Электростатические механизмы.

В электростатических измерительных механизмах перемещение подвижной части происходит под действием энергии электрического поля системы двух или нескольких электрически заряженных проводников. Следовательно, в данном механизме в отли­чие от механизмов других систем перемещение подвижной части осуществляется за счет действия непосредственно приложенного напряжения. Поэтому основной областью применения электростатических механизмов являются поиборы, измеряющие напряжение — вольтметры.

Перемещение подвижной части во всех конструкциях электростатических механизмов связано с изменением ем­кости системы. Распространение получили два вида меха­низмов:

изменение емкости в одних осуществляется за счёт изменения активной площади электродов, а в других — за счет изменения расстояния между электродами.

Первые применяются в щитовых в переносных вольтметрах на напряжения от десятков до сотен вольт,

вторые — в щитовых киловольтметрах.

Устройство механизма с изменением активной площади электродов схематически показано на рис. 3.14. Неподвиж­ная часть (неподвижный электрод) состоит из одной или нескольких камер 1, которые представляют две одинаковые металлические пластины, сое­диненные вместе и имеющие воздушный зазор. В воздуш­ный зазор входит подвижный секторообразный электрод 2, укрепленный на оси 4. Элект­род 2 и указатель 3, также ук­репленный на оси 4 образуют подвижную часть. Под дейст­вием подведенного к электродам напряжения U создается электрическое поле. Силы электрического поля стремятся повернуть подвижную часть так, чтобы энергия электриче­ского поля W_Э=l/2U²C (где С — емкость между подвижным и неподвижным электрода­ми) была наибольшей, т. е. чтобы подвижный электрод втягива0000лся в пространство между неподвижными электро­дами и поворачивал указатель. Подвижная часть может быть укреплена на опорах, растяжках или подвесе; а в ка­честве указателя кроме стрелки применяют также световой луч. Электроды изготовляются из алюминия.

В электростатических измерительных механизмах при­меняют большей частью магнитоиндукционные успокоители, реже — воздушные.

Рис. 3.14. Электростатический измерительный механизм

Вращающий момент электростатического механизма:

При переменном, напряжении u = Um sint, приложен­ном к электродам, подвижная часть вследствие инерцион­ности будет реагировать на среднее за период значение вращающего момента, равное:

где U - действующее значение переменного напряжения.

Выражение для угла отклонения можно получить из условия статического равновесия: М = -М_пр или U² 1/2 dc/da откуда:

Следовательно, угол поворота подвижной части электростатического измерительного механизма пропорционален квадрату действующего значения напряжения и множите­лю dC/da. Между измеряемой величиной (напряжени­ем) и углом отклонения нет прямо пропорциональной зави­симости. Выбором соответствующей формы электродов, их размеров и взаимного расположения получают такую зави­симость dC/da, которая позволяет обеспечить практически равномерную шкалу, начиная от 15 до 100 % верхнего предела измерения.

Чувствительность электростатических механизмов мала. Для ее повышения подвижную часть укрепляют на растяж­ках или подвесе, применяют оптический световой отсчет, а также увеличивают емкость механизма, делая его многока­мерным.

Вращающий момент электростатического механизма мал, это не позволяет сделать на его базе вольтметр с пре­делом измерения меньше 10 В.

Собственное электрическое поле электростатических вольтметров незначительное, поэтому на работу приборов сальное влияние оказывают внешние электрические поля. Для уменьшения этого влияния приборы экранируют. Экра­ном может служить корпус прибора, если он металличе­ский. Если корпус выполнен из пластмассы, то экраном служит металлическая фольга из немагнитного материала или алюминиевая краска, которой покрывается внутренняя поверхность корпуса. Экран соединяется с одним из элек­тродов и заземляется.

На электростатические вольтметры почти не влияют температура,частота и форма приложенного напряжения и внешние магнитные поля.

