close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

7. Электроизмерительные приборы

код для вставки
1. Приборы электромагнитной системы
Электроизмерительные приборы классифицируются по следующим
основным признакам:
а) по роду измеряемой величины: амперметры, вольтметры, омметры,
счетчики, ваттметры и др.;
б) по роду тока: приборы постоянного тока, переменного тока и приборы
постоянного и переменного тока;
в) по принципу действия: магнитоэлектрические; электромагнитные;
электродинамические; индукционные; тепловые; электростатические и др.;
г) по степени точности: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0 классов (число
показывает, что погрешность прибора в любом месте шкалы не превышает это
число процентов. Например, класс 0,5 означает погрешность не более 0,5%.
На шкалу прибора наносится символ, указывающий принцип действия
прибора, род тока, установки прибора – вертикально или горизонтально,
пробивочное напряжение; класс точности.
Магнитоэлектрический прибор с подвижной рамкой
Электромагнитный прибор
Электродинамический прибор
Вертикальное положение шка
Горизонтальное положение шкалы
Прибор испытан на пробой изоляции при 2000 В
Указание класса точности
Амперметр
Вольтметр
Ваттметр
Фазометр
Омметр
Постоянный ток
Переменный ток
Постоянный и переменный ток
Приборы магнитоэлектрической системы. Принцип действия приборов
магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии магнитного поля
постоянного магнита с током, протекающим по обмотке легкой подвижной
катушки (рамки).
На рисунке показана схема устройства
приборов этой системы. Неподвижный
подковообразный
магнит
имеет
выполненный из мягкого железа полюсы,
которые охватывают сплошной железный
сердечник . Между сердечником и полюсами
магнита имеется зазор. На одной оси с
сердечником находится подвижная легкая
прямоугольная рамка, имеющая
обмотку из тонкого изолированного
провода. Эта рамка может свободно вращаться в воздушном зазоре между
сердечником и полюсами магнита. Рамка представляет собой основную часть
подвижной системы, которая включает и указатель-стрелку 2.
В результате взаимодействия магнитного поля магнита с током,
протекающим по рамке, возникает вращающий момент, под действием которого
подвижная часть прибора поворачивается около оси. Противодействующий
момент создается спиральными пружинами 1, выполненными из немагнитного
материала, которые служат также и для подвода тока к концам обмотки на рамке.
Теоретически нетрудно установить зависимость угла поворота α подвижной
части от величины тока I, протекающего по обмотке рамки прибора:
α = kI,
где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции
прибора.
Из этой зависимости видно, что магнитоэлектрические приборы имеют
равномерные шкалы.
Величина, численно равная отношению приращения угла поворота
подвижной части прибора к приращению измеряемой величины, называется
чувствительностью прибора. Чем больше приращение угла отклонения при одном
и том же приращении измеряемой величины, тем меньшие величины можно
измерять прибором и тем выше его чувствительность. Если, например,
приращение угла Δφ вызвано приращение тока ΔI, то чувствительность
S1= Δφ/ΔI.
Нередко за чувствительность принимают обратную величину, то есть
величину, равную отношению приращения измеряемой величины к приращению
числа делений шкалы.
Магнитоэлектрические приборы применяются в качестве амперметров и
вольтметров постоянного тока. Из всех электроизмерительных приборов с
непосредственным отсчетов они дают наибольшую точность измерения (до 0,2
класса точности).
Для переменного тока магнитоэлектрические приборы неприменимы, так как
подвижная часть вследствие инерции не успевает отклоняться.
Приборы электромагнитной системы. Принцип работы приборов
электромагнитной системы основан на
взаимодействии магнитного поля тока,
протекающего по обмотке неподвижной
катушки,
с
подвижным
железным
сердечником, помещенным в этом магнитном
поле.
На
рисунке
показана
схема
электромагнитного прибора. Прибор состоит
из прямоугольной катушки 1 с узкой щелью
(просветом). Сердечник 5 изготовлен из мягкого железа и укреплен эксцентрично
на оси 2. С осью сердечника скреплены стрелка, поршень 3 воздушного
успокоителя 4 и спиральная пружина , создающая противодействующий момент.
Ток, протекающий по катушке 1, образует внутри нее магнитное поле, под
действием которого железный сердечник, поворачиваясь вокруг оси, втягивается
в щель катушки.
При увеличении тока возрастает магнитная индукция в щели катушки и
увеличивается намагничивание железного сердечника.
Теория позволяет установить, что между углом отклонения стрелки и
величиной тока должна быть квадратичная зависимость:
α = kI2,
где k – некоторый коэффициент,
I – величина тока.
Следовательно, шкала таких приборов неравномерная.
Точность приборов этой системы по сравнению с приборами другой системы
невысокая. Она зависит от внешнего
магнитного поля, частоты измеряемого
переменного тока и др.
Приборы
электродинамической
системы.
Принцип
действия
электродинамических приборов основан на
взаимодействии токов, протекающих по
двум рамкам (катушкам), из которых одна
подвижная, а другая неподвижная. На
рисунке
показана
схема
прибора
электродинамической
системы.
последовательно. Прибор состоит из
неподвижной катушки 1 внутри которой
расположена ось 4 подвижной части
прибора, с которой скреплены подвижная катушка 2, стрелка 6, поршень
воздушного успокоителя 3 и две пружины 5, создающие противодействующий
момент.
