ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ АМПЕРМЕТРЫ И ВОЛЬТМЕТРЫ

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 W_эм 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

,

. (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 Z_пр – 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 R_ДОБ (рис. 3.9), уменьшающего ток через прибор. При последовательном включении катушек I₁=I₂=I, при общем сопротивлении цепи прибора Z_п=Z₁+Z₂+R_ДОБ, 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 δ_f – относительная частотная погрешность на частоте f, τ=L_V/R_V – постоянная прибора, L_V – суммарная индуктивность катушек, R_V – общее сопротивление вольтметра с учетом R_ДОБ.

Возможна коррекция частоты и компенсация частотной погрешности (δ_f=0) на частоте , где С_ДОБ – 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 Z_Н, обеспечивает перемножение токов и I₁=I_Н. Подвижная катушка включается параллельно как вольтметр, а неподвижная последовательно как амперметр. С учетом этого уравнение шкалы для ваттметра

,

где Z_V – 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.

Источник

Измерение тока и напряжения

Показания амперметра зависят от тока I _А, идущего через него, поэтому для измерения тока в каком-либо приемнике энергии I _пр амперметр включают последовательно с этим приемником, так что I _А = I _пр
(рис. 8-8).
Включение амперметра не должно влиять на измеряемый ток, поэтому сопротивление его должно быть малым по сравнению с сопротивлением приемника, последовательно с которым он включается. Малому сопротивлению амперметра r _А соответствует и малая номинальная мощность потерь в нем
Для измерения токов, превышающих номинальный ток амперметра (измерителя), в цепях постоянного тока применяют шунты , а при переменном токе — трансформаторы тока .
Для измерения напряжения на каком-либо приемнике энергии U _пр зажимы вольтметра соединяют с зажимами приемника (рис. 8-9). В этом случае вольтметр покажет напряжение на своих зажимах и на зажимах приемника U _V = U _пр .
Показания вольтметра зависят от его тока I _V . Для того чтобы они однозначно зависели и от напряжения U _V , сопротивление вольтметра должно быть постоянным, так как в этом случае

Сопротивление медной обмотки измерителя вольтметра r _И изменяется на 0,4% при изменении температуры на 10° С.. Включая последовательно с измерителем достаточно большое добавочное сопротивление r _Д из манганина, величина которого практически неизменна, обеспечивают постоянство сопротивления вольтметра
Включение вольтметра не должно влиять на измеряемое напряжение, поэтому сопротивление его должно быть большим относительно приемника энергии, параллельно которому он включен. При большом сопротивлении вольтметра r _V номинальный ток его мал, мала и номинальная мощность потерь, так как

Номинальный ток вольтметра равен номинальному току его измерителя, так что

а номинальное напряжение вольтметра

пропорционально его сопротивлению.
Применяя один измеритель с различными добавочными сопротивлениями, получим различные сопротивления вольтметра и соответственно различные номинальные напряжения. Таким образом, добавочное сопротивление используют для расширения предела измерения напряжения вольтметра.
Для расширения предела измерения напряжения в цепях переменного тока, кроме добавочного сопротивления, применяют измерительные трансформаторы напряжения .
Амперметры и вольтметры могут иметь измерители одинакового устройства, отличающиеся только своими параметрами, но они имеют разные внутренние измерительные схемы и по-разному включаются в измеряемую цепь.

а) Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры
Магнитоэлектрические приборы для измерения малых токов — гальванометры, микроамперметры и миллиамперметры представляют собой измерительный механизм , катушка которого присоединена к зажимам прибора, а на шкале нанесены деления, соответствующие различным значениям измеряемой величины.
Магнитоэлектрический амперметр — это измеритель , который присоединен параллельно шунту (рис. 8-10) для увеличения номинального тока прибора.

Измеряемый ток I делится на ток шунта I _Ш и ток измерителя I _И. Напряжение U а6 на разветвлении (рис. 8-10)

При неизменных сопротивлениях измерителя и шунта ( r _И , r _Ш) между токами I и I _И сохраняется постоянное отношение, что позволяет по углу поворота указательной стрелки измерителя определить ток I .
Сечение шунта должно быть достаточно большим, чтобы не было его нагревания и связанных с этим погрешностей .
Шунты помещаются или в кожухе прибора (встроенные) или вне его (наружные).
Магнитоэлектрический вольтметр — это измеритель с последовательно соединенным добавочным сопротивлением (рис. 8-11) для расширения предела измерения напряжения и для обеспечения постоянства сопротивления вольтметра. На шкале его наносятся деления, соответствующие различным значениям напряжения Между напряжением на зажимах вольтметра U _V и напряжением на измерителе U _И = I _И r _И имеет место постоянное отношение

Технические вольтметры имеют однопредельные добавочные сопротивления, а образцовые и лабораторные — многопредельные, позволяющие использовать отдельные части добавочного сопротивления для получения различных номинальных напряжений.
Магнитоэлектрические приборы изготовляются классов точности 0,1—2,5.
Из свойств этих приборов отметим: пригодность для работы в цепях постоянного тока, высокую чувствительность, незначительное влияние температуры и внешних магнитных полей, равномерную шкалу, малую мощность потерь и чувствительность к перегрузкам.

