3. Системы электроизмерительных приборов

Приборы прямого отсчета включают в себя измерительный механизм и измерительную цепь.

Измерительный механизм предназначен для преобразования подводимой к нему электрической энергии в механическую энер­гию, которая необходима для перемещения подвижной части и связанного с ней указателя.

Измерительная цепь предназначена для преобразования изме­ряемой электрической величины в пропорциональную ей величи­ну, которая непосредственно воздействует на измерительный ме­ханизм.

По виду физического явления, которое используется для изме­рения, измерительные приборы разделяют по системам. Среди них самыми распространенными являются магнитоэлектриче­ские, электромагнитные, индукционные, электродинамические и ферродинамические системы.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы применяют для измерений постоянного тока. В этих механизмах вращающий момент создается при взаимодействии измеряемого тока, который проходит по катушке механизма, с полем постоянного магнита.

Применяются два основных типа приборов магнитоэлектриче­ской системы: приборы с подвижной катушкой (подвижной рам­кой) и приборы с подвижным магнитом. Приборы, содержащие подвижную катушку, применяются чаще, чем приборы, содержа­щие подвижный магнит.

В приборах с подвижной катушкой ее устанавливают на опо­рах таким образом, что она была способна поворачиваться в воз­душном зазоре магнитной цепи постоянного магнита 1. Ток к ка­тушке подводится посредством пружины или растяжки, с их же помощью получается противодействующий момент.

Существует измерительный механизм с современными магни­тами — механизмы с внешним (внерамочным) магнитом.

На рисунке 49 показаны механизмы с внутрирамочным магни­том. В этом случае магнитная цепь образуются магнитопроводом 2, полюсными наконечниками 3 и цилиндрическим сердечни­ком 4. В таких механизмах в качестве сердечника применяется сам магнит 1, а его охватывает цилиндрический магнитопровод 3, изготовленный из магнитно-мягкого материала.

На каждый проводник в таких механизмах действует электро­магнитная сила:

, при этом l - активная длина проводника, которая приблизитель­но равна высоте катушки h. Так как катушка имеет w витков и диа­метр d, то для определения вращающего момента, который дей­ствует на подвижную часть механизма:

( - вращающий момента действующий на один виток)

- вращающий момента действующий на один виток

Отсюда видно, что вращающий момент прямо пропорциона­лен току.

Так как противодействующий момент, который создается спи­ральными пружинами, прямо пропорционален углу закручивания:

,

можно сделать вывод, что сила тока пропорциональна углу пово­рота механизма:

где С — постоянная прибора (цена деления).

Приборы магнитоэлектрической системы с подвижным маг­нитом (рис. 50) обладают вращающим моментом, который соз­дается действием на подвижный магнит магнитного поля измеря­емого тока, проходящего через катушку 1. Пружину заменяют направляющей силой неподвижного постоянного магнита 2. Этот прибор прост по устройству и устойчив к перегрузкам, но обла­дает низкой точностью из-за влияний гистерезиса.

Термоэлектрическая система характеризуется тем, что вклю­чает в себя магнитоэлектрический измерительный механизм и термопреобразователи. Термопреобразователи состоят из термопар и подогревателей, через которые проходит определяемый переменный ток. Электродвижущая сила пропорциональна разно­сти температур между горячими и холодными концами термопа­ры, которая пропорциональна квадрату действующего значения переменного тока Р, т. е. М_вр пропорционален I².

Различают контактные и бесконтактные термопреобразо­ватели.

Так как КПД термопреобразователей низок, термоэлектриче­ские приборы малочувствительны и работают при высокой темпе­ратуре нагревателя, а при перегрузке свыше 50% они разрушают­ся. Подобные приборы применяются при измерении переменных токов высокой частоты.

Электромагнитная система обладает вращающим моментом, который создается воздействием магнитного поля измеряемого тока, проходящего по неподвижной катушке прибора, на ферро­магнитный сердечник, который способен вращаться. Сейчас при­меняются два типа подобных механизмов этой системы: с круг­лой или плоской катушкой.

Механизм с круглой катушкой (рис. 51) состоит из круглой катушки 4, внутри которой находятся два сердечника: подвиж­ный 1, укрепленный на оси, и неподвижный 2. При прохождении тока по катушке 4 оба сердечника намагничиваются и отталкива­ются, в результате чего создается вращающий момент, который поворачивает сердечник 1.

Механизм с плоской катушкой (рис. 52) содержит подвиж­ный сердечник 1, который втягивается в катушку 2, с измеряемым током. Усиление магнитного поля и регулирование вращающего момента осуществляется с помощью второго неподвижного сердечника 3. Для создания противодействующего момента приме­няется спиральная пружина.

С целью защиты от внешних магнитных полей прибор закры­вают ферромагнитным экраном. Класс точности подобных прибо­ров не превышает 1,5, что является следствием влияния гистере­зиса. К ценным свойствам этих приборов относят защиту от перегрузок, дешевизну и простоту устройства.

Измерительные приборы электродинамической природы обла­дают вращающим моментом, который образуется при взаимодей­ствии проводников, по которым протекают токи. Подобные изме­рительные механизмы состоят из неподвижной 1 и подвижной 2 катушек (рис. 53). Противодействующий момент создается спи­ральными пружинами 3, которые вместе с тем используются для подвода тока в подвижную катушку, занимающую под действием электродинамических сил положение, при котором ее магнитное поля совпадает по направлению с направлением поля неподвиж­ной катушки.

Вращающий момент такого механизма определяется формулой:

Электродинамические приборы применяются для измерения как постоянного, так и переменного токов, при этом шкала у при­боров для обоих родов тока одна и та же.

Из-за присутствия подвода тока в подвижную часть и плохого охлаждения электродинамические механизмы не выдерживают значительной перегрузки, к тому же они дороги. При этом класс их точности 0,2 или даже 0,1.

Они применяются при лабораторных и контрольных измере­ниях переменного тока.

Ферродинамическими называются приборы, в которых приме­няется ферромагнитный магнитопровод (рис. 54). Но применение стали уменьшает точность прибора за счет влияния гистерезиса и вихревых токов. Поэтому ферродинамические приборы не применяют для точных измерений.

И ндукционная измерительная система основывается на ис­пользовании явления вращающегося магнитного поля. Такие виды механизмов (рис. 55) обладают вращающим моментом, который создается действием общего магнитного поля электромагнитов (2,3) на подвижную часть — алюминиевый диск 1, по которому проте­кают индуцированные вихревые токи. Электромагниты возбужда­ются искомыми токами, поэтому вращающий момент создается взаимодействием индуктированных токов с вращающимся маг­нитным полем. В стрелочных приборах противодействующий момент создает спиральная пружина 4.

В приборах электростатической системы вращающий момент создают силы взаимодействия заряженных проводников. Напря­жение образует электрическое поле между неподвижной 2 и по­движной 1 пластинами прибора (рис. 56). Для создания противо­действующего момента служит пружина.

Преимуществом таких приборов являются малые затраты энергии.

Электростатические вольтметры применяют в основном в ла­бораториях при измерениях малой мощности и для непосредст­венного измерения высоких напряжений.

В основу тепловой системы положено использование для от­клонения подвижной части удлинения металлической нити, на­греваемой измеряемым током. Достоинство этой системы в том, что показания приборов не зависят от частоты и формы кривой переменного тока. Их применяют при измерении токов высокой частоты.

8