Вращающий момент М1, обусловленный взаимодействием магнитных
потоков, определяется уравнением
М1 = k1I1I2,
(*)
где I1 – величина тока, протекающего по неподвижной рамке;
I2 – величина тока, протекающего по подвижной рамке;
k1 – коэффициент, зависящий от конструктивных данных прибора и
взаимного расположения рамок.
Под действием М1 подвижная рамка повернется на угол α. Создаваемый
пружиной противодействующий момент
М2=k2α.
(**)
Из условия равенства моментов (*) и (**) М1=М2 получаем, что
α= kI1I2,
(***)
где k=k1/k2.
Из формулы (***) видно, что шкала будет неравномерна.
В зависимости от назначения прибора рамки соединяют последовательно или
параллельно. Электродинамические приборы применяют для измерения
постоянного и переменного тока (амперметры, вольтметры и ваттметры).
Пригодность этих приборов для переменного тока обусловлена тем, что при
одновременном изменении направления тока в обеих рамках направление
вращения подвижной части остается неизменчивой. Точность и чувствительность
электродинамических приборов для переменного тока очень велики.
АМПЕРМЕТРЫ, ВОЛЬТМЕТРЫ И ГАЛЬВАНОМЕТРЫ.
Амперметрами называют приборы, служащие для измерения силы тока. При
измерениях амперметр включается в цепь последовательно, то есть так, что весь
измеряемый ток проходит через прибор. Поэтому амперметры должны иметь
малое сопротивление, чтобы включение их не изменяло заметно величины тока в
цепи.
Вольтметрами называют приборы, служащие для измерения напряжения.
При измерениях вольтметр включают параллельно тому участку цепи, на концах
которого хотят измерить разность потенциалов. Для того, чтобы включение
вольтметра не изменяло заметно режима цепи, сопротивление вольтметра должно
быть очень велико по сравнению с сопротивлением R участка MN. Погрешность
измерения напряжения тем меньше, чем больше сопротивление вольтметра.
Для расширения пределов измерений амперметров и вольтметров
применяются шунты и добавочные сопротивления, а в случае измерений на
переменном токе – измерительные трансформаторы тока.
Гальванометрами называют чувствительные приборы, служащие для
измерения очень малых токов, напряжений и количеств электричества
(соответственно меньше 10-6 ампера, вольта или кулона).
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ.
Шунты. Шунтом называется сопротивление (rш) включаемое в цепь
параллельно амперметру (или миллиамперметру), вследствие чего в амперметр
ответвляется только часть измеряемого тока.
Например, если необходимо измерить амперметром А ток в n раз больший
максимально возможного для данного прибора, то надо
A
IA
I
rш
ш
Iш
включить параллельно ему сопротивление rш, удовлетворяющее равенству:
rш = rA/(n-1),
где
n=I/IA (I – величина тока в цепи;
IA – величина тока, идущая через амперметр);
rA – сопротивление амперметра.
Следовательно, чтобы измерить амперметром в n раз больший ток,
необходимо взять сопротивление шунта в (n-1) раз меньше сопротивления
амперметра. Шунты обычно изготавливаются из манганина, имеющего большое
удельное сопротивление и малый термический коэффициент, вследствие чего
сопротивление шунта практически не зависит от нагревания его током и от
изменений температуры окружающей среды.
Добавочное сопротивление. Для расширения пределов измерений
вольтметром применяется так называемое добавочное сопротивление r0, которое
включается последовательно с вольтметром V.
U
rV
r0
V
UV
Если, например, необходимо измерить напряжение в n раз большее чем
предел прибора, то необходимо включить последовательно вольтметру
добавочное сопротивление
r0 = rV(n-1),
где rV – сопротивление вольтметра;
n = U/UV = r/rV
U – полное подводимое напряжение;
UV – напряжение, падающее на вольтметре;
r - общее сопротивление (r=rV+r0).
Таким образом, чтобы измерить вольтметром в n раз большее напряжение,
необходимо подключить последовательно ему добавочное сопротивление, в (n-1)
раз больше сопротивления вольтметра.
В настоящее время для измерения тока, напряжения и сопротивления широко
используются мультиметры. Выбором положения переключателя на мультиметре
выставляется искомая величина и диапазон измерения, после чего при помощи
измерительных
щупов
мультиметра
производится
подключение.
На
жидкокристаллическом дисплее отобразится измеряемая величина. Нужно
помнить, что при измерении напряжений, сопротивлений и емкостей, мультиметр
подключается параллельно. А при измерении токов – в разрыв цепи!
Ремонт и настройка приборов:
Регулировка вольтметров, у которых на циферблате указано
номинальное внутреннее сопротивление
Вольтметр включают в последовательную цепь по схеме включения
миллиамперметра и регулируют так, чтобы получить при номинальном токе
отклонение указателя на конечную числовую отметку диапазона измерений.
Номинальный ток вычисляют как частное от деления номинального напряжения
на номинальное внутреннее сопротивление.
При этом регулировку отклонения указателя на конечную числовую отметку
выполняют либо изменением положения магнитного шунта, либо заменой
спиральных пружинок, либо изменением сопротивления шунта, параллельного
рамке, если таковое имеется.
Магнитный шунт в общем случае отводит через себя до 10% магнитного
потока, текущего через междужелезное пространство, причем перемещение этого
шунта в сторону перекрывания полюсных наконечников приводит к уменьшению
магнитного потока в междужелезном пространстве и, соответственно, к
уменьшению угла отклонения указателя.
