Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения

Подождите немного. Документ загружается.

этом случае

1RR

шр

ИМ

изм

. (2.18.)

Рис.2.8 Схемы включения магнитоэлектрических ампермет-

ров: а) для измерения малых токов; б) для измерения

больших токов

На рис. 2.9. приведена схема магнитоэлектрического

вольтметра. Сила тока, проходящего через вольтметр,

должна быть малой. Это достигается включением последо-

вательно с рамкой добавочного резистора с достаточно

большим сопротивлением R

доб

Под чувствительностью вольтметра понимают величину

изм

. (2.19.)

Учитывая, что

ИМ

Ih=α ,

рдоб

изм

получаем

доб

ИМ

pдоб

ИМв

hh ≈

. (2.20.)

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

Из выражений (2.18.) и (2.20.) видно, что чувстви-

тельность магнитоэлектрических амперметров и вольтмет-

ров не зависит от угла отклонения и, следовательно, они

имеют равномерную шкалу. Это позволяет создавать много-

предельные и комбинированные приборы. В основе их рас-

чета лежат соотношения (2.18.) и (2.20.).

Рис.2.9 Схема магнитоэлектирического вольтметра

Широко распространены универсальные измерительные

приборы, построенные на основе магнитоэлектрических ИМ

(их часто называют тестерами). Работу прибора на пере-

менном токе обеспечивает выпрямительная схема. Много-

предельность достигается системой шунтов и добавочных

резисторов. Шкала градуируется в действующих значениях

тока и напряжения. Эта градуировка справедлива лишь при

подаче на вход прибора колебаний синусоидальной формы.

Свойства магнитоэлектрических приборов. В магнито-

электрическом ИМ собственное магнитное поле концентри-

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

руется в узких зазорах. Это позволяет получить большие

значения индукции в зазорах и соответственно высокую

чувствительность - механизма или большой вращающий мо-

мент. Последнее — используется в самопишущих приборах.

Сильное магнитное поле в рабочей части зазоров де-

лает магнитоэлектрический ИМ мало чувствительным к

внешним магнитным полям. Высокочастотные наводки не

влияют на его показания вследствие рассмотренного свой-

ства реагировать на постоянную составляющую тока через

рамку. Поэтому магнитоэлектрические приборы отличаются

высокой помехоустойчивостью.

Магнитоэлектрические ИМ относятся к числу наиболее

точных. Использование в них высокостабильных магнитов

позволяет создавать приборы классов точности 0,2; 0,1 и

даже 0,05.

К недостаткам магнитоэлектрических приборов следует

отнести их относительную высокую стоимость и малую

стойкость к перегрузкам.

2.5. Электродинамические и ферродинамические

измерительные приборы

Приборы электродинамической системы применяют для

измерений в цепях переменного тока. На основе этой сис-

темы разработаны амперметры, вольтметры и ваттметры вы-

соких классов точности.

Работа электродинамического ИМ основана на взаимо-

действии магнитных полей неподвижной и подвижной кату-

шек с токами (рис. 2.10, а, б). Неподвижную катушку 1

обычно выполняют из двух частей; между ними проходит

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

ось, на которой крепят подвижную катушку 2; угол пово-

рота ее регистрирует стрелка 3. Спиральная пружинка 4

служит для создания противодействующего момента и под-

ведения тока к подвижной катушке. Для уменьшения време-

ни успокоения применяют воздушный успокоитель (на рис.

не показан). Катушки электродинамического ИМ могут быть

круглой или прямоугольной формы. Их размеры и взаимное

расположение выбирают из условий линеаризации шкалы.

Рис.2.10 Электродинамический измерительный меха-

низм:1—неподвижная катушка; 2—подвижная катушка;

3—стрелка

Напряженность собственного магнитного поля электро-

динамического ИМ невелика, поэтому внешние магнитные

поля (в частности, магнитное поле Земли) заметно влияют

на его показания. Для уменьшения этого влияния применя-

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

ют экранирование либо астазирование.

При экранировании ИМ помещают внутри одинарного или

двойного экрана из ферромагнитного материала. При аста-

зировании ИМ выполняют из двух неподвижных и двух под-

вижных катушек. Подвижные катушки крепят на общей оси.

При соответствующих направлениях токов в катушках вра-

щающий момент не зависит от внешнего магнитного поля.

Однако астатические ИМ сравнительно дороги н применяют-

ся редко.

Выражение для вращающего момента можно получить из

следующих соображений. В ИМ электромагнитная энергия

преобразуется в механическое перемещение его подвижной

части. Изменение электромагнитной энергии равно работе

сил поля: dϖ

элм

= dA. При угловом перемещении подвижной

части dA = m

вр

dα, откуда

элм

вр

. (2.21.)

Полученное соотношение называют обобщенным выраже-

нием вращающего момента. Оно справедливо для всех элек-

тромеханических ИМ.

Дальнейший вывод относится к электродинамическому

ИМ. Мгновенное значение электромагнитной энергии систе-

мы, состоящей из двух катушек

pв

ввэлм

iMiiL

++=ϖ

. (2.22.)

В этом выражении L

- индуктивность неподвижной катушки

(катушки возбуждения); L

- индуктивность подвижной ка-

тушки (рамки); М - взаимная индуктивность катушек; i

- мгновенные значения соответствующих токов.

