Электродинамические и ферродинамические измерительные приборы


СОДЕРЖАНИЕ:

Электродинамические и ферродинамические измерительные приборы

9. Электродинамические и ферродинамические амперметры и вольтметры. Подобно тепловым и электромагнитным приборам, электродинамические приборы одинаково пригодны для измерений как постоянного, так и переменного тока. Принцип действия этих приборов основан на электродинамическом действии, то есть на взаимном действии двух токов друг на друга.

Относительно взаимодействия двух электрических токов существуют следующие правила (1):

Два проводника электрического тока взаимно притягиваются, когда они параллельны между собою и токи, протекающие по ним, направлены в одну и ту же сторону.

Два проводника электрического тока взаимно отталкиваются, когда они параллельны между собою, но при этом токи, протекающие по ним, направлены в прямо противоположные стороны.

Если два проводника, по которым протекают электрические токи, не параллельны между собою, но сходятся под каким-нибудь углом, следовательно пересекаются, то для таких пересекающихся проводников тока Ампер пришел к следующим двум положениям:

1) Два прямолинейных пересекающихся проводника электрического тока взаимно притягиваются, когда в них токи направлены к вершине или от вершины угла, образуемого их направлениями.

2) Два прямолинейных пересекающихся проводника электрического тока взаимно отталкиваются, когда в одном из них ток направлен к вершине, а в другом из них ток направлен от вершины угла, образуемого их направлениями.

Эти два положения относительно пересекающихся проводников тока могут быть формулированы следующим образом:

Два прямолинейных пересекающихся проводника электрического тока стремятся установиться параллельно друг другу, и притом так, что направления токов получаются одинаковые.

Взаимное действие двух токов друг на друга было в свое время использовано фирмой Сименс и Гальске при устройстве электродинамометра, который долгое время считался очень удобным прибором для измерений в цепях переменного тока.

В современных технических приборах, построенных на том же принципе, что электродинамометр Сименса, основной частью прибора (рис. 32) являются неподвижная катушка А и подвижная катушка В, на оси вращения которой укреплена указательная стрелка прибора.

Если прибор служит амперметром, то неподвижная обмотка выполняется из толстой проволоки и пропускает весь ток цепи, подвижная же обмотка представляет собою легкую катушку, выполненную из витков тонкой проволоки и присоединенную к шунту, почему по ней проходит лишь определенная часть измеряемого тока, как это можно видеть из рис. 33, на котором обозначают: А — неподвижная катушка, В — подвижная катушка, С — шунт, D — зажимы для присоединения прибора, R — безиндукционное сопротивление, которое часто вводится последовательно с катушкой В.

Если прибор служит вольтметром, то неподвижная обмотка выполняется также из тонкой проволоки, при чем все части прибора соединяются, как указано на рис. 34, на котором буквенные обозначения такие же, как и на предыдущем рисунке.

Шкала прибора, устроенного по типу рис. 32, не пропорциональна. Особой конструкцией и взаимным расположением подвижной и неподвижной катушек в настоящее время достигают пропорциональности шкалы, при чем деления последней в начале очень скученны и уже затем шкала становится равномерной. Приборы рассмотренного типа отличаются магнитобоязнью. Для изолирования от внешних магнитных влияний их необходимо заключать в железные кожухи. Для устранения периодичности в приборах применяются успокоители (воздушные). Особенностью приборов является то обстоятельство, что будучи проградуированы для постоянного тока, они без всяких поправок к шкале могут быть использованы и для измерений в переменных токах.

На показания приборов оказывает влияние окружающая температура. Этот фактор имеет особенное значение для амперметров с шунтом, так как с изменением температуры меняется соотношение сопротивлений шунта и шунтированной им тонкой катушки. Впрочем, фирме Сименс и Гальске удалось сконструировать бесшунтовый амперметр со шкалой до 200 ампер, в котором изменение величины сопротивлений различных токопроводящих частей прибора оказалось незначительным.

Показания амперметров, не снабженных шунтами, не зависят от частоты переменного тока, применяемой в технике сильных токов. С вольтметром, катушки которого обладают более значительной самоиндукцией, дело обстоит уже хуже. Впрочем и здесь, применяя последовательно с катушками достаточной величины безиндукционное сопротивление, можно достичь независимости показаний от перемены частоты. Для более высоких частот прибор уже будет менее пригоден.

О потреблении энергии в электродинамических приборах можно судить по следующим данным.

Пример. Электродинамический амперметр со шкалой на 5 ампер имеет сопротивление в 0,2 ома. При полном отклонении стрелки прибора потеря напряжения в нем составляет

Расход мощности при этом равен Р = 1.5 = 5 ваттам.

Пример. Электродинамический вольтметр со шкалою до 130 вольт имеет сопротивление 2200 омов. Расход тока в этом приборе при напряжении сети в 110 вольт определяется из формулы

и расход мощности p = E * i = 110 * 0,05 = 5,5 ватта.

На основании изложенного выше, можно указать следующие достоинства и недостатки электродинамических приборов:

достоинства — пропорциональность шкалы, пригодность для постоянного и переменного тока; апериодичность;

недостатки — магнитобоязнь, зависимость показаний от окружающей температуры, вследствие изменения сопротивления катушек; зависимость от частоты переменного тока, сравнительно высокая стоимость.

Разновидностью динамоэлектрических приборов являются динамические ферромагнитные приборы, у которых для создания катушками более сильных магнитных полей и, следовательно, для усиления действия неподвижной катушки на подвижную применено железо. На рис. 35 мы видим неподвижную катушку А, окруженную цилиндром С, изготовленным из листового железа и подвижную катушку В, снабженную сердечником, также изготовленным из листового железа (для уменьшения токов Фуко). Такие приборы уже не страдают магнитобоязнью, так как железный цилиндр С служит для них хорошим экраном.

