Электромагнитные (ЭМ) измерительные приборы.

Принцип действия ЭМ приборов основан на взаимодействии магнитного поля катушки, по обмотке которой протекает измерительный ток и одного или нескольких ферромагнитных сердечников (рисунок 22).

Электромагнитные ИМ различаются формой намагничивающих катушек, а также числом и формой ферромагнет­иков. Чаще других применяются круглые и прямоугольные-катушки, цилиндрические и призматические сердечники.

Рисунок 22.Конструктивные элементы электромагнитных механизмов.

На рисунке 22 даны конструктивные схемы наиболее распространённых механизмов отталкивающего действия. Механизм на рисунке а, имеет круглую рабочую катушку 1 и два цилиндрических (коаксиальных) сердечника 2 и 3. Один сердечник 3 неподвижен, а другой 2 укреплен вместе с указателем 6 на оси 4 подвижной части. Их форма обусловлена необходимостью получения требуемого характера шкалы. При прохождении тока по обмотке катушки оба сердечника намагничиваются с одинаковой полярностью, вследствие чего подвижный сердечник отталкивается от неподвижного. Так образуется вращающий момент механизма. Противодействующий момент создается спиральной пружиной 5, а успокоение подвижной части механизма осуществляется воздушным или магнитоиндукционным успокоителем. Для снижения влияния внешних магнитных полей рабочая катушка экранируется (экраны и успокоители на рис.22, а — 6 не показаны). Сердечники и экраны изготовляют из магнитомягких материалов. Механизм с круглой катушкой и цилиндрическими сердечниками широко применяют в щитовых приборах различного назначения. Его достоинством наряду с очень простой и удобной регулировкой является возможность получения требуемого характера шкалы (линейности).

Уравнение шкалы:

 

где L - индуктивность катушки.

Достоинства: приборы работают на любом токе. Простота конструкции,дешевизна, высокая надежность.

Недостатки: неравномерная шкала, сильное влияние магнитных полей, низкая чувствительность и класс точности. Приборы ЭМ системы: амперметр, вольтметр, фазометр, частотомер, фарадометр.

Погрешности приборов. В электромагнитных приборах с некоторыми общими погреш­ностями, характерными для большинства электромеханических приборов (погрешности отсчета, от трения в опорах, от опрокиды­вания, от упругого последствия пружинок или растяжек и т. д.), имеют место специфические погрешности. Погрешность от гистерезиса материала сердечников и экранов появляется при работе прибора на постоянном токе, когда есть разница в показаниях прибора при возрастании и убывании тока. Для снижения этой погрешности сердечники изготовляют из высококачественных железоникелевых сплавов с малой коэр­цитивной силой и затем подвергают отжигу в вакууме или водороде. Погрешность переносимых вольтметров собственного нагрева рабочей катушки проходящим по ней током. Изменение показаний электромагнитных вольтметров, вызван­ное изменением окружающей температуры, определяется величи­нами температурных коэффициентов сопротивления цепи катушки (В_ц) и упругости материала растяжек или пружин (Вw). Изменение показаний электромагнитных приборов, вызвано изменением частоты, обусловлено влиянием вихревых токов, изменением индуктивного сопротивления рабочей катушки и наличием межвитковой емкости этой катушки. При работе прибора на переменном токе в металлических деталях ИМ индуцируются вихревые токи, значения и угол сдвига которых (относительно рабочего тока) меняются при изменении частоты и угла отклонения подвижной части, что ведет к изменению показаний прибора. Последнее становится заметным при работе на повышенных частотах и является основной составляющей частотной погрешности амперметров. Изменение показаний электромагнитного прибора под влиянием внешнего магнитного поля при самом неблагоприятном направлении поля и отсутствии магнитного экранирования определяют по формуле:

у_н = Не/Нк100%,

где Н_е = 400 А/м — напряженность внешнего поля при испытании прибора; Н_к— напряженность поля внутри рабочей катушки при номинальном токе в обмотке.

При небольших значениях Н_к(2500—4000 А/м) получим недопустимо большие значения у_н(более 10%). Применение магнитного экранирования измерительного механизма снижает у_н до требуемых значений, так как при этом внешнее магнитное поле уменьшается экраном в к_э раз, где к₃— коэффициент экранирования.

Изменение показаний электромагнитных приборов, вызванное отклонением формы кривой тока или напряжения от синусоидальной, оказывается существенным только при больших значениях магнитной индукции в сердечниках, близких к насыщению.

Электродинамические (ЭД) измерительные приборы.

Принцип действия ЭД приборов основан на взаимодействии магнитных полей неподвижной и подвижной катушек с токами (рисунок 23, 24).

