ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ И ФЕРРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
Общие сведения. Электродинамические (ферродинамические) приборы состоят из электродинамического (ферродинамического) измерительного механизма с отсчетным устройством и измерительной цепи. Эти приборы применяют для измерения постоянных и переменных токов и напряжений, мощности в цепях постоянного и переменного тока, угла фазового сдвига между переменными токами и напряжениями. .Электродинамические приборы являются наиболее точными электромеханическими приборами для цепей переменного тока.
Измерительный механизм. Вращающий момент в электродинамических и ферродинамических измерительных механизмах возникает в результате взаимодействия магнитных полей неподвижных и подвижной катушек с токами.
Электродинамический измерительный механизм (рис. ) имеет две последовательно соединенные неподвижные катушки1, разделенные воздушным зазором, и подвижную катушку 2. Ток к подвижной катушке подводится через пружинки, создающие противодействующий момент.
Успокоение создается воздушным или магнитоиндукционным успокоителем.
При протекании токов в обмотках катушек измерительного механизма возникает момент, поворачивающий подвижную часть.
Вращающий момент имеет постоянную и гармоническую составляющие. Отклонение подвижной части обычно применяемого электродинамического измерительного механизма при работе его в цепи переменного тока промышленной и более высокой частоты определяется постоянной составляющей момента.
|
|
В электродинамических логометрических механизмах подвижная часть состоит из двух жестко скрепленных между собой под определенным углом подвижных катушек, находящихся в поле неподвижных катушек. Токи к подвижным катушкам подводят с помощью безмоментных токоподводов. Анализ работы механизма показывает, что угол отклонения подвижной части определяется отношением токов через подвижные катушки и зависит от фазовых сдвигов этих токов относительно тока через неподвижную катушку.
На работу электродинамических измерительных механизмов сильное влияние оказывают внешние магнитные поля, так как собственное поле механизма невелико. Для защиты от внешних магнитных полей применяют магнитное экранирование. Иногда применяют так называемые астатические измерительные механизмы, на которые внешние поля действуют значительно слабее.
Особенности электродинамических измерительных механизмов придают электродинамическим приборам определенные положительные свойства. Электродинамические измерительные механизмы работают как на постоянном, так и на переменном токе (примерно до 10 кГц.) с высокой точностью и обладают высокой стабильностью своих свойств.
|
|
Однако электродинамические измерительные механизмы имеют низкую чувствительность по сравнению с магнитоэлектрическими механизмами. Поэтому приборы с электродинамическими механизмами обладают большим собственным потреблением мощности. Электродинамические измерительные механизмы имеют малую перегрузочную способность по току, относительно сложны и дороги.
Ферродинамический измерительный механизм отличается от электродинамического механизма тем, что его неподвижные катушки имеют магнитопровод из магнитомягкого листового материала, позволяющий существенно увеличивать магнитный поток, а следовательно, и вращающий момент. Однако использование ферромагнитного сердечника приводит к появлению погрешностей, вызванных его влиянием, например погрешностей от нелинеиности кривой намагничивания, от гистерезиса при работе на постоянном токе и т. д. Ферродинамические измерительные механизмы мало подвержены влиянию внешних магнитных полей, так как имеют достаточно сильные собственные поля.
Амперметры и вольтметры . В электродинамических и ферро-динамических амперметрах для токов до 0,5 А неподвижные и подвижная катушки измерительного механизма соединяют последовательно. В этом случае токи в катушках равны.Для получения линейной зависимости, а следовательно равномерной шкалы, у электродинамических амперметров так располагают неподвижные катушки, чтобы зависимость приближалась к линейной. Практически у электродинамических амперметров шкала равномерна в пределах 25—100 % ее длины.
|
|
При последовательном включении катушек температурная и частотная (до 2000 Гц) погрешности электродинамических амперметров незначительны.
