Электроизмерительные приборы. 3

Содержание.

1.Введение.

2.Обозначения электроизмерительных приборов.

3. Магнитоэлектрические приборы.

4. Электромагнитные приборы.

5. Измерение тока и напряжения.

6.Заключение.

7.Список используемой литературы.

1.Введение.

Электроизмерительные  приборы - техническое устройство с помощью которого происходит измерение электрических величин.

Средства  электрических измерений широко применяются в энергетике, связи, промышленности, на транспорте, в научных исследованиях, медицине, а также в быту — для учёта потребляемой электроэнергии. Используя специальные датчики для преобразования  величин в электрические, электроизмерительные приборы можно использовать для измерения самых разных физических величин, что ещё больше расширяет диапазон их применения.  

Они служат для контроля режима работы электрических  установок, их испытания и учета расходуемой электрической энергии. В зависимости от назначения электроизмерительные приборы подразделяют на амперметры (измерители тока), вольтметры (измерители напряжения), ваттметры (измерители мощности), омметры (измерители сопротивления), частотомеры (измерители частоты переменного тока), счетчики электрической энергии и др. Различают две категории электроизмерительных приборов: рабочие — для контроля режима работы электрических установок в производственных условиях и образцовые — для градуировки и периодической проверки рабочих приборов.

  Электроизмерительные  приборы будут крайне полезны  как в быту, так и для исправления  неисправностей, а также они понадобятся для профессиональных процедур с электроприборами.

2.Обозначения  электроизмерительных  приборов.

По конструкции  отсчетного устройства показывающие приборы  делятся на приборы с механическим указателем (стрелочные), со световым указателем (зеркальные), с пишущим устройством (самопишущие) и электронные приборы  со стрелочным или цифровым указателем отсчета. В стрелочных приборах измерительный  механизм поворачивает стрелку на некоторый  угол, который определяет значение измеряемой величины (шкала прибора  проградуирована в соответствующих  единицах: амперах, вольтах, ваттах и  пр.).

В электроизмерительных приборах сравнения измерения осуществляются путем сравнения измеряемой величины с какой-либо образцовой мерой или  эталоном. К ним относятся различные  мосты для измерения сопротивлении и компенсационные измерительные устройства (потенциометры). Последние измеряют разность между измеряемым напряжением или э. д. с. и компенсирующим образцовым напряжением (э. д. с). В качестве сравнивающего прибора обычно используют гальванометр.

Действие  электроизмерительных приборов непосредственной оценки основано на различных проявлениях  электрического тока (магнитном, тепловом, электродинамическом и пр.), используя  которые можно при помощи различных  измерительных механизмов вызвать  перемещение стрелки.

В зависимости  от принципа действия, положенного  в основу устройства измерительного механизма, электроизмерительные приборы  относятся к различным системам: магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, тепловой, индукционной и др. Приборы каждой из этих систем имеют свои условные обозначения.

Приборы могут выполняться с противодействующей возвратной пружиной и без пружины. В последнем случае они называются логометрами.

Обозначения:

Магнитоэлектрический прибор с подвижной рамкой

Магнитоэлектрический прибор с подвижным магнитом

Электродинамический прибор

Электромагнитный прибор

Ферродинамический прибор

Индукционный прибор

Электростатический прибор

Вибрационный (язычковый) прибор

Тепловой прибор (с нагреваемой проволокой)

Биметаллический прибор

Термоэлектрический прибор с магнитоэлектрическим измерительным механизмом

Выпрямительный прибор с магнитоэлектрическим измерительным механизмом 

3. Магнитоэлектрические приборы.

Устройство и принцип действия. Магнитоэлектрический измерительный механизм (рис. 321,а) выполнен в виде постоянного магнита 1, снабженного полюсными наконечниками 2, между которыми укреплен стальной сердечник 3. В кольцеобразном воздушном зазоре, образованном полюсными наконечниками и сердечником, помещена подвижная катушка 5, намотанная на алюминиевый каркас 6 (рис. 321,б). Катушка выполнена из очень тонкого провода и укреплена на оси, связанной со стрелкой спиральными пружинами 4 или растяжками. Через эти же пружины или растяжки осуществляется подвод тока к катушке.

