Индукционные измерительные приборы

Являются интегрирующими (суммирующими) приборами, не имеют шкалы и указателя.

Принцип действияоснован на взаимодействии двух или более магнитных потоков с токами, индуцированными этими потоками в подвижной части ИМ.

Применяют для измерений только в цепях переменного тока.

1,2 – неподвижные электромагниты

3 – алюминиевый диск, может свободно вращаться вокруг оси;

4 – постоянный магнит

На основе этих ИМ строят счетчики электрической энергии.

Для предотвращения холостого хода в схеме предусмотрен постоянный магнит, который создает тормозящий момент.

По обмоткам электромагнитов текут токи I₁ и I₂, сдвинуты по фазе на угол φ. Эти токи создают два магнитных потока Ф₁ и Ф₂, также сдвинутых по фазе на угол φ. Магнитные потоки, пронизывая диск, наводят в нем ЭДС. Под действием этих ЭДС возникают вихревые токи i₁₂ и i₂₂. В результате взаимодействия магнитного потока Ф₁ с вихревым током i₂₂ и магнитного потока Ф₂ с вихревым током i₁₂ возникает вращающий момент.

Обязательное условие работы измерительного механизма индукционной системы - это сдвиг по фазе между магнитными потоками Ф₁ и Ф_2.

f – частота изменения токов

K – коэффициент пропорциональности, определяется конструктивными особенностями ИМ

I₁, I₂ – токи, протекающие по обмоткам электромагнитов

φ – фазовый сдвиг

Отсутствуют конструктивные элементы для создания противодействующего момента.

Успокаивающий момент называют тормозящим. Он создается с помощью постоянного магнита.

Приборы применяются в цепях переменного тока с определенной частотой. При незначительном изменении частоты могут появиться существенные погрешности. Измерительные приборы чувствительны к изменению температуры окружающей среды.

Эксплуатационные характеристики:

1. Большой вращающий момент

2. Стойки к перегрузкам

3. Надежны в работе

4. Не подвержены влиянию внешнего магнитного поля, т.к. собственное большое

5. Чувствительны к колебаниям частоты и температуры окружающей среды

6. Имеют относительно низкую точность

7. Имеют невысокую стоимость

8. Достаточно широко используются в счетчиках электрической энергии

Логометры

Логометры – измерительные приборы, в которых противодействующий момент создается электрическими силами. Применяются в приборах для измерения величин, которые не являются прямой функцией тока (омметры, частотомеры, фазометры). Широко применяются для измерения неэлектрич. величин. Строятся на основе магнитоэлектрич. и ферродинамич.

В логометрическом ИМ установившееся положение подвижной части зависит только от отношения токов, протекающих по обмоткам катушек.

Отличительная особенность логометров – неустойчивое безразличное положение подвижной части измерительного прибора, не включенного в измерительную цепь.

1 – постоянный магнит

2 – полюсные наконечники

3 – стальной сердечник

4 – две подвижные рамки, насаженные на общую ось под углом 60º или 90º.

На оси крепится стрелка ОУ. Ток к обмоткам катушек подводится через безмоментные токоподводы (тонкая серебряная нить).

Взаимодействие токов, протекающих по обмоткам катушек с полем постоянного магнита создает два вращающих момента. Направление токов в катушках противоположно, соответственно вращающие моменты направлены навстречу друг к другу. Магнитное поле в воздушном зазоре между полюсными наконечниками и сердечником искусственно создается неравномерным. Неравномерное магнитное поле создается конструктивно. Это можно сделать 2 способами:

1. Изменением формы сердечника

2. Неравномерной расточкой полюсных наконечников

Из-за неравномерности магнитного поля вращающий момент оказывается зависимым от положения подвижной части.

