3. Задача №18

_{Згідно з умовою задачі, схема включення амперметрів має вигляд приведений на рисунку 2.3.}

Рисунок 2.3 – Схема включення амперметрів

Отже ми маємо два однакових амперметри з класом точності 1.5 і номінальним струмом 100 А. Виходячи з цих даних можна знайти границі допустимої абсолютної основної похибки амперметрів, оскільки позначення класу точності 1.5 відповідає нормуванню зведеної похибки амперметрів. Отже маємо :

(2.29)

де ΔА– границі допустимої абсолютної основної похибки амперметра;

хН - нормувальне значення .

Використовуючи формулу (2.29), перетворивши її, знайдемо границі допустимої абсолютної похибки за формулою :

(2.30)

Згідно першому закону Кіргофа, розрахунок струму в нерозгалуженій частині кола , виконується по формулі :

(2.31)

Маючи всі значення всіх необхідних параметрів можемо знайти значення розширеної невизначеності результату вимірювання з рівнем довіри рівним 0,95 % , згідно з формулою :

_(2.32)

де К(Р) – коефіцієнт , який залежить від ймовірності .

Коефіцієнт для рівня довіри Р=0,95 % рівний 1,1.

Підставивши значення абсолютної похибки амперметрів, отриманих з формули (2.30), в формулу (2.32 ) знайдемо значення розширену невизначеність результату вимірювання.

Відповідь :

• Розширена невизначеність результату вимірювання :U=2,3 A.

2. Відповіді на теоретичні питання

   1. Питання № 42

Електромагнітні прилади. Амперметри, вольтметри, частотоміри. Конструкції, властивості, рівняння обертального моменту.

Для того, щоб розкрити дане питання перш за все необхідно розглянути взагалі, що собою представляє електромагнітний прилад, які його особливості, принцип роботи.

Отже розпочнемо з принципу дії вимірювальних приладів. Електромагнітні вимірювальні прилади працюють на принципі взаємодії магнітного поля, що створюється вимірюваним струмом, з сердечником з феромагнітного матеріалу, що поміщеним в поле і є рухливою частиною приладу.

По конструкції електромагнітні прилади діляться на двох типів: прилади з плоскою котушкою і прилади з круглою котушкою. Розглянемо спочатку пристрій першого типа приладів зображений на рисунку 2.4..

Рисунок 2.4 – Електромагнітний прилад з плоскою котушкою

Обмотка приладу є плоска котушка, на рисунку 2.4 відзначена – 1, з щілиною. Обмотка котушки у вольтметрів виконується з тонкого, діаметр 0,05—0,1 мм, мідного дроту з великим числом витків, в межах 2000—10000. Обмотка амперметрів на струми до 30 А виготовляється з невеликого числа витків товстого дроту. На струми до 200 А обмотка виконується з мідної стрічки або у вигляді одного шинного витка, на струми 300—500 А. Другою основною частиною приладу є сердечник з феромагнітного матеріалу у формі листка 2, укріпленого ексцентрично на осі приладу 3. При проходженні струму по витках котушки виникає магнітне поле, яке втягує сердечник в щілину котушки тим більше, чим більший струм протікає по витках котушки. Укріплений на осі стрілка 4 відхилятиметься за шкалою 5. Противодіючий момент створюється спіральною пружиною 6, зв'язаною одним кінцем з віссю, а іншим кінцем з нерухомою частиною приладу. Для заспокоєння електромагнітних приладів зазвичай застосовується повітряні заспокоювачі 7, вони можуть бути як повітряні так і рідинні. Поршень заспокоювача, закріплений на осі за допомогою дроту, переміщаючись в зігнутому циліндрі, випробовує з боку повітря в циліндрі опір своїм коливанням, що приводить до заспокоєння стрілки. Зміна величини струму в котушці викликає непропорційну зміну кута повороту стрілки, оскільки момент, що обертає, діє на рухливу систему, залежить від квадрата струму. Тому шкала електромагнітного приладу нерівномірна.

Пристрій приладу з круглою котушкою зображений на рисунку 2.5.

Рисунок 2.5 – Електромагнітний прилад з круглою котушкою.

Принцип роботи даної схеми полягає в тому, що струм, проходячи по витках котушки 1, створює магнітне поле і намагнічує два залізні сердечники; сердечник 2, укріплений непорушно з внутрішньої сторони котушки, і інший сердечник 3, закріплений на осі приладу. Довколишні краї сердечників намагнічуються однойменно, і тому сердечник 3, відштовхуючись від сердечника 2, повертатиме вісь приладу.

