Электромеханические приборы для измерения тока и напряжения

 

Cодержание

 

 

 

Введение

 

 

Актуальность темы курсовой работы. В практической жизни человек  всюду имеет дело с измерениями. Измерения являются одним из важнейших путей познания природы человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности. Все отрасли техники не могли бы существовать без развернутой системы измерений, определяющих как все технологические процессы, контроль и управление ими, так и свойства и качество выпускаемой продукций.

Особенно возросла роль измерений в век широкого внедрения новой техники, развития электроники, автоматизации, атомной энергетики, космических полетов.

Измерения и мероприятия по обеспечению  их единства и точности объединяются единым понятием “метрологическое обеспечение”, которое традиционно определяют как деятельность по установлению и применению научных и организационных основ, технических средств, правил и норм для достижения единства и требуемой точности различных способов определения значений физических величин.

Единство измерений как одно из слагаемых метрологического обеспечения - это такое состояние измерений, при котором результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием разных методов и средств измерений.

Среди всех видов измерительной  техники главная роль принадлежит  технике электрических измерений  в силу ее универсальности, автоматизации и компьютеризации, передачи измерительной информации на любые расстояния. Электрическими измерениями охватываются измерения всех электрических величин, магнитных величин и практически любых неэлектрических величин.

Электроизмерительные приборы для измерения тока и напряжения подразделяются на: электромеханические (магнитоэлектрической системы, электродинамические, электромагнитные с подвижным магнитом, индукционной системы, электромагнитные) и электронные (см. Приложение).

Основной целью курсовой работы является изучение метрологического обеспечения измерений напряжения и тока.

В соответствии с поставленной целью  в работе поставлены следующие задачи:

1. Рассмотреть основные методы  измерений напряжения и тока.

2. Раскрыть особенности измерений напряжения и тока различными приборами.

3. Изучить устройство приборов  измерения напряжения и тока  различных систем.

1. Электромеханические  приборы для измерения тока  и напряжения

1.1 Общая характеристика электромеханических  амперметров и вольтметров.

Электромеханические измерительные  приборы относятся к приборам прямого преобразования, в которых  электрическая измеряемая величина непосредственно преобразуется  в показание отсчетного устройства. Таким образом, любой электромеханический прибор состоит из следующих главных частей: неподвижной, соединенной с корпусом прибора, и подвижной, механически или оптически связанной с отсчетным устройством¹. Отсчетное устройство предназначено для наблюдения значений измеряемой величины. Оно состоит из шкалы и указателя, располагаемых на лицевой стороне прибора.

Шкалой называется совокупность отметок (штрихов), расположенных в определенной последовательности, и проставленных у некоторых из них чисел отсчета, соответствующих ряду последовательных значений измеряемой величины. Шкалы могут быть равномерными и неравномерными (квадратичными, логарифмическими и др.).

Расстояние между двумя соседними  штрихами называется делением шкалы. Разность значений измеряемой величины, соответствующая двум соседним отметкам, называется ценой деления. Цена деления Ц равномерной шкалы равна конечному значению измеряемой величины на шкале А_к, деленному на число делений п: Ц = A_к / п. Цену деления обычно выбирают кратной погрешности прибора. Таким образом, по цене деления можно получить представление об абсолютной погрешности прибора.

Шкала называется односторонней, если нулевая отметка помещена у ее начала, и двусторонней — при нуле посередине. Шкалу наносят на циферблат прибора; на нем же помещают название прибора и условные обозначения.

Указатели делятся на стрелочные и оптические. Оптические указатели состоят из источника света, зеркальца, расположенного на подвижной части, и системы зеркал, удлиняющих путь луча света и направляющих его на полупрозрачную шкалу. Оптические указатели обеспечивают большую чувствительность прибора и меньшую погрешность отсчета по сравнению со стрелочными. Подвижная часть прибора снабжается осью или полуосями, которые оканчиваются запрессованными в них стальными кернами. Последние опираются на корундовые или рубиновые подпятники (рис. 1.1а). Трение керна о подпятник снижает чувствительность и точность прибора, поэтому подвижную часть устанавливают на растяжках (рис. 1.1б), а в чувствительных гальванометрах — на подвесе (рис. 1.1в).

