Амперметра с шунтом                                 предельного амперметра

 

Расчет для многопредельного ступенчатого шунта аналогичен. Шунты бывают внутренние, вмонтированные в корпус прибора, и наружные. Наружные шунты подразделяют на индивидуальные и взаимозаменяемые (калиброванные). Индивидуальные шунты при­меняют к конкретным измерительным механизмам. Взаимозаменяемые шунты изготовляют на номинальные токи и падения напряжения: 60, 75мВ, но допускают значения 100, 150, 300 мВ; применяютшунты к измерительным механизмам, рассчитанным на такие же падения напряжения. Внутренние шунты изготовляют на токи примерно до 50 А, наружные - на токи до 10 000 А. Наружные шунты обычно присоединяются к механизму двумя калиброванными проводниками с общим сопротивлением 0,035 Ом. Классы точности шунтов - 0,02; 0,05;.0,1; 0,2; 0,5 - показывают допустимое откло­нение сопротивления шунта от номинального значения, выраженное в процентах. Применение шунтов позволяет расширить пределы измерения амперметров, но приводит к увеличению мощности потребления, снижению точности, измерения и чувствительности. Для понижения; температурной погрешности, вызванной изменением сопротивления обмотки рамки и пружин подвижной, части измерительного механизма при протекании тока, последовательно с рамкой включается добавочное сопротивле­ние из манганина.

Вольтметры. Магнитоэлектрический измерительный механизм с включенным последовательно добавочным резистором может быть использован как вольтметр для измерения напря­жения. Вольтметр подключается параллельно к объекту измере­ния. В измерительной цепи вольтметра происходит преобразова­ние измеряемого напряжения в ток, необходимый для отклонения подвижной части измерительного механизма.

Предел измеренияUv вольтметра, зависит от тока полного от­клонения Iv подвижной части и внутреннего сопротивления Rv вольтметра (суммы сопротивлений обмотки рамки Rр, пружин  и резистора R”):

Uv =IvRv.                         (2.14)

Ток полного отклонения Iv рамки магнитоэлектрических вольт­метров составляет примерно 50 мА.

Для изменения предела измерения Uv до напряжения  U        последо­вательно с вольтметром включается добавочный резистор, значение которого при заданном значении Iv определяется из выражений  д;

) ,                (2.15)

где  - коэффициент расширения предела измерения вольтметра или множитель шкалы.

В многопредельных вольтметрах (рис. 2.8) используют ступен­чатое включение резисторов и для соответствующих пределов изме­рения напряженийU1, U2 при заданном токе рамки Iv сопротивле­ния добавочных резисторов рассчитываются по формулам:

 либо ;         (2.16)

 либо ,  (2.17)

где  - коэффициенты расширения пре­делов.

 

 

Рисунок 2.8 – Схема трехпредельного вольтметра

Добавочные резисторы в основном изготовляют из манганино­вого провода, намотанного на круглые или плоские каркасы из изоляционного материала. Они могут быть как внутренними (до 600 В), так и наружными (до 1500 В). Наружные добавочные рези­сторы, в свою очередь могут быть индивидуальными и взаимозаме­няемыми на номинальные токи 0,5; 1; 3; 7,5; 15 и 30 мА.

Магнитоэлектрические вольтметры имеют равномерную шкалу, высокую точность, большую чувствительность, но малое внутреннее сопротивление. Диапазон измеряемых ими напряжений лежит в пределах от микровольт до 1,5 кВ

 

 

2.3 Комбинированные аналоговые измерительные приборы

 

Комбинированный аналоговый измерительный прибор - ампервольтомметр (авометр) является универсальным многопредельным прибором, с помощью которого возможны приближенные измере­ния токов, напряжений в цепях постоянного и переменного тока частотой от 20 Гц до 20 кГц, и выше, сопротивлений постоянному току и емкости. В универсальном измерительном приборе исполь­зуют магнитоэлектрический измерительный механизм (микроамперметр), например с током полного отклонения подвижной части 50 мкА и падением напряжения 75 мВ, который может при помощи переключающего устройства соединяться с различными измери­тельными цепями.

