2.5. Электростатические приборы

Принцип действия электростатических приборов основан на взаимодействии электрически заряженных проводников.

Одна из распространенных конструкций электростатического измерительного механизма приведена на рис. 2.21. Подвижная алюминиевая пластина 1, закрепленная вместе со стрелкой на оси3, может перемещаться, взаимодействуя с двумя электрически соединенными неподвижными пластинами2. Входные зажимы (не показаны), к которым подводится измеряемое напряжение, соединены с подвижной и неподвижными пластинами. Под действием электростатических сил подвижная пластина втягиваетсяв пространство между неподвижными пластинами. Движение прекращается, когда противодействующий момент закрученной пружины становится равным вращающему моменту.

Энергия электростатического поля, запасенная электростатическим измерительным механизмом,

(2.56)

где С—емкость между пластинами, зависящая от их взаимного расположения;U—измеряемое напряжение.

Следовательно, вращающий момент

(2.57)

Противодействующий моментов M _пр=Wa при равновесии равенМ_вр.

Таким образом, уравнение преобразования электростатического прибора имеет вид

(2.58)

Из (2.58) следует, что показание прибора не зависит от полярности приложенного напряжения.

В случае переменного тока следует произвести усреднение показаний по времени:

(2.59)

где и(t)—мгновенное значение измеряемого переменного напряжения;U—его действующее значение;Т—период времени, за который производится усреднение.

Таким образом, квадратичность уравнения преобразования (при ¶ С/¶ a =const) сохраняется и на переменном токе. Поэтому приходится добиваться линеаризации шкалы специальным выбором формы пластин.

К достоинствам приборов электростатической системы относятся широкий частотный диапазон, ничтожное потребление энергии, независимость показаний от внешних магнитных полей.

К недостаткам следует отнести низкую чувствительность, невысокую точность, необходимость экранирования измерительного механизма от влияния внешних электрических полей.

Приборы электростатической системы в основном используются в лабораторной практике для измерения напряжений в высокоомных цепях на частотах от нескольких герц до нескольких мегагерц. Применение электронных усилителей позволяет значительно увеличить чувствительность приборов и использовать их в качестве милливольтметров. Применение емкостных делителей расширяет верхний предел измерения вольтметров до значений порядка нескольких киловольт. Емкостный делитель, показанный на рис. 2.22, имеет коэффициент деления

и обеспечивает увеличение верхнего предела измерения вольтметра в 1/k= С2/ С1+1 раз. (Это справедливо, если собственная емкость электростатического вольтметра много меньшеС2. В противном случае значениеk должно быть уточнено).

2.6. Электромагнитные приборы

Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током в неподвижной катушке, с подвижным ферромагнитным сердечником. Одна из наиболее распространенных конструкций электромагнитного измерительного механизма представлена на рис. 2.23, где 1—катушка;2—сердечник, укрепленный на оси прибора; 3—спиральная пружина, создающая противодействующий момент;4—воздушный успокоитель. (Встречаются также другие конструктивные модификации измерительных механизмов этой системы.) Под действием магнитного поля сердечник втягивается внутрь катушки. Подвижная часть механизма поворачивается до тех пор, пока вращающий момент не уравновесится противодействующим моментом, создаваемым пружиной.

Уравнение преобразования. Энергия магнитного поля катушки, через которую протекает токI,

(2.60)

гдеL—индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника, а следовательно, и от угла поворота подвижной части.

Согласно (2.2) вращающий момент

(2.61)

При установившемся отклонении подвижной части механизма М_вр=М_пр , гдеМ_пр =Wa , т.е. уравнение преобразования прибора имеет вид

(2.62)

Если по катушке протекает переменный ток i(t), то необходимо произвести усреднение по времени:

(2.63)

По определению действующее значение тока

(2.64)

т.е.

(2.65)

Из (2.65) следует, что угол поворота подвижной части механизма пропорционален квадрату действующего значения тока, т.е. не зависит от направления тока. Поэтому электромагнитные приборы одинаково пригодны для измерений в цепях постоянного и переменного тока. Линеаризация шкалы производится при помощи выбора специальной формы сердечника.

Амперметры.Промышленностью выпускаются амперметры с номинальным током от долей ампера до 200А. Наиболее распространены амперметры на 5А, Последнее обстоятельство связано с тем, что на практике для расширения пределов измерения используются трансформаторы тока, причем номинальное значение тока во вторичной обмотке выбирается, как правило, равным 5А, На рис. 2.24 показано включение амперметра во вторичную обмотку трансформатора тока. Здесьw₁,—первичная обмотка;w₂—вторичная;I₁ иI₂—соответствующие токи.