Они, кроме того, солиднее, прочнее и менее подвержены механическим повреждениям. Отдельные детали такого прибора, выполненного фирмой Всеобщая Компания Электричества, показаны на рис. 36, а именно: 1 — стрелка-указатель, 2 — верхняя пружина, 3 — крыло успокоителя, 4 — крепительный винт, 5 — железный цилиндр, соответствующий цилиндру С рисунка 35, 6 — подвижная катушка, 7 — нижняя пружина, 8 — верхний подшипник, 9 — пластинка-рычажок для установки стрелки на нуль, 10 — камера, в которой движется крыло 3 успокоителя, 11 — изоляция, 12 — железный сердечник, 13 — неподвижная катушка, 14 — нижний подшипник.

1) См. A. Hоlzt. «Электрический ток, его законы и действия», глава V. Издание Московского Акционерного Издательского Общества.

Приборы электродинамической и ферродинамической системы

Дата добавления: 2015-08-31 ; просмотров: 2756 ; Нарушение авторских прав

Принцип работы приборов этой системы основан на взаимодействии проводников, по которым проходят токи: два проводника с одинаково направленными токами взаимно притягиваются, с противоположно направленными токами — взаимно отталкиваются.

Рисунок 57. Устройство электроизмерительного прибора электродинамической системы

Измерительный механизм приборов электродинамической системы состоит из неподвижной катушки 1 и подвижной катушки 2 (рис. 57).

Для создания противодействующего момента служат спиральные пружины 3, которые вместе с тем используются для подвода тока в подвижную катушку. Подвижная катушка под действием электродинамических сил стремится занять такое положение, чтобы направление ее магнитного поля совпало с направлением поля неподвижной катушки. На оси подвижной катушки укреплены стрелки и поршень воздушного успокоителя.

При перемещении подвижной части прибора изменяется взаимная индуктивность М двух катушек и энергия магнитного поля. В цепи постоянного тока если токи неподвижной и подвижной катушек неизменны по величине, то изменение энергии происходит только за счет составляющей:

Вращающий момент механизма в этом случае определяется:

Равновесие подвижной катушки наступает при равенстве

Отклонение стрелки прибора найдем из формулы (5.10):

Из выражения (5.11) видно, что угол отклонения пропорционален произведению токов в катушках и производной взаимной индуктивности по .

В цепи переменного тока вращающий момент в любой момент времени пропорционален произведению мгновенных значений токов:

Показание прибора в этом случае определяется средним значением момента за период:

где: и — действующие значения синусоидальных токов в катушках.

Угол отклонения стрелки прибора, работающего на переменном токе:

Обычно конструктивными методами получают:

т.е. угол отклонения подвижной части прибора пропорционален произведению действующих значений токов в катушках на косинус угла сдвига между ними. Это свойство электродинамических приборов позволяет применять их не только для измерения напряжения тока, но и в качестве ваттметров для измерения мощности.

К достоинствам приборов электродинамической системы относят:

1. точность измерений (обусловленная отсутствием стальных сердечников);

2. возможность измерения в цепях постоянного и переменного тока.

К недостаткам приборов электродинамической системы относят:

1. чувствительность к перегрузкам;

2. влияние внешних магнитных полей на точность измерений.

В практике получили распространение переносные электродинамические амперметры, вольтметры, ваттметры и фазометры, которые имеют класс точности 0,1; 0,2; 0,5 и являются одними из самых точных среди приборов на переменном токе.

Особой разновидностью электродинамических приборов являются приборы ферродинамической системы, принцип действия которых такой же, как и приборов электродинамической системы, но магнитное поле неподвижной катушки значительно усилено за счет введения в него магнитопровода (сердечника), выполненного из листовой электротехнической стали. Имеется несколько конструктивных разновидностей ферродинамических приборов, схема одной из них приведена на рис. 58.

На ферромагнитном сердечнике 1 располагается неподвижная катушка 2, а подвижная катушка 3 перемещается в зазоре, образованном полюсами основного магнитопровода 1 и ферромагнитного цилиндрического сердечника 4. Наличие сердечников усиливает магнитные поля катушек и вызывает увеличение вращающего момента. Это значительно повышает чувствительность прибора и уменьшает собственное потребление энергии. Вместе с этим нелинейность магнитных характеристик магнитопроводов стали приводит к снижению точности прибора и к появлению существенной зависимости показаний от частоты.

Приборы ферродинамической системы применяются главным образом в качестве щитовых ваттметров (класс точности 1,5) длятехнических измерений мощности в цепях переменного тока в диапазоне частот от 10 до 1500 Гц.

Рисунок 58. Устройство электроизмерительного прибора ферродинамической системы

Электротехнический-портал.рф

. для студентов ВУЗов электротехнических специальностей и инженеров

2.5. Ферродинамичесике измерительные приборы

В ферродинамических механизмах не подвижная катушка имеет стальной магнитопровод. Сильно возрастает магнитный поток катушки и вращающий момент, который возникает в результате взаимодействия тока подвижной катушки и потока, создаваемого неподвижными катушками. Если магнитное поле в воздушном зазоре радиально, то для определения мгновенного значения вращающего момента справедливо уравнение

Но из-за своей инерции подвижная часть механизма реагирует не на мгновенное, а на среднее значение, которое запишем уравнением

Каждый электрик должен знать:  Типовая номенклатура ремонтных работ. Электрические аппараты и комплектные устройства низкого

Если противодействующий момент создается при помощи упругих элементов, то при статическом равновесии угол поворота определяют по уравнению

где К — конструктивный коэффициент.

Ферродинамические механизмы неприхотливы к вибрации и тряске; имеют собственное сильное магнитное поле и на них мало влияют внешние поля. К недостаткам относится относительно малая точность.

Ферродинамические приборы используются в качестве стационарных (класс точности 1,5; 2,5) и служат для измерений в цепях переменного тока с частотой 10 Гц – 1,5 кГц. Однако надо отметить, что применение пермаллоя для сердечников и высокая культура технологии позволяют создавать переносные приборы этой системы (класс точности 0,5), предназначенные для измерения в цепях переменного и постоянного тока.

Электродинамические и ферродинамические приборы

Работа приборов основана на взаимодействии магнитных потоков неподвижной и подвижной катушек при протекании в них тока.

