И ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Измерения напряжения и силы тока – наиболее распространенный вид измерений. Эти измерения осуществляются в широком диапазоне частот – от постоянного тока и инфранизких частот (сотые доли герца) до сверхвысоких частот (ГГц – 109) и в диапазоне измеряемых значений напряжения и тока – соответственно от нановольт (10-9) и наноампер до сотен киловольт и килоампер при большом разнообразии форм измеряемого напряжения и тока.
Для измерения напряжения и тока применяются как методы непосредственной оценки, так и методы сравнения.
Выбор методов и средств измерения электрических величин обусловливается требуемой точностью измерений, амплитудным и частотным диапазонами измеряемого сигнала, мощностью, потребляемой прибором от измерительной цепи и т.д.
Электромеханические приборы
Общим термином электромеханические приборы обозначают СИ, структурная схема которых представлена на рис. 11 [2]. Эта схема включает в себя измерительную схему ИС, измерительный механизм ИМ и отсчетное устройство ОУ. К электромеханической группе принадлежат измерительные приборы магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, электростатической и индукционной систем. По физическому принципу, положенному в основу построения, и конструктивному исполнению, эти приборы относятся к группе аналоговых СИ, т.е. СИ, показания которых являются непрерывной функцией измеряемой величины.
 |
Рис. 11. Структура электромеханических приборов
Измерительная схема представляет собой совокупность сопротивлений, индуктивностей, емкостей и иных элементов электрической цепи прибора и предназначена для преобразования измеряемой физической величины Х в некоторую новую величину Y, под воздействием которой происходит перемещение a подвижной части измерительного механизма, отсчитываемое с помощью отсчетного устройства. Таким образом, если выполняется зависимость a= f(x), то прибор может быть проградуирован в единицах измеряемой величины. Важно, чтобы параметры схемы и измерительного механизма не изменялись при изменении внешних условий, например, температуры окружающей среды, частоты питающего схему тока и других факторов.
| В большинстве электромехани-ческих приборов выходным перемещением a является угловое перемещение стрелки. Подвижная часть ИМ с угловым перемещением изображена на рис. 12 и представляет собой ось 1 со стрелкой 2, вращающуюся в подпятниках 3. Возможный угол поворота стрелки ограничен упорами 4; шкала прибора – 5. | 
Рис. 12. Подвижная часть ИМ электромеханического прибора
|
При подаче на вход ИС прибора измеряемой величины возникает вращающий момент, описываемый выражением
. (12)
Чтобы каждому значению измеряемой величины Х соответствовало определенное отклонение стрелки a, необходимо уравновесить вращающий момент Мвр противодействующим моментом Мпр, противоположным вращающему и возрастающим по мере увеличения угла поворота подвижной части. В большинстве электроизмерительных приборов противодействующий момент создается плоской спиральной пружинкой 6, для которой справедливо соотношение
, (13)
где W – коэффициент, зависящий от свойств материала и размеров пружинки. Исключение составляют приборы – логометры, в которых противодействующий момент создается теми же электромагнитными силами, что и вращающий. При совместном воздействии вращающего и противодействующего моментов положение равновесия, т.е. установившееся отклонение стрелки определяется из условия Мвр=Мпр. Учитывая (12) и (13), получим
. (14)
Уравнение (14) называется уравнением преобразования механизма прибора и представляет собой градуировочную характеристику прибора.
Подвижная часть ИМ представляет собой колебательную систему. Для того чтобы в процессе достижения установившегося положения стрелка прибора не испытывала слишком долгих колебаний, в электромеханических приборах применяются воздушные, жидкостные и магнитоиндукционные успокоители.
Наиболее распространенными в практике технических измерений являются электромеханические приборы магнитоэлектрической и электромагнитной систем.
Приборы магнитоэлектрической системы. В приборах магнитоэлектрической системы вращающий момент создается за счет взаимодействия поля постоянного магнита с рамкой (катушкой), по которой протекает ток. Конструктивно измерительный механизм прибора может быть выполнен либо с подвижным магнитом, либо с подвижной рамкой [2, 5]. На рис. 13 показана конструкция прибора с подвижной рамкой. Постоянный магнит 1, магнитопровод с полюсными наконечниками 2 и неподвижный сердечник 3 составляют магнитную систему механизма. В зазоре между полюсными наконеч-
Рис. 13. Устройство прибора магнитоэлектрической системы
| никами и сердечником создается сильное радиальное магнитное поле, в котором находится подвижная прямоугольная рамка 4, намотанная тонким медным или алюминиевым проводом на алюминиевом каркасе (или без каркаса). Рамка закреплена между полуосями 5 и 6. Спиральные пружинки 7 и 8, предназначенные для создания противо-действующего момента, одновременно используются для подачи измеряемого тока от входных зажимов в рамку. Рамка жестко соединена со стрелкой 9. Для балансировки подвижной части имеются передвижные грузики 10. |
На рамку из w витков проволоки, по которой течет ток, действует вращающий момент
, (15)
где В – магнитная индукция в воздушном зазоре; S – площадь рамки.
Приравняв (15) и (13), получим
. (16)
Согласно (16) угол отклонения подвижной части пропорционален току, протекающему по рамке. Коэффициент пропорциональности
(17)
называется чувствительностью магнитоэлектрического прибора к току.
Чувствительность SI является постоянной величиной, зависящей только от конструктивных параметров механизма, а не от значения измеряемого тока I, поэтому шкала магнитоэлектрического прибора равномерна. Изменение направления тока ведет к изменению направления угла отклонения рамки.
Из группы аналоговых приборов магнитоэлектрические приборы относятся к числу наиболее чувствительных и точных. Изменения температуры окружающей среды и внешние магнитные поля мало влияют на их работу. Равномерный характер шкалы и малое потребление энергии также являются достоинствами этих приборов. Вследствие инерционности магнито-электрические приборы реагируют только на постоянную составляющую тока. Для измерений в цепях переменного тока требуется предварительное преобразование переменного тока в постоянный.
Амперметры. Магнитоэлектрический механизм, включенный непосредственно в измерительную цепь, позволяет измерять малые постоянные токи, не превышающие 20 – 50 мА, т.е. может выступать только в роли микроамперметра или миллиамперметра. Превышение указанных значений может привести к повреждению провода рамки и спиральной пружины. Для того чтобы измерять большие токи, используют измерительные цепи, включающие в себя шунты, представляющие собой манганиновые резисторы, сопротивление которых мало зависит от температуры. Обычно оно во много раз меньше сопротивления рамки Rи магнитоэлектрического измерительного механизма. Поэтому при включении шунта параллельно прибору (рис. 14, а) основная часть измеряемого тока I проходит через шунт, а ток Iи, проходящий через рамку измерительного механизма, не превышает допустимого значения. Отношение I/Iи= n, показывающее, во сколько раз измеряемый ток превышает допустимое значение, называется коэффициентом шунтирования. Сопротивление шунта, которое необходимо выбрать для получения требуемого коэффициента шунтирования, нетрудно определить: IшRш= IиRи , Iш= I – Iи , откуда следует Rш= Rи/( n – 1).
Амперметры для измерения сравнительно небольших токов (до нескольких десятков ампер) имеют внутренние шунты, вмонтированные в корпус прибора. Измерение больших токов (до нескольких тысяч ампер) осуществляют при помощи наружных шунтов, которые имеют определенные номинальные падения напряжения (45, 60, 75, 100 и 300 мВ) и классы точности (0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5).
 | |||
 | |||
Рис. 14. Расширение пределов измерения амперметра (а) и вольтметра (б)
Вольтметры. Для расширения пределов измерения вольтметра последовательно с рамкой измерительного механизма включается добавочное сопротивление Rд (рис. 14, б), которое ограничивает падение напряжения на рамке прибора до допустимых пределов. Если необходимо получить верхний предел измерения напряжения, в m раз превышающий значение Uи, то необходимо включить добавочный резистор, сопротивление которого равно Rд= Rи( m-1).
Добавочные резисторы изготавливают из термостабильных материалов, например, из манганиновой проволоки. Они могут быть внутренними, встроенными в корпус прибора (при напряжениях до 600 В), и наружными (при напряжениях 600 – 1500 В). Добавочные резисторы имеют определенные номинальные токи (0,5; 1; 3; 5; 7,5; 15 и 30 мА) и классы точности (0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1).
Гальванометры. Высокочувствительные магнитоэлектрические приборы для измерения очень малых токов и напряжений называются гальванометрами. Современные гальванометры позволяют измерять токи в пределах 10-5…10-12 А и напряжения до 10-4 В. Гальванометры часто используют в качестве нуль-индикаторов, фиксирующих отсутствие тока в цепи. В качестве метрологических характеристик гальванометров обычно указывают их чувствительность к току или напряжению и сопротивление рамки.
Приборы электромагнитной системы. Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током в неподвижной катушке, с подвижным ферромагнитным
Рис. 15. Устройство прибора электромагнитной системы
| сердечником [2, 5]. Одна из конструкций электромагнитного измерительного механизма представлена на рис. 15, где 1 – катушка; 2 – сердечник, укрепленный на оси прибора; 3 – спиральная пружина, создающая противодействующий момент; 4 – воздушный успокоитель. Под действием магнитного поля сердечник втягивается внутрь катушки. Подвижная часть механизма поворачивается до тех пор, пока вращающий момент не уравновесится противодействующим моментом, создаваемым пружиной. |
Вращающий момент, возникающий при прохождении тока I через катушку
, (18)
где L – индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника, а следовательно, и от угла поворота подвижной части.
При установившемся отклонении подвижной части механизма Мвр=Мпр, т.е. уравнение преобразования прибора имеет вид
. (19)
Если по катушке протекает переменный ток i(t), то необходимо произвести усреднение по времени:
. (20)
По определению действующее значение тока
,
т.е.
. (21)
Из (21) следует, что угол поворота подвижной части механизма пропорционален квадрату действующего значения тока, т.е. не зависит от направления тока. Поэтому электромагнитные приборы одинаково пригодны для измерений в цепях постоянного и переменного тока. В соответствии с (21) шкала прибора квадратичная, однако на практике ее можно приблизить к линейной подбором формы сердечника.
Если учесть, что ток через катушку прибора I=U/Rи, где U – приложенное напряжение, а Rи – сопротивление катушки, то из (21) следует
. (22)
Таким образом, шкала измерительного механизма может быть проградуирована и в единицах напряжения.
К достоинствам приборов электромагнитной системы относятся: простота конструкции, надежность, способность выдерживать большие перегрузки, пригодность для измерения в цепях как постоянного, так и переменного тока.
Недостатками являются: большое собственное потребление энергии, малая точность, малая чувствительность, сильное влияние внешних магнитных полей.
Приборы электромагнитной системы применяются в основном в качестве щитовых амперметров и вольтметров переменного тока промышленной частоты. Класс точности этих приборов 1,5 и 2,5. В некоторых случаях они используются для работы на повышенных частотах: амперметры до 8000 Гц, вольтметры до 400 Гц. Выпускаются также переносные приборы электромагнитной системы классов точности 0,5 и 1,0 для измерения в лабораторных условиях.
Для расширения пределов измерения электромагнитных амперметров и вольтметров применяются измерительные трансформаторы тока.
Дата: 2019-02-25, просмотров: 318.