При измерении постоянного тока параллельно микроампер­метру включаются многоступенчатые шунты, а при измерении постоянного напряжения последовательно с микроамперметром - добавочные резисторы. Таким образом, в режиме измерения постоянного тока и напряжения авометр работает как многопредель­ный магнитоэлектрический амперметр и вольтметр (см. 2.2 ).

При измерении переменных токов и напряжений звуковых ча­стот используют многопредельные выпрямительные амперметры и вольтметры, представляющие собой сочетание шунтов или доба­вочных резисторов, полупроводниковых одно- или двухполупериодных выпрямителей и магнитоэлектрического микроамперметра. Показания выпрямительных приборов соответствуют средневыпрямленному значению измеряемого напряжения или тока, т. е. магнитоэлектрический измеритель усредняет значение предварительно выпрямленного тока.

На рис 2.9, а,б представлены схема однополупериодного выпрямления и временные диаграммы изменения выпрямленного тока. В цепи однополупериодного выпрямления ток iи через микро­амперметр, включенный последовательно с диодом Д1, протекает только в положительный полупериод напряжения u(t). В отри­цательный полупериод, для которого сопротивление диода Д1 очень велико, ток протекает через диод Д₂, защищая тем самым диод  Д1 от пробоя. Сопротивление R”, включенное в цепь встреч­ного диода и равное сопротивлению микроамперметра Rи делает входное сопротивление цепи в обоих направлениях одинаковым. Подвижная часть магнитоэлектрического микроамперметра из-за своей инерционности при частотах от 20 Гц и выше не успевает следовать за мгновенными значениями вращающего момента, поэтому реагирует на среднее значение момента:

       (2.18)

где  - мгновенное значение момента;  - среднее зна­чение тока , протекающего через микроамперметр.

Из равенства  следует, что

                                   (2.19)

где  - чувствительность прибора к току.

В случае однополупериодного выпрямления (рис. 2.9, б)

                        (2.20)

 

Рисунок 2.9 – Схема однополупериодного выпрямителя (а) и временные диаграммы изменения выпрямленного тока (б)

Шкалу прибора, измеряющего переменный ток или напряже­ние, обычно градуируют в среднеквадратичных (действующих) значениях синусоидального сигнала, поэтому среднее значение тока , протекающего через прибор, можно выразить через сред­неквадратичное значение I измеряемого тока и коэффициент фор­мы  для синусоиды:

                                     (2.21)

где

При токе полного отклонения микроамперметра  предельное среднеквадратичное значение измеряемого переменного тока

                                                    (2.22)

В цепи двухполупериодного выпрямления с четырьмя диодами (рис. 2.10, а) ток , протекающий через микроамперметр, увели­чивается вдвое по сравнению с током, протекающим через микро­амперметр в цепи однополупериодного выпрямления. В течение положительного полупериода ток проходит через диод  - микро­амперметр - диод ; в течение отрицательного полупериода - через диоды ,  и микроамперметр. Таким образом, через микро­амперметр ток  проходит в одном и том же направлении оба полупериода:

                                           (2.23)

Предельное среднеквадратичное значение измеряемого синусо­идального тока .

В цепи однополупериодного выпрямления почти все приложен­ное напряжение  падает на диод  поэтому при малых на­пряжениях работа, диода осуществляется на линейном участке его вольтамперной характеристики и шкала прибора делается более линейной. В цепи же двух­полупериодного выпрям­ления приложенное на­пряжение распределяет­ся между двумя диодами и прибором, что приво­дит к расширению нелинейного участка шкалы. Входное сопротивление цепи двухполупериодно­го выпрямления одинаково для обеих полуволн измеряемого на­пряжения, но вследствие нелинейного характера сопротивлений диодов сопротивление цепи зависит от значения измеряемого то­ка, поэтому для определенности принято сопротивление указы­вать при номинальных значениях напряжения и тока.

Мостовая цепь с четырьмя диодами требует идентичности послед­них и специальной температурной компенсации, так как прямое и обратное сопротивления диода зависят от температуры окру­жающей среды. Практическое применение находят мостовые цепи двухполупериодного выпрямления с двумя диодами и двумя рези­сторами (рис. 2.10, б).

