Вимірювальний механізм приладу індукційної системи складається з двох нерухомих котушок індуктивності (зсунутих у просторі на кут 90° одна до одної) та рухомої металевої частини (диска, циліндра), яка розміщується між котушками. Одну котушку включають паралельно мережі, а іншу послідовно. Струми, що протікають у котушках, створюють два магнітних потоки, які пронизують рухому металеву частину і наводять у ній вихрові електрорушійні сили. Під дією наведених вихрових е.р.с. у рухомій частині будуть протікати вихрові струми, тобто рухома частина зі струмом знаходиться в магнітному полі котушок. В результаті спостерігається явище електромагнітної сили, і рухома частина (диск, циліндр) приходить в обертання. Прилади цієї системи використовують, як правило, для вимірювання потужності та енергії в колах змінного струму.
Прилад термоелектричної системи являє собою сукупність приладу магнітоелектричної системи і термопари (двох різнорідних металів: мідь – константан, залізо – константан та інших). Два кінці металевих провідників, з яких складається термопара, з'єднані у загальний вузол. До цього вузла приєднаний провідник, по якому проходить вимірюваний електричний струм. В результаті теплової дії струму загальний вузол нагрівається й у ньому наводиться постійна електрорушійна сила (яку називають термо-е.р.с.), незалежно від роду струму. До двох інших кінців металевих провідників, з яких складається термопара, підключений вимірювальний механізм магнітоелектричної системи. При виникненні термо-е.р.с. у котушці вимірювального механізму протікає постійний струм. При протіканні електричного струму в провідниках котушки спостерігається явище електромагнітної сили. В результаті котушка, а разом з нею і стрілка приладу відхиляються, вказуючи на шкалі значення вимірюваної величини. Прилади цієї системи використовуються для вимірювань у колах постійного та змінного струмів.
Прилад випрямної системи являє собою сукупність приладу магнітоелектричної системи й одного або декількох напівпровідникових випрямлячів, призначення яких – живлення вимірювального механізму магнітоелектричної системи постійним струмом. Прилади цієї системи використовуються для вимірювань у колах постійного та змінного струмів для вимірювання невеликих значень фізичних величин, а також для вимірювання у колах з підвищеною частотою струму (понад 50 Гц).
Запитання для самоконтролю
1. Опишіть побудову і принцип дії приладу магнітоелектричної системи, вказавши область використання.
2. Опишіть побудову і принцип дії приладу електромагнітної системи, вказавши область використання.
3. Опишіть побудову і принцип дії приладу електродинамічної системи, вказавши область використання.
4. Опишіть побудову і принцип дії приладу індукційної системи, вказавши область використання.
5. Опишіть побудову і принцип дії приладу термоелектричної системи, вказавши область використання.
6. Опишіть побудову і принцип дії приладу випрямної системи, вказавши область використання.
9.4 Вимірювання сили струму, напруги, активної потужності, коефіцієнта потужності
Для вимірювання сили струму в колі служить амперметр, літерне позначення якого на принципових електричних схемах – РА. Він включається послідовно в коло, у якому виконується вимірювання (рис.9.1). Опір котушки вимірювального механізму повинний бути мінімальним, щоб сила струму в колі не змінилася при включенні амперметра. Для цього котушку виконують з невеликою кількістю витків із проводу з великим перетином.
Амперметр вибирається для вимірювань у такий спосіб: межа вимірювання приладу повинна перевищувати передбачуване значення сили струму в колі. Для розширення межі вимірювання амперметра використовують трансформатори струму або шунти (манганінові пластини, упаяні в мідні чи латунні наконечники). Шунт включається в коло послідовно, а паралельно йому включається амперметр.
Приклад 9.1
Амперметр, на шкалі якого 100 поділок, має межу вимірювання 15 А. При включенні амперметра в коло його стрілка відхилилася на 80 поділок.
Визначити ціну поділки приладу та силу струму в колі.
Рішення.
1. Визначаємо ціну поділки приладу за (9.1):
.
2. Визначаємо силу струму в колі за (9.3):
I = Сп n = 0,15×80 = 12 А.
Для вимірювання напруги в колі служить вольтметр, літерне позначення якого на принципових електричних схемах – РV. Він включається паралельно в коло, у якому виконується вимірювання (рис.9.2). Опір котушки вимірювального механізму повинний бути максимальним, щоб напруга в колі не змінилася при включенні вольтметра. Для цього котушку виконують з великою кількістю витків із проводу з невеликим перетином.
