Классификация электроизмерительных приборов

                                                Cодержание

1. Классификация электроизмерительных приборов
2. Магнитоэлектрические приборы
3. Электромагнитные приборы
4. Электродинамичесике проиборы
5. Электростатические приборы
6. Методика проверки и калибровки амперметров, ваттметров и вольтметров

 

Классификация электроизмерительных приборов

Электроизмерительные приборы — класс устройств, применяемых для измерения различных электрических величин. В группу электроизмерительных приборов входят также кроме собственно измерительных приборов и другие средства измерений — меры, преобразователи, комплексные установки.

• Наиболее существенным признаком для классификации электроизмерительной аппаратуры является измеряемая или воспроизводимая физическая величина, в соответствии с этим приборы подразделяются на ряд видов:

• амперметры — для измерения силы электрического тока;

• вольтметры — для измерения электрического напряжения;

• омметры — для измерения электрического сопротивления;

• мультиметры (иначе тестеры, авометры) — комбинированные приборы

• частотомеры — для измерения частоты колебаний электрического тока;

• магазины сопротивлений — для воспроизведения заданных сопротивлений;

• ваттметры и варметры — для измерения мощности электрического тока;

• электрические счётчики — для измерения потреблённой электроэнергии

• и множество других видов

• Кроме этого существуют классификации по другим признакам:

• по назначению — измерительные приборы, меры, измерительные преобразователи, измерительные установки и системы, вспомогательные устройства;

• по способу представления результатов измерений — показывающие и регистрирующие ( в виде графика на бумаге или фотоплёнке, распечатки, либо в электронном виде);

• по методу измерения — приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;

• по способу применения и по конструкции — щитовые (закрепляемые на щите или панели), переносные и стационарные;

 

 

 

 

 

 

 

Магнитоэлектрические приборы

Устройство и принцип действия. Магнитоэлектрический измерительный механизм (рис. 321,а) выполнен в виде постоянного магнита 1, снабженного полюсными наконечниками 2, между которыми укреплен стальной сердечник 3. В кольцеобразном воздушном зазоре, образованном полюсными наконечниками и сердечником, помещена подвижная катушка 5, намотанная на алюминиевый каркас 6 (рис. 321,б). Катушка выполнена из очень тонкого провода и укреплена на оси, связанной со стрелкой спиральными пружинами 4 или растяжками. Через эти же пружины или растяжки осуществляется подвод тока к катушке.

Рис. 321. Устройство магнитоэлектрического измерительного механизма

При прохождении тока I по катушке на каждый из ее проводников будет действовать электромагнитная сила. Суммарное действие всех электромагнитных сил создает вращающий момент М, стремящийся повернуть катушку и связанную с ней стрелку прибора на некоторый угол α. Так как индукция В магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, неизменна и не зависит от тока I, то

M = c1I (93)

где c1 — постоянная величина, зависящая от конструктивных параметров данного прибора (числа витков катушки, ее размеров, индукции В в воздушном зазоре).

Повороту подвижной части измерительного механизма препятствует противодействующий момент Мпр, создаваемый спиральными пружинами или растяжками. Этот момент пропорционален углу закручивания, т. е. углу поворота α подвижной части; при этом

Мпр= c2α (94)

где c2 — постоянная величина, зависящая от жесткости спиральных пружин или растяжек. Поворот подвижной части измерительного механизма и стрелки будет продолжаться до тех пор, пока вращающий момент М, создаваемый током I, не уравновесится противодействующим моментом Мпр. В момент равновесия М = Мпр, откуда получим:

α= (c1/c2) I = kI (95)

Следовательно, угол поворота а подвижной части пропорционален измеряемому току I. Поэтому магнитоэлектрические приборы имеют равномерную шкалу.

Постоянная величина к называется чувствительностью прибора, она характеризуется углом поворота стрелки в градусах или в делениях шкалы, приходящимся на единицу изменения измеряемой величины.

Величина, обратная чувствительности, c=1/к называется постоянной прибора, или ценой деления. Если умножить отсчет по шкале на цену деления прибора с, то можно определить значение измеряемой величины. Для устранения колебаний подвижной системы прибора при переходе стрелки из одного положения в другое электроизмерительные приборы снабжают воздушными или магнитно-индукционными демпферами.

