В амперметрах измерительный механизм включается непосредственно в цепь или с помощью шунта.
а) Включение катушки в цепь.
I£30мА
б) с шунтом: I>30мА
Пример:
Шунт потому, что при возрастающем токе токоподводы будут нагреваться и изменять свои характеристики ® для этого и шунт – чтобы избежать этого.
Шунт всегда из манганина – сплав. Его особенность: 1. Нулевой температурный коэффициент. 2. Высокое удельное сопротивление: при заданном сопротивлении шунта – размер его меньше.
Основная погрешность этих приборов – температурная погрешность.
Влияние температуры на магнитоэлектрические измерительного механизма.
1. При повышении температуры, пружина создающая противодействующий момент, стремится раскрутиться. Для компенсации этого устанавливают две пружины с разным направлением витков.
2. Пружины ослабевают на 0.2-0,4% на каждые10 о С.
3. Магнитный поток постоянного магнита уменьшается: 0,2-0,4% на 10 о С.
Явления 2 и 3 друг друга компенсируют: 
4. Изменяется электрическое сопротивление катушки (из меди): температурный коэффициент меди = 4,26*10 -3 1/град или 4% на 10 о С.
Для схемы а) эта погрешность отсутствует, т. к. при изменении сопртивления прибор покажет и изменение тока в цепи (это не погрешность – просто новый результат);
В схеме б) (с шунтом) при изменении температуры происходит перераспределение тока, т. к. шунт не зависит от температуры, а катушка зависит: если I=10A, Ik=0.027 (было 0,03), Im=9.973 (9.97)
А стрелка отклоняется по Ik
Показывает меньше или больше, поэтому у шунта должна быть температурная компенсация.
rm и rg – из манганина Þ (rk+rg)®имеет меньший температурный коэффициент.
Такие схемы – в приборах относительно низкого класса точности, т. к. для высокого нужно большое rgÞ теряем чувствительность. В высоком классе используют п/п резисторы:
rпп – может иметь отрицательный и очень большой температурный коэффициент.
Потери меньше, чем при rg, т. к. сопротивление rпп
Есть способ измерять индукцию в зазоре:
SIU=const, 
, BU=const.
Для изменения B используется магнитный шунт:
Через МШ часть поля проходит.
При U=max, шунт ближе, когда U уменьшается – шунт отодвигается.
Необходимость ручной регулировки – недостаток. От него свободны омметрыс с логометром (прибор, противодействующий момент создаётся как и вращающий).
Ставят 2 жестко скрепленные катушки.
От a зависит только В:
Сердечник элипсообразный + 2 катушки.
(Не зависит от U)
Уровень токов: токи должны преодолеть моменты трения в опорах (нижняя граница); верхняя граница – техника безопасности.
8. Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры. Нами уже был описан магнитоэлектрический гальванометр или, иначе говоря, гальванометр с постоянным магнитом, представленный на рис. 15. По типу такого прибора строятся также амперметры и вольтметры. Так как подвижная рамка, вращающаяся в поле сильного постоянного магнита, для ее легкости имеет лишь небольшое число витков тонкой проволоки, то, используя такой прибор в качестве амперметра, мы должны снабдить его шунтом; используя же как вольтметр — мы должны иметь в приборе добавочное сопротивление, рассчитанное применительно к тому напряжению, для которого прибор предназначается. На рис. 29 представлен магнитоэлектрический прибор без кожуха. На рис. мы видим подковообразный постоянный магнит а, помещенную в междуполюсном пространстве рамкообразную катушку b и охватываемый этой катушкой цилиндрический сердечник с, концентрирующий поле магнита в месте нахождения рамки.
Шкала прибора снабжена зеркальной поверхностью, благодаря которой можно сделать крайне точный отсчет, если при отсчете смотреть так, чтобы стрелка прибора закрывала свое зеркальное изображение. Шкала прибора, строго пропорциональная, показана отдельно и на верхней половине рис. 18. Внешний вид магнитоэлектрического амперметра представлен на рис. 30 и вольтметра — на рис. 31 Так как действие рассматриваемых приборов основано на взаимодействии магнитного потока постоянного магнита и потока катушки, то для поворота последней в определенную сторону по ней должен итти ток вполне определенного и только одного направления. Таким образом, в противоположность тепловым и электромагнитным приборам, магнитоэлектрические приборы могут быть использованы только для измерений в цепях постоянного тока. При включении их в сеть нужно строго соблюдать полярность зажимов, которая обыкновенно отмечается знаками плюс и минус.
