4. Электромагнитные механизмы.

Принцип работы электромагнитных механизмов основан на взаимодействии магнитного поля катушки с током и ферромагнитного сердечника. Подвижным элементом является ферромагнитный сердечник, перемещающийся в магнитном поле катушки, по обмотке которой протекает измеряемый ток. Электромагнитные механизмы могут выполняться с плоской (рис. 8, а), круглой катушками или с замкнутым магнитопроводом.

Электромагнитный механизм состоит из катушки 1, ферромагнитного сердечника2, воздушного успокоителя3, спиральной пружины4, создающей противодействующий момент, и корректора5.

При наличии тока в катушке сердечник стремится расположиться в месте с наибольшей концентрацией поля, т. е. втягивается внутрь катушки. При этом создается вращающий момент, и стрелка механизма отклоняется.

Противодействующий момент возникает в результате закручивания пружины 4. Энергия, сосредоточенная в катушке с индуктивностьюL, по которой протекает токI, определяется выражением.

При перемещении сердечника индуктивность катушки изменяется, и формулу для вращающего момента на основании (1) можно записать в следующем виде:

. (19)

Рис. 8. Структура электромагнитного механизма

с плоской катушкой (а) и логометра (б)

В режиме установившегося отклонения (М_В = М_П):

(20)

откуда

(21)

Из формулы (21) можно сделать выводы:

- шкала электромагнитного механизма неравномерная, но подбором формы сердечника и места его расположения в катушке, т. е. изменяя множитель можно улучшить линейность шкалы (за исключением начального участка);

- отклонение подвижной части не зависит от направления тока в обмотке и механизм пригоден для измерений в цепях постоянного и переменного токов.

При включении таких механизмов в цепь переменного тока они измеряют средний квадратический (действующий) ток.

Электромагнитный механизм может выполняться по схеме логометра (рис. 8, б). В этом случае механизм состоит из двух катушек1и2и двух сердечников. Сердечники укреплены на общей оси так, что при повороте подвижной части индуктивность одной катушки увеличивается, а другой уменьшается. Вследствие этого вращающий и противодействующий моменты направлены в противоположные стороны. Для статического равновесия будет справедливо соотношение (17). Такие логометры имеют малую стоимость и устойчивы к механическим перегрузкам, но имеют низкую точность. Они применяются главным образом для измерения неэлектрических величин, например уровня топлива, числа оборотов и т. п.

На основе электромагнитных механизмов изготавливаются приборы для измерения токов и напряжений в цепях постоянного и переменного тока промышленной частоты. Они могут быть как щитовыми, так и переносными. Большинство электромагнитных амперметров и вольтметров выпускаются в виде щитовых приборов классов точности 1,5 и 2,5. Некоторые приборы изготавливаются класса точности до 0,2, а в отдельных случаях даже класса 0,1. Щитовые амперметры непосредственного включения (без преобразователей) выпускаются на пределы измерений от 100 мА до 500 А, а вольтметры – от 7,5 до 750 В.

Достоинствамиэлектромагнитных приборов является простота, надежность и сравнительно низкая стоимость.К недостаткамотносятся неравномерность шкалы и сравнительно большая погрешность, зависящая от магнитного гистерезиса материала сердечника, температуры и влияния магнитных полей. Наличие магнитного гистерезиса увеличивает вариацию показаний. Под влиянием температуры изменяются сопротивление и геометрические размеры катушки. Внешнее магнитное поле оказывает значительное влияние на показания. Для защиты от внешнего магнитного поля механизмы экранируют или астазируют.

Экранирование магнитомягким железом увеличивает массу приборов. Чаще используется астазирование, основанное на взаимодействии внешних магнитных полей, приводящем к нулевому суммарному эффекту. При астазировании прибор выполняется по астатической схеме подобно логометру (рис. 8, б). Катушки включаются последовательно, а направление намотки катушек выбрано так, что магнитные потокиФ₁иФ₂катушек, равные по значению, направлены навстречу друг другу. Если такой механизм подвергается воздействию равномерного внешнего магнитного поля, то магнитный потокФскладывается с потокомФ₁ и вычитается из потокаФ₂. В результате суммарный момент, а, следовательно, и показания прибора не изменяются.