Зовнішні магнітні поля роблять вплив на роботу електромагнітного приладу, але залізний кожух приладу значно ослабляє цей вплив, тому виконують екранування або астазування. Зміна напряму струму в обмотці приладу призводить до перемагнічування сердечника , і сила взаємодії не міняє свого напряму. Тому електромагнітні прилади можуть працювати в ланцюгах постійного і змінного струму. При змінному струмі прилад показуватиме значення струму або напруги, що діє. Основна гідність електромагнітних приладів – простота конструкції і пов'язана з цим висока надійність і низька вартість. Крім того, ці прилади досить стійки до перевантажень. Все це зумовило широке вживання електромагнітних приладів для контролю струмів і напруги в різних силових ланцюгах. До недоліків приладу потрібно віднести малу точність, нерівномірність шкали, залежність показань приладу від зовнішніх магнітних полів і від частоти. Електромагнітні прилади виготовляються головним чином як технічні щитові прилади класів точності 1; 1,5; 2,5. Надаючи спеціальну форму сердечникові і змінюючи його рас положення відносно котушки, можна добитися деякого зменшення нерівномірності шкали в цих приладів.

Властивості електромагнітних приладів . Як і електродинамічні прилади, електромагнітні амперметри і вольтметри вимірюють середньоквадратичне значення струму або напруги.

Отже розглянувши принципи дії розглянемо конкретні електромагнітні прилади.

Амперметр – це пристрій для вимірювання постійного і змінного струму в Амперах. Шкалу амперметра градуюють в кіло амперах, міліамперах або мікроамперах в відповідності з границями вимірювання приладу. В електричне коло амперметр включається послідовно : для збільшення границі вимірювання – з шунтом (рис 2.6) або через трансформатор (рис 2.7).

Рисунок 2.6 – Включення амперметра з шунтом

Рисунок 2.7 – Включення амперметра через трансформатор

Прикладом амперметра включеного через трансформатор є струмові кліщі зображені на рисунку 2.7.

Рисунок 2.8 – Струмові кліщі

Характеристики амперметрів приведені в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 – Характеристики амперметрів

Вимірюючий струм	Клас точності	Границі вимірювання, А			Споживання потужність(при вимірюванні 10 А)
		безпосередньо	безпосередньо
Постійний і змінний в діапазоні від 45 Гц до 8 кГц	0,5 ; 1,0 ;1,5; 2,5 ;	0-300 А	0-300 А	2,0-8,0

Також потрібно зазначити, що залежно від сфери застосування в конструкціях амперметр передбачається захист від зовнішніх впливів — вони стійкі відносно змін температури ,від 60°С до —60°С, вібрацій, трясіння і можуть працювати при 80 — 98% відносній вологості.

Тепер розглянемо інший представник цих приладів – вольтметр.

Вольтметр — вимірювальний прилад безпосереднього відліку для визначення напруги або ЕДС в електричних ланцюгах. Підключається паралельно навантаженню або джерелу електричної енергії.

Приклад передньої панелі вольтметра та мілівольтметра приведені на рисунку 2.8 та рисунку 2.9.

Рисунок 2.8 – Передня панель вольтметра

Рисунок 2.9 – Передня панель мілівольтметра

Крім амперметрів і вольтметрів, на основі логометричних вимірювальних механізмів будують електромеханічні частотоміри, однак на практиці їх застосовують рідко, оскільки за своїми метрологічними характеристиками вони істотно поступають аналогічним приладам інших систем.

Частотомір — вимірювальний прилад для визначення частоти періодичного процесу або частот гармонійних складових спектру сигналу.

Розглянемо схему електромагнітного частотоміра яка зображена на рисунку 2.10.

Рисунок 2.10 – Схема частотоміра

У схемі електромагнітного частотоміра значення струмів І₁ та І₂ в колах логометра по-різному залежить від частоти f_x. Параметри логометра підібрані так, що на середній частоті f_x=f_cp діапазону вимірювання f_П…f_K струми І₁ та І₂ рівні і вказівник приладу займає положення посередині шкали. Іншим значенням f_x відповідають свої значення струмів І₁ та І₂ і відповідно, інші кути відхилення рухомої частини приладу.

Електромагнітні частотомір мають вузький діапазон вимірювання, який зазвичай становить ±0,1· f_cp, наприклад , 45…55 Гц, невисокі класи точності -0,5; 1,0 ; 1,5; 2,5 , і велике власне споживання потужності - до 10 Вт, однак завдяки простоті конструкції і високій надійності практично застосовуються в енергетичних системах для вимірювання промислової частоти f=50 Гц.

Приклад метрологічних характеристик електромагнітного частотоміру типу Э373 наведено в таблиці 2.2.

Таблиця 2.2 – Характеристики Є373

Клас точності	Діапазон вимірювань, Гц	Номінальна напруга, В	Споживання потужності Р,Вт	Робочі умови застосування
2,5	45…55	125; 220; 380	4	Група 5 згідно з ГОСТом 22261-94

Отже розглянувши принцип роботи та основні властивості електромагнітного приладу визначимо його обертальний момент.

Електромагнітна енергія котушки, по обмотці якої протікає струм ,

де L – індуктивність котушки, залежної від положення сердечника ;

І – струм в обмотці.

Вираз для обертального моменту буде мати вигляд :

Якщо протидіючий момент створюється за допомогою пружних елементів, то для режиму сталого відхилення

звідки

(2.33)

З виразу (2.33) можна відмітити наступне :

1. Знак кута відхилення рухомої частини не залежить від направлення струму в обмотці.

2. Шкал а електромагнітного приладу не рівномірна, як зазначалося раніше.