16 Электродинамические и электростатические измерительные механизмы

1 – двухсекционная неподвижная катушка. 2 – подвижная катушка, установленная соосно с неподвижной. 3 – спиральная пружина. Измеряемый ток подается на рамку. Вращ. момент возникает в результате взаимодействия магн. полей, его величина зависит как от тока, протекающего через подвижную катушку, так и через неподвижную. И при вращении этом пропорционален произведению обоих токов. Если один из измеряемых токов будет пропорционален напряжению, то вращающий момент и угол поворота подвижной части будет пропорционален произведению тока и напряжения, т.е. электрической мощности. Это дает возможность использования механизма в Ваттметрах и фазометрах. Шкала нелинейна. Чувствительность относительно невысокая. ЭДИМ чувствителен к влиянию внешних ЭМ полей, т.к. собственные поля не велики и нуждаются в экранировании.

Электростатический измерительный механизм (ЭСИМ).

1 –неподвижная пластина, 2 – подвижная. Подвижные пластины размещены соосно с неподвижными. Принцип действия основан на взаимодействии эл. полей разноименно-заряженных пластин. Измеряемое напряжение прикладывается между пластинами, при этом под действием возникающего электростатического взаимодействия неподвижные пластины поворачиваются на оси и втягиваются внутрь пакета неподвижных. Хар-ка преобразований – нелинейная, т.к. чем большая часть пластинки введена внутрь пакета, тем большая сила на них воздействует. Шкала неравномерная. Чувствительность невысокая. Механизм может использоваться для измерения только напряжений, только постоянных и только больших. При эом потребляет пренебрежимо малую мощности от измеряемой цепи.

17 Измерение постоянных токов и напряжений. Компенсаторы постоянного тока

Измерение тока. Для измерения тока в какой-либо цепи последовательно в цепь включают амперметр. В установках постоянного тока для этой цели применяются главным образом приборы магнитоэлектрической системы и реже — приборы электромагнитной системы. В установках переменного тока используются преимущественно амперметры электромагнитной системы. Для уменьшения погрешности измерения необходимо, чтобы сопротивление амперметра (или полное сопротивление амперметра и шунта) было на два порядка меньше сопротивления любого элемента измеряемой цепи.

Для расширения предела измерения амперметра ( в k раз) в цепях постоянного тока служат шунты-резисторы, включаемые параллельно амперметру (рис. 7.10, а).

Рис.    7.10.    Схемы   присоединения    шунта    к    амперметру    (а)    и добавочного резистора к вольтметру (б)

Сопротивление шунта определяется из соотношения

rш(Imax - Iа.н) = rаIа,н,

где Imax — наибольшее значение тока в контролируемой цепи (предел измерения тока амперметром при наличии шунта); Iа,н — предельное (номинальное) значение тока прибора при отсутствии шунта.

Отсюда rш = rа	Iа,н	.
	Imax - Iа,н

Значение тока I в контролируемой цепи при существующей нагрузке определяется из соотношения

I	=	Imax	=	rа + rш	= k,
Iа		Iа,н		rш

где Iа— показание амперметра.

Шкалу амперметра часто градуируют с учетом включенного шунта; тогда значение измеряемого тока I отсчитывается непосредственно по шкале прибора.

В цепях переменного тока для расширения пределов изме­рения амперметров используют трансформаторы тока (см. гл. 8)*.

* Индуктивность катушки амперметра при переменном тоже зависит от значения тока; соотношение токов в катушке амперметра и шунте здесь не остается постоянным. Поэтому шунты в цепях переменного тока не применяются.

Измерение напряжения. Для измерения значения напряжения на каком-либо элементе электрической цепи (генераторе, трансформаторе, нагрузке) к выводам элемента присоединяют вольтметр. Для уменьшения погрешности измерения необходимо, чтобы сопротивление вольтметра (или общее сопротивление вольтметра и добавочного резистора) было на два порядка больше сопротивления любого элемента измеряемой цепи.

Рис. 7.11. Схема компенсатора Для расширения предела измерения вольтметра (в kраз) в цепях напряжением до 500 В обычно применяют добавочные резисторы, включаемые   последовательно   с обмоткой вольтметра (рис. 7,10, б).

Сопротивление добавочного резистора, rд  определяют из соотношения

rд + rв	=	Umax	.
rв		Uв,н

где Umax — наибольшее значение измеряемого напряжения (предел измерения напряжения вольтметром при наличии добавочного резистора); Uв,н — предельное (номинальное) значение напряжения прибора при отсутствии добавочного резистора.