Вопрос о правильном включении может отпасть, если прибор имеет нуль по средине шкалы. Такие приборы могут быть использованы для измерения тока в сетях, в которых постоянный ток периодически меняет свое направление Наиболее характерной в этом отношении является цепь аккумуляторной батареи, где рассматриваемый прибор может служить для указания не только силы тока, но и направления последнего, соответствующего заряду или разряду батареи. В таком случае на приборе могут быть надписи: "заряд" и "разряд". Тогда, конечно, необходимо так включить прибор, чтобы его отклонения находились в соответствии с этими надписями (1).
Магнитоэлектрические приборы не имеют специальных устройств для успокоения стрелки, так как движущаяся в сильном магнитном поле легкая алюминиевая рамочка с витками проволоки сама по себе оказывает противодействие тому движению, к которому она принуждается. При ее поворачивании в рамочке возбуждается электродвижущая сила, дающая ток, который, по закону Ленца, и оказывает тормозящее действие. Чем быстрее поворачивание рамочки, тем сильнее тормозящий момент. Когда стрелка прибора встанет на соответствующее показание шкалы и рамка остановится, то и тормажение само собою прекратится.
Достоинства рассматриваемых приборов следующие: равномерность шкалы; точность показаний, благодаря которой магнитоэлектрические приборы часто применяются как прецизионные; независимость от внешних полей (от влияния полей, создаваемых очень сильными токами близ находящихся проводов предохранением служат железные кожухи приборов); апериодичность приборов. Недостатки приборов: сравнительно высокая их стоимость; применимость только для постоянного тока (если вообще эту особенность можно считать недостатком).
Сопротивление витков катушки амперметров составляет около 1,33 ома, при чем необходимый для поворота катушки ток равен 0,03 ампера. Поэтому падение напряжения в приборе незначительно, а, именно,
Расход мощности в приборе также незначителен. Так, в самой катушке он равен
а в шунте, если по последнему идет ток в 5 ампер,
При силе тока в 100 ампер, потеря мощности в катушке останется попрежнему небольшой, в шунте же возрастет до
Магнитоэлектрический вольтметр на 110 вольт дает показания примерно при токе в 0,01 ампера [10 миллиампер]. В таком случае потеря мощности в приборе составляет
Первым магнитоэлектрическим измерительным прибором был лабораторный гальванометр Депрэ — Д’Арсонваля, а затем на изготовлении их сначала особенно специализировалась фирма Вестон (Weston). Отсюда приборы эти и называются часто приборами системы (или типа) Депрэ — Д’Арсонваля или Вестона.
1) Более дешевые указатели направления тока в цепи батареи аккумуляторов описаны в книге инж. В А. Карпова: "Элементы и аккумуляторы". Издание Московского Акционерного Издательского Общества. 1926.
Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током в неподвижной катушке, с подвижным ферромагнитным сердечником, втягивающимся в катушку с током. Энергия магнитного поля катушки, через которую протекает постоянный ток I
Подставляя значение энергии Wэм в обобщенное уравнение шкалы (формула 3.2) для электромеханических механизмов, получим
Если по катушке протекает переменный ток i(t), то, за счет инерционности механизма, происходит усреднение по времени, т.е. можно записать уравнение шкалы в виде
По определению, действующее значение тока
,
т.е. уравнение примет вид
. (3.6)
Из формулы 3.6 следует, что угол поворота подвижной части механизма пропорционален действующему значению тока, т.е. не зависит от направления тока. Поэтому электромагнитные приборы пригодны для измерений постоянных и переменных токов и напряжений. Из уравнения шкалы (3.6) видно также, что шкалы этих приборов нелинейны, а частичная линеаризация производится с помощью выбора специальной формы подвижного ферромагнитного сердечника.
Амперметры. В электромагнитных амперметрах катушка измерительного механизма включается непосредственно в разрыв цепи измеряемого тока.
Щитовые амперметры выпускаются с одним пределом измерений, переносные (лабораторные) могут иметь несколько пределов измерений. При этом выбор предела производят путем переключения секций обмотки катушки, включая их последовательно или параллельно.