Неподвижная катушка 1 обычно состоит из двух секций, разделённых воздушным зазором, и изготавливается из медного провода, намотанного на пластмассовый каркас. Подвижная катушка 2 выполняется бескаркасной из медного или алюминиевого провода. Для подключения подвижной катушки в цепь измеряемого тока используют пружинки 3 или растяжки. На оси 5 крепятся стрелочный указатель 4 и крыло воздушного успокоителя.

В магнитном поле двух катушек (индексы 1 и 2), через обмотки которых протекает ток (соответственно и ) накапливается электромагнитная энергия:

где и — индуктивности катушек, — взаимоиндуктивность катушек.

Взаимодействие магнитных потоков и , вызванных потоками и , приводит к возникновению вращающего момента

т.к. индуктивности и не зависят от угла поворота .

Для режима установившегося отклонения подвижной части с учетом выражения и , можно записать

Из уравнения (14) следует, что при одновременном изменении направлений тока знак угла отклонения не меняется, поэтому электродинамические приборы могут применяться как в цепях постоянного, так и переменного токов; шкалы приборов неравномерные, однако, изменяя формы катушек и их взаимное расположение, можно варьировать величину , т.е. организовать практически равномерную шкалу.

При протекании по катушкам переменных токов (мгновенные значения и ) мгновенный вращающий момент

Из-за своей инерции подвижная часть реагирует на среднее значение момента

где — сдвиг фаз между токами и ; — действующее значение силы тока в катушках; — амплитудные значения силы токов.

Следовательно, для приборов, используемых в цепях переменного тока

Достоинствами электродинамических приборов являются: высокая точность (класс точности до 0,05), возможность использования в цепях постоянного и переменного тока.

К недостаткам относятся: меньшая по сравнению с магнитоэлектрическими приборами чувствительность, ощутимое влияние внешних магнитных полей (требуется металлический экран), сравнительно большое потребление энергии.

Ферродинамический измерительный механизм отличается от электродинамического тем, что его неподвижные катушки имеют магнитопровод из мягкого листового материала, позволяющий существенно увеличивать магнитный поток, а следовательно и вращающий момент.

Недостатки ферромагнитного механизма: погрешность, вызванная влиянием сердечника на нелинейность кривой намагничивания; от гистерезиса при работе на постоянном токе.

Достоинства: мало подвержены влиянию внешних магнитных полей, т.к. имеют достаточно сильные собственные поля.

На базе электродинамических приборов выпускаются амперметры, вольтметры, ваттметры, частотомеры и фазометры.

У амперметров данного типа при измерении силы тока до 0,5 А подвижная и неподвижная катушки соединены последовательно, а при измерении больших сил тока для исключения перегрева катушек – параллельно.

В многопредельных вольтметрах последовательно с измерительным механизмом включается секционированный добавочный делитель.

Неподвижная катушка ваттметра образует его токовую обмотку и подключается последовательно с его нагрузкой , подвижная образует обмотку напряжения и подключается параллельно . Т.к. направление отклонения подвижной части зависит от взаимных направлений токов в катушках, то для обеспечения правильности подключения прибора в цепь один из зажимов каждой обмотки имеет обозначение * (генераторный зажим).

В этом случае применяется логометрический механизм.

Параметры подвижной катушки подбирают так, чтобы фазовый сдвиг между током и напряжением был равен 90°.

Подбором параметров цепи неподвижной катушки , подвижной катушки и элементов добиваются резонанса напряжения в этой цепи при частоте

равной среднему значению диапазона измерений частотомера.


Также используется логометрический механизм. Если , а фазовый сдвиг между токами и равен углу между подвижными катушками логометрического механизма, то угол отклонения подвижной части прибора равен фазовому сдвигу между током и напряжением в нагрузке . Следовательно, шкала фазометра может быть градуирована в значениях угла или .

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Приборы ферродинамической системы — файл n1.rtf

Доступные файлы (1):

n1.rtf 359kb. 18.02.2014 22:52 скачать

n1.rtf

Приборы ферродинамической системы.

Вращающий момент возникает в результате взаимодействия подвижной

катушки с током и магнитного поля, создаваемого неподвижной катушкой.

Ферродинамические измерительные механизмы отличаются от

электродинамических тем, что у них неподвижная катушка расположена в

сердечнике из ферромагнитного материала.

Это приводит к значительному увеличению Мвр и уменьшению влияния

внешних магнитных полей. Однако наличие нелинейного элемента снижает

Две половины неподвижной катушки А1 и А2 расположены на стержнях

магнитопровода. Подвижная катушка без металлического каркаса укреплена на

– подвижная катушка 1;

– А1,А2 – половины неподвижной катушки;

– магнитопровод, набранный из листов электротехнической стали, 2;

– неподвижный ферромагнитный цилиндр 3.

3.Вывод уравнения шкалы

1.При включении прибора в цепь, ток Iн, протекающий по неподвижной

катушке, создает в воздушном зазоре переменное МП с индукцией B = Iн ? KВ,

Ток Iп, протекающий по подвижной катушке, взаимодействует с МП

неподвижной катушки, в результате чего появляется вращающий момент,

поворачивающий подвижную катушку на соответствующий угол ? :

Из уравнения шкалы видно, что шкала ферродинамического прибора – не

равномерная, и в цепях переменного тока показания прибора пропорциональны

действующим значениям измеряемых величин.

4.Назначение ферродинамических приборов

Измерение токов, напряжений, мощности в цепях постоянного и

переменного тока (амперметры, вольтметры, ваттметры).

Ферродинамические приборы – малоточные, класс точности – 1,5; 2,5.

5. Достоинства ферродинамических приборов

1. предназначены для работы в условиях вибрации, тряски и ударов.

2. независимость от внешних магнитных полей (т.к. сильное собственное

3. большой вращающий момент (позволяет использовать их в качестве

6. Недостатки ферродинамических приборов

1. низкая точность

2. большое самопотребление мощности

5. чувствительны к влиянию колебания частоты .

Измерительный механизм

Измерительный механизм — совокупность элементов средства измерений, которые обеспечивают необходимое перемещение указателя (стрелки, светового пятна и т. д.)

