Электродинамические измерительные приборы.

Измерительные механизмы электродинамической системы (рис. 6) состоят из неподвижной катушки 1, выполняемой обычно из двух частей, круглой или прямоугольной формы, соединенных последовательно. Внутри этих катушек на оси находится бескаркасная подвижная катушка (рамка) 2, к которой подводится ток через две спиралевидные пружины 3, предназначенные для создания противодействующего момента.

Рис.6. Схема устройства электродинамического измерительного механизма.

Вращающий момент на подвижной рамке и, соответственно, угол её поворота α пропорциональны произведению токов I₁ и I₂, проходящих через подвижную и неподвижную катушки, и косинусу угла сдвига фаз ψ между ними

α=(I₁·I₂·cos ψ)/W·dM₁₂/dα ,

где W - удельный противодействующий момент, постоянный для данного устройства (угловая жесткость пружины);

M₁₂ - взаимная индуктивность катушек.

При измерении постоянных токов значение косинуса равно единице.

Измерительные механизмы электродинамической системы содержат две цепи тока, поэтому являются множительными устройствами и обладают фазочувствительностью. Указанная особенность позволяет применять приборы электродинамической системы не только для измерения тока и напряжения, но также мощности и фазы.

Достоинства измерительных механизмов электродинамической системы (по сравнению с магнитоэлектрической):

–высокая точность;

-возможность их использования в цепях постоянного и переменного тока;

-стабильность показаний во времени.

Недостатки:

-малая чувствительность;

-влияние внешних магнитных полей на результаты измерений (слабое собственное магнитное поле);

-большая мощность потребления;

-ограниченный частотный диапазон (до 1,5 кГц);

-чувствительность к перегрузкам.

Электродинамические измерительные механизмы используют в амперметрах, вольтметрах, при лабораторных измерениях в цепях постоянного и переменного токов промышленной частоты, фазометрах. Классы точности от 0,1 и грубее.

Для измерения тока подвижная и неподвижная катушки измерительного механизма соединяются последовательно (при токах до 0,1 А) или параллельно (при токах свыше 0,1 А). Максимальное значение измеряемого тока 10 А.

В электродинамических вольтметрах последовательно соединяются подвижная и неподвижная катушки и добавочное сопротивление. Верхний предел измерений не превышает 300 В.

Приборы характеризуются большой мощностью потребления и малой чувствительностью, вследствие чего имеют ограниченное применение.

Электродинамические логометры (двухрамочные механизмы) используют для измерения фазового сдвига, емкости и индуктивности на низких частотах.

Механизмы ферродинамической системы отличаются от рассмотренных электродинамических механизмов тем, что неподвижная катушка имеет магнитопровод из магнитомягкого листового материала (рис. 7).

Рис. 7. Конструкции ферродинамических механизмов: а – однокатушечного, б – двухкатушечного.

Вследствие этого магнитный поток и вращающий момент существенно возрастают, поэтому магнитодвижущая сила катушки может быть снижена, что уменьшает собственное потребление мощности механизма.

Достоинством ферродинамических приборов по сравнению с электродинамическими приборами является также меньшая восприимчивость к внешним магнитным полям. Однако точность и частотный диапазон у них ниже. Классы точности 0,2 – 2,5. Применяются преимущественно на переменном токе промышленной частоты.

Электромагнитные измерительные приборы.

В электромагнитных измерительных механизмах (рис. 7) для создания вращающего момента используют действие электромагнитного поля катушки 1 с током на подвижный лепесток 2 (сердечник), эксцентрично установленный на оси 4 прибора. При прохождении по неподвижной плоской катушке измеряемого тока возникает магнитное поле, которое стремится расположить лепесток так, чтобы энергия магнитного поля была наибольшей, т.е. втянуть лепесток внутрь катушки. Противодействующий момент создается пружиной 3.

Рис. 7. Устройство электромагнитного измерительного механизма. Измерительный механизм магнитоэлектрического логометра.

