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

Подождите немного. Документ загружается.

ризации шкалы. Практически шкала этих приборов получа-

ется равномерной начиная с 15-20% от конечного значения

шкалы.

В электродинамическом ИМ отсутствуют ферромагнитные

элементы. Это устраняет погрешности, связанные с нели-

нейностью и нестабильностью свойств ферромагнетиков.

Поэтому электродинамические приборы являются наиболее

точными среди других приборов переменного тока (класс

точности 0,5; 0,2; 0,1). К сожалению, столь малая по-

грешность имеет место лишь на низких частотах. На повы-

шенных частотах появляется погрешность, обусловленная

влиянием индуктивных сопротивлений катушек. Она особен-

но велика в амперметрах с параллельным включением обмо-

ток (вследствие перераспределения тока между обмотками

и в ваттметрах.

2.6. Электромагнитные измерительные приборы

Работа электромагнитных ИМ основана на взаимодейст-

вии магнитного поля, созданного неподвижной катушкой,

по обмотке которой протекает измеряемый ток, с одним

или несколькими ферромагнитными сердечниками, эксцен-

трично укрепленными на оси. Наибольшее распространение

получили измерительные механизмы с плоской катушкой, с

круглой катушкой и с замкнутым магнитопроводом.

Измерительный механизм с плоской катушкой (рис.

2.12, а) состоит из катушки 1 с обмоткой из медного

провода, имеющей воздушный зазор, и сердечника 2. сер-

дечник из ферромагнитного материала с высокой магнитной

проницаемостью и малой коэрцитивной силой укрепляется

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

на оси с опорами 3 или на растяжках. Противодействующий

момент создается спиральной пружиной или растяжками.

Рис. 2.12. Электромагнитные измерительные механизмы:

а - с плоской катушкой; б - с замкнутым магнитопро-

водом.

В механизмах с круглой катушкой неподвижный и под-

вижный (укрепленный на оси) сердечники располагаются

внутри катушки. При протекании тока в обмотке катушки

оба сердечника намагничиваются одноименно и отталкива-

ются друг от друга. Поэтому подвижный сердечник вместе

с осью и другими деталями, укрепленными на ней, повора-

чивается на некоторый угол.

Механизмы с замкнутым магнитопроводом (рис. 2.12,

б) являются более совершенными. Катушка 1 расположена

на неподвижном магнитопроводе 3 с двумя парами полюсных

наконечников 4 и 5, магнитопровод и полюсные наконечни-

ки выполнены из магнитомягкого материала. Подвижный

сердечник 2 из магнитомягкой стали или пермаллоя, укре-

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

пленный на растяжках, может перемещаться в зазоре между

полюсными наконечниками.

При протекании тока через катушку возникает магнит-

ное поле, которое, воздействуя на подвижный сердечник

2, стремится расположить его так, чтобы энергия поля

была наибольшей. Энергия магнитного поля электромагнит-

ного механизма, имеющего катушку с током I, равна

= 0,51

L ,

где L - индуктивность катушки; I - ток в обмотке.

Тогда вращающий момент равен

I==

, . (2.45.)

При протекании в обмотке катушки переменного тока

i = I

sinωt подвижная часть вследствие своей инерцион-

ности будет реагировать на среднее значение вращающего

момента, равное

I==

∫

05 05

αα

где I - действующее значение переменного тока в об-

мотке.

Из условия статического равновесия М = -М

пр

или

α=

можно получить выражение для угла отклонения

подвижной части

αα

, (2.46.)

поэтому шкала у электромагнитного измерительного прибо-

ра неравномерная.

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

Обычно в электромагнитных механизмах форма сердеч-

ника подбирается так, что шкала практически равномерная

с 15-20% ее конечного значения.

Показания электромагнитных измерительных приборов

на постоянном токе различаются при возрастающих и убы-

вающих значениях тока. Эти различия обусловлены потеря-

ми на гистерезис. В приборах, механизмы которых имеют

сердечники из электротехнической стали, упомянутые раз-

личия составляют 2-3%. В приборах с механизмами, имею-

щими сердечник из пермаллоя, эти различия ничтожно ма-

лы.

При работе механизма электромагнитной системы на

переменном токе в окружающих металлических частях и

сердечнике возникают вихревые токи, размагничивающие

сердечник. Вследствие этого показания на переменном то-

ке немного меньше, чем на постоянном, указанное разли-

чие в показаниях увеличивается с ростом частоты, но на

частоте 50 Гц оно невелико.

