Классификация электроизмерительных приборов (стр. 2 из 4)

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРИБОРЫ

Электромагнитные приборы действуют по принципу перемещения подвижного сердечника из ферромагнитного материала под влиянием магнитного поля неподвижной катушки. Сердечник укреплен на одной оси со стрелкой указателя. Распространены две конструкции: приборы с плоской катушкой и приборы с круглой катушкой .

В первой конструкции лепесток 2 из ферромагнитного материала (мягкой стали или специального сплава), эксцентрично насаженный на ось со стрелкой, втягивается магнитным полем неподвижной катушки 1, которое образуется током в катушке.

Во второй конструкции имеется два ферромагнитных элемента 3, 4, размещенных внутри неподвижной круглой катушки 5. Элемент 3

прикреплен к внутренней поверхности катушки и является неподвижным, а элемент 4жестко связан с осью 2 прибора. При наличии тока в катушке оба элемента одноименно намагничиваются и стремятся оттолкнуться, как два магнита одинаковой полярности. В результате такого взаимодействия подвижный элемент поворачивается вместе с осью, В приборах обеих конструкций противодействующий момент создается спиральной пружиной, Успокоители (6, 10) в таких магнитных системах бывают воздушные и магнитоиндукционные.

Вращающий момент в электромагнитных приборах может быть определен исходя из изменения энергии магнитного поля катушки прибора при изменении в ней тока I и ее индуктивности L при перемещении сердечника. Как известно, энергия магнитного поля

В режиме установившегося отклонения при создании противодействующего момента пружинами М_пр, = М_вр,т. е. с учетом (9.2),

откуда

Из выражения видно, что знак угла отклонения стрелки прибора не зависит от направления тока в катушке. Следовательно, приборы пригодны для измерения в цепях постоянного и переменного токов. В цепи переменного тока они измеряют действующее значение тока или напряжения.

Шкала прибора, как это видно из, неравномерная. Меняя форму сердечника и его расположение в катушке, можно получить почти равномерную шкалу начиная с 20% верхнего предела диапазона измерений. При меньших значениях измеряемой величины электромагнитные приборы недостаточно чувствительны и эта часть шкалы считается нерабочей.

Конструктивная особенность электромагнитного прибора позволяет изготовить амперметры этой системы на токи 200...300 А для прямого включения в цепь. Действительно, неподвижная катушка может быть выполнена из провода любого сечения. Амперметр на 150...300 А выполняют с катушкой в виде одного витка из медной шины. Вольтметры электромагнитной системы изготовляют на напряжение до 660 В, катушку выполняют из большого числа витков медной проволоки небольшого сечения, а для компенсации температурной погрешности включают добавочные резисторы из манганина.

Ввиду относительно слабого собственного магнитного поля на показания электромагнитных приборов весьма значительное влияние оказывают внешние магнитные поля. Для снижения их влияния измерительный механизм защищают стальным экраном. В приборе имеется корректор (8, 9).

Встречаются конструкции, в которых устанавливают две неподвижные катушки с самостоятельными сердечниками, насаженными на одну ось, так называемые астатические приборы (рис. 9ДО). Здесь обе обмотки включены последовательно, но так, что их потоки Фх и Ф2 направлены встречно, а моменты, создаваемые этими потоками и действующие на подвижную часть прибора, согласны. При такой конструкции внешний магнитный поток Фвш в одной катушке усиливает, а в другой уменьшает вращающий момент прибора на равные значения. Этим исключается влияние внешнего магнитного поля.

Астатические приборы изготовляют для классов точности 0,5 и 1,0 и только переносного исполнения (лабораторные, испытательные комплекты). Простота конструкции, невысокая стоимость, пригодность для постоянного и переменного токов, большая перегрузочная способность, возможность непосредственного включения амперметров на большие токи привели к широкому распространению этих приборов в промышленных установках.

Недостатками электромагнитных приборов можно считать неравномерность шкалы, низкую чувствительность, сравнительно большое собственное потребление (амперметры — до 5 ВА, вольтметры — до 10 В-А), чувствительность к влиянию внешних магнитных полей.

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ И ФЕРРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Электродинамические приборы имеют две катушки. Неподвижную катушку I выполняют из двух частей, между которыми проходит ось. На оси укреплена подвижная катушка 2. Противодействующий момент создается двумя пружинами (на рисунке не показаны).