Ток, протекающий через микроамперметр,

                 (2.24)

где ,  - соответственно сопротивления резисторов и микроамперметра.

Данная цепь более чувствительна к малым напряжениям, чем цепь с четырьмя диодами, и менее зависит от температуры, по­скольку два диода заменены резисторами. Частотный диапазон измерительных выпрямителей определяется в основном собствен­ной емкостью диода. Нижняя граница частотного диапазона состав­ляет 10 - 20 Гц, верхняя достигает с медно-закисными диодами не выше 100 кГц, с плоскостными германиевыми и кремниевыми - 100 кГц и с точечными - сотни мегагерц.

а                                                   б

Рисунок 2.10 – Схемы двухполупериодного выпрямления

 

К достоинствам выпрямительных приборов относят: высокую чувствительность по току и напряжению; малую собственную мощ­ность потребления; малые габариты; широкий частотный диапазон; к недостаткам - зависимость прямого и обратного сопротивления диода от температуры, нелинейность шкалы (сжата в начале при малых напряжениях до 0,4 В); невысокую точность (классы точности 1,5; 2,5 и_4); зависимость показаний ох формы кривой, исследуемого сигнала. Если измеряемое напряжение или ток отличны от синусоиды, то к показаниям прибора необходимо, внести, поправки.

Расширение пределов измерения и возможность использования на различных пределах измерения переменного тока общей шкалы обеспечиваются с помощью универсального шунта (рис. 2.11). Расчет шунта в многопредельных амперметрах, работающих в области звуковых частот, выполняется теми же способами, что и в мно­гопредельных магнитоэлектрических амперметрах, только вместо сопротивления измерительного механизма необходимо учитывать и входное сопротивление измерительного выпрямителя, пре­дельные значения измеряемого тока и падения напряжения на выпрямителе с учетом влияния элементов температурной и частотной компенсации. Для умень­шения температурной погреш­ности, вызванной изменением прямого и обратного сопротив­лений диодов (обладающих отрицательным температурным коэффициентом), параллельно универсальному шунту включают дополнительный шунт, состав­ленный из двух резисторов: один - из медной проволоки с поло­жительным температурным коэффициентом, а второй - из ман­ганиновой проволоки с высокостабильным сопротивлением. При повышении температуры сопротивление шунта увеличивается; это приводит к возрастанию выпрямленного тока, компенсирующего в некотором интервале температур понижение коэффициента вы­прямления . Для снижения частотной погрешности резисторы дополнительного шунта изготовляются в виде катушек. С увеличением частоты возрастает межэлектродная емкостная проводимость, уменьшается выпрямляющее действие диода, и пока­зания прибора падают. При этом индуктивное сопротивление дополнительного шунта возрастает, что увеличивает долю тока, протекающего через измерительный выпрямитель, показания при­бора возрастают и тем самым компенсируют влияние увеличения межэлектродной емкостной проводимости.

Рисунок 2.11 – Схема двухпредельного выпрямительного миллиамперметра с универсальным шунтом

В авометрах в режиме измерения синусоидальных токов диапазон измерения токов лежит в пределах от 0,2 мА до нескольких десятков ампер шкала в большей части линейна. Падение напряжения в амперметрах колеблется от 0,5 до 1 В.

Для измерения переменного напряжения используют многопредельные выпрямительные вольтметры. Расширение пределов изме­рения осуществляется переключаемыми добавочными резисторами, включенными в цепь переменного тока перед измерительным выпрямителем. Значение входного сопротивления вольтметра в основном определяется значением  (так как ); оно составляет 1,5-2 кОм/В и зависит от предела измерения напряжения.

Для измерения малых напряжений предпочтительны вольтметры с однополупериудным выпрямлением, для измерения больших напряжений – вольтметры с двухполупериодным выпрямлением. Для уменьшения частотной погрешности, безындукционные добавочные резисторы и параллельно им включают кон­денсатор. В вольтметрах с однополупериодным выпрямлением при градуировке шкалы в среднеквадратичных значениях измеряемого напряжения U учитывается коэффициент 2,22, т. е. , а в вольтметрах с двухполупериодным выпрямлением - коэф­фициент 1,11 т.е.  При измерении несинусоидаль­ных напряжений к показаниям вольтметров вносятся поправки. Схемы измерения сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов, используемые в авометрах, будут рассмотрены в гл. 9.