Вывод: принцип работы электромагнитных механизмов основан на взаимодействии магнитного поля катушки с током и ферромагнитного сердечника. Они применяются главным образом для измерения неэлектрических величин, например уровня топлива, числа оборотов и т. п. Достоинствами электромагнитных приборов является простота, надежность и сравнительно низкая стоимость. К недостаткам относятся неравномерность шкалы и сравнительно большая погрешность, зависящая от магнитного гистерезиса материала сердечника, температуры и влияния магнитных полей.

Вопрос № 5. Электродинамические механизмы.

Принцип действия электродинамических механизмов заключается во взаимодействии магнитных полей неподвижных и подвижных контуров (катушек) с токами.

Рис. 9. Структура электродинамического механизма (а),

его астатическая схема (б) и условное обозначение (в)

Электродинамические механизмы отличаются от магнитоэлектрических тем, что магнитное поле создается не постоянным магнитом, а током, протекающим по неподвижной катушке (рис. 9, а).

Неподвижная катушка 1состоит из двух секций, разделенных в пространстве, что позволяет разместить ось, на которой крепится подвижная катушка2, и изменить конфигурацию магнитного поля. Для создания противодействующего момента используются спиральные пружины4, через которые подводится ток к подвижной катушке. Момент успокоения создается воздушным успокоителем3. Корректор5обеспечивает установку стрелки на нулевую отметку так же, как и в других механизмах.

При наличии тока в катушках механизма возникают силы, стремящиеся повернуть подвижную катушку 2так, чтобы магнитные потоки подвижных и неподвижных катушек совпали. В простейшем случае, когда используется система из двух катушек с токами, электромагнитная энергия системы:

(22)

где L₁иL₂– индуктивности неподвижной и подвижной катушек соответственно;

М₁,₂– взаимная индуктивность между ними.

Индуктивность катушек и токи в них не зависят от угла поворота, поэтому вращающий момент М_Bв соответствии с формулой (7) равен:

(23)

C учетом того, что противодействующий момент создается спиральными пружинами, в установившемся режиме:

(24)

откуда

(25)

Из анализа формулы (25) можно сделать следующие выводы:

- характер шкалы измерительного механизма зависит от произведения токов и от закона изменения взаимной индуктивности между неподвижными и подвижными катушками, т. е. от формы катушек и их взаимного расположения; меняя зависимость можно обеспечить равномерность шкалы;

- при одновременном изменении направления (знака) токов I₁иI₂не изменяется и направление отклонения стрелки механизма, поэтому электродинамические механизмы пригодны для измерений в цепях постоянного и переменного тока.

Выражение (23) справедливо и для мгновенного значения вращающего момента при включении механизма в цепь переменного тока:

(26)

где i₁, i₂ –мгновенные значения токов в катушках.

Пусть , , где φ –разность фаз междутоками.

Из-за инерционности подвижной части она реагирует на среднее значение момента, которое определяется по формуле:

Так как

,

то

, (27)

где I₁ и I₂ –действующие токи.

Для момента равновесия получим уравнение измерения

. (28)

Из формулы (28) можно сделать вывод, что на переменном токе электродинамический механизм обладает фазочувствительными свойствами, а градуировка шкалы на постоянном токе справедлива и для переменного тока.

Достоинства электродинамических механизмов: возможность измерения тока, мощности, разности фаз между током и напряжением на нагрузке, применение на постоянном и переменном токах.

