В режиме установившегося отклонения при создании противодействующего момента пружинами Мпр, = Мвр,т. е. с учетом (9.2),
откуда
Из выражения видно, что знак угла отклонения стрелки прибора не зависит от направления тока в катушке. Следовательно, приборы пригодны для измерения в цепях постоянного и переменного токов. В цепи переменного тока они измеряют действующее значение тока или напряжения.
Шкала прибора, как это видно из, неравномерная. Меняя форму сердечника и его расположение в катушке, можно получить почти равномерную шкалу начиная с 20% верхнего предела диапазона измерений. При меньших значениях измеряемой величины электромагнитные приборы недостаточно чувствительны и эта часть шкалы считается нерабочей.
Конструктивная особенность электромагнитного прибора позволяет изготовить амперметры этой системы на токи 200...300 А для прямого включения в цепь. Действительно, неподвижная катушка может быть выполнена из провода любого сечения. Амперметр на 150...300 А выполняют с катушкой в виде одного витка из медной шины. Вольтметры электромагнитной системы изготовляют на напряжение до 660 В, катушку выполняют из большого числа витков медной проволоки небольшого сечения, а для компенсации температурной погрешности включают добавочные резисторы из манганина.
Ввиду относительно слабого собственного магнитного поля на показания электромагнитных приборов весьма значительное влияние оказывают внешние магнитные поля. Для снижения их влияния измерительный механизм защищают стальным экраном. В приборе имеется корректор (8, 9).
Встречаются конструкции, в которых устанавливают две неподвижные катушки с самостоятельными сердечниками, насаженными на одну ось, так называемые астатические приборы (рис. 9ДО). Здесь обе обмотки включены последовательно, но так, что их потоки Фх и Ф2 направлены встречно, а моменты, создаваемые этими потоками и действующие на подвижную часть прибора, согласны. При такой конструкции внешний магнитный поток Фвш в одной катушке усиливает, а в другой уменьшает вращающий момент прибора на равные значения. Этим исключается влияние внешнего магнитного поля.
Астатические приборы изготовляют для классов точности 0,5 и 1,0 и только переносного исполнения (лабораторные, испытательные комплекты). Простота конструкции, невысокая стоимость, пригодность для постоянного и переменного токов, большая перегрузочная способность, возможность непосредственного включения амперметров на большие токи привели к широкому распространению этих приборов в промышленных установках.
Недостатками электромагнитных приборов можно считать неравномерность шкалы, низкую чувствительность, сравнительно большое собственное потребление (амперметры — до 5 ВА, вольтметры — до 10 В-А), чувствительность к влиянию внешних магнитных полей.
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ И ФЕРРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
Электродинамические приборы имеют две катушки. Неподвижную катушку I выполняют из двух частей, между которыми проходит ось. На оси укреплена подвижная катушка 2. Противодействующий момент создается двумя пружинами (на рисунке не показаны).
Через них осуществляют и присоединение подвижной катушки к цепи.
Приборы электродинамической системы применяют для измерения в цепях переменного и постоянного токов, так как направление вращающего момента не изменяется при изменении направления обоих токов.
В зависимости от способа взаимного включения катушек электродинамический прибор может быть использован как амперметр, вольтметр, ваттметр или фазометр.
При использовании электродинамического прибора в качестве амперметра на токи выше 0,5 А катушки нельзя включать последовательно из-за трудности подвода больших токов к подвижной катушке, так как подсоединение подвижной катушки к цепи осуществляют через спиральные пружины, создающие противодействующий момент.
В этом случае обе обмотки катушек соединяют параллельно. Условно обмотка неподвижной катушки показана толстой линией, обмотка подвижной катушки — тонкой линией.
Благодаря различным конструктивным приемам (форме катушек, их расположению) оказывается возможным получить линейную шкалу для электродинамического амперметра начиная с 20% от верхнего предела измерения.
Совпадения по фазе переменных токов в обмотках подвижной и неподвижной катушек (j= 0) достигают включением последовательно с катушками элементов с активным и индуктивным сопротивлениями.
При использовании электродинамического прибора в качестве вольтметра обе обмотки прибора включают последовательно друг с другом и с добавочным резистором Rд.
При использовании электродинамического прибора в качестве ваттметра обмотку неподвижной катушки включают в цепь последовательно (тогда I1 = I), а обмотку подвижной катушки, соединенную последовательно с добавочным резистором Rд, — параллельно зажимам приемника. Реактивное сопротивление этой цепи очень мало и поэтому R2 + RД » Z2. Можно считать, что практически ток I2 совпадает по фазе с напряжением U на зажимах приемника.