Вращающий момент, обусловленный прохождением тока по катушке, пропорционален квадрату значения тока, что позволяет измерять как постоянный ток, так и переменный ток (направление вращающего момента не зависит от направления тока). При измерении переменного тока отклонение подвижной части прибора пропорционально среднеквадратическому значению измеряемого тока.

α=0,5·I²·(dL/dα)/W,

где L – индуктивность катушки.

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

Достоинства электромагнитных приборов: простота и надежность; хорошая перегрузочная способность; пригодность для измерений как в цепях постоянного так и переменного токов.

Недостатки: большое собственное потребление энергии; невысокая точность (из-за явления гистерезиса в ферромагнитном лепестке); малая чувствительность; влияние внешних магнитных полей из-за слабого собственного магнитного поля (требуется экранирование).

Электростатические приборы. В электростатических механизмах перемещение подвижной части происходит под действием энергии электрического поля системы из двух или нескольких проводников, являющихся обкладками конденсатора. Сила взаимодействия проводников пропорциональна приложенному напряжению, что определяет область применения этих механизмов – вольтметры постоянного и переменного тока.

Перемещение подвижной части электростатических механизмов связано с изменением емкости системы за счет изменения активной площади электродов (обкладок) или расстояния между ними. Первый вариант применяется при измерении напряжений до сотен вольт, второй – в щитовых киловольтметрах.

Устройство механизма с изменением активной площади показано на рис. 8. Электроды изготовляют из алюминия.

Угол отклонения подвижной части пропорционален квадрату напряжения

α=0,5·U²·(dC/dα)/W,

где С – ёмкость конденсатора, образуемого электродами.

Достоинства: слабое влияние на работу температуры, частоты и формы кривой приложенного напряжения, внешних магнитных полей; малое собственное потребление энергии при измерении в цепи переменного тока и нулевое – при измерении в цепи постоянного тока.

Рис.8. Электростатический измерительный механизм: 1 – неподвижные электроды, 2 – подвижные электроды, 3 – стрелочный указатель.

Недостатки: малая чувствительность, необходимость защиты от внешних электрических полей, высокий уровень нижней границы диапазона измерений (10 В).

Классы точности электростатических вольтметров 0,5 – 1,5, напряжения 10 В – 300 кВ.

Аналоговые электронные приборы представляют собой сочетание электронного преобразователя, предназначенного для усиления постоянного напряжения или усиления переменного напряжения и преобразования его в постоянное напряжение, и магнитоэлектрического измерителя. Наличие электронного преобразователя обеспечивает: высокую чувствительность прибора, практически постоянную в рабочем диапазоне; широкий частотный диапазон его применения; слабую зависимость показаний от частоты; широкий динамический диапазон; ничтожно малую мощность потребления. К недостаткам аналоговых электронных приборов относят сравнительно большую основную погрешность (до 2,5…4% и более), частотную погрешность, необходимость вспомогательных источников питания.

Областью применения аналоговых электронных приборов является измерение напряжения, тока, сопротивления. Однако электронные амперметры и омметры в виде отдельных приборов не выпускают – их функции выполняют электронные вольтметры, строящиеся по схемам, приведенным на рис. 9.

Рис. 9 Структурные схемы: а – электронного амперметра, б – электронного омметра.

Значение силы тока определяют по падению напряжения на эталонном резисторе R_N (рис. 8.8, а), которое измеряют электронным вольтметром ЭВ.

Значение падения напряжения в схеме рис. 9а пропорционально току в цепи, а при фиксированном э.д.с. – обратно–пропорционально сопротивлению R_N .

Наряду с аналоговыми приборами, которые содержат в своей структуре измерительный механизм, в практике электрических измерений широко используются аналоговые электронные приборы прямого преобразования без механического измерительного механизма, в частности электронно-лучевые осциллографы и анализаторы гармоник.