Недостатки электромагнитных ИМ: неравномерная шка-

ла, влияние внешних магнитных полей (для ИМ без магни-

топровода) и большое собственное потребление мощности.

К достоинствам электромагнитных ИМ можно отнести:

пригодность для работы на постоянном и переменном токе,

устойчивость к токовым перегрузкам, простота конструк-

ции. Благодаря отмеченным достоинствам электромагнитные

ИМ используются в щитовых амперметрах и вольтметрах

класса точности 1,0 и более низких классов для измере-

ний в цепях переменного тока, а также в переносных мно-

гопредельных приборах класса точности 0,5.

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

Для расширения диапазона измерения переносных мно-

гопредельных электромагнитных амперметров катушки вы-

полняются секционированными. Секции включаются в парал-

лельно-последовательные комбинации.

Температурная погрешность у электромагнитных ИМ не-

велика и обусловлена только изменением упругости спи-

ральной пружины и (или) растяжек.

Изменение частоты переменного тока сказывается

на показаниях вольтметров больше, чем на показаниях ам-

перметров, Это обусловлено тем, что с повышением часто-

ты увеличивается реактивная составляющая сопротивления

катушки вольтметра, вызывающая уменьшение тока в цепи

прибора и, следовательно, показания его уменьшаются,

Поэтому для расширения частотного диапазона необходимо

вводить частотную компенсацию с помощью включения кон-

денсатора параллельно части добавочного резистора(как и

в вольтметре электродинамической системы)[8].

2.7. Индукционные измерительные приборы

Индукционный ИМ имеет неподвижную катушку, по кото-

рой протекает ток, и подвижный плоский проводник, от-

клонение которого обусловливается индуцируемыми в нем

токами.

Существуют два типа конструкции:

индукционный ИМ с вращающимся полем, основу которо-

го составляет магнитопровод с двумя парами внутренних

взаимно перпендикулярных полюсов, на которых расположе-

ны обмотки (рис. 2.13.)

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

индукционный ИМ с бегущим полем (индукционный счет-

чик), имеющий диск, вращающийся между полюсами катушек.

Токи возбуждения создают вращающееся или бегущее

поле, которое приводит в движение подвижный орган. В

плоском проводнике индуцируются напряжения (ЭДС), воз-

никают вихревые токи и появляется вращающий момент.

Рис. 2.13. Индукционный ИМ с вращающимся полем.

Угол отклонения и показания зависят от частоты,

силы токов, протекающих по катушкам (обмоткам), и фазо-

вого сдвига между ними.

Полюса магнитопровода 3, составляющего основу ИМ с вра-

щающимся полем (рис. 2.13.), как бы охватывают вращаю-

щийся алюминиевый цилиндр 5, внутри которого находятся

неподвижный сердечник 4. Через катушки 2 пропускается

ток возбуждения. Вследствие пространственного распо-

ложения соседних катушек (под углом 90 градусов друг к

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

другу: пара токовых катушек 1 и пара катушек напряжения

2 имеет место фазовый сдвиг между токами в 90 градусов,

что является причиной возникновения вращающегося элек-

тромагнитного поля. Это поле, пронизывая алюминиевый

цилиндр 5, индуцирует в нем напряжение и вихревые токи,

что вызывает возникновение вращающего момента. С помо-

щью спиральных бестоковых пружин 6 создается противо-

действующий момент и обеспечивается пропорциональность

измеряемой величины отклонению подвижного органа

(стрелки). Для индукционного успокоения ИМ используется

постоянный магнит 8. Коррекция нуля прибора обеспечива-

ется с помощью устройства 7.

Сравнительно большой вращающий момент позволяет ис-

пользовать индукционный ИМ в самопишущих приборах, а

также в указателях направления вращающегося поля. Одна-

ко, зависимость показаний от колебаний частоты тока

возбуждения и температуры окружающей среды ограничивает

область применения этих приборов [Шульц Ю. Электроизме-

рительная техника: 1000 понятий для практиков: Справоч-

ник: Пер с нем. -М.: Энергоатомиздат, 1989.-288с.]

