Системы электроизмерительных приборов непосредственной оценки

Глава 7

Электрические измерения и приборы

В современных условиях контроль за технологическими процессами, потреблением электриче­ской энергии, режимом работы электрооборудования, измерением неэлектрических величин осуще­ствляется с помощью электроизмерительных приборов. Эти приборы измеряют ток, напряжение, мощность, cos(j) , частоту, электрическую энергию и т.д.

Различают электроизмерительные приборы непосредственной оценки и приборы сравнения.

7.1. Системы электроизмерительных приборов непосредственной оценки.

Электрические измерения существенно упрощаются при использовании приборов непо­средственной оценки (прямого отсчета), показывающих численное значение измеряемой величины по их отсчетному устройству (по положению стрелки на шкале или по цифровому отсчетному устрой­ству). Электроизмерительный прибор этого типа независимо от назначения и принципа действия вклю­чает в себя измерительную цепь, измерительный механизм и отсчетное устройство.

Измерительная цепь служит для преобразования измеряемой электрической величины в величину, непосред­ственно воздействующую на измерительный механизм. Измерительный механизм преобразует электрическую величину в угол поворота подвижной части отсчетного устройства, служащего для визуального представления значений измеряемой величины в зависимости от угла поворота  подвижной части.

В простейшем приборе, например в амперметре, катушка его включается последовательно в ветвь электрической цепи, где необходимо измерить ток. В более сложных приборах измерительные цепи содержат кроме катушек конденсаторы, резисторы и т.п.

Измерительный механизм прибора имеет подвижную часть, каждому положению которой соот­ветствует определенное значение измеряемой величины. С подвижной частью связаны стрелка или другое указательное устройство (световой луч, цифровой счетный механизм). Перемещение подвиж­ной части измерительного механизма происходит в результате взаимодействия магнитных (или элек­трических) полей в приборе. Это взаимодействие создает вращающий момент М_вр, зависящий от зна­чения измеряемой величины.

Рекомендуемые материалы

Для того, чтобы подвижная часть вместе со стрел­кой занимала определенное положение, соответствующее значению измеряемой величины, необходимо уравновесить вращающий момент противодействующим моментом М_пр, который зачастую создается ме­ханическими элементами (пружинами, растяжками и др.). Значение этого момента пропорционально углу закручивания пружины и при установившемся отклонении  М_вр=М_пр.

Механические колебания подвижной часть прибора после внезапного нарушения равновесия моментов, вызванного изменением измеряемой величины, гасятся (демпфируются) успокоителями.

По принципу действия различают следующие системы электроизмерительных приборов: магнито­электрическую, электромагнитную, электродинамическую, индукционную и др.

7.1.1. Магнитоэлектрическая система.

В магнитоэлектрических приборах вращающий момент создается взаимодействием магнитного поля постоянного магнита и измеряемого постоянного тока  в катушке механизма. В воздушном зазоре 1 (рис. 7.1) между неподвижным сталь­ным цилиндром 2 и полюсными наконечниками NS неподвижного постоянного магнита расположена алюминиевая рамка с об­моткой 3, состоящей из w витков изолированной проволоки.

Рамка жестко соединена с двумя полуосями О и О', которые своими концами опираются о под­шипники. На полуоси О за­креплены указательная стрелка 4 и две спиральные пружинки 5 и 5', через которые к катушке подводится измеряемый ток I, противовесы 6. Полюсные наконечники NS и стальной цилиндр 2 обеспечивают в зазоре 1 равномерное радиальное магнитное поле с индукцией В. В результате взаимодействия магнитного поля с током в проводниках обмотки 3 создается вращаю­щий момент. Рамка с обмоткой при этом поворачивается и стрелка отклоняется на угол a. Электро­магнитная сила, действую­щая на обмотку, равна: F_эм=wBlI.