Вольтметр вибирається для вимірювань у такий спосіб: межа вимірювання приладу повинна перевищувати передбачуване значення напруги в колі. Для розширення межі вимірювання вольтметра використовують трансформатори напруги або додаткові опори, які включаються послідовно з вольтметром.
Приклад 9.2
Вольтметр, на шкалі якого 150 поділок, має межу вимірювання 300 В. При включенні вольтметра в коло його стрілка відхилилася на 110 поділок.
Визначити ціну поділки приладу та напругу на затисках кола.
Рішення.
1. Визначаємо ціну поділки приладу за (9.1):
.
2. Визначаємо напругу на затисках кола за (9.3):
U = Сп n = 2×110 = 220 В.
Для вимірювання активної потужності в колі служить ватметр, літерне позначення якого на принципових електричних схемах – РW. Вимірювальний механізм ватметра складається з двох котушок: нерухомої та рухомої, зв'язаної зі стрілкою приладу. Нерухома котушка (струмова обмотка) має невелику кількість витків та виконана з проводу із великим перетином; включається в коло послідовно. Рухома котушка (обмотка напруги) має велику кількість витків та виконана з проводу із невеликим перетином; включається в коло паралельно. Струми в котушках повинні протікати в одному напрямку, щоб стрілка приладу відхилялася вправо від нуля, для цього затиски приладу зі знаком «*» поєднують у загальний вузол. Принцип дії ватметра заснований на явищі електромагнітної сили, яка виникає при протіканні струму в обох котушках, в результаті чого виникає обертаючий момент прямо пропорційний струмам у котушках. Сила струму в рухомій котушці пропорційна напрузі в колі, тому що вона включається паралельно. Сила струму в нерухомій котушці пропорційна силі струму в колі, тому що вона включається послідовно. Отже, обертаючий момент, який діє на рухому котушку, пропорційний активній потужності в колі. Таким чином, ватметр має дві межі вимірювання: за струмом і за напругою, тому межа вимірювання та ціна поділки ватметра визначаються так:
; (9.9)
, (9.10)
де Imax – межа вимірювання ватметра за струмом, А;
Umax – межа вимірювання ватметра за напругою, В.
Вибір ватметра для вимірювань здійснюється в такий спосіб: межа вимірювання приладу за струмом повинна перевищувати передбачуване значення сили струму в колі, межа вимірювання приладу за напругою повинна перевищувати передбачуване значення напруги в колі. Для розширення меж вимірювання ватметра використовують трансформатори струму і напруги (або шунти і додаткові опори).
Принципова електрична схема включення ватметра для вимірювання потужності, яку споживає навантаження в однофазному колі змінного струму, показана на рис.9.3.
Приклад 9.3
Ватметр, на шкалі якого 150 поділок, має межу вимірювання за струмом 20 А та межу вимірювання за напругою 300 В. При включенні ватметра в коло його стрілка відхилилася на 90 поділок.
Визначити ціну поділки приладу та активну потужність у колі.
Рішення.
1. Визначаємо межу вимірювання приладу за (9.9):
Рmax = Imax Umax = 20×300 = 6000 Вт.
2. Визначаємо ціну поділки приладу за (9.10):
.
3. Визначаємо активну потужність у колі за (9.3):
Р = СП n = 20×90 = 1800 Вт.
Значення коефіцієнта потужності можна визначити за показаннями амперметра, вольтметра та ватметра:
, (9.11)
де cos j – коефіцієнт потужності;
APW – показання ватметра, Вт;
APV – показання вольтметра, В;
АРА – показання амперметра, А.
Приклад 9.4
Котушка індуктивності підключена до однофазного джерела (50 Гц). У коло котушки включені ватметр, вольтметр і амперметр. Після подачі напруги на затиски котушки показання приладів склали: ватметра – 110 Вт, вольтметра – 220 В, амперметра – 5 А.
Визначити коефіцієнт потужності котушки.
Рішення.
1. Визначаємо коефіцієнт потужності котушки за (9.11):
.
Коефіцієнт потужності можна також визначити за допомогою електровимірювального приладу, який називають фазометром, літерне позначення якого на принципових електричних схемах – рj.
Запитання для самоконтролю
1. Для чого призначений амперметр?