Содержание

Электроизмерительные механизмы

Магнитоэлектрический механизм

Магнитоэлектрический механизм состоит из цилиндрического постоянного магнита и магнитопровода. В рабочем зазоре между сердечником постоянного магнита и магнитопроводом образуется равномерное радиальное магнитное поле с магнитной индукцией. Подвижная катушка, выполненная из тонкого изолированного провода, помещена в рабочий зазор и укреплена на осях. Концы обмотки электрически соединены со спиральными пружинами. При наличии тока в катушке, на обе её стороны действуют силы, создающие вращательный момент прямо пропорциональный силе тока (согласно закону Ампера), который по мере поворота рамки уравновешивается механическим противодействующим моментом, создаваемым токоподводящими растяжками или пружинами. М. и. м. обладает высокой точностью и чувствительностью (ток, соответствующий максимальному отклонению рамки, в зависимости от конструкции механизма составляет от нескольких мкА до десятков мА), линейностью преобразования (шка́лы приборов с М. и. м. равномерны), малой чувствительностью к изменениям температуры окружающей среды и к внешним магнитным полям.

Важно: Направление отклонения стрелки прибора с М. и. м. зависит от направления тока в рамке, поэтому приборы с М. и. м. непригодны для непосредственного измерения переменного тока (стрелка будет дрожать вблизи нулевого значения), а при измерении постоянного тока необходимо соблюдать полярность включения.

Электромагнитный механизм

Электромагнитный механизм состоит из неподвижной катушки и укрепленной на оси подвижной пластинки из магнитномягкого материала. При наличии в катушке тока создается магнитное поле, которое намагничивает ферромагнитную пластинку, и она втягивается внутрь катушки. Возникающий при этом вращающий момент пропорционален квадрату тока. Часто квадратичную шкалу выравнивают, подбирая соответствующую форму ферромагнитной пластинки.

Электродинамический механизм

Электродинамический механизм состоит из неподвижной и подвижной катушек, поршня и камеры. Подвижная катушка может поворачиваться вокруг оси внутри двух секций неподвижной катушки. При наличии в катушках токов возникают электромагнитные силы взаимодействия, стремящиеся повернуть подвижную катушку по одной оси с неподвижной. В результате возникает вращающий момент. При синусоидальных токах вращающий момент электродинамического измерительного механизма пропорционален произведению действующих значений токов в катушках и косинусу угла сдвига фаз между ними.

Электростатический механизм

Электростатический механизм состоит из двух (и более) металлических изолированных пластин, выполняющих роль электродов. На неподвижные пластины подается потенциал одного знака, а на подвижные пластины — потенциал другого знака. Подвижная пластина вместе с указателем укреплена на оси и под действием сил электрического поля между пластинами поворачивается. При постоянном напряжении между пластинами вращающий момент пропорционален зарядам на этих пластинах, при синусоидальном напряжении подвижная часть механизма реагирует на среднее значение момента.

Ферродинамический механизм

Принцип действия ферродинамического измерительного механизма так же как и электродинамического основан на взаимоиндукции двух магнитных потоков, созданных токами, протекающими по обмоткам подвижной и неподвижной катушек. Ферродинамические механизмы отличаются от электродинамических тем, что неподвижная катушка имеет магнитопровод из магнитомягкого материала, в результате магнитный поток, а значит и вращающий момент существенно возрастают.

Индукционный механизм

Индукционный механизм состоит из двух неподвижных магнитопроводов с обмотками, подвижного алюминиевого диска, укрепленного на оси и постоянного магнита. Магнитные потоки создаваемые синусоидальными токами в обмотках и пронизывающие диск, смещены в пространстве. При этих условиях в диске образуется бегущее магнитное поле, под влиянием которого диск приходит во вращение. Магнит служит для создания тормозного момента. Среднее значение вращающего момента пропорционально произведению токов в двух обмотках и синусу фазового угла между ними. Индукционные механизмы используются, главным образом, в счётчиках электрической энергии.

Вибрационный (язычковый) механизм

Вибрационный электроизмерительный механизм представляет собой набор жёстко закреплённых на неподвижном основании упругих элементов (пластинок, язычков), приводимых в резонансные колебания при воздействии переменного магнитного или электрического поля..

Биметаллический механизм

Биметаллический механизм — механизм, действие которого основано на деформации биметаллического элемента (из материалов, имеющих различные скорости теплового расширения, вызванного изменением температуры), обусловленной прямым или косвенным нагреванием его измеряемым током.

Магнитодинамический механизм

  • Данных о практическом применении нет
  • Патент РФ № 2028003, приоритет от 24.08.1992
  • Формула изобретения:
    • МАГНИТОДИНАМИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ, состоящий из магнитопровода с обмоткой и индикаторным устройством, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен в виде многослойной спирали из ферромагнитного материала, на поверхности которого в косом пазу под заданным углом размещен электроизолированный провод с выводами, образующий пространственную коническую спиральную обмотку, а в качестве индикатора использованы два полых цилиндра со взаимно скрещенными под заданным углом линиями, одна из которых закреплена на корпусе, а другая — на центральном стержне спирального многослойного магнитопровода.

Видео по теме

Измерительные механизмы других систем

Механизм часового типа

В механизмах часового типа перемещение стрелки обеспечивается за счёт системы зубчатых колёс. Такие механизмы применяются в механических и электромеханических приборах измерения времени (часах, секундомерах, хронометрах), а также в индикаторах часового типа, граммометрах часового типа, шагомерах и других устройствах

Каждый электрик должен знать:  Подключение трёхфазного дифавтомата Legrand DX3 4П C40А 30mA

Механизм микрокатора

Микрокатор (инструмент для измерения малых перемещений) имеет механизм в виде скрученной в средней части ленточной пружины, при растягивании поворачивающейся на определённый угол. Механизм микрокатора используется в малогабаритных пружинных измерительных головках — микаторах, пружинно-рычажных индикаторах — миникаторах, пружинно-оптических измерительных головках — оптикаторах.

