Учреждение образования «гродненский государственный университет имени янки купалы» С. В. Васильев, В. И. Недолугов

Конструкция и принцип действия. В основе самой простой кон­струкции (рис. 17) этого ИМ полая катушка с измеряемым током ^ I (или с током, пропорциональным измеряемому напряжению U в случае вольтметра). Рис. 17. Устройство электромагнитного механизма: ^ 1 – катушка с измеряемым током; 2 – ось; 3 – спиральная пружина; 4 – сердеч­ник из магнитомягкого материала; 5 – стрелка; 6 – шкала Протекающий по катушке 1 ток создает магнитный поток, кото­рый притягивает (втягивает внутрь катушки) сердечник 4, выпол­ненный из магнитомягкого материала и закрепленный на оси 2. При этом возникает вращающий момент М, равный произ­водной энергии этой электромеханической системы по углу по­ворота α: М=, где I – действующее значение тока в катушке; L – индуктивность катушки; α – угол поворота сердечника. Спиральная пружина ^ 3 служит для создания противодейству­ющего момента МПР: МПР = αΩ, где Ω – удельный противодействующий момент. Моменты М и МПР направлены навстречу друг другу. С ростом угла поворота α противодействующий момент МПР пропорционально растет. Это происходит до тех пор пока моменты не станут равными. При М= МПР = αΩ . Следовательно, угол поворота . Отсчетное устройство – стрелка 5 и шкала 6 – преобразует угол поворота сердечника в показания (отсчет). Из последнего уравнения следует, что ЭМ приборы могут ра­ботать как в цепях постоянного, так и переменного тока; а также, что шкала у ЭМ приборов – нелинейная (квадратичная). Существуют и другие конструкции ЭМ измерительных меха­низмов, в частности с замкнутым магнитопроводом, которая обес­печивает лучшую защищенность от внешних магнитных полей. ^ Амперметры и вольтметры. В основе конструкции амперметров ЭМ системы лежит катушка, состоящая из нескольких секций (рис.18, а), переключением которых можно изменять пределы измере­ния токов: I1 > I2 > I3. а б в Рис. 18. Схемы амперметров и вольтметров электромагнитной системы В простейшей схеме вольтметра последовательно с катушкой включается добавочный резистор RV (рис.18, б). В такой схеме с ростом частоты напряжения ω линейно растет индуктивное со­противление XL катушки измерительного механизма: XL =jωL. При этом растет суммарное сопротивление цепи, ток в катуш­ке падает, что приводит к уменьшению показаний прибора. Для поддержания полного комплексного сопротивления при­мерно постоянным в достаточно широком диапазоне частот в схе­му вольтметра (рис.18, в) вводится цепь частотной коррекции (конденсатор Ск и резистор Rк), сопротивление которой с рос­том частоты падает, компенсируя возрастание сопротивления катушки. С помощью добавочных резисторов RДl и RД2 обеспечивается возможность работы в нескольких диапазонах измере­ния напряжения. ^ Особенности ЭМ приборов. Приборы электромагнитной систе­мы могут быть использованы для измерения и постоянных, и пе­ременных напряжений и токов. При этом они реагируют на истин­ное среднее квадратическое (действующее) значение переменно­го сигнала независимо от его формы (правда, в пределах своего сравнительно неширокого частотного диапазона). Кроме того, важ­ным преимуществом является то, что приборы этой системы вы­держивают значительные перегрузки (возможны двух- и трехкрат­ные перегрузки), имеют сравнительно простую конструкцию и, следовательно, надежны и дешевы. Достаточно сказать, что ЭМ приборы – это самые распространенные щитовые приборы. Недостатки приборов ЭМ системы следующие: нелинейная (квадратичная) шкала; узкий частотный диапазон измеряемых сигналов (сотни герц – единицы килогерц); заметное влияние внешних магнитных полей; невысокий класс точности (типично – 1,5...2,5 %). Обозначение приборов ЭМ системы на шкалах: 2.2.5. Приборы электродинамической системы Конструкция и принцип действия. На рис. 19 приведена упро­щенная конструкция электродинамического (ЭД) измерительно­го механизма. Неподвижная катушка 1 с током I1 разделена на две части; подвижная катушка 2 с током I2 закреплена на оси 3 внутри неподвижной катушки. Спиральная пружина 4 служит для созда­ния противодействующего момента. Принцип действия основан на взаимодействии магнитных потоков двух катушек с токами I1 и I2. Протекающие по катуш­кам токи создают магнитные потоки, которые стремятся при­нять одно направление, при этом подвижная катушка пово­рачивается внутри неподвижной. Вращающий момент М для по­стоянных токов: М=, где L-1-2 – взаимная индуктив­ность катушек; α – угол поворота подвижной части. Рис. 19. Конструкция электродинами­ческого измерительного механизма: ^ 1 – неподвижная катушка; 2 – подвиж­ная катушка; 3 – ось; 4 – спиральная пружина; 5 – стрелка; 6 – шкала Электродинамические прибо­ры могут быть использованы в цепях как постоянного, так и переменного тока. Во втором слу­чае при синусоидальных токах вращающий момент определяет­ся по формуле М=, где I1, I2 – действующие значения переменных токов в катушках; φ – угол сдвига фаз между токами в катушках. На базе ЭД механизма выпускаются амперметры, вольтметры, ваттметры, фазометры. ^ Амперметры и вольтметры. Схема с последовательным соедине­нием катушек, приведенная на рис. 20, а, применяется в милли­амперметрах. а б Рис. 20. Схема амперметра электродинамической системы: а – с последовательным соединением катушек; б – с параллельным Схема рис. (20, б) с параллельным соединением кату­шек используется в амперметрах на токи более 0,5 А.В схеме вольтметра использовано последовательное соединение катушек (рис.21). Рис. 21. Схема вольтметра электродинамической системы Резистор RV служит для повышения входного сопротивления прибора. Добавочные резисторы RД1 и RД2 обеспечивают возмож­ность работы в нескольких диапазонах (значения номинальных вход­ных напряжений UV3 > UV2 > UV1). Здесь, как и в вольтметрах электромагнитной системы, индук­тивное сопротивление катушек растет с ростом частоты измеряе­мого сигнала. Поэтому для поддержания полного комплексного сопротивления примерно постоянным в некотором диапазоне ча­стот, как и в случае с ЭМ приборами, применяется частотная коррекция (конденсатор Ск и резистор Rк). Ваттметры. На базе ЭД механизма выпускаются различные типы приборов, но основное применение этот принцип нашел в ваттметрах. Произведение двух токов в выражении вращающего момента является основой для построения ваттметров на основе ЭД механизмов. Если в одной катушке ток равен току, текущему в нагрузку, а во второй катушке ток пропорционален напряже­нию на нагрузке, то показания прибора будут пропорциональны активной мощ­ности. Схема включения ваттметра при­ведена на рис. 22. Рис. 22. Схема ваттметра электродинамической системы Цепь катушки напряжения содержит элементы частотной коррекции (конден­сатор Ск и резистор Rк). Особенности ЭД приборов. К достоин­ствам ЭД приборов относятся следующие: высокая точность (до 0,1 %); возможность работы как на постоянном, так и на пе­ременном токе; амперметры и вольтметры этой системы реагиру­ют на действующее значение переменного тока или напряжения. Недостатками являются: сравнительно невысокая чувствительность; возможное влияние внешних магнитных полей (что может по­требовать экранирования механизма); заметное влияние температуры окружающей среды на сопротивление катушек и, как следствие, на показания прибора; значительная собственная мощность потребления энергии от источника сигнала; нелинейная (квадратичная) шкала; ограниченный частотный диапазон (1...5 кГц). Обозначение ЭД системы на шкалах приборов: Обозначение ЭД системы с магнитным экранированием механизма: Существует разновидность конструкции, в которой магнитные потоки катушек замыкаются не по воздуху, как в классическом варианте, а по вспомогательным магнитопроводам. Это так назы­ваемая ферродинамическая (ФД) система. Благодаря заметному уменьшению магнитного сопротивления значительно возрастает вращающий момент механизма, поэтому может быть снижена мощ­ность собственного потребления прибора и (или) повышена его чувствительность. Кроме того, наличие магнитопроводов ослабля­ет влияние внешних магнитных полей и поэтому не требуется эк­ранирование механизма. Правда, точность ФД приборов ниже, а диапазон частот несколько уже, чем у ЭД. Обозначение ФД системы на шкалах приборов: Главное применение ЭД и ФД приборов – работа в элек­тричес-ких цепях переменного тока промышленной частоты (50 Гц). ^ 2.2.6. Электростатические вольтметры Электростатические (ЭС) вольтметры применяются в основ­ном для измерения напряжений в высоковольтных цепях как по­стоянного, так и переменного тока. Конструкция и принцип действия. Принцип действия устрой­ства электростатического механизма основан на взаимодействии заряженных электродов. В основе конструкции этого ИМ (рис. 23) два электрода (алюминиевые пластины, между которыми воздуш­ный зазор), образующих переменную емкость. Измеряемое напря­жение U подается на неподвижную пластину 1, образующую свое­образную камеру, и подвижную 2, закрепленную на оси 3. Спи­ральная пружина 4 служит для создания противодействующего момента Мпр. Стрелка 5 и шкала 6 образуют отсчетное устройство. Подведенное к пластинам напряжение U создает между пласти­нами электрическое поле. Под действием электростатических сил притяжения подвижная