Вращающий момент, создаваемый силой F_эм:

M_вр = F_эмd = wBlI = C₁I₁ ,

где d и l— ширина и длина рамки (обмотки); C₁ — коэф­фициент, зависящий от числа витков w, размеров обмотки и магнитной индукции В.

Повороту рамки противодействуют спиральные пружинки 5 и 5', создающие противодействую­щий момент, пропорцио­нальный углу закручивания a:

М_пр=С₂a ,

где С₂ — коэффициент, зависящий от жесткости пружинок.

Стрелка устанавливается на определенном делении шкалы при равенстве моментов М_вр=M_пр, т.е. когда С₁I=С₂a.

Угол поворота стрелки

пропорционален току. Следовательно, у приборов магнитоэлек­трической системы шкала равномер­ная, что является их до­стоинством.

При измене­нии направления тока изменяется направление вращающего момента (определяемое прави­лом левой руки). При включении прибора магнитоэлектрической системы в цепь переменного тока на катушку действуют быстро изменяющие­ся по значению и направлению механические силы, среднее зна­чение которых равно нулю. В результате стрелка прибора не будет отклоняться от нуле­вого положения. Поэтому эти при­боры нельзя применять непосредственно для измерений в це­пях переменного тока.

Успокоение (демпфирование) стрелки в приборах магнитоэлектрической системы происходит благодаря тому, что при перемещении алюминиевой рамки в магнитном поле постоян­ного магнита NS в ней индуктируются вихревые токи. В резуль­тате взаимодействия этих токов с магнитным полем возникает момент, действующий на рамку в направлении, противополож­ном ее перемещению, вызывая быстрое успокоению колебаний рамки.

Достоинствами приборов магнитоэлектрической системы являются: точность показаний, малая чувствитель­ность к посторонним магнитным полям, равномерность шкалы, незначительное собственное потреб­ление мощности. К недостаткам следует отнести необходимость применения специальных преобра­зователей при измерении в цепях переменного тока и чувствительность к перегрузкам.

7.1.2. Электромагнитная система.

Принцип действия элек­тромагнитных приборов основан на втягивании стального сер­дечника в неподвижную обмотку с током. Неподвижный элемент прибора — обмотка 1, выполненная из изоли­рованной проволоки, включается в электрическую цепь (рис. 7.2).

Подвижный элемент — стальной сердечник 2, имеющий форму лепестка,— эксцентрично укреп­лен на оси О. С этой же осью жестко соединены указательная стрелка 3, спиральная пружинка 4, обеспечивающая противодействующий момент, и поршень 5 успокоителя. Ток I в витках обмотки 1 образует магнитный поток, сердечник 2 намагничивается и втягивается в обмотку. При этом ось О поворачивается и стрелка прибора отклоняется на угол a.

Магнитная индукция  В  в сердечнике (при отсутствии насы­щения) пропорциональна току обмотки. Сила F, с которой сер­дечник втягивается в обмотку, зависит от тока и магнитной ин­дукции  В  в сер­дечнике. Приближенно можно принять, что сила F, а следовательно, и обусловленный ею вращаю­щий момент пропорциональны квадрату тока в катушке:

М_вр=СI ².

Противодействующий момент, уравновешивающий вращающий момент, пропорционален углу a. В связи с этим угол отклонения стрелки нахо­дится в квадратичной зависи­мости от тока; шкала при­бора оказывается неравномерной.

Для успокоения подвижной части прибора обычно приме­няют воздушный демпфер. Он состоит из цилиндра 6 и поршня 5, шток которого укреплен на оси О. Сопротивление воздуха, оказываемое    перемещению поршня в цилиндре, обеспечи­вает быстрое успокоение стрел­ки.

Для ослабления влияния посторонних магнитных полей в неко­торых приборах на оси подвижной части (рис. 7.3) укреплены два оди­наковых сердечника, каждый из которых размещен в магнитном поле соответствующей обмотки (1 и 2), которые включены между собой последовательно.

