4.2. Электромагнитные измерительные приборы.

В электромагнитных ИМ для создания вращающего момента используют действие магнитного поля катушки 1 с током на подвижный лепесток 2, эксцентрично насаженный на оси 4 прибора.

Противодействующий момент создается спиральной пружиной 3. При прохождении по неподвижной плоской катушке измеряемого тока I возникает магнитное поле , которое , воздействуя на лепесток 2, стремится расположить его так , чтобы энергия магнитного поля была наибольшей ( чтобы индуктивность катушки была наибольшей ) , т. е. втянуть лепесток внутрь катушки. Подвижная часть ИМ поворачивается до тех пор , пока вращающий момент не станет равным противодействующему моменту : =.

Энергия магнитного поля катушки с током

, (68)

где L – индуктивность катушки.

При повороте подвижной части механизма сердечник ( лепесток ) перемещается относительно катушки , что вызывает изменение индуктивности L , поэтому вращающий момент

, (69)

Угол отклонения до положения равновесия =определяется из (69) и (57)

, (70)

где - чувствительность измерительного механизма по току.

Это уравнение шкалы по постоянному току.

Шкала прибора квадратичная , поэтому она в начала сжата , а в конце растянута. Поскольку α является функцией , знак угла поворота не зависит от направления тока в катушке , поэтому электромагнитные приборы одинаково пригодны для измерения в целях постоянного или переменного тока.

Если по катушке пропустить переменный ток i(t) , то мгновенное значение вращающего момента

, (71)

Прибор реагирует на среднее значение вращающего момента за период переменного тока

(72)

т. к. - эффективное значение ( среднеквадратичное ) тока; Т – период переменного тока.

Из (72) следует, что отклонение подвижной части ИМ пропорционально среднеквадратичному ( эффективному, действующему ) значению измеряемого переменного тока. Успокоение в приборе воздушное или магнитоиндукционное.

Достоинства:

1. простота и надежность конструкции, низкая стоимость ;

2. хорошая перегрузочная способность ( катушка способна выдержать кратковременно довольно большие токи );

3. одинаковая пригодность для измерения в цепях постоянного и переменного токов;

Недостатки:

1. большое собственное потребление энергии из измеряемой цепи;

2. невысокая точность, квадратичная шкала;

3. малая чувствительность;

4. заметное влияние внешних магнитных полей из-за слабого собственного магнитного поля;

5. частотная зависимость погрешности измерения – L(f);

Применение: Применяются в качестве амперметров и вольтметров преимущественно в целях переменного тока промышленной частоты (50Гц) в качестве приборов классов точности 1,0 и 1,5.

4.3. Электростатические измерительные приборы.

Принцип работы электростатических измерительных приборов основан на взаимодействии электрически заряженных электронов , разделённых диэлектриком. Конструктивно ЭСТ ИМ представляют собой разновидность плоского конденсатора , т. к. в результате перемещения подвижной части изменяется ёмкость системы. Практическое применение нашли приборы с поверхностным механизмом (изменение ёмкости осуществляется за счет изменения активной площади электродов) и с линейным механизмом (изменение ёмкости осуществляется за счет изменения расстояния между электродами , ), конструкции которых показаны на рис. 20 и 21. Первый вид приборов применяется в переносных вольтметрах , измеряющих напряжение до нескольких сотен вольт. Второй вид позволяет измерить напряжение в несколько киловольт. В приборе рис. 20 секторообразные пластины 2 образуют подвижную часть прибора. Она поворачивается на оси 3 вместе со стрелкой 4. Силы электростатического поля стремятся повернуть подвижную часть относительно неподвижной 1 так , чтобы энергия электрического поля была максимальной. Поскольку энергия () будет максимальна при максимальном значении емкости , под воздействием приложенного напряженияU подвижный электрод будет втягиваться между неподвижными. В ЭСТ ИМ второго типа (рис. 21) электроды 1 закреплены неподвижно , подвижный электрон 2 прикреплен на упругих лентах 3 к держателю 4. Один из неподвижных электродов соединяется электрически с подвижным электродом и к ним подводится один потенциал (например , положительный). Отрицательный потенциал подается на неподвижный электрод. Подвижный электрод отталкивается от левого неподвижного электрода и притягивается к правому. Перемещение подвижного электрода с помощью тяги 7 передается на ось 5 со стрелкой 6.

Вращающий момент

Величина отклонения , соответствующая условию равновесия определяется соотношением

(74)

где Su - чувствительность прибора по напряжению.

Из соотношения (74) видно , что отклонение пропорционально квадрату приложенного напряжения и следовательно шкала прибора неравномерна. Смена полярности напряжения не изменяет направление отклонения, поэтому приборы можно применять на переменном токе, но из-за инерции подвижная часть не может следовать за изменением вращающего момента и реагирует на его среднее значение

(75)

где Uэф - эффективное (действующее значение) переменного напряжения.

Вращающий момент электростатического механизма мал, поэтому вольтметры данного типа рассчитаны на предел более 10В.