При прохождении  тока I по катушке на каждый из ее проводников  будет действовать электромагнитная сила. Суммарное действие всех электромагнитных сил создает вращающий момент М, стремящийся повернуть катушку и связанную с ней стрелку прибора на некоторый угол ?. Так как индукция В магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, неизменна и не зависит от тока I, то

M = c₁I (93)

где c₁ — постоянная величина, зависящая от конструктивных параметров данного прибора (числа витков катушки, ее размеров, индукции В в воздушном зазоре). 
 

Воздушный демпфер (рис. 322, а) выполнен в виде цилиндрической камеры, внутри которой перемещается крыло 1 в виде поршня, связанного с  подвижной системой. При перемещении  подвижной части происходит торможение движущегося в камере 2 крыла, и  колебания подвижной части быстро затухают.

Магнитно-индукционный демпфер (рис. 322, б) выполнен в виде неподвижного постоянного магнита 3, который при  повороте подвижной системы прибора  индуцирует вихревые токи в металлическом (алюминиевом) секторе 4, установленном  на оси прибора.

Взаимодействие  этих токов с магнитом создает  согласно правилу Ленца силу, тормозящую подвижную систему и обеспечивающую быстрое затухание колебаний  стрелки. В магнитоэлектрических приборах роль демпфера выполняет алюминиевый  каркас 6 катушки (см. рис. 321,б). При повороте подвижной части прибора изменяется магнитный поток, пронизывающий каркас катушки. Благодаря этому в каркасе индуцируются вихревые токи, взаимодействие которых с магнитным полем магнита создает тормозной момент, обеспечивающий быстрое успокоение подвижной части. 
Применение прибора. Приборы магнитоэлектрической системы применяют для измерения тока и напряжения в электрических цепях постоянного тока. В частности, на э.п.с. и тепловозах их используют в качестве амперметров и вольтметров. В амперметрах и вольтметрах катушка прибора имеет различное сопротивление и включается по различным схемам.

Достоинством  приборов магнитоэлектрической системы  являются равномерность шкалы, высокая  точность и независимость показаний  от посторонних магнитных полей. К недостаткам их относятся непригодность  для измерения переменного тока, необходимость соблюдения полярности при включении и чувствительность к перегрузкам (при перегрузке тонкая проволока катушки и спиральные пружины, подводящие к ней ток, могут  сгореть). 

4.Электромагнитные  приборы.

Электромагнитные приборы и их Устройство. Принцип работы приборов этой системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого катушкой 1 со стальным сердечником 3, помещенным в поле этой катушки. Электромагнитный измерительный механизм выполняют с плоской (рис. 324, а) или круглой (рис. 324,б) катушкой.

В приборах с плоской катушкой сердечник  установлен на оси, несущей стрелку. При прохождении тока по катушке 1 сердечник 3 будет намагничиваться и втягиваться в катушку, поворачивая ось и стрелку. Повороту оси препятствует спиральная пружина 2. Когда усилие, создаваемое пружиной, уравновесит усилие, созданное катушкой, подвижная система прибора остановится и стрелка зафиксирует на шкале определенный ток.

Вращающий момент, воздействующий на подвижную  часть прибора, пропорционален силе притяжения F электромагнита, под действием  которой сердечник втягивается  в катушку. Сила притя-

жения F, как было показано в § 93, пропорциональна квадрату индукции в, создаваемой магнитным полем катушки; следовательно, она пропорциональна квадрату тока I в катушке. Поэтому вращающий момент

M = c₁I² (96)

где c₁ — постоянная величина, зависящая от конструктивных параметров прибора (числа витков и размеров катушки, материала и формы сердечника) и положения сердечника относительно катушки.

При втягивании сердечника в катушку вращающий  момент М изменяется пропорционально I².

