7. Електромеханічні вимірювальні перетворювачі

Струми і напруги потрібно вимірювати у дуже широко­му діапазоні. Вимірювальні прилади не здатні перекрити цей діапазон. Для розширення діапазону вимірювання за­стосовують вимірювальні перетворювачі. Вимірюваль­ний прилад, що має у своєму складі вимірювальний пере­творювач, перекриває динамічний діапазон у десятки, сотні і навіть тисячі разів більший, ніж вимірювальний прилад без вимірювального перетворювача.

В електромеханічних перетворювачах вимірювана ве­личина (найчастіше напруга чи струм) перетворюється в кутове переміщення рухомої частини приладу. Електроме­ханічні перетворювачі поділяються за принципом дії на такі групи: магнітоелектричні; електромагнітні; електродинамічні (і феродинамічні); електро­статичні; індукційні.

Перетворювачі магнітоелектричної системи застосо­вують для вимірювання постійних струмів і напруг (ампер­метри та вольтметри), опорів (омметри), заряду (гальвано­метри і кулонметри). Магнітоелектричні перетворювачі розрізняють за таким принципом: із зовнішнім магнітом (рис. 1, а) і магнітом всередині рамки (рис. 7.1, б).

Рис. 7.1.

Основними частинами магнітоелектричного приладу є: нерухомий постійний магніт 1 для створення в зазорі од­норідного магнітного поля; котушка 2, що може оберта­тися навколо осі; спіральні пружини 3, призначені для створення моменту протидії та для забезпечення елект­ричного контакту між рухомою котушкою та нерухомою вимірювальною схемою; стрілка 4, яка жорстко зв'язана з рухомою котушкою, та шкала з нанесеними поділками і цифрами.

Принцип дії приладів магнітоелектричної системи ґрун­тується на взаємодії магнітного поля постійного магніту зі струмами у провідниках обмотки рухомої котушки. Згідно із законом Ампера на кожен провідник обмотки довжиною l зі струмом I, що знаходиться в магнітному полі з індукцією В, діє сила, яка визначається за формулою

де α — кут між напрямом струму І та індукції В. Прила­ди магнітоелектричної системи сконструйовані так, що магнітне поле спрямоване радіально до осі обертання, і то­му α=90°.

Кожен виток рухомої котушки складається з двох провідників з протилежним, напрямом струму, тобто на кожен виток діє пара сил однакового значення з проти­лежними напрямами, які створюють обертальний момент відносно осі: М_е=F•D, де D – відстань між протилежни­ми сторонами рамки.

Обертальний момент, що діє на котушку, — це сумар­ний момент усіх її витків:

де с — конструктивна стала, N — кількість витків, М_в — момент одного витка.

Таким чином, момент, що діє на рухому котушку, пря­мо пропорційний струму в провідниках котушки.

Спіральні пружини створюють момент протидії, що прямо пропорційний куту повороту рамки;

Стрілка зупиняється тоді, коли моменти врівноважу­ються, тобто

Кут відхилення стрілки а прямо пропорційний вимірю­ваному струму:

Шкалу проградуйовано у значеннях вимірюваної величини і тому результат вимірювання визначають за показами стрілки.

Вимірювальні прилади магнітоелектричної системи ма­ють лінійну шкалу, високу чутливість, мало споживають енергії, стійкі до дії зовнішніх магнітних полів.

До недоліків цих приладів належить мала здатність до пе­ревантажень, а також те, що приладами цієї системи можна виконувати вимірювання тільки у колах постійного струму.

Магнітоелектричні прилади з перетворювачем. Як уже зазначалося, магнітоелектричні прилади мають висо­ку точність, чутливість і незначне споживання енергії, але вони непридатні для безпосереднього використання у ко­лах змінного струму. Для усунення цього недоліку їх ви­користовують разом з додатковими вимірювальними пере­творювачами змінного струму в постійний. На практиці здебільшого використовуються випрямні та термо­електричні перетворювачі.

Випрямні прилади складаються з випрямного вимірю­вального перетворювача змінного струму в постійний і магнітоелектричного приладу. Випрямні перетворювачі можуть бути однопівперіодні та двопівперіодні.

Принцип дії випрямних перетворювачів ґрунтується на односторонній провідності напівпровідникового діода, завдяки чому змінний струм перетворюється в пульсую­чий струм однієї полярності.