Направление отклонения подвижной системы прибора зависит от взаимного направления токов в обеих обмотках. Поэтому для правильного включения обмоток их зажимы маркируют. У так называемых «генераторных» зажимов обмоток (зажимов, к которым следует присоединять провода со стороны источника питания) ставят знак * (звездочка). На электрических схемах эти зажимы обмоток обозначают точками.
При угле сдвига фаз j > 90° (что возможно в некоторых случаях измерений) cosj отрицателен и, следовательно, отклонение стрелки прибора также должно быть отрицательным. Чтобы иметь возможность измерить такие отрицательные мощности, в ваттметрах устанавливают переключатель для изменения направления тока в обмотке подвижной катушки. Положение переключателя отмечено знаками плюс и минус. Измеренное значение нужно записывать с со ответствующим знаком по положению переключателя» Электродинамические приборы имеют специальный экран, защищающий их от воздействия внешних магнитных полей.
ИНДУКЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ
Принцип действия индукционных приборов основан на взаимодействии бегущего магнитного поля с вихревыми токами, индуцируемыми этим же полем в проводящем подвижном диске.
Бегущее поле создается двумя магнитными потоками, сдвинутыми на некоторый угол по фазе и в пространстве. Можно создать индукционные приборы любого назначения — амперметры, вольтметры, ваттметры и др. На практике наибольшее распространение получили индукционные счетчики электрической энергии,
Приведенная конструкция (трехпоточная) счетчика состоит из двух электромагнитов 1 и 2 и подвижного алюминиевого диска 5. Диск укреплен на оси, которая связана с помощью червячной передачи со счетным механизмом. Диск вращается в зазоре электромагнитов. Магнитный поток Ф1 электромагнита 1 U-образной формы создается током I приемника электрической энергии, так как его обмотка включена последовательно в цепь нагрузки. Поток Ф1 дважды пересекает диск и незначительно отстает по фазе от образующего его тока I. Поэтому можно считать, что значение потока Ф1 в первом приближении пропорционально току I: Ф1 = kI. Электромагнит 2 имеет Т-образный вид. На его среднем стержне расположена гистерезис и вихревые токи. Подвижная катушка вращается около неподвижного стального сердечника 4, помещенного в соосную расточку магнитопровода. Стороны обмотки (рамки) 3 подвижной части находятся в зазоре между магнитопроводом и неподвижным стальным сердечником, где магнитное поле достигает значительно больших значений, чем магнитное поле, создаваемое в воздухе неподвижной катушкой электродинамического прибора.
. Так как реактивное сопротивление этой обмотки большое, можно считать, что ее полное сопротивление ZU » ХU, и ток IU в обмотке сдвинут по фазе относительно напряжения U почти на p/2. Поток ФU, как видно из рисунка, делится на две части: рабочий поток Фр и потоки ФL, которые замыкаются помимо диска по боковым ветвям магнитопровода 2. Таким образом, ФU = ФP + 2ФL.
Рабочий поток Фр проходит по среднему стержню магнитопровода и пересекает диск, замыкаясь через про-тивополюсную скобу 4, средняя часть которой находится под центральным стержнем магнитопровода 2. При такой конструкции под диском находятся три полюса (два от U-образного магнита и один от Т-образного магнита). Потоки ФL определяют сдвиг по фазе между потоками ФP и Фr Вихревые токи, индуцируемые в диске магнитными потоками, пропорциональны магнитным потокам и частоте. Магнитный поток ФP индуцирует в диске вихревой ток.
Взаимодействие между индуцируемым током в диске и созданным им потоком, например, между IвI и Фr, не создает электромагнитной силы, так как g = p/2 и cosg = 0. Электромагнитные силы создаются только в результате взаимодействия магнитного потока ФP с током IвI и потока ФI с током Iв.р.
Противодействующий момент Мпр создается постоянным магнитом 3, в поле которого вращается диск, и является тормозным моментом, пропорциональным частоте вращения диска. Постоянный магнитный поток Ф индуцирует во вращающемся диске ЭДС Ев = -Фda/dt, под действием которой в нем возникает вихревой ток Iв = Ев/Rд, где Rд — сопротивление диска. Когда моменты равны, т. е. Мт = Мвр, частота вращения диска постоянна (установившийся режим).
Число оборотов диска за промежуток времени.