 

2.4 Электродинамические измерительные приборы

Рисунок 2.12 – Устройтво электродинамического измерительного механизма

Измерительные механизмы. Эти механизмы (рис. 2.12) работают на принципе взаимодействия магнитных потоков двух катушек, по которым протекают токи. Измерительные механизмы состоят из пары неподвижных кат ушек 1 (круглой или прямоугольной формы), соединенных последо­вательно. Внутри этих катушек на оси находится бескаркасная подвижная катушка (рамка) 2. Для подвода тока в подвиж­ною катушку и создания про­тиводействующего момента применяют спиральные пружинки.

Чтобы получить вращающий момент  М, используют электромагнитную энергию системы  из двух катушек, по которым протекают постоянные токи  и , т. е.  где L1, L2- индуктивности катушек;  - их вза­имная индуктивность. Если по­токи подвижной и неподвижных катушек совпадают, то взаим­ная индуктивность катушек  положительна, если же потоки направлены в разные стороны - то отрицательна. При повороте подвижной катушки на угол α из­меняется взаимная индуктивность , зависящая от формы и взаимного расположения катушек, а индуктивности  и  остаются постоянными. Вращающий момент

             (2.25)

При некоторых определенных соотношениях размеров под­вижной и неподвижных катушек можно получить  в пределах рабочей части шкалы.

Под действием вращающего момента подвижная катушка стремится занять такое положение, при котором направление ее магнитного поля совпадало бы с направлением магнитного поля непод­вижных катушек. При этом она будет поворачиваться до тех пор, шока вращающий и противодействующий моменты не сравняются, т. е. M = M& Следовательно, угол отклонения подвижной части механизма

                                        (2.26)

При включении электродинамического механизма в цепь пере­менного тока мгновенное значение вращающего момента

                                                   (2.27)

где ;  - мгновенные значения токов в катушках ( - начальные углы сдвига фаз).

Среднее значение вращающего момента за период, на который реагирует подвижная часть механизма,

                                    (2.28)

где  - среднеквадратичные значения токов в катушках;  - угол сдвига фаз между векторами токов  и . Угол отклонения подвижной части механизма

                                     (2.29)

показывает, что при несовпадении по фазе токов отклонение под­вижной части, а пропорционально произведению среднеквадратич­ных значений этих токов на косинус угла сдвига фаз между ними.

Электродинамические механизмы содержат две цепи тока, поэтому являются множительным устройством и обладают фазочувствительностью. Данная особенность позволяет применять их не только в амперметрах, вольтметрах, но и в ваттметрах, варметрах, фазо­метрах и др.

К достоинствам электродинамических механизмов относят высокую точность и возможность использования их как в цепях посто­янного тока, так и в цепях переменного тока, к недостаткам - малую чувствительность; влияние внешних магнитных полей на покaзaния  ИМ (слабое собственное магнитное поле); большую мощ­ность потребления; ограниченный частотный диапазон (до 1,5 кГц).   Электродинамические механизмы используют в амперметрах, вольтметрах, ваттметрах при лабораторных измерениях в цепях постоянного и переменного токов промышленной частоты, фазометрах. Для уменьшения влияния внешних магнитных полей на показания приборов применяют магнитное экранирования измерительного механизма, или астазирование. При астатическом исполнении имеются два измерительных механизма с общей осью. Соб­ственные магнитные поля измерительного механизма направлены в противоположные стороны. Внешнее равномерное магнитное поле, усиливая поле одного измерительного механизма на какое-то значение, на это же значение ослабляет поле другого, но не изме­няет их суммарного вращающего момента.

Амперметры и вольтметры. Если неподвижные и подвижные катушки соединить последовательно и по ним пропустить один и тот же ток
, то угол отклонения подвижной части механизма

           (2.30)

где k - коэффициент пропорциональности.