Достоинства прибора.

1. На показания ЭСТ ИМ практически не влияет температура , частота , форма приложенного напряжения , а также не влияют внешние магнитные поля.

2. Собственное потребление энергии очень мало , а на постоянном токе равно нулю.

3. Высокое входное сопротивление, малая входная емкость.

4. Возможность использования в цепях постоянного и переменного токов.

Недостатки ЭСТ ИМ.

1. Малая чувствительность на небольшие напряжения менее 10В.

2. Нелинейная шкала прибора.

3. Прибор подвержен влиянию внешних электрических полей, т. к. малое собственное электрическое поле между обкладками подвижной части механизма. Устраняют эту зависимость специальной электрической экранировкой от внешних электрических полей.

Промышленность выпускает ЭСТ вольтметры классов точности 0,5; 1,0; 1,5 на напряжения от 10В до 100кВ.

4.4. Электродинамические измерительные приборы.

В приборах ЭД системы имеются пара катушек – подвижная и неподвижная. Подвижная катушка 2 может

поворачиваться относительно неподвижной 1, состоящей из двух частей, разделенных зазором. Магнитное поле катушек замыкается по воздуху. Вращающий момент перемещает стрелку 4, закрепленную на оси 5, относительно шкалы 3. Успокоитель 6 – воздушного типа. Для увеличения вращающего момента.

Вращающий момент ИМ равен (56)

,

где Wм - энергия магнитного поля, α – угол отклонения подвижной части механизма.

Энергия системы индуктивно связанных катушек с токами иопределяется соотношением

, (76)

где – индуктивность катушек ,– взаимоиндуктивность катушек. Если учесть что токии, индуктивностипостоянны, а коэффициент взаимоиндуктивностизависит от угла поворота α подвижной катушки , то

, (77)

Если пропустить по катушкам переменные токи и, подвижная часть прибора будет реагировать только на среднее значение вращающего момента:

, (78)

При установившемся отклонении справедливо соотношение и

, (79)

Соотношение (79) называется формулой шкалы в общем виде. Если точки исинусоидальны и фазовый сдвиг между ними равен, то есть

то формула шкалы (79) принимает вид:

(80)

где – чувствительность, ЭД НМ потоку,– эффективное действующее значение токови,– коэффициент фазы токов.

Электродинамические НМ применяются в амперметрах, вольтметрах и ваттметрах постоянных и переменных токов.

Амперметры.

Для случая а) (рис. 24):

Для случая б) (рис. 24):

Существует две схемы соединения катушек ИМ: последовательное и параллельное (рис. 24 а, б).

При последовательном включении (при токах до 0,5А) подвижной катушки (рамки) 1 с неподвижными катушками 2 (рис. 24,а) токи , φ=0, тогда (80) принимает вид

(81)

Таким образом отклонение стрелки прибора пропорционально квадрату эффективного значения измеряемого переменного и постоянного тока, следовательно, шкала квадратична , т.е. нелинейна. При параллельном включении основную часть измеряемого тока (величина от 0,5 до 10А) пропускают по неподвижной катушке, которая наматывается толстым проводом.

При этом уменьшается ток через рамку.

Перераспределение токов достигают путём включения добавочного сопротивления в цепь подвижной катушки (рамки) см. рис. 24,б. Если ввести коэффициент перераспределения токов

и обозначив измеряемый ток из (80) имеем

(82)

Если , то

Вольтметры. Если прибор используется для измерения напряжения , то используют последовательное включение обмоток и включают дополнительный резистор , который ограничивает ток через прибор (рис. 25).

Показания прибора определяются уравнением шкалы (80). Если учесть ,

Согласно (80)

то φ=0, cosφ=1,

то (83)

где - чувствительность ЭД вольтметра.

Вольтметра.

*-обозначение ”генераторных концов катушек”

Независимое включение катушек ЭД механизма применяется в вольтметрах – приборах для измерения мощности. Схема включения катушек показана на рис. 26. Неподвижная катушка 1 с малым сопротивлением включается последовательно с нагрузкой .

Подвижная катушка с последовательно включенным резистором подключается параллельно нагрузке. При таком соединении отклонение подвижной части прибора пропорциональна средней активной мощности, рассеиваемой на нагрузкеза периодT, т.е.

(84)

Согласно (79) и рис.26

Если

то

Если

где - чувствительность ЭД ИМ по мощности.

Достоинства прибора ЭД системы:

1. Высокая точность, амперметры и вольтметры класса точности 0,1; 0,2; 0,5;

2. Возможность использования для измерения тока, напряжения и мощности в цепях постоянного и переменного тока в диапазоне частот от 50Гц до 5-10кГц.

Недостатки:

1. Мала чувствительность.

2. Подвержен влиянию внешних магнитных полей и требует магнитной экранировки.

3. Имеет малую перегрузочную способность, относительно сложны и дороги.

4. Обладают большим собственным потреблением мощности (при параллельном включении обмоток) , так ваттметры потребляют до 5Вт мощности.