К недостаткамотносятся: сравнительно небольшая чувствительность, значительное потребление мощности, нелинейность шкалы, влияние температуры, частоты и внешних магнитных полей. Для уменьшения влияния магнитных полей приборы часто выполняются по астатической схеме (рис. 9,б). В этом случае механизм имеет две пары неподвижных и подвижных катушек, которые включены так, что изменение моментов за счет внешних полей у каждой пары катушек противоположно по знаку и взаимно компенсируется, если поле равномерно. Условное обозначение прибора показано на рис. 9,в. В зависимости от соединения катушек электродинамические механизмы используются для измерения тока, напряжения, мощности и разности фаз.

Промышленностью выпускаются щитовые и переносные электродинамические амперметры, вольтметры и ваттметры для использования в цепях постоянного и переменного токов (50 – 3 000 Гц) и фазометры для измерения разности фаз между током и напряжением в нагрузке. Класс точности щитовых приборов обычно не выше 1,5; переносные приборы могут выполняться даже класса точности 0,1. Электродинамические приборы являются одними из точных приборов при измерениях в цепях переменного тока низкой частоты.

Иногда неподвижная катушка размещается на специальном сердечнике с полюсными наконечниками. Такие механизмы называются ферродинамическими и для них справедливы в основном соотношения, полученные для электродинамических механизмов. Вследствие зависимости характеристик магнитной цепи от тока приборы, выполненные на основе ферродинамических механизмов, изготавливаются не выше класса точности 0,5.

Вывод: принцип действия электродинамических механизмов заключается во взаимодействии магнитных полей неподвижных и подвижных контуров (катушек) с токами. Достоинства электродинамических механизмов: возможность измерения тока, мощности, разности фаз между током и напряжением на нагрузке, применение на постоянном и переменном токах. К недостаткам относятся: сравнительно небольшая чувствительность, значительное потребление мощности, нелинейность шкалы, влияние температуры, частоты и внешних магнитных полей.

Вопрос № 6. Электростатические механизмы.

В электростатических измерительных преобразователях и приборах вращающий момент создается в результате взаимодействий двух систем заряженных пластин, одна из которых является неподвижной.

Применяются две конструкции электростатических приборов.

В первой(рис. 10) под действием разности потенциалов подвижные пластины2стремятся втянуться между неподвижными1, при этом изменяется активная площадь взаимодействия пластин (такая конструкция применяется в вольтметрах для измерения низких напряжений – до единиц киловольт). Для увеличения чувствительности при этом применяется световой указатель, зеркальце3которого непосредственно крепится на подвижной части. Растяжки4создают противодействующий момент.

Рис. 10. Устройство (а) и конструкция (б) электростатического измерительного

механизма, применяемого для измерений низких напряжений

Во второй(рис. 12) конструкции разность потенциалов изменяет расстояние между пластинами (эта конструкция применяется в вольтметрах для измерения высоких напряжений – до сотен киловольт – в киловольтметрах).

По существовавшей классификации в названии типа прибора используется буква С(например,С511).

Энергия электростатического поля системы заряженных тел

где С –электрическая емкость между подвижными и неподвижными пластинами;

и –напряжение (разность потенциалов) между ними.

Рис. 11. Устройство электростатического измерительного механизма,

применяемого для измерений высоких напряжений:

1 – магнитоиндукционный успокоитель, 2 – ось, 3 – тяга, 4, 6 – подвижные пластины,

5 – металлическая лента, 7 – алюминиевая лёгкая пластина

Мгновенный вращающий момент будет равен:

Если приложенное напряжение постоянно (u = U), то вращающий момент:

Если u = U_m sin ωt, то мгновенное значение вращающего момента:

(29)

Как видно из выражения (29), мгновенный вращающий момент имеет постоянную и гармоническую составляющие. При этом на частотах свыше 10 Гц подвижная часть измерительного механизма в силу своей инерционности не будет успевать реагировать на изменения напряжения. Вследствие этого угол поворота подвижной части будет определяться средним за период Tзначением вращающего момента:

(30)

где U –действующее значение измеряемого синусоидального напряжения.

