6 Измерительные механизмы ферродинамической системы
Рис. 328. Принципиальная схема ферродинамического измерительного механизма
Устройство и применение ферродинамических приборов. Работа фер-родинамических приборов основана на том же принципе, что и приборов электродинамической системы. Для усиления магнитного поля в ферродинамическом измерительном механизме применен магнитопровод из ферромагнитного материала. Неподвижная катушка 2 (рис. 328) размещается на полюсах ферромагнитного сердечника 4, а подвижная 3 поворачивается так же, как и в приборах магнитоэлектрической системы,— в воздушном зазоре между полюсами 1 и неподвижным цилиндрическим сердечником 5. При такой конструкции приборы защищены от влияния внешних магнитных полей. Кроме того, увеличиваются магнитные потоки, создаваемые катушками, и возрастает вращающий момент, действующий на подвижную систему.
Ферродинамические приборы используют в качестве щитовых амперметров, ваттметров и вольтметров, работающих в условиях тряски и вибраций (например, на э. п. с. переменного тока). Кроме того, их применяют в качестве самопишущих приборов, так как они имеют значительный вращающий момент, преодолевающий трение в записывающих устройствах.
|
Устройство (рис. 1.6) [2]: – подвижная катушка 1; – неподвижные катушки 2; – магнитопровод, набранный из листов электротехнической стали, 3; – неподвижный ферромагнитный цилиндр 4. Подвижная катушка может перемещаться, не касаясь цилиндра и катушек. Кроме того, прибор имеет детали, общие для всех систем: противодействующие пружины, стрелку, шкалу, магнитоиндукционный успокоитель и корректор. Схемы включения определяются видами измеряемых величин и аналогичны включению амперметра, вольтметра и ваттметра электродинамической системы. |
Принцип действия. У приборов ферродинамической и электродинамической систем одинаковый принцип действия. Особенности заключаются в усилении магнитной индукции за счет дополнительного магнитопровода, что приводит к значительному увеличению вращающего момента и повышению чувствительности приборов.
Достоинства:
– незначительное влияние внешних магнитных полей;
– большой вращающий момент;
– прочная конструкция;
– устойчивость к вибрациям и ударам;
– небольшая потребляемая мощность.
Недостатки:
– дополнительные погрешности вследствие влияния гистерезиса и вихревых токов;
– зависимость показаний от частоты;
– невысокая точность щитовых приборов – обычно 1,5; 2,0.
Область применения. Приборы ферродинамической системы используют для измерений в цепях переменного тока в качестве ваттметров, частотомеров, фазометров, реже – в качестве вольтметров и амперметров, а также в самопишущих устройствах.
7 Измерительные механизмы электростатической системы
Электростатические приборы строятся на основе электростатического измерительного механизма, который представляет собой систему подвижных и неподвижных электродов. Под действием напряжения, приложенного к электродам, подвижные электроды отклоняются относительно неподвижных. В электростатических ИМ отклонение подвижной части связано с изменением емкости. В настоящее время практическое применение нашли два вида измерительных механизмов: в первом изменяется активная площадь электродов (рис 3.20,а) (данная конструкция применяется в основном в вольтметрах на низкие напряжения), во втором - расстояние между электродами (рис. 3.20,б) (эта конструкция используется в киловольтметрах). Для успокоения используются секторы подвижных электродов (в магнитноиндукционных успокоителях) или крыльчатые воздушные успокоители.
На рис. 3.20,а показан механизм с изменением активной площади электродов. Неподвижная часть ИМ состоит из одной или более камер 1, в воздушные зазоры которых свободно входят тонкие пластины 2 подвижной части. Подвижные пластины закреплены на оси вместе со стрелкой 4. При подключении напряжения к электродам 1 и 2 под действием электростатических сил, подвижные пластины 2 втягиваются в воздушные зазоры камер 1. При этом стрелка перемешается по шкале. Угол поворота α подвижной части находится из равенства вращающего и противодействующего моментов, возникающих в измерительном механизме
, (3.36)
где С - емкость между пластинами; U – приложенное к электродам напряжение.
а) б)
Рис. 3.20.
Электростатические ИМ обладают малым вращающим моментом. Для получения необходимой величины MВР число активных сторон электродов выбирают от 4 до 20 за счет многокамерной или многолучевой системы электродов. Для повышения чувствительности также применяют крепление подвижной части на растяжках. Кроме того, многие современные механизмы имеют световой отсчет, который позволяет увеличить чувствительность прибора, уменьшить массу и момент инерции подвижной части и улучшить характер шкалы.
Из (3.36) следует, что угол отклонения подвижной части не зависит от полярности приложенного напряжения. В случае переменного напряжения угол отклонения подвижной части пропорционален квадрату действующего значения напряжения.