Области применения и свойства приборов

Электродинамические приборы применяют в качестве:1)ваттметров постоянного и переменного токов (ваттметры переменного тока делятся на однофазные, трехфазные и малокосинусные); 2) амперметров и вольтметров переменного тока и реже - постоянного; 3) фазометров (однофазных и трехфазных);4) частотомеров; 5) фарадометров.Характерной особенностью электродинамических приборов является возможность их исполнения с высоким классом точности так, в настоящее время выпускаются электродинамические амперметры, миллиамперметры, вольтметры и однофазные ваттметры класса точности 0,05; фазометры — класса 0,1; частотомеры и стрелочного типа ваттметры — класса 0,5. Как правило, точность сохраняется при переходе с постоянного тока на переменный, что позволяет выполнять градуировку на постоянном токе. Высокая точность электродинамических приборов объясняется тем, что электродинамические ИМ не содержат ферромагнитных или других нелинейных элементов, наличие которых вызывает трудно компенсируемые погрешности. Погрешности, вносимые магнитным экраном (для экранированных приборов), можно свести до ничтожно малых величин правильным проектированием экрана. Показания электродинамических приборов отличаются также высокой стабильностью во времени. Высокая точность этой группы приборов позволяет использовать их в качестве образцовых при градуировке и поверке приборов других систем на переменном токе. Частотный диапазон применения электро­динамических приборов достигает (в расширенной области частот) для амперметров 10 кГц, для вольтметров и ваттметров — 5 кГц. Ваттметры имеют практически равномерную шкалу, амперметры и вольтметры — равномерную шкалу, начиная приблизительно с 15—20% ее номинального значения.

По чувствительности электродинамические приборы уступают магнитоэлектрическим. Однако применение растяжек и светового указателя позволило улучшить этот параметр. Так, имеются миллиамперметры с током полного отклонения I_н=1 мА (чаще всего /_и для этих приборов составляет 3—5 мА, а для приборов с установкой подвижной части на кернах Iн = 25/30 мА).В основном электродинамические приборы применяют в ка­честве самых разнообразных ваттметров, а также высокоточных амперметров и вольтметров. Выпускают и комбинированные электродинамические приборы — ампервольтваттметры.

Измерительные механизмы. Электродинамические ИМ состоят из системы неподвижных и подвижных катушек (рамок), стойки, упругих элементов, успокоителя, отсчетного устройства, средств магнитной защиты.

Катушки применяют круглые или прямоугольные. Круглые проще в производстве и дают по сравнению с прямоугольными увеличение коэффициента добротности (и, следовательно, чувстви­тельности) на 15—20%. Прямоугольные применяют для уменьше­ния размера прибора по вертикали, например в астатических приборах и многофазных (многоэлементных) ваттметрах.

Неподвижные катушки обычно выполняют из двух половин (секций). Это удобнее конструктивно (можно пропустить ось) и можно, изменяя расстояние между катушками, менять кон­фигурацию магнитного поля, что требуется для улучшения шкалы прибора. Для обмоток неподвижных катушек всегда применяют медный провод, а для подвижных – медный или алюминиевый. Подвижные катушки размещают внутри неподвижных. Дальнейшее рассмотрение электродинамических приборов приведено применительно к ваттметрам, наиболее важной группе этих приборов.

 

Рисунок23 Разрез катушек ЭД

Рисунок24 Экранированный ЭД с круглыми катушками

Уравнение шкалы:

где М₁,₂-взаимная индуктивность между катушками.

Достоинства: универсальность (переменно-постоянный ток), высокая точность, самые точные приборы для переменного тока, равномерность шкалы при измерении мощности.

Недостатки: сравнительно низкая чувствительность, большое потребление энергии, зависимость показаний от внешних магнитных полей, чувствительность к перегрузкам механических воздействий, неравномерность шкал вольтметров и амперметров, сложность конструкции (крупногабаритные) и относительно высокая стоимость.

Измерительные цепи и погрешности ваттметра.

Измерительные цепи электродинамических ваттметров зависят от количества пределов измерений по току и напряжению, а также от необходимости компенсации погрешностей, прежде всего температурной и частотной. Температурная погрешность yt ваттметра. Эта погрешность возникает вследствие изменения сопротивления r_о обмотки рамки и изменения упругих свойств пружинок или растяжек. Условие температурной компенсации (yt=0) можно представить следующим образом: B_w=B₀r_о/(r_о+r_д), где B₀- температурный коэффициент электрического сопротивления материала провода обмотки рамки; B_w-температурный коэффициент упругих пружинок или растяжек; r_д –добавочное сопротивление. Погрешность электродинамических ваттметров от изменения частоты yf -эта погрешность вызывается изменением тока в параллельной цепи ваттметра.

Ферродинамические (ФД) измерительные механизмы.

Принцип действия ФД приборов основан на взаимодействии подвижной катушки с током и магнитным потоком, создаваемым неподвижными катушками (рисунок 25).