Если измеряется напряжение несинусоидальной формы с периодом Т, которое аналитически может быть представлено в виде разложения в ряд Фурье по гармоническим составляющим:

где U_o –постоянная составляющая;

k – номер гармоники;

U_mk – амплитуда k-й гармоники;

ω – начальная фаза k-й гармоники, то, согласно (30), для среднего значения вращающего момента получим следующее выражение:

Здесь U₀, U₁, U₂ ... –постоянная составляющая и действующие значения гармонических составляющих напряжения; U –действующее значение переменного несинусоидального напряжения.

Поскольку противодействующий момент создается упругим элементом, то угол поворота подвижной части (для всех трех рассмотренных видов напряжения):

(31)

Из выражения (31) вытекают следующие положения:

- зависимость угла поворота подвижной части от напряжения нелинейна;

- поворот подвижной части одинаков при постоянном и при переменном напряжении, имеющем действующее значение, равное значению постоянного напряжения;

- показание прибора не зависит от формы кривой измеряемого напряжения.

Линейную зависимость угла поворота α от напряжения получают для значительной части рабочего диапазона показаний, изготавливая подвижные пластины специальной формы.

В этом случае является требуемой функцией α.

Электростатические приборы применяются главным образом в качестве измерителей напряжения –вольтметров. Измеряемое вольтметром напряжение непосредственно подается на измерительный механизм. Схемы включения электростатических вольтметров обладают некоторыми особенностями. У вольтметров с малыми и средними пределами измерения воздушный зазор между пластинами очень мал, поэтому возникает опасность короткого замыкания пластин, а, следовательно, и источника измеряемого напряжения, при случайных ударах, тряске и т. п. Для исключения этого внутрь вольтметра встраивается защитный резистор. В этом случае прибор включается в цепь с помощью зажимов 1 и 2 (рис. 12, здесь C_v – емкость вольтметра). При измерении напряжений повышенной частоты (сотни килогерц и более) во избежание дополнительной погрешности защитный резистор отключается путем включения вольтметра через зажимы 1 и Э (экран).

Рис. 12. Схема подключения электростатического вольтметра

В настоящее время промышленностью выпускаются несколько типов электростатических вольтметров с верхними пределами измерений от 30 В до 75 кВ классов точности 0,5; 1,0; 1,5 для работы в частотном диапазоне до 30 МГц.

К достоинствам электростатических приборов относится в первую очередь очень малое собственное потребление мощности от измеряемой цепи. При измерении постоянного напряжения оно определяется сопротивлением изоляции между входными зажимами вольтметра (порядка 10¹⁰ –10¹⁴ Ом), при измерении переменного напряжения –зависит от емкости измерительного механизма (приблизительно 3 –30 пФ) и частоты измеряемого напряжения. Кроме того, показания электростатических вольтметров не зависят от формы кривой измеряемого напряжения, на них слабое влияние оказывает температура окружающей среды и совершенно не влияют магнитные поля. К достоинствам приборов следует отнести довольно широкий диапазон рабочих частот и возможность изготовления вольтметров для измерения больших напряжений –до сотен киловольт –без применения громоздких, дорогих и потребляющих большую мощность добавочных резисторов и измерительных трансформаторов.

Недостатками электростатических приборов являются малая чувствительность, неравномерность шкалы в пределах только 25 –100 % и сильное влияние внешних электростатических полей, для защиты от которых измерительный механизм помещается в заземляемый металлический экран.

Вывод: в электростатических измерительных преобразователях и приборах вращающий момент создается в результате взаимодействий двух систем заряженных пластин, одна из которых является неподвижной. Электростатические приборы применяются главным образом в качестве измерителей напряжения –вольтметров.

К достоинствам электростатических приборов относится в первую очередь очень малое собственное потребление мощности от измеряемой цепи.

Недостатками электростатических приборов являются малая чувствительность и сильное влияние внешних электростатических полей.

Заключение.

Все электроизмерительные приборы по способу преобразования электромагнитной энергии, связанной с измеряемой величиной, в величину, позволяющую провести отсчет значений измеряемой величины, можно разделить на: электромеханические; электротепловые; электронные; электронно-лучевые.