Под действием  момента М подвижная часть  прибора будет поворачиваться до тех пор, пока этот момент не будет  уравновешен противодействующим моментом M_пр = c₂?, созданным пружинами или растяжками. В момент равновесия М = M_пр, откуда

α= (c1/c2) I² = kI² (97)

где к — постоянная величина.

Следовательно, в приборах с электромагнитным измерительным  механизмом угол поворота а подвижной части и стрелки пропорционален квадрату тока, проходящего по катушке. Поэтому

такой прибор имеет неравномерную (квадратичную) шкалу. Для сглаживания этой неравномерности  сердечнику придается особая лепестко-образная форма, вследствие чего форма магнитного поля и усилие, создаваемое катушкой, изменяются по мере втягивания сердечника.

Устранение  колебаний подвижной системы  прибора при переходе стрелки  из одного положения в другое осуществляется демпфером 5.

В приборах с круглой катушкой подвижная  система поворачивается в результате взаимодействия двух стальных намагничиваю-

щихся пластинок 3, расположенных внутри катушки 1. Одна из них укреплена на оси прибора, а другая — на внутренней поверхности каркаса катушки. При прохождении тока по катушке пластины намагничиваются, и их одноименные полюсы оказываются расположенными друг против друга. Между ними возникают силы отталкивания и создается вращающий момент, поворачивающий ось со стрелкой 4.

Применение. Электромагнитные приборы используют, главным образом, для измерения тока и напряжения в промышленных установках переменного тока. При периодическом изменении тока, проходящего через прибор, усилие, создаваемое его катушкой, не будет изменяться по направлению, так как оно пропорционально квадрату тока. Угол отклонения стрелки определяется некоторым средним усилием F, значение которого пропорционально среднему квадратичному значению тока или напряжения. Следовательно, электромагнитные приборы в цепях переменного тока измеряют действующие значения тока или напряжения.

Катушка при измерениях может быть включена в электрическую цепь последовательно  или параллельно двум точкам, между  которыми действует некоторое напряжение. В первом случае прибор будет работать в качестве амперметра, во втором —  в качестве вольтметра.

Достоинством  приборов электромагнитной системы  являются простота и надежность конструкции, невысокая стоимость, стойкость  к перегрузкам и пригодность  для измерений в цепях переменного  и постоянного тока. К недостаткам  относятся невысокая точность, малая  чувствительность, неравномерность  шкалы и зависимость показаний  от внешних магнитных полей и  частоты переменного тока.

5. Измерение тока и напряжения

Измерение тока. Для измерения тока в цепи амперметр 2 (рис. 332, а) или миллиамперметр включают в электрическую цепь последовательно с приемником 3 электрической энергии.

Для того чтобы включение амперметра не оказывало  влияния на работу электрических  установок и он не создавал больших  потерь энергии, амперметры выполняют  с малым внутренним сопротивлением. Поэтому практически сопротивление  его можно считать равным нулю и пренебрегать вызываемым им падением напряжения. Амперметр можно включать в цепь только последовательно с  нагрузкой. Если амперметр подключить непосредственно к источнику 1, то через катушку прибора пойдет очень большой ток (сопротивление  амперметра мало) и она сгорит.

Для расширения пределов измерения амперметров, предназначенных  для работы в цепях постоянного  тока, их включают в цепь параллельно  шунту 4 (рис. 332,б). При этом через  прибор проходит только часть I_А измеряемого тока I, обратно пропорциональная его сопротивлению R_А. Большая часть I_ш этого тока проходит через шунт. Прибор измеряет падение напряжения на шунте, зависящее от проходящего через шунт тока, т. е. используется в качестве милливольтметра. Шкала прибора градуируется в амперах. Зная сопротивления прибора R_A и шунта R_ш можно по току I_А, фиксируемому прибором, определить измеряемый ток:

I = I_А (R_А+R_ш)/R_ш = I_Аn (105)

где n = I/I_А = (R_A + R_ш)/R_ш — коэффициент шунтирования. Его обычно выбирают равным или кратным 10. Сопротивление шунта, необходимое для измерения тока I, в n раз большего, чем ток прибора I_А,