Вольтметры .Если учесть, что ток через катушку прибораI=U/R _и , гдеU—приложенное напряжение, аR _и—сопротивление катушки, то из (2.65) следует

(2.66)

Таким образом, шкала измерительного механизма может быть проградуирована и в единицах напряжения. Для расширения пределов измерения вольтметров используются добавочные сопротивления, поэтому приборы можно выполнять многопредельными. Промышленностью выпускаются электромагнитные вольтметры с номинальным напряжением от долей вольта до сотен вольт.

К достоинствам приборов электромагнитной системы относятся: простота конструкции, низкая стоимость, надежность, способность выдерживать большие перегрузки, пригодность для измерения в цепях как постоянного, так и переменного тока.

Недостатками являются: большое собственное потребление энергии, малая точность, малая чувствительность, сильное влияние внешних магнитных полей.

Приборы электромагнитной системы применяются в основном в качестве щитовых амперметров и вольтметров переменного тока промышленной частоты, Класс точности этих приборов 1,5 и 2,5. В некоторых особых случаях они используются для работы на повышенных частотах: амперметры до 8000Гц, вольтметры до 400Гц. Используются они и в лабораторной практике как переносные приборы классов точности 0,5 и 1,0.

Резонансный (вибрационный) частотомер. Электромагнитные механизмы нашли применение также для изготовления частстомеров, предназначенных для контроля частот 50 и 400Гц. Такие частотомеры (рис. 2.25) состоят из электромагнита1 с сердечником2, на обмотку которого подается напряжение с измеряемой частотой. В поле электромагнита находится якорь3, скрепленный с планкой4, на которой укреплен ряд стальных пластинок 6 с различными собственными частотами. Пружинные опоры5позволяют якорю и пластинкам6совершаю вынужденные колебания с удвоенной частотой напряжения. При этом наибольшую амплитуду будет иметь та пластинка, у которой частота собственных колебаний совпадает с частотой второй гармоники вынужденных колебаний.

Погрешность резонансных частотомеров составляет около 1% . Она определяется размером пластинок и их числом. К достоинствам рассматриваемых приборов относятся их простота и удобство в эксплуатации. Недостатки—узкость пределов измерения (например, 45—55Гц, 350—450Гц) и невозможность использования на подвижных объектах из-за появления паразитных механических вибраций.

Измерительные трансформаторы тока. Как указывалось выше, для расширения пределов измерения электромагнитных амперметров применяются измерительные трансформаторы тока, которые преобразуют большие значения токовI₁, в малыеI₂. Коэффициент трансформацииК ₁=I₁/I₂ в основном определяется отношением числа витков во вторичной обмоткеw₂к их числу в первичной обмоткеw₂, т.е.К _I» w₂/w₁. Схема включения амперметра с трансформатором токаТАпредставлена на рис. 2.26. Чтобы получить значение измеряемого токаI₁ следует измеренное амперметром значение токаI₂ умножить на коэффициент трансформации:

На практике вместо действительного коэффициента трансформации К _I приходится использовать номинальный коэффициент трансформацииК _Iн , что приводит к погрешности определения токаI₁. Классы точности трансформаторов тока переносных лабораторных: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; стационарных, устанавливаемых на подстанциях: 0,2; 0,5; 1,0; 3; 5; 10. Номинальные значения сопротивления нагрузки в цепи вторичной обмотки лежат в пределах от 0,2 до 2,0Ом. Увеличение сопротивления нагрузки приводит к увеличению погрешностей. Размыкание вторичной обмотки недопустимо, так как оно вызывает появление на разомкнутых концах высокого напряжения, опасного для людей и способного привести к нарушению изоляции.

Измерительные трансформаторы напряжения. Для расширения пределов измерения вольтметров электромагнитной, электродинамической и электростатической систем применяются измерительные трансформаторы напряжения, которые преобразуют высокое напряжениеU₁ подводимое к первичной обмотке, в низкоеU2 , снимаемое со вторичной. Коэффициент трансформацииК _U=U₁/U₂ приближенно равен отношению числа витков первичной обмотки ю, к числу витков во вторичной, т.е.К _U» w₁/w₂. Схема включения вольтметра с трансформатором напряженияТV представлена на рис. 2.27. Значение измеряемого напряженияU₁ определяется из формулыU₁=K_UU₂ Использование вместо действительного коэффициента трансформацииК~ приводит к погрешностям определения напряженияU₁,. Классы точности лабораторных трансформаторов напряжения: 0,05; 0,1; 0,2; стационарных: 0,2; 0,5; 1,0; 3.