Вращающие моменты направлены противоположно. Под действием этих моментов подвижная часть измерительного механизма будет поворачиваться в сторону большего момента. При этом одна рамка из более узкого воздушного зазора с большей индукцией будет перемещаться в более широкий зазор с меньшей индукцией, а вторая рамка - наоборот. При этом вращающий момент одной рамки увеличивается, а другой уменьшается. Поворот продолжается до установления равновесного положения подвижной части, т.е. до тех пор, пока вращающие моменты не станут равны.

– площадь рамки, – число витков обмотки, – ток, протекающий через обмотку рамки. S₁, S₂, ω₁, ω₂ – постоянны, а B₁ и B₂ – зависят от положения подвижной части.

или

Магнитоэлектрические логометры используют для измерения сопротивлений.

Ферродинамические логометры используют для измерения фазы и частоты.

Логометры выполняют щитовыми или переносными.

Гальванометры

Гальванометры – приборы, предназначенные для измерения малых токов или напряжения, а также для установления наличия или отсутствия тока на участке цепи.

Гальванометры – высокочувствительные приборы, строят на основе магнитоэлектрических ИМ. Шкала гальванометра чаще всего условная. Шкала может быть встроенной или отдельной. Встроенная шкала – в менее чувствительных гальванометрах – со стрелочными указателями.

У особо чувствительных гальванометров со световыми указателями шкала отдельная, такие гальванометры называются зеркальными. Если гальванометр используется в качестве нулевого индикатора, то важной хар-кой является чувствительность.

Если гальванометр применяют для измерения малых токов и напряжений то важной хар-кой является точность.

Принцип действия аналогичен магнитоэлектрическим измерительным приборам.

Высокая чувствительность осуществляется за счет крепления подвижной части на растяжках или ленточном подвесе. Такое крепление снижает удельный противодействующий момент. Применение светового указателя позволяет преобразовать малый угол отклонения подвижной части в значительное отклонение светового луча относительно шкалы отсчетного устройства.

Успокоитель используется жидкостный.

- чувствительность гальванометра по току

- чувствительность гальванометра по напряжению

Чувствительность определяется отношением угла отклонения подвижной части к величине тока, протекающего по обмотке катушки.

Основные условия применения гальванометра:

- Чувствительность гальванометра не должна превышать действительно необходимую для данного эксперимента

- Критическое сопротивление не должно превышать сопротивление цепи более чем на 10-20 %

Электромеханические приборы с преобразователями

Для использования магнитоэлектирч. ИМ в приборах для измерения в цепях переменного тока применяют соответствующие преоб-тели:

- термоэлектрические

- выпрямительные

Электромеханический прибор с преобразователем состоит из ИМ магнитоэлектрической системы с ОУ и соответствующего преобразователя переменного тока в постоянный, выполненных в одном корпусе.

Термоэлектрические измерительные приборы

Термоэлектрический прибор состоит из термопреобразователя, ИМ магнитоэлектрической системы и ОУ.

Упрощенная схема:

Термоэлектрический преобразователь в структуре состоит из термопары и нагревателя. Нагреватель изготовляют из материала с большим удельным сопротивлением (вольфрам, нихром). При протекании тока через нагреватель, подключенный в ИЦ, он нагревается. Термопара состоит из двух разнородных проводников, соединенных между собой в точке спая. Точка горячего спая термопары либо механически крепится к нагревателю, либо располагается вблизи его.

При протекании тока через нагреватель точка спая термопары нагревается. Возникает разность температур между точкой горячего спая и свободными концами термопары, за счет этого на свободных концах возникает термо-ЭДС, которая измеряется с помощью измерительного механизма магнитоэлектрической системы.

Термо-ЭДС определяется как:

От способа нагрева точки спая различают контактные и бесконтактные преобразователи. В контактных точка горячего спая находится либо в непосредственной близости к нагревателю, либо может быть механически закреплена на этом преобразователе (припаяна). В бесконтактных точка горячего спая отделена от нагревателя изоляционным материалом или стеклом. Для контактных термопреобразователей требуется высокочувствительный измерительный механизм, т.к. термо-ЭДС у термопары невелика.