Механизм центробежной системы

В центробежном механизме вертикальное плечо регулятора, удерживаемое пружиной, вращается вместе с приводным шпинделем. Пара грузов, подвешенных к плечу регулятора, отбрасываются в стороны центробежной силой, так что расстояние, на которое смещается плечо регулятора, пропорционально скорости. Это смещение передается на стрелку прибора. Этот измерительный механизм используется преимущественно в механических спидометрах и тахометрах.

Электродинамические измерительные приборы

Читайте также:

  1. II) Электромагнитные измерительные механизмы
  2. IV) Ферродинамические измерительные механизмы
  3. VI) Индукционные измерительные механизмы
  4. Аналоговые измерительные преобразователи.
  5. Аналоговые электромеханические измерительные приборы.
  6. Вредные и опасные факторы производственной среды в помещениях, где используется современное компьютерное оборудование, телекоммуникационные сети и различные электронные приборы.
  7. Геометрическая оптика.отражение и преломление света. законы отражения и преломления.Зеркала и линзы.Уравнения для зеркал и линз.оптические приборы.
  8. Измерительные выпрямители.
  9. Измерительные высокочастотные генераторы сигналов
  10. Измерительные генераторы сигналов.
  11. Измерительные и логические органы релейной защиты. Реле.
  12. Измерительные инструменты и приборы.

Измерительные механизмы электродинамической системы (рис. 6) состоят из неподвижной катушки 1, выполняемой обычно из двух частей, круглой или прямоугольной формы, соединенных последовательно. Внутри этих катушек на оси находится бескаркасная подвижная катушка (рамка) 2, к которой подводится ток через две спиралевидные пружины 3, предназначенные для создания противодействующего момента.

Рис.6. Схема устройства электродинамического измерительного механизма.

Вращающий момент на подвижной рамке и, соответственно, угол её поворота α пропорциональны произведению токов I1 и I2, проходящих через подвижную и неподвижную катушки, и косинусу угла сдвига фаз ψ между ними

где W — удельный противодействующий момент, постоянный для данного устройства (угловая жесткость пружины);

M12 — взаимная индуктивность катушек.

При измерении постоянных токов значение косинуса равно единице.

Измерительные механизмы электродинамической системы содержат две цепи тока, поэтому являются множительными устройствами и обладают фазочувствительностью. Указанная особенность позволяет применять приборы электродинамической системы не только для измерения тока и напряжения, но также мощности и фазы.

Достоинства измерительных механизмов электродинамической системы (по сравнению с магнитоэлектрической):

-возможность их использования в цепях постоянного и переменного тока;

-стабильность показаний во времени.

-влияние внешних магнитных полей на результаты измерений (слабое собственное магнитное поле);

-большая мощность потребления;


-ограниченный частотный диапазон (до 1,5 кГц);

-чувствительность к перегрузкам.

Электродинамические измерительные механизмы используют в амперметрах, вольтметрах, при лабораторных измерениях в цепях постоянного и переменного токов промышленной частоты, фазометрах. Классы точности от 0,1 и грубее.

Для измерения тока подвижная и неподвижная катушки измерительного механизма соединяются последовательно (при токах до 0,1 А) или параллельно (при токах свыше 0,1 А). Максимальное значение измеряемого тока 10 А.

В электродинамических вольтметрах последовательно соединяются подвижная и неподвижная катушки и добавочное сопротивление. Верхний предел измерений не превышает 300 В.

Приборы характеризуются большой мощностью потребления и малой чувствительностью, вследствие чего имеют ограниченное применение.

Электродинамические логометры (двухрамочные механизмы) используют для измерения фазового сдвига, емкости и индуктивности на низких частотах.

Механизмы ферродинамической системы отличаются от рассмотренных электродинамических механизмов тем, что неподвижная катушка имеет магнитопровод из магнитомягкого листового материала (рис. 7).

Рис. 7. Конструкции ферродинамических механизмов: а – однокатушечного, б – двухкатушечного.

Вследствие этого магнитный поток и вращающий момент существенно возрастают, поэтому магнитодвижущая сила катушки может быть снижена, что уменьшает собственное потребление мощности механизма.

Достоинством ферродинамических приборов по сравнению с электродинамическими приборами является также меньшая восприимчивость к внешним магнитным полям. Однако точность и частотный диапазон у них ниже. Классы точности 0,2 – 2,5. Применяются преимущественно на переменном токе промышленной частоты.

Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.004 сек.)

Приборы электродинамической системы

Принцип действия приборов электродинамической системы (рис. 5) основан на взаимодействии двух катушек 1 и 2, по которым протекают измеряемые токи i1 и i2. Измерительный механизм состоит из двух катушек: неподвижной 1 и подвижной 2. Подвижная катушка 2, находящаяся внутри неподвижной 1, закреплена на оси 3. Ток i2 к подвижной катушке подходит через спиральные пружины 4, которые также предназначены для создания противодействующего момента Мпр. Угол отклонения стрелки электродинамического прибора в цепи постоянного тока: a = с1·I1·I2 прямо пропорционален произведению токов в неподвижной и подвижной катушках, (где с1— коэффициент пропорциональности).

При переменном токе вращающий момент в любой момент времени пропорционален произведению мгновенных значений токов:

где y — угол сдвига фаз между векторами токов.

Показания приборов в этом случае определяются средним значением вращающего момента за период:

где I’1 и I’2 — действующие значения переменных синусоидальных токов, соответственно i1 и i2.

Таким образом, угол отклонения стрелки электродинамического прибора в цепи переменного тока прямо пропорционален произведению трех величин: тока в неподвижной катушке, тока в подвижной катушке и косинуса угла сдвига фаз j между векторами этих токов. Следовательно, шкала электродинамического прибора неравномерная, но здесь надо помнить, что электродинамический ваттметр имеет равномерную шкалу

а)

Условное обозначение прибора

б)

Рис. 5.

Устройство прибора электродинамической системы
(электродинамический ваттметр): а), б) 1 – неподвижная катушка; 2 – подвижная катушка; 3 – ось; 4,5 – спиральные пружины; 6 – стрелка)

Достоинствами электродинамических приборов являются: высокая точность, обусловленная отсутствием стальных сердечников; способность работать на постоянном и переменном токе. При измерении в цепях переменного тока показания приборов соответствуют среднеквадратичному значению.