Спиральные пружинки (растяжки) в электроизмерительных приборах служат,
во-первых, для подвода и отвода тока от рамки и, во-вторых, для создания
момента, противодействующего повороту рамки. При повороте рамки одна из
пружинок закручивается, а вторая раскручивается, в связи с чем создается
суммарный противодействующий момент пружинок.
Если необходимо уменьшить угол отклонения указателя, то следует
поменять имеющиеся в приборе спиральные пружинки (растяжки) на более
«сильные», т. е. установить пружинки с повышенным противодействующим
моментом.
Этот вид регулировки часто относят к нежелательному, так как он связан с
кропотливой работой по замене пружинок. Однако ремонтники, имеющие
большой опыт в перепайке спиральных пружинок (растяжек), предпочитают
именно этот способ. Дело в том, что при регулировке изменением положения
пластинки магнитного шунта в любом случае она в результате оказывается
смещенной к краю и отпадает возможность в дальнейшем перемещением
магнитного шунта корректировать показания прибора, нарушаемые старением
магнита.
Изменение сопротивления резистора, шунтирующего цепь рамки с
добавочным сопротивлением, можно допустить лишь как крайнюю меру, так как
такое разветвление тока обычно используется в устройствах температурной
компенсации. Естественно, что любое изменение указанного сопротивления будет
нарушать температурную компенсацию и в крайнем случае может быть допущено
лишь в небольших пределах. Нельзя также забывать, что изменение
сопротивления этого резистора, связанное с удалением или с добавлением витков
проволоки, должно сопровождаться длительной, но обязательной операцией
старения манганиновой проволоки.
С целью сохранения номинального внутреннего сопротивления вольтметра
любые изменения сопротивления шунтирующего резистора должны
сопровождаться изменением добавочного сопротивления, что еще больше
затрудняет регулировку и делает нежелательным применение этого способа.
Далее вольтметр включается по обычной для него схеме и поверяется. При
правильной регулировке по току и сопротивлению дополнительных регулировок
обычно не требуется.
Регулировка вольтметров, у которых внутреннее сопротивление не указано
на циферблате
Вольтметр включают, как обычно, параллельно измеряемой электрической
цепи и регулируют, чтобы получить отклонение указателя на конечную числовую
отметку диапазона измерений при номинальном напряжении для данного предела
измерений. Регулировку выполняют изменением положения пластинки при
перемещении магнитного шунта, или же посредством изменения добавочного
сопротивления, или путем замены спиральных пружинок (растяжек). Все
замечания, сделанные выше, справедливы и в данном случае.
Часто вся электрическая цепь внутри вольтметра — рамка и проволочные
резисторы — оказывается сгоревшей. При ремонте такого вольтметра вначале
удаляют все сгоревшие части, затем тщательно чистят все оставшиеся
несгоревшие части, устанавливают новую подвижную часть, замыкают накоротко
рамку, уравновешивают подвижную часть, размыкают рамку и, включив прибор
по схеме миллиамперметра, т. е. последовательно с образцовым
миллиамперметром, определяют ток полного отклонения подвижной части,
изготовляют резистор с добавочным сопротивлением, при необходимости
намагничивают магнит и в заключение собирают прибор.
Регулировка однопредельных амперметров с внутренним шунтом
При этом может быть два случая ремонтных операций:
1)
имеется неповрежденный внутренний шунт, и требуется, заменив
резистор при той же рамке перейти на новый предел измерений, т. е. заново
градуировать ампер метр;
2)
при капитальном ремонте амперметра была заменена рамка, в связи с
чем изменились параметры подвижной части, необходимо рассчитать, изготовить
новый и заменить старый резистор с добавочным сопротивлением.
В обоих случаях вначале определяют ток полного отклонения рамки
прибора, для чего заменяют резистор на магазин сопротивления и, пользуясь
лабораторным или переносным потенциометром, компенсационным методом
измеряют сопротивление и ток полного отклонения рамки. Таким же путем
измеряют сопротивление шунта.
Регулировка многопредельных амперметров с внутренним шунтом
В этом случае в амперметр устанавливают так называемый универсальный
шунт, т. е. шунт, который в зависимости от выбранного верхнего предела
измерений подключают параллельно рамке и резистору с добавочным
сопротивлением целиком или частью от полного сопротивления.
Например, шунт в трехпредельном амперметре состоит из трех
последовательно включенных резисторов Rb R2 и R3. Допустим, амперметр
может иметь любой из трех пределов измерений — 5, 10 или 15 А. Шунт
включается последовательно в измерительную электрическую цепь. В приборе
имеется общий зажим « + », к которому подключен вход резистора R3,
являющегося шунтом на пределе измерений 15 А; к выходу резистора R3
последовательно включены резисторы R2 и Rx.
При подключении электрической цепи к зажимам, обозначенным « + » и «5
А», на рамку через резистор Rдоб снимается напряжение с последовательно
включенных резисторов Rх, R2 и R3, т. е. полностью со всего шунта. При
подключении электрической цепи к зажимам « + » и «10 А» напряжение
снимается с последовательно включенных резисторов R2 и R3 и при этом
резистор Rx оказывается включенным последовательно в цепь резистора Rдоб,
при подключении к зажимам « + » и «15 А» напряжение в цепь рамки снимается с
резистора R3, а резисторы R2 и Rх оказываются включенными в цепь Rдоб.
