Основные понятия и определения 6 страница



Магнитоэлектрический механизм может быть применен в амперметрах. Однако в виду высокой чувствительности по току Si, непосредственно механизм может измерять только малые значения тока (микроамперы или миллиамперы). Для расширения пределов измерения по току применяют шунтирование магнитоэлектрического механизма. Для этой цели используют специальные сопротивления с нормированными метрологическими свойствами, называемыми шунтами.

Схема шунтирования механизма показана на рисунке.

                                 

Величину шунта можно рассчитать из соотношения:

где - коэффициент деления, называемый также множителем шкалы.

Обычно Rш=10-2…10-3 Ом.

Магнитоэлектрические вольтметры.

При измерении напряжения при помощи магнитоэлектрического механизма необходимо снизить ток, протекающий через измерительный механизм. Для этого применяют добавочные сопротивления, которые включаются последовательно с измерительным механизмом. Схема включения добавочных сопротивлений показана на рисунке.

                

Расчет добавочных сопротивлений производится исходя из соотношений:

где - коэффициент расширения предела измерения или множитель шкалы.

Комбинированные аналоговые измерительные приборы. Аввометры.

Аввометры- (ампер., вольтметры) универсальные многопредельные приборы, позволяющие измерять напряжение и ток в частотном диапазоне 20…20*103 Гц.

Для измерения переменных напряжений и токов во входную цепь измерительного механизма включают выпрямители. Основные схемы выпрямителей и соотношения, поясняющие их работу, приведены ниже.

Вращающий момент в данном случае определяется как:

где m(t)- мгновенное значение вращающего момента;

Iи=Iср - средневыпрямленное значение тока, протекающее через измерительный механизм.

Из равенства М=М вытекает уравнение шкалы прибора данного типа:

SI- чувствительность прибора по току.

В приведенной схеме применен однополупериодный выпрямитель, выполненный на диоде VD1. Диод VD2 и резистор R необходимы для выравнивания воздействия прибора на измеряемую цепь при прохождении отрицательного полупериода тока (напряжения).

В случае однополупериодного выпрямления, имеем:

кф- коэффициент формы (для синусоиды 1.11);

Коэффициент 0.45- называется коэффициентом градуировки шкалы.

Рассмотрим схемы двухполупериодного выпрямления.

В случае применения этих схем ток, протекающий через измерительный механизм, определяется как:

0.9- коэффициент градуировки шкалы.

В случае применения второй схемы необходимо соблюдать условие: R1=R2=R. В этом случае ток, протекающий через измерительный механизм, можно определить следующим выражением:

При практическом выполнении выпрямительных схем следует обратить внимание на выбор диодов по следующим параметрам: прямой ток диода, обратное напряжение диода, рабочая частота диода и прямое напряжения диода которое ограничивает нижний предел измерения напряжения.

Классы точности большинства аввометров 1,5; 2,5; 4.

Далее приводятся схемы двух предельного выпрямительного амперметра и трех предельного выпрямительного вольтметра.

Схема двух предельного амперметра.

Схема трех предельного вольтметра.

                           Тепловые измерительные приборы.

В некоторых случаях измерить электрическую величину непосредственно бывает невозможно. В этом случае одним из вариантов ее измерения является измерение тепловых проявлений, которые вызывает данная электрическая величина в проводнике. Некоторые схемы тепловых измерений представлены на рисунке:

а б в

тепловые преобразователи строятся на основе термопар ЕК.

Тепловые преобразователи могут выполняться по: а- контактной схеме, б- бесконтактной схеме и в- по мостовой схеме.

Э.Д.С., вырабатываемая на конах термопар (тепловая Э.Д.С.) может быть определена по формуле:

где - температурный коэффициент термопары;

QСП и QСВ - температура, соответственно, соединенных и свободных концов термопары.

Уравнение шкалы таких приборов следующее:

                         Элекродинамические измерительные приборы.