Растяжки и подвесы представляют собой тонкие упругие нити или ленты из платиново-серебряного сплава. Измеряемый ток поступает в подвижную часть прибора через эти нити или ленты; в приборе на подвесе вторым проводником является безмоментная лента. В особо чувствительных гальванометрах безмоментная лента делается из золота толщиной 200—300 нм.

Рис. 1.1. Способы установки подвижной  части прибора: а — на оси; б — на растяжках; в — на подвесе

1 — корпус; 2 — регулировочный винт; 3 — подпятник; 4 — керн; 5 - ось; 6 — растяжка; 7 — пружина; 8 — крепящий контактный винт; 9 - рамка; 10 — подвес; 11- зеркало; 12 - безмоментная лента.

   Электромеханический измерительный прибор содержит следующие узлы: узел, создающий вращающий момент; узел, создающий противодействующий момент; успокоитель.

Наиболее распространены воздушные, жидкостные и магнитоиндукционные  успокоители (рис. 1.2.), с помощью которых  время успокоения сокращается до 3—4с.

Рис.1.2. Успокоители:

а — воздушный; б — магнитоиндукционный

 

Электромеханические приборы по точности делятся на восемь классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. По принципу преобразования электромагнитной энергии в механическую, они разделяются на несколько групп (систем). Основными системами являются: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая (ферродинамическая) и электростатическая.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Магнитоэлектрические приборы

 

Узел для  создания вращающего момента состоит  из сильного постоянного магнита  и легкой подвижной катушки, по которой  протекает измеряемый ток (рис. 1.3.а). Катушка в форме прямоугольной рамки помещена в кольцевом зазоре между полюсными наконечниками магнита и цилиндрическим сердечником, т. е. в радиальном магнитном поле.

Рис.1.3.Магнитоэлектрический прибор

1 — корректор; 2 — противодействующие пружины; 3 — подвижная катушка; 4 — полюсные наконечники; 5 - стрелка; 6 — сердечник

 

Принцип работы магнитоэлектрических приборов заключается  во взаимодействии поля постоянного  магнита с проводником (катушкой), по которому протекает измеряемый ток. При этом возникает пара сил F (рис. 1.4б), создающая вращающий момент.

Ток, проходящий через витки этой рамки, имеет  направление, перпендикулярное направлению  магнитных линий поля. Электрический  ток подается через два пружинных  элемента (ленточные растяжки, спиральные пружины), которые одновременно создают механический противодействующий момент².

Конструктивные  исполнения:

1. с подвижной катушкой и неподвижным магнитом;
2. с подвижным магнитом и неподвижной катушкой.

Достоинства магнитоэлектрических приборов: высокая чувствительность (до 3 * 10^-11 А); высокие классы точности (до класса 0,05); малое потребление мощности от измеряемой цепи (10^-5—10-⁶ Вт); влияющая величина — только температура окружающей среды; большой вращающий момент при малых токах.

Рис. 1.4 а б. Конструкции магнитоэлектрических приборов

а) с внешним магнитом; б) с внутренним магнитом

 

Недостатки: сравнительная сложность изготовления и ремонта; недопустимость даже кратковременных  перегрузок (обычно деформируются или  перегорают токоподводящие пружинки, нити растяжек и подвесов); непригодность для измерения переменного тока; высокая стоимость.

Магнитоэлектрические  приборы применяются в качестве амперметров, вольтметров и гальванометров для измерений в цепях постоянного  тока, а в сочетании с преобразователями переменного тока в постоянный — и для измерений в цепях переменного тока.

Амперметры. Обмотка подвижной катушки состоит из витков тонкого провода, поэтому магнитоэлектрический прибор можно применять непосредственно только в качестве микро- или миллиамперметра и милливольтметра.