При ремонте такого амперметра возможны два случая:
1)
пределы измерений и сопротивление шунта не изменяются, но в связи с
заменой рамки или дефектного резистора нужно рассчитать, изготовить и
установить новый резистор;
2)
производится градуировка амперметра, т. е. изменяются его пределы
измерений, в связи с чем нужно рас считать, изготовить и установить новые
резисторы, после чего произвести регулировку прибора.
В случае крайней необходимости, что бывает при наличии высокоомных
рамок, когда температурная компенсация нужна, применяют схему с
температурной компенсапией посредством резистора или терморезистора. Прибор
поверяют на всех пределах, причем при правильной подгонке первого предела
измерений и правильном изготовлении шунта дополнительных регулировок
обычно не требуется.
Регулировка милливольтметров, не имеющих устройств специальной
температурной компенсации
В магнитоэлектрическом приборе имеются рамка, намотанная из медной
проволоки, и спиральные пружинки, изготовленные из оловянноцинковой бронзы
или из фосфористой бронзы, электрическое сопротивление которых зависит от
температуры воздуха внутри корпуса прибора: чем выше температура, тем
больше сопротивление.
Учитывая, что температурный коэффициент оловянноцинковой бронзы
довольно мал (0,01), а манганиновой проволоки, из которой изготовлен
добавочный резистор, близок к нулю, приближенно полагают температурный
коэффициент магнитоэлектрического прибора:
Хпр = Хр (Rр / Rр + Rдоб)
где Хр — температурный коэффициент рамки из медной проволоки, равный
0,04 (4%). Из уравнения следует, что для уменьшения влияния на показания
прибора отклонений температуры воздуха внутри корпуса от ее номинального
значения добавочное сопротивление должно быть в несколько раз больше
сопротивления рамки. Зависимость отношения добавочного сопротивления к
сопротивлению рамки от класса точности прибора имеет вид
Rдоб/Rр = (4 - К / К)
где К — класс точности измерительного прибора.
Из этого уравнения следует, что, например, для приборов класса точности 1,0
добавочное сопротивление должно быть в три раза больше сопротивления рамки,
а для класса точности 0,5 — уже в семь раз больше. Это приводит к уменьшению
полезно используемого напряжения на рамке, а в амперметрах с шунтами — к
увеличению напряжения на шунтах. Первое вызывает ухудшение характеристик
прибора, а второе — увеличение потребляемой мощности шунта. Очевидно,
использование милливольтметров, не имеющих устройств специальной
температурной компенсации, целесообразно только для щитовых приборов
классов точности 1,5 и 2,5.
Регулировку показаний измерительного прибора выполняют путем подбора
добавочного сопротивления, а также изменением положения магнитного шунта.
Опытные ремонтники применяют также подмагничивание постоянного магнита
прибора. При регулировке включают входящие в комплект измерительного
прибора соединительные провода или учитывают их сопротивление посредством
подключения к милливольтметру магазина сопротивления с соответствующим
значением сопротивления. При ремонте иногда прибегают к замене спиральных
пружинок.
2. Мосты постоянного тока
Устройство одинарных измерительных мостов постоянного тока
Одинарный мост постоянного тока состоит из трех образцовых
резисторов (обычно регулируемых) R1, R2, R3 (рис. 1, а), которые
включают последовательно с измеряемым сопротивлением Rx в
мостовую схему.
К одной из диагоналей этой схемы подают питание от источника
ЭДС GB, а в другую диагональ через выключатель SA1 и
ограничивающее
сопротивление
Ro
включают
высокочувствительный
гальванометр РА.
Рис. 1. Схемы одинарных измерительных мостов постоянного тока: а — общая; б
— с плавным изменением отношения плеч и скачкообразным изменением плеча
сравнения.
Схема работает следующим образом. При подаче питания через резисторы Rx, Rl,
R2, R3 проходят токи I1 и I2. Эти токи вызовут в резисторах падение напряжений
Uab, Ubc, Uad и Udc.
Если эти падения напряжения будут разными, то и потенциалы
точек φa, φb и φc будут неодинаковы. Поэтому, если выключателем SA1
включить гальванометр, то через него будет проходить ток, равный
Iг= (φb - φd) / Ro.
Задача измеряющего заключается в том, чтобы уравновесить мост, то есть сделать
потенциалы точек φb и φd одинаковыми, другими словами, уменьшить ток
гальванометра до нуля.
Для этого начинают изменять сопротивления резисторов Rl, R2 и R3 до тех пор,
пока ток гальванометра не станет равным нулю.
При Iг=0 можно утверждать, что φb = φd. Это возможно лишь тогда, когда
падение напряжения Uab - Uad и Ubc = Udc.
Подставив в эти выражения значения падений напряжений Uad =I2R3,
Ubc = I1R1, Udc = I2R2 иUab =I1Rх, получим два равенства: I1Rх
= I2R3, I1R1 = I2R2
Разделив первое равенство на второе, получим Rх / R1 = R3 / R2 или Rх R2 = R1
R3
Последнее
равенство
есть условие
балансировки
одинарного
моста постоянного тока.
Из него следует, что мост сбалансируется тогда, когда произведения
сопротивлений противолежащих плеч будут одинаковыми. Отсюда
измеряемое сопротивление определится по формуле Rх = R1R3 / R2
В реальных одинарных мостах изменяют либо сопротивление резистора R1 (его
называют плечом сравнения), либо отношение сопротивлений R3/R2.