Шунты в этих амперметрах не применяются, т.к. катушка имеет очень малое собственное сопротивление.
При измерении больших переменных токов используют измерительные трансформаторы тока (§ 3.2).
При использовании амперметров в цепях постоянного тока появляется погрешность от гистерезиса намагничивания сердечника. Для уменьшения этой погрешности сердечники изготавливают из магнитомягких материалов, например, пермаллоя.
При изменении частоты измеряемого тока в амперметрах возникает частотная погрешность, вследствие действия вихревых токов в сердечнике и других металлических частях механизма, пронизываемых магнитным потоком катушки.
Промышленностью выпускаются амперметры с предельными значениями токов от долей ампера до 200 А.
Для косвенного включения амперметров через трансформаторы тока наиболее часто применяют амперметры на 5 А.
Вольтметры. Если учесть, что ток через обмотку катушки прибора 
, где U – приложенное напряжение, а Zпр – модуль полного сопротивления, то из формулы (3.6) получим уравнение шкалы для электромагнитных вольтметров
.
Т.о. электромагнитные вольтметры измеряют действующее значение напряжения, но их показания существенно зависят от частоты, т.к. катушка вольтметра имеет большую индуктивность, чем амперметр, для создания необходимого вращающего момента. Расширение пределов измерения осуществляется с помощью набора добавочных резисторов (§ 3.2), которые одновременно увеличивают входные сопротивления вольтметров.
К общим достоинствам электромагнитных приборов относят:
— способность выдерживать большие перегрузки;
— пригодность применения в цепях постоянного и переменного токов;
— большое собственное потребление энергии (единицы ватт);
— сильное влияние внешних магнитных полей, т.к. мало поле катушки с током, как у соленоида без сердечника.
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
Принцип действия электродинамических приборов основан на взаимодействии полей двух катушек с токами, одна из которых неподвижна.
Электрокинетическая энергия двух катушек с токами
,
где L1 и L2 – индуктивности подвижной и неподвижной катушек, I1 и I2 – токи в этих катушках, 
— взаимная индуктивность катушек.
От угла поворота зависит только взаимная индуктивность М, тогда, с учетом формулы (3.2), получим уравнение шкалы в виде
, (3.7)
т.е. механизм электродинамической системы в принципе является перемножающим электромеханическим устройством.
Если по катушкам протекают переменные токи, например, синусоидальной формы
и 
,
то уравнение шкалы запишется в виде
, (3.8)
где j = j1 — j2 – угол сдвига фаз между токами в катушках.
Т.о. угол отклонения у этих механизмов при переменных токах i1и i2 зависит от произведения токов и их разности фаз. Это дает возможность использовать приборы электродинамической системы не только в качестве амперметров и вольтметров, но и качестве ваттметров, а с применением двух подвижных рамок, скрепленных между собой под некоторым углом (логометры) – в качестве фазометров.
Амперметры. В амперметрах катушки могут быть соединены последовательно (рис. 3.8) или параллельно. Параллельное соединение применяется у амперметров относительно больших токов (до 10 А).
Последовательное соединение применяют в миллиамперметрах и амперметрах до 0.5 А. Такие токи не способны повредить тонкие токоподводящие пружинки.
В последовательной схеме амперметра I1=I2=I, φ1-φ2=0, уравнение шкалы для переменных токов (3.8) сводится к виду
,
т.е. при условии, что 
угол поворота стрелки квадратично зависит от тока протекающего в катушках. Следовательно, будет измеряться действующее значение тока. Однако шкала нелинейна, и для ее линеаризации подбирают формы и расположение катушек таким образом, чтобы 
не оставалось постоянным, а существенно зависело от угла между подвижной и неподвижной катушками.
В параллельной схеме амперметров I1=k1I и I2=k2I, а разность фаз также обеспечивается равной нулю установкой дополнительных индуктивностей в цепях основных катушек. Электродинамические амперметры обладают частотными погрешностями, т.к. суммарное полное сопротивление зависит от частоты тока. Однако в настоящее время это самые точные приборы для измерения переменных токов промышленной частоты в диапазоне от 10 мА до 10 А.