Воздушный демпфер (рис. 322, а) выполнен в виде цилиндрической камеры, внутри которой перемещается крыло 1 в виде поршня, связанного с подвижной системой. При перемещении подвижной части происходит торможение движущегося в камере 2 крыла, и колебания подвижной части быстро затухают.

Магнитно-индукционный демпфер (рис. 322, б) выполнен в виде неподвижного постоянного магнита 3, который при повороте подвижной системы прибора индуцирует вихревые токи в металлическом (алюминиевом) секторе 4, установленном на оси прибора.

Взаимодействие этих токов с магнитом создает согласно правилу Ленца силу, тормозящую подвижную систему и обеспечивающую быстрое затухание колебаний стрелки. В магнитоэлектрических приборах роль демпфера выполняет алюминиевый каркас 6 катушки (см. рис. 321,б). При повороте подвижной части прибора изменяется магнитный поток, пронизывающий каркас катушки. Благодаря этому в каркасе индуцируются вихревые токи, взаимодействие которых с магнитным полем магнита создает тормозной момент, обеспечивающий быстрое успокоение подвижной части.

Для того чтобы любой электроизмерительный прибор обеспечил требуемую точность измерений, необходимо, чтобы отклонение подвижной системы прибора определялось только вращающим моментом, создаваемым катушкой, и противодействующим усилием пружины. Для устранения влияния силы тяжести, создающей погрешности при измерениях, подвижную систему прибора (рис. 323) уравновешивают противовесами 5 (рис. 323, а), представляющими собой стержни с перемещающимися по ним грузиками. Для уменьшения влияния трения оси приборов снабжают тщательно отполированными стальными наконечниками 1, выполненными из материала с высокой износостойкостью (закаленная сталь, вольфрамо-молибденовый сплав и пр.).

Рис. 322. Воздушный (а) и магнитно-индукционный (б) демпферы

Рис. 323. Устройство подвижной части электроизмерительного прибора

Наконечники вращаются в подпятниках 4, выполняемых с вкладышами 2 из корунда, агата, рубина и т. п. Зазоры между наконечниками и подпятником регулируются стопорным винтом 3.

Электроизмерительные приборы обычно снабжают корректором — приспособлением, позволяющим устанавливать стрелку в нулевое положение. Корректор состоит из винта 6, выходящего из корпуса, и поводка 7, при помощи которых можно смещать на некоторое расстояние точку закрепления спиральной пружины 8, создающей противодействующее усилие. В большинстве современных электроизмерительных приборов подвижная часть 11 подвешивается на двух растяжках 10 — упругих металлических лентах, которые служат для подвода тока к катушке прибора и одновременно создают противодействующий момент (рис. 323,б). Растяжки прикреплены к двум плоским пружинам 9 и 12, расположенным во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Кроме рассмотренного выше измерительного механизма с внешним (по отношению к катушке) постоянным П-образным магнитом, существуют механизмы с магнитами другой формы (цилиндрической, в виде призмы, а также с внутрирамочными неподвижными и подвижными магнитами).

Применение прибора. Приборы магнитоэлектрической системы применяют для измерения тока и напряжения в электрических цепях постоянного тока. В частности, на э.п.с. и тепловозах их используют в качестве амперметров и вольтметров. В амперметрах и вольтметрах катушка прибора имеет различное сопротивление и включается по различным схемам (см. § 101).

Для уменьшения проходящего по катушке тока и компенсации влияния температуры на показания прибора в вольтметрах последовательно с катушкой включают добавочный резистор, который обычно встраивается в корпус прибора. Сопротивление этого резистора значительно больше сопротивления катушки, и он выполнен из материала, электрическое сопротивление которого весьма мало зависит от температуры (константан, манганин и пр.). В амперметрах параллельно катушке прибора часто включают образцовый резистор, называемый шунтом.

Сопротивление шунта значительно меньше сопротивления катушки прибора, вследствие чего измеряемый ток в основном проходит по шунту. Шунты и добавочные резисторы служат для расширения пределов измерения приборов.

Из принципа действия магнитоэлектрического прибора следует, что направление отклонения его стрелки зависит от направления тока I, проходящего по катушке. Следовательно, при включении этих приборов в цепь постоянного тока должна быть соблюдена правильная полярность, при которой стрелка отклоняется в требуемую сторону. Для переменного тока магнитоэлектрические приборы непригодны, так как при питании катушки переменным током среднее значение создаваемого ею вращающего момента равно нулю и стрелка прибора будет стоять на нуле, испытывая чуть заметные колебания.