Недоліком випрямних приладів є нелінійність вольт-амперної характеристики діодів, нестабільність цієї ха­рактеристики у часі та залежність її від температури і частоти.

На основі магнітоелектричного приладу з випрямними перетворювачами донедавна випускалися малогабаритні багатофункціональні електромеханічні прилади (тестери), які широко застосовувалися на практиці. Значна кількість таких приладів знаходиться в експлуатації і дотепер. Останнім часом такі прилади витісняються аналогічними за функціями, але більш точними і з більшими функціональними можливостями, цифровими тестерами кишенькового формату.

Прилади електромагнітної системи застосовуються для вимірювання постійних і змінних струмів і напруг, а та­кож для вимірювання частоти і кута зсуву фаз у колах змінного струму.

Рис. 7.2.

Електромагнітний прилад (рис. 7.2.) складається: з ко­тушки 1 із щілиноподібним отвором; феромагнітного осер­дя 2, несиметрично закріпленого на осі; стрілки 3, при­кріпленої до осі; спіральної пружини 4, яка створює мо­мент протидії.

Дія електромагнітного приладу ґрунтується на взаємо­дії магнітного поля котушки з рухомим феромагнітним осердям.

Внаслідок цієї взаємодії осердя втягується в котушку і рухома вісь повертається на деякий кут під дією оберталь­ного моменту, який пропорційний квадрату струму:

Момент протидії пружини прямо пропорційний куту повороту осі, на якій закріплена стрілка і осердя

Стрілка зупиняється, коли моменти врівноважуються: М=М_пр. Тоді кут повороту, на який відхилилася стрілка,

пропорційний квадрату струму, і тому шкала електро­магнітних приладів нерівномірна.

У амперметрів електромагнітної системи котушка виго­товляється з невеликою кількістю витків проводу, що має великий поперечний переріз (для зменшення опору котушки).

У вольтметрів, навпаки, котушка виготовляється з тон­кого проводу 0,08...0,1 мм і має велику кількість витків (2000...10000).

До переваг електромагнітних приладів належать їхня простота, дешевизна, надійність, здатність витримувати короткочасні навантаження, а також придатність для вимірювання в колах змінного й постійного струму.

Недоліками приладів електромагнітної системи є порівняно низька точність, нерівномірність шкали, досить велика споживана потужність, залежність показів від частоти та впливу зовнішніх магнітних полів.

Електродинамічні та феродинамічні перетворювачі і прилади електродинамічної системи, побудовані на їх основі, застосовують для вимірювання потужності, стру­му, напруги у колах постійного та змінного струмів. Крім того, у колах змінного струму електродинамічні прилади застосовують як частотоміри та фазометри.

Електродинамічний прилад складається з таких основних частин (рис.7. 3,а): нерухомої котушки 1, яку вмикають, як правило, послідовно зі споживачем; рухо­мої котушки 2, закріпленої на осі, яку вмикають пара­лельно споживачеві; спіральних пружин 3, які створю­ють момент протидії і за допомогою яких струм подається у рухому котушку; стрілки 4, жорстко скріпленої з рухомою котушкою, та шкали з нанесени­ми поділками і цифрами.

Принцип дії приладів електродинамічної системи ґрун­тується на взаємодії провідників зі струмом I₁ рухомої котушки з магнітним полем, створеним струмом I₂ у неру­хомій котушці.

Рис. 7.3

Ця взаємодія характеризується обертальним моментом, який визначається за формулою

де k_M — конструктивна стала приладу.

Феродинамічний прилад (рис.7.3, б) відрізняється від електродинамічного лише тим, що його нерухомі котушки мають магнітопровід 5 з магнітном'якого матеріалу.

Електродинамічні прилади застосовують найчастіше як ватметри для вимірювання потужності у колах як постійно­го, так і змінного струмів. У такому разі нерухома котушка вмикається послідовно зі споживачем, а рухома — пара­лельно.

Рис. 7.3.

Послідовно з рухомою котушкою вмикається додатковий опір R_дод для зменшення власного споживання енергії і підвищення точності. Струм у рухомій котушці І_U, згідно із законом Ома, прямо пропорційний напрузі на спожива­чеві U:

де R_U, R_дод — опори рухомої котушки і додаткового резистора.