Вольтметры. Для увеличения внутреннего сопротивления обе катушки у вольтметров включается только последовательно с применением добавочного резистора RДОБ (рис. 3.9), уменьшающего ток через прибор. При последовательном включении катушек I1=I2=I, при общем сопротивлении цепи прибора Zп=Z1+Z2+RДОБ, с учетом формулы (3.7), уравнение шкалы вольтметра примет вид
.
Как и в случае амперметров, изменением добиваются почти равномерного характера шкалы у вольтметров.
Обычно вольтметры выполняются многопредельными с помощью добавочных резисторов. Применяются для непосредственного измерения напряжений до 600 В.
При измерении высоких напряжений применяют измерительные трансформаторы напряжений (§ 3.2).
Электродинамические вольтметры обладают частотными погрешностями, которые могут быть вычислены по формуле
,
где δf – относительная частотная погрешность на частоте f, τ=LV/RV – постоянная прибора, LV – суммарная индуктивность катушек, RV – общее сопротивление вольтметра с учетом RДОБ.
Возможна коррекция частоты и компенсация частотной погрешности (δf=0) на частоте 
, где СДОБ – емкость, подключаемая параллельно добавочному резистору.
Ваттметры. При построении ваттметров используют тот факт, что угол отклонения электродинамического механизма пропорционален произведению токов в катушках (см. формулу 3.7).
Из рис. 3.10 видно, что схема включения катушек ваттметра при изменении мощности, потребляемой нагрузкой ZН, обеспечивает перемножение токов 
и I1=IН. Подвижная катушка включается параллельно как вольтметр, а неподвижная последовательно как амперметр. С учетом этого уравнение шкалы для ваттметра
,
где ZV – полное сопротивление вольтовой обмотки, cos φ – угол сдвига фаз между током и напряжением в нагрузке.
Уравнение шкалы ваттметра имеет линейный характер, причем показания будут пропорциональны активной мощности. Классы точности многопредельных лабораторных ваттметров достаточно высоки (0.2, 0.1). Диапазон измеряемых мощностей от несколько ватт до нескольких киловатт. Измерения могут выполняться как на постоянном токе, так и на токах промышленной частоты.
Погрешности электродинамических ваттметров возникают из-за температурных влияний и наличия внешних магнитных полей. При повышении частоты до нескольких сот герц существенными становятся также частотные погрешности, обусловленные ростом индуктивного сопротивления катушек, приводящим к уменьшению вращающего момента.
Для увеличения чувствительности и уменьшения влияния внешних магнитных полей неподвижная катушка может иметь магнитомягкий сердечник, между полюсами которого размещается подвижная катушка. Также приборы получили название ферродинамических.
Электродинамические логометры. В логометри-ческих измерительных механизмах подвижная часть вы-полняется в виде двух жестко скрепленных между собой катушек, помещенных внутри неподвижной катушки с током I. По обмоткам подвижных катушек протекает токи I1 и I2, которые подводятся с помощью металлических лент, практически не имеющих противодействующего момента (рис. 3.11).
Вращающие моменты, создаваемые воздействием неподвижной катушки с током I с магнитными полями подвижных катушек с токами I1 и I2, направлены встречно. Т.о. момент первой катушки – вращающий, момент второй – противодействующий. Уравнение шкалы принимает вид
,
если обеспечить равенство I1 = I2 по модулю, то шкалу прибора можно градуировать в φ или в cosφ. Такие приборы применяются для измерения cosφ — фазометры и для измерения частот – частотомеры. У последних используется зависимость угла отклонения от отношения сопротивления в цепях подвижных рамок, т.е. 
. Если, например, I2 не зивисит от частоты, то при добавлении конденсатора в цепь подвижной обмотки за счет резонанса происходит изменение Z1. Следовательно шкала прибора может быть градуирована в единицах частоты, т.к. 
.
Электродинамические частотомеры выпускаются для измерения частоты в узком диапазоне (45-55, 450-550 Гц), классов точности 1, 1.5. Фазометры – в виде переносных приборов с диапазоном измерений угла φ от 0 0 до 90 0 и cosφ от 0 до 1 для индуктивной и емкостной нагрузки, классы точности 0.2, 0.5.
Последнее изменение этой страницы: 2017-02-05; Нарушение авторского права страницы