Собственное потребление мощности вольтметра на пере­менном токе мало, а при включении в цепь постоянного то­ка при установившейся режиме равно нулю.

Перечисленные свойства электростатических вольтмет­ров обусловливают их применение в широком частотном диапазоне в маломощных цепях, а также в цепях высокого напряжения до сотен киловольт.

Приборы магнитоэлектрической системы

Вращающий момент создается взаимодействием катушки намотанной на алюминиевую рамку 2, с полем постоянно­го магнита 1. В зазоре 3, где расположена рамка между полюсными наконечниками и неподвижным стальным цилиндром 4 создается однородное магнитное поле (рис.4.). Вращающий момент Мвр, действующий на рамку, пропорционален току /, проходящему через ка­тушку:

Мвp = kl.

Противодействующий момент Мпр, создаваемый пружинами 5, пропорцио­нален углу поворота:

Мпр = к_пр 

В установившемся ре­жиме эти моменты равны и угол поворота стрелки

где с — постоянная прибора

(1 /с - его чувствительность).

Рис. 4. Измерительный механизм магнитоэлектрической системы

Приборы магнитоэлек­трической системы наибо­лее чувствительные и точ­ные из приборов с непосредственным отсчетом. Их шкала равномерная, потребление мощности мало точность показании не зависит от внешних магнитных полей так как собственное магнитное поле прибора велико. Однако эти приборы можно использовать только в цепях посто­янного тока; они достаточно дорогие и чувствительны к перегрузкам.

► Приборы нагнитоэлектрической системы в сочетании с преобразователями переменного тока в постоянный применяют для измерений в цепях переменного тока.

В приборах выпрямительной системы переменный ток преобразуется в пульсирующий с помощью полупроводниковых диодов. Его постоянная составляющая измеря­ется прибором магнитоэлектрической системы.

В приборах термоэлектрической системы измеряемый переменный ток, проходя по нагревателю, вызывает на­гревание рабочих концов термопары. Возникают термо­электродвижущая сила и ток в рамке магнитоэлектри­ческого прибора. Термопреобразователи имеют очень малые индуктивность и емкость, благодаря чему показа­ния этих приборов практически не зависят от частоты измеряемого тока и позволяют производить измерения на частотах 10—50 МГц.

В приборах электромагнитной системы (рис. 5.) измеряемый ток, проходя по неподвижной катушке 1, намагничивает стальной сердечник 2, укрепленный на оси 3 подвижной части прибора, и втягивает его в катуш­ку. Поскольку сердечник втягивается в катушку при любом направлении тока, электромагнитный измеритель­ный механизм применяется для измерений в цепях постоянного и переменного тока. На рис. 5 показаны также корректор 4, пружина 5 и успокоитель 6.

Приборы электромагнитной системы имеют относительно большое собственное потребление мощности, но просты по конструкции, дешевы и весьма устойчивы к перегрузкам. Поэтому щитовые электромагнитные ампер­метры и вольтметры переменного тока широко применяют на практике.

Рис. 5. Устройство прибора электромагнитной системы

В приборах электродинамической системы вращаю­щий момент создается взаимодействием токов в непо­движной 2 и подвижной 3 катушках (рис. 6). Угол поворота подвижной части вследствие этого при включе­нии прибора в цепь постоянного тока пропорционален произведению токов, проходящих через катушки.

В цепи переменного тока средний за период вращаю­щий момент и угол поворота подвижной части прибора зависят не только от действующих значений токов, но и от угла сдвига их фаз. На рис. 6 показаны также стрелка 1, поршень воздушного успокоителя 4 и пружи­на 5.

Рис. 6. Устройство прибора электродинами­ческой системы

► Приборы электродинамической системы используют в качестве амперметров, вольтметров, ваттметров, причем шкала амперметров и вольтметров квадратичная ( = I²), а ваттметров — равномерная.