Недостатками следует считать: сравнительно низкую чувствительность; зависимость показаний от внешних магнитных полей; опасность перегрузок; большую мощность потерь; относительно высокую стоимость из-за сложной конструкции; неравномерность шкалы при измерении тока и напряжения.

Класс точности приборов данной системы: 0,1; 0,2; 0,5. Условное обозначение прибора электродинамической системы показано на рис. 5 в правом нижнем углу.

Для уменьшения влияния посторонних магнитных полей электродинамические приборы делают астатическими и применяют экранирование.

Если в неподвижную катушку электродинамического прибора ввести ферромагнитный сердечник, то напряженность собственного магнитного поля такой неподвижной катушки увеличится, что приведет к повышению чувствительности прибора и ослаблению влияния внешних магнитных полей, однако появятся потери, обусловленные гистерезисом и вихревыми токами. Такие приборы называются ферродинамическими.

ИНДУКЦИОНННЫЕ ПРИБОРЫ

Устройство. Индукционный измерительный механизм (рис. 6) состоит из двух неподвижных электромагнитов 1 и 4 и подвижного алюминиевого диска 5, укрепленного на одной оси со стрелкой 2. По катушкам электромагни­тов 1 и 4 проходят переменные токи, сдвинутые по фазе на угол ψ, в которых создают два переменных магнитных потока. Эти потоки пронизывают диск и индуктируют в нем э.д.с. по фазе, отстающие от соответствующих потоков на угол 90°. Под действием э.д.с. в диске возникают вихре­вые токи, которые при частоте 50 Гц практиче­ски совпадают по базе с соответствующими э.д. с.

Рис. 6.

Устройство индукционного прибора: (1 – пружина; 2 – неподвижный электромагнит; 3 – неподвижный электромагнит; 4 – алюминиевый диск).

Применение прибора.Индукционный прибор, так же как и электродинамический, в принципе может быть использован в качестве амперметра, вольтметра и ваттметра.

Достоинствами индукционных приборов являются высокая устойчивость к перегрузкам, большой вращающийся момент и малая чувствительность к внешним магнитным полям.

К недостаткам относятся сравнительно невысокая точность и зависимость показаний от частоты переменного тока и температурных влияний.

ЛОГОМЕТРЫ

Принцип действия. Логометры — показывающие электроизмерительные прибо­ры, имеющие два измерительных механизма, которые создают два противоположно направленных момента, вследствие чего угол поворота подвижной части прибора определяется только отношением токов в обмотках этих механизмов.

Логометры могут быть выполнены с измерительными механизмами любой электроизмерительной системы. Характерной особенностью их является отсутствие механических устройств, создающих противодействующий момент, вследствие чего их подвижная часть при отсутствии тока в катушках находится в состоянии безразличного равновесия.

На (рис. 7, а) показана принципиальная схема магнитоэлектрического логометра. Он состоит из двух катушек 1 и 2, расположенных под некоторым углом и жестко укрепленных на общей оси. К этим катушкам подводятся токи через три эластичные спирали 5, не создающие при закручивании механического момента.

Рис. 7.

Устройство логометра: (а) магнитоэлектрического: 1,2 — катушки; 3 – сердечник; 4 – наружное кольцо; 5 – эластичные спирали; б) электродинамического: 1,2 – подвижные катушки; 3 – сердечник; 4 – наружное кольцо; 5 – эластичные спирали; 6 – неподвижная катушка)

Сердечник 3 имеет форму эллипса, поэтому в воздушном зазоре между сердечником и наружным кольцом 4 образуется неравномерное магнитное поле.

На (рис. 7, б) показана принципиальная схема электродинамического логометра. Он также имеет 1 и 2, жестко укрепленные на оси и расположенные в магнитном поле неподвижной катушки 6. При повороте подвижной части момент, возникающий в результате взаимодействия потоков одной из подвижных катушек и неподвижной катушек, уменьшается (или наоборот). При определенном положении подвижной части моменты уравновешиваются.

Измерительный механизм

Измерительный механизм — совокупность элементов средства измерений, которые обеспечивают необходимое перемещение указателя (стрелки, светового пятна и т. д.)

Содержание

Электроизмерительные механизмы

Магнитоэлектрический механизм

Магнитоэлектрический механизм состоит из цилиндрического постоянного магнита и магнитопровода. В рабочем зазоре между сердечником постоянного магнита и магнитопроводом образуется равномерное радиальное магнитное поле с магнитной индукцией. Подвижная катушка, выполненная из тонкого изолированного провода, помещена в рабочий зазор и укреплена на осях. Концы обмотки электрически соединены со спиральными пружинами. При наличии тока в катушке, на обе её стороны действуют силы, создающие вращательный момент прямо пропорциональный силе тока (согласно закону Ампера), который по мере поворота рамки уравновешивается механическим противодействующим моментом, создаваемым токоподводящими растяжками или пружинами. М. и. м. обладает высокой точностью и чувствительностью (ток, соответствующий максимальному отклонению рамки, в зависимости от конструкции механизма составляет от нескольких мкА до десятков мА), линейностью преобразования (шка́лы приборов с М. и. м. равномерны), малой чувствительностью к изменениям температуры окружающей среды и к внешним магнитным полям.

Важно: Направление отклонения стрелки прибора с М. и. м. зависит от направления тока в рамке, поэтому приборы с М. и. м. непригодны для непосредственного измерения переменного тока (стрелка будет дрожать вблизи нулевого значения), а при измерении постоянного тока необходимо соблюдать полярность включения.

Электромагнитный механизм

Электромагнитный механизм состоит из неподвижной катушки и укрепленной на оси подвижной пластинки из магнитномягкого материала. При наличии в катушке тока создается магнитное поле, которое намагничивает ферромагнитную пластинку, и она втягивается внутрь катушки. Возникающий при этом вращающий момент пропорционален квадрату тока. Часто квадратичную шкалу выравнивают, подбирая соответствующую форму ферромагнитной пластинки.