Рисунок25 Структурная схема ФД механизма

1. Неподвижные катушки

2,3. Магнитопроводы

4. Скрепленные катушки

 

Уравнение шкалы:

где k- коэффициент, определяемый конструкцией измерительного механизма и выбором системы единиц.

Достоинства: меньшая зависимость от внешних магнитных полей, мощное усиление, большой вращающий момент, большая механическая устойчивость. Благодаря большому вращающему моменту эти механизмы применяют в самопищущих приборах.

Недостатки: меньшая точность показаний (не выше класса 1), более низкий частотный уровень, большее влияние температуры и частоты на показания приборов.

Конструкции измерительных механизмов.

В ферродинамическом ИМ независимо от конструктивного
исполнения можно выделить три основных элемента: катушку
возбуждения, магнитопровод и подвижную часть. Форма катушки
возбуждения и их количество, конфигурация магнитопровода и его отдельных элементов, конструкция и число обмоток подвижной части определяются схемой и целевым назначением прибора, видом измеряемой величины и требуемыми метрологическими характеристиками.

 

 

Рисунок27 Магнитная система

Рисунок26 Измерительный механизм с углом шкалы 90^0

 

На рис. 26 представлен ИМ, применяемый в амперметрах, вольтметрах и однофазных ваттметрах с углом шкалы 80-90 Катушка возбуждения 1 охватывает средний стержень магнитопровода 2, который обычно набирают из отдельных электрически изолированных пластин электротехнической ста­ли или изготовляют методом спекания ферромагнитных порошков. Пластины стягивают в пакет шпильками или заклепками, применяя для этого материалы с низкой электропровод­ностью, например манганин. Сердечник 3 так­же набирают из отдельных пластин; иногда, особенно в приборах, предназначенных для работы в сетях промышленной частоты 50 Гц,

В щитовых приборах широко применяются конструкции с большим углом поворота подвижной части-в пределах 230-260 (рис 27.). Магнитная система такого типа ИМ, состоит из двух основных элементов: S-образного сердечника 1 и внешнего магнитопровода 2 полукольцевой формы. Между частями магнитопровода обычно составляют зазор 5, изменением которого можно регулировать величину отклонения подвижной части. Увеличивая этот зазор, снижают индукцию на рабочем участке 3 магнитной системы и, следовательно, уменьшают угол поворота указателя. Относительное смещение частей магнитопровода можно использовать также для корректирования в некоторых пределах характера шкалы. Катушка возбуждения 4 размещается на выступе магнитопровода 2. На оси подвижной части закреплены рамка 6, стрелка 9 и сектор магнитного успокоителя 10. Подвижная часть вращается в опорах которыми служит кольцевой мостик 11. Начальное или нулевое положение подвижной части регулируется корректором 7.

Измерительные цепи и погрешности ЭД и ФД приборов.

Для ферродинамических, так же как и для электродинамических приборов, наиболее характерными являются ваттметры. Поэтому при рассмотрении измерительных цепей, погрешностей и методов их компенсации рассмотрим только однофазный ферродинамический ваттметр, наиболее характерными погрешностями которого являются частотная (угловая)погрешность, погрешность от нелинейности кривой намагничивания и погрешность от асимметрии воздушного зазора. Угловая погрешность возникает вследствие различия фазовых соотношений в приборе и измерительной цепи. Однако в данных приборах задача компенсации погрешности имеет ряд особенностей, обусловленных наличием ферромагнитных масс. Вследствие потерь на гистерезис и вихревые токи в магнитопроводе, обмотке и расположенных вблизи катушки возбуждения металлических деталях магнитный поток катушек отстает по фазе от намагничивающего тока на угол . Погрешность от нелинейности кривой намагничивания проявляются в том, что отсчет по ваттметру одной и той же мощности различен при разных сочетаниях тока в нагрузке и напряжения. Практически погрешность появляется в тех случаях, когда напряжение сети или коэффициент мощности отличаются от значений, при которых производилась градуировка прибора. Снизить погрешность от нелинейности кривой намагничивания можно выбором рабочего участка кривой намагничивания материала магнитопровода. Погрешность от асимметрии или погрешность электромагнитного взаимодействия обусловлена асимметрией воздушного зазора. Если разомкнуть цепь катушки возбуждения и оставить включённой параллельную цепь, указатель ваттметра должен устанавливаться на нулевой отметке. В действительности рамка может занять другое положение, соответствующее минимуму магнитного сопротивления для потока, создаваемого рамкой. Система «рамка с током-магнитопровод» представляет собой обращенный электромагнитный прибор, в котором катушка возбуждения вращается вокруг неподвижного ферромагнитного сердечника. Погрешность от асимметрии обычно не превышает десятых долей процента, уменьшить ее можно только тщательной регулировкой измерительного механизма в процессе сборки.