В амперметрах на токи свыше 0,5 А подвижную и неподвижные катушки включают параллельно. В этом случае осуществляют компенсацию температурной и частотной погрешностей, возникающих из-за перераспределения токов в катушках при изменении температуры и частоты. Компенсацию температурной погрешности осуществляют подбором сопротивлений добавочных резисторов из манганина и меди, включаемых в каждую из параллельных ветвей так, чтобы температурные коэффициенты сопротивления этих ветвей были одинаковыми. Компенсацию частотной погрешности выполняют включением добавочных катушек индуктивности или конденсаторов в соответствующие ветви схемы так, чтобы были равными постоянные времени этих ветвей.
|
|
Электродинамические амперметры чаще всего выпускают на два диапазона измерений. Изменение пределов при этом производится путем включения неподвижных катушек последовательно или параллельно. Для расширения пределов измерения используют измерительные трансформаторы тока.
Электродинамический вольтметр состоит из электродинамического измерительного механизма и добавочного резистора стабильного сопротивления, причем все катушки механизма и добавочный резистор включены последовательно.
В многопредельных вольтметрах последовательно с измерительным механизмом включается секционированный добавочный резистор. Поэтому многопредельные вольтметры снабжают переключателем пределов или несколькими входными зажимами. Для увеличения верхнего предела измерений вольтметра применяют измерительные трансформаторы напряжения.
В электродинамических вольтметрах при изменении температуры возникает температурная погрешность от изменения сопротивления цепи вольтметра. В вольтметрах с малым верхним пределом измерений температурная погрешность может достичь недопустимой величины. Поэтому в таких вольтметрах уменьшают сопротивление катушек, уменьшая число витков, что приводит к увеличению тока, потребляемого прибором. Частотная погрешность, вызванная изменением Z прибора, компенсируется путем шунтирования части добавочного резистора конденсатором.
Основная область применения электродинамических амперметров и вольтметров — точные измерения в цепях переменного тока, чаще всего в диапазоне частот от 45—50 Гц до тысяч герц. Их применяют также в качестве образцовых при поверке и градуировке других приборов.
Промышленность выпускает электродинамические миллиамперметры и амперметры с верхними пределами от 1 мА до 10 А на частоты до 10 кГц, многопредельные вольтметры с верхними пределами от 1,5 до 600 В на частоты до 5 кГц. Классы точности амперметров и вольтметров 0,1; 0,2; 0,5.
Область применения ферродинамических амперметров и вольтметров — измерения переменных токов и напряжений в узком диапазоне частот при тяжелых условиях эксплуатации.
Ваттметры. Электродинамический (ферродинамический) измерительный механизм лежит в основе электродинамического (ферродинамического) ваттметра.
В этом случае последовательно соединенные неподвижные катушки включают последовательно с объектом Z, потребляемая мощность которого измеряется. Подвижная катушка с добавочным резистором включается параллельно объекту. Цепь неподвижных катушек называют последовательной цепью, а цепь подвижной катушки — параллельной цепью.
Потребляемая мощность последовательной и параллельной цепями ваттметра приводит к погрешности, зависящей от способа включения ваттметра. При измерении мощности, потребляемой объектом, возможны две схемы включения ваттметра, отличающиеся способом включения параллельной цепи. Погрешности заметны лишь при измерениях мощности в маломощных цепях. Схему включения, целесообразно использовать при измерении мощности объекта с высокоомнои нагрузкой, а схему — при измерении мощности объекта с низкоомной нагрузкой.
Изменение порядка включения зажимов одной из цепей ваттметра (поворот соответствующего вектора тока) ведет к изменению направлеия отклонения подвижной части измерительного механизма. Поэтому для правильного включения ваттметра. один из зажимов последовательной и параллельной цепи обозначается звездочкой («генераторный зажим»).
Электродинамические ваттметры имеют обычно несколько верхних пределов измерения по току и напряжению: чаще всего два по току, например 5 и 10 А, и три по напряжению — 30, 150 и 300 В. Для измерения мощности при больших напряжениях и токах применяют измерительные трансформаторы напряжения и тока.
Частотомеры. В электродинамических частотомерах применяют логометрический измерительный механизм. Схема включения частотомера представлена на рис..