Для получения равномерной шкалы необходимо выполнить условие
, (3.37)
где k - конструктивная постоянная ИМ.
Практически равномерный шкалы на всем ее протяжении (от 0 до αМАХ) получить нельзя, так как при малых углах емкость ИМ должна быть отрицательной.
Для того чтобы получить характер шкалы вольтметра, близкий к равномерному, применяют один из двух методов выравнивания шкалы: а) метод разбивки шкалы на два участка; б) метод создания начальной емкости. По первому методу шкалу вольтметра разбивают на два участка: квадратичный и равномерный. По второму методу при соответствующем выборе формы подвижных и неподвижных электродов можно получить практически равномерную шкалу на участке от 25 % до 100 % от ее номинального значения).
Принцип работы э/с измерительных приборов на взаимодействии заряженных электродов, разделенных диэлектриком.
Конструктивно э/с приборы представляют собой разновидность плоского конденсатора, т. к. в результате перемещения подвижной части изменяется емкость системы. Практическое применение нашли приборы с поверхностным механизмом, т. е. когда изменение емкости осуществляется за счет изменения активной площади электродов. В приборах с линейным механизмом изменение емкости осуществляется за счет изменения расстояния между электродами.
Электростатические силы взаимодействия заряженных электродов создают вращающий момент, под действием которого подвижные электроды втягиваются в пространство между неподвижными и изменяют активную площадь электродов тем самым, меняя емкость С. Подвижные электроды втягиваются до тех пор, пока вращающий момент не станет равным противодействующему моменту. Шкала прибора квадратичная, поэтому изменение полярности приложенного напряжения не изменяет направление вращения. При приложенном переменном напряжении прибор реагирует на среднее значение момента за период. Достоинства э/с приборов: высокое входное напряжение; малая, но переменная входная емкость; малая мощность потребления; возможность использования в цепях постоянного и переменного тока; широкий частотный диапазон; независимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения; показания прибора соответствуют среднеквадратичному значению измеряемого напряжения. Недостатки э/с приборов: квадратичная шкала; чувствительность из-за слабого собственного электрического поля; невысокая точность; возможность пробоя между электродами; необходимость экрана. Э/с вольтметры применяют в цепях с маломощными источниками и при лабораторных исследованиях в цепях высокого напряжения. Совместно с электронными усилителями э/с вольтметры используют как высокочувствительные электрометры и вольтметры переменного тока.
|
Устройство. Приборы электростатической системы бывают двух разновидностей [2]: 1) с изменяющейся площадью пластин; 2) с изменяющимся расстоянием между пластинами (рис. 1.7): Обе разновидности имеют схожую конструкцию и состоят: – из системы параллельных неподвижных пластин 1; – стрелки 2; – оси 3; – секторообразной алюминиевой пластины 4. Остальные детали: подпятники, противодействующая пружина, балансные грузики, корректор, шкала, воздушный или магнитоиндукционный успокоитель подобны деталям приборов других систем. |
Принцип действия. Перемещение подвижной части приборов этой системы происходит в результате взаимодействия электрически заряженных пластин (проводников), разделенных диэлектриками. При перемещении подвижной части изменяется ёмкость между пластинами вследствие изменения их площади или расстояния между ними.
В приборах с изменяющейся площадью пластин при включении в измеряемую цепь неподвижные пластины заряжаются одноименными зарядами, а подвижная – зарядом противоположного знака. Под действием сил электрического поля подвижная пластина притягивается к неподвижным, поворачивается на оси и входит в зазор между ними, перемещая стрелку вдоль шкалы. Шкала прибора квадратична.
Приборы с изменяющимся расстоянием между пластинами состоят из двух неподвижных пластин, одна из которых при измерениях заряжается положительно, а другая – отрицательно. Между ними размещается подвижная пластина, электрически соединенная с одной из неподвижных.
В
результате взаимодействия подвижная
пластина отталкивается от одной
неподвижной пластины и притягивается
к другой, перемещая ось и стрелку на
угол 
.
Достоинства:
– пригодность для измерений в цепях переменного и постоянного токов;
– нечувствительность к изменению температуры окружающей среды;
– ничтожная потребляемая мощность;
– высокое входное сопротивление;
– широкий частотный диапазон;
– независимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения (показания прибора соответствуют среднеквадратическому значению измеряемого напряжения).
Недостатки:
– нелинейность шкалы (квадратичная шкала);
– низкая чувствительность;
– невысокая точность;
– возможность пробоя между электродами;
– необходимость в экране.
Область применения. Приборы пригодны только для измерения напряжения (постоянное и переменное). Включаются в измеряемую цепь по схеме включения вольтметра. Применяют в высоковольтных маломощных цепях устройств проводной и радиосвязи.