Через них осуществляют и присоединение подвижной катушки к цепи.

Приборы электродинамической системы применяют для измерения в цепях переменного и постоянного токов, так как направление вращающего момента не изменяется при изменении направления обоих токов.

В зависимости от способа взаимного включения катушек электродинамический прибор может быть использован как амперметр, вольтметр, ваттметр или фазометр.

При использовании электродинамического прибора в качестве амперметра на токи выше 0,5 А катушки нельзя включать последовательно из-за трудности подвода больших токов к подвижной катушке, так как подсоединение подвижной катушки к цепи осуществляют через спиральные пружины, создающие противодействующий момент.

В этом случае обе обмотки катушек соединяют параллельно. Условно обмотка неподвижной катушки показана толстой линией, обмотка подвижной катушки — тонкой линией.

Благодаря различным конструктивным приемам (форме катушек, их расположению) оказывается возможным получить линейную шкалу для электродинамического амперметра начиная с 20% от верхнего предела измерения.

Совпадения по фазе переменных токов в обмотках подвижной и неподвижной катушек (j= 0) достигают включением последовательно с катушками элементов с активным и индуктивным сопротивлениями.

При использовании электродинамического прибора в качестве вольтметра обе обмотки прибора включают последовательно друг с другом и с добавочным резистором R_д.

При использовании электродинамического прибора в качестве ваттметра обмотку неподвижной катушки включают в цепь последовательно (тогда I₁ = I), а обмотку подвижной катушки, соединенную последовательно с добавочным резистором R_д, — параллельно зажимам приемника. Реактивное сопротивление этой цепи очень мало и поэтому R₂ + R_Д »Z₂. Можно считать, что практически ток I₂ совпадает по фазе с напряжением U на зажимах приемника.

Направление отклонения подвижной системы прибора зависит от взаимного направления токов в обеих обмотках. Поэтому для правильного включения обмоток их зажимы маркируют. У так называемых «генераторных» зажимов обмоток (зажимов, к которым следует присоединять провода со стороны источника питания) ставят знак * (звездочка). На электрических схемах эти зажимы обмоток обозначают точками.

При угле сдвига фаз j > 90° (что возможно в некоторых случаях измерений) cosj отрицателен и, следовательно, отклонение стрелки прибора также должно быть отрицательным. Чтобы иметь возможность измерить такие отрицательные мощности, в ваттметрах устанавливают переключатель для изменения направления тока в обмотке подвижной катушки. Положение переключателя отмечено знаками плюс и минус. Измеренное значение нужно записывать с со ответствующим знаком по положению переключателя» Электродинамические приборы имеют специальный экран, защищающий их от воздействия внешних магнитных полей.

ИНДУКЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ

Принцип действия индукционных приборов основан на взаимодействии бегущего магнитного поля с вихревыми токами, индуцируемыми этим же полем в проводящем подвижном диске.

Бегущее поле создается двумя магнитными потоками, сдвинутыми на некоторый угол по фазе и в пространстве. Можно создать индукционные приборы любого назначения — амперметры, вольтметры, ваттметры и др. На практике наибольшее распространение получили индукционные счетчики электрической энергии,

Приведенная конструкция (трехпоточная) счетчика состоит из двух электромагнитов 1 и 2 и подвижного алюминиевого диска 5. Диск укреплен на оси, которая связана с помощью червячной передачи со счетным механизмом. Диск вращается в зазоре электромагнитов. Магнитный поток Ф1 электромагнита 1 U-образной формы создается током I приемника электрической энергии, так как его обмотка включена последовательно в цепь нагрузки. Поток Ф1 дважды пересекает диск и незначительно отстает по фазе от образующего его тока I. Поэтому можно считать, что значение потока Ф1 в первом приближении пропорционально току I: Ф1 = kI. Электромагнит 2 имеет Т-образный вид. На его среднем стержне расположена гистерезис и вихревые токи. Подвижная катушка вращается около неподвижного стального сердечника 4, помещенного в соосную расточку магнитопровода. Стороны обмотки (рамки) 3 подвижной части находятся в зазоре между магнитопроводом и неподвижным стальным сердечником, где магнитное поле достигает значительно больших значений, чем магнитное поле, создаваемое в воздухе неподвижной катушкой электродинамического прибора.