Параметры цепи подвижной катушки подбирают так, чтобы фазовый сдвиг между током и напряжением измеряемой частоты был равен 90°.
Подбором параметров цепи неподвижной катушки, подвижной катушки и элементов L и C добиваются резонанса напряжения в этой цепи при частоте, равной среднему значению диапазона измерений частотомера. При этом угол отклонения подвижной части логометрического измерительного механизма оказывается функцией отношения реактивных сопротивлений в цепях подвижных катушекСледовательно, шкала прибора может быть градуирована в единицах частоты.
Электродинамические частотомеры выпускают для измерений частоты в узком диапазоне изменений (45—55, 450—550 Гц и т. д.) классов точности 1; 1,5.
Электродинамический фазометр с логометрическим измерительным механизмом представлен на рис. .
Если фазовый сдвиг между токами равен углу между подвижными катушками логометрического механизма, то угол отклонения подвижной части прибора равен фазовому сдвигу между током и напряжением в нагрузке. Следовательно, шкала фазометра может быть градуирована в значениях угла ϕ или cosϕ.
Электродинамические фазометры выпускают в виде переносных приборов с диапазоном измерений угла ϕ, равным 0 — 90° или О — 360°, и cosϕ, равным 0 —1 (для индуктивной или емкостной нагрузки) классов точности 0,2; 0,5. Предназначаются они, в основном, для работы в цепях промышленной частоты.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРИБОРЫ
Общие сведения. Электромагнитные приборы состоят из электромагнитного измерительного механизма с отсчетным устройством и измерительной цепи. Они применяются для измерения переменных и постоянных токов и напряжений, для измерения частоты и фазового сдвига между переменными током и напряжением. Из-за относительно низкой стоимости и удовлетворительных характеристик электромагнитные приборы составляют большую часть всего парка щитовых приборов.
Измерительный механизм. Вращающий момент в этих механизмах возникает в результате взаимодействия одного или нескольких ферромагнитных сердечников подвижной части и магнитного поля катушки, по обмотке которой протекает ток. В настоящее время наибольшее применение получили конструкции измерительных механизмов с плоской катушкой, с круглой катушкой и с замкнутым магнитопроводом. На рис. показан механизм с плоской катушкой.
Вращающий момент имеет постоянную и гармоническую составляющие. Отклонение подвижной части обычно применяемого электромагнитного измерительного механизма при работе его в цепи переменного тока промышленной и более высокой частоты определяется постоянной составляющей момента
Если противодействующий момент создается упругими элементами, то угол поворота подвижной части
Из выражения следует, что зависимость угла отклонения подвижной части от тока нелинейна и что поворот подвижной части одинаков как при постоянном токе, так и при переменном токе, имеющем действующее значение, равное значению постоянного тока. Линейную зависимость угла отклонения от тока получают для значительной части рабочего диапазона отклонения а, изготовляя сердечник специальной формы.
В электромагнитных логометрических механизмах имеются две катушки и два сердечника. Сердечники укреплены на одной оси. Ток, протекающий через одну катушку, создает момент Мвр, а ток, протекающий через вторую катушку,— момент Мпр, направленный навстречу Мвр. При пропускании токов подвижная часть поворачивается до тех пор, пока момент Мпр не станет равным Мвр.
Электромагнитные измерительные механизмы просты по конструкции и как следствие дешевы и надежны в работе. Они способны выдержать большие перегрузки, что объясняется отсутствием токоподводов к подвижной части. Электромагнитные измерительные механизмы могут работать как в цепях постоянного, так и переменного тока (примерло до 10 кГц).
Малая точность и низкая чувствительность этих механизмов отрицательно сказывается на точности и чувствительности электромагнитных приборов. На работу электромагнитных измерительных механизмов сильное влияние оказывают внешние магнитные поля. Для устранения их влияния применяют магнитное экранирование. Иногда применяют так называемые астатические измерительные механизмы, на которые внешние поля действуют значительно слабее, чем на обычные механизмы.