Электродинамический измерительный механизм работает по принципу взаимодействия магнитных потоков двух катушек. Электродинамический механизм состоит из двух катушек. Одна из них подвижная, а другая укреплена неподвижно. Токи, протекающие по этим катушкам и магнитные потоки ими образуемые при своем взаимодействии создают вращающий момент.

Устройство электродинамического механизма и векторная диаграмма, поясняющая его работу, приведены на рисунке:

Электромагнитная энергия, запасенная в данной системе определяется выражением:

где: Lн и Lп - индуктивности, соответственно, неподвижной и подвижной катушек.

Iн и Iп - токи неподвижной и подвижной катушек.

Мн.п. - коэффициент взаимной индуктивности между неподвижной и подвижной катушками.

Вращающий момент, возникающий в данном механизме, определяется как:

Если учесть, что Lн и Lп, а также Iн и Iп не зависят от пространственного положения катушек, после дифференцирования можно записать:

При этом условии угол перемещения подвижной части будет определятся как:

При включении в цепь синусоидального тока по катушкам будут протекать токи: по неподвижной - , по подвижной .

Мгновенное значение вращающего момента:

.

Среднее за период значение вращающего момента:

- угол сдвига между векторами токов (см. векторную диаграмму).

Тогда уравнение шкалы для данного механизма будут иметь вид:

Если чувствительность прибора обозначить как:

уравнение шкалы будет иметь вид:

.

От сюда видно, что: Р, т.е. данный механизм пригоден для измерения активной мощности цепи и применяется в ваттметрах.

Приборы электродинамической системы имеют малую чувствительность и большое само-потребление. Применяются в основном при токах 0.1…10А и напряжениях до 300 В.

                    Электромагнитные измерительные приборы.

В электромагнитных измерительных механизмах для создания вращающего момента используется действие магнитного поля катушки с током на подвижный ферро-магнитный (чаще пермоллоевый) лепесток. Устройство измерительного механизма электромагнитного типа показано на рисунке:

                                

Вращающий момент в данной системе определяется как:

,

где - производная энергии по углу перемещения сердечника.

измеряемый ток.

- производная индуктивности катушки по углу перемещения сердечника.

При включении прибора в цепь переменного тока среднее за период значение вращающего момента определяется выражением:

где m(t)- мгновенное значение вращающего момента.

Im - максимальное значение тока, протекающего по катушке.

Уравнение шкалы прибора выглядит следующим образом:

Из уравнения видно, что шкала не равномерна и носит квадратичный характер. Для уменьшения неравномерности шкалы прибора необходимо, чтобы чувствительность была также неравномерна в зависимости от угла поворота. Это достигается выбором формы лепестка.

Чувствительность электромагнитного измерительного механизма определяется выражением:

.

Достоинства электромагнитных механизмов.

Пригодность для работы в цепях постоянного переменного тока; большая перегрузочная способность; возможность непосредственного измерения больших токов и напряжений; простота конструкции.

Недостатки электромагнитных механизмов.

Неравномерная шкала; невысокая чувствительность; большое само-потребление мощности; подверженность влиянию изменения частоты; подверженность влиянию внешних магнитных полей и температуры.

Промышленностью выпускаются приборы на токи 0…100А, на напряжения 0…600В, с классами точности 1 и ниже и частотным диапазоном до 1000 Гц.

Электростатические измерительные приборы.

Принцип действия электростатического измерительного механизма основан на взаимодействии сил, возникающих между двумя разно-заряженными пластинами.

Схемы механизмов различных конструкций показаны на рисунке. На рисунке (а) приведена схема с изменяющейся площадью электродов, а на рисунке (б)- с изменяющимся расстоянием между электродами.

Вращающий момент в приборах электростатической системы определяется уравнением:

.

При работе измерительного механизма на переменном напряжении вращающий момент определяется как:

.

С- емкость между подвижным и неподвижным электродами.

Уравнение шкалы прибора имеет вид:

.

Достоинства электростатических приборов.