Есть измерительные мосты, у которых меняется только сопротивление плеча
сравнения, а отношение R3/R2 остается постоянным. И наоборот, изменяется
только отношение R3/R2, а сопротивление плеча сравнения остается постоянным.
Наибольшее распространение получили измерительные мосты, у которых плавно
изменяется сопротивление R1 и скачками, обычно кратными 10, изменяется
отношение R3/R2 (рис. 1,б), например в распространенных измерительных мостах
Р333.
Рис. 2. Измерительный мост постоянного тока Р333
Каждый
измерительный
мост
характеризуется
пределом
измерений
сопротивлений от Rmin до Rmax. Важным параметром моста является его
чувствительность Sм = SгSсх, где Sг=da/dIг — чувствительность гальванометра,
Scx=dIг/dR — чувствительность схемы.
Подставляя Sг и Scx в Sм, получим Sм= da/ dR.
Иногда пользуются понятием относительной чувствительности измерительного
моста:
Sм= da/ (dR / R).
где dR / R — относительнее изменение сопротивления в измеряемом плече, da —
угол отклонения стрелки гальванометра.
В зависимости от конструктивного оформления различают магазинные и
линейные (реохордные) измерительные мосты.
В магазинном измерительном мосте сопротивления плеч
выполнены в виде штепсельных или рычажных
многозначных мер электрических сопротивлений
(магазинов сопротивлений), в реохордных мостах плечо
сравнений делают в виде магазина сопротивлений, а
плечи отклонения — в виде резистора, разделяемого
ползунком на две регулируемые части.
По допустимой погрешности одинарные измерительные мосты постоянного
тока имеют класс точности: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 1,0; 5,0. Числовое значение
класса точности соответствует наибольшему допустимому значению
относительной погрешности.
Погрешность одинарного моста постоянного тока зависит от степени
соизмеримости сопротивлений соединительных проводов и контактов с
измеряемым сопротивлением.Чем меньше измеряемое сопротивление, тем
больше погрешность. Поэтому для измерения малых сопротивлений применяют
двойные мосты постоянного тока.
Устройство двойных мостов постоянного тока
Плечами двойного (шестиплечего) измерительного моста служат измеряемое
сопротивление Rx (выполняют четырехзажимным для уменьшения влияния
переходных контактных сопротивлений и включают в сеть через специальное
четырехзажимное приспособление), образцовый резистор Ro и две пары
вспомогательных резисторов Rl, R2, R3, R4.
Рис. 3 Схема двойного измерительного моста постоянного тока
Равновесие моста определяется формулой:
Rх = Ro х (R1/R2) - (r R3 / (r +R3 +R4)) х (R1/R2 - R4/R3)
Отсюда видно, что если два отношения плеч R1/R2 и R4/R3 равны между собой,
то вычитаемое равно нулю.
Несмотря на то, что сопротивления R1 и R4, перемещая движок D, устанавливают
одинаковыми, из-за разброса параметров сопротивлений R2 и R4 этого добиться
очень сложно.
Для уменьшения ошибки измерений надо сопротивление перемычки,
соединяющей образцовый резистор Ro и измеряемое сопротивление Rx, брать как
можно меньшим. Обычно к прибору придается специальный калиброванный
резистор r. Тогда вычитаемое выражения практически становится равным нулю.
Значение измеряемого сопротивления можно определить по формуле: Rх = Ro
R1/R2
Двойные измерительные мосты постоянного тока рассчитаны на работу только с
переменным отношением плеч. Чувствительность двойного моста зависит от
чувствительности нулевого указателя, параметров мостовой схемы и значения
рабочего тока. С увеличением рабочего тока чувствительность увеличивается.
Наибольшее распространение получили комбинированные измерительные
мосты постоянного тока, рассчитанные на работу по схемам одинарного и
двойного моста.
3. Логометры
В рассмотренных измерительных механизмах угол поворота подвижной
части определяется значением тока, проходящего по их катушкам. Как следует из
закона Ома, ток I зависит от напряжения U, питающего измерительную цепь.
Однако при измерениях сопротивления, частоты переменного тока, температуры,
давления и др. необходимо, чтобы угол зависел только от измеряемой величины,
а изменение напряжения не оказывало влияния на результаты измерения. Поэтому
для измерений указанных величин применяют логометры — показывающие
электроизмерительные приборы, имеющие два измерительных механизма без
противодействующих пружин, создающие два противоположно направленных
момента. В результате этого угол поворота а подвижной части логометра
определяется только отношением токов в катушках этих механизмов. А так как
изменение напряжения оказывает одинаковое влияние на эти токи, то угол в этом
случае изменяться не будет.
Логометры могут быть выполнены с измерительными механизмами любой
системы. Характерной особенностью их является отсутствие механических
свойств, создающих противодействующий момент, вследствие чего их подвижная
часть при отсутствии тока в катушках находится в состоянии безразличного
равновесия.
На рисунке в качестве примера показана принципиальная схема
магнитоэлектрического логометра, который применяется в мегаомметрах. Он
состоит из двух катушек 1 и 2, расположенных под некоторым углом и жестко
укрепленных на общей оси. К этим катушкам подводятся токи I1 и I2 через три
эластичные спирали 5, не создающие при закручивании механического момента.