В бесконтактных преобразователях термо-ЭДС можно повысить за счет подключения батареи термопар, которые соединены между собой последовательно. В них ухудшаются условия термопередачи, что приводит к снижению общей чувствительности.

Для повышения чувствительности и снижения влияния температуры окружающей среды на резудьтаты измерения термопреобразователи помещают в стеклянный баллон из которого откачивают воздух. Такой термопреобразователь называется вакуумным. Основной недостаток приборов с вакуумными преобразователями – недопустимость перегрузок.

Достоинства:

- Термоэлектрические приборы применяют в цепях постоянного и переменного тока.

- Шкала неравномерна, приближена к квадратичной.

- Применяют для измерения токов и напряжений в цепях повышенных и высоких частот.

- Приборы могут быть щитовыми или переносными.

Расширение пределов измерений возможно за счет подключения к одному измерительному механизму набора термопар. У термоэлектрических приборов включение в измерительную цепь добавочных резисторов или шунтов не имеет смысла.

Основное преимущество термоэлектрических приборов - пригодность работы на повышенных частотах.

Недостатки:

1. Чувствительность к колебаниям температуры окр. среды

2. Не допускают перегрузок

3. Неравномерная шкала

4. Собственное потребление мощности по измерительной цепи значительно

5. Ограниченный срок службы термопреобразователя

Выпрямители

Выпрямители представляют собой соединение выпрямительного преобразователя и магнитоэлектрического ИМ с ОУ.

В кач-ве преоб-теля используют полупроводниковые диоды (германиевые и кремниевые). Недостатком полупроводниковых диодов как выпрямительных преоб-телей является нелинейность ВАХ, нестабильность ее во времени и зависимость ее от температуры и частоты.

Из-за нелинейности ВАХ полупроводниковых выпрямителей шкала выпрямительных приборов вначале сжата (15% от начала нерабочие).

В зависимости от схемы соединения выпрямительного механизма: одно- и двухполупериодные схемы выпрямления.

При использовании схемы однополупериодного выпрямления через измерительный механизм проходит только одна полуволна переменного тока, а обратная – пропускается через диод D₂ и резистор R.

Вращающий момент . Уравнение шкалы: .

- коэффициент формы, D – удельный противодействующий момент

При использовании схемы двухполупериодного выпрямления выпрямленный ток проходит через измерительный механизм в обе половины полупериода и, следовательно, чувствительность этих схем выше, чем однополупериодных.

Выпрямительные приборы дают правильные показания только для определенной формы сигнала, т.е. для той, для которой проведена градуировка шкалы. При отклонении формы исследуемого сигнала появляются значительные погрешности.

Выпрямительные приборы чувствительны к колебаниям частоты и температуры окр.среды. Для устранения этого влияния применяют схемы частотной и температурной компенсации.

Достоинства:

1. Высокая чувствительность

2. Малое потребление мощности от измерительной цепи

3. Возможность работы на повышенных частотах.

Недостатки:

- появление значительных погрешностей при отклонении формы исследуемого сигнала от формы сигнала, при котором производилась градуировка шкалы.

- градуировка шкалы правомерна только для одной опред. формы сигнала

- чувствительность к колебаниям частоты и температуры окр.среды

- наличие 15% нерабочей области в начале шкалы

Аналоговые приборы сравнения

1. Мосты

2. Компенсаторы

Применяются: для измерения емкостей, сопротивлений, угла потерь, индуктивности и добротности.

Преимущества приборов сравнения:

1. Высокая точность результатов измерений

2. Высокая чувствительность

3. Возможность измерения как электрических, так и неэлектрических величин

Измерительные мосты

Конструктивно измерительные мосты выполняют либо переносными, либо лабораторными установками. Мосты могут быть со встроенным или внешним нулевым индикатором, со встроенным или внешним источником питания.

По способу уравновешивания могут быть: с ручным уравновешиванием, полуавтоматические и автоматические.

