Электроизмерительные приборы

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Принцип действия приборов электродинамической системы основан  на механическом взаимодействии двух катушек с токами. На рисунке изображен  измерительный механизм электродинамического прибора с воздушным успокоителем 3. Неподвижная катушка 1 состоит  из двух секций (для создания однородного  поля) и навивается обычно толстой  проволокой. Легкая подвижная катушка 2 помещается внутри неподвижной и  жестко скрепляется с осью и стрелкой. Подвижная катушка включается в  измеряемую цепь через спиральные пружины, создающие противодействующий момент.Если токи в катушках 1 и 2 принять равными соответственно и , то их взаимодействие создаст вращающий момент , стремящийся повернуть подвижную катушку так, чтобы энергия магнитного поля системы двух катушек стала наибольшей (до совпадения направлений полей). При этом поворот подвижной катушки произойдет за счет энергии магнитного поля катушек. Тогда вращающий момент М_вр, действующий на подвижную катушку, можно представить в следующем виде:

,

Где - энергия магнитного поля катушек; б - угол поворота подвижной катушки. Энергия магнитного поля системы двух катушек складывается из энергий катушек и энергии, обусловленной их взаимной индукцией

=,

Где - индуктивность катушек; - коэффициент их взаимной индукции. Тогда получим:Так как постоянны для данного набора, то

и .

Вообще говоря, и сильно зависит от формы катушек. Предположив, простоты ради, = const получим: = . Поворот подвижной системы будет происходить до наступления равновесия между вращающим и противодействующим М_пр юментами, создаваемыми спиральными пружинами: = k₂ ,

Где k₂ -- жесткость пружины. Окончательно имеем:

=k, где k=- постоянная данного прибора.

Отсюда следует, что угол поворота подвижной системы электродинамического прибора в случае постоянных токов  пропорционален произведению токов  в его катушках.В случае переменных токов, например , мгновенный вращающий момент , а средний за период момент (после преобразований) равен:

.

При = получим: =kcosц.

Пригодность электродинамических  приборов для переменных токов объясняется  тем, что'направления токов в обеих катушках изменяются на противоположные одновременно (или с постоянным сдвигом по фазе), а следовательно, направление поворота подвижной катушки остается неизменным. В зависимости от назначения прибора катушки в нем могут быть соединены либо последовательно -- в вольтметре (рис. а), либо параллельно -- в амперметре (рис. б), либо в разные цепи -- в ваттметре (рис. в). Из выражения вращающего момента

=

следует, что изменение  направления тока в какой-либо одной  из катушек приведет к изменению  направления поворота подвижной  системы на противоположное. У вольтметров и амперметров взаимное соединение концов обмоток сделано внутри прибора, а к зажимам прибора выведены только два конца, подключаемые в цепь (включение ваттметра будет рассмотрено ниже).

Шкалы электродинамических  вольтметров и амперметров неравномерны, так как токи в обоих катушках пропорциональны одной и той же измеряемой величине: для вольтметра -- ток в обоих катушках один и тот же, поэтому

и ,

т.е. шкала неравномерная (квадратичная); для амперметра , где - сопротивления подвижной и неподвижной катушек. Откуда

 но

= и =, то =.

Точно также и для : = k₂, тогда =, т. е. шкала также квадратичная. Однако на практике добиваются приблизительно равномерной шкалы в ее рабочей части подбором взаимного расположения катушек и их формы.На показания электродинамических приборов могут влиять внешние магнитные поля, так как собственное поле катушек слабое. Для устранения этого влияния применяют астатические измерительные механизмы:

Приборы электродинамической  системы изготовляют и применяют  в основном как переносные лабораторные приборы классов точности 0,1; 0,2 и 0,5.

К достоинствам электродинамических  приборов относятся: эольшая точность, позволяющая применить их в лабораторной лрактике как контрольные, и пригодность для измерения постоянных и переменных токов, а к недостаткам -- неравномерная шкала; большая чувствительность к перегрузкам (из-за наличия токо-зедущих пружин); влияние внешних магнитных полей и высокая стоимость.