Следовательно, отклонение подвижной части прибора пропор­ционально квадрату тока (напряжения). При изменении направле­ния токов в обеих катушках отклонение подвижной части прибора останется прежним. Так как токи  и  совпадают по фазе, то при­бор может иметь одну шкалу для постоянных и переменных токов (например, для амперметров на малые токи до 0,1 А и вольтметров).

При токах выше 0,1 А катушки соединяются параллельно.

Электродинамические амперметры применяют для измерения токов 0,1-10 А. Использование их для измерения токов миллиамперного диапазона в маломощных цепях ограничивается боль­шой мощностью потребления и малой чувствительностью. Изме­нение пределов измерения достигается секционированием непод­вижных катушек, а также комбинацией последовательно-парал­лельного соединения секций неподвижных катушек с подвижной катушкой.

В электродинамических вольтметрах неподвижная и подвижная катушки соединяются последовательно с добавочным резистором и по ним проходит один и тот же ток.

Электродинамические вольтметры выпускаются на несколько пределов (до 300 В.) и используют их в основном для точных изме­рений. Внутреннее сопротивление их мало (примерно 1 кОм на пре­деле 30В), мощность потребления изменяется в зависимости от пре­дела измерения, максимум до 10 Вт, чувствительность низкая

Пределы измерения амперметров и вольтметров могут быть расширены с помощью измерительных трансформаторов токов и напряжений.

 

2.5 Электромагнитные измерительные приборы

 

Измерительные механизмы. В электромагнитных механизмах (рис. 2.13) для создания вращающего момента используют дей­ствие магнитного поля катушки 1 с током на подвижный пермаллоевый лепесток 2, эксцентрично насаженный на оси 4 прибора.

Противодействующий - момент создается спиральной пружиной 3. При прохождении по неподвижной плоской катушке измеряемого тока I возникает магнитное поле, которое, воздействуя на лепе­сток 2, стремится расположить его так, чтобы энергия магнитного поля была наибольшей, т. е. втянуть ле­песток внутрь катушки. Подвижная часть механизма поворачивается до тех пор, пока вращающий момент не станет равным противодействую­щему моменту. Энергия магнитного поля катушки с током 2, где L - индуктивность катушки. Вра­щающий момент

                         (2.31)

Угол отклонения подвижной ча­сти механизма определяют из равен­ства

                          (2.32)

Рисунок 2.13 – Устройство электромагнитного измерительного механизма

Шкала прибора квадратичная, по­этому она в начале сжата, а в кон­це растянута. Поскольку α является функцией I2, знак угла поворота не зависит от направления тока в катушке, поэтому электромагнитные приборы одинаково при­годны для измерения в цепях постоянного или переменного то­ка. Если по катушке пропустить переменный ток i, то мгновен­ное значение вращающего момента    

                            (2.33)

Прибор реагирует на среднее значение вращающего момента:

                     (2.34)

где I - среднеквадратичное значение тока; Т - период перемен­ного тока.

Из (2.34) следует, что отклонение подвижной части механизма пропорционально среднеквадратичному значению измеряемого тока. Успокоение в приборе воздушное или магнитоиндукционное. Электромагнитные приборы конструктивно выполняются как с плоской катушкой, так и с круглой.

К достоинствам электромагнитных приборов следует отнести простоту и надежность, хорошую перегрузочную способность и одинаковую пригодность для измерений в цепях постоянного и переменного тока, к  недостаткам, -  большое собственное потреб­ление энергии, невысокую точность_(при измерениях в цепях постоянного тока сказывается явление гистерезиса в ферромагнит­ном лепестке), малую чувствительность, влияние внешних магнитных полей из-за слабого собственного магнитного поля.     

Электромагнитные приборы применяют как измерители тока и напряжения преимущественно в цепях переменного тока про­мышленной частоты в качестве щитовых приборов классов 1,0 и 1,5 и многопредельных лабораторных классов 0,5 и 1,0. Использование их в цепях повышенной и высокой частоты недопустимо из-за больших дополнительных частотных погрешностей. 