Амперметры и вольтметры . В электромагнитных амперметрах катушка измерительного механизма включается непосредственно в цепь измеряемого тока.
Щитовые амперметры выпускают с одним диапазоном измерении, переносные могут иметь несколько диапазонов измерении. Выбор диапазонов измерении производят путем переключения секций обмотки катушки, включая их последовательно или параллельно. При использовании амперметров в цепях переменного тока для расширения диапазона измерений используют измерительные трансформаторы тока.
Шкала электромагнитного амперметра обычно равномерна (в пределах 25—100 %), что достигается подбором формы сердечника.
В электромагнитных амперметрах при изменении температуры возникает температурная погрешность, обусловленная изменением упругости пружинок, создающих противодействующий момент. Эта погрешность существенна для амперметров классов точности 0,2; 0,1.
При использовании амперметров в цепях постоянного тока появляется погрешность от гистерезиса намагничивания сердечника, проявляющаяся в неодинаковых показаниях при увеличении и уменьшении измеряемого тока. При изменении частоты измеряемого тока в амперметрах возникает частотная погрешность вследствие действия вихревых токов в сердечнике и других металлических частях измерительного механизма, пронизываемых магнитным потоком катушки.
Электромагнитный вольтметр состоит из электромагнитного измерительного механизма и включенного последовательно добавочного резистора со стабильным сопротивлением, предназначенного для обеспечения необходимого диапазона измерений.
Изменение верхних пределов измерений осуществляется путем подключения различных добавочных резисторов, а также с помощью измерительных трансформаторов напряжения.
Угол отклонения подвижной части электромагнитного вольтметра,
где Z — полное сопротивление цепи вольтметра, т. е. сопротивлений катушки и добавочного резистора.
Шкала электромагнитного вольтметра в пределах 25— 100 % обычно равномерна, что достигается подбором формы сердечника.
В электромагнитных вольтметрах при изменении температуры возникает температурная погрешность, обусловленная изменением сопротивления цепи вольтметра. В вольтметрах с малым верхним пределом измерения температурная погрешность может достигать больших значений.
Вольтметры имеют погрешность от гистерезиса намагничивания сердечника при использовании в цепях постоянного тока.
Частотная погрешность у электромагнитных вольтметров выше, чем у электромагнитных амперметров, что объясняется зависимостью сопротивлении катушки и добавочного резистора от частоты.
Основное назначение электромагнитных амперметров и вольтметров — измерения в цепях переменного тока промышленной частоты. Наибольшее распространение получили щитовые приборы классов точности 1,0; 1,5 и 2,5. Переносные приборы имеют более широкий частотный диапазон, чем щитовые и класс точности 0,5.
Промышленность выпускает переносные амперметры класса точности 0,5 с верхними пределами измерений от 5 мА до 10 А на частоты до 1500 Гц; щитовые однопредельные амперметры классов точности 1,0; 1,5; 2,5 на токи до 300 А со встроенными трансформаторами тока и до 15 кА с наружными трансформаторами тока; переносные вольтметры класса точности 0,5 с верхними пределами измерений от 1,5 до 600 В на частоты 45—100 Гц и классов точности 1 и 2,5 на частоты до 10 кГц; щитовые вольтметры классов точности 1,0; 1,5; 2,5 с верхними пределами измерений от 0,5 до 600 В непосредственного включения и до 450 кВ с трансформаторами напряжения на частоты в диапазоне от 45 до 1000 Гц.
Частотомеры. Схема электромагнитного частотомера на основе логометрического измерительного механизма представлена на рис.
При изменении частоты токи изменяются неодинаково, так как характер сопротивлений цепей этих токов различен. Отношение этих токов, а следовательно, и показания прибора зависят от частоты. Частотомеры этого типа выпускают на узкий диапазон измеряемых частот, например 45—55, 450—550 Гц; классы точности 1,5; 2,5.
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Общие сведения. Измерительные преобразователи представляют собой многочисленную группу средств измерений, предназначенных для выполнения различных измерительных преобразований. В зависимости от допускаемой погрешности для измерительных преобразователей устанавливают соответствующий класс точности.