Измерительные мосты переменного тока уступают измерительным мостам постоянного тока (по точности).

Измерительные мосты постоянного тока

Диагональ а-в – генераторная диагональ, в нее включают источник пост. напр-я.

Диагональ б-г – измерительная диагональ, в нее включают нулевой индикатор, в качестве нулевого индикатора используют гальванометр, милливольтметр или миллиамперметр.

Измерительный мост может работать в двух режимах:

1. уравновешенный (балансный). В измерительную диагональ включают гальванометр с условной шкалой.

2. неуравновешенный (небалансный). В измерительную диагональ включают миллиамперметр или милливольтметр.

Измерительный мост считается уравновешенным, если в его измерительной диагонали отсутствует ток.

Если мост уравновешен, то:

- условие равновесия моста постоянного тока

В зависимости от режима работы измерительные мосты бывают балансные и небалансные.

Измерительные мосты, в которых значение измеряемой физической величины находят из условия равновесия, называют балансными или уравновешенными. Мосты, в которых значение измеряемой физической величины определяют по показаниям прибора, включенного в измерительную диагональ, называют небалансными или неуравновешенными.

Важная характеристики – чувствительность:

- чувствительность мостовой схемы

- чувствительность нулевого индикатора

- чувствительность измерительного моста

Балансные измерительные мосты применяют для измерения параметров электрических цепей. Небалансные измерительные мосты применяют для измерения неэлектрических величин.

При измерении малых сопротивлений значительные погрешности вносят сопротивления соединительных проводов и контактов. Для исключения влияния этих погрешностей применяют схему двойного моста или используют специальные калибровочные соединительные провода.

Измерительные мосты переменного тока

Равновесие возникает, когда в измерительной диагонали нет тока.

Условия равновесия измерительного моста переменного тока:

– модули сопротивлений плеч

- фазовые углы сдвига тока относительно напряжения в соответствующих плечах моста.

В качестве нулевого индикатора моста переменного тока используют вибрационные гальванометры, если мост в балансном режиме, либо электронные приборы с выпрямителем, если мост в небалансном режиме.

Диагональ а-в – генераторная диагональ, в нее включают источник перемен. напр-я.

Диагональ б-г – измерительная диагональ, в нее включают нулевой индикатор.

Для уравновешивания измерительного моста переменного тока необходимо выполнить два условия, соответственно мостовая схема должна иметь не менее двух регулируемых параметров.

Свойство моста переменного тока, характеризующееся количеством поочередных регулирований, необходимых для достижения равновесия моста, называется сходимостью.

В зависимости от того входит частота напряжения питания в выражение условия равновесия измерительного моста или нет различают мосты частотнозависимые и частотнонезависимые.

Применение:

- для измерения емкости, тангенса угла потерь конденсаторов.

- для измерения параметров электрических цепей переменного тока, для измерения ряда неэлектрических величин и магнитных характеристик материалов.

Автоматические мосты

Измерительный мост, в котором процесс уравновешивания автоматизирован называется автоматическим.

Применяют:

- для измерения и регистрации величин.

- автоматические мосты с дополнительным регулирующим устройством применяют для автоматического управления производственными процессами.

В генераторную диагональ а-в включен источник пост. напр-я.

В равновесном состоянии в измерительной диагонали б-г ток отсутствует, соответственно, ротор двигателя М неподвижен. При включении в плечо измерительного моста сопротивления R_x, которое изменяется при изменении параметра исследуемого объекта,мост приходит в неуравновешенное состояние, т.е. в измерительной диагонали б-г появляется ток, который усиливается с помощью усилителя У и поступает на реверсивный двигатель.Ротор двигателя вращается, с ним жестко соединен подвижный контакт переменного резистора R₁, который перемещается в сторону достижения равновесия измерительного моста. Как только наступит равновесие измерительной цепи, ток в измерительной диагонали будет отсутствовать и ротор двигателя остановится. Одновременно с перемещением подвижного контакта резистора R₁ перемещается указатель отсчетного устройства. При равновесном состоянии моста положение указателя относительно шкалы отсчетного устройства будет соответствовать значению измеряемой величины.