Постоянный магнит 3 имеет форму эллипса, поэтому в воздушном зазоре
между магнитом и наружным кольцом 4 образуется неравномерное магнитное
поле.
В результате взаимодействия токов I1 и I2 с магнитным полем возникают два
противоположно направленных момента M1 и М2, которые пропорциональны
токам I1 и I2 и индукциям В1 и В2 в воздушном зазоре в тех местах, где находятся
катушки.
При повороте подвижной части под действием разности M1-M2 значения
индукций В1 и B2изменяются, так как одна из катушек перемещается в область с
увеличенным (или уменьшенным) воздушным зазором, а другая — в область с
уменьшенным (или увеличенным) зазором. При этом изменяются моменты M1 и
М2. При некотором положении подвижной части моменты M 1 и
М2уравновешиваются, в этом случае
I1/I2 = B2/В1
Таким образом, каждому определенному положению подвижной части
логометра, характеризуемому отношением B2/B1, соответствуют определенные
значения токов I1 и I2, проходящих по его катушкам. При изменении этого
отношения будет изменяться угол φ.
Если обе измерительные цепи, в которые включены катушки прибора,
питаются одним и тем же напряжением U, то показания прибора не будут
зависеть от U, так как при его изменении изменяются пропорционально токи I 1 и
I2 .
Электронные приборы. Для измерения малых сигналов, а также для
измерений в слаботочных цепях широкое распространение получили электронные
приборы, представляющие собой сочетание электронного усилителя и
магнитоэлектрического милливольтметра
или системы цифровой индикации.
При
измерении
электронным
прибором со стрелочной индикацией
измеряемая
электрическая
величина
усиливается
или
ослабляется
усилителем У и преобразуется в сигнал
постоянного знака U=, который подается на милливольтметр, отградуированный с
учетом коэффициента усиления усилителя.
Усилитель имеет очень большое входное сопротивление, т. е. потребляет
небольшой ток из измеряемой сети.
При измерении электронным прибором с цифровой индикацией измеряемая
величина (напряжение постоянного тока Ux, постоянный ток Ix или сопротивление
Rx) подается на вход аналогового масштабного преобразователя (АМП), который
преобразует ее в напряжение постоянного тока U= . Сигнал U= поступает на вход
аналого-цифрового преобразователя АЦП, где происходит его измерение.
Результат измерения с выхода АЦП выдается на устройство индикации УИ, где
высвечивается измеряемая величина в цифровом значении.
Электронные приборы благодаря большому входному сопротивлению и
малому потребляемому току находят широкое применение прежде всего для
измерений в цепях различных электронных устройств управления, где
использование обычных приборов может повлиять на режим работы измеряемой
цепи. К таким цепям относятся системы управления тиристорами на тепловозах,
электровозах и тяговых подстанциях, устройства радиосвязи и др.
Приборы с цифровой индикацией, кроме того, дают более точный отсчет
измерений, независимый от человека, проводящего измерения.
4. Токоизмерительные клещи
Клещи токоизмерительные представляют собой прибор, основным
назначением которого является измерение электрического ток без разрыва
электрической цепи и нарушения ее функционирования.
Дополнительно этот прибор способен измерять также напряжение, частоту,
температуру (в некоторых моделях).
В соответствии с измеряемыми величинами электроизмерительные
клещи делятся на амперметры, вольтметры, ваттметры, фазометры,
ампервольтметры.
К самым распространенным относятся клещевые амперметры для измерения
переменного тока, получившие название токоизмерительных клещей. С их
помощью можно быстро измерить ток в проводнике, не разрывая и не отключая
электрическую цепь. Электроизмерительные клещи могут применяться в
электроустановках до 10000В.
О назначении многих электрических приборов и инструментов известно
любому обывателю – все знают, зачем нужен паяльник или электрическая дрель.
Но далеко не у каждого, даже не на каждом предприятии найдутся
токоизмерительные клещи.
Несмотря на это, токовые клещи предназначены для широкого использования,
просто очень многие не знают о существовании такого прибора и не умеют ним
пользоваться.
Где применяются электроизмерительные клещи?
Клещи токоизмерительные могут стать незаменимым помощником как для
бытовых потребителей, так и на предприятиях различных масштабов. С их
помощью возможно:
- определять фактическую нагрузку в сети. Чтобы определить нагрузку
однофазной сети, осуществляется замер на вводном кабеле, полученное значение
тока в амперах умножается на напряжение в сети и косинус угла между фазами
(cos φ). Если отсутствует реактивная нагрузка (мощные индуктивные элементы,
дроссели, двигатели), то последнее значение принимается равным единице (cos φ
= 1).
- для измерения мощности различных приборов. В случае возникновения
необходимости измеряется сила тока участка цепи с подключенным
потребителем. Мощность определяется по вышеописанной формуле.
- для проверки функционирования приборов учета потребления электроэнергии,
например, сверки показаний счетчиков с фактическим потреблением.
Электроизмерительные клещи – принципы работы
В работу простейших токоизмерительных клещей переменного тока положен
принцип одновиткового трансформатора тока.
Его первичная обмотка представляет не что иное, как провод или шину, в
которой измеряется ток. Вторичная обмотка, имеющая больше количество витков,
намотана на разъемный магнитопровод и находится в самих клещах. К вторичной
обмотке подключен амперметр.