Ниже рассматриваются преобразователи электрических величин, которые называются масштабные преобразователи.
Масштабные измерительные преобразователи Масштабным называют измерительный преобразователь, предназначенный для изменения величины в заданное число раз. К ним относят шунты, делители напряжения, измерительные усилители, измерительные трансформаторы тока и напряжения.
Шунты. Для уменьшения силы тока в определенное число раз применяют шунты. Например, такая задача возникает в том случае, когда диапазон показаний амперметра меньше диапазона изменения измеряемого тока.
Шунт представляет собой резистор, включаемый параллельно средству измерений. Если сопротивление шунта Rш=R/(п—1), где R—сопротивление средства измерений; п=I1/I2 — коэффициент шунтирования, то ток I2 в п раз меньше тока I1.
Шунты изготавливают из манганина. В амперметрах для измерения небольших токов (до 30 А) шунты обычно помещают в корпусе прибора, для измерения больших токов (до 7500 А) применяют наружные шунты. Шунты могут быть многопредельными, т. е. состоящими из нескольких резисторов, или имеющими несколько отводов, что позволяет изменять коэффициент шунтирования. Классы точности шунтов от 0,02 до 0,5.
Шунты используют в цепях постоянного тока в магнитоэлектрических приборах Шунты с измерительными механизмами других типов не применяют из-за малой чувствительности этих механизмов, что приводит к существенному увеличению размеров шунтов и потребляемой ими мощности. Кроме того, при использовании шунтов на переменном токе возникает дополнительная погрешность от изменения частоты, так как с изменением частоты сопротивления шунта и измерительного механизма изменяются неодинаково.
Делители напряжения. Для уменьшения напряжения в определенное число раз применяют делители напряжения, которые в зависимости от рода напряжения могут быть выполнены на элементах, имеющих чисто активное сопротивление, емкостное или индуктивное сопротивление. Делители выполняют из резисторов на основе манганина. Они имеют нормированные коэффициенты деления и классы точности от 0,0005 до 0,01.
Для увеличения верхнего предела измерения средства измерений, например предела измерения вольтметра, имеющего внутреннее сопротивление RV, применяют добавочные резисторы, включаемые последовательно с вольтметром. При этом добавочный резистор и вольтметр образуют делитель напряжения. Добавочные резисторы делают из манганиновой проволоки и используют в цепях постоянного и переменного тока (до 20 кГц). Они бывают встраиваемые внутрь прибора и наружные. Серийно выпускают калиброванные добавочные резисторы, применяемые с любым прибором, имеющим указанный номинальный ток. Классы точности калиброванных добавочных резисторов от 0,01 до 1. Добавочные резисторы применяют для преобразования напряжения до 30 кВ. Номинальный ток добавочных резисторов от 0,5 до 30 мА.
Измерительные усилители. Для усиления сигналов постоянного и переменного тока, т. е. для расширения пределов измерения в сторону малых сигналов, применяют измерительные усилители. По диапазону частот усиливаемых сигналов измерительные усилители бывают для постоянного тока и напряжения, низкочастотными (20 Гц—200 кГц), высокочастотными (до 250 МГц) и селективными, усиливающими сигналы в узкой полосе частот. Измерительные усилители выполняют с нормированной погрешностью коэффициента передачи. Находят применение электронные и фотогальванометрические усилители.
Применение электронных измерительных усилителей позволяет измерять сигналы от 0,1 мВ и 0,3 мкА с погрешностью от 0,1 до 1 %. Для усиления токов и напряжений от источников с большим внутренним сопротивлением используют электромет-рические усилители, отличающиеся большим входным сопротивлением (до 1012Ом). Серийно выпускаемые измерительные усилители имеют унифицированный номинальный выходной сигнал 10 В или 5 мА.