Приборы такого типа системы  обозначаются следующим образом:.

Электродинамические ваттметры

Наличие двух катушек у  электродинамического прибора и  возможность включения их в две  разные цепи позволяет использовать эти приборы для измерения  мощности электрического тока, т. е. как  ваттметры.

Из выражения для угла поворота подвижной системы электродинамического прибора =k, следует, что, если неподвижную  катушку включить последовательно  нагрузке Z, а последовательно с  подвижной катушкой включить добавочное сопротивление так, чтобы эту  катушку можно было включать параллельно  нагрузке, тогда ток в подвижной  катушке равен

и ,

где - сопротивление катушки; -напряжение на нагрузке; =- постоянная данного прибора по мощности; - мощность, потребляемая нагрузкой. Такой прибор называют ваттметром. Его шкала равномерная. Для измерения электрической мощности в цепях переменного тока используют ваттметры активной и реактивной мощности.

Ваттметр активной мощности. Если в цепь подвижной катушки  включить активное добавочное сопротивление  так, чтобы общее сопротивление  этой цепи R было равно

R= (),

тогда при напряжении u в  сети и при токе i в нагрузке г

ток в подвижной катушке  равен Мгновенное значение вращающего момента в этом случае равно

а среднее за период значение этого момента

откуда 

Следовательно, ваттметр с  активным добавочным сопротивлением в  цепи подвижной катушки измеряет активную мощность цепи переменного  тока. Полученный вывод имеет простое  физическое объяснение.

Если в цепь с индуктивностью включить амперметр, вольтметр и  ваттметр, то , так как подвижная система вольтметра поворачивается под действием только приложенного напряжения, независимо от фазы этого напряжения (точнее, под действием тока в катушке, пропорционального приложенному напряжению), а подвижная часть амперметра поворачивается под действием только тока в катушке, независимо от фазы этого тока. Что касается подвижной части (катушки) ваттметра, то она поворачивается только в том случае, когда токи в обеих катушках не равны нулю, иначе не будет взаимодействия. Но в рассматриваемой цепи ток подвижной катушки максимален, когда ток в цепи равен нулю, и наоборот. Прибор ничего не покажет. Этого и следовало ожидать, так как нагрузка то запасает энергию в магнитном поле, то возвращает в сеть.

Из графика токов данной цепи с индуктивностью следует, что  токи совпадают по направлению (на графике -- по одну сторону от оси времени) только в течение двух (через одну) четвертей периода за период, а в две другие четверти периода токи имеют противоположные направления. Это означает, что направление вращающего момента т_вр изменяется четыре раза за период. Поэтому подвижная система ваттметра в течение периода будет испытывать действие четырех одинаковых по значению, но противоположных по направлению толчков и прибор ничего не покажет, так как вращающий момент, действующий на подвижную систему, определяется его средним значением за период.

ФЕРРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Малое значение вращающего момента электродинамического прибора  может быть значительно увеличено введением магнитной цепи из ферромагнитных материалов. Такие приборы получили 1азвание ферродинамических.Ферродинамический прибор состоит из стального сердечника 2, т который насажена неподвижная катушка 7, состоящая из двух секций. В воздушном зазоре между сердечником и сталь-шм цилиндром 4 может вращаться подвижная катушка 3. Такой фибор очень похож на магнитоэлектрический, в котором роль по-:тоянного магнита выполняет катушка с током.Введение стального сердечника приводит к значительному повышению чувствительности и ослаблению влияния внешних магнитных полей, но вместе с этим появляются потери на гистерезис и вихревые токи, снижающие точность приборов. Ферродинамические приборы изготовляют классов точности 1,0 и 1,5.