В электромеханических приборах для перемещения подвижной части прибора используются различные электромагнитные процессы.

В электротепловых приборах для перемещения подвижной части прибора используется тепловое действие электрического тока.

Электронные приборы представляют собой сочетание электронного преобразователя и измерителя (аналогового или цифрового).

Электронно-лучевые приборы используют подводимую энергию электромагнитного поля для перемещения электронного луча в электронной трубке. Это перемещение пропорционально значению измеряемой величины.

В общем виде структурная схема аналогового электроизмерительного прибора непосредственной оценки состоит из: входного устройства; измерительного преобразователя; измерительного механизма; отсчетного устройства.

Электромеханические измерительные механизмы являются основными элементами электроизмерительных приборов прямого действия. Измерительный механизм предназначен для преобразования электрической энергии в механическую энергию перемещения подвижной части (чаще всего угловое) показывающего или регистрирующего устройства. В зависимости от принципа действия различают основные системы измерительных механизмов, лежащих в основе многих измерительных приборов: магнитоэлектрические; электромагнитные; электродинамические; индукционные; электростатические.

Электромеханический измерительный механизм прибора прямого действия состоит из неподвижной, соединенной с корпусом прибора, и подвижной частей. Для защиты механизма используется корпус, на лицевую сторону которого нанесены условные обозначения. Кроме рассмотренных основных частей ЭИМ могут иметь корректоры, арретиры, успокоители различных типов.

Принцип действия магнитоэлектрических механизмов основан на взаимодействии токов, протекающих в одном или нескольких контурах с полями одного или нескольких постоянных магнитов. Подвижными могут быть как контуры с током, так и постоянные магниты (первые получили большее распространение). Для данных механизмов были рассмотрены уравнение измерения (уравнение шкалы), устанавливающее зависимость угла поворота подвижной части от измеряемой величины, конструкция, достоинства и недостатки магнитоэлектрических приборов, в том числе и логометров.

Принцип работы электромагнитных механизмов основан на взаимодействии магнитного поля катушки с током и ферромагнитного сердечника. Они применяются главным образом для измерения неэлектрических величин, например уровня топлива, числа оборотов и т. п. Достоинствами электромагнитных приборов является простота, надежность и сравнительно низкая стоимость. К недостаткам относятся неравномерность шкалы и сравнительно большая погрешность, зависящая от магнитного гистерезиса материала сердечника, температуры и влияния магнитных полей.

Принцип действия электродинамических механизмов заключается во взаимодействии магнитных полей неподвижных и подвижных контуров (катушек) с токами. Достоинства электродинамических механизмов: возможность измерения тока, мощности, разности фаз между током и напряжением на нагрузке, применение на постоянном и переменном токах. К недостаткам относятся: сравнительно небольшая чувствительность, значительное потребление мощности, нелинейность шкалы, влияние температуры, частоты и внешних магнитных полей.

В электростатических измерительных преобразователях и приборах вращающий момент создается в результате взаимодействий двух систем заряженных пластин, одна из которых является неподвижной. Электростатические приборы применяются главным образом в качестве измерителей напряжения –вольтметров.К достоинствам электростатических приборов относится в первую очередь очень малое собственное потребление мощности от измеряемой цепи. Недостатками электростатических приборов являются малая чувствительность и сильное влияние внешних электростатических полей.

Вопросы для самоконтроля.

1. Классификация электроизмерительных приборов по способу преобразования электромагнитной энергии.

2. Назовите основные узлы и принцип работы электроизмерительных механизмов.

3. Обобщённая структурная схема аналогового электроизмерительного прибора.

4. Устройство и принцип действия магнитоэлектрических механизмов.

5. Устройство и принцип действия электромагнитных механизмов.

6. Устройство и принцип действия электродинамических механизмов.

7. Устройство и принцип действия электростатических механизмов.