R_ш = R_A/(n-1) (106)

Конструктивно шунты либо монтируют в корпус прибора (шунты на токи до 50 А), либо устанавливают вне его и соединяют с прибором проводами. Если прибор предназначен для постоянной работы с шунтом, то шкала его градуируется сразу в значениях измеряемого тока с учетом коэффициента шунтирования и никаких расчетов для определения тока выполнять не требуется. В случае применения наружных (отдельных от приборов) шунтов на них указывают номинальный ток, на который они рассчитаны, и номинальное напряжение на зажимах (калиброванные шунты). Согласно стандартам это напряжение может быть равно 45, 75, 100 и 150 мВ. Шунты подбирают к приборам так, чтобы при номинальном напряжении на зажимах шунта стрелка прибора отклонялась на всю шкалу. Следовательно, номинальные напряжения прибора и шунта должны быть одинаковыми. Имеются также индивидуальные шунты, предназначенные для работы с определенным прибором. Шунты делят на пять классов точности (0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5). Обозначение класса соответствует допустимой погрешности в процентах.

Для того чтобы повышение температуры  шунта при прохождении по нему тока не оказывало влияния на показания  прибора, шунты изготовляют из материалов с большим удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом (константан, манганин, никелин и  пр.). Для уменьшения влияния температуры  на показания амперметра последовательно  с катушкой прибора в некоторых  случаях включают добавочный резистор из констан-тана или другого подобного материала.

Измерение напряжения. Для измерения напряжения U, действующего между какими-либо двумя точками электрической цепи, вольтметр 2 (рис. 332, в) присоединяют к этим точкам, т. е. параллельно источнику 1 электрической энергии или приемнику 3.

Для того чтобы включение вольтметра не оказывало  влияния на работу электрических  установок и он не создавал больших  потерь энергии, вольтметры выполняют  с большим сопротивлением. Поэтому  практически можно пренебрегать проходящим по вольтметру током.

Для расширения пределов измерения вольтметров  последовательно с обмоткой прибора  включают добавочный резистор 4 (R_д) (рис. 332,г). При этом на прибор приходится лишь часть U_v измеряемого напряжения U, пропорциональная сопротивлению прибора R_v.

Зная  сопротивление добавочного резистора  и вольтметра, можно по значению напряжения U_v, фиксируемого вольтметром, определить напряжение, действующее в цепи:

U = (R_v+R_д)/R_v * U_v = nU_v (107)

Величина  n = U/U_v=(R_v+R_д)/R_v показывает, во сколько раз измеряемое напряжение U больше напряжения U_v, приходящегося на прибор, т. е. во сколько раз увеличивается предел измерения напряжения вольтметром при применении добавочного резистора.

Сопротивление добавочного резистора, необходимое  для измерения напряжения U, в  п раз большего напряжения прибора Uv, определяется по формуле R_д=(n— 1) R_v.

Добавочный  резистор может встраиваться в прибор и одновременно использоваться для  уменьшения влияния температуры  окружающей среды на показания прибора. Для этой цели резистор выполняется  из материала, имеющего малый температурный  коэффициент, и его сопротивление  значительно превышает сопротивление  катушки, вследствие чего общее сопротивление  прибора становится почти независимым  от изменения температуры. По точности добавочные резисторы подразделяются на те же классы точности, что и шунты.

Делители напряжения. Для расширения пределов измерения вольтметров применяют также делители напряжения. Они позволяют уменьшить подлежащее измерению напряжение до значения, соответствующего номинальному напряжению данного вольтметра (предельного напряжения на его шкале). Отношение входного напряжения делителя U₁ к выходному U₂ (рис. 333, а) называетсякоэффициентом деления. При холостом ходе U₁/U₂ = (R₁+R₂)/R2 = 1 + R₁/R₂. В делителях напряжения это отношение может быть выбрано равным 10, 100, 500 и т. д. в зависимости от того, к каким

выводам делителя подключен вольтметр (рис. 333,б). Делитель напряжения вносит малую  погрешность в измерения только в том случае, если сопротивление  вольтметра R_v достаточно велико (ток, проходящий через делитель, мал), а сопротивление источника, к которому подключен делитель, мало.

