- •Приборы магнитоэлектрической системы
- •Принцип действия и устройство
- •Противодействующий момент, создаваемый пружинками 5 и 5, прямо пропорционален углу закручивания пружин :
- •Измерительные приборы выпрямительной и термоэлектрической систем
- •Расширение пределов измерений
- •Приборы электромагнитной системы
- •Принцип действия и устройство
- •Защита от внешних магнитных полей
- •Приборы электродинамической системы
- •Принцип действия и устройство
- •Электродинамический амперметр
- •Электродинамический вольтметр
- •Электродинамический ваттметр
- •Электродинамический фазометр
- •Приборы ферродинамической системы
- •Библиографический список
- •Условное обозначение принципа действия (системы) прибора
- •Условные обозначения на шкалах электроизмерительных приборов
- •Содержание
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Петербургский государственный университет путей сообщения» (ПГУПС)
Кафедра «Электромеханические комплексы и системы»
Электроизмерительные приборы
Методические указания
для студентов заочной формы обучения
Санкт-Петербург
2009
-
Общие сведения
Измерение – это нахождение размера физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств, в частности с помощью электроизмерительных приборов.
Электроизмерительный прибор – это средство электрических измерений, которое вырабатывает сигнал измерительной информации.
Электроизмерительные приборы, показания которых являются непрерывными функциями измеряемых величин, называются аналоговыми приборами в отличие от цифровых приборов, вырабатывающих дискретные сигналы измерительной информации.
По методам измерения различают приборы непосредственной оценки и приборы сравнения, в которых измеряемая величина сравнивается с размером известной величины (измерительные мосты, компенсаторы).
Основными характеристиками электроизмерительных приборов являются следующие.
Диапазон измерений – область значений измеряемой величины X, для которой нормированы допустимые погрешности. Эта область ограничена пределами измерений, то есть наибольшим и наименьшим значениями диапазона измерений.
Чувствительность S аналогового прибора к измеряемой величине X – это производная от перемещения указателя по измеряемой величине. Для приборов с угловым перемещением указателя где угол отклонения указателя. Если функция F(x) = const, то прибор имеет равномерную шкалу, в противном случае шкала неравномерная. Данное определение не распространяется на интегрирующие приборы (счетчики).
Чувствительность не следует смешивать с порогом чувствительности, под которым понимают наименьшее изменение входной величины X, способное вызвать заметное изменение показания прибора.
Потребляемая мощность характеризует экономические возможности прибора: чем меньше потребляемая мощность, тем выше качество прибора, т.к. потребляемая мощность может нарушить режим исследуемой цепи, и это приведет к погрешности измерения.
Погрешность измерения – это качество измерения, характеризующее отклонение результата измерения от действительного значения измеряемой величины. Погрешности измерения по форме нормирования классифицируются на абсолютную, относительную и приведенную.
Абсолютная погрешность измерения определяется как разность результата измерения Х и действительного значения измеряемой величины Х0, то есть = Х – Х0. Абсолютная погрешность имеет размерность измеряемой величины.
Относительная погрешность это отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины. С учетом того, что Х Х0 можно сказать, что
Приведенная погрешность это отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению XN измеряемой величины (для большинства приборов нормирующее значение – это предел измерения):
Если Хmin = 0, то
В паспорте измерительного прибора приводится значение приведенной погрешности, выраженное в процентах. Это значение округляется до одного из чисел: 4.0; 2.5; 1.5; 1.0; 0.5; 0.2; 0.1; 0.05 – и называется классом точности прибора. Класс точности определяет допустимые пределы основной погрешности.
Основным узлом электроизмерительного прибора является электроизмерительный механизм, который состоит из подвижной и неподвижной частей, взаимодействующих между собой в процессе измерения. В результате этого взаимодействия подвижная часть поворачивается относительно подвижной, причем угол поворота находится в функциональной зависимости от измеряемой величины.
Принцип действия измерительных механизмов различных типов основан на использовании взаимодействия магнитного поля с током в катушке, магнитных полей двух катушек, обтекаемых токами, а также воздействия магнитного поля катушки на подвижной элемент из ферромагнитного материала.
В электроизмерительных приборах непосредственной оценки (прямого отсчета) кроме измерительного механизма имеются электрические цепи, содержащие катушки, резисторы, конденсаторы и т.п.
В результате взаимодействия подвижной и неподвижной частей измерительного механизма возникает вращающий момент Мвр, который должен быть уравновешен для того, чтобы подвижная часть вместе со стрелочным указателем занимала определенное положение, соответствующее значению измеряемой величины.