Направле­ние намотки обмоток выполнено так, что их магнитные поля Ф₁ и Ф₂ направлены в противополож­ные стороны. Моменты, созданные магнитными полями каждой обмотки, действуют на ось согласно M_вр1 + M_вр2 = M_вр. Постороннее магнитное поле Ф_вн ослабляет поток Ф₁, но усиливает поток Ф₂. В результате общий вращающий момент М_вр остается неизменным и зависит от изме­ряемого тока I. Приборы такой конструкции называются астатиче­скими. Для уменьшения погрешности измерений, вносимой посторон­ними магнитными полями, некоторые приборы экранируют, помещая их в сталь­ные корпуса.

Достоинства приборов элек­тромагнитной системы: просто­та конструкции, пригодность для изме­рения в цепях постоян­ного и переменного тока, надежность в эксплуатации. К недостат­кам относятся неравномерность шкалы, влияние посторонних магнитных полей на точность показаний. Последнее обусловле­но тем, что магнитное поле обмотки расположено в воздушной среде и поэтому его маг­нитная индукция невелика.

7.1.3. Электродинамическая система.

Приборы этой системы (рис. 7.4,а) состоят из двух обмоток: неподвижной 1 и подвиж­ной 2. Подвижная обмотка укреплена на оси OO' и расположе­на внутри неподвижной обмотки. На оси OO' подвижной об­мотки укреплены указательная стрелка 3 и спиральные пружинки 4 и 4', через которые подводится ток к обмотке 2. Эти же пружинки создают противодействующий момент М_пр, пропор­циональный углу закручивания a. Принцип действия прибора (рис. 7.4,б) основан на взаимодействии тока I₂ под­вижной обмотки с магнитным потоком Ф₁, неподвижной обмотки.

При постоянном токе электромагнитная сила F_эм, действую­щая на проводники подвижной об­мотки, пропорциональна то­ку и магнитному потоку Ф₁. Поскольку поток Ф₁ пропорцио­нален току I₁ неподвижной обмотки, вращающий момент, действующий на подвижную обмотку, пропорционален про­изведению токов обмоток:

М_вр= С' Ф₁I₂ = С"I₁I₂ , где С' и С" — коэффициенты пропорциональности.

При переменном токе вращающий момент пропорционален произведению мгновенных значе­ний токов:

i_{1 =} I_1mּsin(ωt)  и  i_{2 =} I_2mּsin(ωt + ψ).

Показание прибора в этом случае определяется средним за период значением вращающего мо­мента:

М_вр = ψ.

Здесь С — коэффициент, зависящий от числа витков, геоме­трических размеров и расположе­ния катушек; I₁ и I₂ — действующие значения токов в обмотках; ψ— угол сдвига фаз между векто­рами токов I₁ и I₂.

При равенстве моментов (M_вр = М_пр) подвижная обмотка отклоняется на угол α и стрелка ука­зывает на шкале числовое значение измеряемой электрической величины. Для успокоения подвиж­ной части прибора используют воздушные демпферы. Электродинамические приборы применяют для измере­ния мощности, тока и напряжения в цепях переменного тока.

Приборы электродинамической системы обладают высокой точностью (обусловленной отсут­ствием ферромагнитных сер­дечников) и могут быть использованы для измерения электри­ческих ве­личин в цепях постоянного и переменного тока. Недостатками приборов являются чувствительность к перегрузкам и влияние посторонних магнитных полей на точность измерений. Приборы этой сис­темы используются в качестве амперме­тров, вольтметров, и ваттметров.

7.1.4. Индукционная система.

Принцип действия индукционных приборов поясним на упрощенной схеме устройства однофазного счетчика переменного тока (рис. 7.5,а—в).

Основными элементами прибора являются: трехстержневой электромагнит 1 с обмоткой 2, имеющей большое число вит­ков из тонкой проволоки; П-образный электромагнит 3 с об­моткой 4, имеющей небольшое число витков из толстой прово­локи; алюминиевый диск 5, который может вра­щаться вокруг оси 6.

