітну;

3. електродинамічну;

4. індукційну;

5. теплову;

6. електростатичну;

7. детекторну;

8. електронну;

9) електролітичну;

10) термоелектричну;

11) вібраційну;

12) фотоелектричну.

Найбільш поширені прилади перших трьох систем.

Магнітоелектрична система. Електровимірювальні прилади цієї системи

застосовують для вимірювання сили струму і напруги в колах з постійним струмом. Лабораторні вимірювання на постійному струмі проводять здебільшого магнітоелектричними приладами.

В магнітоелектричних приладах обертальний момент утворюється в результаті взаємодії магнітного поля постійного магніту і провідника зі струмом, який виготовляють у вигляді котушки. На рис.3 показана рамка магнітоелектричного приладу, що знаходиться в радіальному магнітному полі.

Рис.3

При протіканні струму по обмотці рамки виникають сили F, що намагаються повернути рамку так, щоб її площина стала перпендикулярною до напрямку магнітних силових ліній. При повороті рамки закручуються пружинки, і виникає протидіючий момент. При рівності обертального і протидіючого моментів рухома частина зупиняється.

Обертальний момент в приладах такої системи пропорційний силі струму M₁=к₁ ^.І_. Оскільки протидіючий момент M₂, створюваний спіральними пружинами, пропорційний куту закручування М₂=к₂^.φ, то кут відхилення котушки, а отже, і скріпленої з нею стрілки, буде пропорційний силі струму, що протікає по обмотці:

M₁ = M₂; k₂^.φ = k₁^.I. Лінійна залежність між силою струму I і кутом відхилення забезпечує рівномірність шкали приладу. Це дозволяє виготовлювати їх комбінованими та багатограничними.

Магнітоелектричні прилади належать до числа найбільш точних. Вони виготовляються аж до класів 0,1 і 0,2. Висока точність цих приладів пояснюється рядом причин. Наявність рівномірної шкали зменшує похибки градуювання і відліку. Завдяки сильному власному магнітному полю вплив сторонніх полів на показання приладів надто незначне. Важливою якістю магнітоелектричних приладів є велика чутливість їх і мале власне споживання потужності. Недоліками цих приладів є можливість вимірювань тільки в колах постійного струму та чутливість до перевантажень. Використовують ці прилади здебільшого як амперметри, вольтметри і омметри.

Електромагнітна система. Прилади електромагнітної системи застосовують для вимірювань сили струму і напруги в колах змінного і постійного струму.

Обертальний момент у електромагнітних приладів виникає в результаті взаємодії магнітного поля котушки, по обмотці якої протікає вимірювальний струм, з одним або кількома феромагнітними осердями, що звичайно складають рухому частину приладу.

Н

0 2 4 6

а рис. 4 показаний вимірювальний механізм приладу з плоскою котуш-кою. Котушка намотується мідним дротом і має повітряний проміжок, в який може входити осердя, що ексцентрично закріплено на осі. Матеріал осердя має бути з високою магнітною проникністю, що сприяє збільшенню обертального моменту при заданій величині потужності, яку споживає прилад, та мінімаль-ним значенням коерцитивної сили, що зменшує похибки від гістерезису.

Рис.4.

Магнітне поле котушки пропорційне струмові; намагнічування залізного осердя збільшується із збільшенням струму. В зв’язку з цим можна приблизно вважати, що в електромагнітному приладі обертальний момент M₁ пропорційний квадрату сили струму:

M₁ = k₁ I²

Протидіючий момент M₂, створюваний пружинкою, пропорційний куту повороту рухомої частини приладу:

M₂ = k₂ φ

Рівновага рухомої частини приладу визначається рівністю моментів, діючих на неї в протилежних напрямках, тобто M₁ = M₂, звідки одержуємо

k₁ I² = k₂ φ

Останній вираз показує, що шкала електромагнітного приладу нерівномірна, квадратична.

Одним з недоліків електромагнітних приладів є сильний вплив зовнішніх магнітних полів, тому що власне магнітне поле приладу невелике.