Таким образом, число оборотов диска пропорционально расходу электроэнергии. Величину ст /ср2p называют постоянной счетчика. Она показывает, какому количеству киловатт-часов электроэнергии соответствует один оборот диска. Червячная передача счетного механизма учитывает постоянную счетчика, и счетный механизм непосредственно отсчитывает энергию в киловатт-часах.
Поскольку индуцируемые токи во вращающемся элементе зависят от частоты сети ¦, ее изменение сказывается на правильности показаний счетчика.
Для трехфазных систем выпускают счетчики, состоящие из трех и двух однофазных систем (для четырех- и трехпроводной сети). В этом случае вращающий элемент является общим и счетный механизм показывает потребление электроэнергии трехфазным электроприемником.
Индукционные счетчики весьма надежны в эксплуатации.
ИЗМЕРЕНИЯ В ОДНОФАЗНЫХ ЦЕПЯХ СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА
Измерения тока и напряжения в цепях синусоидального тока мало чем отличаются от измерений в цепях постоянного тока. Как уже указывалось, верхний предел измерения амперметров можно увеличить с помощью специальных шунтов. С этой же целью для амперметров применяют трансформаторы тока, а для вольтметра — трансформаторы напряжения . Схему с использованием измерительных трансформаторов напряжения применяют при измерениях в сетях напряжением выше 1 кВ.
При применении измерительных трансформаторов необходимо следить, чтобы их нагрузка не превосходила номинальных значений, указанных в паспорте. Для обеспечения более высокой точности измерения выбирают измерительные трансформаторы с классом точности выше, чем класс измерительных приборов.
Для измерения активной мощности используют однофазные ваттметры (обычно электродинамической системы).
Р = cwn, где cw = (UН0MIH0M)/N — цена деления шкалы ваттметра, Вт/дел.; N — число делений всей шкалы прибора; п — число делений шкалы прибора, отсчитанное указателем.
Если напряжение сети или на зажимах приемника превышает номинальное напряжение UH0M параллельной обмотки ваттметра, то последовательно с ней включают наружный добавочный резистор Rд.
При включении обмоток ваттметра через измерительные трансформаторы (рис. 10.3) цену деления ваттметра определяют с учетом коэффициентов трансформации kI трансформатора тока и kU трансформатора напряжения:
При этом надо следить за правильным включением начал и концов обмоток трансформаторов и генераторных зажимов обмоток ваттметра.
ИЗМЕРЕНИЯ В ТРЕХФАЗНЫХ ЦЕПЯХ
Те же измерения что и одно фазных.
При несимметричной нагрузке активную мощность измеряют тремя ваттметрами, каждый из которых измеряет мощность одной фазы — фазную мощность. Для этого ваттметры включают так, чтобы через последовательные обмотки замыкались фазные токи, а на параллельные обмотки были поданы фазные напряжения. Тогда фазные мощности а мощность трехфазного приемника равна сумме фазных мощностей:
Р = РА + РB + РC
Измерение мощности тремя ваттметрами возможно при любых условиях.
При симметричной нагрузке фазные мощности равны, поэтому в этом случае можно, измерив одним ваттметром мощность одной фазы Рф, найти мощность трехфазного приемника как Р = ЗРФ.
У большинства стационарных симметричных электроприемников имеется только три зажима для присоединения его к трехфазной трехпроводной сети. В этих случаях применяют схему включения ваттметра с искусственной нейтральной точкой Искусственную нейтральную точку n’ создают, включая звездой параллельную обмотку ваттметра с сопротивлением Ru и два резистора с сопротивлением R = Ru. При соединении приемника звездой IЛ = IФ и, так как на параллельную обмотку ваттметра подано фазное напряжение, ваттметр измеряет фазную мощность. Соединение приемника треугольником всегда может быть преобразовано в эквивалентную звезду. Следовательно, для получения искомой трехфазной мощности показание ваттметра надо умножать на три или отградуировать шкалу прибора с учетом этого сомножителя. Мощность трехфазного приемника при любой схеме соединения фаз, при симметричной и несимметричной нагрузках, в трехпроводной цепи может быть измерена с помощью двух ваттметров. Мгновенное значение мощности трехфазного приемника
P = PA+ PB+ PC= uAiA+ uBiB+ uCiC
iA+ iB+ iC=0
P = (uA-uB)iA+ (uC-uB)iC
Так как разность фазных напряжений является линейным напряжением, т. е. uA-uB = uAB; uC-uB= uCB, то p= uABiA+ uCBiC=p’+ p’’
P’=UABIAcosa, P’’=UCBICcosb, a=Ð(UAB,IA), b=Ð(UCB,IC)
P = P’+ P’’ = UABIAcosa + UCBICcosb.