Достоинством приборов магнитоэлектрической системы являются равномерность шкалы, высокая точность и независимость показаний от посторонних магнитных полей. К недостаткам их относятся непригодность для измерения переменного тока, необходимость соблюдения полярности при включении и чувствительность к перегрузкам (при перегрузке тонкая проволока катушки и спиральные пружины, подводящие к ней ток, могут сгореть).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Электромагнитный прибор

 

        Измерительный прибор, принцип действия которого основан навзаимодействии магнитного поля, пропорционального измеряемой величине, с сердечником, выполненнымиз ферромагнитного материала. Основные элементы Э. п.: измерительная схема, преобразующаяизмеряемую величину в постоянный или переменный ток, и измерит, механизм электромагнитной системы(рис.). Электрический ток в катушке электромагнитной системы создаёт электромагнитное поле,втягивающее сердечник в катушку, что приводит к возникновению на оси вращающего момента,пропорционального квадрату силы тока, протекающего по катушке. В результате действия на ось пружинысоздаётся момент, противодействующий вращающему моменту и пропорциональный углу поворота оси. Привзаимодействии моментов ось и связанная с ней стрелка поворачиваются на угол, пропорциональныйквадрату измеряемой величины. При равенстве моментов стрелка останавливается. Выпускаютсяэлектромагнитные Амперметры и Вольтметры для измерений главным образом в цепях переменного токачастотой 50 гц. В электромагнитном амперметре катушка измерительного механизма включаетсяпоследовательно в цепь измеряемого тока, в вольтметре параллельно. Электромагнитные измерит,механизмы применяют также в Логометрах. Наиболее распространены щитовые приборы классов точности1,5 и 2,5, хотя существуют приборы классов 0,5 и даже 0,1 с рабочей частотой до 800 гц.

 

         Лит.: Электрические измерения, под ред. Е. Г. Шрамкова, М., 1972; Электрические измерения, подред. А. В. Фремке, 14 изд., Л., 1973.

 

         Н. Н. Вострокнутов.

 

        

 

        Электромагнитный измерительный прибор: 1 — катушка; 2 — сердечник; 3 — ось; 4 — стрелка; 5 —шкала; 6 — пружина.

 

Электродинамичесике проиборы

Устройство и применение электродинамического прибора. Работа электродинамического прибора основана на взаимодействии двух катушек, обтекаемых электрическим током. Электродинамический измерительный механизм (рис. 326, а) состоит из двух катушек: неподвижной 2 и расположенной внутри нее подвижной 1. Подвижная катушка 1 связана с осью прибора со стрелкой и с двумя спиральными пружинами 4 (или растяжками), которые служат для создания противодействующего момента и подвода тока к подвижной катушке 1. В приборе применяется демпфер 3, аналогичный ранее рассмотренному.

При прохождении по катушкам токов I1 и I2 возникают электродинамические силы F (рис. 326,б), которые стремятся повернуть подвижную катушку относительно неподвижной на некоторый угол. Вращающий момент, действующий на подвижную катушку,

M = c1I1I2 (98)

где с1 — постоянная величина, зависящая от параметров катушек (числа витков и размеров), их формы и взаимного расположения.

Повороту подвижной катушки противодействует момент Мпр = = с2α. В момент равновесия М = Мпр, откуда

α = (c1/c2) I1I2 = kI1I2 (99)

где к — постоянная величина.

При переменном токе мгновенное значение вращающего момента М пропорционально произведению мгновенных значений токов i1 и i2, проходящих по катушкам. Средний же за период вращающий момент

Mcp = c1I1I2 cos φ (100)

где I1 и I2 — действующие значения токов i1 и i2; φ — угол сдвига фаз между ними.

Поэтому при переменном токе

Δ = кI1I2 cosφ.

Значение вращающего момента М, созданного катушками электродинамического прибора, а следовательно, и угол поворота стрелки Δ пропорциональны произведению проходящих по катушкам токов I1 и I2. Поэтому в зависимости от схемы включения катушек прибор может быть использован в качестве амперметра, вольтметра и ваттметра. 
При включении обеих катушек прибора последовательно в цепь измеряемого тока (рис. 327,а) прибор будет работать в качестве амперметра; при подключении катушек к двум точкам (рис. 327,б), между которыми действует подлежащее измерению напряжение,

Рис. 326. Устройство (а) и принципиальная схема (б) электродинамического измерительного механизма