Измерительные трансформаторы. Для включения электроизмерительных приборов в цепи переменного тока служат измерительные трансформаторы, обеспечивающие безопасность обслуживающего персонала при выполнении электрических измерений в цепях высокого напряжения. Включение электроизмерительных приборов в эти цепи без таких трансформаторов запрещается правилами техники безопасности. Кроме того, измерительные трансформаторы расширяют пределы измерения приборов, т. е. позволяют измерять большие токи и напряжения с помощью несложных приборов, рассчитанных для измерения малых токов и напряжений.

Измерительные трансформаторы подразделяют на трансформаторы напряжения и трансформаторы тока. Трансформатор напряжения 1 (рис. 334, а) служит для подключения вольтметров  и других приборов, которые должны реагировать на напряжение. Его выполняют, как обычный двухобмоточный понижающий трансформатор: первичную обмотку подключают к двум точкам, между которыми требуется измерить напряжение, а вторичную — к вольтметру 2.

На схемах измерительный трансформатор напряжения изображают как обычный трансформатор (на рис. 334, а показано в круге).

Так как  сопротивление обмотки вольтметра, подключаемого к трансформатору напряжения, велико, трансформатор  практически работает в режиме холостого  хода, и можно с достаточной  степенью точности считать, что напряжения U₁ и U₂ на первичной и вторичной обмотках будут прямо пропорциональны числу витков ?₁ и ?₂ обеих обмоток трансформатора, т. е.

U₁/U₂ = ?₁/?₂ = n (108)

Таким образом, подобрав соответствующее  число витков ?₁ и ?₂ обмоток трансформатора, можно измерять высокие напряжения, подавая на электроизмерительный прибор небольшие напряжения.

Напряжение U₁ может быть определено умножением измеренного вторичного напряжения U₂ на коэффициент трансформации трансформатора n.

Вольтметры, предназначенные для постоянной работы с трансформаторами напряжения, градуируют на заводе с учетом коэффициента трансформации, и значения измеряемого  напряжения могут быть непосредственно  отсчитаны по шкале прибора.

Для предотвращения опасности поражения обслуживающего персонала электрическим током  в случае повреждения изоляции трансформатора один выэод его вторичной обмотки и стальной кожух трансформатора должны быть заземлены.

Трансформатор тока 3 (рис. 334,б) служит для подключения амперметров и других приборов, которые должны реагировать на протекающий по цепи переменный ток. Его выполняют в виде

обычного  двухобмоточного повышающего трансформатора; первичную обмотку включают последовательно в цепь измеряемого тока, к вторичной обмотке подключают амперметр 4.

Схемное обозначение измерительных трансформаторов  тока показано на рис. 334, б в круге.

Так как  сопротивление обмотки амперметра, подключаемого к трансформатору тока, обычно мало, трансформатор практически  работает в режиме короткого замыкания, и с достаточной степенью точности можно считать, что токи I₁ и I₂, проходящие по его обмоткам, будут обратно пропорциональны числу витков ?₁ и ?₂ этих обмоток, т.е.

I₁/I₂ = ?₁/?₂ = n (109)

Следовательно, подобрав соответствующим образом  число витков ?₁ и ?₂ обмоток трансформатора, можно измерять большие токи I₁, пропуская через электроизмерительный прибор малые токи I₂. Ток I₁ может быть при этом определен умножением измеренного вторичного тока I₂ на величину n.

Амперметры, предназначенные для постоянной работы совместно с трансформаторами тока, градуируют на заводе с учетом коэффициента трансформации, и значения измеряемого тока I₁могут быть непосредственно отсчитаны по шкале прибора.

Для предотвращения опасности поражения обслуживающего персонала электрическим током  в случае повреждения изоляции трансформатора один из зажимов вторичной обмотки  и кожух трансформатора заземляют.