Приборы электростатического типа имеют высокое входное сопротивление, малую, но переменную входную емкость, малую мощность само-потребления, широкий частотный диапазон. Данные приборы могут использоваться в цепях переменного и постоянного тока. Показания приборов соответствуют среднеквадратическому значению измеряемой величины, и показания не зависят от формы кривой измеряемого сигнала.

Недостатки электростатических приборов.

Приборы имеют квадратичную шкалу, малую чувствительность из-за слабого электростатического поля и невысокую точность. Кроме того, приборы требуют применения экрана и не исключают возможность электрического пробоя.

Ферродинамические приборы.

Ферродинамическими называются приборы, у которых неподвижная катушка электродинамического механизма намотана на магнитопроводе. Это защищает от внешних электромагнитных полей и создает больший вращающий момент.

Принцип действия ферродинамического механизма следующий:

Радиальное в воздушном зазоре магнитное поле неподвижной катушки, взаимодействуя с полем подвижной катушки, создает вращающий момент, мгновенное значение которого равно:

                  

Sп, nп, iп - соответственно площадь, число витков и мгновенное значение тока в подвижной катушке.

В(t)- мгновенное значение магнитной индукции в воздушном зазоре.

Ток в неподвижной катушке определяется как:

.

Среднее значение вращающего момента за период будет равно:

.

Механизм рассчитывается таким образом, чтобы рабочий участок изменения индукции на кривой намагничивания был линеен. С учетом этого можно записать:

B=KBIн.

КB- коэффициент пропорциональности.

Принимая во внимание вышесказанное, уравнение для вращающего момента может быть записано как:

Уравнение шкалы прибора:

Если принять, что чувствительность прибора равна:

Уравнение шкалы прибора:

.

Достоинства электродинамических приборов.

К достоинствам приборов данного типа относятся: независимость от внешних магнитных полей, достаточно высокая, в сравнении с приборами электродинамической системы, чувствительность и малое потребление мощности.

В цепях синусоидального тока показания приборов электродинамической системы пропорциональны действующим значениям измеряемых величин.

Индукционные измерительные приборы. Счетчики электрической энергии.

На основе индукционного измерительного механизма выполняются, как правило, счетчики электрической энергии. Устройство и векторная диаграмма прибора индукционной системы показаны на рисунке:

Механизм состоит из двух индукторов выполненных в виде стержневого и П-образного индукторов, между которыми находится подвижный неферромагнитный (алюминиевый) диск. На индукторах намотаны обмотки, по которым протекают соответственно токи I1 и I2, возбуждающие магнитные потоки Ф1 и Ф2. С осью диска связан счетный механизм, который считает число оборотов диска. Для предотвращения холостого вращения диска (для предотвращения самохода) в непосредственной близости от него укреплен постоянный магнит (тормозной магнит). Принцип действия прибора следующий:

При подключении прибора в сеть переменного тока токи I1 и I2 возбуждают магнитные потоки Ф1 и Ф2, которые совпадают по фазе с соответствующими токами (см. векторную диаграмму). Магнитные потоки, пересекая плоскость диска, индуцируют в нем переменные Э.Д.С. Е1 и Е2 которые отстают от своих потоков на угол . Под действием этих Э.Д.С. в диске возникают два вихревых тока Iд1 и Iд2 совпадающих по фазе с соответствующими Э.Д.С. (сопротивление диска считаем чисто активным).

В результате втягивания контура тока Iд1 потоком Ф2 и выталкивания контура тока Iд2 потоком Ф1, возникают два противоположно-направленных момента, действующих на диск. Их мгновенные значения:

к1 и к2- коэффициенты пропорциональности.

Уравнения для магнитных потоков можно записать как:

Вихревые токи, наводимые в диске соответствующими потоками, будут определяться как:

Среднее значение моментов можно рассчитать по формулам:

Так как , а уравнение для суммарного вращающего момента, действующего на диск, будет равно:


Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 155;