Рисунок 2.14 – Схема включения амперметра с измерительным трансформатором тока

Амперметры и вольтметры. Диапазон измерения токов весьма широк. Для ста­ционарных измерений используют однопредельные амперметры, для   переносных — многопредельные амперметры с секциони­рованными катушками. Переключение одинаковых секции катушки с последовательного  соединения на параллельное позволяет получать пределы измерения у ампер­метров с соотношением 1:2:4. Секции катушки можно выполнять с разным числом витков из проволоки различного диаметра.

Применение шунтов для расширения пределов измерения электромагнитных амперметров нерационально, так как это приводит к увеличению мощности потребления приборами, громоздкости и дороговизне.            

Пределы измерения амперметров расширяют с помощью изме­рительных трансформаторов тока ТТ.Первичная обмотка тран­сформатора тока с меньшим числом витков включается последова­тельно в цепь измеряемого тока I_1,  а к зажимам вторичной об­мотки с большим числом витков подсоединяется амперметр А (рис. 2.14, где Л_1, Л₂ — зажимы первичной обмотки;

И₁ И₂ — зажимы вторичной обмотки).

Измеряемый ток определяют посредством умножения показа­ний амперметра на номинальный коэффициент трансформации тока , т.е.

       (2.35)

Шкала амперметра может быть отградуирована в значениях измеряемого тока. Впаспорте трансформатора тока указывают предельное значение сопротивления, на которое может быть замкнута вторичная обмотка. Нормальнымрежимом для трансформатора тока является режим короткого замыкания. При размыкании вторичной цепи трансформатора тока резко повышается напря­жение на вторичной обмотке от единиц вольт до нескольких киловольт, что опасно и может привести к перегреву сердечника транс­форматора и пробою изоляции. Во избежание размыкания предусмотрен ключ К. Вторичная обмотка трансформатора тока зазем­ляется для того, чтобы при случайном пробое изоляции между ней и первичной обмоткой обезопасить обслуживающий персонал от соприкосновения с цепью высокого напряжения.

Лабораторные измерительные трансформаторы тока изготовля­ются на номинальные напряжения 0,5 – 35 кВ; номинальные первичные токи 0,1—25 000 А; номинальные вторичные токи 5 А для всех частот и 1 А. Для трансформатора тока характерны погрешности в передаче значений тока, фазы (угловая погрешность). Классы точности трансформаторов токов  0,05; 0,1; 0,2; 0,5.

Рисунок 2.15 – Схема включения вольтметра с измерительным трансформатором напряжения

         Измерительная цепь электромагнитного вольтметра представляет собой последовательное соединение неподвижной катушки и добавочного резистора. Ток полного отклонения вольтметра равен 25 – 50 мА, с понижением предела измерения это значение возрастает и достигает 100 – 200 мА при напряжении 15 – 30 В.  Добавочные резисторы применяют в многопредельных вольтметрах с наибольшим пределом измерения 600 В. Пределы измерения электромагнитного вольтметра могут быть расширены с  помощью измерительных трансформаторов напряжения ТVN (рис. 2.15), где A, X — зажимы первичной обмотки; а, х — зажимы вторичной обмотки. Первичную обмотку трансформатора напряжения с большим числом витков подключают параллельно участку цепи, на котором измеряется напряжением U_1, вторичную обмотку с напряжением U₂ и малым числом витков соединяют с вольтметром.

Вторичная обмотка замкнута на большое сопротивление, вслед­ствие чего токи в обмотках малы и трансформатор напряжения работает в условиях, близких к холостому ходу.

Трансформатор напряжения представляет собой маломощный силовой трансформатор.

Измеряемое напряжение определяют посредством умножения показаний вольтметра на номинальный коэффициент трансформации
 k_{U ном}, т.е.

           (2.36)

Шкала вольтметра может быть отградуирована в значениях первичного напряжения.

В паспорте трансформатора напряжения указывают его номи­нальную мощность, которая должна быть больше или равна сумме мощностей потребления включенных приборов.

Для трансформатора напряжения характерны погрешности в пе­редаче значений напряжения, фазы. Классы точности трансформа­торов напряжения 0,05; 0,1; 0,2; 0,5.

   Расширение пределов измерения электромагнитных амперметров и вольтметров сопряжено с увеличением погрешности измерения.

 

---

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 1971; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!