Метрологическое обеспечение и стандартизация измерений напряжения и тока (стр. 2 из 6)
Недостатки: сравнительная сложность изготовления и ремонта; недопустимость даже кратковременных перегрузок (обычно деформируются или перегорают токоподводящие пружинки, нити растяжек и подвесов); непригодность для измерения переменного тока; высокая стоимость.
Магнитоэлектрические приборы применяются в качестве амперметров, вольтметров и гальванометров для измерений в цепях постоянного тока, а в сочетании с преобразователями переменного тока в постоянный — и для измерений в цепях переменного тока.
Амперметры. Обмотка подвижной катушки состоит из витков тонкого провода, поэтому магнитоэлектрический прибор можно применять непосредственно только в качестве микро- или миллиамперметра и милливольтметра.
Магнитоэлектрические измерители при непосредственном включении в электрические цепи могут быть применены лишь в качестве микроамперметров постоянного тока. Для измерения больших постоянных токов параллельно зажимам прибора присоединяется электрический шунт, представляющий собой прямоугольную манганиновую пластину. Для измерения токов выше 50А применяют наружные шунты. Переносные приборы снабжаются внутренними многопредельными шунтами или наружными магазинами шунтов на несколько номинальных токов. Выбор шунта для данного прибора зависит от заданного расширения пределов измерения и внутреннего сопротивления прибора (сопротивления его катушки). Погрешность шунтированного амперметра возрастает вследствие неточности изготовления шунтов (от 0,005 до 0,5%) и разных температурных коэффициентов сопротивления катушки и шунта.
Вольтметры. При параллельном подключении магнитоэлектрического прибора к участку электрической цепи можно измерить напряжение, причём магнитоэлектрические измерители могут использоваться лишь в качестве милливольтметров постоянного тока.
Гальванометры. Особо чувствительные магнитоэлектрические приборы для измерения токов, напряжений и количества электричества называются гальванометрами. Класс точности гальванометрам не присваивается. Гальванометры часто используют в качестве нулевых индикаторов, показывающих отсутствие тока в цепи. Для этого выпускаются гальванометры с двусторонней шкалой, т.е. с нулевой отметкой посередине.
Гальванометры разделяются на переносные и стационарные. Подвижная катушка у переносных гальванометров крепится на растяжках; внутреннее отсчетное устройство снабжено оптическим указателем. Стационарные (зеркальные) гальванометры выполняют с подвесом рамки (катушки) и внешней шкалой, на которую падает луч света, отраженный от зеркальца (см. рис. 1.1в).
Электромагнитные измерительные приборы с подвижным магнитом также основаны на магнитоэлектрическом принципе. Они могут быть использованы для измерений на постоянном токе, а с дополнительными преобразователями — и на переменном токе.
Узел для создания вращающего момента (рис. 1.5, а) состоит из плоской или круглой катушки, по которой протекает измеряемый ток, и сердечника, закрепленного на оси указателя.
Рис. 1.5. Электромагнитный прибор
1, 4 — плоская и круглая неподвижные катушки; 2- ферромагнитный подвижный сердечник; 3 - ось
Принцип действия приборов электромагнитной системы заключается во взаимодействии магнитного поля катушки с подвижным ферромагнитным сердечником.
В приборах с плоской катушкой внутри катушки возбуждения находится эксцентрично закрепленная подвижная ферромагнитная пластина, ось поворота которой расположена перпендикулярно оси катушки возбуждения. При протекании электрического тока пластинка под воздействием электромагнитного поля перемещается в катушке, то есть поворачивается вокруг своей оси.
В приборе с круглой катушкой внутри катушки возбуждения находятся неподвижная и подвижная ферромагнитные пластинки, причем ось поворота последней параллельна оси катушки. При протекании электрического тока пластинки намагничиваются в одинаковом направлении и, следовательно, отталкиваются друг от друга. При этом подвижная пластинка поворачивается в направлении меньшей ширины неподвижной пластинки.
Достоинства электромагнитных приборов — простота конструкции и надежность, применимость на постоянном и переменном (в том числе несинусоидальном) токе; надежность; большая перегрузочная способность, возможность непосредственного измерения больших токов и напряжений.
Недостатки: малая чувствительность; значительное потребление мощности от измеряемой цепи (до 1 Вт); нелинейность шкалы: в начале сжата, в конце растянута; значительная погрешность; много влияющих величин: температура окружающей среды, внешнее магнитное поле, частота измеряемого переменного тока, узкий частотный диапазон.