В aстатичному вимірювальному механізмі на осі рухомої частини закріплені два однакові осердя, кожне з яких розміщується в магнітному полі однієї із котушок, ввімкнутих між собою послідовно. Напрямок обмоток вибирають так, щоб магнітні потоки Ф₁ і Ф₂ котушок, рівні за величиною і конфігурацією, були спрямовані назустріч один одному. Вісь рухомої частини такого приладу буде знаходитися під дією суми двох моментів, кожний з яких створюється одним з осердь і діючою на нього котушкою. Якщо такий механізм помістити в однорідне зовнішнє магнітне поле, то один з моментів, для якого напрямок власного і збурюючого полів співпадають, збільшиться, а інший відповідно – зменшиться. Сумарний момент, діючий на систему, а отже, і показання приладу, не зміняться.

Електродинамічна система. В електродинамічній системі приладів обертальний момент виникає в результаті взаємодії магнітних полів нерухомої і рухомої котушок зі струмами. Застосовують ці прилади для вимірювань струмів, напруги і потужності в колах постійного і змінного струмів. В середині нерухомо закріпленої котушки розміщують рухому котушку, з якою жорстко зв’язана стрілка, що переміщується над шкалою.

Протидіючий момент створюється спіральними пружинками. Вимірюваний струм проходить через обидві котушки. В залежності від призначення електродинамічного приладу котушки в ньому з’єднується послідовно або паралельно. В першому наближенні обертальний момент M₁, діючий на рухому котушку, пропорційний як силі I₁ в нерухомій котушці, так і силі струму I₂ в рухомій котушці:

M₁ = k I₁ I₂,

де k - коефіцієнт пропорційності.

При обертанні рухомої котушки пружинки створюють протидіючий момент M₂, пропорційний куту φ, на який повернулась котушка

M₂ = k₂ φ

При рівності моментів M₁ і M₂ рухома котушка зупиниться, тобто

k I₁ I₂ = k₂ φ

якщо котушки з’єднані послідовно, то

φ ≈ I²,

тобто шкала електродинамічного приладу нерівномірна.

На практиці для вимірювання потужності, що споживається в колі, широко застосовується електродинамічний ватметр.

До переваг приладів електродинамічної системи треба віднести можливість вимірювань як на постійному струмі, так і на змінному; достатню точність. Недоліки: нерівномірність шкали амперметрів і вольтметрів, чутливість до перевантажень.

Теплова система. Принцип дії приладів теплової системи грунтується на зміні довжини провідника внаслідок його нагрівання при протіканні по ньому струму. Вимірюваний струм проходить по тонкій дротинці, кінці котрої закріплені. Дріт виготовляється зі сплаву платини з іридієм. При проходженні струму по дротові відбувається його нагрівання, в результаті чого він продовжується, і це викликає відхилення стрілки приладу. Прилади теплової системи придатні для вимірювань як на постійному струмі, так і на змінному. Вони практично не чутливі до зовнішніх магнітних полів, але нерівномірність їх шкали та наявність теплової інерції, залежність показань від температури навколишнього середовища є основними недоліками цих приладів.

Індукційна система. Будова приладів індукційної системи грунтується на взаємодії струмів, що індукуються в рухомій частині приладу, з магнітним полем нерухомих електромагнітів. До індукційної системи належать, наприклад, електролічильники змінного струму, є також ватметри цієї системи.

Вібраційна система. Будова приладів цієї системи основана на резонансі власних коливань рухомої частини приладу коливань змінного струму. Ці прилади застосовуються переважно для вимірювання частоти струму.

Електростатична система. Будова приладів цієї системи грунтується на взаємодії двох або більше електрично заряджених провідників. Під дією сил електричного поля рухомі провідники переміщуються відносно нерухомих.

Електростатичні прилади здебільшого застосовуються як вольтметри для безпосереднього вимірювання високих напруг.

Термоелектрична система. Система характеризується застосуванням однієї або кількох термопар, генеруючих у вимірювальний прилад магнітоелектричної системи постійний струм, що виникає під дією теплоти, яка виділяється вимірюваним струмом. Прилади цієї системи застосовуються здебільшого для вимірювання струмів високої частоти.

Детекторна система. Будова цієї системи основана на тому, що змінний струм випрямляється за допомогою випрямлячів, влаштованих у прилад. Одержаний у такий спосіб пульсуючий струм вимірюється за допомогою чутливого приладу магнітоелектричної системи.

Електронна система. Прилади цієї системи об’єднують електровимірювальні прилади, переважно магнітоелектричної системи, та електронні пристрої (підсилювачі, генератори, перетворювачі, осцилографи, цифрові індикатори і т. д.).