Индукционный ИМ с бегущим полем рассмотрим на при-

мере одноэлементного индукционного счетчика, ис-

пользуемого для учета активной энергии в однофазных це-

пях переменного тока (рис. 2.14.) [Электрические изме-

рения (с лабораторными работами) / Под ред.

В.Н.Малиновского. М.: Энергоиздат, 1982.-392 с.].

В качестве вращающегося элемента однофазного счет-

чика используется индукционный ИМ, принцип действия ко-

торого основан на взаимодействии двух или нескольких

магнитных потоков с токами, индуцированными ими в под-

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

вижном алюминиевом диске. Возникающий в ИМ вращающий

момент М — равен:

M = cfФ

sinψ (2.47.)

где Ф

и Ф

- потоки, пересекающие алюминиевый диск;

f - частота изменения потоков Ф

и Ф

; ψ- угол фазового

сдвига между потоками Ф

и Ф

Анализируя выражение (2.47.), следует отметить,

что: для создания вращающего момента необходимо не ме-

нее двух переменных потоков или двух составляющих одно-

го потока, имеющих фазовый сдвиг и смещенных в про-

странстве; вращающий момент достигает своего

максимального значения, когда фазовый сдвиг между пото-

ками Ф

и Ф

равен 90° (sin ψ = 1); вращающий момент за-

висит от частоты изменения потоков Ф

и Ф

Устройство индукционного однофазного счетчика пред-

ставлено на рис. 2.14, который состоит: из трех-

стержневого магнитопровода 1 с обмоткой цепи напря-

жения; П-образного магнитопровода 2 с двумя последова-

тельно соединенными токовыми обмотками; алюминиевого

диска 3, жестоко укрепленного на оси подвижной части

ИМ; противополюса 4 из мягкого материала; стального по-

водка 5 для создания и регулировки компенсационного мо-

мента; постоянного магнита 6 для создания тормозного

момента и обеспечения равномерной угловой скорости дис-

ка при каждой данной нагрузке; короткозамкнутых витков

7; обмотки 8, замкнутой на переменный резистор 9;

стального крючка 10, пластины с флажком 11, выполненных

из магнитомягкого материала; счетного механизма 12,

служащего для учета числа оборотов диска; перемычки 13,

используемой для изменения сопротивления резистора.

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

Число оборотов диска счетчика, приходящееся на еди-

ницу учитываемой счетчиком энергии, называют передаточ-

ным числом счетчика и указывают на его лицевой панели.

Величина, обратная передаточному числу счетчика, т. е.

энергия, учитываемая счетчиком за один оборот диска,

называется номинальной постоянной счетчика С

ном

Рис. 2.14. Однофазный индукционный счетчик.

Существенное влияние на правильность показаний

счетчика при малых нагрузках (при малом значении тока

I) оказывает момент трения в счетном механизме и опорах

подвижной части счетчика. Для уменьшения погрешности

счетчика от действия момента трения с помощью специаль-

ных приспособлений во всех типах счетчиков создают до-

полнительный вращающий момент, который называют компен-

сационным.

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

По точности учета электроэнергии счетчики могут

быть следующих классов точности: 0,5; 1,0; 2,0 и 2,5

3. Измерение тока и напряжения

3. 1. Общие сведения

Измерения тока и напряжения являются основными при

исследовании различных устройств и при контроле их ра-

боты. Однако, в радиотехнике преобладающее значение

имеет измерение напряжения, а к измерению токов прибе-

гают в довольно редких случаях, главным образом при

контроле источников питания. Его обусловлено тем, что

для описания работы различных радиотехнических уст-

ройств используют преимущественно напряжения, а не токи

и экспериментально приходится измерять эти напряжения.

Иногда сопротивление цепи, в которой производится изме-

рение, бывает известно. В этих случаях достаточно изме-

рить лишь одну величину: напряжение или ток, а другую

можно рассчитать по закону Ома. Выбор измеряемой вели-

чины определяется удобством самих измерений. Как прави-

ло, измеряют напряжение, а не ток, поскольку вольтметр

подключают параллельно исследуемой цепи, и не приходит-

ся нарушать схему соединений. При измерении тока прихо-

дилось бы размыкать цепь и в ее разрыв вводить ампер-

метр. Это всегда неудобно, а в некоторых случаях

невозможно из-за искажения процессов, происходящих в

устройстве. Особенно большие трудности при измерении

тока возникают в высокочастотных устройствах, когда

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