Электромагнитные приборы благодаря простоте, дешевизне и надежности широко применяются для измерения токов и напряжений в сильноточных цепях постоянного и переменного тока промышленной частоты (50 и 400 Гц). Большинство электромагнитных амперметров и вольтметров выпускаются в виде щитовых приборов различных размеров класса 1,5 и 2,5. Имеются приборы класса 1,5 и 1,0 для работы на дискретных частотах 50, 200, 800, 1000 и 1500 Гц.
Амперметры. Катушку амперметра изготовляют из медного провода, рассчитанного на номинальное значение тока, например 5 А. Число витков определяют из условия полного отклонения указателя амперметра при номинальном токе.
Щитовые амперметры непосредственного включения выпускают со шкалами от 100 мА до 500 А. Для расширения пределов измерения переменного тока применяют измерительные трансформаторы тока. Они различаются классами точности (от 0,05 до 1,0), значением нормированного номинального сопротивления нагрузки в цепи вторичной обмотки (от 0,2 до 2,0 Ом). Основная рабочая частота 50 Гц, но есть трансформаторы на 400 и 1000 Гц.
Первичная обмотка трансформатора тока содержит малое число витков и включается последовательно в разрыв цепи.
Вольтметры. Катушку вольтметра изготовляют из большого числа витков тонкого медного провода, достаточного для полного отклонения указателя при данном значении тока.
Щитовые вольтметры непосредственного включения выпускают со шкалами от 7,5 до 250 В и добавочными сопротивлениями— на 450, 600 и 750 В; класс точности 1,5. Для измерения более высоких напряжений, вплоть до 15 кВ, применяют измерительные трансформаторы напряжения.
1.4 Электродинамические приборы
Электродинамические измерительные приборы основаны на принципе взаимодействия токов. Они могут применяться для измерений, как на переменном, так и на постоянном токе.
Электродинамический измерительный прибор с замкнутой магнитной цепью работает как прибор магнитоэлектрической системы, но с той разницей, что вместо постоянного магнита используется электромагнит.
В электродинамическом измерительном приборе без ферромагнитного сердечника полностью отсутствуют ферромагнитные элементы. При возбуждении магнитного ноля принцип действия прибора такой же, как у прибора с: замкнутой магнитной цепью.
Принцип действия основан на взаимодействии магнитных полей подвижной и неподвижной катушек с токами (рис. 1.6).
Рис.1.6. Электродинамический прибор
1 – неподвижная катушка, 2 – подвижная катушка
Достоинства: возможность перемножать измеряемые величины, т.е, измерять мощность; малая погрешность, так как в механизме нет железа; применимость в цепях постоянного и переменного (в том числе несинусоидального) тока; высокая точность; фазочувствительность.
Недостатки: малая чувствительность; низкая перегрузочная способность; большое потребление энергии; сложность конструкции; нелинейность шкалы; влияние температуры, частоты и внешнего магнитного поля.
Для уменьшения влияния магнитных полей электродинамические приборы часто изготовляют астатическими.
Промышленность выпускает много щитовых и переносных амперметров, вольтметров и ваттметров электродинамической системы для применения в цепях постоянного и переменного тока с частотой 50, 400, 1000, 2000 и 3000 Гц. Класс точности щитовых приборов 1,5; переносных — 0,2; 0,5 и 1,0.
Амперметры. Для измерения силы тока обе катушки соединяют параллельно или последовательно (рис. 1.7, а).
Рис. 1.7. Соединение катушек электродинамического прибора для работы его в качестве: а — амперметра; б — вольтметра; в — ваттметра
Щитовые амперметры непосредственного включения выпускают с пределами измерения от 1 до 200 А. Расширение пределов (до 6 кА) осуществляется при помощи измерительных трансформаторов тока. Переносные амперметры имеют шкалы от 5 мА до 10 А.
Вольтметры. Для измерения напряжения обе катушки соединяют последовательно (рис. 1.7, б).
Щитовые вольтметры непосредственного включения выпускаются со шкалами до 450 В, переносные — от 7,5 до 600 В. Для расширения пределов измерения вплоть до 30 кВ применяют измерительные трансформаторы напряжения.
Ферродинамические приборы являются разновидностью электродинамических с тем отличием, что неподвижные катушки заключены в сердечнике из ферромагнитного материала. Такая конструкция обеспечивает значительное увеличение вращающего момента и хорошую защиту от внешних магнитных полей. Однако наличие сердечника приводит к увеличению погрешности прибора.
1.5 Электростатические приборы
Электростатические измерительные приборы могут быть использованы для измерений, как на постоянном, так и на переменном токе. Измерительный прибор состоит из конденсатора, электроды которого закреплены так, что имеется возможность, прикладывая электрическое напряжение, получать механическое усилие, действующее в направлении увеличения емкости. Изменение емкости может осуществляться путем изменения либо эффективной площади электродов, либо расстояния между электродами.