К достоинствам ферродинамических  приборов относятся:простота конструкции; способность выдерживать большие перегрузки; пригодность для постоянных и переменных токов. К недостаткам ферродинамических приборов относятся: малая чувствительность; неравномерная шкала. Приборы такого типа системы обозначаются следующим образом:.

Логометры

Логометры -- электроизмерительные приборы, у которых положение подвижной системы определяется отношением токов, протекающих по двум отдельным обмоткам.

Логометры могут быть разных систем. Наибольшее распространение  получили логометры магнитоэлектрической, электродинамической и электромагнитной систем.

В отличие от обычных приборов, у логометров нет устройства для  создания противодействующего момента. При отключенном приборе положение  его подвижной системы безразлично, а при включенном приборе на подвижную  систему действуют два противоположно направленных вращающих момента. Подвижная  система поворачивается в сторону  большого момента до тех пор, пока оба момента не сравняются.

В магнитоэлектрическом логометре (рис. 2-31) неподвижная часть состоит  из постоянного магнита со стальными  полюсными наконечниками и цилиндра из мягкой стали. Вокруг цилиндра могут  поворачиваться две жестко связанные  между собой рамки, укрепленные  на оси со стрелкой. Токи в рамках создают два противоположно направленных вращающих момента. Магнитное поле в воздушном зазоре специально делают неоднородным (нерадиальным). Это можно достигнуть если полюсным наконечникам придать специальную форму. В этом случае вращающие моменты оказываются зависимыми от положения подвижной системы. При повороте подвижной системы в сторону большого момента момент одной рамки возрастает, в то время как момент другой рамки уменьшается. Поэтому поворот происходит до тех пор, пока моменты не окажутся равными при данном соотношении токов в рамках. Причем при одновременном и одинаковом изменении токов в рамках точно так же изменяются и вращающие моменты, оставаясь по-прежнему равными. Следовательно, положение подвижной системы логометра не зависит от абсолютных значений токов в рамках, а определяется отношением токов в них.

Магнитоэлектрические логометры  часто используют как омметры  и мегомметры для непосредственного  измерения сопротивлений. В логометрах электродинамической и ферродинамической  систем происходит взаимодействие токов  в рамках с полем неподвижной  катушки. Если логометры работают в  цепях переменного тока, то положение  подвижной системы определяется не только отношением токов в подвижных  катушках, но и отношением сдвигов  фаз между этими токами и током  неподвижной катушки. Это позволяет  использовать логометры электродинамической  и ферродинамической систем в  качестве фазометров, частотометров и т. д. Логометры получили широкое практическое применение как щитовые, переносные и регистрирующие приборы.

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Термоэлектрический прибор -- это совокупность термопары с подогревателем и магнитоэлектрического измерителя (индикатора). Такие приборы предназначены для измерения слабых переменных токов. Измеряемый ток проходит через подогреватель П и нагревает его. К подогревателю прикреплен или находится вблизи него спай термопары Т. ЭДС термопары создает ток, проходящий через магнитоэлектрический измеритель (прибор). Таким образом, показания термоэлектрического прибора пропорциональны мощности, расходуемой на нагревание подогревателя (т. е. действующему значению квадрата тока в нем). Стало быть, шкала такого прибора почти квадратична. Условное обозначение прибора:. В наиболее точных приборах (до 100 -- 150 мА) для ограничения потерь тепла подогреватель вместе с термопарой помещают в вакуумный стеклянный баллон. Это значительно повышает чувствительность термоэлемента.

ДЕТЕКТОРНЫЕ ПРИБОРЫ

Детекторные приборы -- это совокупность выпрямителя, называемого детектором, и магнитоэлектрического измерителя. Такое сочетание вызвано необходимостью измерений малых токов и напряжений переменного тока. Приборами наиболее высокой чувствительности и точности являются магнитоэлектрические приборы, но они непригодны для переменных токов, поэтому измеряемые переменные ток или напряжение выпрямляются с помощью специального выпрямителя, а затем измеряются магнитоэлектрическим прибором.