Каждый электрик должен знать:  Полезные советы по выбору электроинструмента

Электродинамический механизм

Электродинамический механизм состоит из неподвижной и подвижной катушек, поршня и камеры. Подвижная катушка может поворачиваться вокруг оси внутри двух секций неподвижной катушки. При наличии в катушках токов возникают электромагнитные силы взаимодействия, стремящиеся повернуть подвижную катушку по одной оси с неподвижной. В результате возникает вращающий момент. При синусоидальных токах вращающий момент электродинамического измерительного механизма пропорционален произведению действующих значений токов в катушках и косинусу угла сдвига фаз между ними.

Электростатический механизм

Электростатический механизм состоит из двух (и более) металлических изолированных пластин, выполняющих роль электродов. На неподвижные пластины подается потенциал одного знака, а на подвижные пластины — потенциал другого знака. Подвижная пластина вместе с указателем укреплена на оси и под действием сил электрического поля между пластинами поворачивается. При постоянном напряжении между пластинами вращающий момент пропорционален зарядам на этих пластинах, при синусоидальном напряжении подвижная часть механизма реагирует на среднее значение момента.

Ферродинамический механизм

Принцип действия ферродинамического измерительного механизма так же как и электродинамического основан на взаимоиндукции двух магнитных потоков, созданных токами, протекающими по обмоткам подвижной и неподвижной катушек. Ферродинамические механизмы отличаются от электродинамических тем, что неподвижная катушка имеет магнитопровод из магнитомягкого материала, в результате магнитный поток, а значит и вращающий момент существенно возрастают.

Индукционный механизм

Индукционный механизм состоит из двух неподвижных магнитопроводов с обмотками, подвижного алюминиевого диска, укрепленного на оси и постоянного магнита. Магнитные потоки создаваемые синусоидальными токами в обмотках и пронизывающие диск, смещены в пространстве. При этих условиях в диске образуется бегущее магнитное поле, под влиянием которого диск приходит во вращение. Магнит служит для создания тормозного момента. Среднее значение вращающего момента пропорционально произведению токов в двух обмотках и синусу фазового угла между ними. Индукционные механизмы используются, главным образом, в счётчиках электрической энергии.

Вибрационный (язычковый) механизм

Вибрационный электроизмерительный механизм представляет собой набор жёстко закреплённых на неподвижном основании упругих элементов (пластинок, язычков), приводимых в резонансные колебания при воздействии переменного магнитного или электрического поля..

Биметаллический механизм

Биметаллический механизм — механизм, действие которого основано на деформации биметаллического элемента (из материалов, имеющих различные скорости теплового расширения, вызванного изменением температуры), обусловленной прямым или косвенным нагреванием его измеряемым током.

Магнитодинамический механизм

  • Данных о практическом применении нет
  • Патент РФ № 2028003, приоритет от 24.08.1992
  • Формула изобретения:
    • МАГНИТОДИНАМИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ, состоящий из магнитопровода с обмоткой и индикаторным устройством, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен в виде многослойной спирали из ферромагнитного материала, на поверхности которого в косом пазу под заданным углом размещен электроизолированный провод с выводами, образующий пространственную коническую спиральную обмотку, а в качестве индикатора использованы два полых цилиндра со взаимно скрещенными под заданным углом линиями, одна из которых закреплена на корпусе, а другая — на центральном стержне спирального многослойного магнитопровода.

Измерительные механизмы других систем

Механизм часового типа

В механизмах часового типа перемещение стрелки обеспечивается за счёт системы зубчатых колёс. Такие механизмы применяются в механических и электромеханических приборах измерения времени (часах, секундомерах, хронометрах), а также в индикаторах часового типа, граммометрах часового типа, шагомерах и других устройствах

Механизм микрокатора

Микрокатор (инструмент для измерения малых перемещений) имеет механизм в виде скрученной в средней части ленточной пружины, при растягивании поворачивающейся на определённый угол. Механизм микрокатора используется в малогабаритных пружинных измерительных головках — микаторах, пружинно-рычажных индикаторах — миникаторах, пружинно-оптических измерительных головках — оптикаторах.

Механизм центробежной системы

В центробежном механизме вертикальное плечо регулятора, удерживаемое пружиной, вращается вместе с приводным шпинделем. Пара грузов, подвешенных к плечу регулятора, отбрасываются в стороны центробежной силой, так что расстояние, на которое смещается плечо регулятора, пропорционально скорости. Это смещение передается на стрелку прибора. Этот измерительный механизм используется преимущественно в механических спидометрах и тахометрах.

Системы измерительных приборов

Системы измерительных приборов — это классификация электроизмерительных приборов (электромеханического действия) по физическому принципу действия измерительного механизма, то есть по способу преобразования электрической величины в механическое действие подвижной части.

Содержание

Общие принципы действия [ | ]

Все электрические приборы электромеханического действия снабжены неподвижной проградуированной шкалой, отсчёт по которой обычно производится по указательной подвижной стрелке (иногда светового зайчика, образуемого подвижным зеркалом), положение которой определяется равенством вращательного момента и момента сопротивления. Обычно момент сопротивления создаётся пружиной или торсионом (растяжкой), работающей на скручивание. Для логометрических и индукционных систем момент сопротивления создаётся иными способами, которые рассматриваются в соответствующих разделах. Приборы вибрационного типа вообще подвижной стрелки не имеют и её принцип индикации основан на иной основе, чем равенство вращательного момента и момента сопротивления (см. вибрационная система). Как правило, разновидности систем приборов различаются по способу создания вращательного момента и конструктивным особенностям.

Разновидности систем приборов [ | ]

  • Магнитоэлектрическая с подвижной рамкой — вращательный момент создаётся между неподвижным постоянным магнитом и подвижной рамкой с намотанной на ней проводом, по которому при подключения источника ЭДС протекает ток. Вращательный момент, создаваемый в таком приборе описывается законом Ампера. Шкала магнитоэлектрического прибора является равномерной. Аналогом такой системы является двигатель постоянного тока нормального исполнения с возбуждением от постоянных магнитов.
  • Магнитоэлектрическая с подвижным магнитом — вращательный момент создаётся между неподвижной рамкой с током и подвижным постоянным магнитом. Эта система является аналогом магнитоэлектрической с подвижной рамкой, имеет низкий класс точности — 4,0 и ниже, менее распространена и применяется для указательных приборов транспортных средств, благодаря своей стойкости к внешним механическим воздействиям. Аналогом этой системы является двигатель постоянного тока обращённого исполнения с возбуждением от постоянных магнитов.