Магнитоэлектрические  измерители при непосредственном включении  в электрические цепи могут быть применены лишь в качестве микроамперметров постоянного тока. Для измерения  больших постоянных токов параллельно  зажимам прибора присоединяется электрический шунт, представляющий собой прямоугольную манганиновую пластину. Для измерения токов выше 50А применяют наружные шунты. Переносные приборы снабжаются внутренними многопредельными шунтами или наружными магазинами шунтов на несколько номинальных токов. Выбор шунта для данного прибора зависит от заданного расширения пределов измерения и внутреннего сопротивления прибора (сопротивления его катушки). Погрешность шунтированного амперметра возрастает вследствие неточности изготовления шунтов (от 0,005 до 0,5%) и разных температурных коэффициентов сопротивления катушки и шунта.

Вольтметры. При параллельном подключении магнитоэлектрического прибора к участку электрической цепи можно измерить напряжение, причём магнитоэлектрические измерители могут использоваться лишь в качестве милливольтметров постоянного тока.

Гальванометры. Особо чувствительные магнитоэлектрические приборы для измерения токов, напряжений и количества электричества называются гальванометрами. Класс точности гальванометрам не присваивается. Гальванометры часто используют в качестве нулевых индикаторов, показывающих отсутствие тока в цепи. Для этого выпускаются гальванометры с двусторонней шкалой, т.е. с нулевой отметкой посередине.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3 Электромагнитные приборы

 

Электромагнитные измерительные  приборы с подвижным магнитом также основаны на магнитоэлектрическом принципе. Они могут быть использованы для измерений на постоянном токе, а с дополнительными преобразователями — и на переменном токе.

Узел для создания вращающего момента (рис. 1.5, а) состоит из плоской или круглой катушки, по которой протекает измеряемый ток, и сердечника, закрепленного на оси указателя.

Рис. 1.5. Электромагнитный прибор

1, 4 — плоская и круглая неподвижные катушки; 2- ферромагнитный подвижный сердечник; 3 - ось

 

Принцип действия приборов электромагнитной системы заключается во взаимодействии магнитного поля катушки с подвижным ферромагнитным сердечником.

Достоинства электромагнитных приборов — простота конструкции и надежность, применимость на постоянном и переменном (в том числе несинусоидальном) токе; надежность; большая перегрузочная  способность, возможность непосредственного измерения больших токов и напряжений.

Недостатки: малая чувствительность; значительное потребление мощности от измеряемой цепи (до 1 Вт); нелинейность шкалы: в начале сжата, в конце  растянута; значительная погрешность; много влияющих величин: температура окружающей среды, внешнее магнитное поле, частота измеряемого переменного тока, узкий частотный диапазон.

Щитовые амперметры непосредственного  включения выпускают со шкалами  от 100 мА до 500 А. Для расширения пределов измерения переменного тока применяют измерительные трансформаторы тока. Они различаются классами точности (от 0,05 до 1,0), значением нормированного номинального сопротивления нагрузки в цепи вторичной обмотки (от 0,2 до 2,0 Ом). Основная рабочая частота 50 Гц, но есть трансформаторы на 400 и 1000 Гц.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.4 Термоэлектрические приборы

 

 

При настройке и контроле режима антенных и других колебательных  систем радиотехнических устройств  возникает необходимость в измерении  токов высоких частот. Электромагнитные и электродинамические приборы непригодны для этой цели из-за больших значений индуктивностей катушек и входных емкостей. Ограниченно используются и выпрямительные приборы, обладающие значительной входной емкостью. Наибольшее применение для измерения токов в широком диапазоне высоких и низких частот получили термоэлектрические приборы.

Термоэлектрический прибор – магнитоэлектрический механизм с термопреобразователем. Приборы с термопреобразованием предназначены для работы в цепях  переменного тока в диапазоне низких и высоких частот. Термоэлектрический прибор состоит из термоэлектрического преобразователя и магнитоэлектрического милли- или микроамперметра (рис. 1.9).

 

 

       а)               б)   в)

Рис.1.9. Термоэлектрический прибор

а) контактный термопреобразователь; б) бесконтактный термопреобразователь; в) – вакуумный термопреобразователь