Автоматические мосты переменного тока применяют для измерения и регистрации комплексного сопротивления. Они должны иметь два реверсивных двигателя, которые обеспечивают равновесие моста по модулю и по фазе. По точности автоматические мосты переменного тока уступают мостам постоянного тока.

Измерительные компенсаторы

Измерительный компенсатор постоянного тока

Процесс измерения с помощью компенсаторов, осуществляемый сравнением двух напряжений нулевым методом, называется компенсационным методом. Особенность компенсационного метода - отсутствие тока в измерительной цепи в момент измерения. Этот метод используется при проведении точных лабораторных измерений и в приборах для поверки средств измерения.

Измерительные компенсаторы - приборы высокой точности.

Измерительные компенсаторы делятся на:

1. Измерительные компенсаторы постоянного тока

2. Измерительные компенсаторы переменного тока

Компенсаторы постоянного тока предназначены для измерения напряжений и ЭДС, а также ряда неэлектрических величин, которые функционально связанны с напряжением или ЭДС. Чаще всего измерительные компенсаторы применяют для измерения температуры.

E_НЭ – нормальный элемент, ЭДС которого заведомо известна

SA – переключатель рода работ

НИ – нулевой индикатор, как правило, магнитоэлектрический гальванометр

R_НЭ– образцовый резистор, сопротивление которого выбирается в зависимости от значений рабочего тока измерительного компенсатора и значения ЭДС нормального элемента

R_К – резистор с точно известным регулируемым сопротивлением (компенсационный резистор)

R_Т – переменный резистор, который компенсирует влияние температуры окружающей среды на ЭДС нормального элемента

R₁ – реостат, который служит для установления рабочего тока

E – источник вспомогательной ЭДС

Измерительный компенсатор постоянного тока состоит из 3 контуров:

I контур – контур нормального элемента, который образован нормальным элементом E_НЭ, нулевым индикатором НИ, образцовым резистором R_НЭ и переменным резистором R_Т. Переменный резистор предназначен для компенсации влияния окружающей температуры на ЭДС нормального элемента.

II контур – измерительная цепь, которая образована нулевым индикатором НИ, частью компенсационного сопротивления R_КХ резистора R_К и источником измеряемой ЭДС E_Х.

III контур – контур рабочего тока, который образован последовательным соединением вспомогательного источника ЭДС E, реостата R₁, переменного резистора R_Т, образцового резистора R_НЭ, компенсационного резистора R_К. Реостат предназначен для установки рабочего тока.

Компенсатор работает в двух режимах:

1. режим контроля

2. режим измерения.

В режиме контроля с помощью реостата R1 устанавливают величину рабочего тока, при которой схема будет уравновешена, т.е. НИ будет показывать 0. После уравновешивания измерит. цепи и установления рабочего тока в контуре рабочего тока, переключатель рода работ переводят в положение измерения. Изменяя сопротивление переменного резистора R_К, добиваются показания нулевого индикатора равного 0. По положению контакта резистора R_К определяют значение измеряемой величины (ЭДС).

- чувствительность компенсационной схемы

- чувствительность нулевого индикатора

- чувствительность измерительного компенсатора

Δα – отклонение измерительного механизма

ΔE_Х – ЭДС, вызвавшее это отклонение

Точность измерений компенсатора постоянного тока обеспечивается высокой точностью нормального элемента, чувствительностью нулевого индикатора и стабильностью вспомогательного источника питания в цепи рабочего тока.

Компенсаторы постоянного тока бывают двух типов:

1. высокоомные

2.низкоомные

По конструктивному исполнению различают:

1. однопредельные

2. многопредельные

3. со встроенным и внешним гальванометром

4. со встроенным и внешним источником питания

5. с ручным уравновешиванием, полуавтоматические, автоматические

Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 2415; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 4 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!