Важно:Магнитоэлектрические приборы по своему принципу действия измеряют среднюю величину тока, а направление отклонения стрелки зависит от направления тока в рамке: поэтому они могут применяться только для измерения знакопостоянных токов, и требуют соблюдения полярности подключения [1] . Магнитоэлектрические приборы непригодны для непосредственного измерения переменного тока (стрелка будет дрожать вблизи нулевого значения).

  • Электромагнитная — вращательный момент создаётся между неподвижной катушкой с током и подвижным ферромагнитным сердечником.

Теоретическая основа данного прибора — это закон взаимодействия тока и ферромагнитной массы. Особенностью электромагнитной системы является квадратичная зависимость вращающего момента от тока в катушке, откуда следует возможность применения таких систем для измерения как постоянных так и переменных токов, а также неравномерная шкала. Аналогом такой системы является реактивный двигатель, работающий в соответствии с законом сохранения импульса.

  • Электродинамическая — вращательный момент создаётся между двумя катушками с током: подвижной и неподвижной. Вращательный момент пропорционален произведению токов в катушках. Электродинамическое усилие основано на взаимодействии обоих токов с полями (закон Ампера). Аналогов такой системы в двигателях не существует, в связи с малыми вращающими моментами.
  • Ферродинамическая система подобна электродинамической, но для увеличения вращательного момента в конструкции предусматривается сердечник из ферромагнитного материала. Аналогом такой системы является двигатель постоянного тока нормального исполнения.

Электродинамические и ферродинамические системы применяют в вольтметрах и амперметрах, но чаще всего в — ваттметрах и варметрах.

  • Индукционная — вращающий момент создаётся между бегущим полем неподвижных катушек (для создания бегущего поля в катушках токи должны быть сдвинуты по фазе)и токами, наводимыми во вращающемся неферромагнитном диске (обычно алюминиевом). В индукционной системе индицирование может осуществляться количеством оборотов диска, которое отображается через счётный механизм. Тормозной момент в этом случае создаётся взаимодействием магнитного поля постоянного магнита и токов, наводимых в диске. Иногда индицирование индукционной системе может производится с помощью стрелки — в таком случае тормозной момент создаётся пружиной. Вращающий момент в индукционной системе равен произведению потоков катушек и зависит от угла сдвига между их фазами. Аналогом этой системы является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Индукционную систему чаще всего применяют для счётчиков электрической энергии.

  • Электростатическая — вращающий момент создаётся между подвижным и неподвижным электродами, несущими на себе электрический заряд. Вращательный момент создаётся согласно закону Кулона.
  • Логометрическая — система отличается от предыдущих принципом создания тормозного момента — здесь тормозной момент создаётся с помощью специальной обмотки. Логометрическая система подразделяется по принципу создания вращательного момента: магнитоэлектрический логометр, электромагнитный логометр, электродинамический логометр, ферродинамический логометр. Особенностью логометров является безразличное положение стрелки до момента подключения прибора.
  • Вибрационная — система, в которой используются другой принцип измерения, не основанный на равенстве вращательного и момента сопротивления. В вибрационных приборах используется эффект электромеханического резонанса. Для этого в приборе устанавливаются несколько разной длины язычков из ферромагнитного материала, охваченных одной катушкой. При подаче переменного тока в катушку язычки начинают колебаться с разной амплитудой. Амплитуда язычка с наиболее близкой собственной резонансной максимальна — что индицирует примерную частоту тока в катушке. Это свойство используется в частотомерах промышленной частоты.
  • Тепловая — электрический ток, протекая через проводник, вызывает его нагревание и удлинение, которое регистрируется измерительным механизмом. За счёт тепловой инерции усредняются быстрые изменения тока. Примеры: автомобильные приборы, предназначенные для измерения уровня топлива в топливном баке, температуры охлаждающей жидкости в двигателе внутреннего сгорания, автомобильные манометры, показывающие давление моторного масла в системе смазки двигателя.

Дополнительные элементы [ | ]

В качестве дополнительных элементов приборов применяют гасители колебаний гидравлического, пневматического и электромагнитного действия для быстрого успокоения стрелки на установившемся положении относительно шкалы.

Дополнительным элементом является экранировка прибора ферромагнитным экраном и создание астатических приборов.

Поскольку электромагнитные приборы имеют слабое внутренне поле, то внешние поля могут сильно повлиять на их показания. Для этого создаются астатические приборы с двумя неподвижными катушками и двумя сердечниками, включёнными так, что их электромагнитные моменты складывались. Внешнее магнитное поле ослабляя поле одной катушки будет усиливать поле другой и суммарный вращающий момент останется практически постоянным.

Дополнительным элементом являются также термоэлектрические преобразователи — с помощью их измеряется не само значение тока, протекающего по проводнику, но его тепловой эквивалент и значит подключив к такому преобразователю магнитоэлектрический прибор можно измерять им переменные токи достаточно высокой частоты c большой точностью (тогда без такого преобразователя показания магнитоэлектрического прибора будут равны нулю). Термоэлектрические преобразователи могут также использоваться для гальванической развязки прибора.

Для измерения переменных токов с помощью магнитоэлектрических приборов применяют также выпрямительные схемы (т. н. «детекторные системы») — в основном в стрелочных мультиметрах и токоизмерительных клещах. В этом случае прибор будет показывать точное значение действующей величины только при синусоидальной форме измеряемого сигнала, при несинусоидальной форме будут появляться значительные погрешности в показаниях прибора.

Наличия астатизма, термоэлектрического преобразователя, выпрямителя и усилителя обозначается специальными символами, дополняющий основной символ системы измерительных приборов.

Добавить комментарий