В большинстве случаев противодействующий момент Мпр создается механическими элементами (пружинами, растяжками). Значение этого момента прямо пропорционально углу закручивания пружины. Установившемуся отклонению соответствует равенство моментов: Мвр = Мпр.
Для устранения колебаний подвижной части механизма после нарушения равновесия моментов из-за изменения измеряемой величины электроизмерительные приборы снабжаются успокоителями (демпферами).
-
Приборы магнитоэлектрической системы
-
Принцип действия и устройство
-
Принцип действия магнитоэлектрических приборов основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и рамки с током. В воздушном зазоре 1 (рис.1) между неподвижным стальным цилиндром 2 и полюсными наконечниками N–S неподвижного постоянного магнита расположена алюминиевая рамка с обмоткой 3, состоящей из w витков изолированной проволоки.
Р
Рис.
1
В результате взаимодействия магнитного поля с током рамки создается вращающий момент, и рамка вместе со стрелкой поворачивается на угол . Электромагнитная сила, действующая на проводники с током, согласно закону Ампера равна Fэм = wBIl. Вращающий момент
М
(1)
где d и l – соответственно ширина и длина рамки; С1 – постоянный коэффициент, зависящий от размера и числа витков обмотки, а также магнитной индукции В = const.
Противодействующий момент, создаваемый пружинками 5 и 5, прямо пропорционален углу закручивания пружин :
М
(2)
где С2 – постоянный коэффициент, зависящий от жесткости пружинок.
Стрелка устанавливается на определенном делении шкалы при равенстве моментов Мвр = Мпр, то есть когда C1I = C2. Угол поворота стрелки
(3)
где С = С1/С2 – постоянный коэффициент.
Как видно из равенства 3, угол поворота прямо пропорционален току, то есть шкала равномерная, что является достоинством приборов магнитоэлектрической системы.
Если такой прибор включить непосредственно в цепь переменного тока, то стрелка прибора останется на нулевой отметке, поскольку рассматриваемый измерительный механизм измеряет среднее за период значение тока, а оно при синусоидальном законе изменения равно нулю. Очевидно, и среднее значение вращающего момента Мвр тоже будет равно нулю.
Успокоение подвижной части прибора достигается тормозящим действием вихревых токов, наводимых в алюминиевой рамке при перемещении ее в магнитном поле постоянного магнита (рис.1). Алюминиевая рамка относится к классу успокоителей (демпферов) магнитоиндукционного типа.
-
Измерительные приборы выпрямительной и термоэлектрической систем
Приборы магнитоэлектрической системы находят также применение при измерениях в цепях переменного тока. При этом в цепь подвижной катушки включают преобразователь переменного тока в постоянный или пульсирующий.
Наибольшее распространение получили приборы выпрямительной и термоэлектрической систем.
Рис. 2
На рис. 2а показана принципиальная схема для измерения переменного тока прибором выпрямительной системы. Измерительный прибор А включен в диагональ АВ моста, в которой возникает пульсирующий ток, среднее значение которого Iср = 2/Im = 0,637Im (Im – амплитуда измеряемого синусоидального тока). Чтобы отградуировать шкалу для действующих значений I синусоидального тока (), необходимо учитывать коэффициент формы синусоидального тока I/Iср = 1,11. Так, например, в комбинированных приборах – ампервольтметрах (авометрах) предусматриваются две шкалы для измерения токов и напряжений: средних и действующих значений.
В приборах термоэлектрической системы (рис. 2б) в качестве преобразователя используется термопара 1. Рабочие концы термопары, образующие горячий спай, нагреваются измеряемым током проволочного нагревательного элемента 3. Количество теплоты Q, выделяемое в нагревателе, пропорционально квадрату действующего значения тока, а температура спая находится в прямой зависимости от Q. Поэтому отклонение стрелки измерительного прибора, пропорциональное ЭДС термопары, также находится в прямой зависимости от квадрата действующего значения тока.
Достоинства приборов с магнитоэлектрическим измерительным механизмом: точность измерения; малая чувствительность к посторонним магнитным полям; равномерность шкалы; незначительное потребление мощности.
Недостатком этих приборов является чувствительность к перегрузкам, поскольку тонкие токоподводящие пружинки 5 (рис.1) из фосфористой бронзы при перегрузках нагреваются и изменяют свои упругие свойства.