Обмотка 2 включается параллельно измеряемой цепи, а об­мотка 4 — последовательно с этой цепью.

Ток I₁ в катушке 4 образует магнитный поток Ф₁ который дважды пересекает алюминиевый диск 5. Ток I₂ в обмотке 2 создает магнитный поток, часть которого Ф₂ также пронизы­вает диск 5 (поток Ф₂ замыкается по стальной скобе 7).

Ток I₁ и напряжение U сдвинуты по фазе на угол j, значе­ние которого определяется характером нагрузки, присоединен­ной к линии Л. Ток I₂ благодаря большой индуктивности обмотки 2 отстает по фазе от напряжения U на угол, близкий к 90°. Магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ совпадают по фазе с вызвав­шими их токами I₁ и I₂ (рис.7.5, г). Поток Ф₁ пропорционален току нагрузки I₁, а поток Ф₂ — напряжению сети.

Переменные потоки Ф₁, и Ф₂ индуктируют в алюминиевом диске ЭДС E₁ и Е₂, отстающие по фазе от этих потоков на 90°. ЭДС E₁ и E₂ вызывают в диске токи I_Д1, и I_Д2 которые можно считать совпадающими по фазе с вызвавшими их ЭДС. При­мерная картина распределения токов в диске показана на рис.7.5,б.

Мгновенное значение силы F_эм действующей на элемент ди­ска с током i_д, равно

F_эм = kФi_д = kФ_msin(ωt)ּI_дmsin(ωt +ψ),

где k — коэффициент пропорциональности; ψ — угол сдвига фаз между потоком Ф и током I_д.

Среднее за период значение силы F_эм

F_ср= _эм dt = ωtּsin(ωt+ ψ)dt = k₂ФI_дcos ψ.        (7.1)

Из векторной диаграммы видно, что углы между потоком Ф₁ и током I_д1 и между потоком Ф₂ и током I_д2 равны 90°, угол между потоком Ф₁ и током I_д2 составляет (180° — j), а угол -ме­жду потоком Ф₂ и током I_д1 равен j.

Учитывая это и исходя из (7.1), находим, что силы взаимо­действия магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ с токами I_д1 и I_д2 создают результирующий момент, вращающий диск:

М_вр = С₁Ф₁I_д2 cos(180˚− j) + С₂Ф₂I_д1 cos j =

= C ^'Ф₁Ф₂ cos(180˚− j) + С ^'Ф₁Ф₂ cos j = CUI₁cos j = CP,       (7.2)

где C', С₁, С₂ — коэффициенты пропорциональности; Р — ак­тивная моность,птребляемая на­грузкой.

Из (7.2) следует, что вращающий момент, действующий на диск счетчика, пропорционален мощности Р.

Для создания противодействующего момента предусмотрен постоянный магнит 8 (рис.7.5а и б). При вращении диска поле постоянного магнита, индуктирует в нем вихревые токи, ко­торые в со­ответствии с законом Ленца противодействуют вра­щению диска. Поскольку значение вихревых то­ков пропорцио­нально частоте вращения диска п, противодействующий мо­мент также пропорциона­лен n:

М_пр = С_оn.

Рекомендация для Вас - 5.2 Материальная культура, экономика и условия жизни в средние века.

Так как вращающий момент М_вр при установившейся час­тоте вращения диска уравновешива­ется противодействующим моментом М_пр, из формул (7.1) и (7.2) следует, что частота вра­щения диска пропорциональна мощности Р:

.

Число оборотов N, которое диск сделает за время t, будет пропорционально энергии W, полу­ченной из сети нагрузкой за это же время:

N = .

Величина W/N=C₀/C называется постоянной счетчика и представляет собой электрическую энергию, соответствующую одному обороту диска.

Счетчик снабжается счетным механизмом, связанным червячной передачей с осью диска. Измеряемая счетчиком энергия отсчитывается по показаниям счетного механизма.