Такие приборы дороги из-за сложности изготовления, но являются одними из наиболее точных (из-за отсут­ствия ферромагнитных материалов в механизме) и ис­пользуются в качестве лабораторных.

Принцип действия приборов ферродинамической сис­темы (рис. 7.) тот же, что и электродинамических. Магнитный поток, создаваемый током неподвижной катуш­ки 1, замыкается через стальной сердечник 2 и неподвиж­ный стальной цилиндр 4 расположенный внутри подвиж­ной катушки 3. Наличие стали магнитопровода позволяет устранить влияние внешних магнитных полей, создает сильное собственное магнитное поле и, следовательно, большой вращающий момент, что позволяет снизить потребление энергии прибором.

Рис. 7. Схема прибора ферродинамической системы

Ферродинамические приборы изготовляют щитовыми и переносными для работы на переменных токах. Ферродинамический механизм применяется в самопишущих приборах, где требуется большой вращающий момент.

Электростатические механизмы. В электростатических измерительных механизмах перемещение подвижной части происходит под действием энергии электрического поля системы двух или нескольких электрически заряженных проводников. Следовательно, в данном механизме в отли­чие от механизмов других систем перемещение подвижной части осуществляется за счет действия непосредственно приложенного напряжения. Поэтому основной областью применения электростатических механизмов являются поиборы, измеряющие напряжение —вольтметры.

Перемещение подвижной части во всех конструкциях электростатических механизмов связано с изменением ем­кости системы

Принцип действия приборов электростатической сис­темы (рис. 8) основан на взаимодействии неподвиж­ных 1 и подвижных 2 металлических, изолированных и противоположно заряженных пластин. Подвижные пластины вместе с указателем поворачиваются на валу 3 под действием электрического поля. Эти приборы применяют для измерения высоких напряжений в специальных лабо­раториях.

Рис. 8. Устройство при­бора электростатической системы

Электростатическим вольтметром измеряют постоян­ные и переменные напряжения, вольтметр практически не потреб­ляет энергии, что позволяет ис­пользовать его в маломощных цепях.

Измерительный механизм ин­дукционной системы используют в счетчиках электроэнергии. По­движная часть этих приборов вращается, и частота вращения ее должна быть пропорциональна мощности контролируемой на­грузки. Счетчик (рис. 9), по сути дела, является маленьким двигателем переменного тока. В приборе переменные потоки двух неподвижных электромагнитов 1 и 4 пронизывают установленный на оси алюминиевый диск 2, индуцируя в нем токи, взаимодействие которых с потоками электро­магнитов создает вращающий момент.

Рис. 9. Устройство прибора индукционной

системы

Обмотка одного электромагнита с большим числом витков и, следовательно, обладающая большой индуктив параллельно нагрузке; обмотка дру­гого, с малым числом витков, включается в цепь после­довательно с нагрузкой. Таким образом, один магнитный поток пропорционален напряжению U, а другой — току I нагрузки. В результате создается вращающий момент Мвр, пропорциональный мощности переменного тока:

Мвр = kвp UIcos = kвpP.

Вращающему моменту в приборе противодействует тормозной, который создается за счет взаимодействия поля постоянного магнита 3 с током, индуцируемым этим полем во вращающемся диске. Этот момент тем больше, чем больше частота n вращения диска:

При установившейся частоте вращения Мвр = Мторм

Частота вращения диска n пропорциональна мощ­ности нагрузки и соответственно число оборотов N про­порционально количеству электроэнергии, полученной нагрузкой за время вращения диска:

W=С_счN.

Вращение диска через червячную передачу и систему зубчатых колес передается счетному механизму, показа­ния которого выражаются в киловатт-часах или гекто­ватт-часах.

Приборы индукционной системы устойчивы к пере­грузкам, имеют большой вращающий момент, малую чувствительность к внешним магнитным полям. Однако они недостаточно чувствительны и их показания зависят от частоты измеряемого тока и температуры окружаю­щей среды.

I