Измерив ток, который протекает во вторичной обмотке с учетом известного
коэффициента трансформации измерительного трансформатора, можно получить
величину тока, измеряемую в проводнике.
Поверка токовых клещей:
В качестве рабочего эталона при поверке и калибровке бесконтактных
измерителей тока (токоизмерительных клещей и датчиков тока, имеющих
разъемный раскрыв), используются калибраторы, которые являются
высокостабильным источником тока нормированного уровня, создаваемого в двух
встроенных в прибор измерительных шинах.
5. Ваттметр, варметр, фазометр
Прибор для измерения активной электрической мощности (в ваттах).
Ваттметры имеют две электрические цепи: тока (включается в цепь нагрузки
последовательно) и напряжения (включается параллельно с нагрузкой). Шкала
ваттметра градуируется в ваттах. Применяются электродинамические,
электронные ваттметры (для измерений на постоянном и переменном токе) и
ферродинамические ваттметры для измерений на переменном токе. Наиболее
распространены электродинамические ваттметры (см. рис.), механизм которых
состоит из неподвижной катушки 1, включённой последовательно с нагрузкой Н
(цепь тока), и подвижной катушки 2, включённой через большое добавочное
сопротивление R параллельно нагрузке (цепь напряжения). Работа ваттметра
такого типа основана на взаимодействии магнитных полей подвижной и
неподвижной катушек при прохождении по ним электрического тока. При этом
вращающий момент, вызывающий отклонение подвижной части прибора и
соединённой с ней стрелки (указателя), при постоянном токе пропорционален
произведению силы тока на напряжение, а при переменном токе – ещё косинусу
угла сдвига фаз между током и напряжением. Расширение пределов измерений
достигается с помощью трансформаторов тока и добавочных резисторов, а в
цепях высокого напряжения – с помощью трансформаторов тока и напряжения.
Варметр (от вар и греч. metreo — измеряю), прибор для измерения
реактивной мощности Q в электрических цепях переменного тока: Q= U*I*sinj,
где U — напряжение, I — сила электрического тока, j — фазовый угол между
синусоидально изменяющимися током и напряжением. Применяется в осн. в
трёхфазных цепях переменного тока промышленной частоты (50 Гц). Схема
включения варметра такая же, как и ваттметра. Основу варметра составляет
электроизмерительный
механизм,
обычно
электродинамической
или
ферродинамической системы, и электрическая схема, обеспечивающая
пропорциональность показаний варметра величине sinj. Для расширения предела
измерений варметра применяют измерительные трансформаторы тока и
напряжения. В качестве варметра могут быть использованы также ваттметры,
включённые по спец. схеме (на рисунке — пример с равномерно нагруженными
фазами). Схема включения варметра W для измерения реактивной мощности в
случае равномерно нагруженных фаз: 1 — последовательная цепь; 2 —
параллельная цепь; 3 — нагрузка.
Фазометры используются для определения угла сдвига фаз, например,
переменного тока по отношению к вызывающему его напряжению.
К неподвижной части измерительного механизма фазометра относятся три
катушки, две из которых 1 и 2 имеют вид рамок. Они сдвинуты одна
относительно другой на угол 120° (рис. 4,а). Катушка 3 цилиндрической формы
расположена внутри катушек 1 и 2 соосно с подвижной частью.
Подвижная часть образуется осью 4, к концам которой прикреплены
сердечники 5 в виде тонких пластин, сдвинутых один относительно другого на
180° и называемых лепестками. Ось и лепестки выполнены из магнитно-мягкого
материала и образуют Z-образную конструкцию (рис. 4, б). Измерительный
механизм не имеет противодействующего момента, создаваемого пружиной,
поэтому рассматриваемый прибор можно отнести к логометрам.
На рис. 5 показана схема включения фазометра. Катушки 1 и 2 включаются в
рассечку двух проводов трехфазной линии, а катушка 3 — последовательно с
резистором Rд, обладающим значительным активным сопротивлением,
включается на линейное напряжение. Линейные токи, протекающие по этим
катушкам, сдвинуты один относительно другого по фазе на 120°, в связи с чем
катушки 1 и 2 создают вращающийся магнитный поток Ф12, как бы
представляющий собой вектор тока нагрузки. Частота его вращения зависит от
частоты токов I1 и I2. За один период поток Ф12 совершает один полный оборот.
Так как сопротивление резистора Rд велико по сравнению с реактивным
сопротивлением катушки 3, ток I3 совпадает по фазе с линейным напряжением.
Катушка 3 в результате синусоидального изменения тока создает пульсирующий
магнитный поток Ф3, близкий к синусоидальному. Ось симметрии этого потока
неподвижна в пространстве и всегда совпадает с осью подвижной части
механизма. Поток Ф3 замыкается по оси 4 подвижной части, лепесткам и
неподвижному наружному магнитопроводу цилиндрической формы.
Рис. 4. Измерительный механизм логометра электромагнитной системы с Zобразным сердечником
Рис. 5. Схема включения фазометра электромагнитной системы
Потоки Ф12 и Ф3, замыкающиеся в разных плоскостях, намагничивают
подвижную часть измерительного механизма. Так как значение потока Ф12
постоянно, намагниченность оси и лепестков достигает наибольшего значения в
момент прохождения потока Ф3 через наибольшее значение. Подвижная часть
благодаря действию сил инерции устанавливается неподвижно в положении,
соответствующем ее наибольшей намагниченности, т. е. положению вращающего
потока Ф12 в момент достижения потоком Ф3 наибольшего значения.