б) Выпрямительные амперметры и вольтметры
Выпрямительный амперметр coстоит из магнитоэлектрического измерителя и нескольких полупроводниковых вентилей, соединенных по одной из выпрямительных схем , а выпрямительный вольтметр, кроме того, имеет добавочное сопротивление.
В простейшем случае выпрямительный амперметр (рис. 8-12) состоит из измерителя, включенного последовательно с вентилем, пропускающим ток в одном направлении, так что через измеритель в течение каждого периода проходит только одна полуволна переменного тока. Обратная полуволна тока проходит по второй параллельной ветви, в которой вентиль включен в обратном направлении. Средний за период вращающий момент и угол поворота подвижной части амперметра зависят от среднего значения тока, проходящего через измеритель, которое при синусоидальном токе пропорционально действующему значению тока. Эти значения и наносятся на шкале амперметра. Для расширения предела измерения тока применяются шунты.
У вольтметра вследствие постоянства его сопротивления действующие значения тока пропорциональны действующим значениям напряжения на его зажимах, которые непосредственно и отсчитываются на шкале прибора.
Выпрямительные приборы предназначены для работы в цепях переменного тока с частотой до
10 кГц. Класс точности их 1,5—2,5.

в) Термоэлектрические амперметры и вольтметры
Термоэлектрический амперметр состоит из магнитоэлектрического измерителя с контактным (а) или бесконтактным (б) термопреобразователем (рис. 8-13), а вольтметр имеет еще добавочное сопротивление.
Термопреобразователь состоит из проводника — нагревателя H (рис. 8-13) и приваренной к нему или не соединенной с ним термопары Т . Последняя образуется двумя проводами из разных металлов, рабочие концы которых сварены вместе, а свободные концы присоединяются к магнитоэлектрическому измерителю.
Измеряемый переменный ток, проходя по нагревателю, вызывает его нагревание и. нагревание рабочих концов термонары. Вследствие этого на ее свободных концах возникает термо-э. д. с, а в подвижной рамке измерителя ток, под действием которого рамка повертывается на угол, зависящий от измеряемого тока. На шкале амперметра наносятся деления, сооветствующие действующим значениям измеряемого тока, а на шкале вольтметра деления, соответствующие действующим значениям напряжения, которые вследствие постоянства сопротивления вольтметра пропорциональны действующим значениям тока.
Термоэлектрические приборы предназначены для работы в цепях переменного тока с частотой до 10—50 МГц. Класс точности их 1,5—2,5.

г) Электромагнитные амперметры и вольтметры
Электромагнитный амперметр — это измеритель , на шкале которого нанесены значения измеряемого тока, проходящего по его катушке. Катушку амперметра можно изготовить из провода любого сечения, на любой номинальный ток (до 300 А и выше), так как она неподвижна и масса ее не влияет на погрешность от трения.
Электромагнитный вольтметр состоит из измерителя на номинальный ток 20—30 мА, добавочного сопротивления из маганина и шкалы, проградуированной в значениях напряжения.
Активное добавочное сопротивление несоизмеримо больше реактивного сопротивления катушки измерителя, так что сопротивление вольтметра, практически активное, не зависит от температуры и частоты.
Угол поворота подвижной части зависит от тока в катушке и пропорционального ему напряжения на зажимах вольтметра.
Электромагнитные приборы предназначены для цепей переменного тока промышленной частоты. Класс точности их 0,5—2,5.

д) Электродинамические и ферродинамические амперметры и вольтметры
Электродинамический амперметр состоит из измерителя того же названия, катушки которого соединяются последовательно или параллельно в зависимости от номинального тока, а на шкале нанесены значения тока, проходящего по амперметру.
Подвижная катушка измерителя для уменьшения погрешности от трения делается легкой из провода малого сечения. Неподвижная катушка выполняется из провода такого же или большего сечения в зависимости от номинального тока амперметра. В миллиамперметрах катушки соединяются последовательно, в амперметрах — параллельно (рис. 8-14).

При последовательном соединении катушек в них проходит измеряемый ток ( I ₁ = I ₂ = I ) и угол поворота подвижной части прибора пропорционален квадрату тока (8-7)

При параллельном соединении катушек амперметра угол поворота стрелки так же будет пропорционален квадрату тока (8-10), если активные добавочные сопротивления в ветвях r _Д1 и r _Д2 подобрать так, чтобы токи в ветвях I ₁ и I ₂ совпадали по фазам ( φ = 0) и каждый из них был пропорционален измеряемому току I .
Электродинамический вольтметр состоит из измерителя того же названия, катушки которого
(номинальный ток 20—50 мА) соединены последовательно с добавочным сопротивлением
(рис. 8-14). Последнее предназначено для расширения предела измерения напряжения и уменьшения влияния температуры, рода тока и частоты на показания вольтметра.
Электродинамические приборы изготовляются классов точности 0,1—0,5 для цепей постоянного и переменного тока стандартной и повышенной частоты до 2 кГц. Они чувствительны к перегрузкам и к внешним магнитным полям. Для уменьшения влияния внешних магнитных полей применяются экраны и астатические измерители.
Ферродинамические амперметры и вольтметры применяются главным образом как самопишущие приборы для цепей переменного тока, имея те же внутренние измерительные схемы, что и электродинамические приборы. Ферродинамические приборы обладают большим вращающим моментом, прочной и надежной конструкцией. Они мало чувствительны к внешним магнитным полям. Класс точности их 1,5—2,5.

Источник