Обертальний момент електродинамічного ватметра М=k_M·k_U·U·I·cosφ=k_M·k_U·P прямо пропорційний ак­тивній потужності, тому шкала електродинамічних ват­метрів рівномірна.

В електродинамічних та феродинамічних ампермет­рах нерухому і рухому котушки з'єднують послідовно. У такому випадку через котушки протікає один і той же струм І₁=І₂=І; cos(φ_I1-φ_I2)=1 і обертальний момент пропорційний квадрату струму: М=k_M·І².

В електродинамічних вольтметрах послідовно з'єдну­ють нерухому і рухому котушки, а також додатковий ре­зистор. Струм у такому послідовному з'єднанні

Обертальний момент пропорційний квадрату напруги

Електродинамічні прилади придатні для роботи як в колах постійного, так і змінного струму. У колах змінного струму електродинамічні прилади мають най­вищу точність порівняно з іншими електромеханічними приладами. Проте на роботу електродинамічних при­ладів сильно впливають зовнішні магнітні поля.

Прилади електростатичної системи застосовують­ся головним чином як вольтметри для вимірювання на­пруг у колах постійного та змінного струму.

Вольтметр електростатичної системи складається з таких основних частин (рис.7.4.): системи нерухомих електродів 1; системи рухомих електродів 2; спіральної пружини 3 для створення моменту протидії та для підведення напруги до рухомих електродів; стрілки 4, закріпленої на осі разом із системою рухомих електродів.

Якщо до рухомих електродів підвести потенціал одного знака, а до нерухомих — іншого, то електроди матимуть заряди протилежних знаків і притягуватимуться один до одного з силою, яка пропорційна заряду електродів:

Рис.7.4

Оскільки заряд прямо пропорційний напрузі, то

де С — ємність між електродами. Сила взаємодії, а також обертальний момент будуть прямо пропорційні квадрату прикладеної до електродів напруги:

Позитивними якостями приладів електростатичної системи є: здатність вимірювати великі напруги безпосередньо без додаткових пристроїв; придатність для вимірювання як постійних, так і змінних напруг; незначна потужність, яку споживають прилади; широкий частотний діапазон вимірювання.

Недоліками цих приладів слід вважати низьку точність та чутливість, а також сильний вплив зовнішніх чинників (вологості, електричних полів).

Індукційні прилади застосовуються здебільшого як лі­чильники електричної енергії.

Індукційний лічильник електричної енергії (рис. 7.5) складається з електромагніту 1 з обмоткою, по якій проходить струм споживача (обмотка струму); електромагні­ту 2 з обмоткою, яка увімкнена паралельно споживачеві (обмотка напруги); постійного магніту 3, призначеного для створення гальмівного моменту; легкого алюмінієвого диску 4, який вільно обертається на осі; механічного ре­дуктора для зменшення частоти обертання диска в задане число разів та механізму відліку.

Рис. 7.5

Принцип дії індукційного лічильника електричної енергії ґрунтується на взаємодії магнітних полів, електро­магнітів зі струмами, наведеними за законом електро­магнітної індукції в алюмінієвому диску.

В результаті такої взаємодії до диска прикладено обер­тальний момент, значення якого пропорційне активній по­тужності споживача:

M=k_M·U·I=k_M·P

де k_м — коефіцієнт пропорційності.

На диск діє також гальмівний момент, який виникає від взаємодії струмів, наведених в диску, з магнітним по­лем постійного магніту. Значення гальмівного моменту прямо пропорційне частоті обертання диска:

M_ПР=k_ПР· n

де k_пр — коефіцієнт пропорційності.

Коли настане рівновага моментів, тобто

М=М_пр

частота обертання диска буде прямо пропорційна активній потужності споживання:

Кількість обертів N за проміжок часу Δt буде прямо пропорційна електричній енергії W, яку споживає спожи­вач за час Δt:

W=k_W·N

Крім однофазних лічильників, випускаються також трифазні лічильники для вимірювання витрат електрич­ної енергії в трифазних енергетичних системах.

До переваг електромеханічних лічильників енергії слід віднести їх простоту, здатність до перевантажень, а також здатність зберігати покази під час вимикання живлення.

Недоліками індукційних лічильників є невисока точ­ність, залежність показів від температури та частоти. Останнім часом інтенсивно розробляються і впроваджуються електронні та цифрові лічильники енергії.