При повороте рамки меняется только взаимная индук-

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

тивность. Поэтому

∂

=α∂ϖ∂=

iМi

pв

эмвр

. (2.23.)

Следует учесть, что ИМ показывающих приборов из-за

инерция подвижной части реагируют на постоянную состав-

ляющую вращающего момента. Для рассматриваемого меха-

низма

∫

α∂

∂

pввр

dtii

1М

. (2.24.)

При установившемся отклонении момент, определяемый

выражением (2.24.), уравновешивается противодействующим

моментом:

вр

= М

пр

= W

. (2.25.)

Из выражений (2.24.) и (2.25.) следует

∫

α∂

∂

=α

рв

dtii

· . (2.26.)

Анализ полученного соотношения удобно провести,

рассматривая различные способы включения обмоток элек-

тродинамического ИМ.

В электродинамических приборах применяют три спосо-

ба включения обмоток: последовательное, параллельное и

независимое.

Последовательное включение используют в миллиам-

перметрах и вольтметрах. Схема электродинамического

миллиамперметра показана на рис. 2.11, а. Для этой схе-

мы

= i

изм

.· (2.27.)

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

Рис.2.11. Схемы включения обмоток в электродинами-

ческих приборах: а — последовательная; последова-

тельная с R

доб

;в — параллельная; г - независимая

Поэтому выражение (30) принимает вид

∫

α∂

∂

=α

. (2.28.)

Учитывая, что среднеквадратическое (действующее)

значение тока

∫

dti

, (2.29.)

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

запишем выражение (2.28.) в виде

изм

α∂

∂

=α . (2.30.)

Подбирая форму и взаимное расположение катушек,

стремятся выполнить условие линеаризации шкалы

constI

изм

α∂

∂

. (2.31.)

При этом угол отклонения α пропорционален среднеквадра-

тическому значению измеряемого тока.

На рис. 2.11, б приведена схема электродинамическо-

го вольтметра. Для ограничения тока последовательно с

ИМ включают добавочный резистор, сопротивление которого

много больше суммарного сопротивления обмоток. При этом

= i

≅ U

изм

доб

, (2.32.)

∫

α∂

∂

=α

изм

доб

dtU

1М

. (2.33.)

Так как среднеквадратическое значение напряжения

определяется формулой

∫

dtu

, (2.34.)

из выражения (2.33.) получаем

изм

доб

α∂

∂

=α

. (2.35.)

Учитывая, что сила тока, проходящего через ИМ

ИМ

≅ U

изм

доб

, (2.36.)

делаем вывод, что выражения (2.30.) и (2.35.), по суще-

ству, идентичны.

Параллельное включение обмоток используют в ампер-

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

метрах (рис. 2.11, б). При этом появляется возможность

пропустить значительную часть измеряемого тока через

неподвижную катушку и уменьшить силу тока, проходящего

через спиральные пружинки и рамку. Это достигается

включением дополнительного резистора в цепь рамки.

Введем коэффициенты распределения силы тока между

обмотками

изм

;

изм

k =

, (2.37.)

причем для рассматриваемой схемы

+ k

= 1 . (2.38.)

Из выражений (2.37.) следует, что

изм

. (2.39.)

Используя соотношения (2.26.), (2.29.) и

(2.39.),получаем

изм

α∂

∂

=α

. (2.40.)

Выражение (2.40.) аналогично (2.30.), однако в него

входят коэффициенты распределения тока.

Независимое включение обмоток применяется в ватт-

метрах-приборах для измерения мощности (рис. 2.11, в).

Неподвижную катушку, сопротивление которой должно быть

мало, включают последовательное нагрузкой, а цепь рам-

ки, состоящую из обмотки рамки и добавочного резистора,

параллельно нагрузке. Покажем, что данное включение об-

моток позволяет измерять активную мощность, рассеивае-

мую в нагрузке (среднюю за период колебания Т). Эта ве-

личина определяется соотношением

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.

∫

ННН

dtiu

, (2.41.)

где u

и i

- мгновенные значения напряжения на на-

грузке и силы тока через нагрузку.

Для рассматриваемой схемы

= i

добp

. (2.42.)

При записи второго из этих выражений учитываем, что

падение напряжения на катушке возбуждения мало по срав-

нению с напряжением на нагрузке, а сопротивление рамки

существенно меньше величины R

доб

. Подставляя выражения

(2.42.) в соотношение (2.26.) и учитывая (2.41.), нахо-

дим

доб

α∂

∂

=α

. (2.43.)

Форму и взаимное расположение катушек подбирают

так, чтобы в пределах рабочей части шкалы выполнялось

условие линеаризации

const

α∂

∂

. (2.44.)

При этом угол отклонения подвижной части ИМ пропор-

ционален активной мощности, рассеиваемой в нагрузке.

Приборы электродинамической системы могут приме-

няться для измерения электрических величин в цепях как

постоянного, так и переменного тока, но наиболее широко

используют их для измерения тока и напряжения промыш-

ленной частоты.

Электродинамические амперметры и вольтметры измеря-

ют среднеквадратическое (действующее) значение тока или

напряжения. При их разработке принимают меры для линеа-

Голик А.М., Кондрашин В.А. Электрические и радиотехнические измерения . С-Пб.: ВАУ.2002, 106 с.