Измерительные трансформаторы переменного тока. Измерительные трансформаторы тока и напряжения используют как преобразователи больших переменных токов и напряжений в относительно малые токи и напряжения, допустимые для измерений приборами с пределами измерения 5 А и 100 В. Измерительные трансформаторы в цепях высокого напряжения обеспечивают безопасность для персонала, обслуживающего приборы, так как приборы при этом включаются в цепь низкого напряжения.
Измерительные трансформаторы состоят из двух изолированных друг от друга обмоток: первичной и вторичной, помещенных на ферромагнитный сердечник.
Первичную обмотку трансформатора тока включают в измеряемую цепь последовательно, а трансформаторов напряжения параллельно. Измерительные приборы включают во вторичную обмотку трансформаторов.
По показаниям приборов можно определить значения измеряемых величин. Для этого необходимо показания приборов умножить на коэффициенты трансформации.
Коэффициент трансформации трансформатора тока это отношение тока первичной обмотки к току вторичной обмотки.
Коэффициент трансформации трансформатора напряжения это отношение напряжения первичной обмотки к напряжению вторичной обмотки.
Действительные коэффициенты трансформации зависят от значений токов и напряжений, характера и значения нагрузки вторичной цепи, частоты тока, а также от конструкции трансформатора и материала сердечника и неизвестны. Поэтому показания приборов умножают не на действительные, а на номинальные коэффициенты трансформации.
Определение измеряемых величин по номинальным коэффициентам трансформации приводит к погрешностям. Погрешность токовая трансформаторов тока, погрешность напряжения трансформаторов напряжения и угловая погрешность из-за неточности передачи фазы первичной величины вторичной величине. Угловая погрешность измерительных трансформаторов оказывает влияние на показания ваттметров, счетчиков электрической энергии, фазометров.
Трансформатор тока работает в режиме, близком к режиму короткого замыкания, так как в его вторичную обмотку включаются приборы с малым сопротивлением. Полное суммарное сопротивление приборов и подводящих проводов является нагрузкой трансформатора тока.
Размыкание вторичной цепи трансформатора тока вызовет значительное увеличениемагнитного потока в магнитопроводе. Размыкание вторичной цепи — аварийный случай, так как возрастание потока в сердечнике приводит к большому увеличению ЭДС (до нескольких сотен вольт), что опасно для обслуживающего персонала и может вызвать электрический пробой изоляции вторичной обмотки. Увеличение потока сопровождается ростом потерь на перемагничивание и вихревые токи, повышением температуры сердечника, а следовательно и обмоток, и может служить причиной термического разрушения изоляции.
Для измерительных трансформаторов тока переносных установлены классы точности от 0,01 до 0,2. Их изготовляют на номинальную частоту или область номинальных частот от 25 Гц до 10 кГц. Трансформаторытока выпускают на номинальные значения первичного тока от 0,1 А до 30 кА и на номинальное значение вторичного тока 5 А.
Стационарные трансформаторы тока для частоты 50 Гц делают на номинальные первичные токи от 1 А до 40 кА. Классы точности от 0,2 до 10. Допускаемое значение токовой погрешности, соответствующее классу точности, имеет место при значении первичного тока 50 - 120 % номинального. При других значениях первичного тока погрешность увеличивается.
Трансформаторы тока изготовляют на определенную номинальную нагрузку, например, для стационарных трансформаторов от 2,5 до 100 В-А.
Трансформаторы напряжения. Измерительные трансформаторы напряжения работают в режиме, близком к режиму холостого хода, так как во вторичную обмотку включают приборы с относительно большим внутренним сопротивлением.
Погрешности напряжения и угловая зависят от нагрузки во вторичной цепи трансформатора. Поэтому во вторичную цепь нужно включать такое количество приборов, чтобы потребляемая мощность не превышала номинальной мощности трансформатора.
Трансформаторы напряжения изготовляют на номинальные первичные напряжения от 220 В до 35 кВ при вторичном напряжении 150,100 и 100/√3 В для номинальной нагрузки от 5 до 25 В-А. Для трехфазных цепей изготовляют трехфазные трансформаторы напряжения.
Дата добавления: 2022-07-01; просмотров: 18; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!