пластина втягивается в камеру неподвиж­ной пластины, поворачивая при этом ось со стрелкой. Чем выше приложенное (измеряемое) напряжение U, тем глубже входит подвижная пластина внутрь неподвижной (увеличивается площадь перекрытия пластин) и тем больше угол поворота. Геометрия под­вижной пластины выбирается такой, чтобы повысить линейность (равномерность) шкалы прибора. Вращающий момент ^ М равен производной энергии этой элек­тромеханической системы по углу поворота α : М = , где U – напряжение на пласти­нах; С – емкость между пласти­нами; α – угол поворота оси сер­дечника. Рис. 23. Устройство электростатического механизма: ^ 1 – неподвижная пластина; 2 – подвижная пластина; 3 – ось; 4 – спираль­ная пружина; 5 – стрелка; 6 – шкала Противодействующий момент определяется по формуле Мпр = αΩ, где Ω – удельный противодействующий момент. Моменты М и Мпр направлены навстречу друг другу. С ростом угла поворота α противодействующий момент Мпр пропорцио­нально растет. Это происходит до тех пор, пока моменты не станут равными. При М = Мпр = αΩ . Следовательно, уравнение шкалы ЭС вольтметра имеет вид . Из последнего уравнения следует, во-первых, что ЭС приборы могут измерять напряжение в цепях и постоянного, и переменно­го тока, а во-вторых, что шкала у ЭС вольтметров – нелинейная (квадратичная). ^ Расширение диапазонов измерения ЭС вольтметров можно вы­полнять несколькими способами. На постоянном токе это дела­ется с помощью резистивного делителя напряжения (рис. 24, а). На переменном токе используют емкостной делитель напряжения (рис. 24, б) или, в крайнем случае, добавочный конденсатор (рис. 24, в), который совместно с емкостью самого ЭС механизма также создает делитель напряжения. а б в Рис. 24. Способы расширения диапазонов измерения ЭС вольтметра с помощью: а – резистивного делителя; б – емкостного делителя; в – добавочногоконденсатора Особенности ЭС вольтметров. К достоинствам ЭС вольтметров можно отнести следующие: высокое входное сопротивление (на постоянном напряжении – практически бесконечное, а на низких и средних частотах состав­ляет десятки мегаом и более), что означает чрезвычайно малое собственное потребление энергии от источника измеряемого напряжения; реакция на среднее квадратическое (действующее) значение напряжения не зависит от формы сигнала; широкий диапазон частот измеряемых напряжений (единицы – десятки мегагерц); сравнительно высокая точность (типичные классы точности 1,0…1,5); простая конструкции и, следовательно, достаточная надеж­ность. Недостатки ЭС вольтметров: нелинейная шкала; малая чувствительность; возможное значительное влияние внешних электрических полей, требующее экранирования механизма. Основное применение ЭС вольтметров – измерения в высоко­вольтных цепях, в маломощных цепях, а также в цепях с высоко­частотными сигналами. Обозначение вольтметров ЭС системы на шкалах:

Похожие:

	Республики Беларусь Учреждение образования «Гродненский государственный... С. Е. Витун, заведующий кафедрой финансов и кредита уо «Гродненский государственный университет имени Янки Купалы», кандидат экономических...		Республики Беларусь Учреждение образования «Белорусский государственный... Учреждение образования «Белорусский государственный педагогический университет имени Максима Танка»
	Учреждение образования «Гродненский государственный медицинский университет» Кафедра биохимии Рекомендовано Центральным научно-методическим советом уо “Гргму” (протокол № от 10. 06. 20010 г.)		Министерство образования и науки РФ федеральное государственное бюджетное... «Московский государственный университет технологий и управления имени К. Г. Разумовского»
	Конкурс «Лучший инновационный проект студентов и аспирантов» проводится... «Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова» в рамках всероссийского фестиваля науки, организуемого Министерством...		Учреждение образования «гомельский государственный медицинский университет»... Т. М. Шаршакова, Н. П. Петрова, В. М. Дорофеев. ― Гомель: Учреждение образования «Гомельский государственный медицинский университет»,...
	Учреждение образования «гомельский государственный медицинский университет»... Т. М. Шаршакова, Н. П. Петрова, В. М. Дорофеев. ― Гомель: Учреждение образования «Гомельский государственный медицинский университет»,...		Учреждение образования «гомельский государственный технический университет... Список использованных источников
	Государственное образвательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева”		Кафедра акушерства и гинекологии Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «тамбовский государственный университет имени г....