Достаточно иметь два ваттметра, которые должны быть включены так, чтобы в их последовательных обмотках существовали токи IА и IC, а на параллельные обмотки были поданы напряжения Uab и Ucb соответственно. В общем случае последовательные обмотки могут быть включены в любые два линейных провода, но концы параллельных обмоток всегда подключают к свободному проводу.
ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ
Сопротивление R различных элементов электрических цепей изменяется в. очень широком диапазоне. Условно сопротивления можно разделить на малые (до 1 Ом), средние (от 1 Ом до 100 кОм) и большие (более 100 кОм). Для измерения сопротивлений используют следующие методы: косвенный метод (с помощью амперметра и вольтметра), метод непосредственной оценки (с помощью омметра), метод сравнения (с помощью мостов и потенциометров).
В косвенном методе вольтметром измеряют напряжение U на резисторе, а амперметром — ток в резисторе и вычисляют сопротивление:
Rx = U/I,
при этом схема включения приборов зависит от значения измеряемого сопротивления. При малых значениях сопротивления.
Если ток IV в обмотке вольтметра с сопротивлением RU много меньше тока I в цепи (IV ≤ 0,01I), то ошибка в определении Rx по формуле не превысит 1 %.
RX = U/( I - IV)
Схему (рис. 10.106) применяют при измерении больших сопротивлений (Rx>>RI, где RI — сопротивление обмотки амперметра). Если RII < 0,01 U, то ошибка в вычислении сопротивления Rx по (10.4) не превысит 1%. Точное значение сопротивления вычисляют по формуле
Для непосредственного измерения сопротивлений применяют омметры — приборы, у которых шкала проградуирована в омах. Обычно омметры — это приборы, объединяющие в одном корпусе миллиамперметр магнитоэлектрической системы (или магнитоэлектрический логометр), источник питания (сухой гальванический элемент) и ограничивающий ток добавочный резистор RД (рис. 10.11). При замкнутом ключе К регулируют напряжение U источника питания так, чтобы стрелку прибора установить на нулевую отметку шкалы прибора, которая находится в правом краю шкалы, при этом ток в приборе — I0. При размыкании ключа К ток в приборе
где Rи — сопротивление измерительного механизма И. С уменьшением тока в приборе стрелка отклоняется влево. Так как U = const и Rи + Rд = const, то значение тока в приборе зависит только от Rx. Шкала прибора, отградуированная в омах, неравномерная. Значению RX = ¥
Для измерения больших сопротивлений применяют омметры с магнитоэлектрическим логометром (мегаомметры).
В методе сравнения для измерения сопротивлений применяют мосты постоянного тока . Мосты изготовляются в виде переносных приборов. В одно плечо моста включают резистор, сопротивление которого необходимо измерить. Как известно, мост будет уравновешенным, если потенциалы точек аи с одинаковы и ток в магнитоэлектрическом гальванометре, включенном в одну из диагоналей моста, будет равен нулю.
Если же сопротивления плеч моста не регулируются, а шкала гальванометра отградуирована в омах, то мост является неуравновешенным.
ПОНЯТИЯ ОБ ИЗМЕРЕНИИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Любой электрический прибор, предназначенный для измерения неэлектрической величины, имеет преобразователь, с помощью которого неэлектрическая величина(температура, давление и др.) преобразуется в электрическую величину (ЭДС, сопротивление и др.). В качестве электрического измерительного устройства преобразованной величины применяют магнитоэлектрический милливольтметр, цифровой измерительный прибор и др. При этом шкалу устройства отсчета электроизмерительного прибора градуируют в единицах измеряемой неэлектрической величины.
Измерительные преобразователи разнообразны по принципу действия. В индуктивных преобразователях используют зависимость индуктивности обмоток от положения, геометрических размеров и магнитного состояния элементов их магнитной цепи. Емкостные преобразователи основаны на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок. В пьезоэлектрических преобразователях используют эффект появления электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварца, сегнетовой соли и др.) под влиянием механических напряжений.
Пример: Термопара
Следует отметить, что электроизмерительные приборы, используемые для измерения неэлектрических величин, имеют ряд преимуществ перед неэлектрическими приборами. Прежде всего следует отметить их низкую инерционность, т. е. возможность быстро реагировать на изменение измеряемой величины, широкий диапазон измерений соответствующей величины, возможность их включения в электрические цепи, а поэтому использование их при дистанционном и автоматическом управлении технологическими процессами и т. д.
Страницы: 1, 2