Отсюда

rд = rв	Umax - Uв,н	.
	Uв,н

Значение фактически измеряемого  напряжения U  определяется  из соотношения

U	=	Umax	=	rд + rв	= k, U = kUв,
Uв		Uв,н		rв

где Uв— показание вольтметра.

Шкалу вольтметра градуируют с учетом включенного добавочного резистора. В цепях переменного тока высокого напряжения для расширения пределов измерения вольтметров применяют трансформаторы напряжения (см. гл. 8).

Компенсаторы постоянного тока

Рассмотренные ранее приборы электромеханической группы являются

приборами непосредственной оценки измеряемого параметра и все (в большей или меньшей степени) потребляют мощность из измерительной цепи,что может приводить к нарушению работы исследуемого обьекта. Измерение тока и напряжения аналоговыми электромеханическими приборами возможно в лучшем случае  с погрешностью 0,l % (класс точности прибора 0,1).Более  точные измерения можно выполнить методом сравнения с мерой. Средства измерений, использующие метод сравнения, называются компенсатора­ми или потенциометрами.

  Компенсаторы — приборы в которых измерение производится методом сравнения измеряемой величины с эталонной. Принцип действия компенсатора основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого напряжения известным падением напряжения на образцовом резисторе. Момент полной компенсации фиксируется индикаторным прибором (нуль-индикатором), Раз­работаны компенсаторы переменного и постоянного тока. Компенсационный метод применяется также в цифровых измерительных приборах.

 

Упрощенная принципиальная схема компенсатора nocтоянного  тока для измерения напряжения Ux, показана на рис. 8.4.

Источник, постоянного напряжения Е 0 обеспечивает протекание рабочего тока Iр по цепи, состоящей из последовательно включенных измерительного

Rи , установочного (образцового) Rу и регулировочного R рег резисторов. В ка­честве источника образцовой ЭДС (меры ЭДС) используется нормальный элемент Енэ — изготавливаемый по специальной технологии гальванический

элемент,    среднее значение ЭДС которого при температуре 20° С известно с точностью до пятого знака и равно Енэ = 1,0186 В. Установочный резистор

R у , представляет собой катушку сопротивлений специальной конструкции с точно известным и стабильным сопротивлением. В схеме элементНИ — нуль-индикатор, реагирующий на очень маленькие постоянные токи (чувст­вительность по току S ни — порядка 10 -10 дел/А).

Рис 8.4 Упрощенная принципиальная схема компенсатора постоянного тока.

Относительная погрешность нормального элемента может быть в преде­лах от 0,02 до 0,0002 %. С помощью переключателя нуль-индикатор вначале включается в цепь установочного сопротивления Rу (положение переключателя 1). При этом регулировочным сопротивлением Rрег  добиваются отсутствия тока в цепи нуль-индикатора. Это означает, что Iр Rу= Енэ, откуда значение рабочего тока определяется через соотношение Iр = Енэ / Rу=10-nА(для каждого типа компенса­тора величина п — число индивидуальное и неизменное, что обеспечивается по­стоянством параметров источника напряжения Енэ и установочного сопротивления Rу ). Затем нуль-индикатор включается в измерительную цепь (положение переключателя 2) и изменением измерительного сопротивления Rи -добиваются нулевого тока, а значит; равенства Ux=IрR= ЕнэR/Rу. Итак, измеряемое напряже­ние определяется с достаточно высокой точностью и без нарушения работы из­мерительной цепи, так как в момент измерения ток через индикатор не протекает

С помощью компенсатора можно также определять ток в исследуемом устройстве, преобразовав его предварительно в напряжение согласно форму­ле Ix = Ux/R 0 , где R 0 — образцовое сопротивление.

При измерениях напряжений на производстве применение находят авто­матические компенсаторы, в которых поддерживается разностное значение △ Ux = Iр Rнач- Iр Rкон        0 с    помощью следящей системы. Здесь Rнач и Rкон  — части измерительного сопротивления в начале и конце цикла слежения.

В современных конструкциях компенсаторов вместо нормального эле­мента часто применяются эталонные (в частности стабилизированные) ис­точники напряжения с более высоким значением коэффициента стабилиза­ции, что позволяет расширить верхний предел измерения компенсатора до нескольких десятков вольт.

Погрешность компенсатора постоянного тока определяется погрешностями резисторов Rи, Rу , ЭДС нормального элемента Енэ , а также чувствительностью нуль-индикатора. Современные потенциометры постоянного тока имеют класс точности от 0,0005 до 0,2. Верхний предел измерения до 1...2,5 В. При достаточной чувствительности нуль-индикатора нижний  пре­дел измерения может составлять единицы нановольт.        

Компенсационные методы используются также для измерений и на пере­менном токе.