Следует иметь в виду, что положение вращающегося потока относительно
неподвижной части прибора в момент прохождения потока Ф3 и тока I3 через
амплитудное значение зависит от углаφ сдвига между током и напряжением
нагрузки. Учитывая это, положение, занимаемое подвижной частью (а
следовательно, и указателем прибора) по отношению к шкале, т. е. угол а,
характеризует сдвиг фаз между током и напряжением нагрузки.
Фазометр, действующий по данному принципу, измеряет сдвиги фаз при
емкостной и индуктивной нагрузках. Шкала прибора может градуироваться в
значениях угла φ или cosφ. В первом случае она равномерна, во втором
неравномерна.
Фазометр Ц302
Цифровые измерительные приборы
Цифровые электроизмерительные приборы благодаря своим свойствам
получили широкое распространение в электронной аппаратуре. Сферы
применения цифровых измерителей крайне разнообразны. Их применяют для
измерения силы тока, напряжения постоянного и переменного тока, частоты
переменного тока, мощности.
Соответственно в качестве измерителей применяются амперметры,
вольтметры, частотомеры и ваттметры. Различаются они по габаритам,
способу исполнения, пределам измерения и классу точности. Немаловажное
внимание уделяют также и безопасности применения, цифровых
электроизмерительных приборов и защите их от перегрузок. Принцип
действия цифровых вольтметров и амперметров состоит в преобразовании
аналогового сигнала в импульсы цифрового кода, которые преобразуется в
десятичный код, отображаемый на табло. Для преобразования аналогового
сигнала используют аналого-цифровой преобразователь, представляющий
собой сложную электронную схему, собранную на цифровых микросхемах.
Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра приведена на
(рис.1). Схема состоит из входного устройства, АЦП, цифрового отсчетного
устройства и управляющего устройства.
Измеряемая величина поступает на входное устройство, где
происходит преобразование сигнала, затем он поступает на аналого-
цифровой преобразователь АЦП, где аналоговый сигнал преобразуется в
соответствующий код, который отображается в виде числового значения
на цифровом отчетном устройстве (ЦОУ).
На
(рис.6)
изображен
цифровой
мультиметр
с
функциями измерения частоты,
проверки
биполярных
транзисторов,
измерения
температуры и автоматическим
выбором предела измерений.
К достоинствам цифровых
приборов
относится
их
компактность, малая масса и
отсутствие
механических
движущихся
деталей,
что
позволяет применять цифровые
приборы
для
измерения
электрических величин в условиях
механической тряски и сильной
вибрации. Так же электронные
приборы
оказываются
малочувствительны к небольшим
ударам, в то время как стрелочные
приборы необходимо оберегать от механических воздействий. Например,
цифровой частотомер, измеряющий частоту колебаний механической
системы, может располагаться в непосредственной близости от механизмов.
Расположение цифровых приборов может быть осуществлено в зависимости
от конкретных условий применения и работа приборов не зависит от их
ориентации. Например, цифровой вольтметр может располагаться как на
горизонтальном или вертикальном измерительном щите, так и на щите
измерителей, расположенном под любым углом, позволяющим легко и
быстро считывать показания с цифровой шкалы. Показания приборов так же
легко передавать в цифровом виде на устройство считывания и записи, что
позволяет отслеживать изменения величин в автоматическом режиме без
присутствия оператора. Очень существенное свойство цифровых
измерителей состоит в их точности. Погрешность измерений может
составлять десятые, и даже сотые доли процента, в то время как у
стрелочных приборов максимальная относительная погрешность даже у
высокоточных аппаратов редко достигает менее одного процента.
Неоспоримым преимуществом, которым обладает цифровой амперметр и
вольтметр, является возможность работы аппаратов в широком диапазоне
влажности, атмосферного давления и температур. Это позволяет применять
цифровые устройства для измерения на открытом воздухе, в подвальных
помещениях и в других сложных атмосферных условиях. Применение
шунтов, дополнительных сопротивлений позволяет существенно увеличить
диапазон измеряемых электрических величин. Цифровые приборы
позволяют измерять крайне малые токи от нескольких мкА и большие токи
потребления мощных установок вплоть до нескольких десятков кА.
Недостатки. Несмотря на эти достоинства цифровой частотомер,
амперметр и вольтметр имеют и недостатки. В случае постоянного и
быстрого изменения измеряемых параметров по абсолютной величине
считать показания с цифрового прибора оказывается невозможным, в этом
случае для измерений применяют стрелочные приборы, по шкале которых
отследить пределы колебаний величины оказывается проще. Кроме того,
цифровой вольтметр и другой прибор имеет сложную электронную схему и
сложен как в ремонте, так и в настройках. Следовательно, самостоятельный
ремонт и настройка цифровых измерителей тока крайне нежелательны и
требуется обращение в специализированные мастерские.
Не следует считать, что ЦИП в будущем полностью вытесняет
аналоговые приборы. Аналоговые приборы просты и надежны. В тех
случаях, когда оператору необходимо следить за уровнями изменяющихся во
времени сигналов, стрелочные указатели более удобны из-за наглядности
представления об изменениях величины, о ее минимальном значении,
приближении к порогу и т. п.
Автор
perspektiva.da
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
168
Размер файла
1 396 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа