LCT_MES3 (Теоретическая механика лекции из МАИ (ворд)), страница 3

Пределы измерений от 500 мкВб до мкВб. Основная приведенная погрешность от 1,5%.

4.3. Приборы электродинамической системы

Принцип действия приборов электродинамической системы (в дальнейшем ЭД-приборов) и пример обозначений на шкале показаны на рис. 28.

Вращающий момент создается в результате взаимодействия токов, протекающих в подвижной и неподвижной катушках. Этот момент пропорционален произведению мгновенных значений токов:

.

Момент инерции подвижной части прибора (катушка и стрелка) достаточно велик, и поэтому она не успевает реагировать на быстрые изменения токов, то есть является простым механическим низкочастотным фильтром. Поскольку эти приборы, как правило, предназначены для измерения характеристик перио-

дических сигналов, то постоянная составляющая вращающего момента записывается в виде среднего значения

,

где T - период сигналов тока , - постоянный коэффициент.

На основе механизма электродинамической системы создаются амперметры, вольтметры и ваттметры (см. схемы а), б), в) рис. 28).

а) ЭД амперметр. Из схемы рис. 28 видно, что через обе катушки течет один и тот же ток, поэтому среднее значение вращающего момента пропорционально действующему значению измеряемого тока вне зависимости от формы кривой тока:

.

Из этой формулы следует, что ЭД амперметр позволяет измерять постоянный ток и действующее значение переменного тока, о чем говорит специальный знак на шкале. Вследствие значительной индуктивности катушек частотный диапазон ЭД амперметров ограничен сверху значением 5000 Гц. В связи с этим при наличии в кривой тока высокочастотных составляющих, которые превышают частотный диапазон прибора, все-таки появляется незначительная зависимость результатов измерений от формы кривой.

Предельные свойства ЭД амперметров.

- предел допускаемой основной приведенной погрешности - от 0,2% до 1,0%,

- диапазон измерений - от 0,005 А и выше, с трансформатором тока - до 6 000 А,

- диапазон частот - 0; 45 ¸ 5000 Гц,

- собственное сопротивление не более нескольких Ом.

Шкала ЭД амперметра неравномерна. Конструктивными мерами путем подбора формы катушек ее стремятся сделать равномерной. На шкалах отечественных ЭД амперметров обычно нанесены жирные точки, за пределами которых объявленный класс точности не обеспечивается.

б) ЭД вольтметр. В силу отмеченных обстоятельств ЭД вольтметр используется для измерения постоянного и действующего значения переменного напряжения практически вне зависимости от формы кривой, если частоты высших гармоник кривой напряжения не выходят за пределы его частотного диапазона. Из-за большого потребляемого тока (3 мА) сопротивление ЭД вольтметра не может быть большим. Так, на пределе 30 В его сопротивление не может быть больше 10 000 Ом. Поэтому ЭД вольтметры применяются для измерений в мощных цепях, в которых шунтирующее действие их невысокого сопротивления не будет заметно сказываться на результатах измерений.

Предельные свойства ЭД вольтметров.

- предел допускаемой основной приведенной погрешности - от 0,2% до 1,0%,

- диапазон измерений - от 5 В до 600 В, с трансформатором - до В.

- диапазон частот - до 5000 Гц,

- собственное сопротивление - (100 - 2000) Ом.

Свойства шкал ЭД вольтметров такие же, как у шкал ЭД амперметров.

в) ЭД ваттметр. Предназначен для измерения мощности, выделяемой постоянным и переменным током в нагрузке. Ток нагрузки, который может достигать десятков ампер, проходит через неподвижную катушку, называемую последовательной цепью ваттметра. Через подвижную катушку (параллельную цепь ваттметра) пропускается ток, пропорциональный напряжению, подаваемому от источника. Для периодических сигналов с учетом сдвига фаз j между током и напряжением выражение для среднего вращающего момента имеет вид:

,

где - действующие значения тока и напряжения, - постоянный коэффициент.

Из последнего выражения видно, что вращающий момент, и следовательно, угол отклонения стрелки электродинамического ваттметра прямо пропорционален активной мощности. Поэтому шкала электродинамического ваттметра линейна.

Зажимы ваттметра, помеченные звездочкой, как это показано на рис. 28 в), присоединятся к проводам, идущим от источника, и потому эти зажимы называются генераторными.

Предельные свойства электродинамических ваттметров.

- предел допускаемой основной приведенной погрешности от 0,05%,

- пределы измерения от единиц ватт до Вт (с трансформаторами тока и напряжения).

- диапазон частот - 45 ¸ 2000 Гц.

4.4. Приборы ферродинамической системы

Назначение, схемы включения и принцип действия - те же, что и у ЭД - приборов. Как видно из рис. 29, конструктивное различие заключается в том, что с целью усиления электромагнитного поля неподвижной катушки, она снабжена магнитопроводом из листовой наборной электротехнической стали. По аналогии с МЭ - приборами, магнитопровод снабжен наконечниками и - для уменьшения магнитного сопротивления - сердечником, так что для подвижной катушки обеспечивается равномерный воздушный зазор.

За счет указанных мероприятий вращающий момент ФД - приборов существенно увеличен, а вся магнитная система оказывается экранированной от действия внешних магнитных полей, которые могут возникать на энергоемких предприятиях, особенно в местах расположения приборных щитов. Поэтому чаще всего ФД - приборы применяются, как щитовые приборы для вертикального расположения. Из-за сравнительно большого вращающего момента ФД - приборы устойчивы к тряске и вибрациям и успешно применяются на железнодорожных, морских и воздушных транспортных средствах. Стрелка и шкала и иные индикаторы ФД - приборов обычно делаются хорошо видимыми с обычного расстояния от щита 1 - 2,5 м, за которым следит технолог, управляющий производственным процессом.

С другой стороны, наличие магнитопровода значительно увеличивает индуктивность неподвижной катушки, и поэтому частотный диапазон ФД - приборов существенно уже частотного диапазона ЭД - приборов.

Диапазоны измерений действующих значений тока, напряжения и активной мощности те же, что и у ЭД - приборов. Точность ФД - приборов ниже и не бывает лучше, чем 0,5%. Частотный диапазон 0 Гц, 45 ¸ 500 Гц. Собственное сопротивление ФД вольтметров составляет (100 ¸ 2000) Ом. Большое значение вращающего момента дает возможность использовать ФД механизм для построения самопишущих приборов. Для этого на стрелке устанавливается пишущий инструмент (перо, чернильница), и в прибор встраивается лентопротяжный механизм, перемещающий бумажную ленту - диаграмму.

4.5. Приборы электромагнитной системы

Принцип действия приборов электромагнитной системы (в дальнейшем ЭМ - приборы) поясняется рис. 30, на котором приведены типичные надписи на шкале. Вращающий момент создается за счет того, что ток i(t), протекающий по катушке, выполненной, как соленоид со щелевидным отверстием, создает электромагнитное поле, которое втягивает внутрь катушки фигурную пластину, изготовленную из электротехнической стали. Этот момент пропорционален квадрату силы тока и содержит поэтому постоянную и переменную составляющие. Частота первой гармоники переменной составляющей равна удвоенной частоте первой гармоники измеряемой силы тока. В силу инерционности подвижной части переменная составляющая фильтруется, и средний вращающий момент равен

,

где T - период измеряемого тока, - постоянный коэффициент.

Как видно из этого выражения, ЭМ - приборы позволяют измерять действующее значение переменного тока, а также силу постоянного тока, о чем свидетельствует также соответствующий знак на шкале.

Из принципа действия ЭМ - приборов следует, что на его показания могут оказывать сильное воздействие внешние магнитные поля. Чтобы уменьшить их действие, в ЭМ - приборах предусматривается дифференциальная конструкция, как это показано на рис. 30. Компенсация действия внешнего поля происходит за счет того, что моменты, которые оно создает при воздействии на обе стороны подвижной части, действуют в противоположных направлениях, а моменты, создаваемые измеряемым током, действуют в одном направлении. Эта компенсация будет неполной, если внешнее поле неоднородно в объеме подвижного механизма прибора.

На рис. 30 показан ЭМ амперметр. ЭМ вольтметр получается присоединением к ЭМ амперметру последовательно добавочного сопротивления.

В силу квадратичной зависимости вращающего момента от силы тока шкала ЭМ - приборов неравномерна. Равномерности шкалы на рабочей части добиваются путем подбора формы пластин, втягивающихся в катушку.

Метрологические и эксплуатационные свойства ЭМ - приборов невысоки. Ток полного отклонения стрелки не менее 5 мА, предел допускаемой основной приведенной погрешности не менее 0,5%, частотный диапазон составляет 0 Гц и 40¸3000 Гц. Собственное сопротивление ЭМ - вольтметров составляет (100 ¸ 2000) Ом.

Достоинством ЭМ - приборов является отсутствие токоподводов к подвижной части, низкая трудоемкость в изготовлении и низкая стоимость используемых материалов и, следовательно, пониженная цена по сравнению с другими приборами, имеющими равные метрологические свойства.

Основное применение - в качестве щитовых приборов, в том числе, на транспортных средствах.

4.6. Приборы электростатической системы

Действие электростатического прибора (в дальнейшем ЭС - прибора) основано на использовании силы, возникающей между пластинами воздушного конденсатора, заряды на которых имеют разные знаки. Схематический чертеж ЭС - прибора представлен на рис.31. Измеряемое напряжение u(t) прикладывается к неподвижным и подвижным пластинам, которые под действием указанной силы втягиваются в пространство между неподвижными пластинами. Вращающий момент пропорционален квадрату напряжения и содержит поэтому постоянную и переменную составляющую. Частота первой гармоники переменной составляющей в два раза больше частоты первой гармоники измеряемого напряжения. В силу инерционности подвижной части переменная составляющая вращающего момента фильтруется, и подвижная часть отклоняется на угол, пропорциональный постоянной составляющей, то есть среднему значению вращающего момента:

,

где T - период измеряемого тока, - постоянный коэффициент.